镁合金半固态数字粘度仪的研制

　　1　粘度测量的原理

　　目前测量粘度的方法主要有毛细血管粘度计、落球式粘度计和旋转式粘度计等。本粘度仪采用旋转式粘度计的测量原理,下面具体介绍这种方法的基本原理。

　　图中的外圆筒是用来盛被测液体的容器,其半径为R₂,它是固定不动的,内圆筒为浸入被测液体内可旋转的空心圆筒(称转筒),它与外圆筒同轴,它的外半径为R₁,长度为l,旋转的角速度为Ω。当转筒转动时,液体间各液层速度不同,有速度梯度存在。液层间产生的内摩檫力f除了正比于两液层间接触面积ΔS以外,还正比于该处的速度梯度,即

　　式中:η为粘度系数。

　　根据速度梯度对粘滞阻力的影响,得:

　　式中:2πrl为起剪切作用的有效面积。

　　由于外圆筒是静止的,且外圆筒内壁液体与筒壁无滑动,角速度Ω=0,内筒的角速度为Ω,将上式分离变数并积分,整理结果得到

　　η为所求的粘度系数(动力粘度),上式的推导结果没有考虑转筒上下两端的粘滞效应。

　　2　数字粘度仪系统结构设计

　　2.1　工作原理

　　数字粘度仪工作的基本过程如图2。电动机带动转筒在半固态的浆料中转动,由于转筒和浆料的相互作用,转筒在旋转的反方向上产生扭矩。这个扭矩传递给上面的扭矩传感器,产生模拟电压信号,经A/D转换板转换成数字信号输入到微机中进行处理,从而在微机中计算出半固态浆料的粘度系数。镁合金半固态对温度的要求是相当严格的,因为在半固态的温度区域内,温度的微小变化都会使半固态的固液分数发生较大变化,从而粘度也会发生巨大改变。因此本测试装置在内筒和外筒之间的浆料中设计了温度传感器。测试的时候,在获取每一个粘度值的同时也把这个时刻的温度读入计算机,从而可以准确地测量某一温度的粘度.

　　镁合金半固态是触变性流体,在不同的剪切速率或剪切力的作用下(即使温度相同),粘度也是不同的。为了测量不同剪切速率下的粘度,本文采用了无级变速电动机,通过连续改变电动机的转速,而获得不同剪切速率下的粘度。

　　2.2　机械结构设计

　　(1)同轴度

　　旋转式粘度计测量的基本原理是假定转筒为同轴转动,但实际上由于零件加工和装配误差的存在,转筒实际上是会偏离轴线转动的。如果偏离很大,则会产生较大的测量误差,因此,需要保证电动机的输出轴、中间的传动轴和转筒有较高的同轴度。

　　(2)转筒和容器的设计

　　转筒外径(R1)和容器内径(R2)的大小会影响粘度的测量范围,因此,要依据具体的测量范围估算。设计出来的R1和R2值应保证转筒产生的扭矩在扭矩传感器的测量范围内。不能过大或过小。