基于多種傳感器的奧氏粘度計(jì)輔助儀器設(shè)計(jì)

作者/洪銳、蔡卓、韋相忠（通訊作者），廣西中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院數(shù)理教研室

基于多種傳感器的奧氏粘度計(jì)輔助儀器設(shè)計(jì)

作者/洪銳、蔡卓、韋相忠（通訊作者），廣西中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院數(shù)理教研室

本文提出了一種奧氏粘度計(jì)輔助儀器設(shè)計(jì)。這種輔助儀器使用溫度傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度，使用光纖液位傳感器檢測(cè)奧氏粘度計(jì)中液位，并使用觸摸傳感器控制輔助儀器的工作過(guò)程。輔助儀器中微控制器完成整個(gè)系統(tǒng)的控制和相關(guān)參數(shù)顯示功能。

傳感器；奧氏粘度計(jì)；微控制器；液位；溫度

引言

粘度是粘性流體一個(gè)重要參數(shù)，在醫(yī)用物理實(shí)驗(yàn)中一般使用奧氏粘度計(jì)來(lái)對(duì)粘性流體的粘度進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)使用奧氏粘度計(jì)測(cè)量粘度的實(shí)驗(yàn)方案中，溫度測(cè)量和細(xì)管液位檢測(cè)都有可以改進(jìn)的方面。本文采用相應(yīng)傳感器結(jié)合微控制器設(shè)計(jì)了一種輔助儀器，可以在實(shí)驗(yàn)時(shí)配合奧氏粘度計(jì)使用，以提高實(shí)驗(yàn)操作的便捷性和安全性。

1.奧氏粘度計(jì)測(cè)量液體粘度的實(shí)驗(yàn)原理和步驟

根據(jù)泊肅葉定律，可以推導(dǎo)出奧氏粘度計(jì)粘度計(jì)算公式[1]如下：

實(shí)驗(yàn)中，使用裝滿水的水槽模擬恒溫環(huán)境，需要對(duì)水槽中水的溫度進(jìn)行測(cè)量，再查找相應(yīng)表格得到蒸餾水密度、蒸餾水粘度和待測(cè)液體密度三個(gè)物理量。接著前后分別量取等體積量蒸餾水和待測(cè)液體，測(cè)量時(shí)間量。實(shí)驗(yàn)主要操作步驟如下：

（1）先量取10ml蒸餾水倒入粘度計(jì)，用洗耳球從粘度計(jì)粗管端壓氣，將細(xì)管液面抬高到上刻度線m之上，然后讓液面自由下降。實(shí)驗(yàn)者觀察細(xì)管液面位置，當(dāng)細(xì)管凹液面最低點(diǎn)到達(dá)上刻度線m，用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)凹液面最低點(diǎn)到達(dá)下刻度線n，停止計(jì)時(shí)，即得到 數(shù)據(jù)。重復(fù)三次以上操作，得到三個(gè)數(shù)據(jù)。

（2）倒出管內(nèi)蒸餾水，換用10ml待測(cè)液體，將步驟1中測(cè)量操作重復(fù)三次，得到三個(gè)數(shù)據(jù)。

（3）用水銀溫度計(jì)測(cè)量水槽水溫T。

（4）數(shù)據(jù)處理并計(jì)算待測(cè)液體粘度。

2.奧氏粘度計(jì)實(shí)驗(yàn)方案可以改進(jìn)的方面

從上面實(shí)驗(yàn)步驟可以看出，步驟1和步驟2中需要實(shí)驗(yàn)者觀察細(xì)管凹液面最低點(diǎn)位置是否與刻度線齊平；如果齊平的話，接下來(lái)需要實(shí)驗(yàn)者立即按下秒表的按柄來(lái)控制秒表計(jì)時(shí)的開(kāi)始或者結(jié)束。中間操作過(guò)程不算便捷，而且受不同實(shí)驗(yàn)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(lái)代替肉眼檢測(cè)細(xì)管中液位位置，使用以微控制器為中心的電路[2]來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)。

步驟3中使用水銀溫度計(jì)對(duì)水槽的水溫進(jìn)行測(cè)量，如果實(shí)驗(yàn)者操作不慎將水銀溫度計(jì)打碎，溢出的水銀將對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境造成污染。因此考慮使用溫度傳感器來(lái)測(cè)量水槽中水溫。

3.輔助儀器方案設(shè)計(jì)

基于上面對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)的考慮，可以選用相應(yīng)傳感器并結(jié)合微控制器設(shè)計(jì)輔助儀器，使得奧氏粘度計(jì)測(cè)量液體粘度的實(shí)驗(yàn)更便捷更安全。輔助儀器方案設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。

■3.1 硬件設(shè)計(jì)

輔助儀器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 輔助儀器系統(tǒng)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(shù)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(cè)量啟動(dòng)控制。觸摸傳感器模塊是一個(gè)基于觸摸檢測(cè)芯片（TTP223B）的電容式點(diǎn)動(dòng)型觸摸開(kāi)關(guān)模塊。常態(tài)下，觸摸傳感器模塊輸出低電平；當(dāng)用手指觸摸相應(yīng)位置時(shí)，觸摸傳感器模塊會(huì)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(hào)管腳直接連接到微控制器數(shù)字輸入輸出引腳。

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

■3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要是微控制器程序設(shè)計(jì)，軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

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

DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集得到溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(lái)[3]。顯示的溫度值以攝氏度為單位，按照實(shí)驗(yàn)要求只需要精確到個(gè)位數(shù)即可。當(dāng)上方光纖傳感器檢測(cè)到細(xì)管液面時(shí)，上方光纖傳感器發(fā)送一個(gè)指示信號(hào)到微控制器，輔助儀器開(kāi)始計(jì)時(shí)；過(guò)一段時(shí)間后，當(dāng)下方光纖傳感器檢測(cè)到細(xì)管液面時(shí)，下方光纖傳感器發(fā)送一個(gè)指示信號(hào)到微控制器，輔助儀器停止計(jì)時(shí)。記錄的時(shí)間差值隨后在1602液晶顯示模塊上顯示出來(lái)。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種奧氏粘度計(jì)的輔助儀器，可以在奧氏粘度計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)作為輔助儀器使用。增加輔助儀器后，使用奧氏粘度計(jì)測(cè)量液體粘度時(shí)，在中間過(guò)程無(wú)需人工做過(guò)多干預(yù)，并且可以幫助實(shí)驗(yàn)者便捷地獲取和記錄實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。

＊ [1]章新友,侯俊玲.物理學(xué)實(shí)驗(yàn).中國(guó)中醫(yī)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(cè)系統(tǒng).遼東學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,23(1):27—31

＊ [3]張?jiān)?張炎,趙延軍等.基于DS18B20溫度傳感器的數(shù)字溫度計(jì).微電學(xué),2007,37(5):709—716