基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方法研究

　　項目選題意義：

　　現(xiàn)今的全球問題無疑是能源問題，因為能源引起的戰(zhàn)爭也不計其數(shù)，而未來國與國之間的競爭主要還是能源戰(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，不浪費人力物力在沒有利用價值的地域上。當(dāng)今社會商品的質(zhì)量也是很值得關(guān)注的問題，有些音頻都摻雜其他有害的成分，也可通過本項目的成品測試其粘度用來判斷真假。

　　液體粘度概述

　　當(dāng)液體在穩(wěn)定流動時，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狀態(tài)完全相同。如果液體的內(nèi)部各層之間的流動速度不同，那么液體內(nèi)部相鄰的層之間就會產(chǎn)生相對運動，則液體內(nèi)部的該兩層之間便會產(chǎn)生相互作用力，稱為粘性力，衡量這個粘性力大小的一個物理量稱為粘度[25]。

　　粘度是液體的一個固有屬性，其大小由于液體的種類不同而不同，同時外界環(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)象都說明了這一點。例如，當(dāng)使一個盛滿液體的容器圍繞其豎直軸心旋轉(zhuǎn)時，其內(nèi)部的液體也會跟著旋轉(zhuǎn)，這正是因為液體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，在管道中流動的液體也是如此。由于管道壁是靜止的，所以就會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。所以，在管道中流動著的液體分成了無數(shù)的薄層，隨著薄層距離管道壁的距離越接近，液體的流動速度越慢，其速度分布圖如圖2-1所示。

　　主要測量原理

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

　　該方法的工作原理是:在測量室的兩端分別安裝一個電磁線圈，測量室內(nèi)部有一個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，活塞被電磁力牽動而往測量室B端運動。此時被截流的入口處的液體被迫在活塞的周圍流動。液體越粘，活塞運動就越慢。在這一過程中 “A”線圈用來監(jiān)測活塞的運動。活塞一旦抵達測量室B端，上面的“A”線圈就會被激活而 “B”線圈開始監(jiān)測。在這個過程中，不斷地有液體被引入到活塞周圍。同時“B”線圈監(jiān)控活塞運動。當(dāng)活塞再次接近測量室A端時，“B”線圈就會被重新激活，開始重復(fù)以前的過程。由信號采集處理單元測得活塞往復(fù)運動的時間，便可以根據(jù)液體粘度與活塞往復(fù)運動時間的數(shù)學(xué)模型計算出液體的粘度。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

　　對活塞在充滿液體的柱狀不銹鋼容器中運動時所受到的液體的粘性阻力進行理論分析;對電磁線圈的電磁場強度，以及其對永磁鐵活塞的電磁驅(qū)動力的變化規(guī)律進行理論分析。

　　(2)機械探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　機械探頭結(jié)構(gòu)需要實現(xiàn)的功能是為兩個電磁線圈提供安裝空間，并為永磁鐵活塞提供運動空間，其中電磁線圈驅(qū)動活塞做往復(fù)運動。同時探頭需要能夠浸入液體中，使液體能夠自由進入活塞的運動空間，從而測量液體的粘度。

　　(3)驅(qū)動信號產(chǎn)生電路設(shè)計

　　由測量原理可知，電磁線圈需要驅(qū)動永磁鐵活塞做往復(fù)運動，所以，要對兩個電磁線圈分別加載驅(qū)動信號。根據(jù)測量要求中活塞的運動規(guī)律，兩個線圈的驅(qū)動信號應(yīng)為互補信號，且其變化規(guī)律由活塞的運動規(guī)律的反饋來進行控制。

　　(4)反饋測量部分電路設(shè)計

　　測量系統(tǒng)是根據(jù)活塞運動規(guī)律實時產(chǎn)生驅(qū)動信號，這就要求系統(tǒng)能夠檢測活塞運動規(guī)律的反饋信號，并記錄活塞往復(fù)運動的時間，從而得到被測液體的粘度。

　　(5)硬件程序編寫

　　根據(jù)驅(qū)動信號的產(chǎn)生和反饋信號的檢測以及記錄活塞的往復(fù)運動時間的要求，編寫硬件程序，并將記錄的數(shù)據(jù)傳送到上位機進行處理。

　　實驗設(shè)計路線

　　基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量系統(tǒng)設(shè)計主要包括控制處理電路設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計和軟件程序設(shè)計三部分?？刂铺幚黼娐吩O(shè)計主要包括：核心控制處理芯片的選擇、芯片的外圍電路設(shè)計、控制電路電路設(shè)計和處理電路電路設(shè)計。機械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計旨在實現(xiàn)電磁線圈驅(qū)動永磁體活塞在被測液體中往復(fù)運動。其中要求：被測液體能夠自由進入活塞的運動空間;線圈的安裝空間具有良好的密封性。軟件程序設(shè)計主要實現(xiàn)測量系統(tǒng)的控制功能和處理功能。[!--empirenews.page--]

　　1.信號產(chǎn)生電路設(shè)計

　　信號產(chǎn)生電路設(shè)計既電磁線圈驅(qū)動信號產(chǎn)生電路設(shè)計，要求產(chǎn)生驅(qū)動信號驅(qū)動兩個電磁線圈實現(xiàn)兩個電磁線圈交替通電，從而驅(qū)動兩個線圈之間的柱狀永磁鐵活塞往復(fù)運動。

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

　　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)生方波實現(xiàn)非常簡單，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，再將放大電路放大;

　　2.直接將I/O口輸出電平進行隔離放大，作為驅(qū)動信號;

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

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

　　1.方波產(chǎn)生電路設(shè)計

　　方波信號產(chǎn)生電路首先由單片機某一I/O口交替產(chǎn)生高低電平，再由反相器得到其互補信號，形成一對互補信號。然后，將兩路信號經(jīng)過光電耦合器隔離后分別驅(qū)動兩個開關(guān)管，進而控制電磁線圈的通斷。

　　因為本系統(tǒng)中是用單片機輸出的數(shù)字信號驅(qū)動開關(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驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。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)計采用MOS開關(guān)管的通斷來控制電磁線圈的交替通電，兩個電磁線圈分別和兩個開關(guān)管串聯(lián)，光電耦合器的輸出信號控制開關(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

　　程序主要實現(xiàn)方波驅(qū)動信號的產(chǎn)生、感應(yīng)電壓信號的檢測處理、活塞往復(fù)運動時間的記錄以及通過串口向上位機傳送記錄的數(shù)據(jù)。

　　首先，對控制器進行初始化，包括設(shè)置定時器工作方式、裝載定時器初值、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，控制器通過檢測活塞往復(fù)運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號來控制方波翻轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動活塞繼續(xù)往復(fù)運動，從而再次產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號。所以，進入控制器主程序后便開始循環(huán)檢測感應(yīng)電壓信號，一旦檢測到有感應(yīng)電壓信號反饋到控制器，程序立即控制控制器I/O口翻轉(zhuǎn)方波信號，驅(qū)動活塞反方向運動，記錄活塞的運動時間(由定時器T0計數(shù)得出)，重新計時，并向上位機發(fā)送記錄的數(shù)據(jù)。

　　但是，有時可能未能檢測到感應(yīng)電壓信號，此時方波不在翻轉(zhuǎn)，活塞便無法繼續(xù)往復(fù)運動，也就不會再有感應(yīng)電壓信號。所以程序中設(shè)計了超時溢出，并進行了溢出處理，使程序能夠在未能檢測到感應(yīng)電壓信號的情況下繼續(xù)正常工作。如果長時間未檢測到感應(yīng)電壓信號，則程序超時溢出，同時翻轉(zhuǎn)方波，驅(qū)動活塞繼續(xù)往復(fù)運動，重新計時，并且重載超時計時器。這樣系統(tǒng)便能恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。