ARM内核的旋转式黏度仪设计

　　0　引言

　　黏度的测量与石油、化工及国防等领域的关系非常密切。黏度分析是工业过程控制、提高产品质量以及节约与开发能源的重要手段,在物理化学、医学业和钻井等领域发挥着重要作用。因此,黏度的测量必须具有准确性和实时性。

　　黏度仪的类别很多,常用的有毛细管式、旋转式和振动式3种。旋转式黏度仪最常见,它广泛应用于测量油脂、油漆、涂料、塑料、食品、药物和胶粘剂等各种流体的动力黏度。由于传统的旋转式黏度仪是机械式的,对数据结果的记录和处理已经不能满足某些科学研究领域,因此,数字式黏度仪的设计尤为重要。

　　嵌入式技术具有智能化、专用化和实时反应的诸多优势,嵌入式黏度仪已成为未来工业黏度仪的发展方向。现在已经有单片机控制的黏度仪出现,此黏度仪能够在微机中处理数据并显示结果。但它们都是通过传统串行总线连接到PC,很不方便。本文在原单片机控制的基础上,开发了基于ARM的带USB接口的旋转式黏度仪。

　　1　旋转黏度仪设计原理

　　1. 1　单圆筒旋转式黏度仪

　　从旋转式黏度仪的结构上看,国内外目前常用的黏度仪可分为单圆筒旋转式黏度仪和双圆筒旋转式黏度仪[1]。

　　单圆筒旋转式黏度仪只有一个圆筒旋转,其结构如图1所示。

　　图1　单圆筒旋转式黏度仪结构示意图

　　Fig.1　Schematic of the rotary viscometerwith single cylinder

　　将液体装于两个同轴安装的圆筒间隙中,内、外圆筒的半径分别为R、r,内径的浸入深度为h。当内圆筒以角速度ω相对于外圆筒匀速旋转时,可测出内圆筒受到液体的扭矩M。

　　根据库尔特-马古尔斯(Couette-Marguies)公式可以计算出液体的黏度[2],即:

　　η=14πh1R2-1r2×Mω(1)

　　式中:η为液体的动力黏度,N·s/m2;h为内圆筒侵入液体的高度,m;R为内圆筒的半径,m;r为外圆筒的内径,m;M为内圆筒所受扭矩,N·m;ω为内圆筒的旋转角速度, rad/s。

　　由式(1)可知,液体的动力黏度与扭矩M成正比,与内圆筒角速度ω成反比。因此,式(1)又可以表示为η=fM /ω,其中f=14πh1R2-1r2,称为流场系数,量纲为m-3,它只与内、外圆筒的尺寸有关,对于特定的黏度仪,f可视为常数K。如果已知内圆筒的角速度ω,只要测量出内圆筒所受到的力矩M,则由式(1)可以直接求出黏度η。

　　双圆筒旋转式黏度仪也具有两个同轴放置的圆筒,只是双圆筒旋转式黏度仪的内、外两个圆筒均可作自由旋转。其机理与单圆筒旋转式黏度仪的相似,因此不再赘述。

　　1. 2　黏度仪的设计原理