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彈簧振子自由振動法快速測定高溫熔體粘度的裝置的制作方法

文檔序號:5887444閱讀:296來源:國知局
專利名稱:彈簧振子自由振動法快速測定高溫熔體粘度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型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法快速測 定高溫熔體粘度的裝置。
技術(shù)背景研究表明,粘度是熔體微觀結(jié)構(gòu)的重要宏觀表現(xiàn),在鑄造過程中,由于金屬的遺傳 效應(yīng),液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)對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)志著其流動性的好壞,不僅影響充型過程,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,粘度的測量對于金屬材料的科學(xué)研究和鑄造生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)
眉、ο高溫熔體粘度檢測是在常溫液體粘度檢測原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。有關(guān)液體粘 度測定方法及裝置的研究成果比較多,典型的傳統(tǒng)測定方法有毛細(xì)管法、扭擺振動法、落球 法、旋轉(zhuǎn)法等,人們對這些方法在應(yīng)用上進(jìn)行了很多的實(shí)驗研究和改進(jìn),也有一些新的研究 成果報道。然而由于采用毛細(xì)管法、扭擺振動法、落球法和旋轉(zhuǎn)法等基本方法所設(shè)計的測試 裝置需要采集液體自然流動時間或者懸絲扭轉(zhuǎn)角、落球時間及速度變化等微小物理量,要 求測試設(shè)備十分精密,應(yīng)用中對工作環(huán)境要求十分嚴(yán)格,特別是對于高溫熔體粘度檢測,在 高溫工作環(huán)境的特殊條件下,許多測試方法在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時檢測時受到了一定程度的 限制。因此,以提高檢測系統(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 快速測定方法,對于開發(fā)新一代高溫熔體粘度快速檢測儀器具有非常重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種以葉片為振子,利用彈簧振子在被測液體中作阻尼 振動時,各振動周期內(nèi)最大速度對數(shù)衰減率作被測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)確檢測的裝置。上述實(shí)用新型的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)彈簧振子自由振動法快速測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 的線圈連接信號放大處理器,所述的信號放大處理器連接計算機(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法快速測定高溫熔體粘度的裝置,所述的被測熔體裝在 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.本實(shí)用新型的葉片振子在熔體中振動,受到的阻尼作用與熔體的粘度有較明確 的對應(yīng)關(guān)系,數(shù)據(jù)運(yùn)算時相應(yīng)的數(shù)學(xué)依據(jù)充分可靠,所得數(shù)據(jù)可信度較高。[0010]2.本實(shí)用新型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.本實(shí)用新型由于系統(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),對于粘度 不同的熔體可以通過更換彈簧和振片,改變系統(tǒng)常數(shù),從而實(shí)現(xiàn)改變測量范圍的目的。4.本實(shí)用新型將速度信號轉(zhuǎn)換為電磁信號后,系統(tǒng)信號便于采集和處理,為提高 粘度測量的自動化程度創(chuàng)造了條件。5.本實(shí)用新型在實(shí)際檢測中,振片用耐高溫陶瓷材料作成,連桿用Φ彡2. 5mm耐 高溫金屬長桿連接,由此既可以增大熔體與傳感器之間的距離,對傳感器起到一定保護(hù)作 用,還以減小連桿半徑對檢測結(jié)果的影響,由此既可以增大熔體與傳感器之間的距離,對傳 感器起到一定保護(hù)作用,還以減小連桿半徑對檢測結(jié)果的影響。6.本實(shí)用新型經(jīng)過對不同的常溫液體及高溫熔體的粘度進(jìn)行檢測試驗,試驗表明 實(shí)驗結(jié)果重復(fù)性較好,可靠性較高。

圖1為本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 彈簧振子自由振動法快速測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連接信號放大處理器6,所述的信號放大處理器6連接計算機(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法快速測定高溫熔體粘度的裝置,所述的被測熔體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法快速測定高溫熔體粘度的裝置及方法,將一 個質(zhì)量為m的葉片振子掛在豎直懸掛的彈簧上即形成一個彈簧振子,振子在液體中垂直振 動時,由于不同液層間存在速度梯度,一個液層相對另一液層移動時將出現(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
QX
梯度,η為液體的動力粘度值,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
r π j· dv/ = η ——S
dx在有限區(qū)域內(nèi)對χ積分,可得f = γ·ν = γ
dt
) 1
C式中γ為阻力系數(shù),是個正比于液體粘度系數(shù)η的物理量[1] [2]取aQ為比例常量,Y可表示為
Y = a0 n
⑵振子在振動過程中由于受到液層摩擦力的作用,使振幅逐漸衰減,最終振動停止。 在振動過程的任意時刻,根據(jù)牛頓運(yùn)動學(xué)定律,可建立振動方程[9] [10]
m ,
Λ
令,β =
γ
2m 則(3)式可變形為
d χ _ dx 7 八
~- + 2/ — + ω1χ = 0 dt2 dt 0
上式的通解為
⑷χ (t) = Aoe-0 tCos ( ω t+Φ )其中(y二 ^iyO ~β2對(4)式兩邊求導(dǎo)數(shù)可得到振動的速度表達(dá)式為
(t) = Ane^t [- β cos (ω t+ Φ) - ω sin (ω t+ Φ)]
(5)
整理得
x'(t) = Α0β~β'[-βοο5{ω + φ) -ω η{ω + φ)\ =
β
Α,
0
β-β 5 η(ω +φ +ζ) (6) β +ω 其中 sin (
β2+ω2 W = t + 貝狀= Τ-Φ + ζ
ω
ω式(6)可變?yōu)?br> Λpti
x'(t) = - ^7 0 2 g ω sin Γ = Β0β~βΤ smωT
An
β
Φ+ζ
β1 +ω其中常量β。=2
β +ω則每個振動周期內(nèi),在平衡點(diǎn)處最大速度值為
Sly
7
Xfv-
χ'⑴=
An
β
β2 +ωΖ
-βΤ
) 8
C- 取 Γ =

ω
可得=、『上 J4-1 = Λ ,ν ωτ \ωτ
2V ωV ω- β\Amk-
_尸(9)(7)式可變?yōu)?br> -χ1 二 T xr(t) = B,e T sin2^"—
T(10)取i τ =T,阻尼振動第i個周期在平衡點(diǎn)獲得最快速度,即χ' fflax = Boe-^i,(11)取對數(shù)得lnx'i = InBtTi λ(12)由此,可以將λ定義為相隔m個周期的最大速度平均對數(shù)衰減率,在實(shí)驗中可以 通過第η個周期和第n+m個周期的最大速度對數(shù)衰減量求得該值,即
ln< -lnx'n+m
Λ:
m(13)

\Amk-由(9)式知,在振動系統(tǒng)的質(zhì)量m和勁度系數(shù)k不變的情況下,/1 = 2;γΛ, λ,^2
只與阻力系數(shù)Y有關(guān),所以λ的計算值與所取周期間隔數(shù)無關(guān)。由該式可解得
_ AmkX2
7~^4π2+λ2(14)將⑵式代入(14)式,得
ο 4
AmkX
2
η= ,, 2 2
h 4π + 義(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,只要測得最大速度衰減率λ,即可利用式 (15)算得液體在當(dāng)時環(huán)境下的粘度系數(shù)值。提取各周期內(nèi)振動最大速度電信號的方法在振子連桿上固定一個圓形永磁體,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,在振子振動過程中,與振子連接的永磁 體往復(fù)穿越線圈將使線圈產(chǎn)生感生電動勢。感生電動勢ε與磁體穿過線圈時的速度ν成 正比,即ε =bv,其中b為系統(tǒng)比例常數(shù)。因此在各個振動周期內(nèi),電動勢ε最大值對應(yīng) 的就是速度ν最大值。通過提取電壓信號,即可獲得對應(yīng)周期內(nèi)的振子運(yùn)動速度。取第η個和第n+m個周期中最大感應(yīng)電動勢ε n = bvn和ε n+m = bvn+m,代入(13)
式化簡可得到最大速度平均對數(shù)衰減率。 In 二 -1ηε
n+m義= m(16)振動系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號輸入放大電路進(jìn)行模擬放大后,送信號采集卡,完成轉(zhuǎn)換后送計算機(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)定和粘度檢測兩種模式運(yùn)行,在各自的模式下,一般 取三個相鄰振動周期的振動信號,振子起振、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理的全過程由編制的軟件自 動完成。實(shí)施例3 所述的彈簧振子自由振動法快速測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)對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定;以一種國家計量院生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)液作為標(biāo)準(zhǔn)液 體,對本系統(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液體中心;(3)啟動計算機(jī)信號采集系統(tǒng),使其處信號采集狀態(tài);(4)手動使用一銜鐵,吸起振子后釋放,使其在標(biāo)準(zhǔn)液體中開始振動;(5)待振子停止振動,關(guān)閉計算機(jī)信號采集系統(tǒng);(6)系統(tǒng)復(fù)位,取走盛有待測液體的坩堝;(7)啟動計算機(jī)信號處理運(yùn)算程序,進(jìn)行信號處理。系統(tǒng)自動運(yùn)算取得所采集的相鄰三個振動周期內(nèi)最大速度所對應(yīng)的電壓信號,程 序通過所測定的電信號利用公式(15)自動計算振動系統(tǒng)的比例常數(shù)%,系統(tǒng)程序?qū)值k 值比例常數(shù)%存儲記錄,作為測試工作時的常量。從而完成系統(tǒng)常數(shù)的標(biāo)定全過程。實(shí)施例4 所述的彈簧振子自由振動法快速測定高溫熔體粘度的方法。所述的測定液體粘度將本系統(tǒng)軟件程序設(shè)置為液體粘度測試工作狀態(tài),系統(tǒng)程序?qū)⒆詣犹崛∫呀?jīng)存儲 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) (4) (5) (6) (7)步驟,系統(tǒng)自動運(yùn)算取得所采集的相鄰三個振動周期內(nèi)最大速度所對應(yīng)的電壓信號,程 序通過所測定的電信號利用公式(15)自動計算待測液體的粘度η值,從而完成待測液體 粘度的測定過程。
權(quán)利要求一種彈簧振子自由振動法快速測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放大處理器,所述的信號放大處理器連接計算機(jī),所述的葉片振子伸入到坩堝內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧振子自由振動法快速測定高溫熔體粘度的裝置,其特征 是所述的被測熔體裝在坩堝內(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)。
專利摘要彈簧振子自由振動法快速測定高溫熔體粘度的裝置。在鑄造過程中,由于金屬的遺傳效應(yīng),液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)對于其凝固后的組織及性能具有重要的影響。本實(shí)用新型組成包括葉片振子(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)連接信號放大處理器(6),所述的信號放大處理器(6)連接計算機(jī)(7),所述的葉片振子伸入到坩堝(8)內(nèi)。本實(shí)用新型用于測定高溫熔體粘度。
文檔編號G01N11/16GK201681033SQ201020119710
公開日2010年12月22日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者孫謙, 張建雷, 李大勇, 王利華 申請人:哈爾濱理工大學(xué)
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