專利名稱：彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是冶金和鑄造領(lǐng)域，具體涉及一種彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高 溫熔體粘度的裝置及方法。
背景技術(shù)：
研究表明，粘度是熔體微觀結(jié)構(gòu)的重要宏觀表現(xiàn)，在鑄造過(guò)程中，由于金屬的遺傳 效應(yīng)，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)對(duì)于其凝固后的組織及性能具有重要的影響。此外，液態(tài)金屬粘滯性 還標(biāo)志著其流動(dòng)性的好壞，不僅影響充型過(guò)程，也是影響熔體中小氣泡和非金屬夾雜物上 浮的重要因素。因此，粘度的測(cè)量對(duì)于金屬材料的科學(xué)研究和鑄造生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)
眉、o高溫熔體粘度檢測(cè)是在常溫液體粘度檢測(cè)原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。有關(guān)液體粘 度測(cè)定方法及裝置的研究成果比較多，典型的傳統(tǒng)測(cè)定方法有毛細(xì)管法、扭擺振動(dòng)法、落球 法、旋轉(zhuǎn)法等，人們對(duì)這些方法在應(yīng)用上進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn)研究和改進(jìn)，也有一些新的研究 成果報(bào)道。然而由于采用毛細(xì)管法、扭擺振動(dòng)法、落球法和旋轉(zhuǎn)法等基本方法所設(shè)計(jì)的測(cè)試 裝置需要采集液體自然流動(dòng)時(shí)間或者懸絲扭轉(zhuǎn)角、落球時(shí)間及速度變化等微小物理量，要 求測(cè)試設(shè)備十分精密，應(yīng)用中對(duì)工作環(huán)境要求十分嚴(yán)格，特別是對(duì)于高溫熔體粘度檢測(cè)，在 高溫工作環(huán)境的特殊條件下，許多測(cè)試方法在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)受到了一定程度的 限制。因此，以提高檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和便捷性為重點(diǎn)，研究一種新的高溫熔體粘度 快速測(cè)定方法，對(duì)于開發(fā)新一代高溫熔體粘度快速檢測(cè)儀器具有非常重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以葉片為振子，利用彈簧振子在被測(cè)液體中作阻尼振動(dòng) 時(shí)，各振動(dòng)周期內(nèi)最大速度對(duì)數(shù)衰減率作被測(cè)液體粘度的表征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各種液體粘度的 快速準(zhǔn)確檢測(cè)的裝置及方法。上述發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的方法，將一個(gè)質(zhì)量為m的葉片振 子、連桿、豎直懸掛的彈簧組成振動(dòng)系統(tǒng)，振子在液體中自由垂直振動(dòng)時(shí)，受到與粘度有關(guān) 的液層摩擦力的作用，各個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)最大速度逐漸衰減；振動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)各相關(guān)常數(shù)不
1 I 4mkA2~
變；建立各周期內(nèi)最大速度平均對(duì)數(shù)衰減率\與粘度n的關(guān)系”一丄2 通過(guò)測(cè)
a0 V An + ？c ,
定各周期最大速度平均對(duì)數(shù)衰減率x，實(shí)現(xiàn)粘度n的測(cè)定。彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的裝置，其組成包括葉片振子，所述 的葉片振子連接連桿的一端，所述的彈簧套入連桿連接成一體，所述的連桿另一端連接永 久磁鐵，所述的永久磁鐵外圈套有線圈，所述的線圈的尺寸大于永久磁鐵的外圈尺寸，所述 的線圈連接信號(hào)放大處理器，所述的信號(hào)放大處理器連接計(jì)算機(jī)，所述的葉片振子伸入到 坩堝內(nèi)。
所述的彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的裝置，所述的被測(cè)熔體裝在 坩堝內(nèi)，所述的坩堝置于葉片振子正下方的平臺(tái)上，所述的連桿、永久磁鐵和線圈均裝在帶 有螺紋桿的殼體內(nèi)。有益效果1.本發(fā)明的葉片振子在熔體中振動(dòng)，受到的阻尼作用與熔體的粘度有較明確的對(duì) 應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)相應(yīng)的數(shù)學(xué)依據(jù)充分可靠，所得數(shù)據(jù)可信度較高。 2.本發(fā)明的彈簧振子裝置搭建成本低廉，操作便捷，系統(tǒng)自身穩(wěn)定性較好，不易受 外界干擾。3.本發(fā)明由于系統(tǒng)常數(shù)與彈簧振子的質(zhì)量及彈簧的勁度常數(shù)有關(guān)，對(duì)于粘度不同 的熔體可以通過(guò)更換彈簧和振片，改變系統(tǒng)常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)改變測(cè)量范圍的目的。4.本發(fā)明將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁信號(hào)后，系統(tǒng)信號(hào)便于采集和處理，為提高粘度 測(cè)量的自動(dòng)化程度創(chuàng)造了條件。5.本發(fā)明在實(shí)際檢測(cè)中，振片用耐高溫陶瓷材料作成，連桿用小彡2. 5mm耐高溫 金屬長(zhǎng)桿連接，由此既可以增大熔體與傳感器之間的距離，對(duì)傳感器起到一定保護(hù)作用，還 以減小連桿半徑對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，由此既可以增大熔體與傳感器之間的距離，對(duì)傳感器 起到一定保護(hù)作用，還以減小連桿半徑對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。6.本發(fā)明經(jīng)過(guò)對(duì)不同的常溫液體及高溫熔體的粘度進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn) 結(jié)果重復(fù)性較好，可靠性較高。
圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的裝置，其組成包括葉片振子1，所 述的葉片振子1連接連桿2的一端，所述的彈簧3套入連桿2連接成一體，所述的連桿2另 一端連接永久磁鐵4，所述的永久磁鐵外圈套有線圈5，所述的線圈的尺寸大于永久磁鐵外 圈尺寸，所述的線圈5連接信號(hào)放大處理器6，所述的信號(hào)放大處理器6連接計(jì)算機(jī)7，所述 的葉片振子1伸入到坩堝8內(nèi)。所述的彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的裝置，所述的被測(cè)熔體9裝 在坩堝8內(nèi)，所述的坩堝8置于葉片振子1正下方的平臺(tái)10上，所述的連桿、永久磁鐵和線 圈均裝在帶有螺紋桿13的殼體12內(nèi)。實(shí)施例2 實(shí)施例1所述的彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的裝置及方法，將一 個(gè)質(zhì)量為m的葉片振子掛在豎直懸掛的彈簧上即形成一個(gè)彈簧振子，振子在液體中垂直振 動(dòng)時(shí)，由于不同液層間存在速度梯度，一個(gè)液層相對(duì)另一液層移動(dòng)時(shí)將出現(xiàn)與液層表面相 切的內(nèi)摩擦力。在振子形狀固定，且振動(dòng)不引起湍流或者湍流很小的情況下，振子所受的內(nèi) 摩擦力大小與速度梯度成正比。
設(shè)f為振子所受的內(nèi)摩擦力，s為振子與液層相摩擦的總面積，f為液層間的速度
ax
梯度，n為液體的動(dòng)力粘度值，根據(jù)相關(guān)的物理學(xué)定義和原理，內(nèi)摩擦力與速度梯度之間的 關(guān)系可表示為
在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)x積分，可得 式中Y為阻力系數(shù)，是個(gè)正比于液體粘度系數(shù)n的物理量[1] [2]。?。楸壤Ａ?，、可表示為Y = a0n (2)振子在振動(dòng)過(guò)程中由于受到液層摩擦力的作用，使振幅逐漸衰減，最終振動(dòng)停止。 在振動(dòng)過(guò)程的任意時(shí)刻，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定律，可建立振動(dòng)方程[9] [10] 則⑶式可變形為6 —叔 dt2上式的通解為
對(duì)(4)式兩邊求導(dǎo)數(shù)可得到振動(dòng)的速度表達(dá)式為 整理得 其中/ 2取r 式(6)可變?yōu)? 其中常量凡。-
P +CO則每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，在平衡點(diǎn)處最大速度值為
A ptl￡
) 8 c取r= 2 可得A = J^f^1 = a M-l = —M
co ,v\(02T \o)2 i貝丨J有
義=2^/4^1 = 2^14^1 == 2^1—
\0>2\co2\col-p2"iAmk-r2 (9)(7)式可變
為
-義1…T
x'(t) = Bne r sin 2tt —
r(10)取i T = T，阻尼振動(dòng)第i個(gè)周期在平衡點(diǎn)獲得最快速度，即xfflax ‘ = Boe^'S (11)取對(duì)數(shù)得lnXi'= lnB0-i A (12)由此，可以將\定義為相隔m個(gè)周期的最大速度平均對(duì)數(shù)衰減率，在實(shí)驗(yàn)中可以 通過(guò)第n個(gè)周期和第n+m個(gè)周期的最大速度對(duì)數(shù)衰減量求得該值，即
— m(13)由(9)式知，在振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量m和勁度系數(shù)k不變的情況下，；I = 2嚇 / 2
\Amk-y
只與阻力系數(shù)、有關(guān)，所以\的計(jì)算值與所取周期間隔數(shù)無(wú)關(guān)。由該式可解得
I
_ 4mkA2
r~^47r2+A2(14)將(2)式代入(14)式，得
_— 4mkA2
”=—、丨 (15)根據(jù)式(15)，在振子整體質(zhì)量m和彈簧的勁度系數(shù)k確定的情況下，振動(dòng)系統(tǒng)的 比例常數(shù)％用已知粘度的標(biāo)準(zhǔn)液體進(jìn)行標(biāo)定后，只要測(cè)得最大速度衰減率、，即可利用式 (15)算得液體在當(dāng)時(shí)環(huán)境下的粘度系數(shù)值。提取各周期內(nèi)振動(dòng)最大速度電信號(hào)的方法
6
在振子連桿上固定一個(gè)圓形永磁體，并將尺寸略大于圓形永磁體的環(huán)形線圈繞組 固定于永磁體平衡點(diǎn)處。根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律，在振子振動(dòng)過(guò)程中，與振子連接的永磁 體往復(fù)穿越線圈將使線圈產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。感生電動(dòng)勢(shì)￡與磁體穿過(guò)線圈時(shí)的速度v成 正比，即￡ =bv，其中b為系統(tǒng)比例常數(shù)。因此在各個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，電動(dòng)勢(shì)￡最大值對(duì)應(yīng) 的就是速度v最大值。通過(guò)提取電壓信號(hào)，即可獲得對(duì)應(yīng)周期內(nèi)的振子運(yùn)動(dòng)速度。取第n個(gè)和第n+m個(gè)周期中最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)￡ n = bvn和￡ n+m = bvn+m,代入(13) 式化簡(jiǎn)可得到最大速度平均對(duì)數(shù)衰減率。又=--, 、
m(16)振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號(hào)輸入放大電路進(jìn)行模擬放大后，送信號(hào)采集卡，完成轉(zhuǎn)換 后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。工作中，運(yùn)行程序設(shè)為參數(shù)標(biāo)定和粘度檢測(cè)兩種模式運(yùn)行，在各自的模式下，一般 取三個(gè)相鄰振動(dòng)周期的振動(dòng)信號(hào)，振子起振、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理的全過(guò)程由編制的軟件自 動(dòng)完成。實(shí)施例3 所述的彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的方法，所述的系統(tǒng)常數(shù)標(biāo)定每次使用前應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定；以一種國(guó)家計(jì)量院生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)液作為標(biāo)準(zhǔn)液 體，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定；將本系統(tǒng)軟件程序設(shè)置為參數(shù)標(biāo)定狀態(tài)，程序要求輸入系的m 值k值和標(biāo)準(zhǔn)液體的粘度參數(shù)，按照程序提示，(1)將盛有待測(cè)液體的坩堝置于弱簧振子的正下方；(2)旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)羅盤，使彈簧振子緩慢下降浸入到待測(cè)液體中心；(3)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)，使其處信號(hào)采集狀態(tài)；(4)手動(dòng)使用一銜鐵，吸起振子后釋放，使其在標(biāo)準(zhǔn)液體中開始振動(dòng)；(5)待振子停止振動(dòng)，關(guān)閉計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)；(6)系統(tǒng)復(fù)位，取走盛有待測(cè)液體的坩堝；(7)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理運(yùn)算程序，進(jìn)行信號(hào)處理。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)算取得所采集的相鄰三個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)最大速度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，程 序通過(guò)所測(cè)定的電信號(hào)利用公式(15)自動(dòng)計(jì)算振動(dòng)系統(tǒng)的比例常數(shù)％，系統(tǒng)程序?qū)值k 值比例常數(shù)％存儲(chǔ)記錄，作為測(cè)試工作時(shí)的常量。從而完成系統(tǒng)常數(shù)的標(biāo)定全過(guò)程。實(shí)施例4 所述的彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的方法。所述的測(cè)定液體粘度將本系統(tǒng)軟件程序設(shè)置為液體粘度測(cè)試工作狀態(tài)，系統(tǒng)程序?qū)⒆詣?dòng)提取已經(jīng)存儲(chǔ) 的m值k值比例常數(shù)％作為系統(tǒng)常量參數(shù)，按照程序提示，重復(fù)2中的⑴⑵(3)⑷(5) (6) (7)步驟，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)算取得所采集的相鄰三個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)最大速度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，程 序通過(guò)所測(cè)定的電信號(hào)利用公式(15)自動(dòng)計(jì)算待測(cè)液體的粘度n值，從而完成待測(cè)液體 粘度的測(cè)定過(guò)程。
權(quán)利要求
一種彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的方法，其特征是將一個(gè)質(zhì)量為m的葉片振子、連桿、豎直懸掛的彈簧組成振動(dòng)系統(tǒng)，振子在液體中自由垂直振動(dòng)時(shí)，受到與粘度有關(guān)的液層摩擦力的作用，各個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)最大速度逐漸衰減；振動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)各相關(guān)常數(shù)不變；建立各周期內(nèi)最大速度平均對(duì)數(shù)衰減率λ與粘度η的關(guān)系 <mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>a</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><msqrt> <mfrac><mrow> <mn>4</mn> <mi>mk</mi> <msup><mi>λ</mi><mn>2</mn> </msup></mrow><mrow> <msup><mrow> <mn>4</mn> <mi>π</mi></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mi>λ</mi><mn>2</mn> </msup></mrow> </mfrac></msqrt><mo>,</mo> </mrow>通過(guò)測(cè)定各周期最大速度平均對(duì)數(shù)衰減率λ，實(shí)現(xiàn)粘度η的測(cè)定。
2.一種彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的裝置，其組成包括葉片振子， 其特征是所述的葉片振子連接連桿的一端，所述的彈簧套入連桿連接成一體，所述的連桿 另一端連接永久磁鐵，所述的永久磁鐵外圈套有線圈，所述的線圈的尺寸大于永久磁鐵的 外圈尺寸，所述的線圈連接信號(hào)放大處理器，所述的信號(hào)放大處理器連接計(jì)算機(jī)，所述的葉 片振子伸入到坩堝內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的裝置，其特征 是所述的被測(cè)熔體裝在坩堝內(nèi)，所述的坩堝置于葉片振子正下方的平臺(tái)上，所述的連桿、 永久磁鐵和線圈均裝在帶有螺紋桿的殼體內(nèi)。
全文摘要
彈簧振子自由振動(dòng)法快速測(cè)定高溫熔體粘度的方法。在鑄造過(guò)程中，由于金屬的遺傳效應(yīng)，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)對(duì)于其凝固后的組織及性能具有重要的影響。本發(fā)明組成包括葉片振子(1)，所述的葉片振子(1)連接連桿(2)的一端，所述的彈簧(3)套入連桿(2)連接成一體，所述的連桿(2)另一端連接永久磁鐵(4)，所述的永久磁鐵外圈套有線圈(5)，所述的線圈的尺寸大于永久磁鐵外圈尺寸，所述的線圈(5)連接信號(hào)放大處理器(6)，所述的信號(hào)放大處理器(6)連接計(jì)算機(jī)(7)，所述的葉片振子伸入到坩堝(8)內(nèi)。本發(fā)明用于測(cè)定高溫熔體粘度。
文檔編號(hào)G01N11/16GK101923032SQ20101012107
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者孫謙, 張建雷, 李大勇, 王利華 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)