流出杯式粘度計自動檢定裝置的探究

郭盛洪

（廣州計量檢測技術研究院，510000）

0 引言

流出杯式粘度計是世界上涂料生產過程中使用最為平常的流出杯型粘度計，它的優點在于：價格不高，使用方便快捷。其設計和工作原理都是利用粘液試樣本身重力而產生流動，通常以一定量的試樣在一定溫度下從粘度杯流出的時間來表示，以秒作單位。然后根據相關的操作原理，可將試樣的流出時間（s）通過特性曲線換算成運動粘度值mm2/ s。它是在毛細管粘度計基礎上進行改進而來的。

國際上常用的流出杯粘度計的外形、型號規格不統一。如：美國使用Ford 杯、Say Bolt 粘度計；英國則青睞BS 杯、Red-wood 粘度計，以及Zahn 杯、Shell 杯等；德國的DIN 杯、Engler 粘度計；日本的巖田杯；法國則使用Afnor 杯、Barbey 粘度計；國際標準化組織則推薦使用ISO 流出杯，而我國使用的卻是涂-1杯和涂-4杯[1]。

雖然流出杯式粘度計廣泛地應用于世界各國的石油、化工等行業，但被認為方法簡單，對其測量過程中產生的各種誤差只是進行計算評價，卻沒有對其進行分析研究，且對其采用自動化控制的相關研究卻不多見；而且，在對于流出杯式粘度計大量的計量檢測過程工作當中，也存在不同的技術機構、不同的技術人員對于同一個流出杯式粘度計有不同的檢測結果，這嚴重影響計量檢測機構的公信力。

在流出杯粘度計的檢測或使用過程中，對最終結果產生的影響的因素有：溫度、裝液量和人的神經反應動作時間。這都是引起流出杯粘度計粘液試樣流出時間的重要因素。溫度和裝液量這兩種因素都已經采取恒溫、刮液面等方法降低或避免由此帶來的誤差，但人的神經反應動作時間這一因素，卻僅僅采用單人測兩種標樣、同一樣品測量兩次取其平均值作為流出時間來作為解決問題的方法。這種方法雖然科學，但不能避免該因素帶來的影響。不同的人在同一環境下，對同一現象（或動作）的反應動作時間最大可相差800毫秒，即0.8秒[9]。此外，筆者在實際檢測過程中發現，不同的檢測人員對同一流出杯粘度計的做出檢定結果也存在一定的差異。采用改進的科學嚴謹的檢測方法來降低或者消除這個因素對流出杯粘度計最終檢定結果的影響就是本研究的主要目標，且可大大提高流出杯式粘度計的計量檢測工作的效率和質量。

1 AVF 構成

AVF 由硬件和軟件兩大部分組成的，主要用于實現自動計時、實驗環境和流體、設備溫度的實時監控以及對檢測數據的分析、評判、輸出和保存等功能的一種裝置。

圖1 AVF 結構圖

如圖1 AVF 結構圖所示：AVF的硬件部分包括自動計時單元、溫度實時監測單元、單片機單元、輸出顯示單元；軟件部分包括單片機匯編軟件和計算機軟件。

AVF 系統包含單片機最小系統、溫度系統、計時系統、通訊系統和軟件系統。單片機最小系統包含電源、晶振和復位電路部分：其中電源部分產生5V的穩壓電源。

在本項目中選用的MCU 是STC89C51，光電二極管和發光二極管、電壓比較所用的LM393芯片以及通訊所用的RS-232的電路的工作電壓都是+5V，因此采用單電源方案，其優點是系統簡單且工作可靠。

溫度系統采用多端口并行驅動法將多個DS18B20數字溫度傳感器的數據線分別連接到MCU（Micro Control Unit）的不同I/O 端口，制成數字溫度計，用于測量環境、標液、杯體溫度。

計時系統的核心是光電傳感器的電路，該電路包括槽型光電傳感器和LM393比較器。利用槽型的光電傳感器開關，兩邊分別為紅外線發光二極管紅外線光敏二極管，構成一個紅外線光電傳感器。紅外線發光二極管發出平行的紅外光束，到達紅外光敏二極管。液體對紅外光線有吸收和散射的作用，當有液體流下，液體通過紅外對管間隙的瞬間，紅外線光敏二極管只能接收到部分紅外線，致光通量不足且導通能力不同程度地下降，光通量瞬變，通過LM393比較后產生一個反向電壓，把光電傳感器單元所獲得的模擬信號轉換成為單片機單元所需要的數字信號。最后輸入到單片機的外部中斷。

通訊系統實現AVF 硬件系統與軟件系統的通訊。由于硬軟之間的通訊所傳遞的無外乎是測試數據、計時、測溫相關的數據和一些簡單的自定義指令，數據量相對較小，適宜采用串行口通訊方式。每塊MCU 都會配有一對以上串行口，而PC 通常也有；且串行口通訊配置簡單，編程容易。采用串行口通訊方式具有很好的有效性、實用性和較高的性價比。考慮到目前手提電腦很少配備RS-232的輸入COM 口，因此，在AVF 硬件系統中，采用串轉USB方式，即USB-RS-232進行連接。

AVF的軟件系統包含：單片機（MCU 端）和計算機（PC 端）兩大塊。由于AVF的硬件系統中的子系統包含有：MCU 最小系統、溫度系統、計時系統和通訊系統，因此AVF的軟件系統也就細分為：MCU模塊、溫度模塊、計時模塊和MCU與 PC的通訊模塊，而且還須有與之關聯的數據處理模塊和輸出模塊。它們之間的關系是：溫度模塊和計時模塊靠MCU模塊指令確認驅動或待驅動，所得數據傳輸給PC 軟件分析處理后存儲在數據庫，并顯示在PC 端的操作界面或輸出打印。同時，PC 主程序再對MCU 端發出下一步動作的指令。具體如圖4所示。

圖4 AVF軟件系統示意圖

AVF 軟件系統用Visual C++進行編程。PC 主程序涵蓋了軟硬通訊、檢測人員信息、實驗信息、數據庫管理以及軟件幫助等信息。其要點在于：軟件與硬件通訊端口的設置、數據庫中標準器和流出杯的數據的設置和維護更新，此外，實驗數據和結果的輸出是在后臺自動運行的，不需單獨控制。具體的流程圖和程序內容就不在此敷敘。AVF 實物圖如圖5所示。

通過安裝、調試和測試，對AVF的測試結果進行不確定度分析和對比，AVF 在測量重復性產生的標準不確定分量是未使用AVF的1/10；AVF的總擴展不確定度U95是原來的1/12。可見AVF 能夠消除由于人為因素（如視覺反應和掐表動作）對在流出杯式粘度計的檢測產生的誤差。

2 研究結果

AVF 消除了神經反應時間和動作時間等人為因素對流出杯式粘度計檢測過程產生的誤差。高精度的DS18B20結合PC 軟件，組成精度較高的數字溫度計，實現對實驗溫度的自動實時監控。數據記錄和數據分析處理的自動化，令該項檢測工作更為準確、高效。調整和優化AVF 可擴展其適用范疇。

雖然AVF 能夠正常地對流出杯式粘度計進行檢測工作，但在實際操作過程中，還是出現了兩個問題：計時結束后，杯內殘液容易滴到光電傳感器上，使得其會發生誤判或失效，計時功能會發生錯誤；未能對個別計時方法特別的流出杯式粘度計進行檢測。筆者將對其進行相應的改進。

[1]虞瑩瑩.涂料粘度的測定——流出杯法[J].化工標準.計量.質量，2005.02.