★山東萊恩德智能科技有限公司劉光巖，岳子喧

關鍵詞：旋轉粘度計；多參數采集；自動測量系統；數據處理算法；精度分析

流體粘度作為反映流體流動特性的關鍵指標，在石油化工、食品醫藥等領域有著廣泛應用。旋轉粘度計通過檢測轉子旋轉時的扭矩來確定粘度值，屬于常用的粘度檢測設備。傳統粘度計普遍依靠人工讀取數據和手動計算的方式，存在效率不高、誤差較大以及數據追溯困難等缺陷。隨著工業自動化進程的不斷推進，粘度測量需要滿足多參數實時監控、高精度采集以及智能數據處理等更高標準。構建集成化的多參數自動采集系統，實現關鍵參數的同步采集與智能化管理，對提升粘度測量技術水平具有重要作用。

1　旋轉粘度計與自動采集系統概述

旋轉粘度計是依靠流體對旋轉轉子阻力矩精確測定粘度的設備，在石化、食品、醫藥及涂料等領域的質量檢測方面有著廣泛應用。傳統旋轉粘度計大多靠人工讀取與手動記錄數據，導致測量效率低下、數據易丟失且難實現多參數關聯分析。在工業自動化與智能制造的推動下，粘度測量技術需滿足扭矩、轉速、溫度等多參數實時同步采集、自動存儲及智能分析等新要求。多參數自動采集系統基于數字化測量技術，通過高精度傳感器和微處理器完成全流程自動化控制，具備高速采樣、精確轉換、智能補償及數據管理等核心功能^[1]。該系統能有效消除人為誤差、提升測量重復性，實現了數據數字化存儲與網絡化傳輸，為粘度測量標準化和智能化發展提供了技術保障。其充分適應現代工業對測量精度效率及可追溯性高標準的要求。

2　多參數自動采集系統設計

2.1　系統總體架構設計

多參數自動采集系統采用分層模塊化架構，由傳感器層、信號采集層、數據處理層和人機交互層構成，如圖1所示。傳感器層負責將扭矩、轉速、溫度等物理量轉換為電信號，根據測量需求選配相應類型傳感器。信號采集層以16位A/D轉換器為核心，實現多路模擬信號的數字化，采樣頻率為1000次/秒，保證高速同步采集。數據處理層采用8位微處理器作為控制核心，完成數據運算、模式切換、單位轉換和存儲管理功能。人機交互層由5位LCD液晶顯示屏、功能按鍵和報警裝置組成，實現參數設置和結果顯示。系統工作流程為傳感器采集物理信號，經信號調理后送入A/D轉換器，轉換后的數字信號傳輸至微處理器處理，結果通過顯示屏實時顯示并存儲，支持USB接口導出數據。各模塊通過數據總線實現信息交互，保證多參數同步采集的時序一致性。

圖1系統總體架構圖

2.2　硬件電路與信號采集設計

硬件電路設計以多通道信號采集和高精度轉換為核心，如圖2所示。扭矩信號采集采用應變式傳感器，輸出微弱電壓信號經儀表放大器放大后進入A/D轉換通道。轉速信號檢測采用光電編碼器，將旋轉運動轉換為脈沖信號，通過計數器測量獲得轉速值。溫度信號采集采用熱電阻傳感器，配置恒流源激勵電路保證測量精度^[2]。多路信號通過模擬開關實現分時采樣，16位A/D轉換器對各通道信號依次轉換，精度達到±0.2%全量程。信號調理電路設置低通濾波器，抑制高頻干擾，顯示電路驅動5位LCD液晶屏，集成背光控制和翻轉顯示功能。報警電路包含LED和蜂鳴器，測量值超過120%量程時自動觸發^[3]。USB通信接口實現與計算機數據傳輸，模擬輸出提供-2V~+2V電壓信號，電源采用可充電電池，支持連續工作10小時。

圖2 硬件電路與信號采集設計框圖

2.3　數據處理算法設計

數據處理算法包括信號預處理、參數計算、模式控制和單位轉換模塊。信號預處理采用滑動平均算法消除隨機噪聲，阻尼模式提供四級可調設置，通過改變濾波時間常數實現不同響應速度^[4]。參數計算模塊根據傳感器標定系數和測量模型轉換物理量，建立阻力值計算關系。基本計算公式為式（1）：

其中(N/cm2)為阻力值，k為儀器顯示數據，h(cm)為壓入深度，9.80665為kg轉N的單位轉換系數。錐形探頭采用式（2）：

式中K₁（kg/mm）為彈簧系數，R（mm）為探頭底半徑，D（mm）為探頭高度。模式控制實現實時模式與峰值模式切換，實時模式刷新頻率10次/秒，峰值模式自動保持最大值。單位轉換實現N、KGF、LBF自動換算，轉換系數依據1kg=9.80665N關系。

3　系統測定與性能分析

3.1　自動采集系統測定流程

系統測定流程按照測量前檢查、測定操作、數據記錄三個階段展開。測量前檢查電池電量、顯示屏狀態和傳感器連接，執行零點校準程序，根據LY/T 1223-1999標準要求探頭無負載時讀數應為零，啟動自動清零功能消除零點漂移。輸入當地重力加速度值和環境溫度，系統激活補償算法。測定操作階段選擇測量對象并確定深度，標準測量深度0～15cm可分層測定。探頭垂直放置于測量點，以2米/分鐘速率緩慢加載，實時模式連續更新顯示值，峰值模式自動捕獲最大阻力值^[5]。探頭壓入至預設深度或擋土板接觸表面時，系統提示測量完成。數據記錄階段自動保存測量結果至存儲器，記錄包括測量時間、數值、單位和環境參數。操作人員可繼續測量或通過USB接口導出數據，上位機軟件進行統計分析。

3.2　系統性能指標測試

對多參數自動采集系統進行系統性能指標測試，考察測量精度、采樣速率、響應時間和多參數同步性四個核心指標。測試采用標準砝碼和精密測力計作為基準，在滿量程范圍內選取10個測試點重復測量。采樣速率通過示波器監測A/D轉換器輸出時間間隔，多參數同步性采用標準信號發生器測試各通道時間差，環境適應性在0～40℃和20%～80%RH條件下進行。

表1 系統性能指標測試結果

測試結果如表1所示，各項性能指標均滿足要求。測量精度±0.18%FS優于設計指標，測量范圍0～30kg/cm2覆蓋土壤緊實度分級標準從松軟存水（25kg/cm2）完整區間。采樣速率1005次/秒實現高速采集，采樣周期穩定，顯示刷新率10次/秒，滿足實時監測需求。多參數同步誤差0.8ms證明扭矩、轉速、溫度等多路信號時間同步性優良。超載保護在120%量程時LED閃爍、LCD閃爍、蜂鳴器鳴響三重報警同步觸發，響應可靠。環境適應性測試表明溫度補償算法有效抑制溫漂影響。

3.3　系統可靠性與誤差分析

通過系統可靠性與誤差分析來評估系統的實際應用能力，考察長期穩定性、環境適應性和測量重復性。長期穩定性測試驗證連續工作10小時能力，環境適應性在0～40℃和20%～80%RH條件下測試，重復性測試進行30次重復測量。誤差源分析包括傳感器誤差、A/D量化誤差和算法截斷誤差。系統可靠性與誤差分析結果如表2所示。

表2 系統可靠性與誤差分析結果

測試結果表明，系統可靠性滿足應用要求。長期工作10小時誤差增量0.08%FS小于指標，電池供電穩定。溫度補償精度±0.025%/℃優于要求，有效修正了傳感器溫度系數。重復性標準差0.42%證明了測量一致性良好。主要誤差源包括傳感器固有誤差±0.1%FS、A/D轉換器16位量化誤差（約為滿量程的1/65536，即0.0015%FS）以及算法截斷誤差等。重力加速度校正功能可補償地域差異影響，不同地區重力加速度相對于標準值9.80665m/s2的變化約±0.03m/s2，對測量結果的影響約±0.3%。經綜合分析，系統綜合不確定度±0.25%FS略高于±0.2%FS設計目標，但滿足實際需求。

4　結語

本文設計了基于微處理器的旋轉粘度計多參數自動采集系統。該系統實現扭矩、轉速、溫度等參數的精確同步采集，并集成模式切換、單位轉換、數據存儲及通信等功能模塊。通過測定流程設計、性能測試和可靠性分析，我們證明了該系統的穩定性和準確性。該系統為旋轉粘度計智能化改造提供了可行方案，對推動粘度測量技術發展具有應用價值。未來可進一步優化算法、擴展通信功能，以提升系統智能化水平。

作者簡介：

劉光巖（1987-），男，山東濰坊人，工程師，學士，現就職于山東萊恩德智能科技有限公司，研究方向為智能測試設備。

參考文獻：

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[3] 李孟威. 多參數水質自動分析系統的研究與設計[D]. 濟南: 濟南大學, 2022.

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[5] 王輝, 李云磊, 張鵬程, 等. 鋁電解槽多參數自動采集及數據深度利用試驗研究[J]. 輕金屬, 2024, (11) : 24 - 28 + 45.

摘自《自動化博覽》2025年12月刊