基于多种传感器的奥氏粘度计辅助仪器设计

作者/洪锐、蔡卓、韦相忠（通讯作者），广西中医药大学 药学院数理教研室

基于多种传感器的奥氏粘度计辅助仪器设计

作者/洪锐、蔡卓、韦相忠（通讯作者），广西中医药大学 药学院数理教研室

本文提出了一种奥氏粘度计辅助仪器设计。这种辅助仪器使用温度传感器测量实验环境温度，使用光纤液位传感器检测奥氏粘度计中液位，并使用触摸传感器控制辅助仪器的工作过程。辅助仪器中微控制器完成整个系统的控制和相关参数显示功能。

传感器；奥氏粘度计；微控制器；液位；温度

引言

粘度是粘性流体一个重要参数，在医用物理实验中一般使用奥氏粘度计来对粘性流体的粘度进行测量。传统使用奥氏粘度计测量粘度的实验方案中，温度测量和细管液位检测都有可以改进的方面。本文采用相应传感器结合微控制器设计了一种辅助仪器，可以在实验时配合奥氏粘度计使用，以提高实验操作的便捷性和安全性。

1.奥氏粘度计测量液体粘度的实验原理和步骤

根据泊肃叶定律，可以推导出奥氏粘度计粘度计算公式[1]如下：

实验中，使用装满水的水槽模拟恒温环境，需要对水槽中水的温度进行测量，再查找相应表格得到蒸馏水密度、蒸馏水粘度和待测液体密度三个物理量。接着前后分别量取等体积量蒸馏水和待测液体，测量时间量。实验主要操作步骤如下：

（1）先量取10ml蒸馏水倒入粘度计，用洗耳球从粘度计粗管端压气，将细管液面抬高到上刻度线m之上，然后让液面自由下降。实验者观察细管液面位置，当细管凹液面最低点到达上刻度线m，用秒表开始计时；当凹液面最低点到达下刻度线n，停止计时，即得到 数据。重复三次以上操作，得到三个数据。

（2）倒出管内蒸馏水，换用10ml待测液体，将步骤1中测量操作重复三次，得到三个数据。

（3）用水银温度计测量水槽水温T。

（4）数据处理并计算待测液体粘度。

2.奥氏粘度计实验方案可以改进的方面

从上面实验步骤可以看出，步骤1和步骤2中需要实验者观察细管凹液面最低点位置是否与刻度线齐平；如果齐平的话，接下来需要实验者立即按下秒表的按柄来控制秒表计时的开始或者结束。中间操作过程不算便捷，而且受不同实验者主观因素影响较大，也容易引起较大误差。可以考虑使用光纤传感器来代替肉眼检测细管中液位位置，使用以微控制器为中心的电路[2]来实现计时。

步骤3中使用水银温度计对水槽的水温进行测量，如果实验者操作不慎将水银温度计打碎，溢出的水银将对实验环境造成污染。因此考虑使用温度传感器来测量水槽中水温。

3.辅助仪器方案设计

基于上面对实验仪器改进的考虑，可以选用相应传感器并结合微控制器设计辅助仪器，使得奥氏粘度计测量液体粘度的实验更便捷更安全。辅助仪器方案设计包括硬件设计和软件设计两部分。

■3.1 硬件设计

辅助仪器系统框图如图1所示。

图1 辅助仪器系统框图

辅助仪器硬件电路以STC89C52微控制器为中心，液位传感器采用光纤传感器模块，温度传感器使用DS18B20数字温度传感器，显示部分选用1602液晶显示模块，触摸传感器模块代替按钮用于辅助仪器测量启动控制。触摸传感器模块是一个基于触摸检测芯片（TTP223B）的电容式点动型触摸开关模块。常态下，触摸传感器模块输出低电平；当用手指触摸相应位置时，触摸传感器模块会输出高电平。触摸传感器模块由辅助仪器主电路供电，其输出信号管脚直接连接到微控制器数字输入输出引脚。

使用辅助仪器工作时，DS18B20数字温度传感器管脚密封后浸入水槽水中，奥氏粘度计细管球泡上下各固定安装一个光纤传感器，上下两个光纤传感器再通过连接线与微控制器主电路相连。

■3.2 软件设计

软件设计部分主要是微控制器程序设计，软件流程图如图2所示。

图2 软件流程图

实验操作时，奥氏粘度计中装入10ml液体后，实验者用洗耳球从粗管端压气使细管端液面抬升到细管球泡上方光纤传感器上沿，然后抽离洗耳球让细管液面自由下降，紧接着实验者手指触碰触摸传感器，让辅助仪器进入工作状态。

DS18B20数字温度传感器采集得到温度数据经过连接线传输给STC89C52微控制器，微控制器处理后在1602液晶显示模块上将温度值显示出来[3]。显示的温度值以摄氏度为单位，按照实验要求只需要精确到个位数即可。当上方光纤传感器检测到细管液面时，上方光纤传感器发送一个指示信号到微控制器，辅助仪器开始计时；过一段时间后，当下方光纤传感器检测到细管液面时，下方光纤传感器发送一个指示信号到微控制器，辅助仪器停止计时。记录的时间差值随后在1602液晶显示模块上显示出来。

4.结束语

本文设计了一种奥氏粘度计的辅助仪器，可以在奥氏粘度计实验教学时作为辅助仪器使用。增加辅助仪器后，使用奥氏粘度计测量液体粘度时，在中间过程无需人工做过多干预，并且可以帮助实验者便捷地获取和记录实验原始数据。

＊ [1]章新友,侯俊玲.物理学实验.中国中医药出版社.2012.

＊ [2]刘瀛,宁海,王贵和.基于STC89C52的胶囊非接触在线检测系统.辽东学院学报(自然科学版),2016,23(1):27—31

＊ [3]张越,张炎,赵延军等.基于DS18B20温度传感器的数字温度计.微电学,2007,37(5):709—716