Пузырьковый пневматический метод контроля вязкости жидкостей и устройства его реализации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Пузырьковый пневматический метод контроля вязкости жидкостей и устройства его реализации

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

кандидата технических наук

Голосницкая Мария Михайловна

Тамбов 2011

Работа выполнена на кафедре «Управление качеством и сертификация» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Мордасов Михаил Михайлович

Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор Федюнин Павел Александрович,

кандидат технических наук, доцент Леонтьев Евгений Алексеевич

Ведущая организацияОАО «Корпорация «Росхимзащита»

Защита диссертации состоится 17 ноября 2011 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 при ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, Большой актовый зал.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ»: www.tstu.ru.

Автореферат разослан 14 октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор А.А. Чуриков

пузырьковый газ жидкость вязкость

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Контроль вязкости жидкостей необходим в различных отраслях промышленности, например, в химической, нефтехимической, пищевой, стекольной и др. По вязкости судят о качестве полуфабриката и готового продукта, о тех физико-химических изменениях в материале, которые происходят во время технологического процесса.

При проведении технологических операций, таких как окраска, пропитка, проклейка и др., целесообразно проводить экспресс-контроль вязкости с использованием минимального объема пробы контролируемой жидкости простыми, надежными и дешевыми средствами.

Техническая реализация подавляющего большинства известных методов контроля вязкости не позволяет производить оперативный контроль вязкости с малым объемом пробы контролируемого вещества за исключением методов, использующих движение границы раздела фаз «газ-жидкость». Такие методы подразделяются на пузырьковые и бесконтактные струйные деформационные методы.

Основными недостатками бесконтактных струйных деформационных методов являются значительный расход газа и большое количество влияющих величин на результат измерения.

Применение пузырьков газа при формировании сигналов измерительной информации позволяет существенно снизить стоимость измерений, повысить надежность, упростить конструкции измерительных устройств, реализующих пузырьковые методы. К пузырьковым пневматическим методам измерения вязкости относятся все методы, в которых в качестве первичного измерительного преобразователя используется газовый пузырек с момента его зарождения до выхода из жидкости. Преимущество пневматических пузырьковых методов измерения вязкости состоит в том, что измерительный механизм не находится в контакте с контролируемой жидкостью. Поэтому их целесообразно использовать в случае агрессивных, сильно загрязненных, вязких жидких веществ. Однако до настоящего времени пузырьковым методам контроля вязкости не уделялось должного внимания.

Актуальной является задача создания и исследования пузырькового метода и устройств его реализации, позволяющих производить экспресс-контроль вязкости с использованием малого объема пробы контролируемой жидкости.

Цель работы заключается в создании пузырькового экспресс-метода контроля вязкости, использующего малый объем пробы контролируемой жидкости. При решении поставленной цели необходимо:

- провести экспериментальные и теоретические исследования процессов, происходящих при взаимодействии пузырька газа с постоянной и переменной массами с жидкостью;

- разработать на основе проведенных исследований пузырьковый метод измерения вязкости;

- провести исследование метода и оценку точности;

- разработать устройства, реализующие разработанный метод.

Методы исследования. В ходе экспериментальных исследований использованы статистические методы обработки результатов измерений. Аналитические методы исследований базируются на использовании механики сплошных сред, дифференциального и интегрального исчислений, теории измерений и метрологии.

Научная новизна. Проведен анализ существующих пузырьковых методов измерения вязкости и осуществлена их классификация, в основу которой положены следующие признаки: состояние газа в пузырьке, вид двухфазной системы «пузырек газа-жидкость», информативный параметр.

Выявлены и изучены физические эффекты, наблюдающиеся в двухфазной системе «пузырек газа-жидкость» при формировании пузырька газа с подачей газа в пузырек в процессе измерения и без нее:

- при подаче газа c увеличением вязкости жидкости наблюдается увеличение времени формирования пузырька газа, образующегося на конце погруженной в вязкую жидкость газоподводящей трубки;

- без подачи газа при увеличении вязкости жидкости наблюдается увеличение времени формирования пузырька газа в измерительной трубке после ее поворота на 180

доказавшие возможность создания пузырькового пневматического метода измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной и переменной массами.

На основании математического описания процесса отрыва пузырька газа от погруженной в вязкую жидкость газоподводящей трубки, при подаче на ее вход заданного расхода газа, выведена расчетная формула для определения динамической вязкости. Разработан метод измерения вязкости по времени формирования пузырька с переменной массой, заключающийся в формировании пузырька газа при заданном расходе на конце газоподводящей трубки, погруженной в контролируемую жидкость, измерении периода следования пузырьков газа как функции вязкости.

Введением в расчетную формулу коэффициента, учитывающего влияние стенок измерительной трубки на процесс формирования пузырька газа, получена расчетная формула для определения динамической вязкости жидкости по времени формирования пузырька газа с постоянной массой. Разработан метод измерения вязкости, согласно которому заполняют измерительную трубку контролируемой жидкостью до заданного уровня, формируют изолированное газовое пространство над жидкостью, формируют пузырек газа после поворота измерительной трубки на 180, измеряют время формирования пузырька как функцию вязкости.

Практическая ценность. Разработаны устройства для измерения вязкости жидкостей по времени формирования пузырька газа с постоянной и переменной массами. Разработано пробоотборное устройство с гидродинамическим формированием объединенной пробы.

Реализация результатов. Разработанные устройства прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО «Тамбовский завод «Октябрь» и ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались в ходе проведения Шестой международной теплофизической школы «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (г. Тамбов, 2007 г.) и Седьмой международной теплофизической школы «Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (г. Тамбов, 2010 г.); на XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Пенза, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять научных работ, получено три патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и 9 таблиц. Список литературы включает 85 наименований.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, Савенкову Александру Петровичу за научные консультации по диссертации.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы. Дана краткая характеристика содержания диссертации по главам. Сформулированы результаты исследования, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены технологические процессы, требующие контроля вязкости используемых жидкостей, осуществлена научная классификация и приведен обзор пузырьковых методов измерения вязкости, отмечены их достоинства и недостатки, определена цель работы и поставлена задача исследования.

Классификация пузырьковых методов измерения вязкости представлена на рис. 1. В качестве классифицирующих признаков предложено использовать состояние газа в пузырьке, вид двухфазной системы «пузырек газа-жидкость» и информативный параметр.

Пузырьковые методы измерения вязкости делятся на методы с постоянными массой и объемом газа в пузырьке, т.е. без подачи газа, и методы с переменными массой и объемом газа в пузырьке, т.е. с подачей газа в пузырек в процессе измерения.

Двухфазная система изолированного пузырька в жидкости характеризуется наличием отдельного пузырька газа в жидкости, т.е. наполненного газом прозрачного шарика с оболочкой в виде границы раздела фаз «газ-жидкость». В пузырьковой барботажной системе осуществляется подача газа в жидкость под давлением с образованием одиночного газового пузырька (с отрывом или без отрыва) или их последовательности. В струйно-барботажной системе слой жидкости имеет небольшую высоту, пропускание через него газа под давлением приводит к возникновению газового канала, вокруг которого происходит образование и схлопывание газового пузырька.

Информативным параметром в пузырьковых методах измерения вязкости без отрыва пузырька с пузырьковой барботажной двухфазной системой является скорость перемещения стенки пузырька, в струйно-барботажных методах - частота формирования пузырьков газа, при использовании изолированного пузырька в жидкости - скорость подъема пузырька.



Рис. 1. Классификация пузырьковых методов измерения вязкости

Обзор существующих пузырьковых методов выявил отсутствие пузырькового экспресс-метода измерения вязкости с малым объемом пробы контролируемой жидкости.

Во второй главе приведены режимы взаимодействия слоя жидкости с проходящим через него потоком газа, доказана возможность создания метода измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с переменной и постоянной массами, получены расчетные формулы для определения динамической вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной и переменной массами, произведена проверка адекватности полученных расчетных формул.

При увеличении вязкости жидкости наблюдается увеличение объема пузырька газа, образующегося на конце погруженной в жидкость газоподводящей трубки, при подаче на ее вход заданного расхода газа. Особенностью формирования пузырька газа в вязкой жидкости является более длительное существование газовой перемычки (рис. 2, д, е) вследствие действия на пузырек силы вязкого трения. Вязкость жидкости препятствует подъему пузырька и его объем увеличивается до тех пор, пока пузырек находится вблизи газоподводящей трубки.

Объем пузырька при заданном расходе газа Q увеличивается до тех пор, пока подъемная сила F_A не станет равной сумме сил поверхностного натяжения F_у, инерции F_in и вязкого трения F_з

F_A = F_у + F_з + F_in. (1)

Подставляя в (1) значения соответствующих сил F_A = Vg(с - с_г), F_у = руd₀sinи, F_з = 6рзrw, с учётом того, что при малом расходе газа Q влияние силы инерции на формирование пузырька газа пренебрежимо мало , получим

Vg(с - с_г) = руd₀sinи + 6рзrw, (2)

где с, с_г - плотности жидкости и газа соответственно, кг/м³; у - поверхностное натяжение, Н/м; g - ускорение свободного падения, м/с²; V - объем пузырька газа, м³; d₀ - диаметр газоподводящей трубки, м; w - скорость перемещения центра пузырька, м/с; r - радиус пузырька, м; и - краевой угол смачивания, рад; з - вязкость жидкости, Па·с.

а) б) в) г) д) е) ж)

Рис. 2. Образование пузырька газа на конце газоподводящей трубки, погруженной в глицерин, м³/с, м³:

а, б, в, г, д, е, ж - время , прошедшее с начала измерения, равно 0,03; 0,07; 0,10; 0,17; 0,23; 0,27; 0,30 соответственно

При равномерном движении пузырька его отрыв происходит, когда расстояние между центром пузырька и концом трубки становится равным 2r. Скорость перемещения его центра определяется уравнением

w = 2r / T_n, (3)

где T_n - период формирования пузырька газа, c.

Подставляя (3) в (2), при условии, что sinи = 1, с _г, , получим

9,906р^1/3V^2/3з - gVс + рd₀у = 0. (4)

Отрывной объем пузырька определяется по формуле

, (5)

где Q - расход газа, м³/с.

При подстановке (5) в (4) получим

9,906р^1/3Q^2/3з - gQс + рd₀у = 0. (6)

Выразим из (6) з с учетом того, что T_n = t_bf в виде

з = , (7)

где k₁ = 0,101сgр-^1/3Q^1/3, Па·с^1/3; k₂ = 0,101р^2/3d₀уQ-^2/3, Па·с^2/3 - коэффициенты пропорциональности; t_bf - время формирования пузырька газа, с.

При увеличении вязкости жидкости наблюдается увеличение времени формирования пузырька газа в измерительной трубке после ее поворота на 180. В измерительном процессе используется стеклянная трубка длиной l = 30 мм с внутренним диаметром d₂ = 10,25 мм, заполненная контролируемой жидкостью до заданного уровня l - H = 23 мм. После поворота измерительной трубки на 180 начинается процесс формирования пузырька газа. Под действием сил поверхностного натяжения жидкость перемещается к стенке трубки (рис. 3, а - г). На поверхность раздела фаз будет действовать гидростатическое давление, причем его значение у стенки трубки будет больше, чем по центру на величину ?P_Г = сg?h, где ?h - разность между нижней и верхней точками поверхности раздела фаз, м. Разность ?P_Г усиливает приток жидкости к стенке трубки. При этом происходит процесс замещения жидкости газом, сопровождаемый ростом ?h (рис. 3, д - и). После достижения жидкостью в кольцевом зазоре между стенкой трубки и пузырьком основания трубки (рис. 3, и), она начинает перемещаться к ее центру (рис. 3, к), причем площадь контакта газа с основанием трубки уменьшается до минимального значения (рис. 3, л), при котором ликвидируется контакт поверхности раздела фаз «газ-жидкость» с измерительной трубкой и заканчивается процесс формирования пузырька газа (рис. 3, м). Дальнейшее замещение жидкости газом приводит к подъему газового пузырька в жидкости. Течение жидкости между стенкой трубки и поверхностью раздела фаз в процессе формирования пузырька газа затрудняется вследствие действия сил вязкого трения. С увеличением вязкости жидкости увеличивается время формирования пузырька газа.

Анализ физики образования и отрыва пузырька газа в представленных эффектах установил общность этих процессов. Рост пузырька в одном случае происходит за счет подачи газа с заданным расходом, а в другом - за счет деформации начального объема газа в замкнутом измерительном элементе. Отличие состоит в том, что при формировании пузырька газа в измерительной трубке после ее поворота на 180 на процесс формирования пузырька оказывают влияние стенки измерительной трубки. В математическом описании такое влияние учитывается введением коэффициента и уравнение (6) для процесса формирования пузырька газа в измерительной трубке после ее поворота на 180 примет вид

9,906р^1/3з - gQ₂с + рd₂у = 0, (8)

где d₂ - диаметр измерительной трубки, м; - расход газа, м³/с.

а) б) в) г) д) е)

ж) з) и) к) л) м)

Рис. 3. Процесс формирования пузырька газа в измерительной трубке

С учетом того, что , выразим з из (8)

з = , (9)

где k₃ = 0,064сgH^1/3, Па; k₄ = 0,254уH-^2/3, Па - коэффициенты пропорциональности; H - высота объема воздуха в измерительной трубке, м.

Коэффициент рассчитывается как отношение динамической вязкости з, рассчитанной по формуле (9) при , к истинному значению динамической вязкости и для эпоксидной смолы ЭД-20 при температуре 12…28 С .

В третьей главе представлены методы измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной и переменной массами, приведены методики измерения, проведены исследования влияния неконтролируемых параметров на результат измерения, получены оценки погрешности разработанных методов.

При проведении экспериментальных исследований заданное значение температуры поддерживалось при помощи термокамеры ТВТ-1 с ?T = ±0,1 С. Действительные значения плотности жидкости определялись пикнометрическим методом с дс = 0,3%, вязкости - при помощи ротационного вискозиметра типа «Реотест-2» с дз = 0,5%, коэффициента поверхностного натяжения - тензиометром типа Дю Нуи с пределами измерения 0…177 · 10-³ Н/м с погрешностью ?у = 0,5 · 10-³ Н/м.

Методика измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с переменной массой включает в себя следующие этапы:

- подача газа с заданным расходом Q через газоподводящую трубку в контролируемую жидкость;

- измерение периода следования пузырьков T_n = t_bf;

- определение вязкости з из формулы (7) по измеренному значению t_bf.

Было замечено, что на период следования пузырьков газа существенное влияние оказывает расход газа и диаметр газоподводящей трубки. Нами была теоретически изучена и экспериментально получена эта зависимость для эпоксидной смолы ЭД-20. Анализ полученных результатов показал, что экспериментальные данные совпадают с теоретическими с относительной погрешностью, не превышающей 5%, при диаметре газоподводящей трубки d₀ = 0,69 · 10-³ м и расходе газа Q < 0,6 · 10-⁷ м³/с. При увеличении расхода пузырек газа вытягивается вдоль оси ординат, поэтому применение расчетной формулы (7) возможно при вводе коэффициента на отклонение формы от сферической.

Результаты оценки погрешности метода представлены в табл. 1. В ходе экспериментов использованы растворы эпоксидной смолы ЭД-20 и ацетона, стеклянная газоподводящая трубка с внутренним диаметром d₀ = 0,69 · 10-³ м, расход газа составил Q = 1,18 · 10-⁸ м³/c. В результате экспериментальной проверки разработанного метода было установлено, что относительная погрешность измерения динамической вязкости в диапазоне 5,2...26,8 Па·с не превышает 2,5%.

Методика измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной массой включает в себя следующие этапы:

- заполнение измерительной трубки диаметром d₂ и высотой l контролируемой жидкостью до заданного уровня

- первый поворот трубки на 180° и ее фиксация в вертикальном положении;

- второй поворот трубки на 180° в момент отрыва пузырька газа от основания трубки, начало счета времени t_fd стекания жидкости;

- третий поворот трубки на 180° после истечения заданного времени t_fd, начало счета времени t_bf формирования пузырька газа;

- окончание счета времени t_bf после формирования пузырька газа;

- определение вязкости з из формулы (9) по измеренному значению времени t_bf.

Для определения влияния неконтролируемых параметров на результат измерений были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых использованы эпоксидная смола ЭД-20 с вязкостью з = 28,3 Па·с, стеклянные измерительные трубки диаметром d₂ = 0,0065; 0,0080; 0,0085; 0,01025 м.

1. Результаты оценки погрешности метода измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с переменной массой

Действительные значения	Измеренные значения	Вычисленные значения
с, кг/м3	у • 103, H/м	зd, Па·с	, с	з, Па·с	?з, Па·с	дз, %
1123 1121 1119 1116 1110	59,97 59,80 59,64 59,30 58,61	26,8 21,2 17,0 10,9 5,2	8,50 7,23 6,23 4,68 3,10	23,75 18,69 14,98 9,58 4,78	0,11 0,22 0,21 0,19 0,10	0,5 1,2 1,4 1,9 2,2
Примечание: значения Tn получены в ходе статистической обработки результатов семи измерений, относительная погрешность дTn не превышает 2% при доверительной вероятности 0,95; ?з, дз - абсолютная и относительная погрешности определения вязкости соответственно.

В результате исследований было установлено, что большое влияние на процесс формирования пузырька оказывает состояние стенок измерительной трубки, поэтому целесообразно измерения проводить в трубке со стенками, предварительно смоченными контролируемой жидкостью. Предварительное смачивание стенок измерительной трубки в методике измерений осуществляется вторым и третьим ее поворотом на 180.

На рисунке 4, а, б представлены зависимости времени t_bf формирования пузырька газа от времени t_fd стекания жидкости для эпоксидной смолы ЭД-20 с вязкостью з = 28,3 Па·с при различных диаметре d₂ измерительной трубки и высоте H столба воздуха. Из графиков видно, что при времени стекания жидкости t_bf ? 300 с время формирования t_bf пузырька газа изменяется незначительно. После обработки результатов экспериментов было установлено, что время формирования t_bf пузырька газа пропорционально корню высоты H объема воздуха и обратно пропорционально квадрату диаметра d₂ измерительной трубки.

При отклонении угла наклона трубки б от вертикали время формирования пузырька t_bf уменьшается незначительно, поэтому проводить измерения при б ? 0 нецелесообразно. Высота столба жидкости не оказывает влияния на процесс формирования пузырька газа в измерительной трубке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 4. Зависимость времени t_bf формирования пузырька газа от времени t_fd стекания жидкости: а - H = 0,007 м, 1 - 4 - диаметр измерительной трубки d равен 0,0065; 0,0080; 0,0085; 0,01025 м соответственно; б - d = 0,01025 м, 1 - 4 - высота H столба воздуха равна 0,005; 0,009; 0,013; 0,017 м соответственно

2. Результаты оценки погрешности метода измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной массой м, d₂ = 0,01025 м, с

Действительные значения	Измеренные значения	Вычисленные значения
с, кг/м3	у · 103, H/м	зd, Па·с	tbf, с	з, Па·с	?з, Па·с	дз, %
1134 1132 1130 1127 1124 1120 1116 1113	60,81 60,61 60,41 60,21 59,99 59,82 59,61 59,41	120,3 91,1 66,2 45,8 28,3 18,6 10,7 7,7	177,1 127,3 91,7 64,3 38,2 27,7 16,0 11,6	124,4 89,3 64,3 45,0 27,4 18,4 11,0 8,0	4,1 1,8 1,9 0,8 0,9 0,2 0,3 0,3	3,4 2,0 2,9 1,7 3,2 1,1 2,8 2,9
Примечание: значения tbf получены в ходе статистической обработки результатов семи измерений, относительная погрешность дtfd не превышает 4% при доверительной вероятности 0,95; ?з, дз - абсолютная и относительная погрешности определения вязкости соответственно.

Результаты оценки погрешности метода представлены в табл. 2. В качестве контролируемой жидкости использована эпоксидная смола ЭД-20 при температуре 12…28 С. В результате экспериментальной проверки разработанного метода было установлено, что относительная погрешность измерения динамической вязкости в диапазоне 7,7..120,3 Па·с не превышает 3,5%.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию устройств для реализации разработанных пузырьковых методов измерения вязкости.

Схема устройства для реализации метода измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с переменной массой представлена на рис. 5. Объем пробы контролируемой жидкости, необходимый для измерения вязкости в диапазоне 5,2..26,8 Па·с, равен 18,3 · 10-⁶ м³.

Стабилизатор расхода 1, созданный на базе элементов УСЭППА, обеспечивает поддержание расхода, подаваемого на вход газоподводящей трубки 2 диаметром d₀ = 0,69 · 10-³ м, находящейся в измерительной емкости 3, с погрешностью 1,0% в диапазоне 0,1..0,2 · 10-⁷ м³/с. На конце газоподводящей трубки 2 происходит образование пузырька газа, объем которого постепенно увеличивается.

Рис. 5. Функциональная схема устройства для реализации метода контроля вязкости жидкостей по времени формирования пузырька газа с переменной массой:

1 - стабилизатор расхода воздуха; 2 - газоподводящая трубка; 3 - измерительная емкость; 4 - электретный микрофон типа ВМ1; 5 - усилитель; 6 - вычислительный блок на базе микроконтроллера типа PIC16F84A; 7 - индикатор

С ростом пузырька увеличивается давление в газоподводящей трубке 2. В момент, когда выталкивающая сила начнет преобладать над суммой сил вязкого трения и поверхностного натяжения, пузырек отрывается от газоподводящей трубки 2. При отрыве пузырька давление в газоподводящей трубке скачкообразно падает. Далее процесс формирования пузырька газа повторятся аналогичным образом. Электретный микрофон 4, установленный в газоподводящей трубке 2, преобразует сигнал давления в электрический сигнал, который поступает через усилитель 5 на вход вычислительного блока 6. Вычислительный блок 6 осуществляет определение вязкости по измеренному значению периода следования пузырьков газа . Выход вычислительного блока 6 соединен с входом индикатора 7.

На рисунке 6 изображена схема устройства для реализации метода измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной массой. Объем пробы контролируемой жидкости, необходимый для измерения вязкости в диапазоне 7,7..120,3 Па·с, равен 2,1 · 10-⁶ м³.

На валу исполнительного механизма 12, выполненного на базе шагового электродвигателя и установленного на основании 6, закреплена скоба 1. Стеклянная трубка 3 с контролируемой жидкостью закрыта пробками 2 и зажата в скобе 1. В скобе 1 имеются два отверстия 14, расположенные симметрично оси исполнительного механизма 12, а в основании 6 - отверстие 15. Через отверстия 14 и 15 излучение лазерного диода 7 типа DL-3148-235 проходит к поверхности фотоприёмника 5 типа PIC-12043S.

После заполнения трубки 3 контролируемой жидкостью до заданного уровня и ее установки в скобу 1 запускают устройство контроля вязкости подачей на его вход питания. В исходный момент времени жидкостью заполнена нижняя часть трубки 3, а воздухом - верхняя.



а) б)

Рис. 6. Схема устройства для реализации метода контроля вязкости по времени формирования пузырька газа с переменной массой

Управляющий вычислительный блок 9, выполненный на базе микроконтроллера типа PIC16F84A, формирует на выходе 11 сигналы, под действием которых исполнительный механизм 12 переворачивает скобу 1 с трубкой 3. Для точной установки трубки 3 в вертикальное положение используется излучение лазерного диода 7, питание которого осуществляется от генератора высокой частоты (38 кГц), реализованного программно в блоке 9 на его выходе 8. При достижении вертикального положения излучение диода 7 проходит через отверстия 14, 15 и трубку 3 и поступает на поверхность фотоприемника 5, в результате чего на его выходе формируется сигнал логического нуля U₅ = 0, под действием которого блок 9 останавливает исполнительный механизм 12.

Под действием силы тяжести жидкость стекает в нижнюю часть трубки 3. После заполнения жидкостью нижней части трубки 3 излучение диода 7 отклоняется от отверстия 15 вследствие различия показателей преломления жидкости и воздуха. На выходе фотоприемника 5 формируется сигнал U₅ = 1, под действием которого управляющий вычислительный блок 9 посредством механизма 12 переворачивает скобу 1 с трубкой 3 на 180°. Угол поворота определяется числом импульсов, поданных на обмотки электродвигателя механизма 12. После поворота скобы 1 блок 9 выдерживает заданный интервал времени для стекания жидкости со стенок трубки 3. Выдержкой заканчивается подготовка устройства к проведению измерений.

Под действием сигнала, поступающего с выхода 11 блока 9, исполнительный механизм 12 вновь переворачивает скобу 1 на 180°. Жидкость находится вверху трубки 3, воздух - внизу. На выходе фотоприемника 5 формируется сигнал U₅ = 0, так как наличие тонкой пленки жидкости на стенке трубки 3 не приводит к существенному отклонению лазерного луча. Жидкость стекает по смоченной стенке трубки 3 и формирует газовый пузырь 4. После отрыва пузыря 4 от основания трубки 3 излучение диода 7 перестает поступать на поверхность фотоприемника 5, на его выходе формируется сигнал U₅ = 1, скоба 1 переворачивается на 180°. О вязкости жидкости судят по интервалу времени с момента установки трубки 3 в вертикальное положение до момента отрыва пузыря 4 от ее основания. После перемещения воздушного пузыря 4 вверх управляющий вычислительный блок 9 вновь выдерживает заданный интервал времени для стекания жидкости со стенок трубки 3. По завершении выдержки устройство готово к проведению повторных измерений. Среднее арифметическое результатов измерений, рассчитанное блоком 9, выводится на цифровую шкалу 13 путем формирования соответствующих сигналов на выходе 10.

Погрешность, вызванную изменением температуры, можно уменьшить путем термостатирования или использованием дополнительных измерительных трубок, заполненных жидкостями с известными значениями вязкости.

Основные результаты и выводы по работе

1. Проведен анализ существующих пузырьковых методов измерения вязкости жидкостей, который выявил отсутствие метода, осуществляющего экспресс-контроль вязкости с малым объемом пробы контролируемой жидкости в условиях потенциально опасных производств.

2. Впервые осуществлена классификация пузырьковых методов измерения вязкости, в основу которой положены следующие признаки: состояние газа в пузырьке, вид двухфазной системы «пузырек газа-жидкость», информативный параметр.

3. Выявлены и изучены физические эффекты, наблюдающиеся в двухфазной системе «пузырек газа-жидкость» при формировании пузырька газа с подачей газа в пузырек в процессе измерения и без нее:

- при подаче газа c увеличением вязкости жидкости наблюдается увеличение времени формирования пузырька газа, образующегося на конце погруженной в вязкую жидкость газоподводящей трубки;

- без подачи газа при увеличении вязкости жидкости наблюдается увеличение времени формирования пузырька газа в измерительной трубке после ее поворота на 180

доказавшие возможность создания пузырькового пневматического метода измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной и переменной массами.

4. На основании математического описания процесса отрыва пузырька газа от погруженной в вязкую жидкость газоподводящей трубки, при подаче на ее вход заданного расхода газа, выведена расчетная формула для определения динамической вязкости. Разработан метод измерения вязкости по времени формирования пузырька с переменной массой, заключающийся в формировании пузырька газа при заданном расходе на конце погруженной в жидкость газоподводящей трубки, измерении периода следования пузырьков газа как функции вязкости. Метод позволяет контролировать вязкость жидкостей в диапазоне 5,2..26,8 Па·с с относительной погрешностью, не превышающей 2,5%.

5. Анализ физики процессов формирования пузырька газа с постоянной и переменной массами установил общность этих процессов. Введением в расчетную формулу коэффициента пропорциональности, учитывающего влияние стенок измерительной трубки на процесс формирования пузырька газа, получена расчетная формула для определения динамической вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной массой. Разработан метод измерения вязкости, согласно которому заполняют измерительную трубку контролируемой жидкостью до заданного уровня, формируют изолированное газовое пространство над жидкостью, формируют пузырек газа после поворота измерительной трубки на 180, измеряют время формирования пузырька как функцию вязкости. Метод позволяет контролировать вязкость жидкостей в диапазоне 7,7...120,3 Па·с с относительной погрешностью, не превышающей 3,5%.

6. Разработаны устройства для реализации пузырькового пневматического метода измерения вязкости с объемом пробы контролируемой жидкости, не превышающим 20 · 10-⁶ м³. Устройства прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на ОАО «Тамбовский завод «Октябрь» и ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор».

Основные материалы, отражающие результаты диссертационной работы, изложены в следующих публикациях

В изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Мордасов, М.М. Барботажный объемометрический метод контроля вязкости жидкостей / М.М. Мордасов, М.М. Козадаева, М.Н. Баршутина // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2008. - Т. 74. - № 12. - С. 35 - 37.

2. Мордасов, М.М. Объемометрический барботажный принцип измерения физико-химических свойств жидкости / М.М. Мордасов, М.Н. Баршутина, М.М. Козадаева, // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2008. - №1(11). - С. 104 - 108.

3. Мордасов, М.М. Автоматический контроль вязкости с гидродинамическим формированием объединенной пробы / М.М. Мордасов, А.П. Савенков, М.М. Козадаева // Контроль. Диагностика. - 2008. - № 1. - С. 25 - 27.

4. Голосницкая, М.М. Экспресс-контроль вязкости жидкостей / М.М. Голосницкая, М.М. Мордасов // Вестник ТГТУ. - 2011. - Т. 17. - № 2. - С. 313 - 320.

5. Мордасов, М.М. Пневматический преобразователь абсолютного давления / М.М. Мордасов, М.М. Голосницкая // Вестник ТГТУ. - 2011. - Т. 17. - № 3. - С. 695 - 699.

В других изданиях:

6. Мордасов, М.М. Бесконтактный пневматический контроля вязкости жидкости / М.М. Мордасов, Н.М. Гребенникова, М.М. Козадаева / Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2005. - 41 с. - Деп. в ВИНИТИ г. Москва.

7. Козадаева, М.М. Бесконтактный неразрушающий контроль физико-механических свойств жидкостей / М.М. Козадаева, М.М. Мордасов, А.П. Савенков // Труды ТГТУ: сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - Вып. 19. - С. 86 - 90.

8. Мордасов, М.М. Объемометрический пузырьковый метод контроля вязкости жидкостей / М.М. Мордасов, М.М. Козадаева // Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством : материалы Шестой междунар. теплофизической школы. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - Ч. 2. - С. 226 - 228.

9. Мордасов, М.М. Объемометрический пузырьковый метод контроля вязкости жидкостей / М.М. Мордасов, М.М. Козадаева // Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг : материалы Седьмой междунар. теплофизической школы. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. - Ч. 2. - С. 131-132.

10. Голосницкая, М.М. Пузырьковый метод контроля вязкости жидкостей без подачи газа / М.М. Голосницкая, М.М. Мордасов, А.П. Савенков // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24 : сб. тр. XXIV Междунар. научн. конф. в 10 т. Т. 10. Секция 10. - Пенза : Пенз. гос. технол. академия, 2011. - С. 36.

11. Пат. 2368886 РФ, G01N 11/00. Способ контроля вязкости жидкостей / М.Н. Баршутина, М.М. Козадаева, Д.М. Мордасов, М.М. Мордасов. № 2007144440/28; заявл. 29.11.2007.

12. Пат. 2323430 РФ, G01N 11/10, G01N 27/22. Способ контроля физико-химических свойств жидкости и устройство для его реализации / М.М. Козадаева, Д.М. Мордасов, М.М. Мордасов, А.П. Савенков. № 2006121846/28; заявл. 19.06.2006.

13. Пат. 2334211 РФ, G01N 11/00. Способ контроля вязкости жидкостей и устройство для его реализации / М.М. Козадаева, М.М. Мордасов, А.П. Савенков. № 2006136781/28; заявл. 16.10.2006.

Фамилия Голосницкая присвоена Козадаевой Марии Михайловне после заключения брака (I-KC №603879 от 01.03.2008 г.)

Размещено на Allbest.ru

...