Ротационный электровискозиметр Советский патент 1983 года по МПК G01N11/14 

Иэобтэетенив относится к устройствам для непрерывного измерения вязкости ньютоновских {неньютрновских жидкостей и предназначено для реологических исследований растворо и расплавов полимеров и других жидких сред в процессе их структурных превращений и при изменяющихся внешних условиях.

Известен лабораторный элёктровискозиметр ЭВИ содержс1щий внутренний цилиндр, закрепленный на валу микрогенератора вместе с ротором синхронного микродвигателя питаемого чере преобразова ель частоты. Катушка микрогенератора включена в компенса ционный мост, являясь одним его плечом. Питание моста осу1цествляет .от феррорезонансного стабилизатора напряжения через фазосдвигающую цепочку. К второй диагонали моста подключен фазочувствительный инди-i кахор содержащий трансформатор, электронную лампу, гальванометр и набор сопротивлений.

На.выходе фазового индикатора появляется напряжение, отклоняющее стрелку гальванометра при разбалансе моста, пропорциональном углу нагрузки синхронного микродвигателя, а следовательно, пропорционально вязкости исследуемого материала. Во становление равновесия моста достигается при. помощи предварительно прогрйдуированного потенциометра, на лимбе которого нанесены деления, по которому .и отсчитывается .вязкость Г .

Существенным недрстатком этого устройства являе.тся температурн1ай уход фазы как из-за прогрева о.бмото микромашины во время работы, так и из-за изменения температуры окружающей среды, что может привести к погрешности, превышающей 50% диапазона измерения. На уход фазы влияет момент изменения трения в подшипниках микромашины как из-за температурных изменений, так и изза старения смазки.

Известен ротационный вискозиметр содержащий - измерительную микромашину, вьптолненную в виде последовательно включенных генератора и двигателя с редуктором, на валу которого укреплен измерительный цилиндр и вторичный прибор. Влияние температуры окружающей среды на измерительную машину исключается там, что прибор снабжен второй микромашиной, выполненной аналогично первой, причем генераторы первой и второй микромашины включены по компенсационной схеме.

Последнее позволяет скомпенсировать температурный уход фазы измерительной микромашины и влияние изменения момента трения в механической части прибора,что позволяет использовать вискозиметр не только в дискретном (с периодической проверкой начальных условий при холотой работе в-искозиметра, т.е. при вынутом из жидкости внутреннем цилиндре), но и. в непрерывном режиме измерения 2 .

Однако полная компенсация температурного и временного ухода фаз недостижима из-за невозможности изготовления совершенно идентичных микромашин. Погрешность измерения в HenpeiMBHoi режиме работы составляет от 4 до 6%. Кроме того, как и в описанном приборе, сохраняется погрешность измерения из-за нестабильности частоты напряжения сети которая даже в промышленной сети достигает 2%, а также величины питающего напряжения, поддерживаемого феррорезонансным стабилизатором с точностью, не более 1,5%, что может приводить к ошибке измерения вязкости более 8%. Маломощный сигнал с выхода фазометра не может быть подан на регулирующие устройства .

Наиболб а близким по технической сущности к предлагаемому является ротационный вискозиметр, содержащий внешний цилиндр., внутренний воспринимс1ющий цилиндр, воспринимающий синхронный двигатель, асинхронный двигатель и схему измерения.

Задача увеличения мощности выходного сигнала наряду с задачей исключения влияния прогрева синхронного микродвигателя и изменения Момента трения в его подшотниках и редукторе решена в ротационИом вискозиметре, содержащем подвижный внутренний цилиндр, связанный с осью синхронного двигателя, и асинхронный двигатель, ось которого соединена с ооью поворотного статора .синхронногодвигателя.

Поскольку в этом приборе весь момент вязкостного трения, приложеный к подвижному внутреннему цилиндру, передается на статор синхронного двигателя и уравновешивается моментом асинхронного двигателя, работающего в статическом режиме, то величина трения в подшипниках синхронного двигателя и в редукторе не влияет на результат измерения, равно как и температурный уход угла нагрузки синхронного двигателя, и нестабильнос его напряжения питания 3j .

Однако сохраняется погрешность, обусловленная изменением частоты напряжения сети. Предъявляются требования к обеспечению малого и неизменного момента трения в подшипниках асинхронного двигателя, что

трудно выполнимо большой массы, подвешенной на его роторе. Поскольку момент уравновешивания асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения питания, то последнее необходимо стабилизировать с большой точностью, обычно ошибка измерения, обусловленная напру ением питания, превышает 2%. к э1ой же величине и близка погрешность, вносимая устройством считывания показаний.. С данным прибором должен всегда находиться оператор для снятия показаний методом уравновешивания .

целью изобретения является увеличение точности показаний прибора, уменьшение чувствительности к внешним условиям и расширение возмож- ности применения.

Поставленная цель достигается тем, что ротационный электровискозиметр, содержащий внешний цилиндр, внутренний воспринимающий цилиндр, воспринимающий синхронный двигатель схему измерения и асинхронный двигатель, имеет дополнительно синхронный двигатель привода внешнего цилиндра, генератор опорной частоты, делитель частоты, управляемый делитель частоты фазометр, аналогоцифровой преобразователь, схему синхронизации, процессор, цифровой индикатор, логическую переключающую схему, два инвертора, коммутируемый источник тока и датчик положения ротора, причем генератор опорной частоты подключен на входы фазометра, делителя частоты и управляемого делителя частоты, выход последнего соединен с одним из импульсных входов логической переключаюгщей схемы, на второй импульсный вход которой включен выход делителя частоты вместе с входами схемы синхронизации и инвертора, связанного с обмотками воспринимающего синхронного двигателя, выход логической переключающей схемы соединен с входом инвертора, включенного на обмотки двигателя привода внешнего цилиндра, а управляющий вход логической переключающей схемы присоединен на выход схемы синхронизации, связанной также с входом коммутируемого источника тока, подключенного к обмоткам асинхронного двигателя , ось ротора которого жестко соединена с осями синхронного воспринимающего двигателя, внутреннего цилиндра и датчика положения ротора, выход которого подключен на второй вход фазометра, выходом присоединенного к входу аналого-цифрового преобразователя, включенного иа входную шину процессора, связанного с цифровым индикатором, а синхронизирующий вход процессора соединен со схемой синхронизации.

На чертеже приведена структурная схема электровискозиметра.

Схема электровискозиметра включает генератор 1 опорной частоты, делитель 2 частоты, фазометр 3, cxetvjy 4 синхронизации, аналого-цифровой преобразователь 5, процессор б, коммутируемый источник 7 тока, инверторы 8 и 15, датчик 9 положе0ния ротора, асинхронный двигатель 10, воспринимсцощий синхронный двигатель 11, внутренний воспринимающий цилиндр 12, внешний цилиндр 13, синхронный двигатель 14 привода

5 внешнего цилиндра, цифровой индикатор 16, логическую переключающую схему 17, управляеьшй делитель 18 частоты (УДЧ,) шину 19 управления УДЧ« ,. .

0

Электровискозиметр работает следующим образомо

Импульсы опорной частоты, вырабатываемые генератором 1, поступают на один из входов фазометра 3, вы5полненного по схеме фазочувствительного детектора, и на входы делителя 2 частоты и управляемого делителя 18 частоты

Коэффициент деления последнего

0 задается цифровым кодом N на входной шине 19.

С выхода делителя 2 частоты импульсы с частотой, равной номинальной частоте iyi вращения синхронных

5 двигателей 11 и 14, поступают на вход инвертора 8 и на импульсный вход лог 1ческой переключающей схемы 17 Инвертор 8, как и инвертор 15, выполнен на транзисторах по од0нофазной мостовой схеме и питается постоянным напряжением, равным действующему значению номинального напряжения питания синхронного двигателя. На выходе инвертора формируется переменное напряжение прямо5угольной формы и номинальной частоты, первая гармоника которого вызывает появление вращающего момента на валу синхронного двигателя.

Высшие гармонические составляющие

0 моменты не вызывают из-за отсутствия заметного фазового сдвига токов этих составляющих в различных фазах двухфазного двигателя и в силу малости этих токов. Учитывая малую величину

5 токов от высших составляющих напряжения питания, а также малый относительный момент нагрузки -двигателя 11 необходимость чего следует из требования пропорциональности из0меряемого .угла нагрузки V двигателя, его моменту М, зависящему от вязкости 5 sM 7 V , можно пренебречь тепловыми потерями в двигателе от высших гармонических составляющих выходного напряжения инвертора 8.

5

На второй, импульсный вход логической переключающей схемы (ЛПС) 17 пос тупают импульсы с управляемого двигателя 18 частоты,. На выходе ЛПС 17/ подключенном к входу инвертора IS в зависимости от ,сигнала на управляющбм входе ЛПС/.подаваемого со схемы .синхронизации 4, могут быть импульсы с частотой . .

: . : (i; 10 либо с частотой

;; «1. г (2)

где fi - частота опорного генерато, Р« I , 5

17 - частота на выходе делителя

2 частоты;

Kj - коэффициент деления делителя 2 частоты} i|g - частота на выходе управ- , 20

ляемого делителя 18 частоты : (уда);

N - цифровой код на управляющей шине УДЧ, равный коэффи-циенту деления УДЧ . 25 Таким образомг .в зависимости ofr сигнала со схемы синхронизации, с ; выхода инвертора 15 на статорныё обмотки двигателя 14 будет подаваться переменное напряжение прямоуголь- зо ной формы с частотой

, - 3 или

iz z:/ w-inKjNw (4) 35

Из зависимости (4) следует, что . во втором случае путем изменения I управляющего кода NW можно регулировать частоту враыения синхронноI го двигателя 14,

Величина индуктивного сопротивления обмоток двигателя 14 будет изменяться с изменением частоты пи таницего напряжения, но поскольку величина активного сопротивления син- 45 . хронных микромашин составляет более 30% от полного эквивалентного сопротивления обмоток, то величина напряжения питания инвертора 15 принята неизменной и равной 0,5 50 от номинального напряжения питания. Поскольку коэффициент использования двигателя 14 по моменту не превышает 0,2, то при указанных выше .условиях ток, протекающий по об- 55 мотКам двигателя, не превышает номинального даже при инфранизких

частотах вращения.

«.

Момент вязкого трения пропорционален величине вязкости при 60 постоянной разности скоростей внутреннего w и внешнего Wj цилиндров

«5

,7K-w.).

де 1 - измеряемая вязкость;

Кг коэффициент, зависяищй Ът геометрических размеров цилиндров 12 X 13,

W, угловая скорость вращения внутреннего цилиндра;

«

2 - угловая скорость внешнего цилиндра в зависимости от сигнала схемы синхронизации.

{2iri;.

(7/. Wj.i2 i;;-2 {«k,/N.«,

Момент вязкого трения Mg вое-приннмается двигателем 11 как момент нагрузки, который при помощи датчика 9 положения ротора пред- ставляется в виде угла нагрузки синхронного двигателя Vj , который измеряется фазометром 3, напряжение с выхода которого

(81 U,.V,kj

преобразуется аналого-цифровьм преобразователем 5 в цифровой код

и V V t ..

. 1 одном валу с .внутренним вое- принимающим цилиндром закреплен ротор маломощного асинхронного двигателя 10, в обмотки которого подается стабилизированный постоянный ток от коммутируемого источника

7тока при поступлении определенного сигнала со схемы 4 синхронизации

8этом случае на оси ротора асинхронного Д1зигателя 10 возникает тормозной момейт, вследствие чего фазометром 3 измеряется величина

V, V,..VH, 1°

где ДУи - угол нагрузки синхронного

двигателя 11, соответствующий нормированному тормозному моменту.

Соответственно на выходе преобразователя 5 появляется код

Ni Msl ruM/(11,

Вели же по сигналу схемы 4 синхронизации угловая скорость двигателя 14 равна скорости двигателя 11, T.e.w,- Wj, тогда показания фазометра и будут соответствовать вязкостному трению . Таким образом, и код на выходе АЦП 5 -Кз целиком определяется аддитивными погрешностями всех вместе взятых блоков схемы электровискозиметра с.

Схема 4 синхронизации обеспечивает последовательную работу электровискозим)этра в трех описанных выше режимах,, при которых цифровой код на входной шине процессора 6 о ределяется соответственно - , Ni-i i4lHr7K-w.v ,. ;. -м л 12) M, л V «slMi N. ,.; . , ; BW,, (14Ц где . - максимальный синхронный момент двигателя 11 зависящий от напряжения питания и температуры двигателя определяющий мультипликативную погрешность электровискоэ метра М|А - момент трения в подшипниках;М,д - нормированный тормозной момент асинхронного дви д гателя 10J U.M, - аддитивные погрешности соответственно фазометра 3 и ЦАП 5. Поскольку цель изобретения явно достигается путем вычисления аддити ной и мультипликативной погрешностей электровискозиметра, то при допущении линейности всех элементов достаточно приведенных выражений :(12-14) для вычисления вязкости что обеспечивается процессором, выполняющим вычисления согласно завис мости (VN,M,o/(H,-N,(Nw-K,)Kr 9«i«i Г... Результат вычисления выводится на цифровой индикатор 16 и параллельно может быть, выведен на схему управления технологическим процессом. Выполнением зависимости (15) обеспечивается автоматическая коррекция результатов измерений, точность которых целиком определяется точностью поддержания тормозного момента Мад. Последнее легко выполнимо технически с точностью до0,1%. Таким образом, частота питающей сети не влияет на точность поддержания скорости деформации и измерения вязкости, поскольку скорости У и iv определяются частотой генератора 1 с кварцевой стабилизацией Изменения момента трения в опорах и напряжения питания, .так же как и изменения коэффициентов передачи фазометра-и аналог о-цифровогр преобразователя и их аддитивные погрешности, автоматически корректируются схемой электровискозиметра . Наличие управляемого делителя 18 частоты и привода внешнего цилиндра 13 позволяет изменять гргщиент скорости деформации исследуемого вещества, т.е. проводит реологические исследования материалов. Измерение угла- нагрузки двигателя 11 фазометром 3 на уровне высокой частоты i., которая связана с номинальной частотой зависимостью ,-Kj i. k, (где Кл- коэффициент передачи датчика положения ротора) , позволяет при малой лостоянной времени фильтра на выходе фазометра 7 исключить колебания измеряемой фа зы, обусловленные погрешностями изготовления зубцов ротора и статора двигателя 11 и датчика 9 положения ротора. Вискозиметр может быть использован в производственных и лабораторных условиях, в тем числе в борто- , вых и передвижных табораториях, для широкого круга реологических исследований жидких, сред нефтепродуктов полимерных материалов,металлургических расплавов).

РОТАЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОПИСКбЭЙМЕТР, содержащий внешний цилиндр, внутренний воспринимающий цилиндр, воспринимающий синхронный двигатель, синхронный двигатель и скеыу измерения,, отличающийся Тем, что, с целью увеличения точности показаний прибора и расширения возможности применения, он содержит дополнительно синхронный дшигатель привода внешнего цилиндра, генератор опорной частоты,, делитель частоты, управляемый делитель частоты, фазометр, аналого-цифровой преобразова- . тель, схему синхронизации, процессор, цифровой индикатор, логическую переключающую схему, два инвертора. коммутируемый источник тока и датчик положения ротора, причем генератор опорной частоты подключен на входы фазометра, делителя частоты и управляемого делителя частоты, выход последнего соединен с одним из импульсных входов логической переключающей схемы, на второй импульсный вход которой ; включен выход делителя частоты вместе с входами схемы синхронизации и инвертора связанного с обмотками воспринимающего синхронного двигателя, выход логической переключающей схемы соединен с входом инвертора, включенного на обмотки двигателя привода внешнего цилиндра, а управляющий вход логив ческой переключающей схемы присоединен на выход схемы синхронизации связанной также с входом коммутируемого источника тока, подключенного к обмоткам асинхронного двигателя, ось ротора которого жестко соединена с осями синхронного воспринимающего двигателя, внутреннего цилиндра и датчика положения ротора выход которого подключен на второй вход in :л фазометра, выходом присоединенного к входу аналого-цифрового преобразователя,- включенного на входн по шину X) процессора, связанного с цифровым X) .индикатором, а синхронизирующий вход процессора соединен со схемой синел хронизации.