磁约束高温熔体振荡粘度仪的研制

王春震，胡丽娜（通讯作者），商继祥，赵云波

（山东大学深圳研究院，广东 深圳 518057）

传统的振荡粘度仪已不能满足当代工业的发展需求，因此对粘度仪的研制提出了新的标准与要求。基于此，笔者从粘度仪的硬件结构以及可变磁场高温熔体粘度仪的设计两个方面对粘度仪的创新优化进行探讨。

1 粘度仪的硬件结构

新型粘度仪的硬件结构如图1所示，其工作原理为通过加热装置将坩埚中的样品加热至熔化状态，再转动步进电机驱动悬丝，坩埚和样品在力的作用下呈振荡运动。受到液体的粘滞力作用，振动力度减弱，加上悬丝上的反光镜反射入射激光，从而得出衰减率和振荡周期，最后结合公式得出样品粘度。

1.1 振荡系统

图1 新型粘度仪的硬件结构

由粘度仪的硬件结构图可知，粘度仪的上端是步进电机，悬丝一端连接在步进电机的转动轴上，另一端连接在悬杆上，将反光镜放置在悬丝和悬杆的中间，悬杆下部与坩埚相连，样品置于坩埚内，悬丝和悬杆均由金属钼制成。其熔点高，稳定性强，原子间结合力极强，高温环境下膨胀系数小，内能消耗少，能有效减小机械部分所造成的测量误差。在测量过程中，先将步进电机角度进行适当调整，当电机停止后悬丝带动悬杆和坩埚做回转振荡，在力的作用下使反射激光来回摆动。

1.2 加热和真空系统

粘度仪主要用于测量金属材质样品，由于样品熔点大多是1000℃以上，因此高温加热装置尤为关键。由上图可知，加热设备采取石墨加热体加热，并配备了相应的温度控制系统，硅酸铝保温材料和炉体内的冷却循环水能维持测量温度的恒定。除此之外，真空泵和真空计组成的真空系统也是粘度仪的主要组成部分，两者均用于在测量前对加热炉内进行真空处理，将粘度仪腔体内的真空度降到10-1Pa以下，并适量加入氮气或氩气等惰性气体，防止样品被氧化。简言之，新型粘度仪的加热温度高至1500℃，升温和降温速率提高近20℃/min，工作效率非常高。

1.3 磁场系统

在粘度仪的磁场系统中，加热炉体周围都配备有可调磁场，该设备能独立完成对磁场强度的有效调节，磁场系统分为内环和外环磁场。通常，外环磁场的下端安装有一个圆周齿轮，便于磁场移动，位置的改变也是对磁场的一种调整方式，并且圆周齿轮还与涡轮蜗杆的一端相连，转动蜗杆就能调节磁感应强度，本次研究所采用的可调磁场工作原理如图2所示。

图2 可调磁场工作原理示意图

1.4 测量系统

测量系统是粘度仪硬件结构的主要组成部分，其工作原理是通过检测反光镜反射的激光信号来计算金属熔体的粘度，图3为测量系统工作原理图。测量系统的精确度与激光信号的角度密切相关。因此，在测量前调整好反射激光角度十分必要，将激光对准接收器A，再通过振荡对反射激光进行接收器A、B间的摆动，根据路段来分别检测扫描时间，绘制出相关函数图（图4），并运用时间测量法得出第i个周期与第i+n个周期的对数衰减率，时间测量公式为：

周期为T=tAB+ tBB+ tBA+ tAA。获得相关数据资料后，将参数代入公式，即可得出粘度。

图3 测量系统工作原理图

图4 相关函数图

2 可变磁场高温熔体粘度仪的设计

2.1 可变磁场系统

可变磁场系统通过旋转两块磁体的相对位置来改变磁场强度，其最大磁感应强度为2700Gs。两组通电线圈能产生交替磁场，即水平与垂直磁场，改变线圈的电流和匝数就能实现对磁场强度的调节，根据物理学原理，样品所受总磁场的影响可随意进行调节。

2.2 测量系统

本次研究所研制出的新型粘度仪通过位置传感器来对激光信号进行检测，传感器是一种感光元件，是一种连非分割型器件，其能克服分辨率受敏感单元尺寸影响的缺陷。简言之，与其它光电位置探测器相比，这种测量系统（结构如图5所示）的分辨率高，反应速度快，并且对光源以及光学系统的要求较低，精确度高，能有效节约检测时间，具有广阔的应用前景。

图5 测量系统结构示意图

2.3 振荡系统

由上文可知，本次研究的新型粘度仪是采取降下加热炉体来更换样品，振荡系统静止后，适当调节反射激光，再升温测量。在粘度仪上端放置1块中心板，并在下端增加减震装置，使得振荡系统的稳定性与垂直度得到保证，提升测量精确度。粘度仪上端的旋转导入器能在真空中对样品进行准确旋转驱动。该装置操作灵活精确，可靠性强。

2.4 加热和真空系统

本设计以石墨加热体为加热原料，将样品放于坩埚，再将套筒悬挂在悬杆上。冷凝管的设计使样品温度保持恒定，同时无需使用套筒，减小了温度测量的误差。

新型粘度仪的密封性强，测量精确度高，并且使用了机械泵和分子泵来提升真空度，在加热炉底端放置易与氧气反应金属的坩埚，降低样品氧化的程度，提高了测量精度。

2.5 新设计粘度仪

新设计粘度仪操作流程的操作流程主要分为两大步骤，即空测与实测。

（1）空测。首先，调节振荡系统，记录反射激光的照射角度偏差。其次，合理安排步进电机的转动，并记录激光在位置，灵敏探测器上的位置与时间，将数据进行转换后再进行数据处理。最后，对所记录的有效信息进行处理后，便得到空测时的对数衰减率和振荡周期，最后保存结果。

（2）实测。首先，将样品放于坩埚中，调节振荡系统，记录反射激光的照射角度偏差。其次，升上电阻炉，将容器密闭好，并对其进行真空处理，待其达到10-3Pa后再关闭真空泵，向粘度仪内部通入惰性气体，防止发生反应。第三，升高温度，待温度达到要求后，再打开电阻炉加热样品，并保温半小时。第四，步进电机的转动，并记录激光在位置灵敏探测器上的位置与时间，将数据进行转换后再进行处理。第五，对所记录的有效信息进行处理后，便得到空测时的对数衰减率和振荡周期，然后保存结果。最后，读取空测结果，代入计算，得出结果。

3 结语

总而言之，新型粘度仪精确度高，工作效率优良，并且该设备的最高测量温度可提高到1500℃，适用于多种样品类型，能精确测量出高熔点金属的粘度，节省了实验时间与成本，并且提高了测量工作效率与质量。