1. Постановка задачи

Для многих химических и пищевых производств вязкость является одним из главных показателей, однозначно определяющих качество выпускаемой продукции. В тоже время многие производства оснащены морально устаревшими приборами, которые, как правило, не отвечают современным требованиям к качеству измерений. Учитывая данное обстоятельство и дороговизну современных вискозиметров, нами спроектирован комбинированный вискозиметр ВРК-1, общий вид которого представлен на рис.1, а.

2. Описание решения

Предлагаемый вискозиметр позволяет совмещать измерение вязкости с изучением упругости, релаксации напряжений и тиксотропии в рамках оценки структурности консистентных сред. Схема измерительного блока вискозиметра представлена на рис.1, б.

Очевидным преимуществом предлагаемого вискозиметра является возможность измерения вязкости как в режиме постоянного момента, так и постоянной скорости сдвига.

Измерение вязкости в режиме постоянного момента осуществляется посредством нагружения грузами, устанавливаемыми в чашку 2 (рис.1, а). В процессе измерения ротор 7 жестко фиксируется, а статор 6 приводится во вращение от опускающейся чашки с грузами. При данной схеме измерений коромысло 22 демонтируется.

Измерение вязкости в режиме постоянной скорости сдвига реализуется посредством вращения ротора 7, приводимого в движение посредством зубчато-ременной передачи от асинхронного электродвигателя с частотным регулятором. При этом момент от сил вязкого трения в измерительных зазорах 8 и 9 передается на статор б и далее - через эксцентрик 15 (рис. 1, в) и коромысло 22 на датчик момента 23.

3. Используемое оборудование и программное обеспечение

В соответствии с расчетной схемой измерительного блока построена система автоматизации на базе ЭВМ, структура которой приведена на рис.2. с

Измерение угловых скоростей ротора и статора осуществляется с помощью фотопрерывателей KTIR0221DS фирмы KingBright, обеспечивающих время отклика не более 0,4 мкс при амплитуде импульса в 2В.

Регистрация момента от сил вязкого трения при измерениях в режиме постоянной скорости сдвига осуществляется с помощью пьезоэлектрического датчика FSL05N2C фирмы Honeywell с диапазоном измерения 0...500 г. Необходимые точность и диапазон измерений момента могут регулироваться посредством изменения положения датчика 23 относительно коромысла 22 вискозиметра (рис. 1, в).

Частота вращения ротора регулируется с помощью преобразователя частоты SV004JG5-1U-RUS фирмы LG (0,37 кВт; 0,1...400 Гц).

Система регулирования температурного режима вискозиметра представлена рубашкой в корпусе вискозиметра, в которую подается трансформаторное масло из термостата U7^C MLW. Для обеспечения более гибкого температурного регулирования стандартный блок управления термостатом заменен блоком управления, по строенном на тиристорной оптопаре МОС3063 фирмы FireChild и термисторе ТРА-1 (80...600К;-0,2...-2,3%/К).

а)

б)

в)

Рис. 1. Общий вид (а) вискозиметра ВРК-1 со схематичным (б) и натурным (в) представлением его измерительного блока: 1 - преобразователь частоты; 2 - чашка с грузами; 3 - ролик; 4 - корпус; 5 - дверца; 6 - статор; 7 - ротор; 8 - кольцевой измерительный зазор; 9 - конический измерительный зазор; 10-12 - подшипники; 13 -нить; 14 - шкив статора; 15 - эксцентрик; 16 - датчик угловой скорости статора; 18 -кронштейн; 19 - косынка; 20 - механизм фиксации статора; 21 - отсчетный диск статора; 22 - коромысло; 23 - датчик момента.

Все элементы системы измерения и управления вискозиметра полностью компьютеризированы и не требуют дополнительных средств локального управления. Сигналы от датчиков температуры, угловой скорости и момента поступают на коммутатор NI SCB-68, аналогово-цифровой преобразователь NI PCI-6040E и ЭВМ (рис. 2), где далее обрабатываются программно.

Рис.2. Схема автоматизации измерения вязкости.

Для данной системы измерений с помощью программного комплекса LabVIEW 7.1 разработан управляющий алгоритм (виртуальный прибор), лицевые панели которого представлены на рис.3, а один из ключевых фрагментов блок-диаграммы - на рис.4.

В процессе работы управляющего алгоритма пользователь может выбрать один из трех режимов его работы (рис. 4, б): сбор данных с вискозиметра; анализ собранной информации; статистическую обработку собранной информации.

В режиме сбора данных (рис. 4, а) пользователь в динамике получает информацию в графическом и числовом вариантах об угловых скоростях на валах статора и ротора, температурном режиме и моменте сил вязкого трения, может регулировать частоту вращения ротора и температуру среды с помощью соответствующих виртуальных элементов. Дополнительной функцией этого режима является функция записи в файл данных для последующего анализа.

Режим анализа собранной информации (рис. 4, а) позволяет пользователю с помощью ранее сохраненных файлов данных формата Mvm более детально изучить динамику процесса нагружения среды и выявить его переходные и установившиеся периоды.

В режиме статистической обработки собранной информации пользователь, выбрав необходимый файл данных (Mvm) и задав временные границы установившего периода измерения (рис. 4, в), получает информацию о среднем значении вязкости в этом интервале (рис. 4, г).

а)

б)

в)

г)

Рис.3. Лицевые панели управляющего алгоритма системы автоматизации вискозиметра.

Рис.4. Фрагмент блок-диаграммы управляющего алгоритма системы автоматизации вискозиметра.

4. Внедрение и развитие решения

В ходе первоначального тестирования разработанной системы измерения вязкости были выявлены две серьезных проблемы:

1. Значительная инерционность в системе температурного регулирования, обусловленная неудачной конструкцией термостата и низкой теплопроводностью масла, используемого для термостатиррвания.

2. Низкая точность измерения стандартными компонентами LabVIEW на низких частотах импульсов (менее 5-7 Гц) датчиков угловых скоростей.

Первая проблема была решена путем изменения режима рециркуляции в термостате и модификацией алгоритма для обеспечения гибкого регулирования мощности нагревательных элементов, а вторая - разработкой собственного алгоритма определения угловой скорости,

Отладка алгоритма и модификация термостата позволили уменьшить погрешность измерения вязкости до 2..3%, что обеспечило возможность использования вискозиметра не только в учебных, но и научных целях.