基于多種傳感器的奧氏粘度計輔助儀器設計

作者/洪銳、蔡卓、韋相忠（通訊作者），廣西中醫藥大學 藥學院數理教研室

基于多種傳感器的奧氏粘度計輔助儀器設計

作者/洪銳、蔡卓、韋相忠（通訊作者），廣西中醫藥大學 藥學院數理教研室

本文提出了一種奧氏粘度計輔助儀器設計。這種輔助儀器使用溫度傳感器測量實驗環境溫度，使用光纖液位傳感器檢測奧氏粘度計中液位，并使用觸摸傳感器控制輔助儀器的工作過程。輔助儀器中微控制器完成整個系統的控制和相關參數顯示功能。

傳感器；奧氏粘度計；微控制器；液位；溫度

引言

粘度是粘性流體一個重要參數，在醫用物理實驗中一般使用奧氏粘度計來對粘性流體的粘度進行測量。傳統使用奧氏粘度計測量粘度的實驗方案中，溫度測量和細管液位檢測都有可以改進的方面。本文采用相應傳感器結合微控制器設計了一種輔助儀器，可以在實驗時配合奧氏粘度計使用，以提高實驗操作的便捷性和安全性。

1.奧氏粘度計測量液體粘度的實驗原理和步驟

根據泊肅葉定律，可以推導出奧氏粘度計粘度計算公式[1]如下：

實驗中，使用裝滿水的水槽模擬恒溫環境，需要對水槽中水的溫度進行測量，再查找相應表格得到蒸餾水密度、蒸餾水粘度和待測液體密度三個物理量。接著前后分別量取等體積量蒸餾水和待測液體，測量時間量。實驗主要操作步驟如下：

（1）先量取10ml蒸餾水倒入粘度計，用洗耳球從粘度計粗管端壓氣，將細管液面抬高到上刻度線m之上，然后讓液面自由下降。實驗者觀察細管液面位置，當細管凹液面最低點到達上刻度線m，用秒表開始計時；當凹液面最低點到達下刻度線n，停止計時，即得到 數據。重復三次以上操作，得到三個數據。

（2）倒出管內蒸餾水，換用10ml待測液體，將步驟1中測量操作重復三次，得到三個數據。

（3）用水銀溫度計測量水槽水溫T。

（4）數據處理并計算待測液體粘度。

2.奧氏粘度計實驗方案可以改進的方面

從上面實驗步驟可以看出，步驟1和步驟2中需要實驗者觀察細管凹液面最低點位置是否與刻度線齊平；如果齊平的話，接下來需要實驗者立即按下秒表的按柄來控制秒表計時的開始或者結束。中間操作過程不算便捷，而且受不同實驗者主觀因素影響較大，也容易引起較大誤差。可以考慮使用光纖傳感器來代替肉眼檢測細管中液位位置，使用以微控制器為中心的電路[2]來實現計時。

步驟3中使用水銀溫度計對水槽的水溫進行測量，如果實驗者操作不慎將水銀溫度計打碎，溢出的水銀將對實驗環境造成污染。因此考慮使用溫度傳感器來測量水槽中水溫。

3.輔助儀器方案設計

基于上面對實驗儀器改進的考慮，可以選用相應傳感器并結合微控制器設計輔助儀器，使得奧氏粘度計測量液體粘度的實驗更便捷更安全。輔助儀器方案設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。

■3.1 硬件設計

輔助儀器系統框圖如圖1所示。

圖1 輔助儀器系統框圖

輔助儀器硬件電路以STC89C52微控制器為中心，液位傳感器采用光纖傳感器模塊，溫度傳感器使用DS18B20數字溫度傳感器，顯示部分選用1602液晶顯示模塊，觸摸傳感器模塊代替按鈕用于輔助儀器測量啟動控制。觸摸傳感器模塊是一個基于觸摸檢測芯片（TTP223B）的電容式點動型觸摸開關模塊。常態下，觸摸傳感器模塊輸出低電平；當用手指觸摸相應位置時，觸摸傳感器模塊會輸出高電平。觸摸傳感器模塊由輔助儀器主電路供電，其輸出信號管腳直接連接到微控制器數字輸入輸出引腳。

使用輔助儀器工作時，DS18B20數字溫度傳感器管腳密封后浸入水槽水中，奧氏粘度計細管球泡上下各固定安裝一個光纖傳感器，上下兩個光纖傳感器再通過連接線與微控制器主電路相連。

■3.2 軟件設計

軟件設計部分主要是微控制器程序設計，軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

實驗操作時，奧氏粘度計中裝入10ml液體后，實驗者用洗耳球從粗管端壓氣使細管端液面抬升到細管球泡上方光纖傳感器上沿，然后抽離洗耳球讓細管液面自由下降，緊接著實驗者手指觸碰觸摸傳感器，讓輔助儀器進入工作狀態。

DS18B20數字溫度傳感器采集得到溫度數據經過連接線傳輸給STC89C52微控制器，微控制器處理后在1602液晶顯示模塊上將溫度值顯示出來[3]。顯示的溫度值以攝氏度為單位，按照實驗要求只需要精確到個位數即可。當上方光纖傳感器檢測到細管液面時，上方光纖傳感器發送一個指示信號到微控制器，輔助儀器開始計時；過一段時間后，當下方光纖傳感器檢測到細管液面時，下方光纖傳感器發送一個指示信號到微控制器，輔助儀器停止計時。記錄的時間差值隨后在1602液晶顯示模塊上顯示出來。

4.結束語

本文設計了一種奧氏粘度計的輔助儀器，可以在奧氏粘度計實驗教學時作為輔助儀器使用。增加輔助儀器后，使用奧氏粘度計測量液體粘度時，在中間過程無需人工做過多干預，并且可以幫助實驗者便捷地獲取和記錄實驗原始數據。

＊ [1]章新友,侯俊玲.物理學實驗.中國中醫藥出版社.2012.

＊ [2]劉瀛,寧海,王貴和.基于STC89C52的膠囊非接觸在線檢測系統.遼東學院學報(自然科學版),2016,23(1):27—31

＊ [3]張越,張炎,趙延軍等.基于DS18B20溫度傳感器的數字溫度計.微電學,2007,37(5):709—716