高温液态金属粘度计的研制

    液态金属的粘度是金属的重要物性参数之一, 粘度决定着液态金属的流体力学特征。基于衰减振动式中的振荡杯法研制了一台高温液态金属粘度计, 该粘度计对机械性能要求不高, 只需要精确的时间测量和计算, 与国内外同类产品相比大大降低了成本。通过对标准试液的测量, 该粘度计的测量精度、测量重复率均到达了设计要求, 与同类产品相比粘度测量范围大, 系统运行稳定可靠。

    1 粘度测量原理

    本文所设计的振荡杯法粘度计基于以下原理: 一根悬丝下面吊着盛放液态金属的坩埚, 坩埚放到高温真空加热炉中。当要测试时, 步进电机带动悬丝先旋转一定角度再逆向旋转同样的角度, 此后, 坩埚在悬丝扭力的作用下做左右的转动。由于受液态金属层间粘力的作用, 坩埚转动逐渐衰减, 摆幅越来越小, 速度越来越慢。液体的粘度与坩埚衰减振动的时间存在固定的关系, 选取连续 2n 次的时间测量值, 通过以下步骤就可算出粘度值。

    首先计算出 2n 次测试的平均周期 T, 再根据对数衰减率公式( 公式 1) 算出衰减周期中某一时间段的对数衰减率, 实际应用中选用了激光采样的 AB 时间段。

    式中 v: 运动粘度; k: 系统惯性常量; M: 容器重量; ρ: 密度;R: 容器半径; H: 被测样品高度; x=δ/2π; a、b、c: 系统常数; τ: 实测时的平均周期; τ₀: 空测时的平均周期; δ₀空测时对数衰减率的平均值; δ: 实测时对数衰减率的平均值。

    2 系统整体结构

    系统结构如图 1 所示, 主要由以下几个部分组成: 高温真空加热炉及温控装置、激光测量装置、下位机系统和上位机系统。其中高温真空加热炉是一台可控硅电加热炉, 利用独立的温度控制系统, 以 B 型热电偶作为温度检测器, 实现被测样品高温加热和恒温保持等温度控制要求。下位机系统以 Atmel 公司89S52 单片机为主控芯片, 主要实现振动时间测量、人机接口、电机控制和与上位机串行通信。

    测量前抽空炉中的气体, 坩埚中的被测金属液化以后, 保持在一恒定温度, 其测量步骤如下: 首先, 单片机控制步进电机做左右旋转, 给吊坩埚的悬丝一个初始力矩, 于是在惯性作用下,坩埚做衰减转动, 并且悬丝上面的镜子会随着坩埚做同步衰减转动; 然后在与镜子的同一水平面上, 激光发射器向镜面发射激光, 在转动过程中, 反射激光会被两个激光接收管 A、B 接收, 经光电转换电路把光电脉冲转换为电脉冲, 并且这两路电脉冲信号经下位机系统的检测测量电路, 转化为坩埚衰减转动周期的四个时间段数据, 即 AA、AB、BB、BA; 最后连续测量 2n 个衰减周期, 数据通过 RS- 232 总线上传给上位机, 计算出被测液态金属的粘度值。