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HBCYD-900運動粘度測定儀符合《GB265-88石油產品運動粘度測定法》、ASTM D445等標準，廣泛應用在電油、電力、化工、鐵路、科研等行業(yè)。

一.主要特點

1. 采用的單片機智能控溫，5.7寸液晶彩色觸摸屏，適時顯示儀器的溫度、時間、參數(shù)等工作狀態(tài)；

2. 的模組化技術，不論低粘度或高粘度范圍均可測量；

3. 自動計算運動粘度值與測試平均值，并自動打印和存儲測定結果；

4. 恒溫浴缸外層有機玻璃保溫罩，浴內溫度分布均勻，控溫效果好；

5. 加熱器等部件采用不銹鋼制作，耐腐耐用，環(huán)型日光燈照明，易觀察；

6. 試驗次數(shù)1-6次自由調節(jié)，可同時對兩種以上油樣進行平行試驗；

7. 毛細管計卡采用三點垂直式，操作靈活方便，夾持可靠；

二.產品參數(shù)

系統(tǒng)整體結構

石油產品運動粘度測定系統(tǒng)整體結構框圖如圖 2.1，它可分為溫度傳感器部分、信 號接收發(fā)送部分、接口信號轉換部分、計算機硬件和軟件系統(tǒng)部分、恒溫浴毛細管部分、 恒溫浴加熱部分、恒溫浴致冷部分、恒溫浴輔助電路部分，通過計算機與數(shù)字溫度控制 儀的通訊，多達 55 個參數(shù)在兩者之間相互傳輸，自熱電阻傳感器的與恒溫浴浴溫成單 值關系的電阻值被數(shù)字溫度控制儀接收，各個參數(shù)的共同努力下，調節(jié)恒溫浴的溫度。 通過計算機上自帶的數(shù)顯溫度計，我們可以更直觀的計算出流體的流動時間，從而利用 計算機算出待測液體的運動粘度值。系統(tǒng)通過在已經達到實驗條件的恒溫浴中放置若干 個經過計量檢定的毛細管，由于壓差存在于毛細管的兩端，實現(xiàn)對待測油品的粘度測量， 在計算機上，還可以通過查詢模塊尋找之前的歷史數(shù)據。該系統(tǒng)以 AVR 單片機為主控 制器，以 AT89S52 單片機為溫度控制器，在兩個單片機的共同作用下，實現(xiàn)了運動粘度 測定系統(tǒng)的自動檢測功能，同時以 Pt100 為溫度控制傳感器，將溫度的信息及時返饋給 單片機，進行溫度的補償。

A—上計時標線 B—下計時標線 1—PT100溫度傳感器 2—加熱泵（半導體致冷片） 3—毛細管粘度計 主控制器—AVR單片機 恒溫控制器

系統(tǒng)整體工作原理

石油產品運動粘度測定系統(tǒng)原理圖如圖 2.2。它的整體工作原理是在系統(tǒng)上電以后， 操作者在液晶顯示器上輸入實驗溫度，恒溫控制系統(tǒng)開始對恒溫浴進行恒溫，當恒溫水 浴的溫度穩(wěn)定在能夠滿足實驗的溫度時，蜂鳴器開始發(fā)出警報，系統(tǒng)自動將待測樣品注 入毛細粘度計中，待測樣品在毛細管粘度計中恒溫 20 分鐘左右后，我們開始進行實驗， 當待測樣品流過毛細管上標刻線時，紅外傳感器自動檢測液位信息，反饋給計算機計時 器，開始計時；當待測樣品流過毛細管下標刻線時，紅外傳感器自動檢測液位信息，反饋給計算機計時器，停止計時，將待測樣品在自身重力作用下通過兩個標刻線的時間傳 輸給單片機，如此反復進行 4 次，通過計算機的計算，實驗者更直觀的在液晶屏上了解 此次實驗的結果，操作者選擇打印實驗數(shù)據，測量結束。

電加熱部件在工業(yè)生產中的應用十分廣泛，為了保證某些區(qū)域溫度的恒定，目前我 們應用的加熱方法有很多種，例如脈沖式加熱方式、電阻式加熱方式、超聲波式加熱方 式等。各種各樣的加熱元件應用在這些加熱方式中，我們再正常情況下進行通電，大量 的熱從這些元件中散發(fā)出來，溫度逐漸升高的這些工作部件達到我們預期的實驗溫度 時，它會自動斷電，并停止加熱；當溫度降低之后，系統(tǒng)會再次接通電源，使實驗溫度 控制在我們需要的條件。 結合我們實驗室的實際工作情況，選擇了電阻式加熱方式，加熱固定的電阻絲。 因為（0-200）℃是恒溫浴缸的調節(jié)溫度，溫度不是特別高，恒溫浴體積中的工作 介質面積不到0.25ｍ3，玻璃恒溫浴具內設置有雙層保溫，壓縮空氣在雙層玻璃間通有， 快速對流為了防止熱量，所以1.8kW被確定為加熱總功率。對這1.8kW加熱功率的由來， 我們進行了科學分配：輔助加熱 1.2kW 控溫加熱 0.6kW 當恒溫浴缸內的實際溫度低于我們預先設定的溫度20℃時，系統(tǒng)自動啟用輔助加熱 裝置，加熱進行的非?？焖?；當恒溫浴浴缸的實際溫度低于我們設定實驗溫度5℃時， 系統(tǒng)會自動斷開輔助加熱。 （0-60）℃為帶制冷電路的恒溫浴溫度調節(jié)范圍，另外北方我們多大多數(shù)的室內溫 度一般為20℃上下，所以我們選擇致冷功率P＝40W。 使用時，恒溫浴缸內壁被致冷器的致冷面緊貼，裝有冷卻水的水箱被導熱面緊貼。 當設定溫度時低于恒溫浴浴缸實時溫度時，正電壓被加在半導體致冷器上，使熱泵被半 導體致冷器形成，由于熱量的傳導作用，恒溫浴內熱量不斷的被致冷器抽出，熱量不斷 被冷卻水帶走，使恒溫浴缸內的溫度逐漸的下降，再與數(shù)字顯示溫度控制儀表系統(tǒng)的共 同作用，達到恒溫控制的目的。 當我們使用致冷器進行致冷時，如果致冷器內無冷卻水，而導熱面溫度在緊貼冷卻 水箱上急劇的進行升溫，很容易將致冷器內焊點熔化，從而使致冷器損壞。為防止此情 況發(fā)生，在冷卻水箱上加一溫度開關，當水箱溫度達到45℃時，溫度開關斷開，中問繼 電器跳變，斷開加在半導體器件上的電壓，使致冷器件上的工作電流降為零，從而保護 了致冷器，與此同時，電路工作產生“斷水報警"， 報警信號被產生，提示用戶接通 冷卻水路，否則致冷器如果長時間處于缺水狀態(tài)，會使致冷器致冷效率下降（可以恢復）， 但是致冷器無法恒溫。

控溫儀表選擇

隨著周圍的環(huán)境溫度變化，牛頓流體粘度會隨著顯著變化，所以溫度是流體粘度的 重要參變量[13]。而溫度是為數(shù)眾多的幾個基本物理量之一，是液體物質必須具有的狀態(tài)， 是描述物體熱脹冷縮的物理量，它標志著物體內部分子無規(guī)則運動的劇烈程度[14]。要測 量流體的粘度，就必須對流體進行恒溫控制，恒溫控制一般通過控溫儀表及其系統(tǒng)實現(xiàn) [15]。 最近幾年數(shù)字式控溫儀發(fā)展十分迅猛，它是指針顯示儀和動圈式溫控儀的替代產 品，它是隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展而發(fā)展的，其核心部件是數(shù)字放大器和可控硅。前 者對傳感器送來的電信號進行放大和比較，后者接受指令對加熱管進行通電或斷電的控 制。 數(shù)字控溫儀表及其系統(tǒng)具有以下優(yōu)點[16]： 1．準確度高 3位和4位通常是數(shù)字控溫儀表的位數(shù)，它們的準確度一般是0.5％，0.2％，而其它 類溫度控制儀表的準確度一般不高于1％。 2．壽命長 數(shù)字控溫儀表一般采用大規(guī)模集成電路A/D轉換器CMOS，高精度低溫漂的集成運 算放大器，使儀表具有穩(wěn)定性好，平均時間長的特點。 3．分辨率高 顯示值為1999是3位數(shù)字控溫儀表的固有特性，相當于溫控儀表有1999條刻度 線，顯示值為19999是4位數(shù)字控溫儀表的固有特性，相當于溫控儀表有19999條刻 度線，而其它類控溫儀表的刻度尺弧長有限，只能刻度不到100條刻度線?？梢姅?shù)字控 溫儀表的分辨率比其它類控溫儀表要高得多。 4．輸入阻抗高 通常都大于20kΩ輸入阻抗是數(shù)字控溫儀表的特性，而其它類控溫儀表的輸入阻抗一 第二章 系統(tǒng)硬件方案設計 12 般為200Ω左右，可見測量誤差大的減小是外電路給數(shù)字控溫儀表帶來的。 5．耐震動且示值不受安裝位置的影響 數(shù)字控溫儀表因沒有可動部件，所以對震動耐受能力強，并可承受惡劣環(huán)境條件。 6．采用模塊化設計，維修簡單，調試方便 不同品種的數(shù)字控溫儀表，都是由為數(shù)不多的功能分離的模塊化電路組合而成， 維修簡單，調試方便。 7．品種繁多，配接靈活，功能強大，即可輸入不同類型的測量信號，可輸出多種 控制。 當數(shù)字控溫儀表內設置不同的變換電路，即可輸入不同類型的測量信號，而配置 不同的調節(jié)電路，則可輸出多種控制。智能化數(shù)字控溫儀表還可帶計算機通信接口，能 將測量結果以數(shù)字形式輸入計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)生產過程的自動化。 8．外型尺寸標準化 數(shù)字控溫儀表外形尺寸和開孔尺寸均按國家標準或國際IEC標準設計。 9．對輸入信號進行線性化處理和冷端補償 由于熱電偶和熱電阻的輸出信號與溫度之間均為非線性關系，所以與熱電偶或熱 電阻配套的數(shù)字控溫儀表均配有線性化電路。前者還具有冷端溫度自動補償?shù)墓δ?，?而儀表測量準確度高。 10．數(shù)字控溫儀表數(shù)字顯示，直觀，明了，讀數(shù)方便，無視差。 數(shù)字控溫儀表控制輸出有開關量、連續(xù)量輸出?？刂品绞接卸皇健⑷皇?、時間比例、 PID模糊控制等方式。

溫度傳感器選擇

溫度感應的原件種類很多，熱電偶和熱電阻是工業(yè)生產過程中常用的兩種溫度感應 原件，二者都是新興的測量溫度的傳感器，它們可以溫度控制儀搭配使用，組成溫度控 制儀的溫度感應結構，一般金屬殼體內放有感溫元件，所以它可以直接與被測介質接觸， 無距離限制的感受各種不同介質的溫度，并將感受到的溫度物理量轉換成電信號[17]。由 于體積小的原因，測量各種液體、氣體、固體以及各種危險品的實時生產溫度都是很方 便的。 由兩種不同但符合一定要求的導體或半導體是指熱電偶（熱電極），測量端將其一 端焊接作為，參考端為另一端，測量溫度的一種溫度傳感器，利用兩端溫差與熱電勢的 函數(shù)關系束。其代表品種有鎳鉻一銅鎳熱電偶、鎳鉻一銅硅熱電偶、鉑銠10—鉑熱電偶 等。 利用導體和半導體的電阻值隨溫度變化而變化的特性，來測量溫度的一種溫度傳感 器是熱電阻。其代表品種有銅熱電阻如Cu50、Gu100等；鉑熱電阻如Pt100、BA1、BA2 等。 一般來說，熱電偶的成本比較高，熱電阻的成本比較低，為了滿足要求，通常我們 在工業(yè)生產過程中使用熱電阻就能實現(xiàn)。 在文的分析探討中，鉑熱電阻我們采用Pt100型。 在日常的測量中，鉑熱電阻Rt到顯示儀表問的引線電阻ｒ將直接影響儀表的輸出。 二線制接法和三線制接法是目前工業(yè)測量中采用的兩種接線方法，分別如圖2.3和 圖2.4。 兩條線連接的是用鉑熱電阻Rt與電橋，構成一個橋臂的總電阻引線電阻ｒ與鉑熱電 阻阻值Rt之和。雖然二線制接線方法簡單，但引線電阻ｒ變化時誤差較大。 三條線與電橋用鉑熱電阻Rt相連，其中電源回路置于一條線，其上橋路的平衡產生 東北石油大學工程碩士學位論文 13 的微小壓降并不影響，橋的兩臂另分別置于兩條線，只要鉑熱電阻所使用的引線的線徑 和長度相等，它們在兩個支路中形成的電壓互相抵消，可以大大減小因引線電阻ｒ引入 的測量誤差。因為這兩條引線分別處于相鄰的兩個支路中，它們的阻值同時同向變化， 當環(huán)境溫度變化時，可以大大減小因溫度變化而引入的測量誤差。 在本文分析討論中，我們決定采用的是三線制接法，因為這種接線方法可以減小測 量中產生誤差，更大的提高控溫精度。

恒溫浴致冷方式選擇

目前，吸收式和機械壓縮式致冷技術是常見的兩種技術，它們都是靠致冷介質去致 冷，常見的致冷介質有酒精、冰、干冰、溴化鋰、液氨、液氮等，都是我們實驗室經常 能夠用到的。 電子致冷方式是操作簡單快捷的第三種制冷方式，即，它是基于溫場中溫度補償點 升降溫，是嶄新的一種制冷方式[18]。 1822年，有一個名叫塞貝克的德國人在他的實驗室里觀察到，當兩種不同導體的接 點被加熱時，電動勢在這兩種導體之間被激發(fā)出來，熱電流在這過程中被激發(fā)產生。在 當年普魯士作的報告中他指出，稱這種現(xiàn)象為金屬的熱磁極現(xiàn)象。后人稱此現(xiàn)象 為塞貝克電動勢，其實質就是溫場之中存在著電動勢的緣故。塞貝克效應的在當今社會 的應用，測溫熱電偶及溫差發(fā)電裝置在不同領域都有所應用。鎳鎳一硅鉻、康銅一鎳鉻、鉑一鉑銠等測熱敏電偶，就是應用了塞貝克溫度補償效應，人們使用的熱電偶溫度補償 對照表，實質上就是溫度之間差異的對照表罷了。 法國人珀爾帖在1834年法國物理化學年鑒上發(fā)表論文了關于溫度補償方面的論文， 宣稱他發(fā)現(xiàn)了逆反應有關于塞貝克效應，即當電流流經兩種不同會屬導體形成的接點 時，接點處會產生放熱和吸熱現(xiàn)象。放熱或吸熱依著電流的大小以及流向所改變，這就 是的珀爾帖效應。我們?yōu)榱双@得低于環(huán)境溫度的補償點從而利用珀爾帖效應。令人 嘆息的是，不象塞貝克效應那么幸運，在一百余年的漫長歲月中沒有得到實用，原因是 在當時的條件下，只有金屬導體參與的實驗才能應用此效應，而金屬導體參加的實驗珀 爾帖效應又十分的微弱。 科技成果屬于永無止境奮勇攀登的人們，既然珀爾帖效應在金屬導體中的存在很 弱，新的熱電材料就是這樣被人們尋找新的電偶來組成。 蘇聯(lián)，半導體研究所院士在本世紀五十年代對半導體進行了大量研究，他首 先個提出，一些化合物半導體是希望的溫差電材料。由于他的觀點，各國的科 學家紛紛對半導體材料進行研究，經過這些學者的不懈努力，大量良好的溫差電導體材 料才能呈現(xiàn)在人們的面前。 半導體熱電偶就是由電子致冷器件為主要原材料制造而成的，被科學家稱為“半導 體致冷器件"，簡稱“致冷器件"。 半導體致冷器件因其自身條件原因，有其顯著的優(yōu)點和特點，概括起來有如下9點： 1．無需添加任何致冷介質，有持續(xù)的電力輸出即可連續(xù)工作，用的都是綠色能源 對環(huán)境也沒有任何的污染；旋轉部件不是致冷器的構成，因而沒有工作產生的震動、噪 音以及不必要的磨損； 2．半導體致冷器件是一種固體器件，使用壽命長，結構原理設計簡單，安裝操作 容易，維護保養(yǎng)費用低； 3．半導體致冷器件具有兩大特性：既能致冷，又能加熱。致冷效率一般不很高， 但升溫速率還是很快的，因此使用一個電子器件就可以代替升溫和降溫兩大系統(tǒng)。 4．電流換能型器件是半導體致冷器件，通過控制輸入電流，可實現(xiàn)半導體高精度 溫控，再結合溫度檢測和控制手段，很容易實現(xiàn)溫度的遠程控制，計算機編程控制、人 機交流控制，這才是真正意義上的自動化系統(tǒng)； 5．半導體致冷器件受熱面積非常小，升溫和降溫速率因次變得很慢，在加熱端和 致冷端都正常工作的情況下，持續(xù)供電不到一分鐘，其實際條件就能滿足我們的工作需 要； 6．對核輻射不敏感的半導體才是致冷器，英寸近的地方放置整個器件放在放射性 鈷幾，性沒有任何改變經數(shù)周之后的致冷器，半導體二極管、三極管受核輻射后同時放 置的嚴重受損，本身的特性變差； 7．使用功率范圍廣泛。雖然致冷元件在同一級別顯得很小，但多個小的致冷元件 在一起很容易組合成致冷電堆，這些致冷電堆又可以很容易的通過并聯(lián)或者串聯(lián)的方式 在一起工作，這樣，我們就可以輕易的做出整個致冷的系統(tǒng)； 8．使用溫度范圍寬。區(qū)間涵蓋+80℃到-80℃。倘若加上真空絕熱加熱材料，或再 加上任何一個給定的磁場，從+80℃到-135℃也不是不可能實現(xiàn)的； 9．溫差發(fā)電是通過半導體致冷器產生的剩余溫度發(fā)點。它適用于對升溫速率沒那 么高要求的中低溫區(qū)發(fā)電，特別適合剩余熱量的發(fā)電。 另外，我們還發(fā)現(xiàn)半導體致冷器件在進行致冷加熱工作時，必然形成的溫場存在著 溫差，為使致冷效果達到我們預期的水平，就必須想辦法把加熱端的熱量帶走法，那就 讓我們設計一個熱量帶走系統(tǒng)，而熱量帶走系統(tǒng)的方式有很多散熱方式。散熱方式有多種：自然對流、液冷、強迫通風、環(huán)流散熱以及行化潛熱借助于物質的溶進散熱等。常 用的散熱方式有自然對流和利用水循環(huán)致冷。 散熱片需要自然對流。這種散熱方式使用方便，缺點是體積大，不適用大功率致 冷器件。為了不使致冷器件效率降低，一般熱端溫度要比環(huán)境溫度約高10℃以上。 目前我們實驗室的半導體致冷器件廣為使用的一種散熱方式是水冷散熱。散熱器就 通過水箱或水管散熱的，將熱端的熱能帶走的同時利用自來水或水泵循環(huán)的溫度補償 點，大家將這種裝置命名為水冷散熱器。水冷散熱器大多是由紫銅、鋁材，黃銅或不銹 鋼等材料制成的，由紫銅材料加工而成的水冷散熱器是目前市場上散熱的。不 能自動斷水是水冷散熱的缺點，這給制作某些便攜型致冷設備帶來了很大的技術難 題。此外的一項優(yōu)點就是，水冷散熱器還裝有單獨控制斷水保護的一套電路，一旦水源 被切斷了，這一套保護電路就會立即進行工作切斷致冷器的電力輸出。 因為本系統(tǒng)的恒溫浴體積較小和所需致冷功率較小，所以在本系統(tǒng)中我們采用了半 導體制冷技術。

計算機通訊接口方式選擇

目前，在自動化儀器儀表中常用的通信標準主要有RS-232和RS-485等，長久以來， 這兩種串行通訊方式一直是自動化儀器儀表最基本的通訊方式之一，在其它應用系統(tǒng)的 通信中用得也很多。 雖然發(fā)展了現(xiàn)場總線技術，但RS-232/485通信技術仍然是一種應用非常廣泛的通信 協(xié)議。一些現(xiàn)場總線還采用了RS-485作為通信協(xié)議的物理層，如Profibus等[19]。 許多一次儀表和二次儀表都帶有RS-232/485通信端口，由于RS-232通過一個轉換接 口可以轉換為RS-485，因此本文主要討論RS-485通信問題。 與物理總線協(xié)議不同，不同的儀表制造商一般都是自行規(guī)定自己的RS-485通信協(xié) 議，這些協(xié)議包括通信數(shù)據格式，如波特率、起始位、數(shù)據位、奇偶校驗位和停止位， 以及通信幀格式，包括通信命令起始字符、地址編碼、幀數(shù)據等等。如某種儀表采用 RS-485通信協(xié)議，通信格式為波特率：300－9600bps，數(shù)據通信格式為１個起始位、8 個數(shù)據位、1個停止位，無校驗位，通信幀格式如表2.1

其中，@為起始字符，DE為儀表設備號（地址），幀類型為操作命令，幀數(shù)據為操 作命令對應的命令或數(shù)據，CRC為校驗和，CR為結束符。 而另一種儀表也采用RS-485通信，但通信數(shù)據格式和通信幀格式與上述儀表不同， 如Modicom PLC采用了RS-485通信，其協(xié)議采用了Modbus協(xié)議，按照Modbus ASC II格式， 包括一個起始位、7個數(shù)據位、一個奇偶校驗位、一個停止位或無奇偶校驗位，兩個停 止位。幀格式采用了如表2.2。

RS-485的通信數(shù)據格式和幀數(shù)據格式相同時，可以用一條雙絞線作為通信線路。應 當注意，一般地，RS-485通信是一種半雙工通信方式，這一點與RS-232不相同，在這種 情況下，RS-485通信方式只能采用逐一從工作方式，即從設備從來不會主動向上發(fā)送數(shù) 掘和請求，而由主設備（一般是PC）對從設備發(fā)出命令，在某個時刻，只有主設備和一 個從設備進行通信。圖2.5是具有RS-485通信接口的儀表與主機（PC）通信的原理圖。

對我們特定的工業(yè)現(xiàn)場，固定了儀表，固定了通訊協(xié)議，所以我們采用了RS-232接 口／RS-485接口方式。

計時方式選擇

流體粘度測定過程中，還要涉及到時間的計量。時間也是基本物理量之一，是周期 運動持續(xù)特性的度量，是個感官無法感知的量，是個轉瞬即逝的量，是個不能制造也不 能消失的量，是個無始無終、大到無窮、小到無窮的量。在時間的一般概念中，包括時 刻和時間間隔兩個含義。利用時鐘可以指示時間，即能指示時刻和時間間隔。 時鐘的發(fā)展歷史可分成連續(xù)流動型鐘表、無周期控制機械鐘、周期控制機械鐘、石英鐘、 原子鐘等五個階段。石英鐘是一種數(shù)字鐘。數(shù)字鐘是用數(shù)字顯示時、分、秒的計時器， 通常指由主振器、分頻器、譯碼顯示器、同步裝置和精密延時調節(jié)器等組成的，用于工 程上或實驗室精密時間同步系統(tǒng)保持標準時間的計時器，其主振器可用石英晶體振蕩器 或原子頻標[20]，本系統(tǒng)采用的計時方式是通過軟件讀取計算機時鐘來計時的。