專利名稱：一種寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)及用其測量粘度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)測試領(lǐng)域的寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，特別涉及一種能測量不同溫度不同磁場條件下各種材料液體粘度的儀器及測試方法。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外有多種測量液體粘度的儀器設(shè)備，但多數(shù)用于測量自然條件常溫液體的粘度，關(guān)于高溫熔體粘度測量儀器則相對較少，特別是高溫環(huán)境，如測試金屬鋼鐵熔體的粘度，對儀器設(shè)備提出了更高的要求。廣泛使用的高溫熔體粘度計(jì)是旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和回轉(zhuǎn)振 動(dòng)式高溫熔體粘度計(jì)，但旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)由于將轉(zhuǎn)子直接插入被測熔體中，因此不僅轉(zhuǎn)子容易與熔體反應(yīng)，改變?nèi)垠w性質(zhì)，限制了測量元素的范圍，而且高溫環(huán)境容易造成轉(zhuǎn)子的損壞，并且不能高精度的測量，因此旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)已較少用于高溫金屬熔體的測量。但回轉(zhuǎn)式高溫熔體粘度計(jì)也存在一系列的問題，比如由于依靠坩堝和熔體之間的剪切摩擦力和剪切速率的比值來計(jì)算粘度值，測量的粘度值范圍較小，如日本產(chǎn)回轉(zhuǎn)振動(dòng)式液體粘度計(jì)，粘度測試范圍為I-IOcp (mPas)，此范圍根本無法滿足現(xiàn)有材料液體粘度值的測量要求。外加磁場是制備新材料和現(xiàn)有材料改性的重要手段，磁場環(huán)境下液體物理性質(zhì)的研究越來越受到人們的關(guān)注，但市場上還沒有這種產(chǎn)品，也從未有相關(guān)儀器的報(bào)道，尤其是磁場環(huán)境下高溫金屬熔體粘度測量儀器的發(fā)明未曾報(bào)道過。CN 2099316U發(fā)明了鐵磁流體粘度測量儀，該儀器依靠電磁線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場，通過轉(zhuǎn)筒的扭矩與粘度的比例關(guān)系得出磁場下鐵磁流體的粘度值，該裝置僅限于粗略測量常溫下鐵磁流體的粘度值；CN 1114745A將振蕩器浸沒在流體中通過測量振蕩器能量的粘滯損耗來測量電磁線圈感應(yīng)磁場下流體的粘度。但其測量范圍和流體種類受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，而提供一種寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)及用其測量粘度的方法，該種粘度計(jì)能同時(shí)測量磁場條件下與非磁場條件下的高溫金屬熔體的粘度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，包括測量筒體、測量筒體上方的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸連接陶瓷掛絲，陶瓷掛絲的下端與測量筒體內(nèi)的樣品盛放裝置相連，轉(zhuǎn)軸上設(shè)有測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率的光學(xué)測定系統(tǒng)，測量筒體內(nèi)設(shè)有升高樣品溫度的加熱體，測量筒體外套有水平環(huán)形磁場裝置使加熱體位置處在磁場中，水平環(huán)形磁場裝置的下面固定在升降系統(tǒng)上從而調(diào)整磁場位置，測量筒體上設(shè)有冷卻系統(tǒng)和抽真空裝置。所述的水平環(huán)形磁場裝置由內(nèi)外兩個(gè)環(huán)形磁體套接而成，兩個(gè)環(huán)形磁體能相對轉(zhuǎn)動(dòng)，外側(cè)環(huán)形磁體上設(shè)有渦輪蝸桿裝置來調(diào)整兩個(gè)環(huán)形磁體相對位置從而調(diào)整磁場大小。渦輪蝸桿裝置通過齒輪間的咬合，將水平方向的蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為渦輪的圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)環(huán)形磁體轉(zhuǎn)動(dòng)。
所述的升降系統(tǒng)包括支架、支撐磁場的平臺，支撐磁場的平臺與鉸鏈連接，鉸鏈套在橫桿上，橫桿中間與千斤頂?shù)囊簤合到y(tǒng)相連，液壓系統(tǒng)上設(shè)有手柄。扳動(dòng)手柄驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，通過液壓系統(tǒng)傳動(dòng)液壓缸頂端的橫桿升降，橫桿帶動(dòng)鉸鏈運(yùn)動(dòng)，鉸鏈連接平臺，從而控制平臺的高度。所述的光學(xué)測定系統(tǒng)包括反光鏡、激光發(fā)射器、探測器，反光鏡固定在轉(zhuǎn)軸上，激光發(fā)射器、探測器在測量筒體外，激光發(fā)射器、探測器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，激光發(fā)射器發(fā)出激光，照射到轉(zhuǎn)軸上的反光鏡上，激光經(jīng)反光鏡反射回探測器，根據(jù)入射光與反射光的時(shí)間間隔測定轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率。所述的抽真空裝置包括轉(zhuǎn)軸上的真空密封墊、測量筒體上端壁上設(shè)有的出氣孔和進(jìn)氣孔、與進(jìn)氣孔相連的真空泵及擴(kuò)散泵。所述的冷卻系統(tǒng)為測量筒體壁上通有冷卻介質(zhì)的夾套結(jié)構(gòu)。所述的加熱體內(nèi)壁上設(shè)有鑰隔熱片，測量筒體內(nèi)底部設(shè)熱電偶。所述的樣品盛放裝置包括氧化鋁坩堝和陶瓷坩堝，陶瓷坩堝頂部連接陶瓷掛絲。通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可設(shè)定大步進(jìn)、快速復(fù)位的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給予脈沖信號，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸大步正向轉(zhuǎn)動(dòng)，快速反向復(fù)位。加熱體的外圍設(shè)有水平環(huán)形磁場，轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿即可調(diào)節(jié)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。水平環(huán)形磁場固定在一個(gè)自動(dòng)升降系統(tǒng)上，可以同時(shí)水平旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)環(huán)形磁場。懸掛坩堝的懸絲采用高強(qiáng)度陶瓷材料制成。用上述粘度計(jì)測量粘度的方法，步驟如下(I)將樣品置于氧化鋁坩堝內(nèi)，樣品的體積不超過坩堝的三分之二，再放入陶瓷坩堝內(nèi)，下放到加熱體的中心位置；(2)將測量筒體內(nèi)抽真空，充入惰性保護(hù)氣體，加熱至待測樣品熔點(diǎn)以上(不超過1700°C)，保溫 20-40 分鐘；(3)轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿來選擇磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)不同材料的物理性質(zhì)選擇，磁場強(qiáng)度不聞?dòng)?000聞斯；(4)開啟步進(jìn)電機(jī)，使轉(zhuǎn)軸初始轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在5000_6000Kg · m2，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)樣品盛放裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，儀器外部的激光發(fā)射器發(fā)出激光，照射到轉(zhuǎn)軸上的反光鏡上，激光經(jīng)反光鏡反射回探測器，根據(jù)入射光與反射光的時(shí)間間隔測定轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率與粘度的計(jì)算公式(I)得出相應(yīng)的粘度值，
權(quán)利要求
1.一種寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，包括測量筒體、測量筒體上方的步進(jìn)電機(jī)，其特征是，步進(jìn)電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸連接陶瓷掛絲，陶瓷掛絲的下端與測量筒體內(nèi)的樣品盛放裝置相連，轉(zhuǎn)軸上設(shè)有測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率的光學(xué)測定系統(tǒng)，測量筒體內(nèi)設(shè)有升高樣品溫度的加熱體，測量筒體外套有水平環(huán)形磁場裝置使加熱體位置處在磁場中，水平環(huán)形磁場裝置的下面固定在升降系統(tǒng)上從而調(diào)整磁場位置，測量筒體上設(shè)有冷卻系統(tǒng)和抽真空裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，其特征是，所述的水平環(huán)形磁場裝置由內(nèi)外兩個(gè)環(huán)形磁體套接而成，兩個(gè)環(huán)形磁體能相對轉(zhuǎn)動(dòng)，外側(cè)環(huán)形磁體上設(shè)有渦輪蝸桿裝置來調(diào)整兩個(gè)環(huán)形磁體相對位置從而調(diào)整磁場大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，其特征是，所述的升降系統(tǒng)包括支架、支撐磁場的平臺，支撐磁場的平臺與鉸鏈連接，鉸鏈套在橫桿上，橫桿中間與千斤頂?shù)囊簤合到y(tǒng)相連，液壓系統(tǒng)上設(shè)有手柄。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，其特征是，所述的光學(xué)測定系統(tǒng)包括反光鏡、激光發(fā)射器、探測器，反光鏡固定在轉(zhuǎn)軸上，激光發(fā)射器、探測器在測量筒體夕卜，激光發(fā)射器、探測器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，激光發(fā)射器發(fā)出激光，照射到轉(zhuǎn)軸上的反光鏡上，激光經(jīng)反光鏡反射回探測器，根據(jù)入射光與反射光的時(shí)間間隔測定轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，其特征是，所述的抽真空裝置包括轉(zhuǎn)軸上的真空密封墊、測量筒體上端壁上設(shè)有的出氣孔和進(jìn)氣孔、與進(jìn)氣孔相連的真空泵及擴(kuò)散泵。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，其特征是，所述的冷卻系統(tǒng)為測量筒體壁上通有冷卻介質(zhì)的夾套結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，其特征是，所述的加熱體內(nèi)壁上設(shè)有鑰隔熱片，測量筒體內(nèi)底部設(shè)熱電偶。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)，其特征是，所述的樣品盛放裝置包括氧化鋁坩堝和陶瓷坩堝，陶瓷坩堝頂部連接陶瓷掛絲。
9.用權(quán)利要求I所述粘度計(jì)測量粘度的方法，其特征是，步驟如下 (I)將樣品置于氧化鋁坩堝內(nèi)，樣品的體積不超過坩堝的三分之二，再放入陶瓷坩堝內(nèi)，下放到加熱體的中心位置； (2 )將測量筒體內(nèi)抽真空，充入惰性保護(hù)氣體，加熱至待測樣品熔點(diǎn)以上，保溫2 O -4O分鐘； (3)轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿來選擇磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)不同材料的物理性質(zhì)選擇，磁場強(qiáng)度不高于8000聞斯； (4)開啟步進(jìn)電機(jī)，使轉(zhuǎn)軸初始轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在5000-6000Kg· m2，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)樣品盛放裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，儀器外部的激光發(fā)射器發(fā)出激光，照射到轉(zhuǎn)軸上的反光鏡上，激光經(jīng)反光鏡反射回探測器，根據(jù)入射光與反射光的時(shí)間間隔測定轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率與粘度的計(jì)算公式(I)得出相應(yīng)的粘度值，r mwM{mRe)2Tpm2 (I)式中，V表示運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s ;m表示液體試樣的質(zhì)量，Kg ；1表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kg · m2 ；RC表示坩堝半徑，πι;δ和Sci分別表示裝入待測物的氧化鋁坩堝和空氧化鋁坩堝的對數(shù)衰減率，百分比％ ；ΤΡ和Tptl分別表示熔體和空坩堝的對數(shù)衰減周期，s ;根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較得出對于金屬熔體ω=1，對于非金屬熔體ω=0.9 ;HS表示坩堝中填充樣品的高度，m;n表示與液體試樣水平面接觸的數(shù)目，開口容器，n=l，封閉容器，n=2 ； 由動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度的關(guān)系n = p V可求出動(dòng)力粘度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬量程高溫熔體磁場粘度計(jì)及用其測量粘度的方法，粘度計(jì)包括測量筒體、測量筒體上方的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸連接陶瓷掛絲，陶瓷掛絲的下端與測量筒體內(nèi)的樣品盛放裝置相連，轉(zhuǎn)軸上設(shè)有測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)衰減率的光學(xué)測定系統(tǒng)，測量筒體內(nèi)設(shè)有升高樣品溫度的加熱體，測量筒體外套有水平環(huán)形磁場裝置使加熱體位置處在磁場中，水平環(huán)形磁場裝置的下面固定在升降系統(tǒng)上從而調(diào)整磁場位置，測量筒體上設(shè)有冷卻系統(tǒng)和抽真空裝置。本發(fā)明可以精確測定-30℃—1700℃范圍內(nèi)各種液態(tài)材料在不同磁場條件下的粘度值，并且使測量的粘度范圍大大提高到0.1Cp—100cp(mPa·s)，測量周期短，精度高。
文檔編號G01N11/00GK102879302SQ20121038049
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者劉建同, 邊秀房, 張凱 申請人:山東大學(xué)