毛细管式在线粘度测量装置的研制毕业论文.docx

毛细管式在线粘度测量装置的研制摘要：本文首先分析了目前国内外液体动力粘度的在线测控需求情况，然后从泊肃叶定律出发，对常规毛细管粘度计进行改进设计，研制出一套新型自动粘度测量装置，该装置采用气液隔板隔离液体与传感器及动力部件，避免两者相接触而造成的清洗困难。该装置系统通过STC12C5A60S2单片机系统控制装置运行，并自动检测相关信号，计算被测液体粘度。文章最后给出测量误差分析及改进之处。关键词：粘度，在线测量，单片机系统，闭环控制第一章粘度在线测控现状及发展方向1课题研究背景及意义粘度是衡量液体抑制流动能力的一个重要的物理参数，是液体的重要物理性质和技术指标之一。液体的粘度特性往往与产品的其他特性如颜色、密度、稳定性、固体成分含量和分子量的改变有关系，而检测这些特性的最方便和灵敏的方法就是在线检测液体的粘度。在物理化学，流体力学等科学领域中，粘度测量对了解流体性质及研究流动状态起着重要的作用[1]。随着国民经济的不断提高，粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义，粘度测量的要求日益突出。实际工程和工业生产中，经常需要在线检测流体的粘度，以保证最佳的过程运行环境与产品质量，从而提高生产效益，特别是在石油化工、医药、冶金及食品等行业中口[2][3]。例如：原油管道长距离输送过程中，原油粘度过大不仅影响输送效率，而且可能会造成原油凝管，发生事故。通过在线测量过程中的液体粘度，可以得到液体流变行为的数据，对于预测产品工艺过程的工艺控制，输送性以及产品在使用时的操作性有着重要的指导价值。总之，液体粘度的在线测量在石油、化工、国防、医学和煤炭等国民经济中发挥着越来越重要的作用。2液体粘度的传统测量方法传统的粘度测量方法有旋转法、振动法、毛细管法和落体式测量法。旋转法测量液体粘度是目前应用广泛的一种方法。其基本原理是：当流体与浸于其中的物体二者之一或者二者都作旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速或转矩，通过测量流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速来确定流体的粘度。旋转法适用范围宽，测量方便，易得到大量的数据，但测量精度较低，测得的粘度值一般为相对值[4]。振动法测量方式有扭转振动式和振动片式等多种。常用的扭转振动式测量包括衰减振动式和强制振动式。衰减振动式基于浸于液体中作扭转振动的物体由于受到液体施于的粘性力，其扭转振幅会衰减，测量出振幅衰减情况和衰减周期，即可通过相应公式计算出液体粘度；强制振动式原理是由外界补充振动物体由于粘性所损耗的能量，使振动物体维持恒定振动频率和振幅，由所补充的能量和液体粘度之间的关系计算粘度值。振动法常用于低粘度液体的粘度测量。振动法具有振动周期和衰减测量方便、样品用量少、控温方便的优点，但没有公认的理想粘度计算公式[5]。毛细管法的理论基础是泊肃叶定律，即一定体积的液体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间正比于层流液体的粘度，可通过测量液体流速和液体流经毛细管产生的压力计算出液体粘度。毛细管粘度仪作为分析性粘度仪已应用多年，可在基础温度(参考温度)下直接测量粘度。其工作过程如下：部分样品由一个精确的计量泵由过滤器吸入到粘度分析仪中，并在加热槽中循环，直至样品温度稳定；而后，样品流过一段短毛细管，期间测量毛细管两端的压降(为动态粘度的函数)，再利用密度测量值加以校正，便可获得参考温度下的运动粘度值。毛细管粘度测量精度高、测量过程中能够进行精确稳定的温度控制，具有良好的趋势分析效果。但毛细管粘度仪的成本和安装费用很高，且存在装置内残留样品不易清洗，测量周期长等缺点[6]。落体式粘度计的基本原理是球体或柱体在被测液体中下落，通过测量落体通过两定点所用的时间来测定粘度，也可以让球体滚动通过倾斜的平面。落球式粘度计原则上可测定绝对粘度，但往往也作为一种间接法，它可以用来测定加压下液体的粘度[7][8]。落球式粘度计的精度低于毛细管粘度计，测量的方法是以同一小球依次在测量管内的不同液体中下落，并记下其降落距离相等的时间。如果小球在所选用的参比液体中降落一定距离所需要的时间为幻，且参比液体的粘度及密度皆已知，则只需知道待测液体的密度，便可算出待测液体的粘度。与落球法相类似的另一种方法是拉球法[9]，此法克服了落球法在测量技术上的困难，如在高温粘度测量中，由于高温炉、容器及熔体不透明，无法用直接目测法测量小球的下落速度，拉球法是一种使小球在液体中进行强制往上运动的方法。拉球法中，拉力与粘滞摩擦阻力的关系如式(1)所示：T=6ηπRu=ku(1)式中，T为拉力(可由加入天平的砝码质量求出)；R为小球半径；u为小球往上移动的速度；k为与R有关的比例系数。通过实验测量出不同拉力作用下的小球往上移动速度，作移动速度对拉力的图线，所得曲线的斜率即为比例系数k，于是可求得粘度数值。在该方法中，小球