Бироторный вискозиметр

Полезная модель относится к приборам для исследования реологических свойств жидкостей и может использоваться в автомобильной, химической, пищевой промышленности, в медицине. Полезная модель представляет собой бироторный вискозиметр с двумя коаксиальными цилиндрами, приводимыми во вращение от двигателя постоянного тока, содержит оптоэлектронную систему на базе оптопар с открытым оптическим каналом, работающих на просвет, перфорированные диски, устройство ввода, жидкокристаллический индикатор, блок управления двигателями постоянного тока и микроконтроллер, а также дополнительно содержит электромагнитную муфту с блоком управления, при этом крутящий момент от двигателя к наружному цилиндру передается посредством упругого элемента и электромагнитной муфты. Бесконтактная оптоэлектронная измерительная схема позволяет определить частоту вращения каждого цилиндра и момент сопротивления вращению, который является функцией угла закручивания упругого элемента. Для поддержания постоянства значений угловых скоростей роторов используется блок управления двигателями, преобразующий управляющие сигналы от микроконтроллера, сформированные на основе сравнения текущих значений скорости с заданными.

Полезная модель относится к приборам для определения реологических свойств жидких сред и может использоваться в химической, пищевой, автомобильной, промышленности, медицине.

Предлагаемая полезная модель относится к типу ротационных вискозиметров, представляющих собой два коаксиальных цилиндра, при этом вязкость жидкости является функцией момента сопротивления вращению.

Известен ротационный вискозиметр дифференциального типа, содержащий внутренний цилиндр, помещенный в исследуемую жидкость, заполняющую наружный цилиндр, соосный с внутренним, причем оба цилиндра приводятся во вращение от двигателя постоянного тока, при этом момент сопротивления измеряется посредством системы датчиков Холла с встроенными магнитами [1].

Недостатком данного устройства является сложность системы измерения сопротивления среды.

Известен также бироторный вискозиметр, содержащий два коаксиальных цилиндра, приводимых во вращение от независимых двигателей постоянного тока, три оптопары с открытым оптическим каналом, усилители мощности сигналов, фазовый детектор, фильтр низких частот, а также микроконтроллер, имеющий обратную электрическую связь с обоими двигателями, а поверхность цилиндров представляет собой чередование светлых и темных полос [2].

Недостатком данного устройства является невысокая точность определения скорости вращения двигателей, сложность аппаратной реализации алгоритма определения момента сопротивления, а также повышенные требования к изготовлению цилиндров.

Известен также бироторный вискозиметр, содержащий два коаксиальных цилиндра, приводимых во вращение от независимых двигателей постоянного тока, оптоэлектронную систему на базе оптопар с открытым оптическим каналом, работающих на просвет, блок управления двигателями, микроконтроллер, устройство ввода, которое используется для задания скорости и направления вращения двигателей при работе устройства в автономном режиме, LCD дисплей, отображающий действительные значения скоростей цилиндров и момента сопротивления среды, при этом крутящий момент от двигателя к наружному цилиндру передается посредством упругого элемента. [3]

Недостатком данного устройства является узкий диапазон измеряемой вязкости и недостаточная точность измерений.

Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей прибора (расширение диапазона измерения вязкости) и упрощение схемы измерения скорости двигателей при обеспечении высокой точности и измерений.

Поставленная задача решается тем, что бироторный вискозиметр представляет собой систему из двух коаксиальных роторов-цилиндров, каждый из которых приводится во вращение от двигателя постоянного тока, содержит оптоэлектронную систему на базе оптопар с открытым оптическим каналом, работающих на просвет, блок управления двигателями, микроконтроллер, устройство ввода, которое используется для задания скорости и направления вращения двигателей при работе устройства в автономном режиме, а также дополнительно содержит электромагнитную муфту с блоком управления, при этом крутящий момент от двигателя к наружному цилиндру передается посредством электромагнитной муфты и упругого элемента.

Бесконтактная оптоэлектронная измерительная схема позволяет определить частоту вращения каждого ротора и момент сопротивления вращению, который является функцией угла закручивания упругого элемента.

На фиг.1 приведена принципиальная схема вискозиметра.

Вискозиметр содержит наружный цилиндр 1, заполненный исследуемой средой 2, приводимый во вращение посредством реверсивного двигателя постоянного тока 3, упругой муфты 4 и электромагнитной муфты 5, и внутренний цилиндр 6, приводимый во вращение от двигателя постоянного тока 7. Двигатели крепятся к общему основанию (на схеме условно не показано).

На вал двигателя 3, а также на торцевые поверхности электромагнитной муфты 5 и цилиндра 6 насажены перфорированные диски, соответственно 8, 9 и 10.

Диски 8 и 9 вращаются в зазоре между излучателем и приемником оптопары 11, работающей на просвет и служащей для определения угла закручивания упругого элемента 4 и угловой скорости вращения наружного цилиндра 1. Диск 10 вращается в зазоре открытой оптопары 12, служащей для определения угловой скорости вращения внутреннего цилиндра 6. Оптопары 11 и 12 состоят из излучающего диода и фотоприемника ИК-диапазона.

Сигналы с приемников оптопар 11 и 12 поступают на входные линии микроконтроллера 13, который осуществляет расчет основных параметров (текущих значений угловых скоростей роторов и момента сопротивления), управление двигателями при помощи стандартного блока управления двигателями постоянного тока 14, а также управление электромагнитной муфтой 5 при помощи блока управления электромагнитной муфтой 15. Для формирования задающих параметров служит устройство ввода 16.

Оптопары 11, 12, микроконтроллер 13, блоки управления 14, 15, устройство ввода 16 и ЖК индикатор 17 коммутируются с блоком питания 18.

Алгоритм измерения угловой скорости внутреннего цилиндра следующий. На внутреннем цилиндре 6 укреплен диск 10 с k прорезями, выполняющий функцию прерывателя светового потока оптопары 12. В результате вращения цилиндра 6 наблюдается 2k смен уровня освещенности оптического датчика 12. Полученный в цифровой форме сигнал обрабатывается программными средствами в микроконтроллере 13; при этом вычисляется количество импульсов на нулевом и единичном уровнях в определенном временном интервале с использованием сигнала от встроенного генератора тактовой частоты в качестве эталона времени. Результатом обработки исходного сигнала является текущие значения скорости вращения двигателя, отображаемые на ЖКИ 17.

Измерительная система наружного цилиндра 1 представляет собой два перфорированных диска 8 и 9, один из которых соединен непосредственно с валом двигателя 3, а другой с наружным цилиндром через упругий элемент 4 и электромагнитную муфту 5, вращающихся в зазоре открытой оптопары 11. Диски 8 и 9 первоначально установлены таким образом, что их прорези совпадают. Вследствие вязкости исследуемой среды при вращении цилиндра 1 происходит деформация (закручивание) упругого элемента муфты 4. В результате изменяется скважность сигналов, получаемых с приемника оптопары 11. По характеру изменения скважности импульсов можно судить о деформации упругого элемента 4, которая, в свою очередь, зависит от момента сопротивления среды. Электромагнитная муфта 5 позволяет создавать крутящий момент, противодействующий моменту сопротивления среды, что позволяет не допускать критических деформаций упругого элемента 4. Также это позволит расширить диапазон измеряемых вязкостей и точность измерений.

Результатом обработки исходного сигнала является текущие значения скорости вращения двигателя, момента сопротивления, корректирующего момента, отображаемые на ЖКИ 17, а также массив значений, отражающий длительность освещенного и неосвещенного состояния оптических датчиков 11 и 12, хранящийся в памяти ПЗУ микроконтроллера.

Микроконтроллер 13, имеющий обратную связь с двигателями 1 и 2, запрограммирован на различные режимы работы и может проводить комплекс непрерывных измерений в широком диапазоне скоростей вращения обоих цилиндров.

Основным условием измерения момента сопротивления является постоянство скоростей вращения роторов, реализуемое использованием блока управления двигателями постоянного тока, который преобразует управляющие сигналы от микроконтроллера, сформированные на основе сравнения текущих значений скорости с заданными.

Привод механизма регулирования положения внутреннего цилиндра 6 по высоте состоит из двигателя 19, закрепленного на общем основании с двигателем 3, и шариковинтовой передачи 22. Данный механизм служит для вертикального перемещения платформы 20 с двигателем 7 вдоль направляющей 21. Для ограничения перемещения платформы 20 служат датчики конечного положения 23. Такой механизм подъемника позволяет исследовать зависимость момента сопротивления среды в зависимости от глубины погружения внутреннего ротора в жидкость, а также беспрепятственно производить смену исследуемых образцов и экономить время, автоматизируя этот процесс.

Предлагаемая конструкция бироторного вискозиметра позволяет существенно расширить диапазон измеряемых величин и повысить точность измерений.

Используемые источники

1. Патент на полезную модель 36527, кл. G01N 11/00. 2004 г.

2. Патент на полезную модель 43648 Россия, МКИ G01N 11. 2005 г.

3. Патент на полезную модель 63532 Россия, МКИ G01N 11, 2007.

Бироторный вискозиметр, содержащий два коаксиальных цилиндра, приводимых во вращение от независимых двигателей постоянного тока, две оптопары с открытым оптическим каналом, работающие на просвет, перфорированные диски, устройство ввода для задания режима работы, жидкокристаллический индикатор, необходимый для отображения результатов измерений, блок управления двигателями постоянного тока, а также микроконтроллер, имеющий обратную электрическую связь с обоими двигателями, отличающийся тем, что он дополнительно содержит электромагнитную муфту и блок управления ей, а также привод механизма регулирования положения внутреннего цилиндра по высоте, включающий двигатель постоянного тока и шариковинтовую передачу.