D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1980.03.014 北京钢铁学院学报 1980年第3期 炉渣粘度计电子显示技术 炼铁教研室粜英豪 摘要 介绍感应脉冲粘度计的原理、制作及使用。它适用于测量各种炉渣及熔融金属 的粘度，具有很宽的测量范围及夏好的灵敏度。着重讲述粘度计的电子显示技术、 检测电路设计和调试。采用感应脉冲方法将粘度这个非电的物理量变换成电部号， 用数字仪表直接显示填出，精度为±1.5%。在数据的积分、记忆过程中，以新的 电路设计和应用集成电路运算放大器保证了戛好的准确度，从而代替了价格很费的 数棋转换电子设备。 粘度大小随试样温度升降而变化能作连续测量，配用x一y函数记录仪便自动记 录画出粘度一温度关系曲线。从脉冲间隔取出粘度数值这种方法有很好的重现性， 而采用感应调谐回路产生脉冲则能排除各种干拢，这两方面是本粘度计的特点。从 电路设计、实物制作、运转调试等方面介绍必要的计算公式及统调经验。 在火法冶金过程中的熔融金属及渣液，都具有一定的粘度，即流动性的好坏。为了研究 高温熔体结构以及高温时各种反应机理，都必须测定其液态时的粘度状况。例如高炉炼铁过 程中，炉内尚未还原元素的氧化物形成初渣一直到炉缸放出的终渣，是一个复杂的物理化学 变化过程，而炉渣粘度对这整个冶炼过程有很重要的影响： 1.炉料透气性的好坏。 2.炉缸中渣铁分离和生铁质量。 3.对于新矿种造渣粘度的了解。 欲知它们的粘滞性能，就需对粘度进行测定。 所谓粘度，常用粘滞系数)来量度，它的定义是 dF 1=- d b dx 其物理意义是指不同流速的各液层间所具有的内摩擦力F,当某一层的流速为V时，相 距dx的另一层的流速为V+dV,那么液层间的内摩擦力F与速度差dV及接触面积S成正 比，而与液层间距离dx成反比。 即 d FocdV·dS 并有 dFoc_1 d x 故 dFoeds dv dx 114
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 炉 渣 粘 度 计 电 子 显 示 技 术 炼铁教研 室 黎英， 摘 要 介 绍感应 脉 冲枯度计的原 理 、 制作及使用 。 它适用 于测 量 各种炉渣及熔敲 金属 的枯度 ， 具 有很 宽的测量 范 围及 夏 好 的灵 敏 度 。 着重讲迷 粘度计 的 电子 显 示 技 术 、 检 测 电路设 计和调 试 。 采 用感应 脉 冲方 法将枯度这个非 电的物理 量 变换成 电佩 号 ， 用数 字仪 表直接显 示 谈 出 ， 精度为 士 。 在 数据 的积分 、 记 忆过程 中 ， 以断的 电路设 计和应 用集成 电路运 算放大器 保证 了员 好 的 准确度 ， 从 而 代替 了价格很 贵的 数模 转换 电子 设备 。 枯度 大小 随试样 温 度升降而 变化 能作连续测量 ， 配 用 一 函数 记 录仪 便 自动记 录 画 出枯度一 温 度关 系 曲线 。 从脉冲间 隔 取 出枯度 数值 这 种 方 法 有很 好 的重 现性 ， 而 采 用感应 调 谐 回 路产 生脉 冲则 能排除各 种 千 拢 ， 这 两 方面是 本粘度计 的特点 。 从 电路 设 计 、 实 物制作 、 运 转调 试 等方面 介绍 必 要 的计算公 式及统调 经 验 。 在 火法冶金 过 程中的熔 融 金 属 及渣液 ， 都具有一 定的粘度 ， 即 流 动性的好坏 。 为了研究 高温熔 体结构 以 及高温时 各种反应机理 ， 都 必 须 测 定其液态 时 的粘度状 况 。 例 如高炉炼铁 过 程中 ， 炉内尚未还原元 素的氧化物形成 初渣一直 到炉缸放 出的终渣 ， 是 一 个复杂 的物理 化学 变 化过 程 ， 而炉渣粘度对这 整个冶炼过 程有很 重 要的影 响 炉料透气性 的好坏 。 炉缸 中渣铁 分 离和生铁 质 量 。 对于新矿种 造渣粘度 的了解 。 欲 知 它们 的粘滞性能 ， 就需对粘度进 行 测定 。 所 谓 粘度 ， 常用 粘滞系 数 月 来 量度 ， 它 的定义是 。 一 下 一 其 物理 意义是 指不 同流速的 各液层 间所具有的内摩擦力 ， 当某一层 的 流速为 时 ， 相 距 的另一层 的流速为 ， 那 么液 层 间的 内摩擦力 与速度差 及 接触 面 积 成正 比 ， 而与液层 间距 离 成反 比 。 即 · 并有 故 “ 去 一 昌答 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1980．03．014
将比例式成立为等式，需引入比例常数门，则有 dF=n·ds.dy dx dF 所以 7-、d dv (1) dx 式中dF/dS为液流各层之间单位面积上的相互摩擦力，以达因/厘米2表示。 dx 为液流各层间的相对速度蹄度，以量秒。存表示。 厘米 dF 代入(1)式 7sdS=达因/厘米=达因·秒/厘米 1/秒 dx 单位称为泊。 粘滞系数n又称绝对粘度，简称粘度。通常高炉渣在1500℃时粘度为2~6泊。 一、测量设备 测量结构属于旋转式，它适用于测量各种炉渣及熔融金属的粘度，具有很宽的测量范 围，量程为0.2~100泊，并具有良好的精度，仪表指示误差为±1.5%。测盘设备如图1所示。 图1 . 小电机 16 轴 3 丝d0,人 0.3m/m 高频脉冲 积分记忆 4. 石墨杆 发生器 电路 : 片 铜片 石墨坩埚 渣液 9 坩埚垫座 0☒ 10,刚玉管 11.组丝 数字期率计 12.炉内填料 xy记泳仪 13.炉壳 14. 热电偶 15. 检测头 16. 高频脉冲发生 17. 积分记忆电路 18. 数字频率计 19. y 函数记录 115
将 比例式 成 立为 等式 ， 需 引入 比例常数 月， 则 有 。 具卫 所 以 月 一 式 中 为液 流 各层 之 间单位面 积 上 的相互摩 擦力 ， 以达 因 厘 米 “ 表 示 。 、 ， 、二 、 ，， ， ， ， ， 一 。 ， ， 、 一 石二了 刀 战 掀 合坛 刊 阴 相 坷 迷厌姊 厦 ， 以 入 厘 米 秒 厘 米 牛 表 示 。 秒 代入 式 月 一下片石产 一 达 因 厘米 秒 达 因 · 秒 厘 米 单位称为泊 。 粘滞系数 月 又称 绝对 粘度 ， 简称 粘度 。 通 常高炉渣在 ℃时 粘度为 泊 。 一 、 测 量设 备 测 量结 构 属 于 旋 转式 ， 它适用 于 测量 各种 炉渣及熔融 金 属 的粘度 ， 具有很宽 的测量 范 围 ， 量 程为。 泊 ， 并具有良好 的精度 ， 仪表指示误差为 土 。 测 量 设备如 图 所 示 。 ‘ 图 小 电机 转轴 钢丝 高匆脉冲 发生器 积 分记忆 电路 发生 冲座料祸 检器积仪炉热石铜数渣柑丫高朔刚分叨测字片壳频液蜗玉丝墨内电偶脉头杆柑填垫管 卫 ‘ ﹃上， ’。 日 乡 了， 口 卫 二和 数字须率 计 叶 一 ， 扮 记录 仪 上上‘， 八任一几 酥 目动，﹃ 记 忆 电路 颇率 计 … 函数 记 录 主 叮︸口
二、测量原理 参看图1，恒速转动的小电机，减速后转速为，通过吊挂的钢丝带动石墨杆作同速n 转动，下端为方头的石墨杆插入高温渣液中。由于渣液具有的粘滞性，就有一个摩擦阻力作 用于石量测头上，这个摩擦力矩M的大小和粘度η及转速n成正比。又由于钢丝直径很细(d 0.1~0.3m/m),转动状态时在靡擦力矩M的作用下，钢丝产生一个扭角中，在钢丝的弹 性极限以内时，扭角中就反映了这个力矩M的大小，并且成正比线性关系。 所以 中cMc门·n 将比例式确立为一个等式，则引入比例常数(1/K),则有 中=(k)nn 所以 n=K.中 (2) n 式(2)中的中/n实质上就是以n的角转速，转过中角所需要的时间t,所以有 中=t(时间) 代入(2)式可写成 n=K。t (3) 式中K称设备常数，式(3)为本文测定粘度的基本公式。只要将t测出，门就可求得。 问题的关键是在旋转的动态中测t。 三、检测电路 为了将上式(3)中的t测出，应用感应脉冲电路来检测。原理电路图如图2，它是设备 图1中的15~19的具体化。有些粘度计是应用灯影及光敏管来产生脉冲进行测量的，缺点是 受室外光线、炉子辐射光的干扰很大。炉子的高温热、灯影亮度的稳定性等因素都对测量精 度有很大影响。而采用感应脉冲电路，则能完全排除这些弊病，它具有不接触、遥惑的特 点，不怕光、不伯热，重现性好。在数据的计数、记忆过程中应用集成电路运算放大器，以 达到良好的线性。 116
二 、 测量原 理 参看图 ， 恒速 转动的小电机 ， 减速后 转速为 ， 通 过 吊挂的钢丝带 动石墨 杆 作 同速 转 动 ， 下端为方头的石墨杆插 入 高 温渣液中 。 由于渣 液具有的粘滞性 ， 就 有一个摩擦 阻力作 用 于石墨测头上 ， 这个摩擦 力矩 的大小和 粘度” 及 转速 成正 比 。 又 由于 钢丝直 径很 细 。 。 ， 转动状态 时在摩擦力矩 的作 用下 ， 钢丝 产生一个扭 角 小 ， 在钢 丝 的弹 性极 限 以内时 ， 扭 角小就反映了这个力矩 的大小 ， 并且成正 比线性关系 。 所 以 小 ” · 将 比例式 确立为一个 等式 ， 则引入 比例常数 ， 则 有 、 甲 气一万矛 皿、 所 以 二 小 一 孟 、 一二一一 式 中的小 实质上就是 以 的角转速 ， 转过 小角所 需要的时 间 ， 所 以有 主 一 时 间 代入 式 可写成 · 式 中 称 设备常数 ， 式 为 本文 测定粘度的 基本公式 。 问题 的关键是 在旋 转的 动态中测 。 只 要将 测 出 ， 月 就可求得 。 三 、 检测电路 为了将上式 中的 测 出 ， 应 用感应 脉冲电路来检测 。 原理 电路图如 图 ， 它是 设备 图 中的 的具 体化 。 有些 粘度计是应 用灯影及光 敏管 来产生脉冲进行 测 量的 ， 缺点是 受 室外光线 、 炉子辐射光的干扰很大 。 炉子 的高温热 、 灯影 亮度的稳定性 等因素都对测盆精 度有很大影 响 。 而采 用感应 脉冲电路 ， 则能完全排 除这些弊病 ， 它具有不 接触 、 遥感的特 点 ， 不 怕光 、 不 怕热 ， 重 现性好 。 在数据 的计数 、 记忆过程 中应 用 集成 电路运 算放大器 ， 以 达到 良好 的线 性
试1液 门 相 4110.08 1251 17.2.2 C0 AS/ 2 414 10.0c08/c1850021 高 首 道美 117
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四、电路简介 (一)粘度数字显示部分 BG!、BG2、BG,组成高频振荡脉冲发生器，其中L1、L2一对线圈是整个电路的检测 敏惑元件，它单独构成检测头15，L1+L2是串联安装。BG1是电感三点式高频振荡器(f= 10兆周/秒)L1、L2、C:串接在BG1发射极回路上。D,作高频检波用，BG2是低频放大， BG是射极跟随器输出级。电路工作时BG,起振，就有高频电流流过L1、L2及C,产生高 频交变空间磁场，·当固定在2上的铜片5旋转在测头15(L:+L,)旁边经过时，铜片切割 磁力线（铜片与测头的近距离约6mm),在铜片上产生感应涡流及足够大的反磁通，使L1、 L,原有磁通及交流阻抗发生一个突变，BG!由振荡而 立即停振。在BG。的发射极电阻R,上便输出一个正脉 冲1，如图3所示。在设备静态时，铜片5与6是对齐 的。在旋转动态下，由于粘度及钢丝扭角中的作用，使 6与5错开一个距离，6落在5的后边，当6也经过测 头旁边时，同样也产生一个正脉冲2。脉冲1与脉冲2 时间 的时间间隔t,就是式(3)门=K·t中的t。将这个脉 冲间隔的讯号输入到五位数字显示仪表（数字频率计）， 图3 便直接读出t的数值。例如t=1203mS(毫秒)。代入 式(3)η=K·t便能求出粘度数值。t是随试样的成分及温度变化的参数。 设备常数K的标定： 将式(3)移项得 K=n 可用标准试样蓖麻油常温下在设备上标定，测出其t值，而蓖麻油的1可根据当时的油 温从手册中查出，代入便能算出K值。求K时的转速应和测定炉渣时的转速n一样(n=10 转/分)，在每次更换钢丝、石墨杆时都要重新标定一次K值。测大粘度时用粗钢丝，小粘 度用细钢丝。 (二)自动记录曲线部分 将脉冲间隔毫秒值变换成电压毫伏值，进行自动记录并绘画出粘度（η）一温度(T)曲 线，是由积分运算及计数记忆电路来完成的。此t值例如为1203m5,是石墨杆每转-一圈出现 一次的数，是个间断的不连继的数值，要变换成连续的毫伏值，才能输入到x一y函数记录仪 仪的y轴端。并同时将渣液温度，-例如1500℃（相当于15.504毫伏)输入到记录仪的x轴端， 便能在测定过程中绘画出门一T关系山线。经实际测定，其典型图形如图4所示。曲线1为 “短渣”，一般为碱性渣，有较明显的转折点M(凝固温度)，曲线2为“长渣”，一般为 酸性渣，没有明显的转折点。可见】一T曲线形状随试样的成分及温度而变化。 BG、BGs等组成双稳态触发器，它将脉冲1及2变换成一个宽脉冲3，如图5所示。 脉冲3的高度是恒定的电压值，而它的宽度却完全等于脉冲1、2的间隔t。集成电路运算 放大器BG,(5G23B)则对脉冲3进行积分，如图5中4的波形，是一个线性极好的锯齿 波，其线性是由运算放大器来保证的。BG。场效应管起开关作用，对讯号峰值过后进行 零。积分结果即锯齿波的高度（电压毫伏）则正比于t,而且是严格的线性关系。从而完成 118
四 、 电路简介 一 粘度橄字显示部分 ， 、 、 组成高频振 荡脉冲发生器 ， 其中 、 一对线 圈是 整个电路 的检测 敏感元件 ， 它单独构成 检测头 ， 是 串联安装 。 是电感三 点式高频 振 荡器 “ 二 兆周 秒 、 、 串接在 发射 极 回路上 。 作高频 检波用 ， 是低频放大 ， 是射极跟随器输出级 。 电路工 作时 起振 ， 就 有高频 电流流过 ，、 及 ， 产生高 频 交变空间磁场 ， 当固定在 上的铜片 旋 转在 测 头 旁边 经过时 ， 铜片切 割 磁力线 铜片与测 头的近距 离约 ， 在 铜片上产生感应 涡 流及足够大的反磁通 ， 使 、 原 有磁通 及交 流阻抗发生一个突变 ， 由振 荡而 冲脉 曰以日匕 士脉冲一 压电 立即停振 。 在 的发射 极 电阻 ， 上便输 出一个正 脉 冲 ， 如 图 所 示 。 在 设备静态对 ， 铜片 与 是对齐 的 。 在 旋 转动态 下 ， 由于粘 度及 钢丝扭 角 小的作用 ， 使 与 错开一个 距 离 ， 落在 的后边 ， 当 也经过 测 头旁边 时 ， 同样也产生一个正 脉 冲 。 脉 冲 与脉冲 的时间间隔 ， 就 是式 ” · 中的 。 将这个脉 冲间 隔的讯号输入 到五位数字显示仪表 数字频率计 ， 便直接读出 的数值 。 例如 毫秒 。 代 入 时问 图 式 劝 ‘ 便能求出粘 度数值 。 是随试 样的成 分 及 温度变化 的参数 。 设备常数 的标定 将式 移项得 斗 可用 标准试样蓖麻油常 温下在设备上标 定 ， 测 出其 值 ， 而蓖麻油的 月 可根据 当时 的油 温从手册中查 出 ， 代入 便能算出 值 。 求 时的 转速应 和测定炉渣时 的转速 一样 转 分 ， 在每次更换 钢丝 、 石墨杆时都 要重 新标 定一次 值 。 测大粘度时用 粗 钢丝 ， 小粘 度用 细钢丝 。 二 自动记录曲姚部分 将脉冲间隔毫秒值 变换成 电压毫伏值 ， 进行 自动记 录 并绘 画 出粘度 一 温度 曲 线 ， 是 由积 分运 算及计数 记忆 电路来完成 的 。 此 值例如 为 ， 是石墨杆每 转一 圈 出现 一次的数 ， 是个间断 的不 连继 的数值 ， 要变换成 连续 的毫伏值 ， 才能输入 到 一 函数记 录仪 仪 的 轴端 。 并同时将渣液 温度 ， 一 例如 ℃ 相 当于 毫伏 输入 到记 录仪 的 轴端 ， 便能 在 测 定过 程 中绘 画 出 一 关 系 曲线 。 经 实际 测定 ， 其典型 图形 如 图 所 示 。 曲线 为 “ 短渣” ， 一般为碱 性渣 ， 有较明显 的 转折点 凝 固 温度 ， 曲线 为 “ 长渣” ， 一般为 酸性渣 ， 没 有明显 的转折点 。 可见 月一 曲线 形状随 试 样的成 分 及 温度而变 化 。 ‘ 、 。 等组成双 稳态触 发器 ， 它将脉 冲 及 变换成一 个宽脉冲 ， 如 图 所 示 。 脉 冲 的高度是恒定的 电压值 ， 而 它的宽 度却完全等于脉 冲 、 的间隔 。 集成 电路运 算 放大器 ， 则对脉冲 进行 积 分 ， 如 图 中 的波形 ， ， 其线 性 是由运 算放大器来 保证的 。 。 场效应 管 起开关作用 ， 是一个线 性极好 的锯 齿 对讯 号峰值过 后进 行 置 。 积 分结果 即锯 齿波的高度 电压毫伏 则 正 比 于 ， 而且 是严 格 的线 性 关系 。 从 而完 反 零波