一种熔体宽量程复合粘度测量仪的制作方法

本发明属于一种测量装置，具体涉及一种熔体宽量程复合粘度测量仪。

背景技术：

粘度是表征流体性质的一项重要参数，是流体的重要物理特性，直接反映不同流体的特性。粘度及其测量在国民经济的许多领域有着广泛的应用，以冶金工业为例，粘度是冶金熔体的重要热物性参数之一，它对冶金过程的传质和传热、渣金分离有着重要的影响。但是，冶金熔体粘度差别大且熔融温度高，例如铁液在的粘度为5mpas，kcl熔盐在的粘度为0.7mpas，熔渣熔化性温度以上、粘度40mpas～1000mpas，玻璃的熔化性温度以上、粘度大于10000mpas。

测量高温熔体粘度的测量方法主要有毛细管法、旋转法、落球法、扭摆法等，其中毛细管法装置使用过程中毛细管容易被堵塞，这一定程度上影响了测量的高效性。旋转法适用范围广、操作方便、能够得到大量数据。但旋转法测粘度在测量低粘度熔体时精度不能满足要求。衰减扭摆式粘度计测量的原理是以一定的转矩使转子在液体中做扭转运动，转子由于受到液体的粘滞作用而做衰减运动，通过对转子的振幅和周期的测量即可计算出液体的粘度值，适合测量低粘度熔体粘度。目前高温熔体测量中，通常以旋转法测量高粘度熔体，以扭摆法测量低粘度熔体。

技术实现要素：

针对现存的上述问题，本发明的目的是提供了一种熔体宽量程复合粘度测量仪，且测量精度高的测量装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种熔体宽量程复合粘度测量仪，其特征在于：包括罩体、电机安装平台、伺服电机、吊丝、编码器、编码器安装平台、测量连接杆和转子；

所述电机安装平台和编码器安装平台分别固设在罩体内，且电机安装平台位于编码器安装平台的上方；

伺服电机安装在电机安装平台的下表面，编码器安装在编码器安装平台的上表面；

所述吊丝的顶端与伺服电机的动力输出轴固定连接，吊丝的底端与编码器转盘的中心固定连接；

所述伺服电机的输出轴与编码器壳体的顶部卡接；

所述测量连接杆位于罩体的外侧，测量连接杆的顶端与编码器转盘的中心固定连接，测量连接杆的底端连接转子。

作为优化，还包括石墨连接头和转子连接杆；

所述石墨连接头的顶端与测量连接杆的底端可拆卸连接，石墨连接头的底端与转子连接杆固定连接，所述转子设置在转子连接杆的底端。

作为优化，还包括连接轴；

所述编码器转盘的中心具有中心孔，所述连接轴的上部与该中心孔螺纹配合，连接轴的底端与所述测量连接杆的顶端可拆卸连接。

作为优化，还包括用于支撑罩体的支架。

作为优化，还包括控制显示系统；

所述控制显示系统包括控制器和显示设备；

所述控制器的数据输入端与所述编码器的数据输出端连接，并根据接收的信号计算待测熔体的粘度，控制器的显示信号输出端与显示设备的显示信号输入端连接，控制器的控制信号输出端与伺服电机的控制信号输入端连接。

作为优化，对于高粘度熔体，将转子放入待测液体中旋转，所述控制显示系统根据公式计算高粘度熔体的粘度：

η＝k×φ(1)；

其中φ为吊丝的扭角，通过编码器测得，k为仪器常数，η为熔体粘度。

作为优化，对于低粘度熔体，将转子放入待测液体中，转子扭转过一角度后放开，转子将做扭转振动：

所述控制显示系统根据公式计算低粘度熔体的粘度：

η＝aσ(2)；

其中，a为仪器常数；σ为振幅衰减系数。

作为优化，还包括弹簧管、加热炉、升降系统、真空及气氛控制系统和温度控制系统；

所述弹簧管的顶端与罩体的底部密封连接；

所述测量连接杆穿过弹簧管，所述转子位于弹簧管的外测；

加热炉：包括加热炉体、连接管、保温罩、加热体和实验用坩埚；

所述加热炉体包括开口向上的u形的炉壁和炉盖，炉盖设置在炉壁的上方，且与炉壁的开口密封连接形成反应腔；所述炉壁上具有热电偶安装孔、加热体导线入口和气体进口，炉壁上还设有加热炉抽气阀；

所述保温罩为开口向下的u形结构，其设置在反应腔内，加热体设置在保温罩内，实验用坩埚位于加热体和保温罩形成的空间内；

所述实验用坩埚用于盛放待测液体；

所述连接管与顶端与弹簧管的底端可拆卸密封连接，可连接管的底端依次穿过炉盖和保温罩的上部；连接管位于炉盖上方的部分从上而下依次设有测量系统抽气阀和加热炉密封阀；

升降系统：包括安装台、第一升降杆、第二升降杆、加热炉安装架、升降杆驱动件-伺服电机驱动；

所述升降杆驱动件驱动第一升降杆和第二升降杆上下移动，第二升降杆的顶端与安装台固定连接，所述腔体设置在安装台上；

所述加热炉安装架固定在升降杆驱动件的外壳上，加热炉安装在加热炉安装架上，第一升降杆的顶端与炉盖固定连接；

所述升降杆驱动件-伺服电机驱动用于控制第二升降杆上下移动的位移，伺服电机可以采集和精确控制位移；

真空及气氛控制系统：包括第二惰性气体储存瓶、真空泵和真空控制柜；

所述第二惰性气体储存瓶通过输气管与气体进口连通，真空泵通过管道及测量系统抽气阀与连接管连通，实现对腔体抽真空，真空泵通过管道及加热炉抽气阀与反应腔连通，实现对加热炉抽真空，真空控制柜的信号输出端与真空泵连接，实现对抽真空过程的控制；

温度控制系统：包括热电偶和温控柜，所述热电偶通过热电偶安装孔安装在炉壁上，热电偶的数据输出端与温控柜连接，将所测温度信号输入温控柜，温控柜根据接收到的温度信号控制加热体的加热温度；

作为优化，所述炉盖和炉壁均为空心结构，并且炉盖和炉壁的空心部分连通，炉盖上设有与其空心部分连通的进水口和出水口。

所述加热炉还包括保护用石墨坩埚，所述保护用石墨坩埚设置在实验用坩埚和加热体之间。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提供的粘度测量仪测量结构简单，测量精度高，可以同时适用于高粘度和低粘度的液体，适用性强。

2、采用石墨发热体在惰性气氛下发热，最高工作温度可达长时间工作温度通过安装不同精度的热电偶能满足连续测试试样温度范围升温迅速2h内炉温达到采用新进的pid控温系统，控温精度高温和惰性气体保护，可以使得可应用的熔体范围更广，特别是一些高熔化性温度的熔渣和对气氛敏感的金属熔体。

3、采用吊丝与编码器结合，既可以通过旋转柱体法测量高粘度熔体粘度，也可以通过扭摆法测量低粘度溶体粘度，测量量程宽。

4、采用编码器测量吊丝的扭角和衰减系数，具有高精度、高可靠性、跟踪速度快、耐高低温、防水、防尘及腐蚀性气体、抗振动等特点。

5、测量方法具备操作简单、数据可靠、测量过程可实时监测控制，可以广泛的用于高温熔体粘度的测量和研究。

附图说明

图1为本发明熔体宽量程复合粘度测量仪的结构示意图。

图2a为熔体宽量程复合粘度测量仪的装配图，图2b为熔体宽量程复合粘度测量仪的爆炸图。

图3为加热炉的结构示意图。

图4为升降系统的结构示意图。

图1～4中的附图标记：熔体宽量程复合粘度测量仪1、加热炉2、升降系统3、真空及气氛控制系统4、温度控制系统6、控制器显示系统5；

罩体1-1、电机安装平台1-2、伺服电机1-3、吊丝1-4、编码器1-5、编码器安装平台1-6、粘度计支架1-7、测量连接杆1-8、石墨连接头1-9、转子连接杆1-10和转子1-11；

测量系统抽气阀2-1、加热炉密封阀2-2、进水口2-3、热电偶安装孔2-4、加热炉抽气阀2-5、加热体导线入口2-6、保温罩2-7、加热体2-8、保护用石墨坩埚2-9、实验用坩埚2-10、待测熔体2-11、气体进口2-12、连接弹簧管2-13、炉盖2-14、炉壁2-15；

安装台3-1、第一升降杆3-2、第二升降杆3-3、加热炉安装架3-4、升降杆驱动件-伺服电机3-5。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

一种熔体宽量程复合粘度测量仪，包括罩体1-1、电机安装平台1-2、伺服电机1-3、吊丝1-4、编码器1-5、编码器安装平台1-6、支架1-7、测量连接杆1-8、石墨连接头1-9、转子连接杆1-10和转子1-11；

所述支架1-7用于支撑罩体1-1，支架1-7下还有水平调节螺母。

所述电机安装平台1-2和编码器安装平台1-6分别固设在罩体1-1内，且电机安装平台1-2位于编码器安装平台1-6的上方；

伺服电机1-3安装在电机安装平台1-2的下表面，编码器1-5安装在编码器安装平台1-6的上表面；具体实施时，编码器安装平台1-6上还安装有气泡水平仪用以方便调节粘度仪的放置状态；

所述吊丝1-4的顶端与伺服电机1-3的动力输出轴固定连接，吊丝1-4的底端与编码器1-5转盘的中心固定连接；

所述伺服电机1-3的输出轴与编码器1-5壳体的顶部卡接，编码器器1-5壳体随着伺服电机输出轴的转动而转动；

所述编码器1-5转盘的中心具有中心孔，所述连接轴的上部与该中心孔螺纹配合，连接轴的底端与所述测量连接杆1-8的顶端可拆卸连接；

所述测量连接杆1-8、石墨连接头1-9和转子连接杆1-10均位于罩体1-1的外侧，石墨连接头1-9的顶端与测量连接杆1-8的底端可拆卸连接，石墨连接头1-9的底端与转子连接杆1-10固定连接，所述转子1-11设置在转子连接杆1-10的底端。

石墨连接头1-9的设置是为了在测量过程中要用到不同型号的转子并且易于更换，一个原因是要在粘度大的液体中使用小转子，在粘度小的液体中要使用大转子，另一个原因是在测量完熔体粘度时转子表面覆盖一熔体无法进行再次使用。

具体实施时，转子1-11和转子连接杆1-10采用与所测熔体不反应且有足够亲和力的材料，对于氧化物熔体如高炉渣、电炉渣，其成分不会与金属钼发生反应且熔点高，故金属钼能满足测量要求，测量低熔点金属如铝液采用高熔点金属45#钢，测量铁液可采用石墨或氧化铝，转子直径由所测熔体的基本性质决定制成。

还包括控制显示系统5；所述控制显示系统5包括控制器和显示设备；所述控制器的数据输入端与所述编码器1-5的数据输出端连接，并根据接收的信号计算待测熔体的粘度，控制器的显示信号输出端与显示设备的显示信号输入端连接，控制器的控制信号输出端与伺服电机1-3的控制信号输入端连接。

具体实施时，伺服电机1-3由控制显示系统5控制其旋转速度或者扭摆角度，从而带动吊丝1-4和转子1-11的旋转或扭摆。编码器1-5通过测量吊丝的旋转扭矩或扭摆衰减常数通过控制显示系统计算得到所测熔体粘度。

对于高粘度熔体，将转子1-11放入待测液体中旋转，所述控制显示系统5根据公式1计算高粘度熔体的粘度：

η＝k×φ(1)；

其中φ为吊丝1-4的扭角，通过编码器1-5测得，k为仪器常数，η为熔体粘度。

吊丝悬挂的内圆柱体在高温炉渣中以一定速度旋转，在钢丝两端由于层流性质的炉渣的内摩擦力而产生一个扭角φ，在角速度一定的情况下，仪器常数k可用已知标准粘度液体在一定温度下进行标定，就可计算出被测炉渣的粘度值。

对于低粘度熔体，将转子1-11放入待测液体中，转子1-11扭转过一角度后放开，转子1-11将做扭转振动，其振幅将因粘性力的作用而衰减：

所述控制显示系统5根据公式2计算低粘度熔体的粘度：

η＝a×σ(2)；

其中，a为仪器常数；σ为振幅衰减系数。振幅衰减系数是利用编码器1-5测得的振幅和周期计算得到，仪器常数a可用已知标准粘度液体在一定温度下值进行标定，就可计算出被测炉渣的粘度值。

作为优化，所述熔体宽量程复合粘度测量仪还包括弹簧管、加热炉2、升降系统3、真空及气氛控制系统4和温度控制系统6；

所述弹簧管的顶端与罩体1-1的底部密封连接；

所述测量连接杆1-8穿过弹簧管，所述转子1-11位于弹簧管的外测；

加热炉2：包括加热炉体、连接管2-13、保温罩2-7、加热体2-8和实验用坩埚2-10；

所述加热炉体包括开口向上的u形的炉壁2-15和炉盖2-14，炉盖2-14设置在炉壁2-15的上方，且与炉壁2-15的开口密封连接形成反应腔；具体实施时，炉壁2-15顶端的边缘具有向外延伸的炉壁连接耳，炉盖2-14的边缘具有向外延伸的炉盖连接耳，炉壁连接和炉盖连接耳通过螺栓连接在一起，为了更好的密封，还可以在炉壁2-15顶端和炉盖2-14之间设置密封圈。所述炉壁2-15上具有热电偶安装孔2-4、加热体导线入口2-6和气体进口2-12，炉壁2-15上还设有加热炉抽气阀2-5。

作为优化，所述炉盖2-14和炉壁2-15均为空心结构，并且炉盖2-14和炉壁2-15的空心部分连通，炉盖2-14上设有与其空心部分连通的进水口2-3和出水口。通过进水口2-3向炉盖2-14和炉壁2-15的空心部分通入冷却水，再通过水泵使冷却水循环，从而起到保护加热炉体内的作用。

所述保温罩2-7为开口向下的u形结构，其设置在反应腔内，加热体2-8设置在保温罩2-7内，实验用坩埚2-10位于加热体2-8和保温罩2-7形成的空间内，加热体2-8用于对实验用坩埚2-10进行加热。

所述保温罩2-7和保护用石墨坩埚2-9上分别具有用于固定热电偶的通孔，且该通孔与所述热电偶安装孔2-4同轴。这样热电偶的检测端即可伸入到保护用石墨坩埚2-9与实验用坩埚2-10之间，从而测量的位于实验用坩埚2-10中的待测熔体2-11的温度更加准确。

加热炉2还包括保护用石墨坩埚2-9，所述保护用石墨坩埚2-9设置在实验用坩埚2-10和加热体2-8之间。石墨坩埚在这里的作用包括使熔体的温度均匀以及防止实验用坩埚破裂造成加热炉的损坏。

所述连接管2-13的顶端与弹簧管的底端可拆卸密封连接，连接管2-13的底端依次穿过炉盖2-14和保温罩2-7的上部；连接管2-13位于炉盖2-14上方的部分从上而下依次设有测量系统抽气阀2-1和加热炉密封阀2-2。

所述实验用坩埚2-10用于盛放待测液体.

升降系统3：包括安装台3-1、第一升降杆3-2、第二升降杆3-3、加热炉安装架3-4、升降杆驱动件3-5；

所述升降杆驱动件3-6驱动第一升降杆3-3和第二升降杆3-4上下移动，第二升降杆3-4的顶端与安装台3-1固定连接，所述腔体1-8设置在安装台3-1上；

所述加热炉安装架3-5固定在升降杆驱动件3-6的外壳上，加热炉2安装在加热炉安装架3-5上，第一升降杆3-3的顶端与炉盖2-14固定连接；

第一升降杆3-3向上移动的目的打开炉盖2-14，因此第一升降杆3-3移动的位移不需要精确控制。第二升降杆3-4的移动控制着安装台3-1的位移，进而控制着宽量程复合粘度测量系统1中的转子1-11伸入到待测熔体2-11中的深度。

升降杆驱动件3-6采用现有便于驱动第一升降杆3-3和第二升降杆3-4的结构，比如可以采用如下结构：第一升降杆设置在第一升降杆套管内，且与第一升降杆套管螺纹配合，第二升降杆设置在第二升降杆套管内，且与第二升降杆套管螺纹配合，第一螺杆的顶端与第一升降杆底端连接，第二螺杆的顶端与第二升降杆底端连接，伺服电机的输出轴通过联轴器分别与第一螺杆的底端及第二螺杆的底端连接，通过控制伺服电机输出轴的转动方向实现对第一升降杆第二螺杆带动第二升降杆上下移动的控制。

真空及气氛控制系统4：包括惰性气体储存瓶、真空泵和真空控制柜；

所述惰性气体储存瓶通过气管与气体进口2-12连通，真空泵通过管道及测量系统抽气阀2-1与连接管2-13连通，实现对腔体1-8抽真空，真空泵通过管道及加热炉抽气阀2-5与反应腔连通，实现对加热炉2抽真空，真空控制柜的信号输出端与真空泵连接，实现对抽真空过程的控制；。

真空控制柜通过控制真空泵的通断和工作时间实现对抽真空过程的控制，真空控制和其对真空泵的控制均属于现有技术，不属于本发明的发明点；真空泵将腔体1-8和加热炉2抽真空，其目的是将腔体1-8和加热炉2抽的所有氧气抽出，保护为获得高温采用的石墨加热体2-8，然后再通过第二惰性气体储存瓶向腔体1-8和加热炉2通入保护气体，比如氩气，使腔体1-8的压力与加热炉2内压力相平衡。

温度控制系统6：包括热电偶和温控柜，所述热电偶通过热电偶安装孔2-4安装在炉壁2-15上，热电偶的数据输出端与温控柜连接，将所测温度信号输入温控柜，温控柜根据接收到的温度信号控制加热体2-8的加热温度；温控柜属于现有技术，其通过热电偶所测温度信号控制加热体2-8的加热温度也属于现有技术，不属于本发明的发明点，具体实施时可采用pid控制器。

控制显示系统5：包括控制器和显示设备。

所述编码器的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的位移控制信号输出端与升降杆驱动件3-6连接，真空控制柜的真空控制信号输入端与控制器的真空控制信号输出端连接，温控柜的温度信号输出端与控制器的温度信号输入端连接，温控柜的温度控制信号输入端与控制器的温度控制信号输出端连接，温控柜根据接收到的温度信号控制加热体的加热温度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。