Способ определения вязкости краски в электрокаплеструйном маркираторе и гидросистема электрокаплеструйного маркиратора
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электрокаплеструйных маркировочных принтерах. Способ определения вязкости краски в электрокаплеструйном маркираторе включает предварительное определение для каждого типа краски экспериментальным путем зависимостей оптического коэффициента преломления n краски и вязкости η краски от сухого остатка краски Со, соответственно n=n(Со) и η=η(Со), измерение критического угла полного внутреннего отражения краски посредством рефрактометра по положению границы светотени, содержащего источник пучка расходящихся лучей света, призму и приемник типа ПЗС-линейки отраженного света от границы раздела грани призмы и краски, определение по величине критического угла полного внутреннего отражения краски показателя преломления краски, на основании которого определяют концентрацию сухого остатка и летучей части в краске с использованием экспериментально полученной для каждого типа краски зависимости коэффициента преломления n от сухого остатка Со. По концентрации сухого остатка определяют вязкость краски с использованием экспериментально полученной для каждого типа красок зависимости вязкости η от сухого остатка. Гидросистема электрокаплеструйного маркиратора включает цепи нагнетания, отсоса, вискозиметрии и долива растворителя, а также блок управления, при этом в одну из цепей гидросистемы в качестве датчика вязкости включен рефрактометр, который связан с блоком управления и устройством дозированного долива растворителя. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электрокаплеструйных маркировочных принтерах.
Для обеспечения качественной печати и надежной работы электрокаплеструйной техники необходимо постоянно измерять вязкость рабочей жидкости (красок, чернил) и управлять этим параметром, например стабилизировать его путем дозированного долива растворителя.
Известны два основных способа для измерения вязкости жидкости как в лабораторных условиях при исследовании или приготовлении красок, так и непосредственно в электрокаплеструйных принтерах во время их работы для контроля параметров жидкости.
Первый способ определения вязкости жидкости базируется на законе Стокса
Fтр=6πηrυ,
где Fтр - сила трения в жидкости, υ - скорость падения шарика относительно жидкости, r - радиус шарика, η - динамическая вязкость.
На этом законе основано определение вязкости вискозиметром Гепплера. При этом в трубку определенного диаметра, заполненную исследуемой жидкостью, опускают шарик и измеряют скорость его падения или время пролета определенных меток на трубке, которые и являются мерой вязкости жидкости. Принимается во внимание, что при ламинарном обтекании падающего шарика сила трения уравновешивается весом шарика за вычетом статической подъемной силы /(1) - стр.129; (2) - стр.202/.
К недостаткам данного способа измерения вязкости можно отнести значительные габариты установки измерения и трудность ее миниатюризации, трудность и сложность при автоматизации процесса измерения, а также значительное время, необходимое на процесс измерения.
Второй способ измерения вязкости базируется на гипотезе Ньютона, позднее обоснованной проф. Н.П. Петровым, который характеризует силу трения между слоями жидкости /(3) - стр.11; (1) - стр.126; (2) - стр.182/.
Fтр=ηFdυ/dy,
где Fтр - сила трения между слоями жидкости, F - площадь соприкасающихся слоев, dυ/dy - градиент скорости в пограничном слое, или если перемещать в жидкости пластинку параллельно плоской стенке, при расстоянии между пластинками «а» меньше пограничного слоя, то
Fтр=ηFυ/a.
На этом способе базируются так называемые роторные или барабанные вискозиметры, в которых, например, вращается с заданной скоростью стакан в неподвижном стакане, между стенками которых в тонком слое находится исследуемая жидкость. При этом динамометрически фиксируется сила воздействия на один из стаканов. Конфигурация погружаемых в жидкость тел может быть различной, как и метод измерения силы трения или непосредственно вязкости, как например в /4/.
Этот способ имеет все вышеупомянутые недостатки: громоздкость, сложность автоматизации, большая продолжительность измерений.
Известен также способ измерения вязкости жидкости и устройство для измерения вязкости жидкости по этому способу, при этом известный способ базируется на формуле Пуазейля /(2) - стр.201; (1) - стр.128/, которая описывает процесс ламинарного истечения жидкости через тонкую трубку (капилляр):
где V - объем жидкости, протекающий по трубке за время t, R - радиус трубки, Δр - разность давлений на концах трубки, l - длина трубки, η - динамическая вязкость. В частности, этот способ измерения вязкости реализован в промышленных вискозиметрах капиллярных стеклянных типа ВПЖ /(5); (6)/.
Способ предусматривает заполнение (накачивание) испытуемой жидкости в резервуар определенного объема, а потом замеряется время истечения указанного объема жидкости под действием гидростатического (гравитационного) давления, т.е. самотеком через калиброванный капиллярный стеклянный канал с определенными размерами.
Динамическая вязкость жидкости определяется по соотношению
η=κρt,
где η - динамическая вязкость, κ - константа конкретного вискозиметра, ρ - плотность жидкости, t - время истечения жидкости.
К недостаткам данного способа и устройства измерения вязкости жидкости относится громоздкость, сложность встраивания в принтер и сложность при автоматизации процесса измерения, а также значительное время измерения.
Известен так называемый экспоненциальный способ измерения вязкости жидкости /8/.
Сущность его заключается в том, что в процессе измерения вязкости жидкости, включающем нагнетание жидкости в аккумулятор (ресивер), ее последующее истечение через капиллярный канал и измерение параметров истечения, по которым определяют вязкость жидкости, жидкость накачивают в аккумулятор посредством источника импульсного давления, а в процессе истечения жидкости через капиллярный канал измеряют время спада давления между двумя уровнями давления, по которому определяют мгновенную (текущую) вязкость жидкости.
Время спада давления измеряют периодически с частотой следования импульсов давления при нагнетании жидкости в аккумулятор.
Устройство для измерения вязкости жидкости в гидросистеме электрокаплеструйного принтера по данному способу состоит из последовательно включенных источника импульсного давления и аккумулятора, а в гидросистему дополнительно введены подключенные к аккумулятору капиллярный канал и устройство измерения времени спада давления, например пьезорезистивный датчик давления.
Жидкость под давлением импульсного источника избыточного давления, например, в несколько атмосфер периодически или однократно подается в аккумулятор (ресивер), например, пружинного типа, что можно рассматривать как процесс зарядки гидравлической емкости, а потом происходит самопроизвольная разрядка емкости через капиллярный канал, т.е. гидравлическое сопротивление. При этом замеряется время кратковременного спада давления, т.е. время части переходного процесса между двумя уровнями давления. Измерение автоматически производят, например, с помощью пьезоэлектрического датчика давления в измерительном блоке, и измеряемая часть переходного процесса составляет единицы или десятки миллисекунд.
В этом случае переходный процесс разряда аккумулятора описывается соотношением
где p(t) - текущее значение давления, Рmax - максимальное давление, е=2,718, τпер - постоянная времени переходного процесса, которую и предложено замерять.
Причем
τпер=CгRг=kη,
где Сг, Rг - соответственно гидравлическая емкость аккумулятора и гидравлическое сопротивление капиллярного канала, k - константа измерительной цепи, η - динамическая вязкость жидкости.
Известны гидросистемы для электрокаплеструйных маркираторов /(7) - стр.149; (10)/, которые включают цепь нагнетания (резервуар краски, фильтр, насос, аккумулятор, датчик давления, клапан, генератор капель в печатающей головке), цепь отсоса (ловушка печатающей головки, фильтр, насос - источник разрежения, резервуар краски), цепь вискозиметрии (включающая измерительный ресивер, перепускной канал, датчик давления), цепь дозированного долива растворителя из резервуара растворителя в резервуар краски, например, с помощью насоса. Управление всеми процессами в гидросистеме электрокаплеструйного маркиратора осуществляется от блока управления.
Недостатками известных гидросистем с визкозиметрией и дозированным доливом растворителя являются недостаточные точность, быстродействие и надежность устройств, измеряющих вязкость и значительные габариты этих устройств.
В технике известен рефрактометрический способ определения концентрации вещества /11/.
Рефрактометрия является одним из наиболее широко используемых аналитических методов, позволяющих определить вещество, находящееся в жидком состоянии, или концентрацию двухкомпонентных растворов. Рефрактометрия основана на явлении преломления света при переходе из одной среды в другую, называемом рефракцией.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения вязкости красок в электрокаплеструйных маркираторах и создание устройства для его реализации, обеспечивающего автоматизацию и быстродействие процесса определения вязкости.
Сущность предложенного изобретения заключается в следующем.
Способ определения вязкости краски в электрокаплеструйном маркираторе включает предварительное определение для каждого типа краски экспериментальным путем зависимостей оптического коэффициента преломления n краски и вязкости η краски от сухого остатка краски Со, соответственно n=n(Со) и η=η(Со), измерение критического угла полного внутреннего отражения краски посредством рефрактометра по положению границы светотени, содержащего источник пучка расходящихся лучей света, призму и приемник типа ПЗС-линейки отраженного света от границы раздела грани призмы и краски, определение по величине критического угла полного внутреннего отражения краски показателя преломления краски, на основании которого определяют концентрацию сухого остатка и летучей части в краске с использованием экспериментально полученной для каждого типа краски зависимости коэффициента преломления n от сухого остатка Со, а по концентрации сухого остатка определяют вязкость краски с использованием экспериментально полученной для каждого типа красок зависимости вязкости η от сухого остатка.
При определении вязкости краски для каждого типа краски используют экспериментально снятые зависимости оптического коэффициента преломления n краски и вязкости η краски от температуры n=n(t°C) и η=η(t°C).
Сущность предложенного изобретения заключается также в следующем.
Гидросистема электрокаплеструйного маркиратора содержит устройство для определения вязкости краски, которое выполнено в виде рефрактометра, измеряющего вязкость по сухому остатку в краске.
Гидросистема электрокаплеструйного маркиратора включает цепи нагнетания, отсоса, вискозиметрии и долива растворителя, а также блок управления, при этом рефрактометр включен в одну из цепей гидросистемы в качестве датчика вязкости и связан с блоком управления и устройством дозированного долива растворителя.
В простейшем варианте рефрактометр связан только с устройством индикации (при ручном доливе растворителя).
На фиг.1 показана схема построения рефрактометра; на фиг 2 показана зависимость коэффициента преломления n от сухого остатка Со для сахарозы; на фиг.3 приведена экспериментально снятая зависимость коэффициента преломления n от сухого остатка Со для серийной краски ЭКСТ-220; на фиг.4, а) приведена экспериментально снятая зависимость сухого остатка Со и вязкости η для одной из типовых импортных красок 16-8200; на фиг.4, б) - зависимость вязкости η от температуры для целей температурной компенсации при измерениях; на фиг.5 приведена обобщенная структурная схема гидросистемы электрокаплеструйного маркиратора; на фиг.6 представлен один из вариантов реализации предложенной гидросистемы с рефрактометром для измерения вязкости.
Представленная на фиг.1 схема построения рефрактометра включает источник света 1, оптическую призму 2, фотоприемник 3, например, типа ПЗС-линейки, исследуемый раствор 4.
Рефрактометрия основана на эффекте рефракции (преломления света при переходе из одной среды в другую) и зависимости показателя преломления раствора от концентрации. При увеличении угла падения на поверхность раздела двух сред свет частично преломляется в другую среду, а частично отражается. Этот угол называется углом полного внутреннего отражения и по его величине можно определить показатель преломления.
Свет от источника 1 вводится в оптическую призму 2 и падает на ее внутреннюю поверхность, контактирующую с исследуемым раствором 4. Часть лучей, угол падения которых больше критического, полностью отражается от внутренней поверхности призмы и формирует светлую часть изображения на фотоприемнике. По координате границы раздела светлой и темной частей изображения определяется показатель преломления исследуемого раствора, который является функцией его концентрации.
Рассматриваемый рефрактометр построен на базе компактной и надежной оптический схемы с высококачественной, например, сапфировой призмой. Оптическая схема построена таким образом, что свет, формирующий границу света и тени на фотоприемнике, не проходит через раствор. Благодаря этому ни прозрачность и свет раствора, ни наличие в нем нерастворимых включений и газовых пузырьков не влияют на результаты измерения. Что также расширяет область его применения.
Для компенсации влияния температуры контролируемого раствора на величину показателя преломления в рефрактометре используется тепловой датчик.
Точное положение границы света и тени на координатно-чувствительном фотоприемнике определяется встроенным микроконтроллером в результате обработки данных по распределению интенсивности излучения с помощью помехоустойчивого алгоритма.
Благодаря жесткой и надежной конструкции оптической схемы и полностью цифровому тракту приема и обработки оптической информации прибор не имеет дрейфа сигнала и не нуждается в регулярном обслуживании.
Данный рефрактометр может работать с полностью непрозрачными растворами, выдает данные о концентрации в реальном масштабе времени, не нуждается в пробоотборниках. Его показания не зависят от возможных ошибок при взятии и анализе проб в лабораторных условиях. Рефрактометр позволяет оперативно реагировать на изменения в ходе технологического процесса и может использоваться в качестве датчика обратной связи при автоматизации производства.
На фиг.2 показана зависимость коэффициента преломления от сухого остатка для сахарозы, т.е. для раствора сахара в воде. В большинстве промышленных рефрактометров эта кривая используется для градуировки приборов не в абсолютных значениях коэффициента преломления, а в % концентрации сухого остатка (Br - бриксы).
Рабочий диапазон измерения рефрактометром коэффициента преломления может составлять от 1,333 до 1,520, а рабочий диапазон измерения по концентрации при этом будет соответствовать от 0 до 90%. Так как ПЗС-линейка имеет 1024 или 2048 чувствительных элементов, то погрешность измерения по коэффициенту преломления составляет ±0,0002%, а погрешность измерения концентрации (сухого остатка) составляет ±0,1%. Таким образом, точность измерения с помощью рефрактометра очень высокая.
На фиг.3 приведена экспериментально снятая зависимость коэффициента преломления n от сухого остатка Со для серийной краски ЭКСТ-220 для электрокаплеструйного маркиратора на базе метилэтилкетонового растворителя с композицией нелетучей части (красителя, связующего, присадок и т.д.). Концентрация сухого остатка варьировалась путем мерного разбавления исходной краски с известной долей сухого остатка (массовая концентрация). Коэффициент преломления для каждой точки находился по кривой сахарозы (фиг.2) с использованием рефрактометра типа PAL-1, проградуированного в Br (бриксах).
На фиг.4, а) приведена экспериментально снятая зависимость сухого остатка Со и вязкости η для одной из типовых импортных красок 16-8200 для электрокаплеструйного маркиратора, а на фиг.4, б) - зависимость вязкости η от температуры для целей температурной компенсации при измерениях.
В таблице приведены результаты экспериментального исследования некоторых типовых красок.
| Результаты экспериментального исследования зависимости вязкости от сухого остатка и температуры для некоторых красок | |||||||
| МЭК-фиолетовая | МЭК-синяя | МЭК-черная | Спиртовая Черная | ||||
| η, с Ст | Со % | η, с Ст | Со % | η, с Ст | Со % | t°, C | η, с Ст |
| 1,31 | 23,2 | 2,4 | 28,5 | 3,8 | 22,54 | 5,25 | 4,89 |
| 1,58 | 26,7 | 2,42 | 30,0 | 5,32 | 24,85 | 10,3 | 4,18 |
| 2,15 | 32,1 | 3,81 | 36,0 | 8,91 | 31,75 | 14,0 | 3,8 |
| 2,49 | 33,5 | 4,54 | 38,0 | 13,22 | 37,1 | 16,5 | 3,54 |
| 2,71 | 35,1 | 10,71 | 46,0 | 16,5 | 38,88 | 20,9 | 3,18 |
| 4,09 | 39,8 | 11,3 | 47,6 | 23,9 | 2,98 | ||
| 6,95 | 47,1 | 13,06 | 50,0 | 25,8 | 2,81 | ||
| 15,44 | 56,4 |
С учетом изложенного для каждой краски для маркировочного принтера можно получить набор зависимостей n=n(Co), η=η(Co), η=η(t) и реализовать предложенное техническое решение по определению вязкости краски в реальном масштабе времени.
На фиг.5 приведена обобщенная структурная схема гидросистемы электрокаплеструйного маркиратора, включающая резервуар краски 5, резервуар растворителя 6, цепь нагнетания 7, цепь отсоса 8, цепь вискозиметрии 9, цепь дозированного долива растворителя 10, печатающую головку 11, блок управления 12.
На фиг.6 представлен один из вариантов реализации предложенной гидросистемы с рефрактометром для измерения вязкости. Рефрактометр включен в типовую гидросистему вместо измерительного ресивера /7, стр.149/, при этом отпала необходимость в дорогостоящем жидкостном датчике давления. Рефрактометр как датчик вязкости можно включать и в любую другую цепь или размещать его в резервуарах гидросистемы.
Гидросистема электрокаплеструйного маркиратора (фиг.6) включает следующие цепи.
Цепь нагнетания (высокого давления): фильтр 13 в резервуаре краски 14, клапан 15, нагнетающий насос (цилиндр) 16, ресивер 17, датчик давления 18, фильтр 19, клапан 20 печатающей головки 21, сопловой элемент 22 генератора капель 23.
Цепь отсоса (разрежения) включает ловушку 24, фильтр 25, отсасывающий цилиндр 26 и резервуар краски 14.
Цепь вискозиметрии организована с помощью тройника, в одном из вариантов конструктивно совмещенного с рефрактометром 27, далее перепускной канал 28 и резервуар краски 14. В этом случае цепь вискозиметрии совмещена с цепью перепуска.
Контур цепи дозированного долива растворителя состоит из фильтра 29 в резервуаре растворителя 30, клапана 31, связанного с нагнетающим цилиндром 16.
В гидросистему введена дополнительная цепь сброса: от клапана 20 с помощью клапана 32 в резервуар краски 14.
На схеме также показаны элементы датчиков уровня 33, 34 в резервуарах 14 и 30 соответственно, а также сенсорно заряжающий электрод 35 и отклоняющие электроды 36. Процессами гидросистемы и маркировки управляет блок управления (на схеме не показан).
В реальных электрокаплеструйных принтерах непрерывного действия, использующих эмиссию капель высоким давлением с ультразвуковым дроблением /7/, в случае использования быстролетучих красок на базе спирта, метилэтилкетона и т.п. требуется постоянно контролировать вязкость краски в системе и в случае критического загустевания краски, т.е. достижения пороговой вязкости, требуется автоматически осуществлять дозированный долив растворителя в краску.
Предложенный способ определения вязкости и устройство, его реализующее, позволяют с большой точностью (погрешность не более доли процента), оперативно, с частотой работы импульсного насоса (5-10 Гц), т.е. на каждый период и чаще контролировать, измерять и регулировать (стабилизировать) важнейший параметр печати - вязкость.
Таким образом, предложенное техническое решение в отличие от известных решений обеспечивает следующее: повышает точность, быстродействие, частоту измерения вязкости, позволяет оптимизировать этот процесс, уменьшить габариты конструкций, что позволяет встраивать этот вискозиметр в электрокаплеструйные маркираторы, в этом случае повышается качество печати и надежность принтеров.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Кухлинг X. Справочник по физике. М., Мир, 1982.
2. Поль Р.В. Механика, акустика и учение о теплоте. М., Наука, 1971.
3. В.Г. Гейер, В.С. Дулин, А.Г. Боруменский, А.Н. Заря. Гидравлика и гидродинамика. М., Недра, 1981.
4. Рекламный проспект роторного вискозиметра Rheomat 108 швейцарской фирмы DONAU (копия прилагается).
5. ГОСТ 10028-81. Вискозиметры капиллярные стеклянные, технические условия. М., Госкомитет СССР по стандартизации.
6. Вискозиметр капиллярный стеклянный ВПЖ-3. Паспорт, М., Минприбор СССР, 1982 (копия прилагается).
7. Безруков В.И. Основы злектрокаплеструйных технологий. СПб., Судостроение, 2001.
8. Патент РФ №2196317.
9. Рекламный проспект. Промышленный рефрактометр ПР-3. ООО «Инженерный центр «Технокон» (копия прилагается).
10. Патент РФ №2212633.
11. Политехнический словарь. М., 1980, стр.451.
1. Способ определения вязкости краски в электрокаплеструйном маркираторе, включающий предварительное определение для каждого типа краски экспериментальным путем зависимостей оптического коэффициента преломления n краски и вязкости η краски от сухого остатка краски Со, соответственно n=n(Со) и η=η(Co), измерение критического угла полного внутреннего отражения краски посредством рефрактометра по положению границы светотени, содержащего источник пучка расходящихся лучей света, призму и приемник типа ПЗС-линейки отраженного света от границы раздела грани призмы и краски, определение по величине критического угла полного внутреннего отражения краски показателя преломления краски, на основании которого определяют концентрацию сухого остатка и летучей части в краске с использованием экспериментально полученной для каждого типа краски зависимости коэффициента преломления n от сухого остатка Со, а по концентрации сухого остатка определяют вязкость краски с использованием экспериментально полученной для каждого типа красок зависимости вязкости η от сухого остатка.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении вязкости краски для каждого типа краски используют экспериментально снятые зависимости оптического коэффициента преломления n краски и вязкости η краски от температуры n=n(t°C) и η=η(t°C).
3. Гидросистема электрокаплеструйного маркиратора, содержащая резервуар краски, резервуар растворителя, цепи нагнетания, отсоса, и долива растворителя, устройство для определения вязкости краски, включенное в одну из цепей гидросистемы, печатающую головку и блок управления, отличающаяся тем, что устройство для определения вязкости краски выполнено в виде рефрактометра, измеряющего вязкость по сухому остатку в краске.
