單圓筒旋轉(zhuǎn)式在線粘度計(jì)

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1、第15卷第2期山東科學(xué)Vol115No122002年6月SHANDONGSCIENCEJun12002文章編號(hào):100224026(2002)0220050204單圓筒旋轉(zhuǎn)式在線粘度計(jì)12211梁明湖,曲君樂,吳承璇,楊作,田志昶(11青島博恩工程技術(shù)有限公司,山東青島266012;21山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東青島266001)摘要:本文設(shè)計(jì)了一種新型單圓筒旋轉(zhuǎn)式在線粘度計(jì),實(shí)現(xiàn)了工業(yè)流程中液體粘度的高精度控制,大大加快了粘度測(cè)控響應(yīng)速度,并且降低了生產(chǎn)成本。關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)粘度計(jì);動(dòng)力粘度;單圓筒;粘性力矩測(cè)量轉(zhuǎn)子中圖分類號(hào):TH836;TP216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1前言粘度測(cè)定在

2、許多工業(yè)部門和科學(xué)研究領(lǐng)域十分重要,特別是在醫(yī)藥、食品和化工等工業(yè)流程中更需要準(zhǔn)確測(cè)量和控制粘度,以提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平。工業(yè)流程用的在線粘度計(jì)有以下特點(diǎn):(1)粘度計(jì)直接安裝在生產(chǎn)管線或反應(yīng)釜中;(2)要求響應(yīng)速度快;(3)易于安裝與維護(hù);(4)需要定期清洗、維護(hù)及校準(zhǔn)等等。單圓筒旋轉(zhuǎn)式在線粘度計(jì)符合上述特點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、食品和化工等工業(yè)流程中的液體粘度在線控制。圖1中所示的用單圓筒旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)定粘度的基本原理可用馬克斯公式確定,即公式(1)中表示:111M□=2-2(1)4PhRfRaX式中□——液體動(dòng)力粘度,Pa·S;h——測(cè)量用小圓筒浸于待測(cè)液體中的高度;Rf——小圓筒

3、半徑;Ra——待測(cè)液體容器半徑;M——粘性力矩;X——小圓筒旋轉(zhuǎn)角速度。當(dāng)圖1中Ra遠(yuǎn)大于Rf時(shí),公式(1)變?yōu)閳D1M□=2(2)4PhXfRf收稿日期:2002203210作者簡介:梁明湖(19692),男,工程師,從事儀器儀表的研制的開發(fā)。第2期梁明湖等:單圓筒旋轉(zhuǎn)式在線粘度計(jì)·51·對(duì)于相對(duì)測(cè)量(2)式中的h、Rf和Xf是常量,可以給出,當(dāng)Xf恒定時(shí),(2)式可變?yōu)?3)□=K?M(3)1式中K——常量K=24PhXfRf即待測(cè)液體的動(dòng)力粘度與浸于其中小圓筒所受粘性力矩成正比。在線粘度計(jì)的任務(wù)便是測(cè)定M并換算成粘度值以便實(shí)時(shí)測(cè)控生產(chǎn)線上的待測(cè)液體。單圓筒在線粘度計(jì)以美國Brookf

4、ield公司生產(chǎn)的VTA型為例,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,進(jìn)口價(jià)格很高,國內(nèi)廠家一般因經(jīng)濟(jì)原因較少采用。為降低成本,且提高測(cè)控精度,設(shè)計(jì)了一種簡單可靠的單圓筒旋轉(zhuǎn)式在線測(cè)控粘度計(jì)。2單圓筒旋轉(zhuǎn)式在線測(cè)控粘度計(jì)的系統(tǒng)組成本粘度計(jì)由恒速驅(qū)動(dòng)部分、粘性力矩測(cè)量轉(zhuǎn)子部分、信號(hào)采集部分、MCS51系列單片機(jī)數(shù)據(jù)處理部分及控制輸出部分組成。各部分關(guān)系由圖2所示。恒速驅(qū)動(dòng)部分U輸數(shù)值顯示部分模塊粘性力矩測(cè)量信號(hào)采集MCS51數(shù)據(jù)出^^^轉(zhuǎn)子部分部分處理部分部調(diào)整粘度執(zhí)行模塊分圖2粘性力矩測(cè)量轉(zhuǎn)子部分將恒速旋轉(zhuǎn)的小圓筒受的粘性力矩實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換信號(hào)采集部分能識(shí)別的角度信號(hào),信號(hào)采集部分并將此角度信號(hào)變成MCS51數(shù)據(jù)處理部

5、分可接收的數(shù)字信號(hào),數(shù)據(jù)處理部分處理這些數(shù)字信號(hào)后分別輸出到顯示模塊和調(diào)整粘度執(zhí)行模塊。這樣整個(gè)工作系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)生產(chǎn)流程中待測(cè)控液體進(jìn)行測(cè)控并完成生產(chǎn)任務(wù)。211恒速驅(qū)動(dòng)部分恒速驅(qū)動(dòng)部分采用永磁同步微特電機(jī),成本低,易于維護(hù),電機(jī)輸出軸與圖3中上盤聯(lián)接,使粘性力矩測(cè)量轉(zhuǎn)子與電機(jī)同步恒速旋轉(zhuǎn)。212專用測(cè)量轉(zhuǎn)子部分該部分是本粘度計(jì)設(shè)計(jì)的核心,結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。該部分的上盤與恒速驅(qū)動(dòng)電機(jī)聯(lián)接并一同旋轉(zhuǎn)。上下盤不直接相連,它們之間分別固定彈性元件的兩端。下盤由于受到圓筒的粘性力矩作用而滯后于上盤。由于彈性元件彈性力矩的平衡作用,下盤涉后一定角度后□(如圖4所示)也與上盤穩(wěn)定同圖3步旋轉(zhuǎn)

6、。上下盤之間涉后的角度□就·52·山東科學(xué)2002年是小圓筒所受粘性力矩M的同比反映。合理選擇彈性元件的彈性系數(shù)就能控制同等M下角度變化的大小,以達(dá)到不同靈敏度。上下盤之間相對(duì)角度變化通過信號(hào)采集系統(tǒng)輸送給數(shù)據(jù)處理部分。213信號(hào)采集部分信號(hào)采集部件如圖3左邊所示,支架上對(duì)稱裝有發(fā)光二級(jí)管和受光二極管,圖4中的上下盤是有扇形缺口(180°)的對(duì)稱同軸溥圓盤。當(dāng)發(fā)光二極管和受光二極管二者之間無擋光扇形圓盤邊時(shí),受光二極管導(dǎo)通,反之,受光二極管不導(dǎo)通。經(jīng)過有關(guān)電子元件的相關(guān)處理,上下盤之間的相對(duì)角度就通過受光管轉(zhuǎn)換成與□對(duì)應(yīng)的長脈沖信號(hào)L0。當(dāng)M為0時(shí),□=0,L=0;當(dāng)M>0時(shí),□>0,則

7、L=1,(因?yàn)樯舷卤P恒速旋轉(zhuǎn),所以當(dāng)轉(zhuǎn)到□的a邊時(shí)L=1,當(dāng)轉(zhuǎn)到□的b邊時(shí),L=0。從a邊到b邊的旋轉(zhuǎn)時(shí)間即為□轉(zhuǎn)變成長脈沖的時(shí)間T,T與□成正比,即為粘度原始信號(hào),供給數(shù)據(jù)處理部分來完成測(cè)控任務(wù)。圖4214MCS51單片機(jī)數(shù)據(jù)處理部分該部分由CPU程序存貯器、參數(shù)輸入模塊和數(shù)據(jù)存貯器等核心部件組成,任務(wù)是將信號(hào)采集部分傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波等方法處理后,與CPU內(nèi)存貯的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后,將小圓筒受的粘性力矩M換算成標(biāo)準(zhǔn)的粘度數(shù)值