粘性估计装置以及粘性估计方法与流程

1.本发明的一些方式涉及粘性估计装置以及粘性估计方法。
2.本技术基于2019年4月19日在日本技术的特愿2019
‑
080281号主张优先权，将其内容引用于此。


背景技术：

3.在车间或工厂中，为了得到规定的产品或者中间件，有时进行促进原料的化学反应的反应工序或者使各种原料混合的搅拌工序。在这样的工序中，由电动机使安装有旋翼的旋转轴旋转，从而促进原料的化学反应，或者使原料的混合度变得均匀。在此，通过对产品或者中间件的粘度进行测量来估计化学反应的促进情况或混合情况。
4.当前，对粘度进行测量的粘度计以旋转粘度计为主流。该旋转粘度计通过使旋转轴旋转从而对作用于旋转轴的反作用转矩进行检测，通过将该检测结果换算为粘度从而对粘度进行测量。在将这样的旋转粘度计应用于在线计测的情况下，考虑例如需要为了检测反作用转矩而被安装在旋转轴上的应变仪(转矩传感器)、以及将应变仪的检测结果换算为粘度的运算部。
5.另外，在以下的非专利文献1中，公开了对作用于旋转轴的反作用转矩进行检测的以往的方法。具体而言，在以下的非专利文献1所公开的方法中，基于旋转轴的角度响应，对旋转轴所承受的反作用转矩进行检测。
6.现有技术文献
7.非专利文献
8.非专利文献1:t.murakami f.yu and k.ohnishi“torque sensorless control in multidegree
‑
of
‑
freedom manipulator”ieee trans.ind.electron.vol.40 no.2 pp.259
‑
265 apr.1993.


技术实现要素：

9.发明要解决的课题
10.然而，在将旋转粘度计应用于在线计测的情况下，如上所述，需要将用于对作用于旋转轴的反作用转矩进行检测的应变仪安装至旋转轴。在此，应变仪容易由于高温而劣化，因此有时根据环境温度而无法使用。此外，有时为了安装应变仪而需要对现有设备进行分解或加工，因此也有时难以将应变仪安装至旋转轴。
11.本发明的一些方式鉴于上述情况而作出，其目的在于，提供不使用应变仪就能够估计粘性、且能够应用于粘性的在线计测的粘性估计装置以及粘性估计方法。
12.用于解决课题的手段
13.为了解决上述课题，本发明的一方式所涉及的粘性估计装置是对通过被感应电动机(im)旋转驱动的旋转轴(ax)的旋转而被搅拌的物质的粘性进行估计的粘性估计装置(1、2)，具备：电流检测部(10)，对被供应给所述感应电动机的驱动电流进行检测；旋转检测部
(20、20a)，对所述旋转轴的旋转进行检测；以及运算部(30、30a)，使用所述电流检测部的检测结果和所述旋转检测部的检测结果，求出作为与所述物质的粘性具有相关性的值的粘性相关值(st)。
14.此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述运算部具备：滑移率运算部(33)，使用所述电流检测部的检测结果和所述旋转检测部的检测结果，求出所述旋转轴的滑移率；有效值运算部(34)，根据所述电流检测部的检测结果求出所述驱动电流的有效值；以及粘性相关值运算部(35)，使用所述滑移率运算部的运算结果和所述有效值运算部的运算结果，求出所述粘性相关值。
15.此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中，所述运算部也可以具备根据所述电流检测部的检测结果求出所述驱动电流的频率的频率运算部(31)，所述滑移率运算部也可以使用所述频率运算部的运算结果、以及根据所述旋转检测部的检测结果得到的所述旋转轴的旋转速度，求出所述旋转轴的滑移率。
16.此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述运算部具备根据所述旋转检测部的检测结果求出所述旋转轴的旋转速度的旋转速度算出部(32)。
17.此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，在将所述粘性相关值设为st，将所述驱动电流的频率设为ω[rad/s]或者[hz]，将所述旋转轴的旋转速度设为ω
m
[rad/s]或者[hz]，将所述电流的有效值设为i
a
，将所述旋转轴的滑移率设为s[％]时，所述粘性相关值运算部进行以下的(1)式所示的运算来求出所述粘性相关值st。
[0018]
[数1]
[0019][0020]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述驱动电流为三相，所述电流检测部对所述三相的全部相进行检测。
[0021]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述驱动电流为三相，所述电流检测部对所述三相之中的仅特定的一相进行检测。
[0022]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，在将所述滑移率设为s，将所述电流检测部所检测的所述驱动电流的频率设为ω，将所述旋转检测部所检测的所述旋转轴的旋转速度设为ω
m
的情况下，所述滑移率运算部进行s＝(ω
‑
ω
m
)/ω的运算来求出所述滑移率。
[0023]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述频率运算部在所述旋转轴每次旋转了预先规定的旋转数时，求出所述驱动电流的频率。
[0024]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述有效值运算部在所述旋转轴每次旋转了所述旋转数时，求出所述驱动电流的有效值。
[0025]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述运算部还具备将所述粘性相关值运算部所求出的所述粘性相关值变换为所述物质的粘性值的粘性相关值粘性运算部(36)。
[0026]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述运算部还具备对于所述粘性相关值粘性运算部变换后的所述粘性值进行平滑处理的滤波器运算部(37)。
[0027]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，在所述电流检测部
对所述驱动电流进行检测之后，所述旋转检测部对所述旋转进行检测。
[0028]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，在所述旋转检测部对所述旋转进行检测之后，所述电流检测部对所述驱动电流进行检测。
[0029]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述电流检测部对所述驱动电流进行检测的处理与所述旋转检测部对所述旋转进行检测的处理并行进行。
[0030]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述旋转检测部是编码器。
[0031]
此外，在本发明的一方式所涉及的粘性估计装置中也可以是，所述旋转检测部是转速计。
[0032]
本发明的一方式所涉及的粘性估计方法是对通过被感应电动机(im)旋转驱动的旋转轴(ax)的旋转而被搅拌的物质的粘性进行估计的粘性估计方法，具有：电流检测步骤(s11)，对被供应给所述感应电动机的驱动电流进行检测；旋转检测步骤(s14)，对所述旋转轴的旋转进行检测；以及运算步骤(s17)，使用所述电流检测步骤的检测结果和所述旋转检测步骤的检测结果，求出作为与所述物质的粘性具有相关性的值的粘性相关值。
[0033]
发明效果
[0034]
根据本发明的一些方式，具有不使用应变仪就能够估计粘性、且能够应用于粘性的在线计测这样的效果。
附图说明
[0035]
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的粘性估计装置的要部结构的框图。
[0036]
图2是表示本发明的一实施方式所涉及的粘性估计方法的流程图。
[0037]
图3是表示本发明的一实施方式所涉及的粘性估计装置的变形例的结构的框图。
具体实施方式
[0038]
以下，参考附图针对本发明的一实施方式所涉及的粘性估计装置以及粘性估计方法详细进行说明。以下，首先针对本发明的实施方式的概要进行说明，接下来针对本发明的各实施方式的详细情况进行说明。
[0039]
〔概要〕
[0040]
本发明的实施方式不使用应变仪就能够估计粘性，能够应用于粘性的在线计测。例如，本发明的实施方式能够以在线方式连续地对通过由感应电动机使具备搅拌翼的旋转轴旋转从而将罐内的材料搅拌的机器(例如反应器或搅拌器)中的材料的粘性进行估计。
[0041]
在此，在日本工业标准(jis：japanese industrial standards)中，粘度计被分类为毛细管粘度计、落球粘度计、同轴双圆筒旋转粘度计、单圆筒旋转粘度计、圆锥平板形旋转粘度计以及振动式粘度计这6个种类(jis z 8803)。这样的粘度计一般被用作在研究室或实验室等中使用的实验设备。因此，以往在车间等中，抽取正在制造的产品或者中间件的样本，在测量室中对抽取的样本的粘度进行测量来进行质量管理。
[0042]
在测量粘度时，需要减小测量不均的影响，因此由具有专业知识的实验者多次进行粘度的测量。因此，测量产品的粘度需要某种程度的时间，妨碍生产性提高、质量提高。在此，也实现了以在线方式连续进行粘度的测量的装置，但其价格高，或者在设置时需要特别
处理，或者为了维持性能而需要频繁的维护。因此，在现状下，以在线方式连续进行粘度的测量的装置的应用领域有限。
[0043]
当前，对粘度进行测量的粘度计以旋转粘度计为主流。在将这样的旋转粘度计应用于在线计测的情况下，考虑例如需要为了检测反作用转矩而被安装在旋转轴上的应变仪(转矩传感器)、以及将应变仪的检测结果换算为粘度的运算部。在此，应变仪容易由于高温而劣化，因此有时根据环境温度而无法使用。此外，有时为了安装应变仪而需要对现有设备进行分解或加工，因此也有时难以将应变仪安装至旋转轴。
[0044]
在本发明的实施方式中，对被供应给感应电动机的驱动电流进行检测，其中该感应电动机对搅拌作为估计粘性的对象的物质的旋转轴进行旋转驱动，进而在本发明的实施方式中，对旋转轴的旋转进行检测，使用驱动电流的检测结果和旋转轴的旋转的检测结果，求出作为与物质的粘性具有相关性的值的粘性相关值。由此，不使用应变仪就能够估计粘性，能够应用于粘性的在线计测。
[0045]
〔实施方式〕
[0046]
〈粘性估计装置〉
[0047]
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的粘性估计装置1的要部结构的框图。如图1所示，本实施方式的粘性估计装置1具备变流器10(也称为电流检测部)、编码器20(也称为旋转检测部)以及运算部30。该结构的粘性估计装置1对通过被感应电动机im旋转驱动的旋转轴ax的旋转而被搅拌的物质的粘性进行估计。另外，通过旋转轴ax的旋转而被搅拌的物质可以是任意的物质。
[0048]
在此，感应电动机im具备具有线圈的定子以及例如笼形构造的转子，转子通过由定子的线圈形成的旋转磁场而旋转。感应电动机im既可以是被单相的交流电流驱动的电动机，也可以是被三相的交流电流驱动的电动机。在本实施方式中，针对感应电动机im被三相的交流电流驱动的情况进行说明。
[0049]
旋转轴ax例如是圆柱状(棒状)的构件，通过感应电动机im的转子旋转而被旋转驱动。旋转轴ax也可以经由具有预先规定的减速比的减速机而与感应电动机im的转子连接。在设置这样的减速机的情况下，例如在规定的频率(例如10[hz])的驱动电流被供应给感应电动机im的情况下，旋转轴ax在无负载的状态下以规定的转速(例如100[rpm])旋转。另外，旋转轴ax也可以按照与感应电动机im的转子同轴的方式被直接安装。此外，也可以在旋转轴ax上设置有搅拌翼。
[0050]
变流器10对被供应给感应电动机im的驱动电流进行检测。另外，变流器10既可以对被供应给感应电动机im的驱动电流的全部相(三相)进行检测，也可以对仅特定的一相进行检测。在本实施方式中，变流器10设为对三相之中的仅特定的一相进行检测。变流器10的检测结果向运算部30输出。
[0051]
编码器20对旋转轴ax的旋转进行检测。具体而言，编码器20对旋转轴ax的旋转量(或者旋转位置)进行检测，输出与该检测结果相应的数量的脉冲。该编码器20既可以是机械式的旋转编码器，也可以是光学式的旋转编码器。编码器20的检测结果向运算部30输出。
[0052]
运算部30具备频率运算部31、旋转速度算出部32、滑移率运算部33、有效值运算部34、st运算部35(也称为粘性相关值运算部)、st粘性运算部36以及滤波器运算部37。该结构的运算部30使用变流器10的检测结果和编码器20的检测结果，求出作为与物质的粘性具有
相关性的值的粘性相关值st(也称为滑移转矩系数)，基于粘性相关值st对物质的粘性进行估计。
[0053]
频率运算部31根据变流器10的检测结果，求出被供应给感应电动机im的驱动电流的频率ω[rad/s]或者[hz]。例如，频率运算部31也可以在旋转轴ax每次旋转了预先规定的旋转数n(n为1以上的整数)时，求出被供应给感应电动机im的驱动电流的频率ω。另外，频率运算部31求出被供应给感应电动机im的驱动电流的频率ω的定时或周期能够任意设定。
[0054]
旋转速度算出部32根据编码器20的检测结果，求出旋转轴ax的旋转速度ω
m
[rad/s]或者[hz]。例如，旋转速度算出部32也可以在每经过预先规定的时间(例如1[s])时，求出旋转轴ax的旋转速度ω
m
。另外，旋转速度算出部32求出旋转轴ax的旋转速度ω
m
的定时或周期能够任意设定。
[0055]
滑移率运算部33使用变流器10的检测结果和编码器20的检测结果，求出旋转轴ax的滑移率。具体而言，滑移率运算部33使用由频率运算部31使用变流器10的检测结果求出的驱动电流的频率ω、以及由旋转速度算出部32使用编码器20的检测结果求出的旋转轴ax的旋转速度ω
m
，求出旋转轴ax的滑移率。更具体而言，滑移率运算部33进行以下的(2)式所示的运算，求出旋转轴ax的滑移率s[％]。
[0056]
[数2]
[0057][0058]
有效值运算部34根据变流器10的检测结果，求出被供应给感应电动机im的驱动电流的有效值i
a
[a]。例如，有效值运算部34也可以与频率运算部31同样，在旋转轴ax每次旋转了预先规定的旋转数n时，求出驱动电流的有效值i
a
。另外，有效值运算部34求出驱动电流的有效值i
a
的定时或周期能够任意设定。
[0059]
st运算部35使用滑移率运算部33的运算结果和有效值运算部34的运算结果，求出粘性相关值st。具体而言，st运算部35使用由频率运算部31求出的驱动电流的频率ω、由旋转速度算出部32求出的旋转轴ax的旋转速度ω
m
、由有效值运算部34求出的驱动电流的有效值i
a
、以及由滑移率运算部33求出的旋转轴ax的滑移率s，进行以下的(3)式所示的运算来求出粘性相关值st。
[0060]
[数3]
[0061][0062]
在此，考虑将静止坐标系(αβ坐标系)中的感应电动机im的模型向dq坐标系变换的情况。在将感应电动机im的极数设为p，将定子与转子的互感设为m，将d轴的电流的最大值设为i
d
，将转子的直流电阻值设为r
r
时，感应电动机im的稳定时的产生转矩τ
e
由以下的(4)式表现。
[0063]
[数4]
[0064]
[0065]
此外，在将制动系数(＝粘性)设为r
m
，将库伦摩擦设为t
l
时，感应电动机im的稳定时的产生转矩τ
e
由以下的(5)式表现。
[0066]
[数5]
[0067]
τ
e
＝r
m
ω
m
t
l
…
(5)
[0068]
根据上述(4)式以及(5)式能够得到以下的(6)式。
[0069]
[数6]
[0070][0071]
现在，定子与转子的互感m、转子的直流电阻值r
r
、以及库伦摩擦t
l
设为一定，假设以下的两个条件。
[0072]
·
d轴的电流的变化率大致相同，且与驱动电流的有效值i
a
成比例
[0073]
·
旋转轴ax的旋转速度ω
m
不较大地变化
[0074]
由此，上述(6)式由以下的(7)式表现。
[0075]
[数7]
[0076][0077]
根据上述(7)式可知，表示粘性的制动系数r
m
与如下三个值的积成比例：驱动电流的频率ω除以旋转轴ax的旋转速度ω
m
而得到的值、驱动电流的有效值i
a
的平方、以及旋转轴ax的滑移率s。因此，能够如上述(3)式那样表现作为与物质的粘性具有相关性的值的粘性相关值st。
[0078]
st粘性运算部36将由st运算部35得到的粘性相关值st变换为粘性值d。具体而言，st粘性运算部36进行d＝a
·
st b的运算，将粘性相关值st变换为粘性值d。在此，上述式中的变量a、b既可以在物质的粘性的测量之前预先被储存于st粘性运算部36，也可以在进行物质的粘性的测量时被输入至st粘性运算部36。另外，上述式中的变量a规定粘性相关值st的缩放(扩大缩小率)，上述式中的变量b规定粘性相关值st的偏置。
[0079]
滤波器运算部37例如使用一阶延迟滤波器(低通滤波器)等滤波器进行平滑处理。通过进行该平滑处理，例如去除高频成分，因此能够以高精度对物质的粘性进行估计。由滤波器运算部37通过进行平滑处理而得到的数据(例如表示粘性的数据)例如经由未图示的网络被数据收集装置收集，或者被显示在显示装置上。
[0080]
〈粘性估计方法〉
[0081]
图2是表示本发明的一实施方式所涉及的粘性估计方法的流程图。图2所示的流程图例如以预先设定的一定的周期被反复进行。另外，在此设为如下状态：从未图示的驱动装置向感应电动机im供应驱动电流，由感应电动机im对旋转轴ax进行旋转驱动，通过旋转轴ax的旋转对规定的物质进行搅拌。
[0082]
如果图2所示的流程图的处理开始，则首先变流器10对正被供应给感应电动机im的驱动电流进行检测(步骤s11：也称为电流检测步骤)。变流器10向运算部30输出由变流器10检测的驱动电流。由此，频率运算部31根据变流器10的检测结果，求出被供应给感应电动
机im的驱动电流的频率ω(步骤s12)。此外，有效值运算部34根据变流器10的检测结果，求出被供应给感应电动机im的驱动电流的有效值i
a
(步骤s13)。
[0083]
接着，编码器20对旋转轴ax的旋转进行检测(步骤s14：也称为旋转检测步骤)。编码器20向运算部30输出编码器20的检测结果。由此，旋转速度算出部32根据编码器20的检测结果，求出旋转轴ax的旋转速度ω
m
(步骤s15)。
[0084]
接着，滑移率运算部33使用由频率运算部31求出的驱动电流的频率ω、以及由旋转速度算出部32求出的旋转轴ax的旋转速度ω
m
，求出旋转轴ax的滑移率(步骤s16)。具体而言，滑移率运算部33进行上述的(2)式所示的运算，求出旋转轴ax的滑移率s[％]。
[0085]
接下来，st运算部35使用由频率运算部31求出的驱动电流的频率ω、由旋转速度算出部32求出的旋转轴ax的旋转速度ω
m
、由有效值运算部34求出的驱动电流的有效值i
a
、以及由滑移率运算部33求出的旋转轴ax的滑移率s，求出粘性相关值st(步骤s17：也称为运算步骤)。具体而言，st运算部35进行上述的(3)式所示的运算，求出粘性相关值st。
[0086]
如果以上的处理结束，则st粘性运算部36将由st运算部35得到的粘性相关值st变换为粘性值d(步骤s18)。具体而言，st粘性运算部36进行d＝a
·
st b的运算，将粘性相关值st变换为粘性值d。并且，滤波器运算部37例如使用一阶延迟滤波器(低通滤波器)等滤波器进行平滑处理(步骤s19)。并且，通过进行平滑处理而得到的数据(例如表示粘性的数据)例如经由未图示的网络被收集至数据收集装置，或者被显示在显示装置上。
[0087]
另外，在图2所示的流程图中，为了说明方便，图示了在步骤s11～s13的处理结束后进行步骤s14、s15的处理的例子。但是，步骤s14、s15的处理也可以在步骤s11～s13的处理之前进行，也可以与步骤s11～s13的处理并行进行。
[0088]
〈变形例〉
[0089]
图3是表示本发明的一实施方式所涉及的粘性估计装置2的变形例的结构的框图。如图1所示，本变形例所涉及的粘性估计装置2构成为：将图1所示的粘性估计装置1的编码器20替换为转速计20a(旋转检测部)，将运算部30替换为运算部30a。转速计20a对旋转轴ax的旋转速度ω
m
[rad/s]或者[hz]进行检测。该转速计20a既可以是机械式转速计，也可以是电式转速计。
[0090]
运算部30a构成为省略了图1所示的运算部30的旋转速度算出部32，转速计20a的检测结果被直接输入至运算部30a的滑移率运算部33。也就是说，转速计20a能够直接检测旋转轴ax的旋转速度ω
m
，因此省略了根据编码器20的检测结果求出旋转轴ax的旋转速度ω
m
的旋转速度算出部32。
[0091]
表示本变形例所涉及的粘性估计方法的流程图与图2所示的流程图基本同样。具体而言，表示本变形例所涉及的粘性估计方法的流程图将图2中的步骤s14中的“对旋转轴的旋转进行检测”替换为“对旋转轴的旋转速度进行检测”，并省略了步骤s15。
[0092]
如上所述，在本发明的实施方式中，对被供应给感应电动机的驱动电流进行检测，其中该感应电动机对搅拌作为估计粘性的对象的物质的旋转轴进行旋转驱动，进而在本发明的实施方式中，对旋转轴的旋转进行检测，使用驱动电流的检测结果和旋转轴的旋转的检测结果，求出作为与物质的粘性具有相关性的值的粘性相关值。由此，不使用应变仪就能够估计粘性，能够应用于粘性的在线计测。
[0093]
以上，针对本发明的一实施方式所涉及的粘性估计装置以及粘性估计方法进行了
说明，但本发明不限定于上述实施方式，而能够在本发明的范围内自由变更。例如，在上述实施方式中，使用变流器10的检测结果和编码器20(或者转速计20a)的检测结果，求出作为与物质的粘性具有相关性的值的粘性相关值st，针对基于粘性相关值st估计的物质的粘性，经由网络由数据收集装置进行收集，或者显示在显示装置上。
[0094]
但是，也可以经由网络收集变流器10的检测结果和编码器20的检测结果，基于收集的这些检测结果，求出粘性相关值st并且对粘性进行估计。通过这样，能够在从感应电动机im以及旋转轴ax的设置地点远离的远方对物质的粘性进行估计。
[0095]
另外，通过利用上述的粘性相关值st，对于利用快速旋转对液体进行搅拌从而进行的分散或乳化处理，也能够对其进展情况进行估计。
[0096]
标号说明
[0097]
1、2
ꢀꢀꢀꢀ
粘性估计装置
[0098]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
变流器
[0099]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
编码器
[0100]
20a
ꢀꢀꢀꢀꢀ
转速计
[0101]
30、30a 运算部
[0102]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
频率运算部
[0103]
32
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旋转速度算出部
[0104]
33
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滑移率运算部
[0105]
34
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
有效值运算部
[0106]
35
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
st运算部
[0107]
ax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旋转轴
[0108]
im
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
感应电动机
[0109]
st
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
粘性相关值