磁約束高溫熔體振蕩粘度儀的研制

王春震，胡麗娜（通訊作者），商繼祥，趙云波

（山東大學深圳研究院，廣東 深圳 518057）

傳統的振蕩粘度儀已不能滿足當代工業的發展需求，因此對粘度儀的研制提出了新的標準與要求。基于此，筆者從粘度儀的硬件結構以及可變磁場高溫熔體粘度儀的設計兩個方面對粘度儀的創新優化進行探討。

1 粘度儀的硬件結構

新型粘度儀的硬件結構如圖1所示，其工作原理為通過加熱裝置將坩堝中的樣品加熱至熔化狀態，再轉動步進電機驅動懸絲，坩堝和樣品在力的作用下呈振蕩運動。受到液體的粘滯力作用，振動力度減弱，加上懸絲上的反光鏡反射入射激光，從而得出衰減率和振蕩周期，最后結合公式得出樣品粘度。

1.1 振蕩系統

圖1 新型粘度儀的硬件結構

由粘度儀的硬件結構圖可知，粘度儀的上端是步進電機，懸絲一端連接在步進電機的轉動軸上，另一端連接在懸桿上，將反光鏡放置在懸絲和懸桿的中間，懸桿下部與坩堝相連，樣品置于坩堝內，懸絲和懸桿均由金屬鉬制成。其熔點高，穩定性強，原子間結合力極強，高溫環境下膨脹系數小，內能消耗少，能有效減小機械部分所造成的測量誤差。在測量過程中，先將步進電機角度進行適當調整，當電機停止后懸絲帶動懸桿和坩堝做回轉振蕩，在力的作用下使反射激光來回擺動。

1.2 加熱和真空系統

粘度儀主要用于測量金屬材質樣品，由于樣品熔點大多是1000℃以上，因此高溫加熱裝置尤為關鍵。由上圖可知，加熱設備采取石墨加熱體加熱，并配備了相應的溫度控制系統，硅酸鋁保溫材料和爐體內的冷卻循環水能維持測量溫度的恒定。除此之外，真空泵和真空計組成的真空系統也是粘度儀的主要組成部分，兩者均用于在測量前對加熱爐內進行真空處理，將粘度儀腔體內的真空度降到10-1Pa以下，并適量加入氮氣或氬氣等惰性氣體，防止樣品被氧化。簡言之，新型粘度儀的加熱溫度高至1500℃，升溫和降溫速率提高近20℃/min，工作效率非常高。

1.3 磁場系統

在粘度儀的磁場系統中，加熱爐體周圍都配備有可調磁場，該設備能獨立完成對磁場強度的有效調節，磁場系統分為內環和外環磁場。通常，外環磁場的下端安裝有一個圓周齒輪，便于磁場移動，位置的改變也是對磁場的一種調整方式，并且圓周齒輪還與渦輪蝸桿的一端相連，轉動蝸桿就能調節磁感應強度，本次研究所采用的可調磁場工作原理如圖2所示。

圖2 可調磁場工作原理示意圖

1.4 測量系統

測量系統是粘度儀硬件結構的主要組成部分，其工作原理是通過檢測反光鏡反射的激光信號來計算金屬熔體的粘度，圖3為測量系統工作原理圖。測量系統的精確度與激光信號的角度密切相關。因此，在測量前調整好反射激光角度十分必要，將激光對準接收器A，再通過振蕩對反射激光進行接收器A、B間的擺動，根據路段來分別檢測掃描時間，繪制出相關函數圖（圖4），并運用時間測量法得出第i個周期與第i+n個周期的對數衰減率，時間測量公式為：

周期為T=tAB+ tBB+ tBA+ tAA。獲得相關數據資料后，將參數代入公式，即可得出粘度。

圖3 測量系統工作原理圖

圖4 相關函數圖

2 可變磁場高溫熔體粘度儀的設計

2.1 可變磁場系統

可變磁場系統通過旋轉兩塊磁體的相對位置來改變磁場強度，其最大磁感應強度為2700Gs。兩組通電線圈能產生交替磁場，即水平與垂直磁場，改變線圈的電流和匝數就能實現對磁場強度的調節，根據物理學原理，樣品所受總磁場的影響可隨意進行調節。

2.2 測量系統

本次研究所研制出的新型粘度儀通過位置傳感器來對激光信號進行檢測，傳感器是一種感光元件，是一種連非分割型器件，其能克服分辨率受敏感單元尺寸影響的缺陷。簡言之，與其它光電位置探測器相比，這種測量系統（結構如圖5所示）的分辨率高，反應速度快，并且對光源以及光學系統的要求較低，精確度高，能有效節約檢測時間，具有廣闊的應用前景。

圖5 測量系統結構示意圖

2.3 振蕩系統

由上文可知，本次研究的新型粘度儀是采取降下加熱爐體來更換樣品，振蕩系統靜止后，適當調節反射激光，再升溫測量。在粘度儀上端放置1塊中心板，并在下端增加減震裝置，使得振蕩系統的穩定性與垂直度得到保證，提升測量精確度。粘度儀上端的旋轉導入器能在真空中對樣品進行準確旋轉驅動。該裝置操作靈活精確，可靠性強。

2.4 加熱和真空系統

本設計以石墨加熱體為加熱原料，將樣品放于坩堝，再將套筒懸掛在懸桿上。冷凝管的設計使樣品溫度保持恒定，同時無需使用套筒，減小了溫度測量的誤差。

新型粘度儀的密封性強，測量精確度高，并且使用了機械泵和分子泵來提升真空度，在加熱爐底端放置易與氧氣反應金屬的坩堝，降低樣品氧化的程度，提高了測量精度。

2.5 新設計粘度儀

新設計粘度儀操作流程的操作流程主要分為兩大步驟，即空測與實測。

（1）空測。首先，調節振蕩系統，記錄反射激光的照射角度偏差。其次，合理安排步進電機的轉動，并記錄激光在位置，靈敏探測器上的位置與時間，將數據進行轉換后再進行數據處理。最后，對所記錄的有效信息進行處理后，便得到空測時的對數衰減率和振蕩周期，最后保存結果。

（2）實測。首先，將樣品放于坩堝中，調節振蕩系統，記錄反射激光的照射角度偏差。其次，升上電阻爐，將容器密閉好，并對其進行真空處理，待其達到10-3Pa后再關閉真空泵，向粘度儀內部通入惰性氣體，防止發生反應。第三，升高溫度，待溫度達到要求后，再打開電阻爐加熱樣品，并保溫半小時。第四，步進電機的轉動，并記錄激光在位置靈敏探測器上的位置與時間，將數據進行轉換后再進行處理。第五，對所記錄的有效信息進行處理后，便得到空測時的對數衰減率和振蕩周期，然后保存結果。最后，讀取空測結果，代入計算，得出結果。

3 結語

總而言之，新型粘度儀精確度高，工作效率優良，并且該設備的最高測量溫度可提高到1500℃，適用于多種樣品類型，能精確測量出高熔點金屬的粘度，節省了實驗時間與成本，并且提高了測量工作效率與質量。