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HBCYD-900运动粘度测定仪符合《GB265-88石油产品运动粘度测定法》、ASTM D445等标准，广泛应用在电油、电力、化工、铁路、科研等行业。

一.主要特点

1. 采用的单片机智能控温，5.7寸液晶彩色触摸屏，适时显示仪器的温度、时间、参数等工作状态；

2. 的模组化技术，不论低粘度或高粘度范围均可测量；

3. 自动计算运动粘度值与测试平均值，并自动打印和存储测定结果；

4. 恒温浴缸外层有机玻璃保温罩，浴内温度分布均匀，控温效果好；

5. 加热器等部件采用不锈钢制作，耐腐耐用，环型日光灯照明，易观察；

6. 试验次数1-6次自由调节，可同时对两种以上油样进行平行试验；

7. 毛细管计卡采用三点垂直式，操作灵活方便，夹持可靠；

二.产品参数

系统整体结构

石油产品运动粘度测定系统整体结构框图如图 2.1，它可分为温度传感器部分、信 号接收发送部分、接口信号转换部分、计算机硬件和软件系统部分、恒温浴毛细管部分、 恒温浴加热部分、恒温浴致冷部分、恒温浴辅助电路部分，通过计算机与数字温度控制 仪的通讯，多达 55 个参数在两者之间相互传输，自热电阻传感器的与恒温浴浴温成单 值关系的电阻值被数字温度控制仪接收，各个参数的共同努力下，调节恒温浴的温度。 通过计算机上自带的数显温度计，我们可以更直观的计算出流体的流动时间，从而利用 计算机算出待测液体的运动粘度值。系统通过在已经达到实验条件的恒温浴中放置若干 个经过计量检定的毛细管，由于压差存在于毛细管的两端，实现对待测油品的粘度测量， 在计算机上，还可以通过查询模块寻找之前的历史数据。该系统以 AVR 单片机为主控 制器，以 AT89S52 单片机为温度控制器，在两个单片机的共同作用下，实现了运动粘度 测定系统的自动检测功能，同时以 Pt100 为温度控制传感器，将温度的信息及时返馈给 单片机，进行温度的补偿。

A—上计时标线 B—下计时标线 1—PT100温度传感器 2—加热泵（半导体致冷片） 3—毛细管粘度计 主控制器—AVR单片机 恒温控制器

系统整体工作原理

石油产品运动粘度测定系统原理图如图 2.2。它的整体工作原理是在系统上电以后， 操作者在液晶显示器上输入实验温度，恒温控制系统开始对恒温浴进行恒温，当恒温水 浴的温度稳定在能够满足实验的温度时，蜂鸣器开始发出警报，系统自动将待测样品注 入毛细粘度计中，待测样品在毛细管粘度计中恒温 20 分钟左右后，我们开始进行实验， 当待测样品流过毛细管上标刻线时，红外传感器自动检测液位信息，反馈给计算机计时 器，开始计时；当待测样品流过毛细管下标刻线时，红外传感器自动检测液位信息，反馈给计算机计时器，停止计时，将待测样品在自身重力作用下通过两个标刻线的时间传 输给单片机，如此反复进行 4 次，通过计算机的计算，实验者更直观的在液晶屏上了解 此次实验的结果，操作者选择打印实验数据，测量结束。

电加热部件在工业生产中的应用十分广泛，为了保证某些区域温度的恒定，目前我 们应用的加热方法有很多种，例如脉冲式加热方式、电阻式加热方式、超声波式加热方 式等。各种各样的加热元件应用在这些加热方式中，我们再正常情况下进行通电，大量 的热从这些元件中散发出来，温度逐渐升高的这些工作部件达到我们预期的实验温度 时，它会自动断电，并停止加热；当温度降低之后，系统会再次接通电源，使实验温度 控制在我们需要的条件。 结合我们实验室的实际工作情况，选择了电阻式加热方式，加热固定的电阻丝。 因为（0-200）℃是恒温浴缸的调节温度，温度不是特别高，恒温浴体积中的工作 介质面积不到0.25ｍ3，玻璃恒温浴具内设置有双层保温，压缩空气在双层玻璃间通有， 快速对流为了防止热量，所以1.8kW被确定为加热总功率。对这1.8kW加热功率的由来， 我们进行了科学分配：辅助加热 1.2kW 控温加热 0.6kW 当恒温浴缸内的实际温度低于我们预先设定的温度20℃时，系统自动启用辅助加热 装置，加热进行的非常快速；当恒温浴浴缸的实际温度低于我们设定实验温度5℃时， 系统会自动断开辅助加热。 （0-60）℃为带制冷电路的恒温浴温度调节范围，另外北方我们多大多数的室内温 度一般为20℃上下，所以我们选择致冷功率P＝40W。 使用时，恒温浴缸内壁被致冷器的致冷面紧贴，装有冷却水的水箱被导热面紧贴。 当设定温度时低于恒温浴浴缸实时温度时，正电压被加在半导体致冷器上，使热泵被半 导体致冷器形成，由于热量的传导作用，恒温浴内热量不断的被致冷器抽出，热量不断 被冷却水带走，使恒温浴缸内的温度逐渐的下降，再与数字显示温度控制仪表系统的共 同作用，达到恒温控制的目的。 当我们使用致冷器进行致冷时，如果致冷器内无冷却水，而导热面温度在紧贴冷却 水箱上急剧的进行升温，很容易将致冷器内焊点熔化，从而使致冷器损坏。为防止此情 况发生，在冷却水箱上加一温度开关，当水箱温度达到45℃时，温度开关断开，中问继 电器跳变，断开加在半导体器件上的电压，使致冷器件上的工作电流降为零，从而保护 了致冷器，与此同时，电路工作产生“断水报警”， 报警信号被产生，提示用户接通 冷却水路，否则致冷器如果长时间处于缺水状态，会使致冷器致冷效率下降（可以恢复）， 但是致冷器无法恒温。

控温仪表选择

随着周围的环境温度变化，牛顿流体粘度会随着显著变化，所以温度是流体粘度的 重要参变量[13]。而温度是为数众多的几个基本物理量之一，是液体物质必须具有的状态， 是描述物体热胀冷缩的物理量，它标志着物体内部分子无规则运动的剧烈程度[14]。要测 量流体的粘度，就必须对流体进行恒温控制，恒温控制一般通过控温仪表及其系统实现 [15]。 最近几年数字式控温仪发展十分迅猛，它是指针显示仪和动圈式温控仪的替代产 品，它是随着大规模集成电路的发展而发展的，其核心部件是数字放大器和可控硅。前 者对传感器送来的电信号进行放大和比较，后者接受指令对加热管进行通电或断电的控 制。 数字控温仪表及其系统具有以下优点[16]： 1．准确度高 3位和4位通常是数字控温仪表的位数，它们的准确度一般是0.5％，0.2％，而其它 类温度控制仪表的准确度一般不高于1％。 2．寿命长 数字控温仪表一般采用大规模集成电路A/D转换器CMOS，高精度低温漂的集成运 算放大器，使仪表具有稳定性好，平均时间长的特点。 3．分辨率高 显示值为1999是3位数字控温仪表的固有特性，相当于温控仪表有1999条刻度 线，显示值为19999是4位数字控温仪表的固有特性，相当于温控仪表有19999条刻 度线，而其它类控温仪表的刻度尺弧长有限，只能刻度不到100条刻度线。可见数字控 温仪表的分辨率比其它类控温仪表要高得多。 4．输入阻抗高 通常都大于20kΩ输入阻抗是数字控温仪表的特性，而其它类控温仪表的输入阻抗一 第二章 系统硬件方案设计 12 般为200Ω左右，可见测量误差大的减小是外电路给数字控温仪表带来的。 5．耐震动且示值不受安装位置的影响 数字控温仪表因没有可动部件，所以对震动耐受能力强，并可承受恶劣环境条件。 6．采用模块化设计，维修简单，调试方便 不同品种的数字控温仪表，都是由为数不多的功能分离的模块化电路组合而成， 维修简单，调试方便。 7．品种繁多，配接灵活，功能强大，即可输入不同类型的测量信号，可输出多种 控制。 当数字控温仪表内设置不同的变换电路，即可输入不同类型的测量信号，而配置 不同的调节电路，则可输出多种控制。智能化数字控温仪表还可带计算机通信接口，能 将测量结果以数字形式输入计算机系统，实现生产过程的自动化。 8．外型尺寸标准化 数字控温仪表外形尺寸和开孔尺寸均按国家标准或国际IEC标准设计。 9．对输入信号进行线性化处理和冷端补偿 由于热电偶和热电阻的输出信号与温度之间均为非线性关系，所以与热电偶或热 电阻配套的数字控温仪表均配有线性化电路。前者还具有冷端温度自动补偿的功能，因 而仪表测量准确度高。 10．数字控温仪表数字显示，直观，明了，读数方便，无视差。 数字控温仪表控制输出有开关量、连续量输出。控制方式有二位式、三位式、时间比例、 PID模糊控制等方式。

温度传感器选择

温度感应的原件种类很多，热电偶和热电阻是工业生产过程中常用的两种温度感应 原件，二者都是新兴的测量温度的传感器，它们可以温度控制仪搭配使用，组成温度控 制仪的温度感应结构，一般金属壳体内放有感温元件，所以它可以直接与被测介质接触， 无距离限制的感受各种不同介质的温度，并将感受到的温度物理量转换成电信号[17]。由 于体积小的原因，测量各种液体、气体、固体以及各种危险品的实时生产温度都是很方 便的。 由两种不同但符合一定要求的导体或半导体是指热电偶（热电极），测量端将其一 端焊接作为，参考端为另一端，测量温度的一种温度传感器，利用两端温差与热电势的 函数关系束。其代表品种有镍铬一铜镍热电偶、镍铬一铜硅热电偶、铂铑10—铂热电偶 等。 利用导体和半导体的电阻值随温度变化而变化的特性，来测量温度的一种温度传感 器是热电阻。其代表品种有铜热电阻如Cu50、Gu100等；铂热电阻如Pt100、BA1、BA2 等。 一般来说，热电偶的成本比较高，热电阻的成本比较低，为了满足要求，通常我们 在工业生产过程中使用热电阻就能实现。 在文的分析探讨中，铂热电阻我们采用Pt100型。 在日常的测量中，铂热电阻Rt到显示仪表问的引线电阻ｒ将直接影响仪表的输出。 二线制接法和三线制接法是目前工业测量中采用的两种接线方法，分别如图2.3和 图2.4。 两条线连接的是用铂热电阻Rt与电桥，构成一个桥臂的总电阻引线电阻ｒ与铂热电 阻阻值Rt之和。虽然二线制接线方法简单，但引线电阻ｒ变化时误差较大。 三条线与电桥用铂热电阻Rt相连，其中电源回路置于一条线，其上桥路的平衡产生 东北石油大学工程硕士学位论文 13 的微小压降并不影响，桥的两臂另分别置于两条线，只要铂热电阻所使用的引线的线径 和长度相等，它们在两个支路中形成的电压互相抵消，可以大大减小因引线电阻ｒ引入 的测量误差。因为这两条引线分别处于相邻的两个支路中，它们的阻值同时同向变化， 当环境温度变化时，可以大大减小因温度变化而引入的测量误差。 在本文分析讨论中，我们决定采用的是三线制接法，因为这种接线方法可以减小测 量中产生误差，更大的提高控温精度。

恒温浴致冷方式选择

目前，吸收式和机械压缩式致冷技术是常见的两种技术，它们都是靠致冷介质去致 冷，常见的致冷介质有酒精、冰、干冰、溴化锂、液氨、液氮等，都是我们实验室经常 能够用到的。 电子致冷方式是操作简单快捷的第三种制冷方式，即，它是基于温场中温度补偿点 升降温，是崭新的一种制冷方式[18]。 1822年，有一个名叫塞贝克的德国人在他的实验室里观察到，当两种不同导体的接 点被加热时，电动势在这两种导体之间被激发出来，热电流在这过程中被激发产生。在 当年普鲁士作的报告中他指出，称这种现象为金属的热磁极现象。后人称此现象 为塞贝克电动势，其实质就是温场之中存在着电动势的缘故。塞贝克效应的在当今社会 的应用，测温热电偶及温差发电装置在不同领域都有所应用。镍镍一硅铬、康铜一镍铬、铂一铂铑等测热敏电偶，就是应用了塞贝克温度补偿效应，人们使用的热电偶温度补偿 对照表，实质上就是温度之间差异的对照表罢了。 法国人珀尔帖在1834年法国物理化学年鉴上发表论文了关于温度补偿方面的论文， 宣称他发现了逆反应有关于塞贝克效应，即当电流流经两种不同会属导体形成的接点 时，接点处会产生放热和吸热现象。放热或吸热依着电流的大小以及流向所改变，这就 是的珀尔帖效应。我们为了获得低于环境温度的补偿点从而利用珀尔帖效应。令人 叹息的是，不象塞贝克效应那么幸运，在一百余年的漫长岁月中没有得到实用，原因是 在当时的条件下，只有金属导体参与的实验才能应用此效应，而金属导体参加的实验珀 尔帖效应又十分的微弱。 科技成果属于永无止境奋勇攀登的人们，既然珀尔帖效应在金属导体中的存在很 弱，新的热电材料就是这样被人们寻找新的电偶来组成。 苏联，半导体研究所院士在本世纪五十年代对半导体进行了大量研究，他首 先个提出，一些化合物半导体是希望的温差电材料。由于他的观点，各国的科 学家纷纷对半导体材料进行研究，经过这些学者的不懈努力，大量良好的温差电导体材 料才能呈现在人们的面前。 半导体热电偶就是由电子致冷器件为主要原材料制造而成的，被科学家称为“半导 体致冷器件”，简称“致冷器件”。 半导体致冷器件因其自身条件原因，有其显著的优点和特点，概括起来有如下9点： 1．无需添加任何致冷介质，有持续的电力输出即可连续工作，用的都是绿色能源 对环境也没有任何的污染；旋转部件不是致冷器的构成，因而没有工作产生的震动、噪 音以及不必要的磨损； 2．半导体致冷器件是一种固体器件，使用寿命长，结构原理设计简单，安装操作 容易，维护保养费用低； 3．半导体致冷器件具有两大特性：既能致冷，又能加热。致冷效率一般不很高， 但升温速率还是很快的，因此使用一个电子器件就可以代替升温和降温两大系统。 4．电流换能型器件是半导体致冷器件，通过控制输入电流，可实现半导体高精度 温控，再结合温度检测和控制手段，很容易实现温度的远程控制，计算机编程控制、人 机交流控制，这才是真正意义上的自动化系统； 5．半导体致冷器件受热面积非常小，升温和降温速率因次变得很慢，在加热端和 致冷端都正常工作的情况下，持续供电不到一分钟，其实际条件就能满足我们的工作需 要； 6．对核辐射不敏感的半导体才是致冷器，英寸近的地方放置整个器件放在放射性 钴几，性没有任何改变经数周之后的致冷器，半导体二极管、三极管受核辐射后同时放 置的严重受损，本身的特性变差； 7．使用功率范围广泛。虽然致冷元件在同一级别显得很小，但多个小的致冷元件 在一起很容易组合成致冷电堆，这些致冷电堆又可以很容易的通过并联或者串联的方式 在一起工作，这样，我们就可以轻易的做出整个致冷的系统； 8．使用温度范围宽。区间涵盖+80℃到-80℃。倘若加上真空绝热加热材料，或再 加上任何一个给定的磁场，从+80℃到-135℃也不是不可能实现的； 9．温差发电是通过半导体致冷器产生的剩余温度发点。它适用于对升温速率没那 么高要求的中低温区发电，特别适合剩余热量的发电。 另外，我们还发现半导体致冷器件在进行致冷加热工作时，必然形成的温场存在着 温差，为使致冷效果达到我们预期的水平，就必须想办法把加热端的热量带走法，那就 让我们设计一个热量带走系统，而热量带走系统的方式有很多散热方式。散热方式有多种：自然对流、液冷、强迫通风、环流散热以及行化潜热借助于物质的溶进散热等。常 用的散热方式有自然对流和利用水循环致冷。 散热片需要自然对流。这种散热方式使用方便，缺点是体积大，不适用大功率致 冷器件。为了不使致冷器件效率降低，一般热端温度要比环境温度约高10℃以上。 目前我们实验室的半导体致冷器件广为使用的一种散热方式是水冷散热。散热器就 通过水箱或水管散热的，将热端的热能带走的同时利用自来水或水泵循环的温度补偿 点，大家将这种装置命名为水冷散热器。水冷散热器大多是由紫铜、铝材，黄铜或不锈 钢等材料制成的，由紫铜材料加工而成的水冷散热器是目前市场上散热的。不 能自动断水是水冷散热的缺点，这给制作某些便携型致冷设备带来了很大的技术难 题。此外的一项优点就是，水冷散热器还装有单独控制断水保护的一套电路，一旦水源 被切断了，这一套保护电路就会立即进行工作切断致冷器的电力输出。 因为本系统的恒温浴体积较小和所需致冷功率较小，所以在本系统中我们采用了半 导体制冷技术。

计算机通讯接口方式选择

目前，在自动化仪器仪表中常用的通信标准主要有RS-232和RS-485等，长久以来， 这两种串行通讯方式一直是自动化仪器仪表最基本的通讯方式之一，在其它应用系统的 通信中用得也很多。 虽然发展了现场总线技术，但RS-232/485通信技术仍然是一种应用非常广泛的通信 协议。一些现场总线还采用了RS-485作为通信协议的物理层，如Profibus等[19]。 许多一次仪表和二次仪表都带有RS-232/485通信端口，由于RS-232通过一个转换接 口可以转换为RS-485，因此本文主要讨论RS-485通信问题。 与物理总线协议不同，不同的仪表制造商一般都是自行规定自己的RS-485通信协 议，这些协议包括通信数据格式，如波特率、起始位、数据位、奇偶校验位和停止位， 以及通信帧格式，包括通信命令起始字符、地址编码、帧数据等等。如某种仪表采用 RS-485通信协议，通信格式为波特率：300－9600bps，数据通信格式为１个起始位、8 个数据位、1个停止位，无校验位，通信帧格式如表2.1

其中，@为起始字符，DE为仪表设备号（地址），帧类型为操作命令，帧数据为操 作命令对应的命令或数据，CRC为校验和，CR为结束符。 而另一种仪表也采用RS-485通信，但通信数据格式和通信帧格式与上述仪表不同， 如Modicom PLC采用了RS-485通信，其协议采用了Modbus协议，按照Modbus ASC II格式， 包括一个起始位、7个数据位、一个奇偶校验位、一个停止位或无奇偶校验位，两个停 止位。帧格式采用了如表2.2。

RS-485的通信数据格式和帧数据格式相同时，可以用一条双绞线作为通信线路。应 当注意，一般地，RS-485通信是一种半双工通信方式，这一点与RS-232不相同，在这种 情况下，RS-485通信方式只能采用逐一从工作方式，即从设备从来不会主动向上发送数 掘和请求，而由主设备（一般是PC）对从设备发出命令，在某个时刻，只有主设备和一 个从设备进行通信。图2.5是具有RS-485通信接口的仪表与主机（PC）通信的原理图。

对我们特定的工业现场，固定了仪表，固定了通讯协议，所以我们采用了RS-232接 口／RS-485接口方式。

计时方式选择

流体粘度测定过程中，还要涉及到时间的计量。时间也是基本物理量之一，是周期 运动持续特性的度量，是个感官无法感知的量，是个转瞬即逝的量，是个不能制造也不 能消失的量，是个无始无终、大到无穷、小到无穷的量。在时间的一般概念中，包括时 刻和时间间隔两个含义。利用时钟可以指示时间，即能指示时刻和时间间隔。 时钟的发展历史可分成连续流动型钟表、无周期控制机械钟、周期控制机械钟、石英钟、 原子钟等五个阶段。石英钟是一种数字钟。数字钟是用数字显示时、分、秒的计时器， 通常指由主振器、分频器、译码显示器、同步装置和精密延时调节器等组成的，用于工 程上或实验室精密时间同步系统保持标准时间的计时器，其主振器可用石英晶体振荡器 或原子频标[20]，本系统采用的计时方式是通过软件读取计算机时钟来计时的。