Гідродинамічні методи і прилади вимірювання в’язкості та густини нафтопродуктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 665.7:681.2.08:532.13/14(042.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Гідродинамічні методи і прилади вимірювання в'язкості та густини нафтопродуктів

05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Древецький Володимир Володимирович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі інформаційних технологій.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Квасніков Володимир Павлович, Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри інформаційних технологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пістун Євген Павлович, Національний університет „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри автоматизації теплових та хімічних процесів;

доктор технічних наук, професор Кісіль Ігор Степанович, Івано-Франківський Національний технічний університет нафти і газу Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри методи та прилади контролю якості і сертифікації продукції;

доктор технічних наук, професор Бойченко Сергій Валерійович, Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри хіммотології.

Захист відбудеться “4 ” червня 2009 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.01 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м.Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1, корп. 1, ауд. 002.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м.Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.С.Єременко.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В сучасних умовах розвитку промисловості і транспорту України актуальним є підвищення надійності й ефективності функціювання технологічного обладнання, що безпосередньо пов'язано з необхідністю раціонального підбору і використання палива, олив, мастил та спеціальних рідин. На ринок паливно-мастильних матеріалів України потрапляють неякісні нафтопродукти, в результаті використання яких передчасно виходять з ладу вузли тертя, двигуни та агрегати, що призводить, у межах всього народного господарства, до значних ремонтних та експлуатаційних витрат. Дану проблему можна вирішити на основі створення нових методів і автоматичних приладів для визначення якості паливно-мастильних матеріалів в нафтопереробній промисловості, авіації, транспорті, металургії та теплоенергетиці з метою збільшення експлуатаційної надійності та продовження робочого ресурсу машин й обладнання.

В'язкість і густина є основними фізико-хімічними параметрами, що визначають властивості та характеризують склад й структуру нафтопродуктів, більшість з яких є ньютонівськими рідинами. У зв'язку з цим, кінематична в'язкість і густина займають важливе значення в системі нормованих показників палива для реактивних, газотурбінних і дизельних двигунів та мазуту, а для всіх видів олив й мастил - кінематична в'язкість є обов'язковим показником якості, що визначає їх хіммотологічні властивості.

Визначення в'язкості і густини є одним з найбільш трудомістких вимірювальних процесів. Достатньо складно визначати ці параметри при контролі нафтопродуктів під час їхнього виробництва, транспортування та використання, особливо в умовах швидкоплинних технологічних процесів.

Відомі методи і пристрої для визначення в'язкості та густини нафтопродуктів не задовільняють вимогам практики, тому постає необхідність розроблення вимірювальних методів та засобів, які здатні забезпечувати високу чутливість і точність у виробничих умовах.

Наведене підтверджується результатами досліджень вітчизняних і зарубіжних вчених І.М.Бєлкіна, С.В.Бойченко, Г.В.Віноградова, М.П.Воларовича, Л.А.Залманзона, А.Н.Житомирського, І.С.Кисіля, М.В.Кулакова, Є.П.Пістуна, В.В.Синіцина, З.М.Теплюха, І.Г.Фукса, К.К.Папок, А.Б.Виппера та інших.

Таким чином, розроблення нових науково обґрунтованих методів і приладів суміщеного у часі автоматичного вимірювання в'язкості та густини нафтопродуктів є актуальним для багатьох галузей народного господарства України, оскільки дозволить підвищити точність контролю якості та визначення складу нафтопродуктів і забезпечить високий рівень автоматизації технологічних процесів їхнього виробництва та використання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась впродовж 1982-2005 років відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт Національного університету водного господарства і природокористування у відповідності з постановами Міністерства нафтохімічної і нафтопереробної промисловості СРСР та, з 2005 року, на кафедрі інформаційних технологій Національного авіаційного університету згідно постанов Міністерства освіти і науки України відповідно до Закону України № 433-IV “Про пріоритетні напрями іноваційної діяльності в Україні”, зокрема за напрямом “Приладобудування, як основа високотехнологічного оновлення всіх галузей виробництва”. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які виконувались здобувачем, як керівником та відповідальним виконавцем, таких держбюджетних і госпдоговірних робіт:

- “Исследование возможности создания автоматического поточного вискозиметра для определения вязкости темных нефтепродуктов” (шифр теми 0182 7023553, 1982-1983 рр.);

- “Разработать и внедрить автоматический анализатор для определения кинематической вязкости нефтепродуктов'' (шифр теми 0182 5023546, 1982-1986 рр.);

- “Исследовать возможность использования микропроцессорной техники в анализаторах кинематической вязкости” (шифр теми 0184 0057125, 1984-1986 рр.);

- “Совершенствование работы теплоэнергетических агрегатов на основе информации о кинематической вязкости сжигаемого топлива” (шифр теми 0185 0038218, 1985 р.);

- “Разработать ряд первичных преобразователей для расширения возможности применения анализатора кинематической вязкости АКВ-1” (шифр теми 0187 0046168, 1987-1991 рр.);

- “Разработать и внедрить автоматический анализатор физико-механических свойств (вязкость, плотность) нефтепродуктов” (шифр теми 0187 0021814, 1987-1991 рр.);

- “Дослідження процесу магнітної очистки рідких і сипучих матеріалів” (шифр теми 0106 U 004426, 2006-2008 рр.);

- “Методологія та системи інтелектуального керування екстремальними робототехнічними комплексами” (шифр теми 0107 U 002818, 2007-2008 рр.);

- “Розробка теоретичних основ гідродинамічного методу та пристроїв для контролю фізико-механічних параметрів рідин і газів” (шифр теми 0108 U 001018, 2008 р.).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка нових гідродинамічних методів і приладів суміщеного у часі вимірювання в'язкості та густини нафтопродуктів.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні завдання:

- провести аналіз відомих методів і пристроїв та обґрунтувати необхідність підвищення точності вимірювання в'язкості та густини рідин на основі гідродинамічних дросельних елементів;

- розробити математичну модель та дослідити гідродинамічний процес протікання рідини через дроселі з типовими геометричними розмірами при ламінарному і перехідному до турбулентного режимах течії;

- розробити математичні моделі гідродинамічних перетворювачів в'язкості і густини рідин з розширеними функціональними можливостями;.

- розробити та оптимізувати структуру гідродинамічної вимірювальної системи в'язкості і густини нафтопродуктів;

- дослідити чинники впливу на чутливість і точність вимірювання та розробити рекомендації щодо зменшення похибок вимірювання;

- розробити алгоритм, програмно-математичне забезпечення і методику суміщеного у часі вимірювання динамічної і кінематичної в'язкості та густини нафтопродуктів;

- розробити спеціалізовані аналізатори кінематичної в'язкості і густини нафтопродуктів для систем автоматичного керування технологічними процесами.

Об'єкт дослідження. Процеси контролю показників якості нафтопродуктів гідродинамічними методами та перетворення параметрів інформаційних сигналів вимірювальних приладів.

Предмет дослідження. Гідродинамічні вимірювальні прилади в'язкості та густини нафтопродуктів, що побудовані на основі дросельних мостових перетворювачів.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі застосовано такі методи дослідження:

- положення й методи теоретичної гідродинаміки та математичного і імітаційного моделювання застосовано для встановлення механізму процесу взаємодії рідини з дросельними елементами при різних її фізико-хімічних параметрах (розділ 2);

- на основі методів теорії вимірювань, метрології і теорії автоматичного керування синтезовано дросельні мостові перетворювачі й автоматичні аналізатори в'язкості та густини нафтопродуктів (розділ 3, 4, 5);

- методи планування й проведення експериментів, регресійного аналізу та фізичного і математичного моделювання покладені в основу визначення функцій перетворення і метрологічних характеристик створених аналізаторів (розділ 6, 7).

Наукова новизна одержаних результатів. Вирішено актуальну науково-технічну проблему розробки нових методів визначення якості паливно-мастильних матеріалів на основі суміщеного у часі вимірювання їхньої в'язкості і густини. При цьому отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблено гідродинамічні методи суміщеного у часі вимірювання в'язкості та густини рідин за допомогою дросельних мостових перетворювачів, що дозволяє створити високоточні автоматичні аналізатори неруйнівного контролю якості нафтопродуктів;

2. Вперше запропоновано математичні моделі ламінарного та перехідного до турбулентного режимів течії з урахуванням кінетики зміни фізико-хімічних властивостей рідини, що дозволило розкрити і аналітично описати механізм процесу її взаємодії з дросельними елементами;

3. Вперше розроблено математичні моделі зрівноважених гідродинамічних подільників тиску і мостових схем, що дозволяє підвищити чутливість і точність суміщеного у часі вимірювання кінематичної в'язкості та густини нафтопродуктів;

4. Вперше аналітично описано динамічні властивості дросельних мостових перетворювачів в'язкості та густини, які суттєво впливають на їх метрологічні характеристики, що дозволяє розробити і узагальнити нові принципи побудови швидкодіючих вимірювальних приладів;

5. Вперше обгрунтовано структурну організацію автоматичних аналізаторів з слідкуючим і розгортуючим зрівноваженнями, що забезпечує можливість суміщення у часі вимірювання кінематичної в'язкості та густини нафтопродуктів;

6. Удосконалено математичні моделі дросельних мостових перетворювачів, що дозволило розширити їхні функціональні можливості та розвинути теорію вимірювання в'язкості і густини нафтопродуктів;

7. Удосконалено принципи побудови систем автоматичного регулювання процесу підготовки мазуту до згоряння в металургійних агрегатах шляхом стабілізації оптимального значення кінематичної в'язкості за допомогою розроблених аналізаторів, що підвищує техніко-економічні показники процесу спалювання;

8. Набули подальшого розвитку методи слідкуючого та розгортуючого зрівноваження мостових гідродинамічних схем, що розширює можливості їхнього застосування для неруйнівного контролю плинних середовищ.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

1. Створено методику проведення досліджень для перевірки адекватності математичних моделей гідродинамічних перетворювачів;

2. Розроблено методику інженерного розрахунку чутливих елементів дросельно-мостового перетворювача в'язкості і густини нафтопродуктів, яка дозволяє проектувати вимірювальні перетворювачі з заданими діапазонами вимірювання;

3. Розроблено рекомендації щодо проектування та запропоновано нові структури аналізаторів, що забезпечує розширення їхніх функціональних можливостей і підвищення точності неперервного вимірювання кінематичної в'язкості з відносною похибкою до 1% і густини до 1,5% в промислових умовах;

4. Експериментально визначено оптимальне значення кінематичної в'язкості мазуту, підготовленого до спалювання у доменних і мартенівських печах, що дозволяє досягти економії палива та зменшення шкідливих викидів у атмосферу;

5. Розроблено технічні рішення пристроїв для вимірювання в'язкості і густини нафтопродуктів, які визнані винаходами та покладені в основу створення дослідних зразків промислових аналізаторів підвищеної точності і швидкодії;

6. Розроблено, сумісно з НВО „Нафтохімавтоматика” (м. Москва), конструкторську документацію й дослідний зразок та проведено відомчі експлуатаційні випробовування аналізатора кінематичної в'язкості АКВ-1, межа допустимої похибки якого не перевищує ±2,5%.

Теоретичні і експериментальні дослідження, проведені автором, дозволили створити і впровадити у виробництво:

- дослідний зразок інформаційно-вимірювальної системи в'язкості та густини нафтопродуктів на ВАТ „Сумське науково-виробниче об'єднання ім. М. В. Фрунзе” (акт від 08.07.2007 р.);

- мобільний автоматичний аналізатор в'язкості і густини палива для реактивних двигунів у військових частинах Західного оперативного командування Збройних Сил України (акт від 21.05.2008 р.);

- результати дисертаційних досліджень використовуються у навчальному процесі, дипломному проектуванні, підготовці магістерських робіт, науково-дослідних роботах студентів Національного університету водного господарства і природокористування (м. Рівне) (акт від 11.09.2008 р.) та Національного авіаційного університету (м. Київ) (акт від 24.02.2009 р.).

- серійний випуск дослідних партій аналізатора кінематичної в'язкості нафтопродуктів АКВ-1 на Московському заводі „Нафтокіп” науково-виробничого об'єднання „Нафтохімавтоматика” (Російська Федерація);

- системи контролю кінематичної в'язкості мазуту, призначеного для спалювання у мартенівській печі № 4 і доменній печі №2 Карагандинського металургійного комбінату (Казахстан) (акти від 25.11.1982 р. і 04.12.1983 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення та результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримано здобувачем самостійно. У наукових працях, написаних у співавторстві, безпосередньо здобувачу належить розробка методів вимірювання, структурних схем та математичних моделей мостових перетворювачів в'язкості [4, 12, 13, 45, 48] і густини [23] нафтопродуктів; структурних схем і алгоритмів функціювання автоматичних аналізаторів: складу багатокомпонентних розчинів [16], фізико-хімічних параметрів нафтопродуктів[22,38], концентрації розчину нафтопродуктів [37]; створення математичної моделі гідродинамічних процесів у дроселях [18] і методик оптимізації конструктивних розмірів дроселів [20]; класифікація методів вимірювання та технічних вимог до аналізаторів в'язкості нафтопродуктів [24]; розробка системи автоматичного регулювання кінематичної в'язкості мазуту, що спалюється в мартенівській печі та методики визначення її оптимального значення [1]. Ідеї винаходів належать співавторам в однаковій мірі.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи і основні наукові положення доповідались й обговорювались на: Всесоюзній конференції ''Процессы и аппараты для микробиологических производств ''Биотехника-89'' (Грозный, 1989 р.); ''ІІ всесоюзном совещании по приборостроению в области коллоидной химии и физико-химической механики'' (Яремче, 1990 г.); науково-практичній конференції „Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання” (Івано-Франківськ, 2005 р.); міжнародній науково-практичній конференції ''Сучасні наукові дослідження 2006'' (Дніпропетровськ, 2006 р.); науково-технічній конференції ''Приладобудування: стан і перспективи'' (Київ, 2006, 2007 рр.); І і ІІ міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми хіммотології” (Київ, 2006, 2008 рр.); науково-технічній конференції „Електротехніка і електромеханіка ЕТЕМ-2006” (Миколаїв, 2006 р.); V міжнародній науково-технічній конференції ''Метрологія і вимірювальна техніка'' (Харків, 2006 р.); VII і VIII міжнародних науково-технічних конференціях ''Авіа-2006'', „Авіа-2007” (Київ, 2006, 2007 рр.); ІІ і ІІІ міжнародних науково-практичних конференціях ''Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє'' (Київ, 2006, 2007 рр.); ХІ і ХІІ міжнародних конгресах двигунобудівників (Рибаче, 2006, 2007 рр.); міжнародній науково-практичній конференції ''Матеріали, обладнання і ресурсозберігаючі технології'' (Могильов, 2006 р.); науково-технічній конференції ''Інформаційна техніка та електромеханіка'' (Луганськ, 2007 р.); науково-технічній конференції ''Інтегровані інформаційні технології та системи'' (Київ, 2007 р.); І міжнародній науково-практичній конференції „Інтегровані інтелектуальні робототехнічні комплекси” (Київ, 2008 р.); Х міжнародній науково-технічній конференції „Системний аналіз та інформаційні технології”(Київ, 2008 р.). Автоматичний аналізатор кінематичної в'язкості АКВ-1 демонструвався на ВДНГ СРСР (отримано срібну медаль).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 54 наукових роботах, у тому числі 23 статтях у фахових наукових виданнях, 15 тезах доповідей наукових конференцій, 12 авторських свідоцтвах і патентах України на винаходи, 3 інформаційних листках, 1 навчальному посібнику.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 370 сторінках і містить 114 рисунків, 47 таблиць, списку використаних літературних джерел з 259 найменувань та 4 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, мету та задачі дослідження, наукову новизну, теоретичну цінність та практичне значення одержаних результатів, зв'язок її з науковими програмами та планами НДР, основні положення роботи, які виносяться на захист, визначено особистий внесок здобувача у надрукованих працях, представлено інформацію, щодо апробації та публікації результатів дисертації, наводяться результати реалізації та впровадження основних її положень. Здійснено постановку задачі досліджень, яка полягає у розробці методів, засобів та алгоритмів вимірювання в'язкості та густини нафтопродуктів.

У першому розділі проведено аналітичний огляд робіт в галузі контролю складу та якості нафтопродуктів з використанням існуючих контактних та безконтактних методів, аргументовано актуальність вирішуваної науково-технічної проблеми, сформульовано основні напрямки дослідження та розробки в галузі первинних і вторинних системних перетворень інформації.

Показано, що один із основних методів неруйнівного контролю складу і якості нафтопродуктів ґрунтується на визначенні їхньої в'язкості та густини. Досліджено функціональні можливості, переваги та недоліки відомих методів і пристроїв вимірювання в'язкості: ротаційних, з падаючою кулькою, вібраційних і капілярних. Встановлено, що найбільш перспективним щодо автоматизації процесу вимірювання, діапазону, чутливості, точності і умов застосування є різновид капілярного методу - дросельний метод.

Виявлено переваги і недоліки відомих методів визначення густини рідини, показано можливість її вимірювання за допомогою дросельних перетворювачів.

Встановлено, що розроблення газогідродинамічних вимірювальних перетворювачів проводилось без належного теоретичного обґрунтування процесів руху рідини у дроселях різної форми як в ламінарному, так і перехідному до турбулентного режимах течії. Все ще продовжують користуватися спрощеним представленням статичних характеристик перетворення дроселів, що призводить до зменшення точності вимірювання. Не приділяється увага динамічним характеристикам перетворювачів фізико-хімічних параметрів рідин. Це не дозволяє мінімізувати динамічні похибки й час вимірювання і обмежує можливість їхнього застосування в швидкоплинних технологічних процесах.

На основі результатів аналітичних досліджень сформульовано загальний підхід до створення гідродинамічних методів і приладів вимірювання в'язкості та густини нафтопродуктів, який полягає у моделюванні гідродинамічних процесів в дросельних перетворювачах та визначенні чинників, що впливають на їх характеристики перетворення, чутливість і точність вимірювання.

У другому розділі представлено результати теоретичних досліджень впливу фізико-хімічних параметрів на гідродинамічні характеристики різних за розмірами дроселів при течії рідини в ламінарному і перехідному до турбулентного режимах потоку.

Граничні умови на межі розрахункової області задавали виходячи з наступних припущень: радіальна складова швидкості на осі симетрії дорівнює нулю; при вході у дросель рідина рухається вздовж його осі симетрії з швидкістю; на виході з нього, рідина рухається паралельно осі симетрії і підтримується нульове значення тиску; швидкість рідини біля стінок дроселя дорівнює нулю. Початковими умовами враховано, що при, у всьому об'ємі дроселя знаходиться рідина з сталою кінематичною в'язкістю та густиною.

Оскільки загальні аналітичні розв'язки системи з прийнятими граничними умовами невідомі, то їх отримано методом скінченних елементів з використанням комп'ютерної програми Femlab. При проведенні комп'ютерного моделювання гідродинамічних процесів у дроселі, п'ятикратно для двадцять однієї моделі здійснювалась триангуляція області дослідження шляхом розбиття її по черзі сіткою з трикутних елементів, кількість яких коливалась від 4240 до 34326, причому у всіх випадках її густина збільшувалась в зонах, де передбачалась інтенсивна зміна параметрів потоку рідини.

При аналізі процесів, що відбуваються у ламінарному дроселі, геометричні розміри камери були постійні і становили: діаметр 10^-2 м й довжина 1,5·10^-2 м. Дослідження проводили в межах зміни кінематичної в'язкості від 10^-6 м²/с до 2·10^-5 м²/с, а густини від 700 кг/м³ до 1000 кг/м³, що відповідає значенню цих параметрів для переважної більшості нафтопродуктів. Конструктивні розміри капілярної трубки змінювали в найбільш раціональних для вимірювальних приладів межах: діаметр від 0,5·10^-3 м до 2,5·10^-3 м і довжину від 0,05 м до 0,25 м. Витрату рідини у капілярній трубці варіювали у всьому діапазоні ламінарного потоку для чисел Рейнольдса від 10 до 2000.

Встановлено, що у камері, на відстані 0,5·10^-3м від межі розподілу камера-трубка відбувається зміна тиску у радіальному напрямку. На цій межі починається гальмування рідини біля стінок трубки, яке супроводжується в зоні переходу рідини з камери у трубку нерівномірним розподілом тиску у радіальному напрямку. На відстані 10^-2 м від цієї межі тиск вирівнюється, що вказує на формування ламінарного режиму течії в області трубки. Встановлено, що рух рідини в об'ємі самої камери відбувається без помітного зменшення тиску. В той же час, на вході у капілярну трубку, рух рідини супроводжується стрімким падінням тиску, що обумовлено переходом рідини з одного квазістаціонарного стану у інший. В області ж трубки, на певній відстані від її початку, відбувається монотонне зменшення тиску. Розподіл швидкості зміни тиску вздовж осі дроселя вказує на максимальне його зменшення на межі камера-трубка, далі впродовж (1...2)·10^-3 м, тиск дещо збільшується, а на відстані м від межі камера-трубка він починає рівномірно зменшуватися.

На основі комп'ютерного моделювання показано, що в загальному випадку, падіння тиску на дроселі можна представити суперпозицією двох спадів тиску.

Шляхом комп'ютерного моделювання встановлено величину впливу таких факторів, як діаметр і довжина капілярної трубки, кінематична в'язкість і густина рідини та зміна числа Рейнольдса на величину падіння тисківю

Підтверджено адекватність рівняння регресії досліджуваному гідродинамічному процесу на основі ПІ-теореми, а також шляхом порівняння дисперсій відтворюваності і адекватності з використанням F-критерія Фішера. В порівнянні з відомою формулою Пуазейля з поправкою Гагенбаха і Куета, отриманий аналітичний вираз дозволяє точніше на (1...5)% визначати перепад тиску на гідродинамічному дроселі при ламінарному режимі течії рідини.

Для розв'язування рівнянь прийнято граничні умови виходячи з наступних припущень: радіальна складова швидкості на осі симетрії дорівнює нулю; на вході у дросель, рідина рухається вздовж його осі з швидкістю , а значення енергії та дисипація енергії підтримується постійним; на виході з дроселя відсутня радіальна складова швидкості, підтримується нульове значення тиску та постійне значення енергії й дисипації енергії вздовж його осі; розподіл швидкості рідини біля внутрішньої поверхні дроселя описується логарифмічною функцією, а кінетична енергія та дисипація енергії є функціями тангеціальної до поверхні складової швидкості.

Враховуючи осьову симетрію, розглядали лише половину розрізу гідродинамічного дроселя.

Розв'язки математичної моделі турбулентного дроселя отримано п'ятикратно методом скінчених елементів, шляхом почергового розбиття області досліджень сіткою з трикутних елементів, кількість яких змінювалася від 4224 до 9856. Геометричні розміри вхідної і вихідної камер залишались незмінними: діаметр 10^-2 м і довжина 1,5·10^-2 м. Геометричні розміри короткої трубки (діафрагми), для двадцять одної моделі, змінювали в межах характерних для вимірювальних гідродинамічних схем: діаметр від 0,5·10^-3 м до 1,5·10^-3 м, довжину від 0,1·10^-3 м до 0,5·10^-3 м. При цьому кінематичну в'язкість змінювали від 10^-6 м²/с до 2·10^-5 м²/с і густину в діапазоні від 700 кг/м³ до 1000 кг/м³. Витрату рідини варіювали таким чином, щоб у трубці потоку змінювалось від 2000 до 10000, а в камерах від 200 до 2500.

Як випливає з результатів досліджень, рух рідини в об'ємі камери не супроводжується помітним зменшенням тиску. В області переходу з камери у трубку довжиною 0,5·10^-3 м, відбувається перерозподіл тиску у радіальному напрямку, що викликає його зменшення вздовж осі симетрії дроселя. При цьому, найбільше зменшення тиску спостерігається в області переходу з камери у трубку.

Встановлено, що максимальне зменшення тиску відбувається при проходженні рідини через трубку. В той же час, при виході з трубки у камеру, утворюється розрідження.

Встановлено, що швидкість зміни тиску набуває максимального значення при проходженні через трубку.

На основі регресійного аналізу, з використанням комп'ютерного моделювання, проведено активний багатофакторний експеримент і отримано функцію відгуку у вигляді регресійної залежності, що аналітично описує залежність перепаду тиску від фізико-хімічних параметрів рідини на гідродинамічному дроселі в перехідному від ламінарного до турбулентного режиму течії.

Адекватність аналітичного виразу підтверджено шляхом порівняння дисперсій адекватності і відтворюваності за допомогою - критерія Фішера та застосуванням ПІ-теореми.

Проведено порівняльний аналіз аналітичного опису гідродинамічних процесів регресійним рівнянням і рівнянням Бернулі та встановлено, що перше рівняння дозволяє на 4…7% точніше визначати перепад тиску на дроселі в перехідному від ламінарного до турбулентного режиму потоку.

Проведені дослідження дозволили аналітично описати гідродинамічні процеси у різних за конструктивними розмірами дроселях в діапазоні зміни числа Рейнольдса від 10² до 10⁴. Уточнено рівняння Пуазейля за рахунок конкретизації числових значень коефіцієнтів, що впливають на точність визначення перепаду тиску на гідродинамічному дроселі в ламінарному режимі течії рідини. Для перехідного від ламінарного до турбулентного режиму течії отримано аналітичний вираз, за яким визначається перепад тиску на короткому дроселі (діафрагмі) в залежності від фізико-хімічних параметрів рідини.

Отримані результати дозволяють створювати прилади, які здатні проводити суміщені у часі вимірювання в'язкості та густини в потоці рідини з одночасним зменшенням впливу на них зовнішніх чинників, що підвищує точність контролю фізико-хімічних параметрів нафтопродуктів.

Третій розділ присвячений синтезу дросельних перетворювачів в'язкості і густини нафтопродуктів. Показано можливість побудови вимірювальних перетворювачів на основі зрівноважених дросельних подільників тиску - ламінарного, який складається з двох послідовно з'єднаних ламінарних дроселів виконаних у вигляді капілярних трубок з різними конструктивними розмірами, та комбінованого, що складається з ламінарного дроселя і турбулентного у вигляді діафрагми.

Показано, що максимальна чутливість ламінарного подільника до зміни кінематичної в'язкості наступає при співвідношенні діаметрів ламінарних дроселів, яке дорівнює 0,5. Встановлено, що один з ламінарних дроселів повинний мати мінімальну довжину і трансформуватись у діафрагму, а сам ламінарний подільник - відповідно у ламінарно-турбулентний. Для останнього отримано аналітичний вираз, який пов'язує кінематичну в'язкість з витратою рідини в момент його зрівноваження. Встановлено критерії вибору геометричних розмірів дроселів, які забезпечують максимальну чутливість даного подільника до зміни кінематичної в'язкості і густини.

Оскільки диференційний метод вимірювання характеризується рядом переваг, то було синтезовано три види дросельних мостових перетворювачів (ДМП) з різною кількістю ламінарних і турбулентних дроселів. Вперше аналітично описано їх статичні функції перетворення по каналам вимірювання кінематичної в'язкості та густини нафтопродуктів. Вони отримані за умови рівноваги гідродинамічної мостової вимірювальної схеми (тобто такого стану ДМП, коли перепад тиску у вимірювальній діагоналі дорівнює нулю), на основі системи рівнянь нерозривності потоку рідини і рівності перепадів тиску на дроселях, суміжно розташованих у паралельних гілках моста.

Дослідженнями встановлено, що оскільки при зміні кінематичної в'язкості пропорційно їй змінюється витрата рідини, то число Рейнольдса потоку у всьому діапазоні вимірювання є незмінним. Це зумовлює стабільність коефіцієнтів перетворення ламінарних і турбулентних дроселів, а отже і загального коефіцієнта перетворення ДМП.

Визначено обмеження, яке накладається на вибір допустимого співвідношення конструктивних розмірів ламінарних і турбулентних дроселів за умови забезпечення функціювання синтезованих схем ДМП.

Вперше отримано аналітичні вирази, які описують залежність вихідних сигналів (перепаду тиску і витрати) в індикаторній діагоналі для всіх синтезованих схем ДМП від вхідної величини (кінематичної в'язкості і густини), що дозволяє розробляти автоматичні аналізатори з заданою чутливістю шляхом вибору конструктивних параметрів дроселів.

На основі порівняльного аналізу випливає, що перетворювачі типу 2Л-2Т, які складаються з двох ламінарних і двох турбулентних дроселів, в порівняно з іншими схемами ДМП, характеризується найбільшою чутливістю, у зв'язку з чим їх доцільно рекомендувати за основу для створення промислових аналізаторів.

Теоретичними дослідженнями динамічних властивостей ДМП з схемою 2Л-2Т отримано диференціальні рівняння, які описують динамічні характеристики по двом каналам збурення - динамічної в'язкості та густини, а також по каналу регулюючого впливу - загальній витраті.

Для даної структурної схеми аналітично описані передаточні функції і по динамічній в'язкості першого і другого ламінарних дроселів, розташованих за напрямком руху рідини в ДМП. Показано, що вони представляють собою для несиметричної схеми інтегро-диференціюючі ланки, а при симетричній схемі - трансформуються у підсилювальні ланки. Отримано вирази для визначення часу запізнення по динамічній в'язкості і густині , з яких випливає, що для зменшення цих параметрів необхідно мінімізувати об'єми камер і збільшувати діапазон зміни витрати рідини. Встановлена передаточна функція ДМП як елемента кола зворотнього перетворення за регулюючим сигналом по витраті, яка є диференціюючою ланкою другого порядку зі статизмом. У випадку конструктивного виконання ДМП з двох ідентичних між собою пар ламінарних і турбулентних дроселів, його динамічні властивості по каналу регулюючого впливу описується паралельним з'єднанням підсилюючої й диференціюючої ланки першого порядку. Встановлено, що динамічні властивості по каналу густина - загальний перепад тиску ДМП описуюються інтегро-диференціюючою ланкою з запізненням.

Проведене імітаційне моделювання в середовищі Matlab з додатком Simulink динамічних характеристик ДМП з симетричною і несиметричною схемою (2Л-2Т) показало, що перша схема має суттєві переваги перед другою, оскільки час перехідного процесу є мінімальним.

Встановлено, що на виході ДМП по каналу загальної витрати виникають високочастотні коливання, які необхідно враховувати при розробці автоматичних аналізаторів.

Отримані результати досліджень дросельних перетворювачів дозволяють синтезувати раціональні вимірювальні схеми автоматичних аналізаторів кінематичної в'язкості та густини.

У четвертому розділі отримали подальший розвиток теоретичні основи суміщеного у часі вимірювання в'язкості та густини нафтопродуктів шляхом синтезу автоматичних аналізаторів. Спосіб вимірювання, реалізований у таких аналізаторах, полягає у неперервному пропусканні через ДМП досліджуваного нафтопродукту, зрівноваженні ламінарно-турбулентної мостової схеми шляхом зміни об'ємної витрати і вимірювання її значення в момент його рівноваги. За величиною об'ємної витрати, згідно статичної функції перетворення ДМП, визначається кінематична в'язкість. Одночасно, в момент рівноваги, вимірюється загальний перепад тиску на ДМП та з урахуванням встановленої величини витрати рідини визначається густина, а при необхідності, й динамічна в'язкість нафтопродуктів.

В аналізаторі, залежно від вибраної системи автоматичного регулювання, може досягатися неповне (статичне), або повне (астатичне) слідкуюче зрівноваження. Встановлено, що незалежно від конкретної реалізації окремих вузлів і елементів промислових аналізаторів, вони будуть мати схожі функціональні властивості.

Схему даного аналізатора запропоновано спростити за рахунок застосування дозуючих насосів з жорсткою напірною характеристикою, наприклад, шестерінчастих. Такий насос одночасно є регулюючим здавачем витрати та її первинним перетворювачем, оскільки величина витрати пропорційна швидкості обертання валу насоса.

Для наведеного аналізатора визначено передаточні функції кожної з ланок і аналізатора в цілому. Аналітично отримано значення граничного добутку коефіцієнтів підсилення ланок, охоплених зворотнім зв'язком, при якому можлива стійка робота аналізатора.

У випадку використання симетричного ДМП зі схемою 2Л-2Т, значення визначається відношенням суми постійних часу нуль індикатора і двигуна до постійної часу перетворювача зворотнього перетворення.

Аналіз отриманих результатів показав, що значення в аналізаторах з слідкуючим статичним зрівноваженням не перевищує 100. Для його збільшення доцільно зменшувати діаметр дроселів. В той же час, при конструювання ДМП, рекомендується для зменшення динамічної похибки, основна складова якої визначається наявністю запізнення, досягати умови =, оскільки при ідентичності законів зміни динамічної в'язкості і густини - динамічна похибка дорівнюватиме нулю.

Показано, що перехід від статичного до астатичного зрівноваження досягається введенням у коло прямого перетворення додаткової інтегруючої ланки, наприклад, у вигляді реверсивного двигуна. Розроблено структурні схеми аналізатора з астатичним зрівноваженням з використанням для приводу насоса-дозатора двигуна постійного струму та асинхронного двигуна і отримано для них передаточні функції. На основі критерія стійкості Гурвіца встановлено, що при слідкуючому астатичному зрівноваженні значення менші, ніж при статичному, і не перевищують 20. У зв'язку з цим наведено рекомендації по його збільшенню структурним шляхом. Отримано аналітичний вираз сумарної відносної похибки аналізатора по кінематичній в'язкості, яка визначається похибками від зміни конструктивних розмірів дроселів і камер ДМП, похибками від зміни коефіцієнтів перетворення системи вимірювання швидкості насосу та вторинного приладу.

З метою дослідження динамічних властивостей та оптимізації параметрів, проводилося імітаційне моделювання дії автоматичного аналізатора слідкуючого астатичного зрівноваження в середовищі MatLab з додатком Simulink. При моделюванні перехідного процесу в аналізаторі, в якості збурення, при t=0 введено стрибкоподібну зміну кінематичної в'язкості рідини від 1,973·10^-6 м²/с до 2,038·10^-6 м²/с, а густини від 790 кг/м² до 750 кг/м².

З отриманих результатів, випливає, що перехідний процес в аналізаторі є стійким і відповідає вимогам якості. Час перехідного процесу становить (8…10) с, що порівняно з існуючими вимірювальними засобами, підтверджує високу швидкодію даного автоматичного аналізатора.

На основі комп'ютерного модулювання встановлено доцільність використання в аналізаторі в якості електроприводу асинхронного двигуна з частотним регулюванням швидкості, оскільки при цьому значно зменшується час перехідного процесу.

Результати моделювання доцільно використовувати при проектуванні промислових аналізаторів в'язкості і густини з метою оптимізації вибору їхніх вузлів та елементів з заданими динамічними характеристиками.

Розділ п'ятий присвячений синтезу автоматичних аналізаторів в'язкості і густини нафтопродуктів на основі ДМП, принцип зрівноваження яких грунтується на основі розгортуючої зміни витрати рідини у часі за обраним законом.

В аналізаторах з розгортуючим зрівноваженням структурна схема не містить ланки, яка була б охоплена зворотнім зв'язком, отже виключена небезпека виникнення автоколивань. В індикаторній діагоналі ДМП можуть бути використані ланки з високим коефіцієнтом підсилення, що збільшує його чутливість.

Принципи дії такого аналізатора полягає у тому, що за допомогою програмованого регулятора, витрата рідини через ДМП змінюється за заданим законом в межах пропорційних діапазону вимірювання в'язкості. Величина в'язкості визначається за проміжком часу від початку зміни витрати до моменту зрівноваження ДМП.

За допомогою програмного пристрою ПП і керованого задатчика витрати ЗВ витрата рідини через ДМП циклічно змінюється у часі за вибраним законом від деякого початкового до кінцевого значення . На початку кожного циклу від програмного пристрою надходить керуючий сигнал, що встановлює вихідне положення ключа. В процесі зміни витрати через відповідний проміжок часу , при деякому її значенні рівному , перепад тиску в індикаторній діагоналі ДМП дорівнюватиме нулю і нуль-індикатор подає другий керуючий сигнал, що підсилюється підсилювачем П і викликає зміну положення ключа . За допомогою формуючого пристрою ФП зміна положення ключа перетвориться у вихідний сигнал аналізатора по кінематичній в'язкості.

Встановлено, що взаємозв'язок між вихідним сигналом і вимірюваною кінематичною в'язкістю в аналізаторі з розгортуючим зрівноваженням визначається не тільки параметрами ламінарних і турбулентних дроселів, але й суттєво залежить від прийнятого закону зміни витрати. Для симетричної схеми ДМП при зміні витрати по лінійному закону , де - коефіцієнт пропорційності.

Проведений аналіз показав, що відносна похибка вимірювання кінематичної в'язкості є найбільшою на початку діапазону вимірювання і різко зменшується при її зростанні. Показано, що для зменшення відносної похибки, необхідно збільшувати діаметр ламінарного дроселя з одночасним зменшенням його довжини, а також зменшувати діаметр турбулентного дроселя.

Результати досліджень показали, що статична функція перетворення може бути лінеаризована трьома шляхами: за допомогою зміни закону розгортання витрати, конструкції ДМП та характеру вихідного сигналу.

Аналітично представлено закон зміни витрати, при якому статична функція перетворення є лінійною. Однак даний закон досить складно реалізувати технічними засобами. У зв'язку з цим, показано можливість досягнення такого ж ефекту конструктивним шляхом, для чого послідовно з турбулентними дроселями запропоновано ввести в ДМП додаткові ламінарні дроселі. Встановлено співвідношення конструктивних розмірів основних і додаткових ламінарних дроселів, при яких статична функція перетворення аналізатора є лінійною.

Показана також доцільність лініаризування функції перетворення шляхом використання циклу розгортання з двох проміжків, на першому і другому з яких витрата змінюється відповідно за законом. Для зменшення часу вимірювання в аналізаторі запропоновано здійснювати тільки частину циклу розгортання витрати і показано, що на основі вимірювання перепадів тиску і в індикаторній діагоналі ДМП.

Розроблено електрофлюїдний аналізатор динамічної в'язкості нафтопродуктів з розгортуючим зрівноваженням напругою, в якому завдяки відсутності рухомих механічних та електромеханічних елементів, забезпечується надійне функціонування в умовах змін положення у просторі, прискорення, гравітації і частоти вібрації.

Мостовий електрофлюїдний перетворювач складається з двох ідентичних ламінарних дроселів ЛД1, ЛД2 та двох ідентичних електрофлюїдних дроселів ЕФД1 і ЕФД2, з'єднаних у симетричну схему, у вимірювальну діагональ якої увімкнений дифманометр (нуль-індикатор) ДМ. Вихід дифманометра ДМ увімкнено на вхід блоку розгортального зрівноваження, звідки напруга керування подається на регульований високовольтний перетворювач ВП, напруга якого керує електрофлюїдними дроселями (ЕФД). Шляхом комп'ютерного моделювання показано, що найбільш раціональним при проектуванні електрофлюїдного аналізатора динамічної в'язкості є використання синусоїдального закону розгортання напруги зрівноваження з періодом в межах (2…3) с. Це зменшує нестабільність статичної функції перетворення і покращує динамічні характеристики аналізатора.

Отже, на основі розроблених методів розгортуючого зрівноваження, можна створити автоматичний аналізатор для вимірювання динамічної і кінематичної в'язкості та густини нафтопродуктів.

У шостому розділі представлено експериментальні установки та дослідні зразки автоматичних аналізаторів, наведено результати експериментальних досліджень та підтверджено адекватність теоретичних положень дисертації.

З метою проведення експериментальних досліджень розроблено комплекс стендового обладнання і методику визначення статичних характеристик перетворення ДМП. Спроектовано і виготовлено шість експериментальних зразків ДМП, які включали у себе (схеми виду 3Л-1Т, 2Л-2Т, 1Л-3Т) різну кількість ламінарних і турбулентних дроселів. Для кожного перетворювача експериментально визначено величину статичного коефіцієнта перетворення по кінематичній в'язкості та густині в різних точках діапазону і встановлено, що похибка аналітичного визначення даного коефіцієнта складає по кінематичній в'язкості 4,7%...5,9%, а по густині - 6,2%...8,8% від отриманого експериментальним шляхом. Поява данних похибок викликана недостатньою точністю визначення геометричних розмірів ламінарних і турбулентних дроселів, а також похибками при вимірюванні величини витрати нафтопродуктів.

У зв'язку з цим, рекомендується уточнювати, шляхом градуювання, коефіцієнти перетворення ДМП для промислових аналізаторів.

Виготовлено та експериментально досліджено три зразки аналізаторів кінематичної в'язкості і густини нафтопродуктів з статичним й астатичним слідкуючим та розгортуючим зрівноваженнями, які підтвердили результати теоретичних досліджень. Визначено номінальні статичні функції перетворення, які є достатньо близькими до отриманих аналітично. Систематична складова похибки дослідного зразка аналізатора з статичним слідкуючим зрівноваженням в діапазоні зміни кінематичної в'язкості від 5·10^-6 м²/с до 25·10^-6м²/с не перевищує м²/с (1,02% шкали), а СКВ випадкової складової похибки не перевищує 0,096·10^-6м²/с (0,44% шкали). Ці ж похибки при вимірюванні густини рідини в діапазоні від 732 до 836 кг/м³ відповідно становили =4 кг/м³ (0,5% шкали) і =21 кг/м³ (2,8% шкали). Для дослідного зразка аналізатора з астатичним слідкуючим зрівноваженням ці величини відповідно становили по кінематичній в'язкості: =0,094·10^-6 м²/с, =0,102·10^-6 м²/с (тобто 0,38% і 0,5% шкали); по густині - 7,5кг/м³ (1% шкали) і 25,1 кг/м³ (3,36% шкали). У зразка аналізатора з розгортуючими зрівноваженням в діапазоні вимірювання кінематичної в'язкості від 5·10^-6 до 25·10^-6м²/с максимальне значення систематичної складової похибки дорівнює м²/с (1,8% шкали), а середнє квадратичне відхилення не перевищило 0,25·10^-6 м²/с (2,5% шкали).

Проаналізовано вплив дестабілізуючих чинників (температури, зміни напруги живлення, тиску) на похибку вимірювання.

Експериментальні дослідження підтвердили всі основні теоретичні положення, покладені в основу дисертаційної роботи та стали основою для розроблення й впровадження у виробництво промислових аналізаторів.

У сьомому розділі представлено результати досліджень, що пов'язані з розробкою, проектуванням, виготовленням та проведенням випробовувань серійних аналізаторів в'язкості і густини нафтопродуктів.

Наведено конструктивні особливості розробленого, сумісно з НВО “Нафтохімавтоматика” м. Москва, аналізатора кінематичної в'язкості АКВ-1, методи забезпечення вибухозахищеності, термостатування і підготовки проби нафтопродуктів до вимірювання. Описано методику розрахунку чутливих елементів та представлено метрологічні характеристики аналізатора АКВ-1.

Впровадження аналізатора кінематичної в'язкості АКВ-1 у виробництво дозволяє досягти гарантованого річного економічного ефекту в сумі 25 тис. грн. за рахунок збільшення виходу цільових продуктів в процесі ректифікації нафти і зменшення кількості лаборантів, які проводять вручну аналізи кінематичної в'язкості відібраних проб нафтопродуктів.

На основі розроблених принципів гідродинамічного перетворювання створено аналізатор кінематичної в'язкості і густини палив для реактивних двигунів типу АПФТ-1. Розроблено алгоритм і програму функціювання аналізатора та розрахунку в'язкості і густини нафтопродуктів. Досліджено метрологічні характеристики АПФТ-1 для діапазону вимірювання кінематичної в'язкості від 0,8·10^-6 м²/с до 20·10^-6м²/с і густини від 700 до 1000 кг/м³.

Проведено промислові випробовування і впровадження аналізатора АПФТ-1 на ВАТ „Сумське науково-виробниче об'єднання ім. М. В. Фрунзе”, а також у військових частинах Західного оперативного командування Збройних Сил України.

Теоретичними і експериментальними дослідженнями встановлено, що кінематична в'язкість є одним з основних параметрів, який обумовлює ефективність процесів розпилювання нафтопродуктів промисловими форсунками. Розглянуто особливості конструкцій промислових аналізаторів в'язкості мазуту, методи підвищення надійності і покращення їх експлуатаційних характеристик. Наведено результати промислових досліджень по визначенню кінематичної в'язкості, оптимальної з точки зору ефективності спалювання мазуту в доменних і мартенівських печах. Встановлено, що для доменних печей оптимальне значення кінематичної в'язкості, при якому досягається найбільша повнота згоряння мазуту, становить (10±3)·10^-6 м²/с. Для мартенівських печей, з метою оптимізації теплового режиму їх роботи, необхідно підтримувати кінематичну в'язкість мазуту від 40·10^-6 м²/с до 50·10^-6 м²/с. Удосконалено принципи побудови систем автоматичного регулювання кінематичної в'язкості мазуту, що спалюється в металургійних печах. Річний економічний ефект, досягнутий за рахунок впровадження промислових аналізаторів кінематичної в'язкості мазуту, становить для доменної печі № 2 Карагандинського металургійного комбінату 16880 руб., а для мартенівської печі № 4 - 80152 руб.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну проблему, яка полягає у розробці і удосконаленні методів та засобів контролю якості нафтопродуктів на основі суміщеного у часі вимірювання їхньої в'язкості та густини. В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень отримані такі наукові та практичні результати:

1. Встановлено і аналітично описано механізм взаємодії рідини з гідродинамічними дроселями в ламінарному та перехідному до турбулентного режимах потоку, що дозволило створити узагальнену математичну модель цього процесу з урахуванням кінетики зміни її фізико-хімічних параметрів.

2. Вперше розроблено гідродинамічні методи суміщеного у часі вимірювання в'язкості та густини рідин на основі схем з дросельними перетворювачами, що дозволило започаткувати створення нового виду автоматичних аналізаторів неруйнівного контролю якості та складу нафтопродуктів.

3. Розроблено математичні моделі зрівноважених дросельних мостових перетворювачів з заданими характеристиками перетворення по каналам кінематичної в'язкості та густини рідин, що розширює їх функціональні можливості та підвищує точність вимірювання у всьому діапазоні за рахунок стабільності характеристик перетворення дросельних елементів.

4. Визначено динамічні характеристики дросельних мостових перетворювачів в'язкості та густини рідин, на основі чого розроблено методику розрахунку і проектування автоматичних аналізаторів з покращеними метрологічними та динамічними характеристиками, час перехідного процесу вимірювання яких не перевищує 10с.

5. Розроблено методику розрахунку і проектування аналізаторів з підвищеною чутливістю і розширеним діапазоном вимірювання кінематичної в'язкості та густини нафтопродуктів з слідкуючим та розгортуючим зрівноваженнями, побудованих на основі дросельних мостових перетворювачів.

...