摘 要：基于振荡杯法设计了一台高温液态金属粘度计。结合实测流程详细描述了这种测试方法的原理。给出了以 89S52 为主控芯片的下位机系统的软硬件设计, 并给出了上位机操作软件和与下位机的通信协议。该粘度计的测量范围 0.1Cp～10Cp, 测量精度±0.3%。
液态金属的粘度是金属的重要物性参数之一, 粘度决定着液态金属的流体力学特征。基于衰减振动式中的振荡杯法研制了一台高温液态金属粘度计, 该粘度计对机械性能要求不高, 只需要精确的时间测量和计算, 与国内外同类产品相比大大降低了成本。通过对标准试液的测量, 该粘度计的测量精度、测量重复率均到达了设计要求, 与同类产品相比粘度测量范围大, 系统运行稳定可靠。
1 粘度测量原理
本文所设计的振荡杯法粘度计基于以下原理: 一根悬丝下面吊着盛放液态金属的坩埚, 坩埚放到高温真空加热炉中。当要测试时, 步进电机带动悬丝先旋转一定角度再逆向旋转同样的角度, 此后, 坩埚在悬丝扭力的作用下做左右的转动。由于受液态金属层间粘力的作用, 坩埚转动逐渐衰减, 摆幅越来越小, 速度越来越慢。液体的粘度与坩埚衰减振动的时间存在固定的关系, 选取连续 2n 次的时间测量值, 通过以下步骤就可算出粘度值。
首先计算出 2n 次测试的平均周期 T, 再根据对数衰减率公式( 公式 1) 算出衰减周期中某一时间段的对数衰减率, 实际应用中选用了激光采样的 AB 时间段。
式中 v: 运动粘度; k: 系统惯性常量; M: 容器重量; ρ: 密度;R: 容器半径; H: 被测样品高度; x=δ/2π; a、b、c: 系统常数; τ: 实测时的平均周期; τ0: 空测时的平均周期; δ0空测时对数衰减率的平均值; δ: 实测时对数衰减率的平均值。
2 系统整体结构
系统结构如图 1 所示, 主要由以下几个部分组成: 高温真空加热炉及温控装置、激光测量装置、下位机系统和上位机系统。其中高温真空加热炉是一台可控硅电加热炉, 利用独立的温度控制系统, 以 B 型热电偶作为温度检测器, 实现被测样品高温加热和恒温保持等温度控制要求。下位机系统以 Atmel 公司89S52 单片机为主控芯片, 主要实现振动时间测量、人机接口、电机控制和与上位机串行通信。
测量前抽空炉中的气体, 坩埚中的被测金属液化以后, 保持在一恒定温度, 其测量步骤如下: 首先, 单片机控制步进电机做左右旋转, 给吊坩埚的悬丝一个初始力矩, 于是在惯性作用下,坩埚做衰减转动, 并且悬丝上面的镜子会随着坩埚做同步衰减转动; 然后在与镜子的同一水平面上, 激光发射器向镜面发射激光, 在转动过程中, 反射激光会被两个激光接收管 A、B 接收, 经光电转换电路把光电脉冲转换为电脉冲, 并且这两路电脉冲信号经下位机系统的检测测量电路, 转化为坩埚衰减转动周期的四个时间段数据, 即 AA、AB、BB、BA; 最后连续测量 2n 个衰减周期, 数据通过 RS- 232 总线上传给上位机, 计算出被测液态金属的粘度值。
3 下位机系统
3.1 硬件结构
下位机的硬件结构如图 2。
下位机系统以 89S52 为主控芯片, 包括串行通信电路、脉冲时间检测电路、电机控制电路、8253 定时计数, 按键及显示模块。
图 2 中的 7289 是一款专门用于 LED 显示和按键的芯片,它可扩展 8 位 LED 和 64 个按键, 采用 SPI 总线结构, 大大节省了单片机的口线。在此粘度计中使用了 8 位 LED 显示, 前两位用于显示一个周期中的时间段标志, 后六位用于显示对应的时间。时间显示采用定点数显示方式, 即后四位为小数位; 实际使用中 8 位 LED 还可用于显示电机运动的方向和步数。5 个按键中 1 个单片机复位键和 4 个电机控制按键, 用以实现步进电机手动控制。
电机部分采用了北京斯达微步控制技术有限公司生产的57BYG096 型号的 2 相步进电机及其 MS- 2H057M 驱动模块。该电机电流达到 3A, 扭矩为 0.8nm, 步长可任意设定, 完全能够满足系统要求。每台步进电机只需要两根口线控制, 一根用于控制电机转动方向, 另一根用于给定步进脉冲。实际设计中使用了单片机的 P1 口的 P1.4～P1.7 做控制口线。
脉冲时间检测电路与 8253 定时计数电路相结合, 实现时间检测与测量。前者利用两个 74HC74 触发器, 把每个测量周期的中需要的时间段分别测出来, 最后把信号 (Sign1 和 Sign2 信号) 同时送给 89S52 的外部中断口线 INT0、INT1 和 8253 的两个门控引脚 GATE0、GATE2。一旦一个计时段结束, 8253 的门控引脚信号会使相应的计时器停止, 单片机会进入外部中断子程序读出 8253 定时计数器的时间值。
3.2 软件部分
下位机程序主要由器件初始化子程序、按键扫描及 LED 显示子程序、中断子程序和主程序组成。程序中用了两个外部中断和一个串口中断, 串口中断设为高优先级, 外部中断设为低优先级。外部中断处理子程序需负责读取、保存 8253 中的计时值, 主程序中的实时显示子程序会调用这个保存的数值, 在循环主程序中的命令处理子程序中, 这个值不但要送 LED 显示还要实时传给上位机。串口中断子程序用来实时响应上位机命令。
图 3 中的(a) 是主程序流程图。上电以后, 延时一定时间保证 8155 初始化成功, 下一步初始化外围器件、开中断并设置中断优先级。初始化完以后程序进入循环, 单片机循环扫描按键、数据显示和查询上位机命令, 等待触发事件。图(b) 是串行口接收中断流程图。由于串口接收和发送中断共用一个中断, 所以在发送时要关闭串行中断使用查询的方式。进入中断以后首先清标志位 RI。F5 作为下位机处理命令标志位, 如果为 0, 说明下位机在控制电机运动或者在上传数据, 则单片机不会接受数据, 如果不为零, 读 SBUF 值并把此值发送出去, 再判断这个接收值是否为 0xFF。根据协议如果是 0xFF, 则清空接收缓存; 如果不是0xFF, 则正常接收命令字。
4 上位机系统
由于粘度计算公式比较复杂, 使用到的数值也比较多, 一般的 8 位单片机难以满足要求, 所以对数据的处理和结果输出保存均由上位机来处理, 同时也可以实现对测试系统的自动化操作。采用 C++ Builder6.0 作为开发工具, 编写出基于 Windows的可视化操作界面。
4.1 软件模块
如图 4 所示, 上位机软件包括 5 个主要的部分:“串口通信设置”模块用来设置串口, 包括串口、数据位及校验位等的选择;“测量参数输入及保存”模块用来输入被测样品名称、物理化学参数及环境温度等;“步进电机控制”模块包括两部分, 一是控制上下步进电机界面, 二是控制左右旋转电机界面;“粘度计算及保存”模块主要实现对测量数据的后台处理及结果的显示。
4.2 C++ Builder 串口通信控件
PC 机与下位机 89S52 的通信采用了 RS- 232 总线, 由于C++ Builder 编译工具中并不带有串口通信控件, 我们采用了TYbCommDevice 串口控件。此控件利用 C++语言编写, 以Windows 的 API 函数为基础, 支持串行通信中的各种波特率和各种校验方式, 支持数据包收发和单个字节收发, 同时支持Modem 通信, 以实现远程通信。
4.3 串行通信校验方式
串行通信协议采用了发送(PC 机)→接收返送(89S52)→校验(PC 机) 的方式: 首先 PC 机发送命令字节, 单片机接收到以后立即把接收到这组数返送给 PC 机, PC 机把发送和接收的数进行比较, 如果相同, 则说明发送成功, 则发送一个正确的校验码给单片机; 如果不相同, 说明串行通信出现错误, 则发送一个错误的校验码给单片机。如果出现串行通信错误, 则 PC 机会自动重发, 等待单片机返送数, 判读、发送正误校验码。自动重复 5次后, 如果还是错误, 界面会出跳出提示“串行通信错误! ”, 这时需要人为介入。
在测量数据上传过程中, 采用了和校验的方式, 一旦数据传输过程中出现错误, 程序会做出相应的提示。此时可以继续接收数据, 也可放弃这次测量重新开始测量, 操作界面中都有相应对话框或按钮供操作者做出选择。
5 结束语
实测中粘度计的测量精度达±3%, 重复率达±5%, 粘度测量范围 0.1Cp～10Cp。基于振荡杯法的粘度能满足小粘度液体的测量, 为了提高粘度的测量范围, 可以在此硬件基础上改变软件算法, 即采用同轴圆筒衰减振动式测试方法就可提高粘度的测量范围。
参考文献
[1] 薛钧义, 张彦斌.MCS—51 /96 系列单片微型计算机及其应用[M].2版.西安: 西安交通大学出版社, 1997
[2] 马忠梅, 籍顺心, 张凯, 等.单片机的 C 语言的应用程序设计[M].3版.北京: 北京航空航天大学出版社, 2003
本文作者：时迎亮 王济浩
