Разработка датчика для измерения вязкости жидкости нефтепродуктов

Реферат

Объект исследования — система для измерения вязкости жидкости нефтепродуктов. Цель курсового проекта — разработка датчика для измерения вязкости жидкости нефтепродуктов. Описаны и проанализированы методы измерения вязкости жидкости, разработана структурная схема вибрационного вискозиметра, разработана схема электрическая принципиальная. В результате чего был разработан требуемый датчик.

Тема вискозиметрии и её методов мало распространена и фактически не упоминается в повседневной жизни, но, по истине, прибор вискозиметр занимает достойное место в списке гениальных изобретений человечества.

Вязкость — важная физико-химическая характеристика веществ. Значение вязкость приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). Вязкость расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. Вязкость расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По Вязкость во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов. Вязкость масел имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т. д.

Вязкость — свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одного слоя относительно другого. Количественно вязкость характеризуется значением динамической вязкости или коэффициентом внутреннего трения. Характерной особенностью этого вида трения является то, что оно наблюдается не на границе твердого тела и жидкости, а во всем объеме жидкости.

Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости среды к ее плотности при той же температуре.

При измерениях часто пользуются также величиной относительной (условной) вязкости, характеризующейся отношением вязкости данной жидкости к вязкости воды при той же температуре.

Вискозиметр — прибор для измерения вязкости Классификация вискозиметров

— по температуре исследуемой среды различают высокотемпературные вискозиметры и вискозиметры, изготовленные из нетермостойких материалов;

— по свойствам исследуемой вязкой среды различают универсальные вискозиметры и специальные (т.е. предназначенные для измерения вязкости сред с определёнными заранее известными свойствами, например ньютоновских жидкостей);

— по методу вискозиметрии различают капиллярные, вибрационные, ультразвуковые, ротационные, вискозиметры с падающим шариком;

— по точности измерений различают высокоточные вискозиметры и даже т.н. образцовые вискозиметры;

— по области применения различают промышленные, лабораторные, медицинские вискозиметры.

Области применения вискозиметров чрезвычайно разнообразны.

В медицине используются капиллярные вискозиметры (вискозиметр ВПЖ, ВНЖ, ВК-4). Так, например, острую актуальность имеет измерение вязкости человеческой крови.

В фармацевтических лабораториях вискозиметры используются при изготовлении лекарственных препаратов, патоки, мазей, линиментов.

В нефтянной промышленности используются как ротационные вискозиметры системы Brookfield, так и полевые чашечные капиллярные вискозиметры, позволяющие с достаточной степенью точности определить вязкие свойства нефти.

В химической промышленности и металлургии широко распространены универсальные, высокотемпературные вискозиметры, позволяющие оперировать со средами в широком диапазоне температур от -60 °C до 2600 °C.

1. Анализ существующих методов измерения вязкости нефтепродуктов

По принципиальным особенностям конструкции приборы для измерения вязкости делятся на следующие типы:

1)капиллярные вискозиметры;

2) ротационные вискозиметры, или приборы с коаксиальными цилиндрами; 3) вискозиметры с падающим шариком;

4) вибрационные вискозиметры;

5) вискозиметры, основанные на других принципах.

1.1 Капиллярный метод вискозиметрии

Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.

Уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью з через капилляр вискозиметра:

Q — количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,

R — радиус капилляра вискозиметра, м

L — длина капилляра капиллярного вискозиметра, м з — вязкость жидкости, Па· с, р — разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

Формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость — стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости.

Рисунок 1.1 — Капилярный вискозиметр В капиллярном вискозиметре жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра. Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости, очевидно, что часть его будет расходоваться на сообщение жидкости нопределённой кинетической энергии. Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха:

где h — коэффициент, стремящийся к единице, dплотность иссдледуемой жидкости.

Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости. Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость). Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L':

n — определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.

Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высокотемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.

Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.

1.2 Метод падающего шарика вискозиметрии

Метод падающего шарика вискозиметрии основан на законе Стокса, согласно которому скорость свободного падения твердого шарика в вязкой неограниченной среде можно описать следующим уравнением:

где V — скорость поступательного равномерного движения шарика вискозиметра; r — радиус шарика; g — ускорение свободного падения; d — плотность материала шарика; ро — плотность жидкости.

Необходимо отметить, что уравнение справедливо только в том случае, если скорость падения шарика вискозиметра довольно мала и при этом соблюдается некое эмпирическое соотношение: .

Рисунок 1.2 — Метод падающего шарика Как и в капиллярном методе вискозиметрии, необходимо учитывать возникающие поправки на конечные размеры цилиндрического сосуда вискозиметра с падающим шариком (высотой L и радиусом R, при условии, если выполняется). Такие действия приводят к уравнению для определения динамической вязкости жидкости методом падающего шарика вискозиметрии:

.

На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей.

1.3 Ротационный метод вискозиметрии

Ротационный метод вискозиметрии заключается в том, что исследуемая жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью. Очевидно, что вращательное движение ротора визкозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом рассматриваются). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости.

Для простоты мы рассмотрим инверсную модель ротационного вискозиметра: вращаться будет внешнее тело, внутренее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. Однако для краткости изложения будем называть внутреннее тело ротором ротационного вискозиметра.

Рисунок 1.3 — Ротационный вискозиметр Введём необходимые обозначения:

R1,L — радиус и длина ротора ротационного вискозиметра;

щ — постоянная угловая скорость вращения внешнего тела;

R2 — радиус вращающегося резервуара ротационного вискозиметра;

з — вязкость исследуемой cреды;

M1 — момент вращения, передаваемый через вязкую жидкость, равный

d, l — диаметр и длина упругой нити, ц — угол, на который закручивается неподвижно закреплённая нить,

G — момент упругости материала нити При этом крутящий момент M1 ротора ротационного вискозиметра уравновешивается моментом сил упругости нити М2:

.

Заметим вновь, что М1 = М2, откуда после нескольких преобразований относительно з имеем:

или ,

где k — постоянная ротационного вискозиметра.

Если рассматривать ту же задачу для ротационного вискозиметра с вращающимся внутренним (ротором висозиметра) и неподвижным внешним телами, имеем:

или .

В этом случае G — момент, необходимый для поддержания постоянной частоты вращения, (один оборот ротора вискозиметра за ф с).

Заметим, что полученные отношения справедливы для цилиндра бесконечной длины, в реальных условиях учитывается поправка на размеры тел ротационного вискозиметра. Для этого производится вычисление так называемой эффективной высоты H ротационного вискозиметра:

1. проводится измерение момента для жидкостей с различным значением вязкости (з1 и з2) при двух различных высотах внутреннего цилиндра (L1 и L2);

2. экстраполяцией прямых М1 = f (L) и М2 = f (L) к нулевому значению М1 и М2 получают величину? L;

3. H=L+?L.

Эффективную высоту ротационного вискозиметра H подставляют в уравнения.

1.4 Ультразвуковой метод вискозиметрии

Сущность метода ультразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнито-стрикционного материала, называемую зондом вискозиметра на которую намотана катушка, в которой возникают короткие импульсы тока длительностью порядка 20±10 мксек, приводящие к возникновению колебаний. В соответствии с законом сохранения, при колебаниях пластинки в катушке наводится ЭДС, которая убывает со скорростью, зависящей от вязкости среды. Затем, при падении ЭДС до определённого порогового значения, в катушку поступает новый импульс. Вискозиметр определяет вязкость среды по частоте следования импульсов.

Вискозиметры, действие которых основано на ультразвуковом методе вискозиметрии, нельзя отнести к классу вискозиметров с широким диапазоном измерений. К классу высокотемпературных вискозиметров их также нельзя отнести в силу величины относительной погрешности, возникающей при высокотемпературной вискозиметрии и свойств материалов прибора.

1.5 Вибрационный метод вискозиметрии

Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра, при погружении его в исследуемую среду. Вязкость исследуемой среды определяется по значениям этих параметров, при этом обычно используется градуировочная кривая вискозиметра (для случая примитивного вибрационного вискозиметра; в целом, не теряя общности, этот принцип переносится и на более сложные приборы).

Рисунок 1.4 — Вибрационный вискозиметр Введём несколько обозначений:

щ — частота колебаний, ф — время колебания тонкого упруго закрепленного зонда вибрационного вискозиметра, S — площадь пластины зонда вискозиметра; колебания происходят под действием гармонической силы. Вязкость и плотность исследуемой среды соответственно обозначим з и d.

Частотно-фазовый вариант вибрационного метода вискозиметрии используется для сильно-вязких жидкостей. В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного (щ0) и затем погруженного (щ) в жидкость при сдвиге фаз .

Для измерения вязкости менее вязких сред, например, металлических расплавов наиболее подходящим является амплитудно-резонансный вариант вибрационного метода вискозиметрии. В этом случае добиваются того, чтобы амплитуда, А колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра. В общем случае для малых значений вязкости имеем:

.

Учтем поправки С2(сторонние силы: трения, поверхностного натяжения, лобового сопротивления и т. п.). Имеем конечную формулу метода вибрационной вискозиметрии:

Градуировка вискозиметра производится по известным жидкостям (именно определяются постоянные С1, С2).

Сравнение методов согласно выбранным критериям представлено в табл. 1.1.

Таблица 1.1 — Сравнение методов измерений

Среди перечисленных выше методов измерения вязкости для более детального рассмотрения выберем вибрационный метод.

Вибрационный метод, или метод поступающих колебаний тела в жидкости, обладает рядом преимущест перед другими при изучении вязкостных свойств металлургических расплавов. Так, он позволяет охватить широкий диапазон измеряемых с помощью одного и того же устройства вязкостей (10^-3…10³ Па с), имеется возможность проведения измерений при высоких температурах и давлениях, возможность автоматизации измерений, высокая чувствительность к измеряемой величине вязкости.

Вибрационый вискозиметр имеет значительно большую по сравнению с ротационными вискозиметрами чувствительность и также может быть применён для сред температурой до 2000 °C в инертной атмосфере или вакууме при наличии как больших, так и сравнительно малых масс расплавов.

В настоящее время для измерения динамической вязкости широко применяют электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды.

В следствии этих преимуществ вибрационный метод является более оптимальным на ряду с другими методами для проведения дальнейших измерений.

2. Анализ существующих средств измерения вязкости

На основании выбранного метода на данный момент выпускаются такие средства измерения вязкости.

2.1 Вибрационный вискозиметр «Реокинетика»

Устройство реализует вибрационный метод измерения, суть которого заключается в определении связанной с вязкостью величины тормозящей силы, действующей со стороны жидкости на погруженное в нее колеблющееся пробное тело.

Визкозиметры «Реокинетика» предназначены для непрерывной регистрации изменяющейся вязкости жидкостей и обеспечивают измерение при постоянной амплитуде движения пробного тела.

Это увеличивает воспроизводимость результатов при работе с неньютоновскими жидкостями и расширяет динамический диапазон. Аналоговые сигналы вязкости и текущей температуры образца отображаются на встроенном цифровом индикаторе.

К вискозиметру через последовательный порт подключается персональный компьютер Таблица 2.1 — Технические характеристики

Технико-экономические преимущества

Прибор обеспечивает автоматизированное измерение и регистрацию вязкости жидкостей в непрерывном режиме и в широком динамическом диапазоне

Области применения

Прибор предназначен для непрерывной регистрации изменяющейся вязкости жидкостей в области химии нефти, коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений, а также для быстрого определения вязкости стабильных жидкостей.

Вискозиметр может быть использован при изучении гелеобразующих составов и клеев; для контроля процесса коагуляции и для определения:

— времени желатинизации;

— времени «схватывания» ;

— скорости полимеризации.

Предприятие изготовитель: Учреждение ран институт химии нефти СО РАН

Стоимость прибора 71 754 грн.

2.2 Вискозиметр цифровой Solartron 7827

Вискозиметр Solartron 7827 предназначен для непрерывного измерения вязкости жидкости. Также измеряет температуру и плотность.

Легко монтируется в байпасную линию, трубопровод, открытый и закрытый резервуар, агрегат высокого давления или проточную камеру подачи пробы.

Измерение:

— динамическая вязкость

— плотность

— вычисление кинематической вязкости Принцип работы — вибрационный. Вязкость жидкости, в которую погружен колебательный элемент, измеряется с помощью определения уровня демпфирования жидкостью резонирующего элемента — камертона.

Преимущества: — Отдельная калибровка каждого диапазона измерений вязкости — Автоматическое переключение с одного диапазона на другой — Большой выбор материалов обеспечивает широкий спектр применения вискозиметра.

Технические характеристики:

— Основная погрешность по измерению вязкости: ±1% полной шкалы (0.2 сПз в диапазоне 0.5−10сПз)

— Диапазон измерения вязкости: от 1 до 20 000 сПз

— Калибруемые диапазоны вязкости: от 0.5до 10; от 10 до 100; от 100 до 1000, от 1000 до 12 500 сПз

— Повторяемость измерений вязкости: ±0.5%

— Основная погрешность преобразования плотности: ±0.001 г/см3 (20 0C, 1сПз)

— Диапазон плотности: от 0 до 3 г/см3

— Калибруемый диапазон плотности: от 0.6 до 1.6 г/см3

— Повторяемость: ±0.0001 г/см3/ 0C (скорректир.)

— Температурный диапазон: от -50 до 200 ⁰C

— Влияние температуры на вязкость: незначительно

— Влияние температуры на плотность: ±0.0001 г/см3/ ⁰C (скорректир.)

— Максимальное рабочее давление: 177 бар

— Материал элементов, контактирующих с рабочей средой: нерж. сталь 316L, Hastelloy C22, Monel 400

— Скорость потока (макс): 0.5 м/с

— Питание (от преобразователя сигналов): от 24 до 27 В пост. тока, 50мА

— Выходные сигналы:

— на вязкость и плотность: частотный, 3-проводная схема

— на температуру: платиновый термометр сопротивление Pt100, 4-проводная схема

— Стандарт по экологии: IP66

— Вес (макс.): 6.7 кг

— Взрывозащита:

CENELEC/EN50018

CSA Class 1, Division 1, Group C

BS EN50081−1:1992

BS EN50082−2:1995

Производитель: компания Solartron Mobrey, Китай Стоимость 94 620 грн.

2.3 Вискозиметр вибрационный SV-100А

Вибрационный вискозиметр SV-100А (A&D, Япония) использует в своей работе метод камертонной вибрации, который гарантирует высокую точность и широкий диапазон измерений без замены сенсорных пластин. Прибор измеряет вязкость путем детектирования движущего электрического тока, необходимого для резонанса двух сенсорных пластин при постоянной частоте 30 Гц и амплитуде менее 1 мм.

Основные особенности:

— измерение образцов ультра малых объемов (от 10 мл);

— измерение низкой вязкости и широкий диапазон измерений;

— измерения в режиме реального времени;

— продолжительные измерения;

— измерение температуры;

— измерение неньютоновских образцов;

— измерение текущих образцов;

— измерение пенящихся образцов;

— калибровка вязкости;

— раздельное устройство дисплея;

— вакуум-флюорисцентный дисплей;

— стандартный интерфейс RS-232C и USB кабель в комплекте;

— программа WinCT-Viscosity: сбор данных и программа построения графиков;

— столик с регулировкой в трех плоскостях X-Y-Z;

— возможность отсоединения сенсорного устройство от штатива.

Таблица 2.3 — Технические характеристики

Стандартный комплект поставки:

Вискозиметр SV-100A

Инструкция по эксплуатации

Сетевой адаптер

CD-ROM (WinCT-Viscosity)

Комплект стойки с предметным столиком Х-Y-Z

Комплект AX-SV-54

Кабель RS-232C (25 pin — 9 pin) с USB кабелем

Кейс с прибором

Аксессуары (опции):

AX-SV-51. Комплект стойки с предметным столиком X-Y-Z

AX-SV-52. Предметный столик X-Y-Z

AX-SV-53. Комплект программного обеспечения с последовательным USB конвертером

AX-SV-54. Комплект чашек: 45 мл х 5 шт., 10 мл с крышкой х 5 шт., поликарбонат; 13 мл х 2 шт., стекло; держатель стеклянной чашки; водяная рубашка.

Поставщик: A&D RUS / ЭЙ энд ДИ РУС, ООО Цена: 53 855грн.

2.4 Вискозиметр вибрационный низкочастотный

Вискозиметр вибрационный низкочастотный ВВН-8 предназначен для измерения вязкости жидкостей, выпускается в пяти исполнениях в зависимости от диапазона измерения и может быть использован автоматизации аналогичного контроля в технологических процессах и создания АСУ ТП.

Вискозиметр является средством измерения относится по эксплуатационной закономерности к изделиям третьего порядка по ГОСТ 1299, имеет непрерывный электрический выходной сигнал тока 4−20 мА по ГОСТ 26.011 и дискретные сигналы достижения измеряемой величиной (вязкостью жидкости) двух значений, устанавлемых потребителем.

В основу работы вискозиметра положен вибрационный метод измерения вязкости, заключающийся в том, что в измерительном преобразователе при помощи электромагнитной системы поддерживается постоянная амплитуда колебаний чувствительного элемента (вибратора), погруженного в канализуемую жидкость, при этом измеряется значение переменного тока, протекающего в цепи возбуждения электромагнитной системы, который пропорционален вязкости анализуемой жидкости.

Вискозиметр состоит из измерительного преобразователя ПИ-72, предназначенного для преобразования электрических колебаний цепи возбуждения в механические колебания чувствительного элемента (вибратора), погруженного в анализируемую жидкость, и обратного преобразования механических колебаний вибратора в электрический сигнал, и электронного блока БЭ-63, обеспечивающего возбуждение резонансных колебаний постоянной амплитуды вибратора колебательной системы ПИ-72 и формирования выходных электрических сигналов, пропорциональных вязкости анализируемой жидкости.

Вискозиметры выпускаются в пяти исполнениях с диапазонами измерения, указанные в таблице, и с условными нулевыми показателями. При этом метрологические характеристики вискозиметра от нуля до нижнего предела измерения не нормируются.

Таблица 2.4 — Технические данные

Измерительный преобразователь ПИ-72 работоспособен при температуре анализируемой жидкости, не выходящей за приделы от -60 до +200 ⁰С.

Максимально допускаемое давление анализируемой жидкости 6,3 МПа в зоне установки измерительного преобразователя.

Пределы допускаемого значения основной приведенной погрешности вискозиметра не превышают 2,5% от модуля разности приделов измерения.

Значение электрического выходного сигнала тока диапазоне от 4 до 20 мА линейно зависит от вязкости анализируемой жидкости, при этом значение нижнего придела диапазона токового сигнала соответствует уловному нулю, а ток 20 мА соответствует верхнему пределу диапазона измерения вязкости.

Максимальное расстояние от измерительного преобразователя ПИ-72 до электронного блока БЭ-63 по длине соединительного кабеля — не болеем 200 м.

Питание вискозиметра осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В с допускаемым отклонением то -15 до +10% от номинального значения, частотой (50±1)Гц.

Потребляемая мощность он сети переменного тока не превышает 25 В•А.

Масса вискозиметра не превышает 8,5 кг.

В комплект поставки вискозиметра входят:

— блок электронный БЭ-63…1 шт.

— измерительный преобразователь ПИ-72…1 шт.

— комплект монтажных частей … 1 комп.

— комплект запасных частей … комп.

— руководство по эксплуатации …1 экз.

— паспорт …1 эзк.

Производитель: Автоматика, ОАО, Воронеж, Россия Стоимость 11 200 грн.

Таблица 2.5 — Сравнительная таблица вибрационных вискозиметров

На основании проведенного анализа выбираем вибрационный низкочастотный вискозиметр ВВН-8

Проанализировав основные характеристики измерительных преобразователей, можно сделать вывод о том, что основной задачей при разработке приборов данного класса является уменьшение погрешности и расширения диапазона измерений. Также существенным вопросом является уменьшение стоимости изделия в целях создания доступности его большему кругу потребителей.

3. Разработка структурной схемы прибора

Принцип построения структурной схемы вибрационного вискозиметра Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра, при погружении его в исследуемую среду. Руководствуясь теорией метода вибрационной вискозиметрии, по значением этих параметров определяют вязкость среды.

Принцип работы структурной схемы вибрационного вискозиметра заключается в следующем.

Излучатель светового потока И, который состоит из светодиода соединен с приемником света П (фотодиодом) при помощи чувствительного элемента. Чувствительный элемент опускается в исследуемую жидкость с определенной вязкостью. Генератор прямоугольных импульсов генерирует вынужденные колебания чувствительного элемента помещенного в исследуемую среду. Эти колебания влияют на интенсивность света проходящего через чувствительный элемент. При изменения величины вязкости исследуемой жидкости происходит изменение величины демпфирования вынужденных колебаний чувствительного элемента, что нарушает условия акустоотпического взаимодействия механических и световых волн. Таким образом, величина интенсивности светового потока, что проходит сквозь чувствительный элемент будет пропорциональна величине вязкости исследуемой жидкости. Если вязкость жидкости большая, то вынужденные колебания чувствительного элемента очень малы, а световой поток будет хорошо проходить сквозь чувствительный элемент. И наоборот, чем меньше вязкость, тем больше колебания вызванные генератором, но световой поток проходит хуже.

Интенсивность света? Ф проходящая через чувствительный элемент поступает на вход приемника П, который выступает в роли преобразователя. Приемник П преобразовывает интенсивность света в напряжение? U. Усиленный сигнал с выхода усилителя поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП. Он преобразовывает напряжение? U в код и выдает его на вход микроконтроллер М.

Также при измерении вязкости жидкости важно контролировать температуру, это осуществляется с помощью датчика температуры с цифровым выходом, который поступает на вход микроконтроллер. А он в свою очередь выдает сигнал на индикатор И.

При помощи клавиатуры К осуществляется управление работой измерительного прибора.

Для передачи данных и подключения микроконтроллера к ПК применяется интерфейс.

Питание схемы вибрационного вискозиметра происходит с помощью блока питания БП.

3.1 Подробное описание структурной схемы по блочно

3.1.1 Источник излучения

Источник излучения — вещество или устройство, испускающее или способное испускать излучение и составляющее радиационный фон.

Выделяют природные и искусственные источники излучения Природные:

Природный или естественный радиационный фон (ПРФ / ЕРФ):

— первичное космическое излучение

— вторичное космическое излучение

— радиоактивные семейства

— радионуклиды, не входящие в ряды.

— радионуклиды земной коры, атмосферы, строительных материалов, пищи и воды Выделяют также технологически измененный естественный радиационный фон.

Искусственные:

— изотопные источники

— неизотопные источники

— рентгеновские трубки, ускорители, синхротроны, магнетроны

— ядерные реакторы Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным назначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но также иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция и др.). В отличие от искусственных источников света, естественные источники света представляют собой природные материальные объекты: Солнце, Луна, Полярные сияния, светлячки, молнии и проч.

Типы источников света Для получения света могут быть использованы различные формы энергии, и в этой связи можно указать на основные виды (по утилизации энергии) источников света.

Электрические: Электрический нагрев тел каления или плазмы. Джоулево тепло, вихревые токи, потоки электронов или ионов.

Ядерные: распад изотопов или деление ядер.

Химические: горение (окисление) топлив и нагрев продуктов сгорания или тел каления.

Электролюминесцентные: непосредственное преобразование электрической энергии в световую (минуя преобразование энергии в тепловую) в полупроводниках (светодиоды, лазерные светодиоды) или люминофорах, преобразующих в свет энергию переменного электрического поля (с частотой обычно от нескольких сотен Герц до нескольких Килогерц), либо преобразующих в свет энергию потока электронов (катодно-люминесцентные) Триболюминесцентные: преобразования механических воздействий в свет.

Биолюминесцентные: бактериальные источники света в живой природе.

3.1.2 Приёмник излучения

Приёмники излучения-устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны л = 10^-9 см до радиоволн с л = 10^-1 см, о приёмниках электромагнитного излучения с меньшей длиной волны) в сигналы другой физической природы с целью их обнаружения и использования (изучения) информации, которую они несут. Приемники часто являются одними из основных узлов автоматических приборов и систем управления. Они играют важную роль в научных исследованиях, например в спектроскопии, квантовой электронике и астрономии. Преобразование сигналов в приемнике осуществляется в процессе взаимодействия поля электромагнитного излучения с тем или иным веществом; поле изменяет энергетические состояния электронов, атомов или молекул вещества, и эти изменения регистрируются.

Существуют различные типы приемников излучения, в которых используются вещества в разных агрегатных состояниях. Так, например, излучение может ионизовать газ, вызывая в нём электрический разряд; в этом случае регистрируется импульс тока или напряжения, а приемник называется счётчиком фотонов. Возможна регистрация увеличения объёма газа, нагреваемого поглощённым излучением; таков принцип действия оптико-акустических (пневматических) приемники, которые могут работать во всей указанной области спектра, но чаще применяются в далёкой инфракрасной (ИК) области в диапазоне длин волн 50—1000 мкм. Самую обширную группу составляют приемники излучения из чувствительного к излучению твёрдого вещества.

В фотоэлектрических приемника излучения излучение непосредственно воздействует на электроны вещества (главным образом в явлениях внешнего и внутреннего Фотоэффекта). Фотоэлементы и фотоэлектронные умножители (внешний фотоэффект, или Фотоэлектронная эмиссия) используются в основном при л < 1—2 мкм, в то время как фотосопротивления Фотодиоды и другие приемники с внутренним фотоэффектом чувствительны к излучению вплоть до субмиллиметрового радиодиапазона. При более коротких л из рассматриваемой области спектра фотоэлектронные умножители и полупроводниковые лавинные фотодиоды могут работать в режиме счётчиков фотонов (существуют также счётчики фотонов, в которых используется эффект ионизации жидкости или твёрдого тела излучением). Фотоэлектрические приемники для диапазона 5—1000 мкм требуют охлаждения до 4—77 К, причём их рабочая температура должна быть тем ниже, чем больше длина волны регистрируемого излучения. При низких рабочих температурах для приёма излучения используется также явление сверхпроводимости и связанные с ним эффекты.

Важный параметр любого приемник излучения — отношение полезного сигнала к уровню помех; в процессе преобразования приемник не должен существенно ухудшать эту величину. Способность приемника регистрировать сигналы минимальной длительности характеризуется его постоянной времени. Для практических целей важны такие характеристики приемника излучения, как коэффициент преобразования и пороговая чувствительность — величина минимального сигнала, обнаруживаемого приемником. Чувствительность лучших счётчиков и фотоумножителей такова, что позволяет регистрировать отдельные фотоны падающего излучения. Приемник излучения ИК диапазона менее чувствительны.

3.1.3 Генератор сигналов

Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра).

Генераторы электрических колебаний По форме выходного сигнала:

— Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.)

— Прямоугольных импульсов — мультивибраторы, тактовые генераторы

— Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов

— Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН)

— Генератор шума Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица По частотному диапазону:

— Низкочастотные

— Высокочастотные

— По принципу работы:

— Стабилизированные кварцевым резонатором — Генератор Пирса

— Блокинг-генераторы

— LC-генераторы

— RC-генераторы

— Генераторы на туннельных диодах Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.

3.1.4 Усилители

Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала. (Под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить).

Виды усилителей

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Операционный усилитель — (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Измерительный усилитель (средство измерений) — электронный усилитель, применяемый в процессе измерений и обеспечивающий точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе.

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель, электрометрический вычитатель^[1]) — это тип дифференциального усилителя с характеристиками, подходящими для использования в измерениях и тестирующем оборудовании. Такие характеристики включают: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, очень высокийкоэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

3.1.5 Аналогово-цифровой преобразователь

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность — в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью. Типы АЦП Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

· АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)

· АЦП последовательного приближения (SAR ADC)

· дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда) Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность. Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи. Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12−18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS. Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS. Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

3.1.6 Температурный датчик с цифровым выходом

Для термоизмерений могут использоваться различные зависимости физических величин от температуры. В электронике в качестве датчиков температуры используются термопары (имеют широкий диапазон измеряемых температур и высокую точность, но в то же время они предъявляют высокие требования к схеме включения), терморезисторы (имеют более низкую стоимость, но невысокую точность). Отдельно следует выделить датчики на основе полупроводников. Современные полупроводниковые датчики температуры характеризуются достаточно высокой точностью до ±0,5°С и способны работать в диапазоне температур от -55 до 150 °C. А возможность размещения прямо на кристалле ИС дает широкие возможности для их применения. Существуют микросхемы датчиков с аналоговыми и цифровыми выходами, АЦП со встроенными датчиками температуры и т. д.

Использование цифрового формата представления данных дает ряд преимуществ. Сводится к минимуму влияние помех на измерения, т.к. датчик и АЦП расположены непосредственно на одном кристалле. Уменьшается количество соединений на плате и необходимое количество выводов управляющего микроконтроллера, что дает возможность разместить на одной шине до восьми датчиков. Устройства отличаются простотой в программной реализации обмена данными, так как в большинстве современных микроконтроллеров используемые интерфейсы реализованы аппаратно. К достоинствам этого вида приборов можно отнести и отсутствие внешних элементов.

Датчик ТМР275 имеет встроенный двухпроводный последовательный интерфейс I²C. Наличие трех входов задания адреса позволяет разместить на одной шине до восьми устройств данного типа. TMP275 поставляется в корпусах SOIC-8 и MSOP-8.

Технические характеристики

Рисунок3.1.1 — Типовая схема включения датчика темпе6ратуры

3.1.7 Микроконтроллер

Микроконтромллер — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

§ универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;

§ различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, IІC, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;

§ аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

§ компараторы;

§ широтно-импульсные модуляторы;

§ таймеры;

§ контроллеры бесколлекторных двигателей;

§ контроллеры дисплеев и клавиатур;

§ радиочастотные приемники и передатчики;

§ массивы встроенной флеш-памяти;

§ встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используетсястатическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

3.1.8 Устройство отображения информации

Контроллер HD44780 фирмы Hitachi фактически является промышленным стандартом и широко применяется при производстве алфавитно-цифровых ЖКИ-модулей.

Алфавитно-цифровые ЖКИ-модули представляют собой недорогое и удобное решение, позволяющее сэкономить время и ресурсы при разработке новых изделий, при этом обеспечивают отображение большого объема информации при хорошей различимости и низком энергопотреблении. Возможность оснащения ЖКИ-модулей задней подсветкой позволяет эксплуатировать их в условиях с пониженной или нулевой освещенностью, а исполнение с расширенным диапазоном температур (-20°С…+70°С) в сложных эксплуатационных условиях, в том числе в переносной, полевой и даже, иногда, в бортовой аппаратуре.

Подключение:

Контроллер соединяется с ЖКИ через параллельную синхронную шину (8 или 4 линий данных — выбирается программно), через линию выбора операций (R/W), линию выбора регистра (RS), линию стробирования и синхронизации (E). В качестве образца рассмотрим распростроненную модель ЖКИ производства Powertip PC2402. Аналог этой модели выпускается практически всеми производителями ЖКИ модулей. В первую очередь на ЖКИ подается питанеи и проверяется его работоспособность.

Рисунок 3.1.2- Типовая схема подключения индикатора

На рисунке приведена схема включения контроллера с 8-ми разрядной условной микро-ЭВМ. Восмиразрядный двунаправленный порт PA0… PA7 подключен к шине DB0… DB7 ЖКИ модуля. К трехразрядному порту PB0… PB2 подключены управляющие сигналы E, RS, R/W. На рисунке 4 контроллер подключен к этой же микро-ЭВМ в четырехразрядном режиме, при этом используются старшие адреса шины данных DB4… DB7. На временной диаграме на рисунке 5 показаны состояния управляющих сигналов и шины данных во время чтения и записи.

Стандартный LCD дисплей с контроллером Hitachi HD44780 (или совместимый), стоит около $ 20−30.

Технические характеристики

Интерфейс