CN102866081A - 同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置和方法 - Google Patents

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李大勇
张建雷
孙谦
马旭梁
王利华
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Abstract

同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置和方法 。有关金属熔体粘度测定方法有很多，金属熔体密度一般采用称重法和阿基米德法检测，对测试环境和测试装置均有较高要求，目前还没有一种能同步检测金属熔体粘度和密度的装置。 本产品的组成包括：真空室（ 1 ），所述的真空室与真空泵（ 2 ）、气泵（ 3 ）、取样室（ 4 ）连接，所述的真空室与压力传感器（ 5 ）连接，所述的取样室与温度传感器（ 6 ）、升降机构（ 7 ）连接，所述的真空泵、所述的气泵、所述的压力传感器、所述的温度传感器、所述的升降机构与数据采集处理系统（ 8 ）连接。 本发明用于 同步快速检测金属熔体粘度和密度。

Description

同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置和方法。
背景技术：
粘度和密度是两个非常重要的金属熔体热物性参数，准确测量粘度、密度可有效控制生产过程及产品质量。同步快速检测熔体粘度和密度不仅可以大大缩短检测周期，而且可以降低检测成本。
有关金属熔体粘度测定方法有很多,较为典型的有毛细管法、扭摆振动法、落球法、柱体旋转法等。由于这些方法的测试装置多大需要采集熔体自然流动时间、悬丝扭转角、落球时间及扭矩变化等微小物理量。金属熔体密度一般采用称重法和阿基米德法检测，熔体质量、体积以及浮力检测的精度对测试结果有至关重要的影响。两种方法对测试环境和测试装置均有较高要求，目前还没有一种能同步检测金属熔体粘度和密度的装置。
发明内容：
本发明的目的是在不降低测试精度的前提下，简化测试约束条件和优化检测装置结构，提供一种同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置和方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，其组成包括：真空室，所述的真空室与真空泵、气泵、取样室连接，所述的真空室装有压力传感器，所述的取样室装有温度传感器和升降机构，所述的真空泵、所述的气泵、所述的压力传感器、所述的温度传感器、所述的升降机构均与数据采集处理系统连接。
所述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，所述的真空室通过电磁阀A与所述的真空泵连接、所述的真空室通过电磁阀B与所述的气泵连接、所述的真空室通过电磁阀C与所述的取样室连接，所述的电磁阀A、所述的电磁阀B、所述的电磁阀C均与所述的数据采集处理系统连接。
所述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，所述的取样室的底部带有吸嘴，所述的取样室顶部装有隔离阀，所述的隔离阀与所述的数据采集处理系统连接。
所述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，所述的温度传感器是镍铬－镍硅热电偶或铂铑－铂热电偶，所述的镍铬－镍硅热电偶用于低熔点合金，所述的铂铑－铂热电偶用于高温合金熔体；所述的升降机构内部安装有位移传感器，所述的位移传感器是电感式位移传感器或电阻式位移传感器。
一种同步快速检测金属熔体粘度和密度的方法，该方法包括如下步骤：
（1）启动真空泵使真空室内压力达到预定真空度即0.4~0.3KPa，此时所述的真空室与取样室之间的电磁阀处于关闭状态，升降机构驱动所述的取样室下降，当温度传感器接触熔体时发出信号，所述的升降机构内的位移传感器开始记录，浸入熔体液面下8~12cm深度后，所述的升降机构停止下降，关闭所述的取样室顶部的隔离阀，此时所述的取样室内压力为1个标准大气压；
（2）瞬时打开所述的真空室与所述的取样室间的电磁阀A，使被测熔体被迅速吸入所述的取样室内，通过压力传感器实时监测所述的真空室内压强变化，当吸液过程全部完成后，所述的压力传感器测得所述的真空室内平衡气压；
（3）数据采集与处理系统利用步骤（2）所获得所述的真空室内平衡气压值计算被测熔体密度，再利用测得的所述的真空室内压强变化率和算得的熔体密度值快速计算出熔体粘度值；
（4）关闭所有阀门，打开电磁阀C并启动气泵，所述的取样室内金属熔体被排入坩埚，所述的升降机构将所述的取样室提出熔体，测试过程结束。
有益效果：
1.本发明通过测定相同负压作用下金属熔体经相同截面积入口被吸入取样室的速度不同来表征其粘度的变化，以完成吸液过程达到平衡后取样室内金属熔体上方的压强不同表征被测熔体的密度变化。因熔体吸入速度以取样室内压强变化速度表征，熔体密度以吸液过程结束气液达到平衡后取样室内静态压强表征，中间环节少，装置结构简单，无需为机械机构设置诸如减小摩擦、避免振动等保护条件。虽然熔体密度对其吸液速度（取样室液面上升速度）也会产生一定影响，但因为本发明可以准确测定取样室内静态压强而获得熔体密度参数，利用密度值补偿粘度测试结果，完全可以实现双参数高精度检测。
本发明由于通过负压吸液过程中测定吸液速度和吸液结束后测定液柱高度方法分别表征熔体粘度和密度，省略诸多机械结构和降低约束条件，从而使该测试装置具有测试速度快、测试准确度高和测试成本低。
附图说明：
附图1是本产品的结构示意图。
具体实施方式：
实施例1：
一种同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，其组成包括：真空室1，所述的真空室与真空泵2、气泵3、取样室4连接，所述的真空室装有压力传感器5，所述的取样室装有温度传感器6并与升降机构7连接，所述的真空泵、所述的气泵、所述的压力传感器、所述的温度传感器、所述的升降机构都与数据采集处理系统8连接。
实施例2：
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，所述的真空室通过电磁阀A，件号：9与所述的真空泵连接，所述的真空室通过电磁阀B，件号：10与所述的气泵连接，所述的真空室通过电磁阀C，件号：11 与所述的取样室连接，所述的电磁阀A、所述的电磁阀B、所述的电磁阀C分别与所述的数据采集处理系统连接。
实施例3：
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，所述的取样室的底部带有吸嘴12，所述的取样室顶部装有隔离阀13，所述的隔离阀与所述的数据采集处理系统连接。
实施例4：
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，所述的温度传感器是镍铬－镍硅热电偶或铂铑－铂热电偶，所述的镍铬－镍硅热电偶用于低熔点合金，所述的铂铑－铂热电偶用于高温合金熔体；所述的升降机构内部安装有位移传感器，所述的位移传感器是电感式位移传感器或电阻式位移传感器。
实施例5：
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，压力传感器实时监测真空室内的压强变化；真空泵为真空室提供要求的真空初始压强；气泵在测试结束后向真空室输入正压力，将吸入的金属熔体排入坩埚内；所述的电磁阀A、所述的电磁阀B、所述的电磁阀C可分别控制真空泵、气泵、取样室与真空室间的气路通断；隔离阀可确保取样室在测试前内部压力为1个大气压，在测试开始后与大气隔离；数据采集与处理系统包括上位机、亚当模块、电路板、开关电源等配件，可完成对微压差传感器的输出值进行分析、计算、处理以及存储等功能，同时可对真空泵、气泵、隔离阀及所述的电磁阀A、所述的电磁阀B、所述的电磁阀C进行直接控制。取样室在升降机构的驱动下浸入熔体和提出熔体，预定浸入深度（10cm左右）靠与取样室同步升降的温度传感器确定液面位置和升降机构内置的位移传感器检测行走距离综合控制，温度传感器除用作确定液面高度外，还有实时记录熔体温度之功能。
实施例6：
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，压力传感器实时监测真空室内的压强变化；真空泵为真空室提供要求的真空初始压强；气泵在测试结束后向真空室输入正压力，将吸入的金属熔体排入坩埚内；电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C可分别控制真空泵、气泵、取样室与真空室间的气路通断；隔离阀可确保取样室在测试前内部压力为1个大气压，在测试开始后与大气隔离。
实施例7：
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，数据采集与处理系统包括上位机、亚当模块、电路板、开关电源等配件，可完成对微压差传感器的输出值进行分析、计算、处理以及存储等功能，同时可对真空泵、气泵、隔离阀及电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C进行直接控制。
实施例8：
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，取样室在升降机构的驱动下浸入熔体和提出熔体，预定浸入深度（10cm左右）靠与取样室同步升降的温度传感器确定液面位置和检测行走距离，升降机构(9)内置位移传感器与温度传感器配合工作，可准确探测被测熔体液面和取样室浸入熔体深度，温度传感器除用作确定液面高度外，还有实时记录熔体温度之功能。
实施例9：
一种同步快速检测金属熔体粘度和密度的方法，该方法包括如下步骤：
（1）启动真空泵使真空室内压力达到预定真空度即0.4~0.3KPa，此时所述的真空室与取样室之间的电磁阀处于关闭状态，升降机构驱动所述的取样室下降，当温度传感器接触熔体时发出信号，所述的升降机构内的位移传感器开始记录，浸入熔体液面下8~12cm深度后，所述的升降机构停止下降，关闭所述的取样室顶部的隔离阀，此时所述的取样室内压力为1个标准大气压；
（2）瞬时打开所述的真空室与所述的取样室间的电磁阀A，使被测熔体被迅速吸入所述的取样室内，通过压力传感器实时监测所述的真空室内压强变化，当吸液过程全部完成后，所述的压力传感器测得所述的真空室内平衡气压；
（3）数据采集与处理系统利用步骤（2）所获得所述的真空室内平衡气压值计算被测熔体密度，再利用测得的所述的真空室内压强变化率和算得的熔体密度值快速计算出熔体粘度值；
（4）关闭所有阀门，打开电磁阀C并启动气泵，所述的取样室内金属熔体被排入坩埚，所述的升降机构将所述的取样室提出熔体，测试过程结束。
实施例10：
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的方法，其检测装置的工作原理是：在相同负压作用下，不同粘度的金属熔体经相同截面积的入口被吸入取样室的速度不同，且完成吸液过程达到平衡后取样室内金属熔体上方的压强会因被测熔体的密度不同而不同。因此，吸液过程中金属熔体被吸入取样室的速度可以表征金属熔体的粘度，吸液过程结束达到平衡后取样室内熔体上方的压强可以表征金属熔体的密度。
实施例:11
上述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的方法，具体工作过程是：将一个具有一定真空度的真空室与取样室通过真空阀门连接，同时真空室顶部通过隔离阀与大气相通，当取样室底部吸液口浸入金属熔体特定深度时（取样室内的气体容积也将随金属熔体液面的上升而达到特定数值），关闭取样室顶部隔离阀，打开真空室与取样室之间的真空阀，熔体被快速吸入取样室。由于粘度是表示流体内磨擦的物理量，是一层流体对另一层流体作相对运动时的阻力，所以在相同负压作用下，熔体通过相同截面积吸液口被吸入取样室的速度与液体粘度直接相关。当真空室与取样室的内部压强相等后即告吸液过程完成，此时取样室内熔体上方压强和熔体液柱静压头与坩埚熔体上方大气压强之间达到平衡，由于取样室内压强可测，只要准确测定液柱高度，即可求得熔体密度。由于熔体密度对吸液速度也有影响，所以需要测知熔体密度值之后，再利用吸液速度和密度二参数计算熔体粘度值。
对测试原理的进一步分析如下，假设取样室吸入体积为
Figure 2012103687454100002DEST_PATH_IMAGE001
的金属熔体后液面上升高度为
Figure 9106DEST_PATH_IMAGE002
，坩埚内熔体液面下降高度为
Figure 2012103687454100002DEST_PATH_IMAGE003
，取样室内金属熔体液柱高差为 ，那么
                            （1）
Figure 519033DEST_PATH_IMAGE006
                            （2）
式中：
Figure 2012103687454100002DEST_PATH_IMAGE007
——取样室内腔截面积；
Figure 445400DEST_PATH_IMAGE008
——坩埚内腔截面积；
　　由于
Figure 259773DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 82235DEST_PATH_IMAGE008
均为已知量，所以有
Figure 2012103687454100002DEST_PATH_IMAGE009
                       （3）
式中
Figure 880427DEST_PATH_IMAGE010
为常数，可由式（3）算出。
设取样室与真空室连通后初始压强为 ，取样室与真空室内气体初始总体积为 ，达到平衡后压强和体积分别为
Figure 2012103687454100002DEST_PATH_IMAGE013
和 ，则
Figure 375908DEST_PATH_IMAGE001
又可表示为
                       （4）
式中
Figure 661396DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 929566DEST_PATH_IMAGE011
是已知量，
Figure 452951DEST_PATH_IMAGE013
可实际测得。所以
Figure 164687DEST_PATH_IMAGE001
可求，再将
Figure 406312DEST_PATH_IMAGE001
代入（3）式
Figure 681436DEST_PATH_IMAGE016
                  （5）
所以
Figure 856065DEST_PATH_IMAGE004
也可求。
设标准大气压为
Figure 2012103687454100002DEST_PATH_IMAGE017
，金属熔体密度为
Figure 722390DEST_PATH_IMAGE018
，则
              （6）
（6）式变形可得
Figure 982470DEST_PATH_IMAGE020
               （7）
由此可求熔体密度。

Claims (6)

1.一种同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，其组成包括：真空室，其特征是：所述的真空室与真空泵、气泵、取样室连接，所述的真空室装有压力传感器，所述的取样室装有温度传感器和升降机构，所述的真空泵、所述的气泵、所述的压力传感器、所述的温度传感器、所述的升降机构均与数据采集处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，其特征是：所述的真空室通过电磁阀A与所述的真空泵连接、所述的真空室通过电磁阀B与所述的气泵连接、所述的真空室通过电磁阀C与所述的取样室连接，所述的电磁阀A、所述的电磁阀B、所述的电磁阀C均与所述的数据采集处理系统连接。
3.根据权利要求1或2所述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，其特征是：所述的取样室的底部带有吸嘴，所述的取样室顶部装有隔离阀，所述的隔离阀与所述的数据采集处理系统连接。
4.根据权利要求1或2所述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，其特征是：所述的温度传感器是镍铬－镍硅热电偶或铂铑－铂热电偶，所述的镍铬－镍硅热电偶用于低熔点合金，所述的铂铑－铂热电偶用于高温合金熔体；所述的升降机构内部安装有位移传感器，所述的位移传感器是电感式位移传感器或电阻式位移传感器。
5.根据权利要求3所述的同步快速检测金属熔体粘度和密度的装置，其特征是：所述的温度传感器是镍铬－镍硅热电偶或铂铑－铂热电偶，所述的镍铬－镍硅热电偶用于低熔点合金，所述的铂铑－铂热电偶用于高温合金熔体；所述的升降机构内部安装有位移传感器，所述的位移传感器是电感式位移传感器或电阻式位移传感器。
6.一种同步快速检测金属熔体粘度和密度的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
（1）启动真空泵使真空室内压力达到预定真空度即0.4~0.3KPa，此时所述的真空室与取样室之间的电磁阀处于关闭状态，升降机构驱动所述的取样室下降，当温度传感器接触熔体时发出信号，所述的升降机构内的位移传感器开始记录，浸入熔体液面下8~12cm深度后，所述的升降机构停止下降，关闭所述的取样室顶部的隔离阀，此时所述的取样室内压力为1个标准大气压；
（2）瞬时打开所述的真空室与所述的取样室间的电磁阀A，使被测熔体被迅速吸入所述的取样室内，通过压力传感器实时监测所述的真空室内压强变化，当吸液过程全部完成后，所述的压力传感器测得所述的真空室内平衡气压；
（3）数据采集与处理系统利用步骤（2）所获得所述的真空室内平衡气压值计算被测熔体密度，再利用测得的所述的真空室内压强变化率和算得的熔体密度值快速计算出熔体粘度值；
（4）关闭所有阀门，打开电磁阀C并启动气泵，所述的取样室内金属熔体被排入坩埚，所述的升降机构将所述的取样室提出熔体，测试过程结束。
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