弹簧振子自由振动法快速测定高温熔体粘度的装置及方法

摘要

弹簧振子自由振动法快速测定高温熔体粘度的方法。在铸造过程中，由于金属的遗传效应，液态金属的结构对于其凝固后的组织及性能具有重要的影响。本发明组成包括：叶片振子(1)，所述的叶片振子(1)连接连杆(2)的一端，所述的弹簧(3)套入连杆(2)连接成一体，所述的连杆(2)另一端连接永久磁铁(4)，所述的永久磁铁外圈套有线圈(5)，所述的线圈的尺寸大于永久磁铁外圈尺寸，所述的线圈(5)连接信号放大处理器(6)，所述的信号放大处理器(6)连接计算机(7)，所述的叶片振子伸入到坩埚(8)内。本发明用于测定高温熔体粘度。

主权项

一种弹簧振子自由振动法快速测定高温熔体粘度的方法，该方法使用的装置组成包括：叶片振子，其特征是：所述的叶片振子连接连杆的一端，所述的弹簧套入连杆连接成一体，所述的连杆另一端连接永久磁铁，所述的永久磁铁外圈套有线圈，所述的线圈的尺寸大于永久磁铁的外圈尺寸，所述的线圈连接信号放大处理器，所述的信号放大处理器连接计算机，所述的叶片振子伸入到坩埚内；被测熔体装在坩埚内，所述的坩埚置于叶片振子正下方的平台上，所述的连杆、永久磁铁和线圈均装在带有螺纹杆的壳体内；所述的弹簧振子自由振动法快速测定高温熔体粘度的方法：将一个质量为m的叶片振子挂在竖直悬挂的弹簧上即形成一个弹簧振子，振子在液体中垂直振动时, 由于不同液层间存在速度梯度，一个液层相对另一液层移动时将出现与液层表面相切的内摩擦力；在振子形状固定，且振动不引起湍流或者湍流很小的情况下， 振子所受的内摩擦力大小与速度梯度成正比；设为振子所受的内摩擦力，为振子与液层相摩擦的总面积，为液层间的速度梯度，为液体的动力粘度值，根据相关的物理学定义和原理，内摩擦力与速度梯度之间的关系可表示为在有限区域内对x积分，可得（1）式中：γ为阻力系数,是个正比于液体粘度系数η的物理量；取为比例常量，可表示为（2）振子在振动过程中由于受到液层摩擦力的作用，使振幅逐渐衰减，最终振动停止；在振动过程的任意时刻，根据牛顿运动学定律，可建立振动方程：（3）令：，则（3）式可变形为上式的通解为（4）其中对（4）式两边求导数可得到振动的速度表达式为（5）整理得：（6）其中取则式（6）可变为（7）其中常量则每个振动周期内，在平衡点处最大速度值为（8）取，可得则有：（9）（7）式可变为：（10）取iτ=T，阻尼振动第i个周期在平衡点获得最快速度，即，                                                （11）取对数得：（12）由此，可以将λ定义为相隔m1个周期的最大速度平均对数衰减率，在实验中可以通过第n个周期和第n+m1个周期的最大速度对数衰减量求得该值，即（13）由（9）式知，在振动系统的质量m和劲度系数k不变的情况下，只与阻力系数γ有关，所以λ的计算值与所取周期间隔数无关；由该式可解得（14）将（2）式代入（14）式，得(15)根据式(15)，在振子整体质量m和弹簧的劲度系数k确定的情况下，振动系统的比例常数用已知粘度的标准液体进行标定后，只要测得最大速度衰减率，即可利用式(15)算得液体在当时环境下的粘度系数值；提取各周期内振动最大速度电信号的方法：在振子连杆上固定一个圆形永磁体，并将尺寸略大于圆形永磁体的环形线圈绕组固定于永磁体平衡点处；根据法拉弟电磁感应定律，在振子振动过程中，与振子连接的永磁体往复穿越线圈将使线圈产生感生电动势；感生电动势ε与磁体穿过线圈时的速度v成正比，即：，其中b为系统比例常数；因此在各个振动周期内，电动势ε最大值对应的就是速度v最大值；通过提取电压信号，即可获得对应周期内的振子运动速度；取第n个和第n+m1个周期中最大感应电动势和，代入（13）式化简可得到最大速度平均对数衰减率；（16）振动系统产生的电信号输入放大电路进行模拟放大后，送信号采集卡，完成转换后送计算机进行运算处理；工作中，运行程序设为参数标定和粘度检测两种模式运行，在各自的模式下，一般取三个相邻振动周期的振动信号，振子起振、数据采集、运算处理的全过程由编制的软件自动完成。