Daudzu tehnoloģisko procesu raksturīgs rādītājs ir vides viskozitātes vai citu reoloģisko īpašību izmaiņa procesa laikā.

Piemēram, fermentācijās, vairojoties mikroorganismiem, palielinās kultūršķīduma viskozitāte. Laku ražošanas procesā tiek sintezēti dažādi sveķi. Sintēzes procesam beidzoties, sāk strauji palielināties viskozitāte. Savukārt, piena rūpniecībā kefīrs, rūgušpiens un jogurts tiek ražoti, izmantojot raudzēšanas tehnoloģijas. Piena produkta masai sarūgstot, izmainās tā konsistence, kas raksturojas arī ar viskozitātes palielināšanos. Visos minētajos gadījumos tehnoloģiskās vides viskozitātes izmaiņa „ziņo” par procesa beigām vai par nepieciešamību veikt iedarbību uz tehnoloģisko procesu. Bez minētajiem piemēriem var atrast samērā daudzus piemērus, kur procesa dinamikas raksturojošais parametrs būtu viskozitāte.

Aprakstītos procesus pagaidām vēl nevar tieši kontrolēt un vadīt atkarībā no viskozitātes, jo nav pieejamas ierīces, ar kuru palīdzību varētu samērā vienkārši nepārtraukti (t.i. on-line) mērīt viskozitāti dažādos tehnoloģiskos procesos. Dotajai iekārtai vajadzētu būt ērtai, robustai, nekomplicētai, ar samērā maziem gabarītiem (vismaz devēja daļai, kura tiek iegremdēta tehnoloģiskajā vidē) un ar ekonomisku cenu. Pieejamās sistēmas ir dārgas, komplicētas un prasa papildus aprīkojumu. Šai nolūkā Latvijas Valsts Koksnes ķīmijas institūtā 2006.gadā tika uzsākts Eiropas Struktūrfondu attīstības (ERAF) projekts ”Reoloģisko īpašību indikators kā biomasas iegūšanas un citu ražošanas procesu kontroles un vadības instruments„. Tagad projekts ir noslēguma fāzē, un ir iesniegti Latvijas (P-08-92 no 26.05.2008 ) un Eiropas patenti (Prioritāte Nr. 08010576.0/EPO8010576 no 11.06.2008 ).

Ņemot vērā augstāk minētos principus un nosacījumus tika izveidots viskozitātes kontroles un vadības iekārtas prototips.

Dotā iekārta (skat. blokshēmu) sastāv no devēja, kurš veidots uz bimorfa (bimorph) pjezoelektriska vairākslāņu elementa bāzes (1), kas savienots ar bimorfa elementa signāla apstrādes bloku (2) un signālu ģenerēšanas iekārtu (3). Bloka (2) formētais izejas signāls, pārveidots 4-20 mA vai 0-10V signāla formā, tiek padots uz procesa loģisko kontrolieri PLC vai citu vadības iekārtu (4). Devējs tiek ierosināts ar signāla ģenerēšanas iekārtā (3) radītiem 30 V impulsiem , un no ierosināšanas brīža tiek analizētas devēja rimstošas svārstības blokā (2). PLC vai cita vadības iekārta (4), analizējot viskozitātes izmaiņas signālu, izdod vadības signālu uz ražošanas procesa izpildmehānismiem tehnoloģiskā procesa regulācijai saskaņā ar uzdoto algoritmu. Dotais algoritms paredz darbības, kuras nepieciešamas, sasniedzot viskozitātei noteiktu vērtību. Tās dažādiem procesiem var būt atšķirīgas.

Viskozitātes kontroles un vadības iekārtas blokshēma

Devēja (1) konstrukcija ir papildināta ar elementiem, kas būtiski palielina bimorfa pjezoelektriskā elementā ierosināto svārstību amplitūdu un rimšanas laiku, tādā veidā, palielinot devēja jūtību, un līdz ar to arī kontrolei paredzētās viskozitātes robežas.

Devēja signāls signālu apstrādes blokā (2) tiek apstrādāts ar analogo ciparu pārveidotāju. Tālāk tiek noteikta katra svārstību amplitūda, un balstoties uz doto informāciju svārstību dilšanas dekrementa noteicējā tiek aprēķināts logaritmiskais svārstību dilšanas dekrements δ saskaņā ar sekojošo formulu:

  • d – svārstību logaritmiskais dilšanas dekrements
  • n – svārstību skaits
  • xo – atskaites svārstības amplitūda
  • xn – n-svārstību amplitūda

Starp dilšanas dekrementu un dinamisko viskozitāti pastāv augoša funkcionāla sakarība:

Šī sakarība tiek noteikta eksperimentāli, veicot iekārtas kalibrāciju pie dažādām vides viskozitātēm. Dotā kalibrācijas funkcija tiek ievadīta blokā(2). Signālu apstrādes bloka izejā tiek formēts signāls, kurš atbilst kādam no industriālā analogā signāla diapazoniem (piemēram, 4 – 20 mA vai 0 – 10 V). Pie tam dotais izejas signāls ir tieši proporcionāls dinamiskajai viskozitātei.

Lai noteiktu signāla apstrādes bloka (2) korelācijas funkciju tika analizētas devēja (1) ierosinātās svārstības. Šim nolūkam tika izmantots oscilogrāfs Textronix TDS2024 B, kura iegūtā informācija tika analizēta un apstrādāta ar datorprogrammu grafiskajā un tabulārā formā. Viskozitāte tika modelēta, izmantojot dažādas koncentrācijas CMC (carboxymethyl cellulose) šķīdumus. Dinamiskā viskozitāte tika noteikta ar viskozimetra SV-10 (A&D Company, Limited) palīdzību. Šādā veidā tika iegūtas devēja (1) dilšanas līknes viskozitātes diapazonā no 1 mPas līdz 344 mPas pie optimāliem viskozitātes devēja (1) konstrukcijas izmēriem:

Dotā devēja pielietojums ir sagatavots fermentācijas procesa kontrolei un vadībai, kurš pievienots sekojošajā veidā bioprocesa kontrolierim BIO-3
Viskozitātes mērītājs fermentācijas procesā var tikt pielietots, piemēram:
  1. Lai noteiktu izšķīdušā skābekļa parciālā spiediena pO2 regulācijas veidu (t.i. ar maisītāja rotācijas ātruma maiņu, skābekļa bagātināšanu, substrāta piedozēšanu, vai citādi);
  2. Kā kritērijs paziņojuma izdošanai par nepieciešamajām darbībām fermentācijas procesa pabeigšanai.
Citiem tehnoloģiskajiem procesiem, lai izstrādātu procesa vadības algoritmu atkarību no viskozitātes, ir nepieciešams sākt ar informācijas analīzi, kura ir iegūta, veicot on-line viskozitātes monitoringu.