Характерным для многих технологических процессов является изменение вязкости или других реологических свойств среды. Например, в ферментациях при размножения микроорганизмов, увеличивается вязкость культуральной жидкости. В процессах производства лаков синтезируется разные смолы. Завершение процесса характеризируется с резким повышением вязкости. В свою очередь в молочной промышленности кефир, простокваша и йогурт производится, используя технологий брожения. При брожении молочной массы, меняется его консистенция, что характеризуется повышением вязкости. Во всех упомянутых случаях изменение вязкости «сообщает» об окончания процесса или об необходимости проводить воздействие на технологический процесс. Кроме упомянутых примеров можно найти многих где характерным параметром является вязкость.

Выше упомянутыми процессами пока ещё нельзя непосредственно управлять в зависимости от вязкости, так как не являются доступными устройства, с помощю которых можно было бы сраврительно просто измерять непрерывно (on-line) вязкость технологической среды. Данное устройство должно быть удобным, стабильным, легко обслуживаемым, с небольшими габаритами (по крайней мере часть датчика) и экономичной ценой.

Доступные системы являются дорогими, сложными и требующими дополнительного оснащения для применения в технологических процессах. В 2006. году в Латвийском Государственном институте химии древесины был начат проект при поддержке Европейских структуриальных фондов «Индикатор реологических свойств как устройство контроля и управления получения биомассы и других процессов». Проект теперь находится в завершающей фазе, и поданы Латвийские (Р-08-92 от 26.05.2008) и Европейские патенты (номер приоритета 08010576.0/ЕР08010576 от 11.06.2008).

Принимая во внимание выше изложенных принципов и условий было создан прототип устройства для контроля и управления вязкости.

Данное устройство (см. блоксхему) состоит из датчика биморфного пьезоэлектрического элемента (1), блока обрабатки сигнала (2) игенератора импульса (3). Выходной сигнал блока (2) преобразованный в форме 4 – 20 мА или 0 – 10 В, подаётся на вход логического контроллера процесса (PLC) или другого устройства управления (4). Датчик возбуждается с воздействием коротких импульсов с амплитудой 30 В от генератора импульса (3), и с момента возбуждения в блоке (2) анализируется затухающие колебания. Устройсво управления (4), анализируя сигнал изменения вязкости, выдаёт сигнал управления на исполнительных механизмов технологического процесса согласно заданному альгоритму. Данный алгоритм предусматривает действия, которые необходимы при достижении определённой вязкости. Для разных процессов данный альгоритм может отличится.

Конструкция датчика (1) дополнена элементами, которые существенно увеличивает амплитуду возбуждения и время затухания колебаний. Таким образом увеличивается чувствительность датчика и пределы определения вязкости.

Устройство для контроля управления вязкости

 

Сигнал датчика (1) обрабатывается в блоке (2) с аналогово–цифровым пеобразователем. В процессе обработки определяется амплитуда каждого колебания и базируясь на этой информации вычисляется декремент логарифма затухания колебаний согласно с следующей формулой:

  • d – логарифмический декремент затухания колебаний
  • n – число колебаний
  • xo – амплитуда отчётного колебания
  • xn – n-амплитуда n-того колебания

Между декрементом затухания и динамической вязкостю имеется следующая взаимосвязь:

Эта зависимость определена экспериментально, проводя калибровку устройства при разных вязкостях среды. Данная калибровочная функция вводится программу блока (2). На выходе данного блока формируется сигнал согласно промышленному стандарту (4 – 20 мА или 0 – 10 В). При этом, данный сигнал пропорционален динамической вязкости среды.

Чтобы определять данную функциональную зависимость, проводился анализ колебаний возбуждённых колебаний датчика (1). Для этих целей использовался осцилограф Textronix TDS2024B, информация которого анализировалось с попомощью компьютерной программы. Вязкость среды моделировалось с помощью разных растворов СМС (carboxymethyl cellulose). Таким образом исследовались растворы в пределах вязкостей с 1 до 344 мПас при оптимальных конструктивных параметрах датчика (1)

Применение измерителя вязкости подготовлено для управления ферментационного процесса с использованием контроллера биопроцессов BIO-3 в следующем виде:Измеритель вязкости для управления ферментационных процессов может быть использовен, например, следующим образом:
  1. Чтобы определить оптимальный вариант управления парциального давления растворенного кислорода pO2 (т.е. скоростью вращения мешалки, подачи смесей газа (О2 , N2, воздух), дозировки субстрата или по другому);
  2. Как критерий выдачи сообщения об необходимых действиях для завершения процесса.

Для других технологических процессов, чтобы разрабатывать алгорифм управления в зависимости от вязкости, необходимо начинать с анализа on-line результатов измерения вязкости.