CN109459347A - 用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置 - Google Patents

用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置 Download PDF

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张攀
张海飞
史玮强
张婧
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Abstract

本发明提供一种用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，包括自动控温系统、测温电桥、自动计时系统及计算机控制平台；自动控温系统包括恒温槽；测温电桥与恒温槽连接，用于监控恒温槽的温度均匀性和波动性，并将数据传输至计算机控制平台；自动计时系统用于监控恒温槽中被测液体在毛细管粘度计计时球流出的时间，并将时间数据传输至计算机控制平台；计算机控制平台将接收到的测温电桥输出数据反馈至自动控温系统并根据接收到的时间数据实现标准粘度液定值及粘度计的检定校准。实现粘度液的精确检定/校准以及粘度定值，防止出现热式车时因粘度太低及太高带来的一系列问题，从而对凝胶推进剂展开研究。

Description

用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置
技术领域
本发明涉及一种用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置。
背景技术
在航天领域中，掌握和利用凝胶推进剂的流变性能是研制凝胶火箭发动机的关键环节。流变性能是凝胶推进剂的主要性能，也是最难控制的性能之一。凝胶推进剂发动机能否大幅度灵活地调节推力，实现多次启动，能否在脉冲工况下大范围地改变工作时间、冲量及工况转换的时间间隔，都与凝胶推进剂的流变性能紧密相关。通常以表观粘度、屈服应力等作为凝胶推进剂流变性能的表征参数。粘度作为凝胶推进剂流变性能的一项特殊指标，对火箭发动机工作性能能够产生重要影响，必然对发动机结构设计和试验系统产生制约作用。
筛选粘度合适，性能稳定的凝胶体系也是凝结胶发动机研制过程中的重要组成部分，利用热式车实验可以筛选出较优性能的凝胶体系，不同粘度配方的凝胶推进剂产生不同的燃烧效果。凝胶推进剂粘度随凝胶剂含量的增加而增加，粘度太低则凝胶推进剂易流动、泄露及分层，不利于贮存和运输，粘度太高则会使头腔和雾化室压力增大，产生爆炸危险。因此亟需对粘度液进行检定及定值，防止出现上述问题。
现有的检定过程中因恒温槽的温度稳定性、准确性及均匀性易受外部环境的影响，导致检定结果精确度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，实现粘度液的精确检定/校准以及粘度定值，防止出现热式车时因粘度太低及太高带来的一系列问题，从而对凝胶推进剂展开研究。
本发明的技术解决方案是提供一种用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特殊之处在于：包括自动控温系统、测温电桥、自动计时系统及计算机控制平台；
上述自动控温系统包括恒温槽；
上述测温电桥与恒温槽连接，用于监控恒温槽的温度均匀性和波动性，并将数据传输至计算机控制平台；
上述自动计时系统用于监控恒温槽中被测液体在毛细管粘度计计时球流出的时间，并将时间数据传输至计算机控制平台；
上述计算机控制平台将接收到的测温电桥输出数据反馈至自动控温系统并根据接收到的时间数据实现标准粘度液定值及粘度计的检定校准。本发明不涉及计算机控制平台的改进，计算机中的数据处理都是依据现有的技术进行。
进一步地，上述自动计时系统包括工业相机、图像采集卡及图像处理系统，所述工业相机输出端依次接图像采集卡及图像处理系统。工业相机对毛细管粘度计中的液体进行连续拍摄，图像采集卡采集拍摄的图像，图像处理系统对图像进行预处理、识别区域定位、突变识别，最终计算时间间隔。该图像处理过程依据现有技术中的图像处理过程完成。
进一步地，工业相机采用模仿人眼的工业摄像机，该种方法完全模拟人工操作，不会引入其他影响量，而且计时重复性优于人工计时。
进一步地，上述恒温槽包括槽体、温度控制器、温度传感器、加热制系统及搅拌循环装置；
上述槽体内部固定设置搅拌桶，搅拌桶上开有流体入口及流体出口，上述流体入口的高度高于流体出口的高度；
上述槽体底端设有分流栅板；分流栅板的水平安装高度高于搅拌桶流体出口的高度；搅拌桶外壁与栅板围成的空间为槽体工作区，搅拌桶内的流体通过流体出口、分流栅板进入槽体工作区；槽体工作区的流体通过流体入口进入搅拌桶；
上述温度传感器固定在槽体工作区；
上述计算机控制平台将接收到的测温电桥输出数据反馈至温度控制器；所述温度控制器的输入端与输出端分别与温度传感器及加热制冷系统连接；
上述加热制冷系统及搅拌循环装置固定在搅拌桶内。
将加热制冷系统放在恒温槽工作区隔壁的混合区(即搅拌桶内)，冷热介质在混合区中在搅拌器的作用下混合，混合区底部为冷热介质混合流体出口，热量通过这个出口进入恒温槽工作区，通过工作区底部的分流栅，使充分混合的流体介质均匀流过工作区，消除水平和垂直的温度梯度。
进一步地，为了减小分流栅板上过流通孔的介质压力对流量的影响，本发明将分流栅板上流通孔的直径设计为：分流栅板上流通孔的直径随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大，保证恒温槽具有更好的温度均匀性。
进一步地，为了便于检定/校准过程的监测，满足用工业相机完成对整个检定/校准过程的监测要求，上述槽体为立方体，前后侧壁采用钢化玻璃；
进一步地，为了保证工作区内介质的温度稳定和均匀，所述搅拌桶的纵轴与槽体底部垂直，在搅拌推动下，工作介质在搅拌桶内自上而下流动。
进一步地，所述搅拌桶为两个，分别位于槽体的相对两侧。
进一步地，上述加热制冷系统包括相互独立的加热系统及冷却系统，加热系统包括加热器，冷却系统包括制冷压缩机与冷却盘管，加热器与冷却盘管位于搅拌桶内，制冷压缩机位于槽体外部。
进一步地，上述搅拌装置为机械搅拌，搅拌轴与搅拌桶纵轴重合。
进一步地，搅拌器转速1250r/min，既不会引起震荡，影响粘度计垂直度，也可以使工作区温度尽快均匀稳定下来。
进一步地，进一步地，为了准确读取黏度计测量数值和精确调节黏度计垂直度，还包括设置在槽体后壁外侧的背光板及槽体后方的发光区；对光源要求：(1)热辐射量低，以便尽量减少光源热辐射量对工作室温度影响。(2)发光均匀，减少读数视觉误差。
发光区由42组LED组成发光矩阵，每3颗LED为一组，由12V直流开关电源供电。在恒温槽工作区后侧上中下各安装发光矩阵，在发光区对应的恒温槽后壁上安装背光板，这样可以使整个恒温槽工作区光线均匀，更适合观察毛细管黏度计中液面的状况，同时可以消除反光和折光对观察的影响。
本发明的有益效果是：
1、本发明主要实现实验室标准粘度液的定值以及工作用粘度计的检定/校准，本发明装置粘度测量范围：(20000～30000)mm2/s；粘度定值装置扩展不确定度：1％(k＝2)；控温范围：(5～50)℃；温度均匀性：±0.01℃；运行介质：凝胶模拟液或者油类，粘度测量范围广，温度均匀性好，以此设备为基础可建立国防区域最高计量标准。
2、本发明将槽体分为相互独立的工作区与混合区，搅拌在混合区进行，搅拌引起的振动不会对毛细管粘度计内液体产生振动；且加热至冷系统均位于混合区内，冷热介质在混合区中在搅拌器的作用下混合，混合区底部为冷热介质混合流体出口，热量通过这个出口进入恒温槽工作区，通过工作区底部的分流栅，使充分混合的流体介质均匀流过工作区，消除水平和垂直的温度梯度；明显提高了恒温槽整体的均匀性和稳定性。恒温槽保证了温度的均匀性与波动度的要求，结构合理可行，具有很大的推广价值。本发明主要应用于为领域的应用。
3、本发明槽体底端的分流栅板上流通孔的直径随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大，由搅拌器推动的介质从搅拌筒下端通过分流栅板进入恒温工作区域，根据与搅拌桶之间的距离调整流通孔的大小，使得通过各流通孔的介质压力相同，对搅拌器推动的介质进行均匀有效分流，从而可以更好地保证恒温槽工作区域温度的均匀性。
4、槽体设计为立方体，能够满足同时检定/校准6根工作毛细管粘度计，而且需要用工业相机完成对整个检定/校准过程的监测的要求。
5、本发明采用基于神经网络的模糊自适应PID温度控制器，既有神经网络控制的自学习能力和大规模并行处理能力，又具有模糊控制灵活、适用性强的优点，还具有PID控制精度高的特点，并且能实现PID参数的在线自调整功能；
附图说明
图1为本发明装置结构框图；
图2为本发明自动计时系统框图；
图3为恒温槽槽体结构温场示意图；
图中：1-温度传感器，2-搅拌桶，3-加热器，4-冷却盘管，5-搅拌装置，9-槽体，8-流体出口；
图4为工作介质循环方向示意图；
6-分流栅板，7-流体入口；
图5为槽体底端分流栅板示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步地描述。
本发明通过自动控温系统建立工作恒温环境，利用自动计时系统实现检定/校准过程以及粘度定值的自动化。
从图1可以看出，本实施例装置由自动控温系统、测温电桥、自动计时系统和计算机控制平台组成。测温电桥用于监控自动控温系统中恒温槽的温度均匀性和波动性，并将数据传输至计算机控制平台，作为自动控温的数据参考；自动计时系统用于监控恒温槽中被测液体在毛细管粘度计计时球流出的时间，时间数据将被传输至计算机控制平台，在计算机中进行处理。本发明不涉及对计算机处理过程的改进，数据处理都是依据现有技术进行，计算机控制平台根据接收的数据实现标准粘度液定值及粘度计的检定校准。
从图2可以看出，本发明自动计时系统主要包括三个部分：CCD高速工业相机、图像采集卡和图像处理系统组成。目前，国内外自动毛细管粘度计计时自动化的实现，一般采用光敏、热敏、电磁等方法来检测液面经过毛细管粘度计计时球上下“标线”的情况。经过分析，红外光源、光敏接收元件组合以及热敏检测，都存在着在检测过程中对毛细管粘度计中液体进行升温的状况，容易造成毛细管粘度计中液体温度与实际恒温槽中温度存在温差，引入测量误差；电磁检测方法容易对液体在毛细管中流速产生影响，从而影响计时的准确性。本发明采用模仿人眼的工业摄像机来实现对毛细管粘度计中粘度液流动状态的监测。该种方法完全模拟人工操作，不会引入其他影响量，而且计时重复性优于人工计时。CCD高速工业相机对毛细管粘度计中的液体进行连续拍摄，图像采集卡采集拍摄的图像，图像处理系统对图像进行预处理及突变识别，获得粘度液流经计时球上下“标线”时间间隔，并将该时间数据传输至计算机控制平台进行处理。本发明图像处理过程都是依据现有技术进行。最终完成技术指标：计时分度值：≤0.01s；计时最大允许误差：≤±0.05％。
本实施例采用相对测量法实现粘度液定值，将一定量粘度液准确装入标准粘度计中，将粘度计置于恒温槽中恒温一定时间，将粘度液吸到计标线以上，记录粘度液在重力作用下流经粘度计计时球上下“标线”时间间隔。每种粘度液需用两支标准粘度计定值。根据ν＝Ct计算粘度液的运动粘度。
式中：ν—粘度液的运动粘度，mm2/s；
C—粘度计常数，mm2/s2；
t—粘度液流经粘度计的计时球上下标线所需要的时间，s。
本实施例采用相对测量实现粘度计校准，将一定量标准粘度液准确装入粘度计中，将粘度计置于恒温槽中恒温一定时间，将标准粘度液吸到计标线以上，记录粘度液在重力作用下流经毛细管所需时间。每种粘度计需用两种不同粘度的标准粘度液定值。根据ν＝Ct计算粘度计常数。
式中：ν—粘度液的运动粘度，mm2/s；
C—粘度计常数，mm2/s2；
t—粘度液流经粘度计的计时球上下标线所需要的时间，s。
从图3可以看出，本实施例中自动控温系统包括恒温槽，恒温槽主要由槽体9、温度传感器1、加热制冷系统、搅拌循环装置、背光光源等主要部分组成。
目前，温度控制的方法主要有标准PID控制、改进型PID控制、智能型PID控制、模糊控制以及神经网络控制等，它们各具优缺点。在实际应用中，根据具体的应用场合、不同的加热对象、不同的控制要求和控制精度，选择不同的控制方式。为了满足高精度控温的要求，恒温槽的温度控制必须采用一些其他的控制手段和方法，如智能控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。
本发明采用基于神经网络的模糊自适应PID温度控制器，该控制器综合了模糊控制、神经网络控制和PID控制各自的常数，既具备了模糊控制简单有效的控制作用以及较强的逻辑推理能力，也具备了神经网络的自适应、自学习能力，同时也具备了传统PID控制的优点。这种温度控制器抑制干扰能力强、适应性和鲁棒性好、控温精度高。该高精度PID温度控制器有效综合了模糊控制、神经网络控制和PID控制，采用折线近似方法进行线性校正，提高了温控控制的准确度。本控制器具有五位显示，0.001℃的高分辨率；为了防止负载变化时引起的温度控制紊乱，在PID的输出上附加了功率前馈控制电路；具有增强型自动演算和隔离模拟变送输出功能；具有RS232和RS485通讯接口，方便远程控制。
恒温槽槽体结构、系统的热惯性、介质的均匀受热状况、混合体良好的流动状态及整机运转可靠性，都直接影响恒温槽的恒温效果。从硬件方面考虑，恒温槽的恒温效果与槽体内部形状有关，当槽体形状为球体时，其温度最均匀，恒温效果最好。为了满足同时检定/校准6根工作毛细管粘度计，而且需要用工业相机完成对整个检定/校准过程的监测的要求，如果将恒温槽提设计为球形或圆柱体，则会大幅增加其他功能部件的协同工作的难度，经综合考量，本发明将恒温槽体设计为立方体，槽体9底端设有分流栅板6，槽体9前后侧壁部分采用10mm厚钢化玻璃，便于检定/校准过程的监测；中心点放置用作温度监控的铂电阻温度计。温度控制器根据铂电阻温度计采集的温度控制加热至冷系统，使得恒温槽工作在设定温度下。
在标准粘度液定值和毛细管粘度计检定/校准中，以观察液面经过毛细管粘度计计时球上下标线为计时起始点的判定，这就需要在整个过程中要尽量减小外界影响对毛细管粘度计内液体产生振动，以免引入过量误差。目前，在大型恒温水槽中，一般都采用制冷压缩机实现降温，而制冷压缩机在工作时必然引起振动。根据标准粘度液定值和毛细管粘度计检定/校准中的这一特点，本发明在槽体内设有两个独立的搅拌桶，将槽体9分为工作区及混合区，两个搅拌桶2分别靠近槽体9的相对两个左右侧壁设置，将加热制冷系统及搅拌装置5均设置于两个搅拌桶2内，加热制冷系统包括相互独立的加热系统及冷却系统，加热系统包括加热器3，冷却系统包括制冷压缩机与冷却盘管4，加热器3与冷却盘管4位于搅拌桶2内，制冷压缩机位于槽体9外部。本装置采用加热制冷分离处理，即将制冷作为单独工作模块分离出来，将冷液以泵流的方式引入恒温槽中，减小加热制冷过程引起的振动，对于改善恒温槽性能具有显著的作用。一般设计直接将分离的加热器和制冷蒸发器(冷源)放在恒温槽的容器内，容易产生水平和垂直的温度梯度。经分析，将混合区和工作区温场隔离，可明显提高恒温槽整体的均匀性和稳定性。将制冷系统和加热系统一起放在恒温槽工作区隔壁的混合区即搅拌桶内部，冷热介质在混合区中在搅拌器的作用下混合，混合区底部为冷热介质混合流体出口，热量通过这个出口进入恒温槽工作区，通过工作区底部的分流栅板6，使充分混合的流体介质均匀流过工作区，从而消除了水平和垂直的温度梯度。
为保证工作区内介质的温度稳定和均匀，选用侧向搅拌方案，本实施例中搅拌装置5为机械搅拌，机械搅拌装置在搅拌桶2内竖直放置。
温度场的温度升到设定恒定温度点后，达到均匀要求的时间越快越好。恒定下来的时间长短，除了与加热速度有关外，主要有搅拌速度决定，如果调整不当，很容易造成震荡或升温速度慢，从而造成上述时间过长且难以恒定下来。本实施例对搅拌速度也进行了调整，具体工作原理如下：在搅拌推动下，工作介质在混合区内自上而下流动，先经冷却盘管和加热器进行热交换，使工作介质达到某一合适温度后，由搅拌器进行强烈搅动，使温度不甚均匀的工作介质充分混合，进而推动工作介质从搅拌桶底部流体出口流出，再导流向上经过槽体底部的分流栅板进入工作区，并使介质具有一定的流速，搅拌器转速设计在1250r/min左右，既不会引起震荡，影响粘度计垂直度，也可以使工作区温度尽快均匀稳定下来。在流经工作区过程中，要求介质尽量减少与外界的热交换，这样才能保证工作区介质温度均匀，并为高质量温度控制创造良好的条件。此后介质再通过搅拌桶上的流体入口流进混合区，依次作重复的循环流动(箭头指混合体流动方向)，如图4所示。
恒温槽设定温度(即温度控制器显示温度)在接近或低于室温时，恒温槽制冷系统投入运行，它通过在槽体中冷液进口进入的冷液冷却工作介质，实现降温。为了提高介质的降温速率，制冷量分两级可调，开始降温时，可使冷液的温度较低；在恒温或下限温度附近工作时，则令冷液的温度接近恒温槽设置温度(冷液温度小于恒温槽设置温度)，这样也有利于温度稳定。在恒温时，恒温槽中冷液和加热两个部分同时工作，冷液主要提供制冷量，用于降温并最终保持所要求的低温，而加热用来提供平衡热量实现温度控制。
一般情况下，槽体底部分流栅板上均匀分布大小一致的流通孔，这种设计对于加热制冷系统放置在底部的恒温槽比较合适，它可以实现恒温槽工作区域温度的均匀性。但对于本实施例中，加热至冷系统相对位于槽体侧壁的设计来说，这种分流栅板则有明显的弊端：由搅拌器推动的工作介质从搅拌筒下端通过分流栅板进入恒温工作区域，因为分流栅板上的流通孔与搅拌筒距离不一，而造成通过流通孔的介质压力不同，整体呈现因距离由近到远，压力递减的现象，就会造成通过流通孔的恒温介质的量有很大差异，从而影响恒温工作区域的整体均匀性。
本发明为了使得恒温槽有更好的温度均匀性，对底部分流栅板进行了特殊设计。从图5可以看出，底部分流栅板6的流通孔的直径随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大，这样便可对搅拌器推动的介质进行均匀有效分流，从而可以更好地保证恒温槽工作区域温度的均匀性。

Claims (10)

1.一种用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：包括自动控温系统、测温电桥、自动计时系统及计算机控制平台；
所述自动控温系统包括恒温槽；
所述测温电桥与恒温槽连接，用于监控恒温槽的温度均匀性和波动性，并将数据传输至计算机控制平台；
所述自动计时系统用于监控恒温槽中被测液体在毛细管粘度计计时球流出的时间，并将时间数据传输至计算机控制平台；
所述计算机控制平台将接收到的测温电桥输出数据反馈至自动控温系统并根据接收到的时间数据实现标准粘度液定值及粘度计的检定校准。
2.根据权利要求1所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：所述自动计时系统包括工业相机、图像采集卡及图像处理系统，所述工业相机输出端依次接图像采集卡及图像处理系统。
3.根据权利要求2所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：工业相机采用模仿人眼的工业摄像机。
4.根据权利要求1所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：所述恒温槽包括槽体(9)、温度控制器、温度传感器(1)、加热制冷系统及搅拌装置；
所述槽体(9)内部固定设置搅拌桶(2)，搅拌桶(2)上开有流体入口(7)及流体出口(8)，所述流体入口(7)的高度高于流体出口(8)的高度；
所述槽体(9)底端设有分流栅板(6)；分流栅板(6)的水平安装高度高于搅拌桶(2)的流体出口(8)的高度；搅拌桶(2)外壁与分流栅板(6)围成的空间为槽体(9)的工作区，搅拌桶(2)内的流体通过流体出口(8)、分流栅板(6)进入槽体(9)工作区；槽体(9)工作区的流体通过流体入口(7)进入搅拌桶(2)；
所述温度传感器(1)固定在槽体(9)的工作区；
所述计算机控制平台将接收到的测温电桥输出数据反馈至温度控制器；所述温度控制器的输入端与输出端分别与温度传感器(1)及加热制冷系统连接；
所述加热制冷系统及搅拌装置(5)固定在搅拌桶(2)内。
5.根据权利要求4所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：分流栅板(6)上流通孔的直径随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大。
6.根据权利要求5所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：所述槽体(9)为立方体，前后侧壁采用钢化玻璃。
7.根据权利要求3所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：所述搅拌桶(2)为两个，分别位于槽体(9)的相对两侧；所述搅拌桶(2)的纵轴与槽体(9)底部垂直；所述温度控制器采用基于神经网络的模糊自适应PID温度控制器。
8.根据权利要求4所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：所述加热制冷系统包括相互独立的加热系统及冷却系统，所述加热系统包括加热器(3)，所述冷却系统包括制冷压缩机与冷却盘管(4)，所述加热器(3)与冷却盘管(4)位于搅拌桶(2)内，制冷压缩机位于槽体(9)外部。
9.根据权利要求8所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：所述搅拌装置(5)为机械搅拌，搅拌轴与搅拌桶纵轴重合。
10.根据权利要求9所述的用于标准粘度液的定值及工作用粘度计的检定/校准装置，其特征在于：搅拌装置转速1250r/min；还包括设置在槽体后壁外侧的背光板及槽体后方的发光区。
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