Ротационный электровискозиметр

 

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.

ое <в:

СОЮЗ ССВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕ(ПУБЛИК жЮ G01Н1114

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3483579/18-25 (.22) 12.08.82 (46) 23.11.83. Бюл. 43 (72) A.Ñ.Ïëåõoâ (71) Горьковский идследовательский физико-технический институт при

Горьковском государственном университете им. Лобачевского Н.И. (53) 538.139 (088.8) (56) 1. Белкин И.N. Виноградов Г.Б., Леонов А.й. Ротационные приборы.

N., Машиностроение, 1968, с. 85-90;

2. Авторское свидетельство СССР

9 252721, кл. 6 01 H 11/14, 1969.

3. Авторское свидетельство СССР

9 283678, кл. G 01 N 11/14, 1970 .(прототип). (54)(57) РОТАЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОВИСКОЭИМЕТР, содержащий внешний цилиндр, внутренний воспринимающий цилиндр, воспринимающий синхронный двигатель, . асинхронный двигатель и схему измерения„ отличающийся тем, что, с целью увеличения точности показаний прибора и расширения возможности применения, он содержит дополнительно синхронный двигатель привода внешнего цилиндра, генератор опорной частоты,,делитель частоты, управляемый делитель частоты, фазометр, аналого-qH@poaoA rrpeo5pasoaa-" .. 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 логи- Е

И 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 Я с осями синхронного воспринимающего двигателя, внутреннего цилиндра и датчика положения ротора; выход которого подключен на второй вход фаэометра, выходом присоединенного к входу аналого-цифрового преобразова» теля, включенного на входную шину процессора, связанного с цифровым .индикатором, а синхронизирующий вход процессора соединен со схемой синхронизации.

1055995

Изобретение относится к устройствам для непрерывного измерения вяз" кости ньютоновских (неньютоновских} жидкостей и предназначено для реологических исследований растворов и расплавов полимеров и других жидких сред в процессе их структурных превращений и при изменяющихся внешних условиях.

Известен лабораторный электровискозиметр ЭВИ содержащий внутренний 10 цилиндр, закрепленный на валу микрогенератора вместе с ротором синхронного микродвигателя, питаемого через преобразователь частоты.. Катушка микрогенератора включена в компенса- j5 ционный мост, являясь одним его плечом. Питание моста осуществляется .от феррорезонансного стабилизатора напряжения через фазосдвигающую це-почку..К второй диагонали моста ® подключен фаэочувствительный инди- катор, содержащий трансформатор, электронную лампу, гальванометр и набор сопротивленйй.

На выходе фазового индикатоРа появляется напряжение, отклоняющее стрелку гальванометра при разбалансе моста, пропорциональном углу нагрузки синхронного микродвигателя, а следовательно, пропорционально вязкости исследуемого материала. Вос- З становление равновесия моста достигается при, помощи предварительно проградуированного потенциометра, на лимбе которого нанесены деления, по которому .и отсчитывается 35 вязкость (11 .

Существенным недостатком этого устройства является температурный уход фазы как иэ-за прогрева обмоток микромашины во время работы, так 40 и иэ-за изменения температуры окружающей среды, что может привести к погрешности, превышающей.50% диапазона измерения. На уход Фазы влияет момент изменения трения в 4 подшипниках микромашины как из-за температурных изменений, так и изза старения смазки.

Известен ротационный вискозиметр, содержащий -измерительную микромашину, выполненную в виде последовательно включенных генератора и двигателя с редуктором, на sany которого укреплен измерительный цилиндр и вторичный прибор. Влияние температуры окружающей среды на измерительную машину исключается тем, что прибор снабжен второй микромашиной,. выполненной аналогично первой, причем генераторы первой и второй микромашины включены по ком- 60 пенсационной схеме.

Последнее позволяет скомпенсировать температурный уход фазы измерительной микромашины и влияние изменения момента трения в механи 65 ческой части прибора,что позволяет использовать вискоэиметр не только в дискретйом (с периодической проверкой начальных условий при "холостой" работе вискозиметра, т.е. при вынутом из жидкости внутреннем цилиндре), но и в непрерывном режиме измерения p2) .

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

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ротационный вискоэиметр, содержащий внешний цилиндр, внутренний воспринимающий 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 подшипниках и редукторе решена в ротационном вискозиметре, содержащем подвижный внутренний цилиндр, связанный с осью синхронного двигателя, и асинхронный двигатель, ось которого соединена с .ооью поворотного статора,синхронного двигателя.

Поскольку в этом приборе весь момент вязкостного трения, приложенный 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 нестабильность его напряжения питания 3) .

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

1055995 трудно выполнимо иэ-за 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 напряжением питания, превышает 2%. К эх .ой 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 возможности применения. 20

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 фаэометр, аналого30 цифровой 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 фаэомет-, ра, делителя частоты и управляемого делителя частоты, выход последнего соединен с одним из импульс- 40 ных входов логической переключаю.щей схемй, на второй импульсный вход которой включен выход делителя частоты вместе с входами схемы син- . хронизации и инвертора, связанного .45 с обмотками воспринимающего синхронного двигателя, выход логической переключающей схемы соединен с входом инвертора, включенного на обмотки двигателя привода внешнего 50 цилиндра, а управлякший вход логической переключающей схемы присоединен на выход схемы синхронизации, связанной также с входом коммутируе. мого .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 <0 второй вход фазометра, выходом присоединенного к входу аналого-цифрового преобразователя, включенного на входную шину процессора, связанного с цифровым индикатором, а синх 65 рониэирующнй вход процессора соединен со схемой синхронизации.

На чертеже приведена структурная схема электровискозиметра.

Схема электровискозиметра включает генератор 1 опорной частоты, делитель 2 частоты, фаэометр 3, схему 4 синхронизации, аналого-цифрозой преобразователь 5, процессор

6, коммутируемый источник 7 тока, инверторы 8 и 15, датчик 9 положения ротора, асинхронный двигатель

10, воспринимающий синхронный двигатель 11, внутренний воспринимающий цилиндр 12, внешний цилиндр 13, синхронный двигатель 14 привода внешнего цилиндра, цифровой индикатор 16, логическую переключающую схему 17, управляемый делитель 18 частоты (УДЧ,) шину 19 управления УДЧ..

Электровискоэиметр работает следующим образом.

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

Коэффициент деления последнего задается цифровым кодом Мд на входной шине 19.

С выхода делителя 2 частоты импульсы с частотой„ равной номинальной частоте 1 вращения синхронных двигателей 11 и 14, поступают на вход инвертора 8 и на импульсный вход логической переключающей схемы 17. Инвертор 8, как и инвертор

15, выполнен на транзисторах по однофаэной мостовой схеме и питается постоянным напряжением, равным действующему значению .номинального напряжения питания синхронного двигателя. На выходе инвертора формируется переменное напряжение прямоугольной формы и номинальной частоты, первая гармоника которого вызывает появление вращающего момента на валу синхронного двигателя, Высшие гармонические составляющие моменты не вызывают иэ-за отсутствия заметного фазового сдвига токов этих составляющих в различных фазах двухфазного двигателя и в силу малости этих токов. Учитывая малую величину токов от высших составляющих на- . пряжения питания, а также малый относительный момент нагрузки -двигателя 11, необходимость чего следует из требования пропорциональности измеряемого.угла нагрузки Y двигателя, его моменту М, зависящему от вязкости g :М = Д = V, можно пренебречь тепловыми потерями в двигателе от высших гармонических составляиицих выходного напряжения инвертора 8.

1055995 где !)

)(.

»1 /К»1„, (3) N„» М,7(а %22).

На второй. импульсный вход логической переключающей схемы (ЛПС) 17 пос тупают импульсы с управляемого дви,гателя 18 частоты. На выходе ЛПС 17 . подключенном к входу инвертора 15, в зависимости от,сигнала ía ynpas- ,ляющем входе ЛПС, подаваемого со схемы .синхронизации 4, могут быть импульсы с частотой .

f ó» 3 1I 2 2, (1) 10 либо. с частотой

1," С, =1 (М„, (2) где Ь - частота опорного генератора 1, 35 частота на выходе делителя !

2 частоты

- коэффициент деления делителя 2 частоты;

118 - частота на выходе управ«, 20 ляемого делителя 18 частоты (УДЧ);

Мщ - цифровой код на управлякнцей шине УДЧ, равный коэффи-. циенту деления уДЧ К . 25

Таким образом, .в зависимости о сигнала со схемы синхронизации, с выхода инвертора 15 на статорные .обмотки двигателя 14 будет подаваться переменное напряжение прямоуголь- 3р ной Формы с частотой

f,"r = fE " ч = п "2 WÄ (4 ) 35

Иэ зависимости (4) следует, что во втором случае путем изменения управляющего кода Мщ можно регулировать частоту врацения синхронно-! го двигателя 14. 4О

Величина индуктивного сопротивления обмоток двигателя 14 будет изменяться с изменением частоты питающего напряжения, но поскольку ве личина 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 5О 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 инфраниэких частотах вращения.

»l

Момент вязкого трения и ропор. ционален величине вязкости при бО постоянной разности скоростей внутреннего Ф, и внешнего Ф2 цилиндров измеряемая вязкость, коэффициент, зависящий Ьт геометрических размеров цилиндров 12 н 13, угловая скорость враще ния внутреннего цилиндра, . !4 (6)

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

И1, ° 2 1 ("у.)

))2 ц

2н1,", »291„),/)r.

Момент вязкого трения М воспринимается двигателем 11 как момент нагрузки, который при помощи датчика 9 положения ротора представляется B виде угла нагрузки синхронного двигателя Vr, который измеряется фаэометром 3, напряжение с выхода которого (8) о„ч,к преобразуется аналого-цифровыч преобразователем 5 в цифровой код

И!*Ч1Кз ks. (9)

На одном валу с .внутренним вос-: принимающим цилиндром закреплен ро> тор маломощного асинхронного двигателя 10, в обмотки которого подается стабилизированный постоянный ток от коммутируемого источника

7 тока при поступлении определенного сигнала со схемы 4 синхронизации.

В этом случае на оси ротора асинхронного двигателя 10 возникает тормозной момент, вследствие чего фазо-. метром 3 измеряется величина

Ъ= V,+ь . (10) где Л!! - угол нагрузки синхронного двигателя 11, соответствующий нормированному тормозному моменту.

Соответственно на выходе преобразователя 5 появляется код

"2= К к (v, rrv„) . (11)

Если же по сигналу схемы 4 синхронизации угловая скорость двигателя 14 равна скорости двигателя

11, т.е.Ф,= vv, тогда показания Фазометра 0 будут соотзетствовать вязкостному трению М! =О. Таким образом, и код на выходе ЛЦП 5 — И целиком определяется аддитивными погрешностями всех вместе взятых блоков схемы электровискозиметра.

Схема 4 синхронизации обеспечивает последовательную работу электровискозиматра в трех описанных BbTше режимах,.при которых цифровой

1055995 код на входной шине процессора б оп ределяется соответственно й„. К,К, К,,-,1

i(12 I " о)/"мс а"в >pi

Я К К5 К,Я(а,- чД . (131 о о, .+М,раМ,Д/Мщ 0ylg+Ng Й110 Мп,с>0ьКВ з, (141; ,где Ме - максимальный синхронный момент двигателя 11, зависящий от напряжения питания и температуры 35 двигателя; определяющий мультипликативную погрешность электровискозиметра1

Мiy - момент трения в подшипниках, . МИ1 - нормированный тормозной момент асинхронного дви гателя 10;.

"g,Ì вЂ” аддитивные погрешности соответственно Фазометра

3 и ЦАП 5 °

Поскольку цель изобретения -явно достигается путем вычисления аддитивной и мультипликативной погрешностей электровискозиметра, то при допущении линейности всех элементов достаточно приведенных выражений (12-14) для вычисления вязкости g что обеспечивается процессором, вы полняющим вычисления согласно зависи-35 мости

q-Мщ(И -М )м о((-, (йя <з)x М» : (15) !

Результат вычисления выводится 4(} на цифровой индикатор 16 и параллельно может быть выведен на схему управления технологическим процессом .

Выполнением зависимости (15) обес- 45 печивается автоматическая коррек« ция результатов измерений, точность которых целиком определяется точностью поддержания тормозного момента.Мю. Последнее легко выпол нимо технйческн с точностью до0,1%.

Таким образоМ, частота питающей сети не влияет на точность поддержания скорости деформации и измерения вязкости, поскольку скорости

W .è 4< определяются частотой генератора 1 с кварцевой стабилизацией, Изменения момента трения в опорах и напряжения питания, так же как и изменения коэффициентов передачи фазометра и аналого-цифрового преобразоваТеля и их адцитивные погрешности, автоматически корректируются схемой электровискозиметра.

Наличие управляемого делителя 18 частоты и привода внешнего цилиндра

13 позволяет изменять градиент скорости деформации исследуемого вещества, т.е. проводит реологические исследования материалов.

Измерение угла нагрузки двигателя 11 фазометром 3 на уровне высокой частоты », которая связана с номинальной частотой зависимостью

4 =»q К -»„. К (где Na коэффициент передачи датчика полбжения ротора), позволяет при малой лостоянной времени фильтра на выходе фазометра 7 исключить колебания измеряемой фа эы, обусловленные погрешностями изготовления зубцов ротора и статора двигателя 11 и датчика 9 положения ротора.

Вискозиметр может быть использован в производственных и лабораторных условиях, в том числе в бортовых и передвижных лабораториях, для широкого круга реологических исследований жидких сред (нефтепродуктов полимерных материалов,металлургических расплавов).

Составитель В,Вощанкин

Редактор Н.Лазаренко Техред И.Гайду. Корректор А.Тяско

Заказ 9289/33 Тираж 873 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, РаушСкая наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4