Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Při rekonstrukci víceprůchodového reometru (MPR – Multipass Rheometer) byl použit software LabVIEW firmy National Instruments (NI) doplněný hardwarem a programovatelnými hradlovými poli (FPGA) stejné firmy. Tyto nástroje umožnily rychle zlepšit provozní vlastnosti, výkon i deterministické parametry řízení tohoto přístroje. Použitím modulů pracujících v reálném čase a hardwaru FPGA bylo dosaženo požadované rychlosti řízení a zpracování dat. Pouze uvedený hardware je schopen ovládat pohyby pístu požadované při specializovaném zkoušení pomocí MPR.
Reometr je laboratorní přístroj používaný ke zjišťování tokových vlastností kapalin; laicky řečeno způsobu, jakým kapalina nebo suspenze teče v reakci na vyvinutou sílu. Je vhodný ke zkoušení vlastností kapalin, které nelze charakterizovat jedinou hodnotou viskozity a které vyžadují jiná měření, než jaká mohou být provedena viskozimetrem.
V roce 1995 prof. Malcolm Mackley spolu s techniky na katedře chemického inženýrství a biotechnologie Univerzity Cambridge zkonstruoval první víceprůchodový reometr MPR (obr. 1), dvoupístový kapilární přístroj, který odstranil jednoúčelovost dosavadních reometrů. Uvedený velmi přesný přístroj je dostatečně flexibilní, což je vlastní rotačním reometrům, zároveň však toto pístové zařízení přináší nové možnosti pro reometrické experimentování.
Dosud se měnila poloha pístu a měřily se změny tlaku. Avšak změny rychlosti pohybu pístu, které nelze řídit, způsobují nepřesnosti ve výsledcích měření MPR. Pro zlepšení přesnosti a rozsahu přístroje se tým na Univerzitě Cambridge rozhodl modifikovat analogové řízení reometrů MPR a pozdvihnout je na vyšší technickou úroveň. S požadavkem na renovaci MPR byla oslovena společnost Omiga Technology Limited, která se zabývá zakázkami v oblasti sběru dat, integrace softwaru a řízení.
Zdokonalené řízení MPR pomocí LabView
Cílem rekonstrukce reometru bylo zlepšit tři rozhodující vlastnosti: flexibilitu, přesnost a rychlost měření. LabView je klíčovým prvkem digitálního řídicího systému, ovládacího rozhraní i systému sběru dat. Pomocí LabView navrhli inženýři firmy Omiga digitální řídicí systém, který rozšiřuje funkce přístroje a schopnosti softwaru analyzovat data. Změnili řízení pístu tak, aby byl jeho pohyb rovnoměrný a aby bylo možné generovat signál s takovým časovým průběhem, který by
umožnil pohyb pístu nad rychlostí 200 mm/s, což vede k většímu rozlišení.
Pro hardware tým zvolil tenzometrický můstek NI řady C, termočlánek a moduly digitálních vstupů s rozšiřujícím šasi řady NI 9151 C Series. Takto byla zajištěna úprava signálu pro převodníky tlaku a termočlánky MPR. Použitím zmíněného hardwaru bylo dosaženo rychlosti pístu přesahující 200 mm/s. Tým testoval systém při rychlosti pístu až 500 mm/s, ale současný hydraulický systém dlouhodobě snese pouze rychlost 200 mm/s. V blízké budoucnosti bude patrně přepracován servosystém, aby byl tento problém vyřešen.
Modul reálného času systému LabView poskytuje deterministické prostředí, které je pro úspěšné fungování MPR klíčové. Systém reálného času je v součinnosti s modulem FPGA použit k řízení servosystému. Pole FPGA a architektura reálného času dovolují generovat vysokofrekvenční signál a využívat proporcionálně integračně derivační (PID) regulaci, která může řídit signál 50 Hz.
Inženýři firmy Omiga také přepracovali architekturu sběru dat a řízení MPR. Nahradili ji vrstvou TCP/IP, a tím umožnili tok dat mezi systémem reálného času a počítačem se systémem řízení a zpracování dat pod operačním systémem Windows. Použitím softwaru na bázi Windows získal MPR operační systém přívětivý k uživateli. Díky rozsáhlé kompatibilitě tohoto oblíbeného softwaru pro PC je pohotově k dispozici software pro analýzu dat, jako je Microsoft Excel. Důležité je, že synchronizace dat s LabView umožňuje přímou analýzu dat během zkoušení. Mohou být doplněny další nástroje, aby mohl současný systém přímo ovládat ohřev a chlazení při zkoušení za teplotních změn.
Po pěti měsících vývojových prací vyzkoušeli technici Univerzity Cambridge funkce zdokonaleného MPR při zkoušení polymerových substancí. Reometr měl vykonávat několik typů kontinuálních zkoušek: víceprůchodové zkoušky, oscilační zkoušky, zkoušky s příčným průchodem i jednorázové zkoušky kalibračního oleje a polymerových látek. Úspěšný průběh zkoušek prověřil koncepci založenou na systému reálného času a FPGA.
Použití MPR
S maximální rychlostí smyku 160 000 s–1 a provozní teplotou –20 až +200 °C je zdokonalený MPR schopen zkoumat množství reologických parametrů různých látek. Kapalina je čerpána do vstupního ventilu a poté dva hydraulicky poháněné písty o průměru 10 mm stlačí vzorek kapaliny na požadovaný tlak. LabView pak zaznamená hodnoty stlačitelnosti, maximálního skluzu na stěně, zdánlivé a komplexní viskozity a dalších veličin.
Výhody systému NI
Tým firmy Omiga založil systém řízení MPR převážně na produktech firmy National Instruments. Použitím obvodů FPGA bylo dosaženo nezbytných provozních rychlostí a deteministických vlastností řídicího systému přístroje. Modul reálného času systému LabView je zase zásadní pro spolehlivé řízení provozu a sběr dat. Modul FPGA pro LabView navíc vytváří standardní kód VHDL, který dovoluje integrovat do systému existující IP jádra. Proto bude možné přístroj MPR v budoucnosti relativně bez potíží modifikovat. Vzhledem ke snadné integraci LabView a hardwaru NI vytvořili pracovníci firmy Omiga rychle efektivní a velmi výkonný řídicí systém. Rychlý vývoj stejně jako snadná údržba jsou podstatnými přednostmi použití produktů NI oproti systémům nabízeným jinými firmami.
Budoucnost MPR
V současnosti je MPR omezen na systémy s velkou viskozitou. Avšak firma Omiga a Univerzita Cambridge usilují o jeho všestrannější využití. Pokroky v technice povedou k dalšímu zdokonalování reometrů, reooptických přístrojů a procesů míchání kapalin v chemickém inženýrství. Navíc firma Omiga navrhla software tak, aby vyhovoval i odborníkům na jiné měřicí techniky používané v chemickém inženýrství. Při jednání s Univerzitou Cambridge podpořila společnost Omiga partnerství s přední firmou Strata Technology Ltd., což by mohlo vést k rozšíření využívání MPR na univerzitách a v mezinárodních chemických firmách po celém světě.
Richard Gills,
Omiga Technology Limited
Obr. 1. Víceprůchodový reometr rekonstruovaný pomocí LabView
Obr. 2. Obrazovka řídicího systému víceprůchodového reometru