摘 要：介绍一种半固态数字粘度仪的测量原理、机械结构和电路设计。经过模拟调试和实际使用，表明该仪器能够满足实际应用的要求。
关键词：镁合金；半固态；粘度计；智能仪表
1粘度测量的原理
目前测量粘度的方法主要有毛细血管粘度计、落球式粘度计和旋转式粘度计等。本粘度仪采用旋转式粘度计的测量原理，下面具体介绍这种方法的基本原理。
图中的外圆筒是用来盛被测液体的容器，其半径为r2，它是固定不动的，内圆筒为浸入被测液体内可旋转的空心圆筒(称转筒)，它与外圆筒同轴，它的外半径为r1，长度为l，旋转的角速度为ω。当转筒转动时，液体间各液层速度不同，有速度梯度存在。液层间产生的内摩檫力f除了正比于两液层间接触面积δs以外，还正比于该处的速度梯度，即
式中：η为粘度系数。
根据速度梯度dvdr对粘滞阻力的影响，得：
η为所求的粘度系数(动力粘度)，上式的推导结果没有考虑转筒上下两端的粘滞效应。
2数字粘度仪系统结构设计
2.1工作原理
数字粘度仪工作的基本过程如图2。电动机带动转筒在半固态的浆料中转动，由于转筒和浆料的相互作用，转筒在旋转的反方向上产生扭矩。这个扭矩传递给上面的扭矩传感器，产生模拟电压信号，经a/d转换板转换成数字信号输入到微机中进行处理，从而在微机中计算出半固态浆料的粘度系数。
镁合金半固态对温度的要求是相当严格的，因为在半固态的温度区域内，温度的微小变化都会使半固态的固液分数发生较大变化，从而粘度也会发生巨大改变。因此本测试装置在内筒和外筒之间的浆料中设计了温度传感器。测试的时候，在获取每一个粘度值的同时也把这个时刻的温度读入计算机，从而可以准确地测量某一温度的粘度。
镁合金半固态是触变性流体，在不同的剪切速率或剪切力的作用下(即使温度相同)，粘度也是不同的。为了测量不同剪切速率下的粘度，本文采用了无级变速电动机，通过连续改变电动机的转速，而获得不同剪切速率下的粘度。
2.2机械结构设计
(1)同轴度
旋转式粘度计测量的基本原理是假定转筒为同轴转动，但实际上由于零件加工和装配误差的存在，转筒实际上是会偏离轴线转动的。如果偏离很大，则会产生较大的测量误差，因此，需要保证电动机的输出轴、中间的传动轴和转筒有较高的同轴度。
(2)转筒和容器的设计
转筒外径(r1)和容器内径(r2)的大小会影响粘度的测量范围，因此，要依据具体的测量范围估算。设计出来的r1和r2值应保证转筒产生的扭矩在扭矩传感器的测量范围内。不能过大或过小。
由于转筒外径和容器内径的几何尺寸精度直接会影响仪器的精度，故它们的尺寸精度等级应该选用6～7级。表面粗糙度一般不低0.8ra。
(3)绝缘与绝热设计
转筒工作在500℃以上，由于热传导，大量的热量将会通过粘度仪的传动系统传递给扭矩传感器和电动机，使他们的工作温度急剧升高。而扭矩传感器和电动机都有一定的工作温度，所以，在转筒和扭矩传感器之间需要设计绝热装置，以保证系统的正常运行。
本数字粘度仪由于采用了扭矩传感器和数字电路，为了防止电动机的静电对系统的干扰，本装置在电动机和扭矩传感器之间设计了绝缘装置。
(4)扭矩传感器的选择
本系统虽然采用了绝热装置，但是扭矩传感器和高温的镁合金距离较短，由于热辐射，实际上传感器的工作温度也是比较高的，因此，在选用传感器时，一定要注意传感器的工作温度。同时，要尽量选择零点温度漂移小的传感器，以使在温度变化较大的工作条件下，传感器仍然保证较高的测量精度。
3数字粘度仪硬件电路设计
粘度仪扭矩传感器产生的是微弱的电压信号，在几毫伏和几十毫伏之间，为了获得如此小的信号，本文设计了一套数据采集系统。它将原始信号放大、滤波，并转化成数字信号在微机中处理与显示。图3是具体的电路原理图。
系统的工作原理是，扭矩传感器和温度传感器的微弱电压信号，经多选开关轮流选中，送入放大器进行电压放大，经a/d转换器将放大的模拟电压信号转换成计算机可以识别的数字信号。计算机通过isa总线将数字信号读入计算机内存进行运算处理。
本数据采集系统采用了isa总线pc-7424数据采集板卡，这是整个系统的核心硬件电路。它以单端16路输入，输入电压量程有0～10v和+-5v两档，分辨率为12位，采样频率为100khz，其精度和速度能够满足数据采集的要求。为了使传感器的微弱电压信号能被a/d转换，将采集板卡的增益调为100倍。
4软件的编制
本文采用面向对象的编程语言vc++6.0编制系统软件。
4.1数据采集程序
计算机获得a/d转换后的数字信号可以有三种方式：中断方式、dm
