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摘 要： 在聚酰亚胺薄膜生产线上，合成树脂的粘度是影响薄膜品质的重要因素之一，如何准确及时测量出树脂粘度，一直困扰着行业内的工程技术人员，通过一个具体项目的设计过程，详尽阐述在线粘度测量的原理和实施的方法。
关键词： 聚酰亚胺薄膜；树脂合成；粘度；自动控制
中图分类号：TQ630.53 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1010063－02
0 引言
聚酰亚胺薄膜是一种耐热、耐寒、耐辐射、介电性能好的高级绝缘材料，主要采用流延法生产。合成树脂的粘度，一方面是聚酰亚胺酸分子量的反映；另一方面，直接影响流延法生产的聚酰亚胺薄膜的物理及各项电性能指标。因此，反应釜中合成树脂的粘度监控，对于聚酰亚胺薄膜的生产至关重要。对于高聚物的粘度，常采用旋转法测量。在线粘度监控，正是利用反应釜搅拌器搅拌时，合成树脂对搅拌器产生粘滞阻碍力矩，测量和计算出搅拌器的输出转矩，从而计算出合成树脂的粘度。
1 粘度测量原理
合成树脂反应釜，由不锈钢釜体、驱动电机、摆线针轮减速机、搅拌器等组成。根据《电机学》原理，对于反应釜搅拌电机，其输入有功功率包括电动机铁损、铜损、电动机与减速机及搅拌器的机械损耗、搅拌器输出的旋转机械功率，表示为：
式中： -电动机输入有功功率； -电动机铁损； -电动机铜损； -额定运行时，电动机、减速机及搅拌装置机械损耗总和； -电机旋转角频率； -电机额定运行时的旋转角频率； -被搅拌介质引起的负载转矩。
由于电动机、减速机及反应釜搅拌器的机械损耗主要由摩擦力矩产生，因此，总机械损耗与旋转角频率成正比。考虑到一般情况下，电动机定子铜损约等于转子铜损，则不难推导电动机铜损与电动机额定参数及输入有功功率的关系式[1]：
式中： -电动机额定运行时的输入有功功率， ； -电动机输入有功功率； -电动机内功率，忽略电机机械损耗时，
-电动机额定功率； -电动机效率； -电动机额定转差率； -电动机额定运行时的铜损。
则反应釜搅拌电动机输入有功功率表示为：
当反应釜空载，即反应釜内没有搅拌介质时，电动机输入有功功率可以表示为：
式中： -反应釜空载时，电动机输入有功功率； -反应釜空载时电动机的铁损； -反应釜空载时电动机的旋转角频率。
从而得到：
忽略反应釜空载与负载时对电动机旋转角频率的影响，考虑到电动机铁损基本不变，则由（5）式可以得到因为介质粘度产生的负载转矩：
由动力粘度的定义，显然可以将合成树脂的粘度表示为：
式中： -被测介质的粘度（ ）； -粘度转矩系数，即粘度与转矩的比，通过高精度粘度计测量对应转矩下的介质粘度算得；
2 系统配置
根据上节导出的粘度计算公式，要实时监控介质粘度，需要检测电动机的输入有功功率、电机转速，以及反应釜空载时的电动机的输入有功功率，同时还需要一台高精度粘度计，抽检介质粘度，计算粘度转矩系数。图1示出了1#反应釜搅拌电机驱动及粘度测量的电气原理图。图中：Q1：电动机保护空气开关；K1-K3：构成Y/△起动的交流接触器；T1-T3：电流互感器，变比50:5；U1：三相综合电量表ZW6433B；U2：可编程序控制器CPU224XP；U3：触摸屏MT6070iH；B1：测速编码器E6F-CWZ5G 1000P。
2.1 电动机输入有功功率测量
三相综合电量表的4-20mA模拟输出端，输出有功功率信号。由于互感器变比为50:5，故 “电流倍率”为10[2]。S7-200 CPU224XP有2个模拟输入通道，输入电压范围0-10V。故在模拟输入端并接500欧姆高精度电阻，将综合电量表输出的4-20mA电流信号转为2-10V电压信号。CPU224XP模拟输入的AD转换精度为11位，满量程AD转换值32000[3]。设 为实际的电机输入有功功率，则三相综合电量表的输出电流为：
式中： -三相综合电量表输出的信号电流，mA； -三相综合电量表显示的有功功率； --4mA输出对应值； -20mA输出对应值； -倍率系数，测量有功功率时， ，这里电压倍率为1，电流倍率为10，故有功功率倍率： ； -电动机输入有功功率，也是三相电量表的显示值； -三相电量表输出下限， ，这里取下限 ； -三相电量表输出上限， 。注：在设置三相综合电量表时，满量程输出对应值 。则PLC模拟输入端的信号电压为：
式中： -模拟输入电压，V；-电流信号转换为电压信号并联电阻。
则电动机输入有功功率的AD转换值：
从而可以计算出电动机输入有功功率：
2.2 搅拌器旋转角频率计算
将CPU224XP的I0.0和I0.1分别设置为1#反应釜和2#反应釜高速计数器HSC0和HSC3的计数输入端。选用1000P/r的测速编码器，减速机减速比为1:17，设1秒时间内高速计数器累计脉冲数为N，则搅拌器的旋转角频率为：
式中： -1秒时间内，高速计数器累计的脉冲数； -搅拌器旋转角频率；
2.3 转矩修正系数计算
搅拌电机额定转速为980rpm，额定效率91.2%，则转矩修正系数为：
2.4 搅拌器空载功率测定
当反应釜内清空时，起动搅拌电机，读出三相综合电量表有功功率。通过触摸屏，给PLC输入反应釜空载功率 。
2.5 粘度转矩系数
有了上述各项参数，PLC就可以较为准确地计算出反应釜搅拌器输出的转矩，并通过触摸屏显示出来。
由于反应釜搅拌器与反应釜内壁的几何特征，无法由反应釜的几何尺寸精确计算出反应釜搅拌器的转矩粘度系数，因而只有通过高精度粘度计，测量某一转矩下介质的实际粘度，计算出转矩粘度系数，并通过触摸屏输入到PLC。从而PLC计算出某一转矩时对应的介质粘度。搅拌器的输出转矩单位为： ，粘度单位为： 。聚酰亚胺酸是一种分子量较大的高聚物，即是一种非牛顿液体，所以只有当剪切速率较低时，才有恒定的粘度（第一牛顿粘度）。因而要求粘度测量时，反应釜的搅拌速度满足临界剪切速率的要求。
参考文献：
[1]胡虔生、胡敏强，电机学，中国电力出版社，2005.
作者简介：
唐韬（1989-），汉族，江苏省扬州市宝应县人，本科在读，电气工程及其自动化专业。
关键词： 聚酰亚胺薄膜；树脂合成；粘度；自动控制
中图分类号：TQ630.53 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1010063－02
0 引言
聚酰亚胺薄膜是一种耐热、耐寒、耐辐射、介电性能好的高级绝缘材料，主要采用流延法生产。合成树脂的粘度，一方面是聚酰亚胺酸分子量的反映；另一方面，直接影响流延法生产的聚酰亚胺薄膜的物理及各项电性能指标。因此，反应釜中合成树脂的粘度监控，对于聚酰亚胺薄膜的生产至关重要。对于高聚物的粘度，常采用旋转法测量。在线粘度监控，正是利用反应釜搅拌器搅拌时，合成树脂对搅拌器产生粘滞阻碍力矩，测量和计算出搅拌器的输出转矩，从而计算出合成树脂的粘度。
1 粘度测量原理
合成树脂反应釜，由不锈钢釜体、驱动电机、摆线针轮减速机、搅拌器等组成。根据《电机学》原理，对于反应釜搅拌电机，其输入有功功率包括电动机铁损、铜损、电动机与减速机及搅拌器的机械损耗、搅拌器输出的旋转机械功率，表示为：
式中： -电动机输入有功功率； -电动机铁损； -电动机铜损； -额定运行时，电动机、减速机及搅拌装置机械损耗总和； -电机旋转角频率； -电机额定运行时的旋转角频率； -被搅拌介质引起的负载转矩。
由于电动机、减速机及反应釜搅拌器的机械损耗主要由摩擦力矩产生，因此，总机械损耗与旋转角频率成正比。考虑到一般情况下，电动机定子铜损约等于转子铜损，则不难推导电动机铜损与电动机额定参数及输入有功功率的关系式[1]：
式中： -电动机额定运行时的输入有功功率， ； -电动机输入有功功率； -电动机内功率，忽略电机机械损耗时，
-电动机额定功率； -电动机效率； -电动机额定转差率； -电动机额定运行时的铜损。
则反应釜搅拌电动机输入有功功率表示为：
当反应釜空载，即反应釜内没有搅拌介质时，电动机输入有功功率可以表示为：
式中： -反应釜空载时，电动机输入有功功率； -反应釜空载时电动机的铁损； -反应釜空载时电动机的旋转角频率。
从而得到：
忽略反应釜空载与负载时对电动机旋转角频率的影响，考虑到电动机铁损基本不变，则由（5）式可以得到因为介质粘度产生的负载转矩：
由动力粘度的定义，显然可以将合成树脂的粘度表示为：
式中： -被测介质的粘度（ ）； -粘度转矩系数，即粘度与转矩的比，通过高精度粘度计测量对应转矩下的介质粘度算得；
2 系统配置
根据上节导出的粘度计算公式，要实时监控介质粘度，需要检测电动机的输入有功功率、电机转速，以及反应釜空载时的电动机的输入有功功率，同时还需要一台高精度粘度计，抽检介质粘度，计算粘度转矩系数。图1示出了1#反应釜搅拌电机驱动及粘度测量的电气原理图。图中：Q1：电动机保护空气开关；K1-K3：构成Y/△起动的交流接触器；T1-T3：电流互感器，变比50:5；U1：三相综合电量表ZW6433B；U2：可编程序控制器CPU224XP；U3：触摸屏MT6070iH；B1：测速编码器E6F-CWZ5G 1000P。
2.1 电动机输入有功功率测量
三相综合电量表的4-20mA模拟输出端，输出有功功率信号。由于互感器变比为50:5，故 “电流倍率”为10[2]。S7-200 CPU224XP有2个模拟输入通道，输入电压范围0-10V。故在模拟输入端并接500欧姆高精度电阻，将综合电量表输出的4-20mA电流信号转为2-10V电压信号。CPU224XP模拟输入的AD转换精度为11位，满量程AD转换值32000[3]。设 为实际的电机输入有功功率，则三相综合电量表的输出电流为：
式中： -三相综合电量表输出的信号电流，mA； -三相综合电量表显示的有功功率； --4mA输出对应值； -20mA输出对应值； -倍率系数，测量有功功率时， ，这里电压倍率为1，电流倍率为10，故有功功率倍率： ； -电动机输入有功功率，也是三相电量表的显示值； -三相电量表输出下限， ，这里取下限 ； -三相电量表输出上限， 。注：在设置三相综合电量表时，满量程输出对应值 。则PLC模拟输入端的信号电压为：
式中： -模拟输入电压，V；-电流信号转换为电压信号并联电阻。
则电动机输入有功功率的AD转换值：
从而可以计算出电动机输入有功功率：
2.2 搅拌器旋转角频率计算
将CPU224XP的I0.0和I0.1分别设置为1#反应釜和2#反应釜高速计数器HSC0和HSC3的计数输入端。选用1000P/r的测速编码器，减速机减速比为1:17，设1秒时间内高速计数器累计脉冲数为N，则搅拌器的旋转角频率为：
式中： -1秒时间内，高速计数器累计的脉冲数； -搅拌器旋转角频率；
2.3 转矩修正系数计算
搅拌电机额定转速为980rpm，额定效率91.2%，则转矩修正系数为：
2.4 搅拌器空载功率测定
当反应釜内清空时，起动搅拌电机，读出三相综合电量表有功功率。通过触摸屏，给PLC输入反应釜空载功率 。
2.5 粘度转矩系数
有了上述各项参数，PLC就可以较为准确地计算出反应釜搅拌器输出的转矩，并通过触摸屏显示出来。
由于反应釜搅拌器与反应釜内壁的几何特征，无法由反应釜的几何尺寸精确计算出反应釜搅拌器的转矩粘度系数，因而只有通过高精度粘度计，测量某一转矩下介质的实际粘度，计算出转矩粘度系数，并通过触摸屏输入到PLC。从而PLC计算出某一转矩时对应的介质粘度。搅拌器的输出转矩单位为： ，粘度单位为： 。聚酰亚胺酸是一种分子量较大的高聚物，即是一种非牛顿液体，所以只有当剪切速率较低时，才有恒定的粘度（第一牛顿粘度）。因而要求粘度测量时，反应釜的搅拌速度满足临界剪切速率的要求。
参考文献：
[1]胡虔生、胡敏强，电机学，中国电力出版社，2005.
作者简介：
唐韬（1989-），汉族，江苏省扬州市宝应县人，本科在读，电气工程及其自动化专业。