Розробка фазочастотного методу та засобу для підвищення точності ротаційного віскозиметра

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ДИЗАЙНУ

УДК 621.376.3

РОЗРОБКА ФАЗОЧАСТОТНОГО МЕТОДУ ТА ЗАСОБУ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ РОТАЦІЙНОГО ВІСКОЗИМЕТРА

- прилади і методи контролю та

визначення складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПЕТРУШАК ВОЛОДИМИР СТЕПАНОВИЧ

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля, (м.Хмельницький) на кафедрі проектування та конструювання радіоелектронних засобів, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Троцишин Іван Васильович Технологічний університет Поділля, професор кафедри проектування та конструювання радіоелектронних засобів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кухарчук Василь Васильович Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та промислової електроніки

кандидат технічних наук, доцент Райтер Петро Миколайович Івано-Франківський національний університет нафти і газу, доцент кафедри методів та приладів контролю якості і сертифікації

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, Міністерства освіти і науки України (м. Львів), кафедра автоматизації теплових і хімічних процесів

Захист відбудеться “21” листопада 2003р. о “13.00” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.01 у Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, Немировича-Данченка, 2, конференцзал, корпус 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, Немировича-Данченка, 2, корпус 1.

Автореферат розісланий 20.10.2003р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доц. Хімічева Г. І.



АНОТАЦІЇ

Петрушак В.С. Розробка фазочастотного методу та засобу для підвищення точності ротаційного віскозиметра. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин - Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2003. реологічний цифровий віскозиметр вимірювання

Дисертація присвячена розробці фазочастотного методу та засобу для підвищення точності ротаційного віскозиметра.

Запропоновано цифровий метод вимірювання реологічних характеристик в ротаційному віскозиметрі, що полягає у визначенні повного фазового зсуву за час вимірювання і перетворенні його значення в значення реологічної характеристики. На підставі методу запропоновано та розроблено метод та пристрій для підвищення точності вимірювання реологічних характеристик речовини ротаційним віскозиметром, згідно якого проводиться визначення кількості фазових циклів рівних закручуванню торсіона на кут , та неперервним контролем частот сигналів, які надходять з сенсорів, і при досягненні їх рівності, проводять вимірюванням значення фазового зсуву в межах фазового циклу після чого здійснюють додавання результатів обох вимірювань, що дозволило одночасно розширити в 5 - 8 раз динамічний діапазон і зменшити в 2 - 3 рази похибку вимірювання реологічних характеристик на одному і тому ж торсіоні.

Запропоновано та розроблено екстрематор принцип роботи якого полягає в пошуку максимального значення фазового зсуву шляхом порівняння виміряного значення фазового зсуву з попереднім його значенням і дозволяє за один оберт індуктивних сенсорів знайти максимальне значення та автоматизувати ротаційний віскозиметр шляхом пошуку екстремального і встановленого значення напруження зсуву за допомогою ПЕОМ, що робить можливим використання розробленого РВ для автоматизованого контролю речовин, в яких відсутній ефект релаксації та післядії.

На основі програмного та апаратного забезпечення MAX + PLUS II “Altera” здійснено комп'ютерне моделювання та практична реалізація 32 розрядної схеми фазочастотного перетворювача для підвищення точності ротаційного віскозиметра у програмованих логічних інтегральних схемах. Розрізнювальна здатність по вимірюванню кута закручення торсіону розробленого фазочастотного перетворювача на ІМС фірми “Altera” складає 0,0065 град.

Ключові слова: реологічна характеристика, повний фазовий зсув, лічильник фазових циклів, фазометр миттєвих значень, ротаційний віскозиметр, екстрематор, в'язкість.



Петрушак В.С. Разработка фазочастотного метода и средства для повышения точности ротационного вискозиметра. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.11.13 - Устройства и методы контроля и определения состава веществ - Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2003.

Диссертация посвящена разработке фазочастотного метода и устройства для повышения точности ротационного вискозиметра.

Для оценки параметров реологических характеристик предложено применять теорию измерения остаточных фазовых сдвигов, что позволило улучшить результаты измерений ротационным вискозиметром реологических характеристик по комплексному критерию “точность - динамический диапазон” и разработать новый класс ротационных вискозиметров. Разработана математическая модель процесса измерения реологических характеристик разработанным ротационным вискозиметром, что дает возможность их определения через значение полного фазового сдвига, измеренное фазочастотным преобразователем, и значение угловой скорости вращения индуктивных сенсоров, заданное оператором.

Разработан цифровой метод измерения реологических характеристик с помощью ротационного вискозиметра, который состоит в определении полного фазового сдвига за время измерения. На основании метода предложен и разработан метод и устройство для повышения точности измерения реологических характеристик вещества ротационным вискозиметром, согласно которому проводится определение количества фазовых циклов равных закручиванию торсиона на угол параллельно со сравнением частот сигналов, которые поступают из индуктивных сенсоров и при условии их равенства измерением значения фазового сдвига в границах фазового цикла и следующим сложением результатов обоих измерений.

Предложен и разработан экстрематор для ротационного вискозиметра, принцип работы которого базируется на поиска максимального значения фазового сдвига путем сравнения его измеренного значения с предшествующим максимальным значением и разрешает за один оборот индуктивных сенсоров найти максимальное значение и автоматизировать ротационный вискозиметр путем поиска экстремального значения с помощью ЭВМ. Это делает возможным использование разработанного ротационного вискозиметра для автоматизированного контроля веществ, в которых отсутствует эффект релаксации или последействия.

Разработано устройство для метрологической аттестации фазочастотного преобразователя методом образцовых сигналов в составе разработанного ротационного вискозиметра, которая разрешает смоделировать процесс измерения реологических характеристик на его входе в диапазоне частот от 10 Гц до 153,6 КГц с погрешностью до 10^-5 Гц. Проведены экспериментальные исследования, которые показали, что разработанный ротационный вискозиметр с фазочастотным преобразованием информативного параметра с достоверностью 0,95 имеет в 5 раза больше диапазон измерения и в 3 раза меньшую погрешность в сравнении с ротационным вискозиметром ВСН-3, что дает возможность определять изменения реологических характеристик при малом содержании растворителя в лакокрасочных материалах.

На основе программного и аппаратного обеспечения MAX + PLUS II “Altera” осуществлено компьютерное моделирование для всех предложенных схем. Для проверки правильности функционирования разработаны алгоритмы и прграммы получения тест-векторов MAX + PLUS II при точности задания интервалов времени 1 нс. На основе тест-векторов проведена проверка и метрологический анализ предложенных схем на этапе проектирования. Предложенный способ измерения реализован в стуктуре програмируемых логических интегральных схем фирмы “Altera” EPM7128SLC84-7.

Ключевые слова: реологическая характеристика, полный фазовый сдвиг, счетчик фазовых циклов, фазометр мгновенных значений, ротационный вискозиметр, экстрематор, вязкость.



Petrushak V.S. Development of the phase-frequency method and a means for a heightening of an exactitude of a rotary viscometer. - the Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. behind a speciality 05.11.13 - devices and a quality monitoring and definitions of structure of substance - the Kiev National University of Technologies and Design, Kiev, 2003.

The dissertation is devoted to development of the phase-frequency method and a means for a heightening of an exactitude of a rotary viscometer.

The digital method of measurement of rheological performances in a rotary viscosimeter is offered, which based on definition of complete phase shift during measurement. On the basis the method the number of device for a heightening of an exactitude measurements of rheological performances of matter in a rotary viscosimeter designed. The volume range is more than in 5 times accuracy was magnified also more than in 2 times was magnified.

Search engines of a maximum value of a phase shift it is designed, which one are founded on a principle of navigation of a maximum value by matching measured with maximum and for one turnover of perceiving element resolve to define a maxima, and also a rotary viscosimeter to automize by navigation of a maxima computer-aided.

On the basis of the software MAX + PLUS II “Altera” computer simulation and practical implementation in programmed logical integrated circuits are realized.

Keywords: rheological performance, a full phase shift, the meter of phase cycles, the digital instantaneous phase meter, a rotary viscosimeter, extremator, viscosity.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Створено безліч сучасних засобів контролю та вимірювання в'язкості, але кожен із них притаманний для певної групи речовин. Практичне застосування цих засобів потребує значних витрат часу, а також спеціалізованого громіздкого недешевого обладнання, яке є далеко не в усіх лабораторіях, а низький ступінь автоматизації- використання кваліфікованого персоналу.

Під час дослідження реологічних характеристик за допомогою ротаційних віскозиметрів користуються таким відомим способом, як використання торсіонів з низькою жорсткістю, оскільки при цьому легко контролювати найменші зміни реологічних характеристик. Разом із тим, характеристики (крім залежності екстремальних і встановлених значень напружень зсуву від швидкості деформації), отримані за методом сталої кутової швидкості, на ротаційних віскозиметрах з ``м'якими'' торсіонами мають тільки допустимі значення і в деяких випадках здатні повністю спотворити результати вимірювань. Використання ж торсіонів з високою жорсткістю потребує дуже точних схем вимірювання крутних моментів.

Серед виробників сучасних ротаційних віскозиметрів здебільшого закордонні фірми, це такі відомі фірми як HAAKE (Німеччина) та Brookfield (США). В більшості з них покращення характеристик досягається шляхом зменшенням тертя в механічній системі, нелінійності характеристики торсіону, електромагнітних наведень в електричній схемі та збільшенням коефіцієнта редукції сенсорів, частоти квантування і кількості розрядів електричної схеми. Це призводить до збільшення собівартості ротаційних віскозиметрів, застосування їх тільки для окремої групи речовин і використання кваліфікованого обслуговуючого персоналу. Застосування в ротаційних віскозиметрах новітніх фазочастотних методів та принципів вимірювання повного фазового зсуву дозволяє створити універсальні прилади із розширеним динамічним діапазоном, високою точністю та високим ступенем автоматизації. Розробка засобу вимірювання повного фазового зсуву з підвищеною точністю в ротаційному віскозиметрі зумовлена необхідністю точного вимірювання крутних моментів, що дає можливість дослідження різноманітних характеристик речовини без спотворення результатів вимірювань. Проблема контролю та вимірювання реологічних характеристик речовини безумовно є актуальною. Пошук нових методів, аналіз їх похибок та розробка засобів з підвищенною точністю є перспективною задачею вимірювання в цілому.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі проектування та конструювання радіоелектронних засобів Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) згідно з планами науково-дослідних робіт ТУП 1Б-98 “Розробка та дослідження фазочастотних методів вимірювання параметрів сигналів із кутовою модуляцією” (№ ДР 0198U002445, 1998-2001р.), 1Б-2001 “Методологія тестового комбінованого діагностування мікропроцесорних пристроїв і систем на базі компонентів штучного інтелекту” (№ ДР 0101U005058, 2001-2002р.), 17ТС “Розробка фазочастотних віскозиметричних приладів контролю динамічної в'язкості ньютонівської рідини” (№ ДР 0103U001207, 2003р.).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності ротаційного віскозиметра за рахунок використання в ньому фазочастотного методу для вимірювання крутних моментів.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі задачі:

розробити фазочастотний метод та засіб для вимірювання в'язкості ротаційним віскозиметром;

розробити математичну модель процесу вимірювання в'язкості за допомогою розробленого ротаційного віскозиметра;

розробити структурні та функціональні схеми, лабораторний макет, ротаційного віскозиметра з підвищеною точністю і фазочастотним перетворенням в'язкості рідини, методику метрологічної атестації, інженерну методику проектування фазочастотного перетворювача та впровадити у практику вимірювання реологічних характеристик.

Об`єктом дослідження є процес вимірювання реологічних характеристик речовини.

Предметом дослідження є метод та засіб вимірювання реологічних характеристик речовини.

Методи досліджень базуються на використанні математичного апарату теорії сигналів, теорії фазових площин, теорії ймовірностей, теорії цифрових автоматів, теорії похибок, теорії електричних кіл, а також методи комп'ютерного моделювання цифрових схем та чисельні методи розв`язання нелінійних рівнянь.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі отримано такі наукові результати:

1. Вперше запропоновано застосовувати теорію вимірювання надлишкових фазових зсувів до вимірювання реологічних характеристик, що дало можливість створити новий клас ротаційних віскозиметрів із фазочастотним перетворенням інформації про кут закручення торсіону у повний фазовий зсув. Доведено, що використання фазочастотного перетворювача в ротаційному віскозиметрі дозволяє в 5 - 8 раз розширити діапазон вимірювання.

2. Вперше розроблено фазочастотний метод вимірювання реологічних характеристик речовини ротаційним віскозиметром, шляхом визначення кількості фазових циклів рівних закручуванню торсіона на кут , та неперервним контролем частот сигналів, які надходять з індуктивних сенсорів, і при досягненні їх рівності, проводять вимірювання значення фазового зсуву в межах фазового циклу, після чого додають результати обох вимірювань. При цьому встановлено, що застосування фазочастотного методу в ротаційних віскозиметрах дозволяє зменшити в 2 - 3 рази похибку вимірювання реологічних характеристик за умови, що похибка механічної системи не перевищує 0,1%.

3. Розроблена математична модель вимірювального контролю реологічних характеристик, яка однозначно пов'язує динамічну в'язкість і повний фазовий зсув за умови встановленого режиму обертання індуктивних сенсорів. Доведена адекватність даної моделі (похибка моделі не перевищує 10%) і необхідність використання для аналізу високоточних ротаційних віскозиметрів.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані наукові результати впроваджені на підприємствах “СМЕД при УМВС” (м.Хмельницький), “Віста” (м.Хмельницький). Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Використання одержаних у роботі результатів дозволило розробити і впровадити на підприємстві “СМЕД при УМВС” в якості експериментального зразка ротаційний віскозиметр з фазочастотним перетворенням інформативного параметру, який забезпечує вимірювання реологічних характеристик лакофарбових матеріалів з похибкою 0,5% та високою швидкодією (<6 с).

Одержані наукові результати, які дозволили розробити і впровадити в лабораторії по виготовленню фармацевтичних речовин фірми “Віста” автоматизований ротаційний віскозиметр з ІВМ - сумісним персональним комп'ютером. Запропоновано необхідне прикладне програмне забезпечення дозволило значно розширити його функціональні можливості. Розроблено схемотехнічні рішення та практично виготовлено екстематор в основу якого покладено порівняння виміряного значення з попереднім максимальним значенням. Це дозволило за один оберт індуктивних сенсорів знайти максимум та автоматизувати процес вимірювання.

Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати досліджень пройшли апробацію на таких наукових конференціях і семінарах: 7 та 8 науково-технічні конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (Хмельницький, 1999, 2000 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “CИЕТ-2000” та “CИЕТ-2001” (Чернівці, 2000, 2001р.); Міжнародна науково-технічна конференція молодих вчених, аспірантів та студентів “SPIE-2001” (Вінниця, 2001р.); Міжнародна науково-практична конференція "Автоматизація виробничих процесів" (Хмельницький 2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 наукових праць. З них 5 статей; 5 у матеріалах та тезах конференцій; отримано 1 патент України на винахід.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та 5 додатків. Загальний обсяг дисертації 160 сторінок, вміщує 138 сторінок основного тексту, 72 рисунки на 43 сторінках по тексту, 4 таблиці займають 1,5 сторінки, список використаних джерел займає 11 сторінок і складається із 104 найменувань. Додатки містять пояснювальні матеріали, варіант принципової схеми фазочастотного перетворювача, варіант програми пошуку максимального значення фазового зсуву, результати моделювання та акти впровадження дисертаційної роботи.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто актуальність проблеми досліджень, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами, дана характеристика наукової новизни та практичного значення одержаних результатів, а також рекомендації по їх впровадженню.

В першому розділі розглянуто гідромеханічну суть явища в'язкості речовини, показана можлива фазочастотна інтерпретація закону Ньютона для в'язкої течії. Вказано, що швидкість деформації елементарного об'єму рідини при його русі прямопропорційна частоті опорного сигналу, а напруження зсуву елементарного об'єму рідини еквівалентно повному фазовому зсуву. Також з'ясовано, що характеристики (крім залежності екстремальних і встановлених значень напружень зсуву від швидкості деформації), отримані за методом сталої частоти, на ротаційних віскозиметрах з “м'якими” торсіонами мають тільки допустимі значення і в деяких випадках здатні повністю спотворити результати вимірювань. Використання ж торсіонів з високою жорсткістю потребує дуже точних схем реєстрації крутних моментів. Зроблено аналіз методів та засобів реєстрації крутних моментів в ротаційних віскозиметрах під час вимірювання реологічних характеристик речовини. Встановлено, що одному класу притаманна мала похибка вимірювання і малий діапазон вимірювань, а другому навпаки- велика похибка і великий діапазон вимірювання. Кожен з цих класів притаманний для певної групи речовин. Для оцінки параметрів реологічних характеристик вперше запропоновано застосовувати в ротаційних віскозиметрах теорію вимірювання надлишкового фазового зсуву, шляхом перетворення інформації про кут закручення торсіону в інформацію про повний фазовий зсув, що дозволяє покращити результати вимірювання за комплексним критерієм “точність - динамічний діапазон”.

Описано задачі вимірювання реологічних характеристик ротаційним віскозиметром в цілому; розглянуто класифікацію та основні характеристики методів вимірювання реологічних характеристик, вказано переваги та недоліки кожного із розглянутих методів. Розглянуто та проаналізовано із загальних позицій фазочастотний принцип вимірювання реологічних характеристик ротаційним віскозиметром. Суть фазочастотного методу полягає у визначенні повного фазового зсуву (ПФЗ) згідно рівняння вимірювання:

, (1)

де - кінцевий момент інтервалу вимірювання; N_ФЦ- кількість фазових циклів; - кутова швидкість обертання першої шестерні; - кутова швидкість обертання другої шестерні; (t) - кут фазового зсуву; - момент часу рівності кутових швидкостей обертання шестерень; - коефіцієнт перетворення індуктивного сенсора.

Проведено аналіз методів вимірювання ПФЗ. На основі цього аналізу зроблено висновок про те, що найбільш придатним для фазочастотних ротаційних віскозиметрів є метод, який полягає в незалежному вимірюванні фазових циклів та кута фазового зсуву із наступним додаванням результатів обох вимірювань.

Встановлено, що в більшості випадків визначення інтервалу часу вимірювання залежності екстремальних і встановлених значень напружень зсуву здійснюється оператором і залежить повністю від його обізнаності. Це веде до збільшення інтервалу часу вимірювання ніж за умови автоматичного вимірювання, тому запропоновано обмежити час вимірювання для таких випадків до моменту, коли буде знайдено максимальне значення ПФЗ.

В другому розділі розроблені математичні моделі вимірювання реологічних характеристик речовини ротаційним віскозиметром з фазочастотним перетворенням інформативного параметра, та проведені їх дослідження. Зокрема показано, що для одних методів вимірювання реологічних характеристик необхідне використання ``жорстких'' торсіонів разом з точною схемою вимірювання, а для інших можливе використання ``м'яких'' торсіонів разом з засобами вимірювання екстремальних значень. Від цього залежить похибка і діапазон вимірювання. Також необхідно зауважити, що дослідження реологічних характеристик необхідно проводити за методом сталої частоти.

Розроблена структурна модель ротаційного віскозиметра з фазочастотним перетворенням інформативного параметра, згідно якої описано процес зміни частоти обертання індуктивних сенсорів на кінцях торсіона з часом.

Кутова швидкість обертання індуктивного сенсора на верхньому кінці торсіона ротаційного віскозиметра на інтервалі часу рівна , а на інтервалі часу постійна і рівна . Кутова швидкість обертання індуктивного сенсора на нижньому кінці торсіона на інтервалі часу рівна , а на інтервалі часу постійна і рівна як це показано на рис. 1. Відповідно вимірювання кількості фазових циклів відбувається до моменту часу , а вимірювання фазового зсуву після , коли швидкість обертання торсіона постійна.

Розроблена математична модель, що описує процес вимірювання реологічних характеристик ньютонівських рідин фазочастотним методом в розробленому ротаційному віскозиметрі, яка представлена системою рівнянь:

(2)

де - момент на і-тому перетворювачі, - крутний момент на торсіометричному перетворювачі, - механічний момент на сприймаючому елементі механічної системи, С- пружність торсіону, J- момент інерції на сприймаючому елементі механічної системи, - ПФЗ, що рівний куту закручування торсіону, - коефіцієнт динамічної в'язкості, - кутова швидкість обертання сприймаючого елементу механічної системи, R- стала сприймаючого елементу механічно системи.

Одержано рівняння вимірювання за умови встановленого процесу для ньютонівських рідин у вигляді:



. (3)

Відповідно з виразу (3) видно, що як і для будь-якої реологічної характеристики існує пряма залежність динамічної в'язкості від фазового зсуву і швидкості обертання сприймаючого елемента. Для розробленого ротаційного віскозиметра мінімальний інтервал вимірювання знаходиться в межах від 0 до . На основі виразу (3) розроблено алгоритм фазочастотного вимірювання реологічних характеристик.

За алгоритмом, що зображено на рис. 2 після пуску двигуна на кутову швидкість за допомогою частотного компаратора відбувається порівняння кутової швидкості обертання валу двигуна, яка еквівалентна частоті сигналу з верхнього індуктивного сенсора зі встановленим значенням кутової швидкості. В разі їх рівності відбувається порівняння кутової швидкості обертання сприймаючого елемента механічної системи , яка еквівалентна частоті сигналу з нижнього індуктивного сенсора зі встановленим значенням кутової швидкості. В разі їх рівності відбувається вимірювання фазового зсуву у кожному періоді опорного коливання за допомогою фазометра миттєвих значень. Після чого здійснюється пошук максимального значення фазового зсуву за один оберт сприймаючого елементу механічної системи за допомогою екстрематора. Одночасно з процесом порівняння кутових швидкостей відбувається визначення кількості фазових циклів за допомогою лічильника фазових циклів. Процес визначення фазових циклів проходить за інтервал часу від початку вимірювання до моменту, коли кутова швидкість обертання сприймаючого елементу механічної системи дорівнює встановленому значенню кутової швидкості. Після визначення кількості фазових циклів і максимального значення фазового зсуву відбувається їх додавання, в результаті чого кількість фазових циклів виступає цілою частиною ПФЗ, а максимальне значення фазового зсуву дробовою частиною ПФЗ.

У відповідності до алгоритму вимірювання реологічних характеристик розроблено алгоритм порівняння частот сигналів, які надходять з сенсорів, що є обов'язковою умовою адекватності моделі. Встановлено, що вимірювання дробової частини ПФЗ за умови нерівності частот сигналів, які надходять з індуктивних сенсорів, призводить до хибних результатів вимірювання реологічних характеристик.

Розроблено алгоритм роботи екстрематора для ротаційного віскозиметра, в основу якого покладено пошук максимального значення фазового зсуву. Завдяки порівняння виміряного значення фазового зсуву з попереднім максимальним значенням, досить просто за один оберт сприймаючого елементу механічної системи визначити максимальне значення та автоматизувати ротаційний віскозиметр.

В результаті дослідження процесу знаходження екстремальних значень фазового зсуву обґрунтована необхідність фіксації часу вимірювання реологічних характеристик. Доведено, що максимальне значення фазового зсуву буде в точці і фіксація цього значення дозволяє зменшити в час вимірювання.

В третьому розділі розроблено і досліджено фазочастотний метод і засіб підвищення точності вимірювання реологічних характеристик, до складу якого входить частотний компаратор, реверсивний лічильник фазових циклів, фазометр миттєвих значень і екстрематор.

На основі фазочастотного підходу до вимірювання та контролю реологічних характеристик речовини автором запропоновано спосіб вимірювання реологічних характеристик речовини та пристрій для його здійснення.

Під дією опору, який створює в'язка дослідна речовина обертові рухи сприймаючого елемента зменшуються і шестерня 2, жорстко зв'язана зі сприймаючим елементом, починає відставати по фазі від шестерні 1, жорстко зв'язаної з валом двигуна. Виникаючий крутний момент закручує торсіон, при цьому значення вимірюваної реологічної характеристики пропорційне величині закручування торсіона, тобто зсуву фази між сигналами, що надходять з індуктивних сенсорів 2 і 3. Зсув фази між сигналами, що відповідають положенню зубців шестерень індуктивних сенсорів вимірюється наступним чином. Під час обертання шестерень 1, 2 на виході індуктивних сенсорів 2 і 3 утворюється сигнал гармонійної форми. Далі цей сигнал підсилюється і перетворюється в послідовність імпульсів прямокутної форми, які поступають на вхід реверсивного лічильника фазових циклів 7 і частотного компаратора 6. Коли миттєві значення частот сигналів з підсилювачів-обмежувачів 4 і 5 будуть однакові і рівні заданому значенні частоти обертання сприймаючого елемента, тоді лічба фазових циклів буде зупинена і на виході реверсивного лічильника 7 матимемо кількість фазових циклів, яка відповідає цілій частині повного фазового зсуву. Далі ці сигнали зсунуті по фазі будуть надходити на вхід фазометра миттєвих значень 8. Цей фазометр 8 буде визначати миттєве значення фазового зсуву в межах фазового циклу , яке відповідає дробовій частині ПФЗ за кожний період сигналу, що буде надходити з підсилювача-обмежувача 4. Двійковий код з фазометра миттєвих значень надходить на вхід екстрематора 9, який здійснює пошук максимального значення фазового зсуву за один оберт індуктивних сенсорів 2 і 3. Якщо максимальне значення фазового зсуву буде знайдене, то на одному з виходів екстрематора 9, який йде на виконуючий механізм 1 зміниться рівень сигналу і сприймаючий елемент зупиниться. На виході пристрою додавання 10 матимемо суму кількості фазових циклів, що надходять з реверсивного лічильника 7 та дробової частини ПФЗ, що надходить з фазометра миттєвих значень 8. Таким чином за час вимірювання в'язкості, рівний часу розгортки торсіона, проводиться операція визначення ПФЗ. Кут закручення торсіону на частоті обертання торсіону визначається за аналітичним виразом:



, (4)

де - кількість імпульсів у миттєвому фазовому зсуві, - частота квантуючих імпульсів, - період сигналу, що надходить з індуктивного сенсора.

На основі проведеного аналізу методів та засобів побудови лічильників фазових циклів визначено, що найбільш ефективним з точки зору швидкодії є метод визначення кількості фазових циклів за допомогою реверсивного лічильника. Запропонована будова схеми реверсивного лічильника фазових циклів та доведена доцільність його використання у ротаційному віскозиметрі із схемами корекції і узгодження результатів вимірювання. Розглянуто і доопрацьовано метод реверсивної лічби фазових циклів, шляхом усунення невизначеності в алгоритмі лічби фазових циклів, що полягає у корекції кількості фазових циклів наприкінці процесу вимірювання цілої частини ПФЗ. В якості фазометра миттєвих значень обрано схему фазометра на D-тригерах.

Удосконалено частотний компаратор (ЧК) для вимірювання реологічних характеристик, досліджено його роботу зі схемою корекції процесу порівняння частот. В основу роботи ЧК покладено процес визначення різниці частот сигналів, що надходять з індуктивних сенсорів і формування сигналу занулення лічильника до моменту часу рівності частот цих сигналів. Після чого лічильник почне рахувати імпульси, що надходять на вхід ЧК. Коли лічильник нарахує необхідну кількість імпульсів на виході з'явиться сигнал високого рівня, який установить на виході D-тригера високий рівень, що і буде сигналом дозволу початкового моменту вимірювання фазового зсуву і кінцевого моменту підрахунку фазових циклів.

Для пошуку максимального значення фазового зсуву розроблено екстрематор на інтегрованій елементній базі фірми Altera. Сумарний час затримки екстрематора не перевищує 3,2 нс. Процес знаходження максимального значення повного фазового зсуву за допомогою засобу пошуку екстремальних значень відбувається за час, який визначається за аналітичним виразом:

, (5)

де - час затримки на і-тій операції пошуку максимального значення повного фазового зсуву.

Розроблено ротаційний віскозиметр з програмним пошуком екстремального значення і варіант програми для ПЕВМ на мові Сі за алгоритмом.

За даною схемою цифрова послідовність , що надходить з фазочастотного перетворювача 3 на паралельний інтерфейс ПЕОМ 4 порівнюється з її попереднім значенням . За умови рівності на екрані монітору 5 з'являється знайдене максимальне значення реологічної характеристики і час, протягом якого воно було знайдене. Також в цей момент на одному з виходів паралельного порту змінюється його логічний стан. Цифровий сигнал з паралельного порту поступає на виконуючий механізм 1, після чого сприймаючий елемент зупиняється і процес вимірювання реологічних характеристик за допомогою даного ротаційного віскозиметра закінчується.

Такий варіант ротаційного віскозиметра придатний для дослідження реологічних характеристик з використанням як ``м'якого'' так і “жорсткого” торсіона, а також можливе використання для речовин в яких відсутні ефекти релаксації і післядії. Мінімальний час вимірювання реологічної характеристики визначається за аналітичним виразом:



, (6)

де - кількість періодів порівняння, - час затримки фазочастотного перетворювача.

Час затримки фазочастотного перетворювача виконаного на інтегрованій елементній базі фірми Altera не перевищує 28,3 нс.

Четвертий розділ присвячено практичній реалізації розробленого ротаційного віскозиметра з фазочастотним перетворенням інформативного параметра.

Для перевірки параметрів фазочастотного перетворювача розроблено пристрій, який відтворює реальний процес зміни заданого значення частоти сигналу на вході фазочастотного перетворювача.

Відповідно до структурної схеми, з мікропроцесорного пристрою 1 по першому каналу на вхід цифро-аналогового перетворювача 2 надходить цифровий код , який приводить до появи постійної напруги на його виході. Далі ця напруга надходить на вхід генератора керованого напругою 4, завдяки чому на його виході встановлюється значення частоти . Після чого сигнал заданої частоти попадає на вхід першого каналу фазочастотного перетворювача 6. На вхід другого цифроаналогового перетворювача 3 з мікропроцесорного пристрою 1 надходить цифрова послідовність, яка відображає зміну напруги на його виході за певною залежністю. Зміна напруги , що надходить на генератор керований напругою 5 приведе до зміни частоти сигналу на його виході. Таким чином на вході фазочастотного перетворювача буде відтворено процес, який відповідає процесу закручування торсіону під час дослідження реологічних характеристик ньютонівської рідини. Значення ПФЗ між сигналами, що надходять з генераторів керованих напругою 4 і 5 на вхід фазочастотного перетворювача визначається за аналітичним виразом:



, (7)

де - коефіцієнт передачі генератора керованого напругою, - час за який змінюється частота сигналу на виході генератора керованого напругою 5, - похибка некогерентності частот сигналів на виході генераторів керованих напругою.

Показано, що використання в якості генератора керованого напругою кварцових генераторів SG-10 фірми Epson (США) дозволяє встановлювати на його виході частоту в діапазоні від 10 Гц до 153,6 кГц з похибкою до 10^-5 Гц, що повністю задовольняє рівень точності розробленої методики метрологічної атестації.

Досліджено вплив методичних і інструментальних похибок на результати вимірювання реологічних характеристик розробленим ротаційним віскозиметром. Похибка розробленого фазочастотного перетворювача залежить від частоти квантування під час визначення миттєвого значення фазового зсуву та затримки проходження сигналів через фазочастотний перетворювач. Похибка квантування визначається за аналітичним виразом:

. (8)

Похибка затримки проходження сигналів через фазочастотний перетворювач визначається за виразом:

. (9)

Для максимальних значень , , та відносна похибка фазочастотного перетворювача не перевищує 0,002%. Завдяки високій точності фазочастотного перетворювача досягнена висока чутливість та точність ротаційного віскозиметра, що забезпечило розширення діапазону вимірювання. Похибка ротаційного віскозиметра залежить від похибки механічної системи , похибки нестабільності частоти обертання торсіона та похибки фазочастотного перетворювача . Для максимальних значень , і сумарна похибка ротаційного віскозиметра складе 0,15%.

За допомогою розробленого ротаційного віскозиметра та ротаційного віскозиметра ВСН-3 були виконані експериментальні дослідження, які показали, що розроблений ротаційний віскозиметр з вірогідністю 0,95 має в 5 разів більший діапазон вимірювання і в 3 рази меншу похибку. Це дало можливість визначати зміни в'язкості за умови малої концентрації розчиннику (порядка (2..10)%) у лакофарбових матеріалах. В результаті досліджень встановлено, що інструментальна похибка становить 0,1%, а методична- 0,048%.

Розроблена інженерна методика проектування фазочастотного перетворювача для ротаційного віскозиметра, яка дозволяє розрахувати точність і динамічний діапазон вимірювання реологічних характеристик шляхом вибору коефіцієнта редукції сенсорів, кількості періодів порівняння частот сигналів, розрахунку частоти квантування, кількості розрядів лічильника фазових циклів і цифрового миттєвого фазометра. За даною методикою частота квантуючих імпульсів визначається за аналітичним виразом:

, (10)

де - кількість розрядів схеми фазометра миттєвих значень.

Максимальне значення виміряного кута закручення торсіону буде визначатися як:

, (11)

де - кількість розрядів схеми лічильника фазових циклів.

Розроблено шістнадцяти розрядний фазометр миттєвих значень на інтегральних мікросхемах фірми Altera з тактовою частотою 131,072 МГц. За умови, що коефіцієнт редукції сенсорів рівний 100, тоді розрізнювальна здатність кута закручення торсіону для такого фазочастотного перетворювача становитиме 0,0065 град, а динамічний діапазон вимірювання кута закручення торсіону- 98,4 дБ.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

В дисертаційній роботі розроблено і досліджено фазочастотний метод та засіб для підвищення точності вимірювання та контролю реологічних характеристик за допомогою ротаційного віскозиметра. В результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень в дисертаційній роботі отримані такі наукові та практичні результати:

1. Для вимірювання реологічних характеристик вперше запропоновано застосовувати теорію фазочастотних вимірювань, що дало можливість створити новий клас ротаційних віскозиметрів із фазочастотним перетворенням інформації про кут закручення торсіону у повний фазовий зсув. Доведено, що використання фазочастотного перетворювача в ротаційному віскозиметрі дозволяє в 5 - 8 раз розширити діапазон вимірювання знизу.

2. Для процесу контролю і вимірювання реологічних характеристик розроблена математична модель, яка однозначно пов'язує динамічну в'язкість і повного фазового зсуву за умови встановленого режиму обертання індуктивних сенсорів. Доведена адекватність моделі і необхідність використання для аналізу високоточних ротаційних віскозиметрів.

3. Розроблено фазочастотний метод вимірювання реологічних характеристик лакофарбових матеріалів ротаційним віскозиметром. Завдяки визначення кількості фазових циклів рівних закручуванню торсіона на кут , та неперервним контролем частот сигналів, які надходять з сенсорів, і при досягненні їх рівності, забезпеченні вимірювання значення фазового зсуву в межах фазового циклу та додаванням результатів обох вимірювань. Встановлено, що застосування фазочастотного методу ротаційних віскозиметрах дозволяє в 5 - 8 раз розширити діапазон вимірювання знизу на одному і тому ж торсіоні.

4. Розроблено екстрематор, принцип роботи якого зводиться до пошуку максимального значення фазового зсуву через порівняння виміряного значення фазового зсуву з попереднім максимальним значенням і дозволяє за один оберт індуктивного сенсора та з затримкою, яка не перевищує 3,2нс (для ІМС фірми Altera) встановлювати час вимірювання реологічних характеристик розробленим ротаційним віскозиметром та автоматизувати його шляхом пошуку екстремального значення за допомогою ПЕОМ.

5. Проведено експериментальні дослідження, які показали, що розроблений ротаційний віскозиметр з вірогідністю 0,95 має в 5 раз більший діапазон вимірювання і в 3 рази меншу похибку в порівнянні з ротаційним віскозиметром ВСН-3, що дає можливість визначати зміни реологічних характеристик при малих вмістах розчиннику (2..10)% у лакофарбових матеріалах.

6. Розроблена методика метрологічної атестації характеристик фазочастотного перетворювача методом зразкових сигналів, яка дозволяє відтворити процес вимірювання реологічних характеристик на його вході в діапазоні частот від 10 Гц до 153,6 кГц з похибкою 10^-5Гц.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. 1.Петрушак В.С. Фазочастотне представлення вимірювань в'язкості ротаційним віскозиметром з торсіометричним перетворювачем // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2000. - №4. - С.87-90.

2. Петрушак В.С., Оліферчук О.М. Аналіз методів та засобів визначення та контролю динамічної в'язкості речовини // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2001. - №1. - С.68-71.

3. Троцишин І.В., Петрушак В.С., Валід Хадіфа. Моделі та методи визначення реологічних властивостей та ідентифікації речовин за в'язкістю // Проблеми легкої промисловості. 2001. - №5. - С.138-142.

4. Троцишин І.В. Петрушак В.С. Оцінка результатів вимірювання в'язкості рідини ротаційним експрес-віскозиметром // Вимірювальна техніка та метрологія. 2002. - №59. - С.189-192.

5. В.С. Петрушак, О.М. Оліферчук. Аналіз джерел та дослідження похибок фазочастотного визначення та контролю динамічної в'язкості речовини // Вісник Технологічного університету Поділля. 2002. - №3. - Т2. - С.121-123.

6. Петрушак В. С. Вимірювання в'язкості рідин // Матеріали VІІ НТК “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. Хмельницький. 2000. - С.66-68.

7. Троцишин І. В., Петрушак В. С. Застосування кумулятивного фазометра для ротаційного віскозиметра з торсіометричним перетворювачем // Матеріали VІІІ МНТК “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. К.: 2000. - С.342-344.

8. Петрушак В.С.Оптоелектронні первинні перетворювачі при вимірюванні в'язкості рідких речовин в ротаційних віскозиметрах // Оптоелектронні інформаційно-енергетичні технології. Збірник тез доповідей міжнародної науково-технічної конференції молодих вчених аспірантів та студентів. - Вінниця: ВДТУ, 2001. - С.157.

9. В.С. Петрушак, І.В. Троцишин. Модель ротаційного віскозиметра з торсіометричним перетворювачем // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: Збірник наукових праць. - Хмельницький: ТУП, 2001. - С.257-260.

10.Троцишин І.В., Петрушак В.С. Особливості побудови пристроїв для вимірювання в'язкості рідких речовин // Збірник наукових праць. Випуск №9. "Сучасні інформаційні та ресурсозберігаючі технології життєзабезпечення людини. К.: ФАДА ЛТД, 2001. - С.331-334.

10. Деклараційний патент №47019А. Україна. Спосіб вимірювання в'язкості рідини та пристрій для його здійснення/ Троцишин І.В., Петрушак В.С., МПК7 G01N11/14 /; Заявл. 14.06.01; опубл. №6 - 17.06.02.

Размещено на Allbest.ru

...