基于重力式毛细管的智能粘度仪设计

　　1　引　言

　　粘度是用来表征流体在外力作用下流动时,因分子间内聚力的存在而沿其界面产生内摩擦力大小的物理量,分为动力粘度、运动粘度和相对粘度等。粘度测量在许多领域应用广泛,是控制生产流程、保证安全生产、评定产品质量和科学研究的重要手段[1]。

　　重力式毛细管法是测量牛顿流体运动粘度的一种重要方法,测量精度高[2]。这种方法要求恒温槽的温度控制精度优于0. 1℃,计时误差≤0. 5%。现有毛细管粘度计的恒温槽温度测量一般采用Pt100铂热电阻,测量精度高,但电路较复杂,且需经常进行温度标定、校准[3];计时较多采用秒表人工计时,自动化程度低,人为误差较大。为此,设计了一种基于重力式毛细管原理,采用光电液位精确读数、数字温度传感器DS1624准确测量水浴温度,利用超低功耗单片机MSP430F449进行信息处理的智能粘度仪,在满足测量准确度要求的前提下,有效地解决了上述测量问题。

　　由于压缩机制冷系统只能开关控制,而加热系统(电热管)PWM控制的脉宽分级精度不可能很高,为抑制温度控制超调量,建立了一种依据阈值判断控制压缩机制冷、改进Bang-Bang控制与模糊控制相结合控制电热管加热的水浴温度精确控制算法。

　　2　仪器的构成与工作原理

　　2.1　重力式毛细管粘度计的工作原理

　　重力式毛细管粘度计的工作原理,是用相对法测量一定体积的液体在重力作用下流经毛细管所需时间,以求得液体的运动粘度[4]。常用毛细管粘度计按其结构、形状可分为乌氏、芬氏、平氏、逆流四种,本文以乌氏粘度计为例进行阐述。

　　智能粘度仪的结构框图如图1所示。利用负压将被测液体吸升到上计时标线A以上约5 mm处后,撤去负压装置,液体自然流下,测定液面通过计时球上、下标线A与B所需要的时间,即可获得被测液体的运动粘度:

　　式(1)中,粘度计常数C可以利用标准粘度液或直接比较法检定获得[4]。因此,被测液体运动粘度υ的自动测量可由恒温(温度波动≤0. 1℃)条件下被测样品液面通过计时球上、下标线A与B所需要的时间t确定。

　　2.2　仪器的构成与工作流程

　　智能粘度仪分为装置系统及单片机系统两大部分,见图1。装置系统主要由乌氏毛细管粘度计水浴和小型潜水泵4组成。乌氏毛细管粘度计是粘度测量的标准器具;水浴为粘度测量的准确进行提供必要的温度环境;小型潜水泵4搅动水浴中的水,保持水浴温度的一致性。单片机系统以美国TI公司超低功耗单片机MSP430F449为信息处理单元,主要由温度测控模块、液位自动检测模块、人机接口及通信模块等部分组成。MSP430F449内部FLASH存储器为60KB,RAM为2KB,自带12位ADC,有利于简化仪器的电路设计。温度测控模块完成水浴温度的采集与控制,包括水浴温度检测装置1,继电器控制下的制冷装置2以及固态继电器SSR控制下的加热装置(电热管)3等三部分。液位自动检测模块对被测液体流经上下计时标线A、B的时间进行自动测量。单片机计算运动粘度υ,并完成仪器的显示、打印、通信、键盘管理等功能。