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1、第15卷第2期山东科学Vol115No122002年6月SHANDONGSCIENCEJun12002文章编号:100224026(2002)0220050204单圆筒旋转式在线粘度计12211梁明湖,曲君乐,吴承璇,杨作,田志昶(11青岛博恩工程技术有限公司,山东青岛266012;21山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266001)摘要:本文设计了一种新型单圆筒旋转式在线粘度计,实现了工业流程中液体粘度的高精度控制,大大加快了粘度测控响应速度,并且降低了生产成本。关键词:旋转粘度计;动力粘度;单圆筒;粘性力矩测量转子中图分类号:TH836;TP216文献标识码:A1前言粘度测定在
2、许多工业部门和科学研究领域十分重要,特别是在医药、食品和化工等工业流程中更需要准确测量和控制粘度,以提高产品的质量水平。工业流程用的在线粘度计有以下特点:(1)粘度计直接安装在生产管线或反应釜中;(2)要求响应速度快;(3)易于安装与维护;(4)需要定期清洗、维护及校准等等。单圆筒旋转式在线粘度计符合上述特点,因而被广泛应用在医药、食品和化工等工业流程中的液体粘度在线控制。图1中所示的用单圆筒旋转式粘度计测定粘度的基本原理可用马克斯公式确定,即公式(1)中表示:111M□=2-2(1)4PhRfRaX式中□——液体动力粘度,Pa·S;h——测量用小圆筒浸于待测液体中的高度;Rf——小圆筒
3、半径;Ra——待测液体容器半径;M——粘性力矩;X——小圆筒旋转角速度。当图1中Ra远大于Rf时,公式(1)变为图1M□=2(2)4PhXfRf收稿日期:2002203210作者简介:梁明湖(19692),男,工程师,从事仪器仪表的研制的开发。第2期梁明湖等:单圆筒旋转式在线粘度计·51·对于相对测量(2)式中的h、Rf和Xf是常量,可以给出,当Xf恒定时,(2)式可变为(3)□=KõM(3)1式中K——常量K=24PhXfRf即待测液体的动力粘度与浸于其中小圆筒所受粘性力矩成正比。在线粘度计的任务便是测定M并换算成粘度值以便实时测控生产线上的待测液体。单圆筒在线粘度计以美国Brookf
4、ield公司生产的VTA型为例,其结构复杂,进口价格很高,国内厂家一般因经济原因较少采用。为降低成本,且提高测控精度,设计了一种简单可靠的单圆筒旋转式在线测控粘度计。2单圆筒旋转式在线测控粘度计的系统组成本粘度计由恒速驱动部分、粘性力矩测量转子部分、信号采集部分、MCS51系列单片机数据处理部分及控制输出部分组成。各部分关系由图2所示。恒速驱动部分U输数值显示部分模块粘性力矩测量信号采集MCS51数据出^^^转子部分部分处理部分部调整粘度执行模块分图2粘性力矩测量转子部分将恒速旋转的小圆筒受的粘性力矩实时转换信号采集部分能识别的角度信号,信号采集部分并将此角度信号变成MCS51数据处理部
5、分可接收的数字信号,数据处理部分处理这些数字信号后分别输出到显示模块和调整粘度执行模块。这样整个工作系统能实时准确地对生产流程中待测控液体进行测控并完成生产任务。211恒速驱动部分恒速驱动部分采用永磁同步微特电机,成本低,易于维护,电机输出轴与图3中上盘联接,使粘性力矩测量转子与电机同步恒速旋转。212专用测量转子部分该部分是本粘度计设计的核心,结构示意如图3所示。该部分的上盘与恒速驱动电机联接并一同旋转。上下盘不直接相连,它们之间分别固定弹性元件的两端。下盘由于受到圆筒的粘性力矩作用而滞后于上盘。由于弹性元件弹性力矩的平衡作用,下盘涉后一定角度后□(如图4所示)也与上盘稳定同图3步旋转
6、。上下盘之间涉后的角度□就·52·山东科学2002年是小圆筒所受粘性力矩M的同比反映。合理选择弹性元件的弹性系数就能控制同等M下角度变化的大小,以达到不同灵敏度。上下盘之间相对角度变化通过信号采集系统输送给数据处理部分。213信号采集部分信号采集部件如图3左边所示,支架上对称装有发光二级管和受光二极管,图4中的上下盘是有扇形缺口(180°)的对称同轴溥圆盘。当发光二极管和受光二极管二者之间无挡光扇形圆盘边时,受光二极管导通,反之,受光二极管不导通。经过有关电子元件的相关处理,上下盘之间的相对角度就通过受光管转换成与□对应的长脉冲信号L0。当M为0时,□=0,L=0;当M>0时,□>0,则
7、L=1,(因为上下盘恒速旋转,所以当转到□的a边时L=1,当转到□的b边时,L=0。从a边到b边的旋转时间即为□转变成长脉冲的时间T,T与□成正比,即为粘度原始信号,供给数据处理部分来完成测控任务。图4214MCS51单片机数据处理部分该部分由CPU程序存贮器、参数输入模块和数据存贮器等核心部件组成,任务是将信号采集部分传输的数字信号进行滤波等方法处理后,与CPU内存贮的有关参数进行计算后,将小圆筒受的粘性力矩M换算成标准的粘度数值
