一种新型粘度在线检测传感器的设计

　　在煮糖工艺中，糖浆处于过饱和亚稳定区逐步结晶生成糖膏，而这个过程准确测量过饱和度是控制煮糖过程的基础。实践证明在线测量过饱和度是很难实现的，而采用间接测定过饱和度的方法能够实现在线检测的要求，本文采用粘稠度法，即以粘度为检测参数^(1)。

　　粘度是流体的重要物理性质之一，是食品业、油漆业、石油工业及其它工业的一个重要的标准特征。测量流体的粘度在工业生产和基础科学研究中具有十分重要的意义。目前测量流体的方法主要有毛细管法、旋转法、振动法及落球法等等。其中，旋转法是一种比较常用的方法，被广泛地应用于测量牛顿型流体和非牛顿流体的粘度及流变特征中。实验室和工业现场用旋转粘度计一般都采用游丝作为扭矩元件，再配以光电元件检测扭矩。其主要特点有[^2-3]:l)光电元件的检测电路复杂，信号易受干扰;2)游丝偏移角与受力只有在一定受力范围内近似线性关系，而在其受力的两端即受力小于某个值或受力大于某个值时，其非线性特征较明显;3)游丝的变形扭矩较小，适合小粘度的测量;4)旋转粘度计一般只能垂直放置进行测量。本文介绍的单圆筒旋转式粘度在线检测传感器采用弹簧片作为扭矩元件，通过两个增量式旋转编码器检测扭矩。其主要特点有:l)增量式旋转编码器的检测精度高，且便于单片机进行信号处理;2)弹簧片设计考虑了受力变形范围内的线性度，并且在传感器中有过扭矩保护;3)弹簧片的变形扭矩较大，所以测量的粘度也较大，适合泥浆、糖膏和油脂等高粘度的流体;4)该传感器除了进行垂直放置的测量，还能水平放置进行测量，适合在大型罐体上安装;5)由于弹簧片设计考虑了弯曲振动，所以安装环境要求低。

1 传感器结构和测t原理介绍

单圆筒旋转式粘度在线检测传感器采用剪应力原理的间接测量方法，以转子为敏感元件，通过两个增量式旋转编码器检测由粘度所引起悬臂梁弹簧片的弯曲变形。该传感器如图1所示，主要包括步进电机、扭矩检测部分和敏感元件转子三部分，安装时转子放里于煮糖罐中，而电机和检测转矩部分在罐外部。扭矩检测部分的结构原理如图2所示，传感器工作时，主动轴转动是靠固结其上的两个弹簧片拨动与从动轴固结的套筒，从而使从动轴转动。在主动轴上还有两根限矩杆套在套筒上长方形的孔中，当弹簧片弯曲到一定角度时，限矩杆就拨动轴套了，从而限制了弹簧片过度弯曲。转子在糖膏中匀速转动时，从动轴上产生的扭矩使弹簧片产生弯矩，使主动轴和从动轴在作旋转运动的同时并产生相对转角。由于弹簧片的尺寸经过合理的设计，所以该粘性力矩与相对转角有确定的线性函数关系。