БИРОТОРНЫЙ ВИСКОЗИМЕТР

Полезная модель относится к приборам для исследования 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 конструкции 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.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей прибора и упрощение схемы измерения момента сопротивления при обеспечении высокой точности и измерений.
Поставленная задача решается тем, что бироторный вискозиметр представляет собой систему из двух коаксиальных цилиндров, каждый из которых приводится во вращение от двигателя постоянного тока, дополнительно 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, LCD дисплей, отображающий действительные значения скоростей
цилиндров и момента сопротивления среды, при этом крутящий момент от двигателя к наружному цилиндру передается посредством упругого элемента.
Бесконтактная оптоэлектронная измерительная схема позволяет определить частоту вращения каждого цилиндра 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 и упругой муфты 4, и внутренний цилиндр 5, приводимый во вращение от двигателя постоянного тока 6. Двигатели крепятся к общему основанию (на схеме условно не показано).
На вал двигателя 3, а также на торцевые поверхности цилиндров 1 и 5 насажены перфорированные диски, соответственно 7, 8 и 9.
Диски 7 и 8 вращаются в зазоре между излучателем и приемником открытой оптопары 10. Диск 9 вращается в зазоре открытой оптопары 11. Оптопары 10 и 11 состоят из излучающего диода ИК-диапазона и фотоприемника.
Сигналы с приемников оптопар 10 и 11 поступают на входные линни микроконтроллера 12, который осуществляет расчет основных параметров (текущих значений угловых скоростей роторов и момента сопротивления), а также управление двигателями при помощи стандартного блока управления двигателями постоянного тока 13. Для формирования задающих параметров служит устройство ввода 14.
Оптопары 10, 11, микроконтроллер 12 и блок управления 13 коммутируются с блоком питания 15.
Алгоритм измерения угловой скорости внутреннего цилиндра следующий. На внутреннем цилиндре укреплен диск 9 с k прорезями, выполняющий функцию прерывателя светового потока оптопары 11. В результате вращения ротора наблюдается 2k смен уровня освещенности оптического датчика. Полученный в цифровой форме сигнал обрабатывается программными средствами в микроконтроллере 12; при этом вычисляется время продолжительности импульсов на нулевом и единичном уровнях 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 16.
Измерительная система наружного цилиндра представляет собой два перфорированных диска, таким образом, что один из них соединен непосредственно с валом двигателя, а другой - упругим элементом 4 с наружным цилиндром. Вследствие
наличия сопротивления среды вращению происходит деформация упругого элемента муфты 4. В результате изменяется скважность сигналов, получаемых с приемника оптопары 10. По степени изменения скважности импульсов можно судить о деформации упругого элемента, которая, в свою очередь, зависит от момента сопротивления среды.
Результатом обработки исходного сигнала является текущие значения скорости вращения двигателя и момента сопротивления, отображаемые на ЖКИ 16, а также массив значений, отражающий длительность освещенного и неосвещенного состояния оптического датчика, представленный в виде текстового файла формата *.dat.
Микроконтроллер 14, имеющий обратную связь с двигателями 2 и 5, 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.
Предлагаемая конструкция бироторного вискозиметра позволяет исследовать реологические свойства жидких и двухфазных сред в условиях управляемого центробежного поля в широких пределах градиентов сдвиговых скоростей, а также существенно упростить бесконтактную схему измерения скоростей цилиндров и момента сопротивления среды, увеличить точность измерений при обеспечении их высокой автоматизации, дает возможность производить измерения в автономном режиме.
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.