基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方法研究

　　現(xiàn)今的全球問(wèn)題無(wú)疑是能源問(wèn)題，因?yàn)槟茉匆鸬膽?zhàn)爭(zhēng)也不計(jì)其數(shù)，而未來(lái)國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)主要還是能源戰(zhàn)。因此研究石油的粘性至關(guān)重要，由粘性測(cè)試數(shù)據(jù)可以判斷石油所在的層次從而分辨出其純度，這樣可以判斷測(cè)試區(qū)域內(nèi)的石油含量以決定是否開采。這樣可以節(jié)省資源，不浪費(fèi)人力物力在沒有利用價(jià)值的地域上。當(dāng)今社會(huì)商品的質(zhì)量也是很值得關(guān)注的問(wèn)題，有些音頻都摻雜其他有害的成分，也可通過(guò)本項(xiàng)目的成品測(cè)試其粘度用來(lái)判斷真假。

　　液體粘度概述

　　當(dāng)液體在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，一般情況下屬于穩(wěn)定層流的情況，也就是同一層面上的液體流動(dòng)狀態(tài)完全相同。如果液體的內(nèi)部各層之間的流動(dòng)速度不同，那么液體內(nèi)部相鄰的層之間就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則液體內(nèi)部的該兩層之間便會(huì)產(chǎn)生相互作用力，稱為粘性力，衡量這個(gè)粘性力大小的一個(gè)物理量稱為粘度[25]。

　　粘度是液體的一個(gè)固有屬性，其大小由于液體的種類不同而不同，同時(shí)外界環(huán)境的溫度、壓力等因素也影響著液體的粘度。

　　所有液體都是具有粘滯性的，生活中的很多現(xiàn)象都說(shuō)明了這一點(diǎn)。例如，當(dāng)使一個(gè)盛滿液體的容器圍繞其豎直軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)部的液體也會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)，這正是因?yàn)橐后w在容器壁處受到了液體與容器之間的粘滯力所引起的。首先，容器的旋轉(zhuǎn)，使緊鄰容器壁的一層液體由于粘性力的作用也跟著旋轉(zhuǎn)。然后，緊鄰容器壁的一層液體又由于粘性力的作用帶著與其相鄰的一層液體旋轉(zhuǎn)。這樣，容器中的所有液體都會(huì)由于粘性力的作用跟著旋轉(zhuǎn)了。只是越往里的液體層的旋轉(zhuǎn)速度越小。

　　同樣，在管道中流動(dòng)的液體也是如此。由于管道壁是靜止的，所以就會(huì)使緊鄰管道壁的一薄層液體也處于靜止?fàn)顟B(tài)，這層液體也約束著與其相鄰層的液體的流動(dòng)。所以，在管道中流動(dòng)著的液體分成了無(wú)數(shù)的薄層，隨著薄層距離管道壁的距離越接近，液體的流動(dòng)速度越慢，其速度分布圖如圖2-1所示。

　　主要測(cè)量原理

　　以上述原理為基礎(chǔ)，我采用了一種基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量方法，本方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，抗干擾能力強(qiáng)，適合于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的在線測(cè)量。其主要由控制測(cè)量電路、柱狀不銹鋼容器、兩個(gè)環(huán)形電磁線圈組成，在柱狀不銹鋼容器中有一個(gè)圓柱形高剩磁耐高溫永久磁鐵作為運(yùn)動(dòng)活塞。這樣在電磁線圈與活塞之間可以提供很大的作用力，從而提高儀器測(cè)量靈敏度和增加測(cè)量范圍，并能減少樣品中雜質(zhì)對(duì)測(cè)量的影響，提高儀器的測(cè)量精度。

　　該方法的工作原理是:在測(cè)量室的兩端分別安裝一個(gè)電磁線圈，測(cè)量室內(nèi)部有一個(gè)圓柱形高剩磁耐高溫永久磁鐵作為活塞。當(dāng)其中的“B”線圈被激活時(shí)，活塞被電磁力牽動(dòng)而往測(cè)量室B端運(yùn)動(dòng)。此時(shí)被截流的入口處的液體被迫在活塞的周圍流動(dòng)。液體越粘，活塞運(yùn)動(dòng)就越慢。在這一過(guò)程中 “A”線圈用來(lái)監(jiān)測(cè)活塞的運(yùn)動(dòng)。活塞一旦抵達(dá)測(cè)量室B端，上面的“A”線圈就會(huì)被激活而 “B”線圈開始監(jiān)測(cè)。在這個(gè)過(guò)程中，不斷地有液體被引入到活塞周圍。同時(shí)“B”線圈監(jiān)控活塞運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞再次接近測(cè)量室A端時(shí)，“B”線圈就會(huì)被重新激活，開始重復(fù)以前的過(guò)程。由信號(hào)采集處理單元測(cè)得活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，便可以根據(jù)液體粘度與活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出液體的粘度。圖2-3是該方法的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

　　前期主要工作

　　(1)理論分析

　　對(duì)活塞在充滿液體的柱狀不銹鋼容器中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的液體的粘性阻力進(jìn)行理論分析;對(duì)電磁線圈的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，以及其對(duì)永磁鐵活塞的電磁驅(qū)動(dòng)力的變化規(guī)律進(jìn)行理論分析。

　　(2)機(jī)械探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　機(jī)械探頭結(jié)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)的功能是為兩個(gè)電磁線圈提供安裝空間，并為永磁鐵活塞提供運(yùn)動(dòng)空間，其中電磁線圈驅(qū)動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)探頭需要能夠浸入液體中，使液體能夠自由進(jìn)入活塞的運(yùn)動(dòng)空間，從而測(cè)量液體的粘度。

　　(3)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

　　由測(cè)量原理可知，電磁線圈需要驅(qū)動(dòng)永磁鐵活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以，要對(duì)兩個(gè)電磁線圈分別加載驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)測(cè)量要求中活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，兩個(gè)線圈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)為互補(bǔ)信號(hào)，且其變化規(guī)律由活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的反饋來(lái)進(jìn)行控制。

　　(4)反饋測(cè)量部分電路設(shè)計(jì)

　　測(cè)量系統(tǒng)是根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這就要求系統(tǒng)能夠檢測(cè)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的反饋信號(hào)，并記錄活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，從而得到被測(cè)液體的粘度。

　　(5)硬件程序編寫

　　根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生和反饋信號(hào)的檢測(cè)以及記錄活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的要求，編寫硬件程序，并將記錄的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)路線

　　基于電磁感應(yīng)的液體粘度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括控制處理電路設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)三部分?？刂铺幚黼娐吩O(shè)計(jì)主要包括：核心控制處理芯片的選擇、芯片的外圍電路設(shè)計(jì)、控制電路電路設(shè)計(jì)和處理電路電路設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)電磁線圈驅(qū)動(dòng)永磁體活塞在被測(cè)液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中要求：被測(cè)液體能夠自由進(jìn)入活塞的運(yùn)動(dòng)空間;線圈的安裝空間具有良好的密封性。軟件程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的控制功能和處理功能。　　1.信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

　　信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)既電磁線圈驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)，要求產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁線圈實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電磁線圈交替通電，從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)線圈之間的柱狀永磁鐵活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

　　為了使電磁線圈對(duì)柱狀永磁鐵活塞的驅(qū)動(dòng)力為恒力，本系統(tǒng)采用恒定電壓的方波信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　方波產(chǎn)生電路方案選擇

　　微控制器產(chǎn)生方波

　　微控制器產(chǎn)生方波實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，主要是利用I/O口產(chǎn)生高低電平，再經(jīng)后續(xù)電路的處理即可。后續(xù)電路的處理主要有以下方法：

　　1.利用D/A轉(zhuǎn)換器將I/O口輸出電平轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再將放大電路放大;

　　2.直接將I/O口輸出電平進(jìn)行隔離放大，作為驅(qū)動(dòng)信號(hào);

　　3.將I/O口輸出電平進(jìn)行隔離放大后控制功率器件的通斷，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　綜合分析利用微控制器產(chǎn)生方波實(shí)現(xiàn)方便，易于調(diào)節(jié)。并且考慮到后續(xù)感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)處理電路的需要，使用微控制器更能滿足要求。

　　1.方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

　　方波信號(hào)產(chǎn)生電路首先由單片機(jī)某一I/O口交替產(chǎn)生高低電平，再由反相器得到其互補(bǔ)信號(hào)，形成一對(duì)互補(bǔ)信號(hào)。然后，將兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器隔離后分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管，進(jìn)而控制電磁線圈的通斷。

　　因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中是用單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管和電磁線圈等大功率器件，所以使用光電耦合器隔離前面的數(shù)字部分和后面的模擬部分

　　本設(shè)計(jì)中采用的光電耦合器是TLP521

　　光電耦合器的工作原理是輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用[43]。

　　　本設(shè)計(jì)采用MOS開關(guān)管的通斷來(lái)控制電磁線圈的交替通電，兩個(gè)電磁線圈分別和兩個(gè)開關(guān)管串聯(lián)，光電耦合器的輸出信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而控制電磁線圈的通電狀態(tài)。

　　2.程序設(shè)計(jì)

　　程序主要實(shí)現(xiàn)方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、感應(yīng)電壓信號(hào)的檢測(cè)處理、活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的記錄以及通過(guò)串口向上位機(jī)傳送記錄的數(shù)據(jù)。

　　首先，對(duì)控制器進(jìn)行初始化，包括設(shè)置定時(shí)器工作方式、裝載定時(shí)器初值、設(shè)置串口工作方式、設(shè)置串行通信波特率、開中斷等。正常工作時(shí)，控制器通過(guò)檢測(cè)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)來(lái)控制方波翻轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)活塞繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而再次產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)。所以，進(jìn)入控制器主程序后便開始循環(huán)檢測(cè)感應(yīng)電壓信號(hào)，一旦檢測(cè)到有感應(yīng)電壓信號(hào)反饋到控制器，程序立即控制控制器I/O口翻轉(zhuǎn)方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)活塞反方向運(yùn)動(dòng)，記錄活塞的運(yùn)動(dòng)時(shí)間(由定時(shí)器T0計(jì)數(shù)得出)，重新計(jì)時(shí)，并向上位機(jī)發(fā)送記錄的數(shù)據(jù)。

　　但是，有時(shí)可能未能檢測(cè)到感應(yīng)電壓信號(hào)，此時(shí)方波不在翻轉(zhuǎn)，活塞便無(wú)法繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也就不會(huì)再有感應(yīng)電壓信號(hào)。所以程序中設(shè)計(jì)了超時(shí)溢出，并進(jìn)行了溢出處理，使程序能夠在未能檢測(cè)到感應(yīng)電壓信號(hào)的情況下繼續(xù)正常工作。如果長(zhǎng)時(shí)間未檢測(cè)到感應(yīng)電壓信號(hào)，則程序超時(shí)溢出，同時(shí)翻轉(zhuǎn)方波，驅(qū)動(dòng)活塞繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，重新計(jì)時(shí)，并且重載超時(shí)計(jì)時(shí)器。這樣系統(tǒng)便能恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。