Оптико-електронний засіб контролю поверхневого натягу рідин на основі методу лежачої краплі

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Процеси, що протікають на межі поділу фаз, в багатьох випадках визначають найважливіші технологічні й природні процеси у всіх галузях народного господарства, побуті, медицині. Фундаментальною властивістю межі поділу фаз є поверхневий натяг, який визначає питому вільну поверхневу енергію рідини на межі контакту рідина - навколишній газ та зумовлює широке коло капілярних явищ, а саме, кавітацію, змочування твердих поверхонь рідинами, просочення пористих тіл тощо. Важливу роль відіграє поверхневий натяг при роботі з поверхнево-активними речовинами (ПАР), які використовуються майже у всіх галузях народного господарства: текстильній, авіаційній, автомобільній, медичній, нафтохімічній, металургії, гірничодобувній, харчовій тощо. В медицині вимірювання поверхневого натягу біологічних рідин (крові, лімфи, ліквору, жовчі, сечі, синовіальної, навколоплідної рідин тощо) є новим методом лабораторної діагностики захворювань людини і може надати важливу додаткову інформацію для лікування хворих. Особливо важливе значення поверхневий натяг відіграє в цукровій галузі, де використовують ПАР в процесах миття цукрової сировини, при інтенсифікації цукроваріння, для припинення спінювання, підвищення швидкості кристалізації цукру. Збільшення концентрації ПАР змінює поверхневі та об'ємні властивості рідини до певної межі - критичної концентрації міцелоутворення, вище якої додавання ПАР здебільшого знижує якість розчинів та призводить до їх економічно невиправданої витрати, що підвищує собівартість того чи іншого процесу. Тому виникає необхідність підвищення вірогідності контролю поверхневого натягу для забезпечення високої якості розчинів в результаті встановлення критичної концентрації ПАР.

Відомі як контактні, так і безконтактні засоби контролю поверхневого натягу, функціонування яких базується на використанні мікроскопа, фотографуванні менісків та їх проектуванні чи друці у збільшеному масштабі. Проте дані засоби не забезпечують необхідну точність, чутливість та мають низький рівень автоматизації процесу вимірювання. Тому створення засобів контролю поверхневого натягу, які б забезпечували високу чутливість, точність та широкий діапазон вимірювань поверхневого натягу з використанням мікропроцесорної обробки є важливою і актуальною задачею. Одним із шляхів вирішення цієї задачі є вдосконалення існуючих методів вимірювання та розробка на їх основі оптико-електронних засобів контролю поверхневого натягу рідин.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення чутливості вимірювань та вірогідності контролю поверхневого натягу рідин методом лежачої краплі в електричному полі.

Відповідно до цієї мети необхідно було розв'язати такі задачі:

- здійснити огляд методів та засобів контролю поверхневого натягу рідин та існуючих методик вимірювання методом лежачої краплі, їх класифікацію та порівняння;

- вдосконалити метод лежачої краплі для визначення поверхневого натягу рідин з урахуванням впливу електричного поля;

- створити математичну модель вимірювального перетворення поверхневого натягу рідин методом лежачої краплі в електричному полі;

- дослідити поведінку краплі в електричному полі та запропонувати структурну схему засобу контролю поверхневого натягу рідин методом лежачої краплі, отримати рівняння перетворення;

- запропонувати алгоритми оброблення зображення, розрахунку геометричних параметрів лежачої краплі та розробити програмне забезпечення визначення поверхневого натягу рідин;

- здійснити аналіз похибок вимірювання поверхневого натягу та отримати аналітичні залежності для оцінювання вірогідності контролю поверхневого натягу рідин;

- розробити рекомендації щодо реалізації оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу рідин на основі методу лежачої краплі, створити експериментальний зразок засобу контролю, що має високу чутливість, та виконати відповідні експериментальні дослідження для підтвердження теоретичних розробок та положень.

1. Вплив поверхневого натуга (ПН) на техніко-економічні показники технологічних процесів, у яких поверхневі явища відіграють важливу роль, та якості продукції таких процесів

Для аналізу відомих засобів контролю ПН рідин розроблено класифікацію, в основу якої покладено 4 класифікаційні ознаки. Встановлено, що чільне місце посідають оптичні та оптико-електронні засоби контролю, які забезпечують високу швидкодію, точність і безконтактність вимірювань, а також мають ряд інших переваг. Значну увагу приділено аналізу відомих методів вимірювання ПН на межі контакту рідина - повітря. Встановлено, що найвищий показник інформаційної ефективності має метод лежачої краплі, який базується на вимірюванні геометричних параметрів лежачої краплі рідини, що сформована на горизонтальній підкладці або у кюветі із загостреною кромкою.

В результаті аналізу існуючих методик та засобів вимірювання ПН рідин методом лежачої краплі встановлено, що засоби вимірювання ПН, функціонування яких базується на фотографуванні менісків та їх проектуванні чи друці у збільшеному масштабі не забезпечують високої точності вимірювання. Те ж стосується використання мікроскопа, оскільки використання його не дозволяє автоматизувати процес вимірювання ПН рідин та робить його втомливим для дослідника. Крім того, більшість методів базується на емпіричних та наближених залежностях, що суттєво збільшує похибки вимірювань. В зв'язку з вище сказаним, необхідним є вдосконалення методу, який би забезпечував високу чутливість, точність та мав би широкий діапазон вимірювань. Одним із шляхів вдосконалення методу лежачої краплі є вплив електричного поля, в результаті якого відбувається зміна форми меніска і перехід одного з параметрів меніска, що варіюється, через екстремум.

Отримані результати дозволили визначити подальший напрямок досліджень. Для підвищення чутливості вимірювань та вірогідності контролю доцільним є подальше дослідження оптико-електронних засобів контролю поверхневого натягу на основі методу лежачої краплі в електричному полі.

2. Теоретичні основи вимірювального перетворення ПН та вдосконалено метод лежачої краплі

Проведено математичний опис поведінки лежачої краплі рідини при її деформації в електричному полі. При внесенні краплі в зовнішнє електричне поле потенціальна енергія краплі складається з електричної енергії та сил поверхневого натягу

, (1)

де U - енергія сил поверхневого натягу; Ue - електрична енергія краплі в електричному полі. Встановлено, що під впливом електричного поля енергія меніска змінюється і лежача крапля деформується, перетворюючись із сферичної у витягнуту сфероїдальну. При рості напруженості зовнішнього електричного поля відбувається локальне підсилення напруженості електричного поля у вершині сфероїдальної краплі, яке визначається діелектричною проникністю рідини, поверхневим натягом, розміром краплі та напруженістю зовнішнього поля. Крапля рідини в електричному полі стає нестійкою через домінування електричних сил над силами поверхневого натягу. Нестійкий стан характеризується розривом краплі з утворенням дочірніх крапель та різким зменшенням висоти меніска над кромкою кювети. Умовою стійкості краплі є принцип мінімальності її повної потенціальної енергії. З урахуванням електричної енергії та енергії сил поверхневого натягу узагальнена математична модель має вигляд:

, (2)

де у - поверхневий натяг рідини; S - площа поверхні краплі над кромкою кювети; k - коефіцієнт деформації , де k0 - коефіцієнт профілю краплі; h - висота краплі над кромкою кювети; a - внутрішній радіус кювети; 0 - діелектрична постійна; - діелектрична проникність; Е - напруженість електричного поля; V - об'єм краплі над кромкою кювети.

На основі (2) значення ПН рідини можна описати рівнянням:

,(3)

де , ,

,

.

Розроблена математична модель вимірювального перетворення ПН дозволила вперше врахувати взаємозв'язок геометричних параметрів та енергії краплі в електричному полі.

Для підвищення чутливості вимірювань і вірогідності контролю ПН пропонується безконтактний метод лежачої краплі в електричному полі. Суть методу така: лежачу краплю формують у кюветі із загостреною кромкою, під впливом електричного поля змінюють форму меніска, що супроводжується переходом висоти краплі над кромкою кювети через екстремум, ПН розраховують через зміну геометричних параметрів краплі.

Зчитування зображення в момент переходу краплі з одного стану в інший дозволяє зафіксувати екстремальні геометричні параметри, що розширює діапазон вимірюваної висоти краплі над кромкою кювети, а, отже, підвищує чутливість вимірювання.

Збільшення напруженості електричного поля супроводжується коливанням поверхні краплі, дослідження якого проводилось на основі модового підходу. Відомо, що чим вища мода капілярних коливань, тим швидше вона затухає, тому як характерний час затухання капілярних коливань меніска рідини обраний час основної - другої моди.

Затухаючі коливання, які здійснює поверхня меніска, характеризуються часом затухання капілярних коливань та часом в'язкого затухання - час, за який амплітуда відповідної моди капілярного коливання зменшується в е раз. Встановлено, що зі збільшенням напруги характерний час капілярних коливань збільшується, зі збільшенням в'язкості рідин характерний час в'язкого затухання капілярних коливань зменшується. Отже, ріст напруги і в'язкості приводять до того, що затухання збурення поверхні меніска відбувається за менше число коливань.

Оцінено, що тривалість переходу краплі в стаціонарний стан при зростанні напруги на один крок не перевищує 1,3 с. Для зменшення тривалості вимірювального перетворення паралельно переходу краплі в стаціонарний стан та зняттю зображення фотокамерою здійснюють попереднє оброблення зображення краплі ЕОМ.

На основі методу електромеханічних аналогій побудовано еквівалентну схему міжелектродного простору та вдосконалено математичну модель перерозподілу напруженості електричного поля, яка враховує динамічні властивості засобу контролю:

, (4)

де , - напруженість електричного поля досліджуваної рідина та повітря, відповідно; Е, В - діелектрична проникність рідини та повітря; Е, В - питома провідність рідини та повітря; dВ - відстань від вершини краплі до верхнього електрода; U - напруга між електродами; - стала часу для процесу перерозподілу поля:

,

де:

.

Оцінено тривалість перехідного процесу, побудовано перехідну характеристику напруженості електричного поля. Встановлено, що тривалість перехідного процесу напруженості електричного поля не перевищує 2·10-4 с.

На основі описаного методу вимірювання ПН розроблений алгоритм розрахунку ПН на межі контакту рідина - навколишнє повітря лежачої краплі в електричному полі, суть якого полягає в тому, що:

1) обробляють зображення лежачої краплі;

2) визначають геометричні параметри меніска, для цього виконують такі кроки:

2.1) профіль краплі (рис. 3) розбивають на дві симетричні відносно осі ділянки. В результаті оброблення зображень отримують масив координат точок контуру кожної з частин, де - номер ділянки, , m -кількість точок на кожній із ділянок. На основі отриманих координат () та () профіль кожної із ділянок описують у вигляді певної поліноміальної залежності ;

2.2) розраховують об'єм та площу поверхні кожної ділянки меніска та .

2.3) визначають коефіцієнт деформації кожної з ділянок

. (5)

2.4) знаходять середнє значення , , .

3) на основі отриманих значень , , , а також попередньо визначеного значення діелектричної проникності та напруженості електричного поля, при якій настає нестійкий стан, розраховують значення ПН за допомогою залежності (3).

3. Структурна схема засобу контролю ПН та принцип її роботи на основі методу лежачої краплі в електричному полі

Структурна схема оптико-електронного засобу контролю ПН методом лежачої краплі в електричному полі включає оптичну систему (ОС), блок електродів (БЕ), блок зняття та первинної обробки зображення (БЗПОЗ), ЕОМ, мікропроцесорний блок керування напругою та синхронізації роботи з фотокамерою (МБКНС) та блок формування напруги (БФН).

Рівняння перетворення висоти краплі над кромкою кювети у ПН:

, (6)

де d - відстань між електродами; - опорна напруга ЦАП; Uпоч - початкова напруга; n - розрядність ЦАП; - коефіцієнт множення.

Встановлено, що засіб контролю, реалізований за даною схемою, забезпечує високу чутливість та точність визначення геометричних параметрів меніска, а, отже, ПН, через розширення діапазону вимірюваної висоти краплі, що забезпечується введенням електричного поля.

Розроблено рекомендації щодо реалізації оптико-електронного засобу контролю ПН рідин, на основі яких розроблено функціональну схему та схему електричну принципову, виготовлено експериментальний зразок засобу контролю.

Запропоновано алгоритм оброблення зображення лежачої краплі, що включає: виділення необхідного фрагмента краплі; фільтрацію зображення; підвищення контрасту; виділення контуру; бінаризацію, згладжування. На основі проведеного аналізу обрано такі методи оброблення: фільтрація зображення здійснюється з використанням нелінійного фільтра, підвищення контрасту - методом нормалізації гістограми, виділення контуру - оператором Собела, що дозволило підвищити якість зображення та зменшити похибку визначення координат поверхні меніска.

Проведено аналіз зняття зображення. Встановлено, що для отримання різкого зображення, крапля повинна розміщуватися в зоні, що відповідає глибині різкості, на відстані 100 мм. Запропоновано алгоритм зчитування та оброблення зображення, в якому передбачена паралельність виконання операцій в часі: переходу краплі в стаціонарний стан при зміні напруги на один крок, зняття зображення фотокамерою та оброблення зображення попереднього стану, що дозволило скоротити тривалість вимірювання в одному циклі до 1,5 с.

З урахуванням вище наведеного розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення, яке здійснює зберігання зображення лежачої краплі в пам'яті, його подальше оброблення з метою визначення висоти, об'єму, площі поверхні краплі над кромкою кювети, а також ПН досліджуваної рідини, що дозволило зменшити до двох кількість зображень краплі, які зберігаються в пам'яті.

4. Аналіз похибок та експериментальні дослідження оптико-електронного засобу контролю ПН рідин

Отримано статичні метрологічні характеристики засобу контролю ПН, а саме: номінальну функцію перетворення, абсолютну та відносну похибки нелінійності, абсолютну мультиплікативну та абсолютну адитивну похибки за допомогою розкладу в ряд Тейлора.

Встановлено, що чутливість перетворення зростає зі зменшенням радіуса кювети, об'єму досліджуваної рідини та збільшенням напруженості електричного поля і діелектричної проникності.

Виділено основні складові інструментальної похибки вимірювання: похибка визначення площі поверхні краплі, похибка формування напруги та похибка від дії інших впливів. Встановлено, що сумарна похибка вимірювання ПН не перевищує 1,4 %.

Отримано залежності для розрахунку помилок першого і другого роду для контролю ПН. Оцінено вірогідність контролю ПН рідин.

Розроблено методику проведення експериментальних досліджень розробленого засобу контролю ПН. Для оцінювання похибки засобу контролю проведені багатократні вимірювання поверхневого натягу рідин: дистильованої води, толуолу та гліцерину, поверхневий натяг яких на межі контакту із повітрям відомий із літературних джерел.

За результатами багаторазових вимірювань ПН дистильованої води, толуолу та гліцерину оцінено основні статистичні характеристики (СКВ=0,000511 Н/м; 0,000173 Н/м; 0,000361 Н/м) та побудовано закон розподілу контрольованої величини. Отримано експериментальну статичну характеристику та експериментальну залежність ПН від концентрації NaCl, при цьому розбіжність теоретичних та експериментальних залежностей не перевищує 6%, що дає можливість зробити висновок про високу збіжність проведених результатів досліджень. Показано, що зведена похибка вимірювань ПН не перевищує 1,2 %, помилка першого роду становить 0,03626, помилка другого роду - 0,000449. Загальна ймовірність прийняття вірного рішення становить 0,963.

Проведено експериментальні дослідження залежності ПН від концентрації розчинів ПАР: неонолу АФ9-12, який є неіонногенною ПАР, та алкилбензолсульфокислоти (АБС-кислоти), яка є аніонною ПАР. Підтверджено, що ПН із ростом концентрації ПАР зменшується до певної межі- критичної концентрації міцелоутворення (ККМ), яка є різною для різних ПАР.

За результатами порівняння метрологічних характеристик розробленого засобу контролю з відомим аналогом встановлено, що представлений засіб контролю дозволяє вимірювати ПН в діапазоні 10 -- 100 мН/м з похибкою вимірювання, що відповідає сучасним пристроям, при нижчій вартості засобу контролю, а також дозволяє збільшити чутливість вимірювання ПН за рахунок використання електричного поля.

Значну увагу звернуто на використання засобу контролю ПН та підбір ПАР і її концентрації у розчинах при уварюванні утфелів у цукровій промисловості, оскільки додавання ПАР вище ККМ знижує якість цукру та призводить до її економічно невиправданої витрати, що підвищує собівартість продукції. Отримано залежність ПН утфелю від концентрації ПАР: -метил-глюкозид-ефір (-МГЕ) та Pan-Aid, яка підтверджує, що оптимальною для проведення обробок утфелю є така концентрація ПАР, яка забезпечує найменше значення ПН розчину, тобто 0,05 % для -МГЕ, і знаходиться в межах норми, яка наведена у нормативних документах.

Висновки

поверхневий натяг геометричний крапля

У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу, яка полягає у вдосконаленні методу лежачої краплі з використанням електричного поля та розробленні оптико-електронного засобу на його основі для контролю поверхневого натягу рідин, що забезпечує підвищення чутливості вимірювань та вірогідності контролю поверхневого натягу рідин.

Отримано такі основні наукові та практичні результати:

1. Вдосконалено метод лежачої краплі для безконтактного вимірювання поверхневого натягу рідин з урахуванням впливу електричного поля, в якому реєструють екстремальні геометричні параметри краплі у кюветі із загостреною кромкою, що дозволило знизити поріг чутливості вимірювання до 0,05 мН/м і підвищити вірогідність контролю.

2. Запропоновано математичну модель вимірювального перетворення поверхневого натягу, в якій враховано взаємозв'язок геометричних параметрів і енергії краплі, та вдосконалено математичну модель перерозподілу напруженості електричного поля в міжелектродному просторі, що дозволило запропонувати метод лежачої краплі, який має високу чутливість вимірювання за рахунок реєстрації екстремальних геометричних параметрів краплі.

3. Оцінено тривалість перехідного процесу під час зміни напруженості електричного поля в міжелектродному просторі при наявності в ньому кювети із рідиною та досліджено нестійкість краплі на основі модового підходу, що дозволило оцінити тривалість затухання капілярних коливань на поверхні меніска, синхронізувати швидкість встановлення стаціонарного стану краплі при зміні напруги на один крок з частотою реєстрації зображення лежачої краплі та скоротити тривалість вимірювання поверхневого натягу.

4. Оцінено функції чутливості впливних величин на результати вимірювання поверхневого натягу рідин. Виділено такі складові інструментальної похибки вимірювання, як похибка цифрового подання зображення, визначення геометричних параметрів краплі, похибка квантування, помножувача, похибка від дії інших впливів та знайдено відповідну композицію законів розподілу, що дозволило оцінити показники вірогідності контролю поверхневого натягу рідин. При цьому сумарна похибка складає не більше 1,4 %, що відповідає кращим світовим зразкам.

5. Наведено рекомендації щодо проектування оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу рідин, на основі яких розроблено, виготовлено та впроваджено засіб контролю поверхневого натягу рідин. Розроблено структурну, функціональну та схему електричну принципову засобу контролю, використання яких дозволяє реалізувати контроль з нижньою межею вимірювання поверхневого натягу рідин уmin ? 10 мН/м, верхньою межею вимірювання - уmах ? 100 мН/м.

6. В підтвердження розроблених теоретичних положень проведені експериментальні дослідження оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу з використанням атестованих рідин, на основі яких встановлено, що засіб контролю має чутливість 0,1 мН/м в діапазоні від 10 до 100 мН/м, а зведена похибка вимірювань не перевищує 1,2 %. Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що розширення діапазону вимірюваних висот краплі за рахунок впливу електричного поля та зменшення несиметричності форми краплі забезпечує вірогідність контролю 0,963.

7. Запропоновано алгоритм зчитування та оброблення зображення лежачої краплі, в якому передбачена паралельність виконання операцій в часі: переходу краплі в стаціонарний стан при зміні напруги на один крок, зняття зображення фотокамерою та оброблення зображення попереднього стану, що скорочує тривалість вимірювання поверхневого натягу в одному циклі до 1,5 с Розроблено програмне забезпечення для визначення геометричних параметрів меніска та поверхневого натягу досліджуваної рідини, що дозволяє зберігати в пам'яті перший і останній кадр, який передує нестійкому стану краплі, що забезпечує використання мінімального об'єму оперативної пам'яті.

Література

1. Білинський Й.Й., Городецька О.С. Метод лежачої краплі -- новий підхід вивчення біологічних рідин // Наука і молодь: Збірник наукових праць міжнародної наукової конференції студентів та молодих вчених „Політ-2003”. - К.: НАУ, 2003 - № 3. - С. 75-78.

2. Білинський Й.Й., Городецька О.С. Роль поверхневих явищ в різних процесах та оптичні засоби визначення поверхневого натягу // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2005. - №2 (10). - С. 198 - 203.

3. Білинський Й.Й., Білошкурська О.С. Розробка математичної моделі визначення поверхневого натягу і пристроїв на її основі // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2002. - №3, Т. 2. - С. 107-111.

4. Білинський Й.Й., Городецька О.С. Математична модель вимірювання поверхневого натягу методом лежачої краплі // Тези доповідей VIІI МНТК „Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2005). --Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця. - 2005. - С. 255.

5. Городецька О.С. Дослідження діелектричних рідин в електростатичному полі // Вісник Вінницького політехнічного інституту. _ 2005. - №5. -- С. 20-24.

6. Пат. 71576 С2 Україна, МКІ G 01 N 13/02. Оптико-електронний вимірювач поверхневого натягу рідини / Білинський Й.Й., Білошкурська О.С., Сіренко С.О. - № 2001042381; Заявл. 10.04.2001; Опубл. 15.12.2004; Бюл. № 12. - 4 с.

Размещено на Allbest.ru