王春震，胡麗娜（通訊作者），商繼祥，趙云波

（山東大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057）

傳統(tǒng)的振蕩粘度儀已不能滿足當(dāng)代工業(yè)的發(fā)展需求，因此對粘度儀的研制提出了新的標(biāo)準(zhǔn)與要求。基于此，筆者從粘度儀的硬件結(jié)構(gòu)以及可變磁場高溫熔體粘度儀的設(shè)計兩個方面對粘度儀的創(chuàng)新優(yōu)化進(jìn)行探討。

1 粘度儀的硬件結(jié)構(gòu)

新型粘度儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為通過加熱裝置將坩堝中的樣品加熱至熔化狀態(tài)，再轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動懸絲，坩堝和樣品在力的作用下呈振蕩運(yùn)動。受到液體的粘滯力作用，振動力度減弱，加上懸絲上的反光鏡反射入射激光，從而得出衰減率和振蕩周期，最后結(jié)合公式得出樣品粘度。

1.1 振蕩系統(tǒng)

圖1 新型粘度儀的硬件結(jié)構(gòu)

由粘度儀的硬件結(jié)構(gòu)圖可知，粘度儀的上端是步進(jìn)電機(jī)，懸絲一端連接在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸上，另一端連接在懸桿上，將反光鏡放置在懸絲和懸桿的中間，懸桿下部與坩堝相連，樣品置于坩堝內(nèi)，懸絲和懸桿均由金屬鉬制成。其熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性強(qiáng)，原子間結(jié)合力極強(qiáng)，高溫環(huán)境下膨脹系數(shù)小，內(nèi)能消耗少，能有效減小機(jī)械部分所造成的測量誤差。在測量過程中，先將步進(jìn)電機(jī)角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)電機(jī)停止后懸絲帶動懸桿和坩堝做回轉(zhuǎn)振蕩，在力的作用下使反射激光來回擺動。

1.2 加熱和真空系統(tǒng)

粘度儀主要用于測量金屬材質(zhì)樣品，由于樣品熔點(diǎn)大多是1000℃以上，因此高溫加熱裝置尤為關(guān)鍵。由上圖可知，加熱設(shè)備采取石墨加熱體加熱，并配備了相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)，硅酸鋁保溫材料和爐體內(nèi)的冷卻循環(huán)水能維持測量溫度的恒定。除此之外，真空泵和真空計組成的真空系統(tǒng)也是粘度儀的主要組成部分，兩者均用于在測量前對加熱爐內(nèi)進(jìn)行真空處理，將粘度儀腔體內(nèi)的真空度降到10-1Pa以下，并適量加入氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w，防止樣品被氧化。簡言之，新型粘度儀的加熱溫度高至1500℃，升溫和降溫速率提高近20℃/min，工作效率非常高。

1.3 磁場系統(tǒng)

在粘度儀的磁場系統(tǒng)中，加熱爐體周圍都配備有可調(diào)磁場，該設(shè)備能獨(dú)立完成對磁場強(qiáng)度的有效調(diào)節(jié)，磁場系統(tǒng)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)磁場。通常，外環(huán)磁場的下端安裝有一個圓周齒輪，便于磁場移動，位置的改變也是對磁場的一種調(diào)整方式，并且圓周齒輪還與渦輪蝸桿的一端相連，轉(zhuǎn)動蝸桿就能調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度，本次研究所采用的可調(diào)磁場工作原理如圖2所示。

圖2 可調(diào)磁場工作原理示意圖

1.4 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)是粘度儀硬件結(jié)構(gòu)的主要組成部分，其工作原理是通過檢測反光鏡反射的激光信號來計算金屬熔體的粘度，圖3為測量系統(tǒng)工作原理圖。測量系統(tǒng)的精確度與激光信號的角度密切相關(guān)。因此，在測量前調(diào)整好反射激光角度十分必要，將激光對準(zhǔn)接收器A，再通過振蕩對反射激光進(jìn)行接收器A、B間的擺動，根據(jù)路段來分別檢測掃描時間，繪制出相關(guān)函數(shù)圖（圖4），并運(yùn)用時間測量法得出第i個周期與第i+n個周期的對數(shù)衰減率，時間測量公式為：

周期為T=tAB+ tBB+ tBA+ tAA。獲得相關(guān)數(shù)據(jù)資料后，將參數(shù)代入公式，即可得出粘度。

圖3 測量系統(tǒng)工作原理圖

圖4 相關(guān)函數(shù)圖

2 可變磁場高溫熔體粘度儀的設(shè)計

2.1 可變磁場系統(tǒng)

可變磁場系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)兩塊磁體的相對位置來改變磁場強(qiáng)度，其最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為2700Gs。兩組通電線圈能產(chǎn)生交替磁場，即水平與垂直磁場，改變線圈的電流和匝數(shù)就能實(shí)現(xiàn)對磁場強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，根據(jù)物理學(xué)原理，樣品所受總磁場的影響可隨意進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 測量系統(tǒng)

本次研究所研制出的新型粘度儀通過位置傳感器來對激光信號進(jìn)行檢測，傳感器是一種感光元件，是一種連非分割型器件，其能克服分辨率受敏感單元尺寸影響的缺陷。簡言之，與其它光電位置探測器相比，這種測量系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)如圖5所示）的分辨率高，反應(yīng)速度快，并且對光源以及光學(xué)系統(tǒng)的要求較低，精確度高，能有效節(jié)約檢測時間，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 振蕩系統(tǒng)

由上文可知，本次研究的新型粘度儀是采取降下加熱爐體來更換樣品，振蕩系統(tǒng)靜止后，適當(dāng)調(diào)節(jié)反射激光，再升溫測量。在粘度儀上端放置1塊中心板，并在下端增加減震裝置，使得振蕩系統(tǒng)的穩(wěn)定性與垂直度得到保證，提升測量精確度。粘度儀上端的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入器能在真空中對樣品進(jìn)行準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。該裝置操作靈活精確，可靠性強(qiáng)。

2.4 加熱和真空系統(tǒng)

本設(shè)計以石墨加熱體為加熱原料，將樣品放于坩堝，再將套筒懸掛在懸桿上。冷凝管的設(shè)計使樣品溫度保持恒定，同時無需使用套筒，減小了溫度測量的誤差。

新型粘度儀的密封性強(qiáng)，測量精確度高，并且使用了機(jī)械泵和分子泵來提升真空度，在加熱爐底端放置易與氧氣反應(yīng)金屬的坩堝，降低樣品氧化的程度，提高了測量精度。

2.5 新設(shè)計粘度儀

新設(shè)計粘度儀操作流程的操作流程主要分為兩大步驟，即空測與實(shí)測。

（1）空測。首先，調(diào)節(jié)振蕩系統(tǒng)，記錄反射激光的照射角度偏差。其次，合理安排步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，并記錄激光在位置，靈敏探測器上的位置與時間，將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后，對所記錄的有效信息進(jìn)行處理后，便得到空測時的對數(shù)衰減率和振蕩周期，最后保存結(jié)果。

（2）實(shí)測。首先，將樣品放于坩堝中，調(diào)節(jié)振蕩系統(tǒng)，記錄反射激光的照射角度偏差。其次，升上電阻爐，將容器密閉好，并對其進(jìn)行真空處理，待其達(dá)到10-3Pa后再關(guān)閉真空泵，向粘度儀內(nèi)部通入惰性氣體，防止發(fā)生反應(yīng)。第三，升高溫度，待溫度達(dá)到要求后，再打開電阻爐加熱樣品，并保溫半小時。第四，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，并記錄激光在位置靈敏探測器上的位置與時間，將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行處理。第五，對所記錄的有效信息進(jìn)行處理后，便得到空測時的對數(shù)衰減率和振蕩周期，然后保存結(jié)果。最后，讀取空測結(jié)果，代入計算，得出結(jié)果。

3 結(jié)語

總而言之，新型粘度儀精確度高，工作效率優(yōu)良，并且該設(shè)備的最高測量溫度可提高到1500℃，適用于多種樣品類型，能精確測量出高熔點(diǎn)金屬的粘度，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時間與成本，并且提高了測量工作效率與質(zhì)量。