Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Rychlá rekonstrukce přesného víceprůchodového reometru pomocí LabVIEW

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