Синтез номінальної статичної характеристики перетворення датчика каламутності TS-300B

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут"

Синтез номінальної статичної характеристики перетворення датчика каламутності ts-300b

Заболотний Олександр Віталійович

д-р.техн.наук, доцент,

декан факультету систем управління літальними апаратами

Ходєєв Андрій Андрійович

Аспірант кафедри інтелектуальних вимірювальних систем та інженерії якості

Україна

Анотація

В роботі були розглянуті основні види вимірювання каламутності і описані технічні особливості використання датчика каламутності TS 300 B, проведені експерименти на суспензіях каоліну для оцінки працездатності та чутливості датчика, побудована номінальна статична характеристика перетворення.

Ключові слова: Каламутність, датчик, каолін, емульсія, статична характеристика перетворення.

Вступ

Водно-паливна емульсія (ВПЕ) є одним із перспективних видів альтернативного палива, використання якої покращує ефективність згорання палива, зменшує викиди шкідливих вихлопних газів та дозволяє економити витрату палива завдяки змішуванню з водою. На теперішній час проводиться багато досліджень у напрямку методів створення стійких ВПЕ та їх удосконалення [1]. Одним з важливих параметрів ВПЕ є її стабільність у часі, параметр, який необхідно постійно контролювати при транспортуванні та використанні емульсії [2, 3]. Для контролю стабільності потрібно знайти надійне та недороге рішення з можливістю інтеграції з наявними системами для зберігання та транспортування ВПЕ, з метою виключення можливості використання неякісної емульсії. В даній роботі розглянуто наявні методи контролю стабільності ВПЕ, запропоновано ефективний варіант вирішення проблеми безперервного контролю стабільності емульсії з використанням датчиків каламутності.

Аналіз сучасних досліджень, публікацій

На даний момент існує велика кількість методів контролю стабільності емульсій: візуальна оцінка, контроль pH, вимірювання в'язкості, аналіз розмірів частинок, хімічний аналіз, фільтраційні тести та ультразвуковий контроль, розсіювання світлового потоку тощо [4]. Задачею даної роботи є знайти недорогий та ефективний метод фіксації моменту початку розшарування водно- паливної емульсії .

Метод поглинання світлового потоку було обрано як найбільш ефективний. Для його технічної реалізації потрібен випромінювач світла та оптоприймач, який видає на виході струм або напругу залежно від інтенсивності світлового потоку, що проходить через досліджуване середовище. Електричний сигнал, який генерує оптоприймач, є пропорційним кількості світла, що потрапляє на його поверхню, і відповідно, є зворотно - пропорційним кількості частинок зваженої у зразку фракції другого компонента емульсії. Метод дозволяє контролювати стабільність емульсії у реальному часі і фіксувати момент розшарування. У роботі [5] був описаний метод, оснований на проходженні світла через емульсію типу «масло у воді» для оцінки її розшарування. Аналізатор стабільності емульсії складався з п'яти випромінювачів світлового потоку та з п'яти оптоприймачів. За допомогою аналізатора фіксували час розшарування емульсії. Також метод дозволяв контролювати зони розшарування, використовуючи п'ять точок для приймання та випромінювання світла. Метод має великі перспективи, але розрахований для перевірки стабільності попередньо відібраних для аналізу проб емульсії в лабораторних умовах.

Для контролю стабільності водно-паливної емульсії можуть бути використані датчики вимірювання каламутності TS-300B [6]. Принцип роботи датчиків базується на вимірюванні інтенсивності світлового потоку, розсіяного зваженими частинками речовини, що досліджується. Датчик дає можливість здійснити прив'язку до стандартних одиниць вимірювання каламутності NTU (Nephelometric Turbidity Units). Конструкція датчика дозволяє монтаж у наявні резервуари або ємності з досліджуваною емульсією, що спрощує контроль стабільності емульсії при збереженні, транспортуванні та безпосередньо перед використанням.

Особливості використання датчика TS-300B.

Датчик використовує оптичний принцип для комплексного визначення каламутності за коефіцієнтом пропускання та швидкістю розсіювання світла в розчині. В корпусі датчика знаходиться інфрачервоний світлодіод, який випромінює світло, і фототранзистор, який конвертує світловий потік, що пройшов крізь досліджувану рідину, в електричний струм. Зовнішній вигляд та схематичне зображення датчика наведено на рисунку 1.

Рис. 1. Зовнішній вигляд та конструкція датчика TS-300B

Принцип Вимірювання каламутності полягає у вимірюванні рівня ослаблення світлового потоку [7]. Детектор світла розміщено під кутом 1 80° до джерела світла. Кількість світла, що досягає світлового детектора, дає змогу опосередковано визначити рівень каламутності рідини. Зменшення інтенсивності світла може бути зумовлене його розсіюванням частинками емульсії або адсорбцією світла кольором [8]. Датчики, засновані на цьому принципі, часто зустрічаються в посудомийних і пральних машинах [9]. Суворих стандартів, що регулюють роботу датчиків каламутності на основі пропускання світла під кутом 180°, не існує, оскільки вони не призначені безпосередньо для вимірювання якості води.

Методика експериментальних досліджень.

Через індивідуальні метрологічні відмінності окремих екземплярів датчиків каламутності, вплив навколишнього освітлення і температури, для отримання результатів вимірювання з достатньою точністю перед вимірюванням необхідно здійснити попереднє калібрування. На поточний момент стандартним розчином для калібрування датчиків каламутності є формазин [7, 10-13] стандартних методик 180.1 Агентства з охорони

навколишнього середовища (EPA), ISO 7027, метод 10133 компанії Hach та стандартні методи 2130B, але через його високу вартість і токсичність в окремих випадках до сих пір застосовують каолін (білу глину). До початку широкого використання формазину каолін був одним із стандартних зразків для калібрування датчиків каламутності, де одиницею вимірювання каламутності є мг/дм3 за каоліном.

Приготування основної стандартної суспензії з каоліну передбачає такі етапи [14]. 25-30 грамів каоліну додають до 3-4 дм3 дистильованої води та, використовуючи механічний перемішувач з 3000 об/хв, протягом п'яти хвилин перемішують каолін з дистильованою водою. По завершенні отриману суміш залишають у стані покою на 24 години.

Через 24 години шприцом відбирають частину рідини, що не освітлилась. До частини, що залишилася, знову доливають воду і знову перемішують, після чого залишають у спокої на 24 години і знову відбирають середню частину, що не освітлилась. Таку операцію повторюють тричі, щоразу приєднуючи суспензію, що не освітлилася протягом доби, до раніше зібраної. Накопичену суспензію добре збовтують і через три доби зливають рідину над осадом, як таку, що містить надто дрібні частинки.

До отриманого осаду додають 100 см3 дистильованої води, збовтують і отримують основну стандартну суспензію.

Концентрацію основної суспензії визначають ваговим методом (як мінімум за двома паралельними пробами): 5 см3 суспензії розміщують у тиглі та висушують при температурі 105 °С, після чого зважують і розраховують вміст каоліну на 1 дм3 суспензії. Потім основну стандартну суспензію стабілізують пірофосфатом калію або натрію (200 мг на 1 дм3) і консервують насиченим розчином хлорної ртуті (1 см3 на 1 дм3), формаліном (10 см3 на 1 дм3) або хлороформом (1 см3 на 1 дм3). Основна стандартна суспензія зберігається протягом 6 місяців. Ця основна стандартна суспензія повинна містити близько 4 г/дм3 каоліну.

Приготування робочих стандартних суспензій.

Для приготування робочих стандартних суспензій каламутності основну стандартну суспензію збовтують і готують з неї суспензію, що містить 100 мг/дм3 каоліну. В нашому випадку з проміжної суспензії були виготовленні робочі суспензії концентрацією відповідно 50, 100, 200, 500, 700, 1562, 3125, 6250, 7812, 9375 мг/дмз.

Під час спостережень було використано лабораторний стенд, до якого входила мірна ємність, три первинних перетворювачі (один з них змонтовано у нижній частині мірної ємності, останні два - зверху ємності), електронний модуль TS300B, регульований блок живлення із встановленою напругою 5 В та мультиметр в режимі вимірювання напруги (рисунок 2).

Рис. 2. Лабораторний стенд для вимірювання каламутності

При випробуванні датчиків використовувалась методика калібрування, яку надає виробник. Вода містить п'ять етапів.

На першому етапі датчики необхідно помістити в очищену або дистильовану воду (рідину із значенням NTU, близьким до 0) з одночасною фіксацією її температури, значення якої буде потрібне для корекції результатів вимірювань. В процесі досліджень було використано дистильовану воду з температурою 25 °C, тому надалі корекція температури не проводилась, для відмінних від 25 °C значень температури необхідно уводити температурну поправку.

На другому етапі потрібно визначитись із розчином, в якому буде досліджуватись каламутність, (стандартним розчином для калібрування) та виготовити зразки, які покривають весь діапазон вимірювання датчика. На рисунку 3 зображено виготовленні суспензії концентрацією 50, 100, 200, 500, 700, 1562, 3125, 6250, 7812, 9375 мг каоліну на дм3, які повністю покривають діапазон вимірювання датчика TS300-B.

Рис. 3. Суспензії концентрацією 50, 100, 200, 500, 700, 1562, 3125, 6250, 7812, 9375 мг/дм3 ( зліва направо)

Таблиця 1 Середня вихідна напруга первинних перетворювачів

Далі необхідно обчислити значення коефіцієнта K для кожного з трьох датчиків за формулою:

К = 865,68* U. (1)

Розраховані значення K для датчиків :

датчик 1 = 3 185,70,

датчик 2 = 3 237,64,

датчик 3 = 3 237,64.

На передостанньому етапі необхідно здійснити підстановку розрахованих значень K у формулу для обчислення каламутності в стандартних одиницях вимірювання (NTU).

NTU = -865,68 * U + K. (2)

Отримані значення залежності концентрації, вираженої у мг/дм3, до значень каламутності в одиницях NTU (табл. 2), мають характер зміни, близький до лінійного. Проведено порівняння отриманих результатів з даними роботи, де наведено результати контрольних спостережень каламутності у розчинах каоліну з використанням спеціальних засобів вимірювання (Hydrolab DS5X, OTT Hydromet GmbH, Kempten, Germany) для визначення каламутності. Результати такого порівняння наведено на рисунку 4.

Таблиця 2 Співвідношення концентрації у мг/дм до значень NTU

Рис. 4. Залежність каламутності рідини (NTU) від концентрації каоліну

Через великий діапазон вимірювання датчика TS 300 B з'явилась необхідність розрахувати нову функцію для отримання статичної характеристики перетворення. Було реалізовано апроксимацію значень, наведених в таблиці 2, методом найменших квадратів (поліномом першого порядку). Розраховані середні значення показників NTU з трьох датчиків записані у таблиці 3.

Таблиця 3 Середні значення показників NTU з трьох датчиків

Визначимо параметри а і b апроксимуючого полінома першого порядку, для чого утворюємо систему умовних рівнянь. ґ а + b * 0 = 0,

Перетворюємо отриману систему умовних рівнянь у систему нормальних рівнянь. Спочатку обчислюємо умовні позначення Гауса: [XX] = [1 * 1] = 12, датчик каламутність суспензія каолін

Формуємо систему нормальних рівнянь:

Обчислимо коефіцієнти а і b, для чого обчислюємо головний детермінант D, а також детермінанти Da і Db для системи нормальних рівнянь:

Тепер обчислюємо коефіцієнти a і b:

Теоретична лінійна модель залежності каламутності рідини (NTU) від значень концентрації каоліну (мг/дм3) має вигляд:

а + b * мг/дм3= NTU (4)

Обчислимо теоретичні значення NTU для кожної точки концентрації каоліну (мг/дм3):

14,426+0,3325*0=14,42,

14,426+0,3325*50=31,05,

14,426+0,3325*100=47,67, 14,426+0,3325*200=80,92, 14,426+0,3325*500=180,67, 14,426+0,3325*700=247,17, 14,426+0,3325*1562=533,79, 14,426+0,3325*3125= 1053,48, 14,426+0,3325*4687=1572,85, 14,426+0,3325*6250=2092,55, 14,426+0,3325*7812=2611,916, 14,426+0,3325*9375=3131,61.

Побудуємо графіки для порівняння результатів, отриманих під час досліджень, та результатів, отриманих після апроксимації (відповідні графіки зображено на рисунку 5).

Рис. 5. Порівняння експериментальних та теоретичних розрахунків

На рисунку 5 видно, що пряма лінія здійснює якісну апроксимацію результатів експериментальних досліджень.

Висновки

В даній роботі було здійснене дослідження датчика TS-300 B на стандартних розчинах каоліну, яке показало, що цей датчик має великий діапазон вимірювання каламутності (до 3000 NTU) і високу чутливість, але через збільшений діапазон вимірювання виникла необхідність здійснити апроксимацію експериментальних результатів для отримання уточненої номінальної статичної характеристики перетворення. Датчик TS-300 B може використовуватись для дослідження та фіксації моменту розшарування ВПЕ, і формувати відповідний командний сигнал для контрольних/керівних пристроїв, які зможуть запустити повторне перемішування емульсії для її стабілізації. Надалі заплановано провести додаткові випробування з різними бінарними сумішами типу вода у маслі (паливі) для фіксації моментів розшарування за результатами контролю каламутності. Використання групи датчиків каламутності, розташованих в різних точках резервуару з контрольованою емульсією дозволить здійснювати оперативне визначення зон з початком розшарування водно-паливної емульсії.

Список використаних джерел

1. Заболотний О. В., Ходєєв А. А. (2023). ДОСЛІДЖЕННЯ СУЧАСНИХ МЕТОДІВ СТВОРЕННЯ ВОДНО-ПАЛИВНОЇ ЕМУЛЬСІЇ //The 5 th International scientific and practical conference “Science and technology: problems, prospects and innovations”. (February 16-18, 2023). Osaka, Japan.

2. Zabolotnyi, O.; Zabolotnyi, V. & Koshevoy, N. (2022). Capacitive Water-Cut Meter with Robust Near-Linear Transfer Function. Computation. (10). 115.

3. Zabolotnyi, O. (2021). Moisture content control in heavy fuel during the process of emulsification with a help of capacitive sensors. 25th International Scientific Conference Transport Means 2021, October 6-8, 2021. Kaunas, Lithuania.

4. Alvarado, V., Wang, X. & Moradi, M. (2011). Stability Proxies for Water-in-Oil Emulsions and Implications in Aqueous-based Enhanced Oil Recovery. Energies. 4. 1058-1086.

5. Singh, G., Lopes, E, Hentges, Ns & Ratner, A. (2019). Experimental Investigation of Water Emulsion Fuel Stability. Energies 2011,4(7), 1058-1086.

6. Innovators Guru. TS-300B High Quality Arduino Turbidity Sensor.

7. Trevathan, J, Read, W., & Schmidtke, S. (2020). Towards the Development of an Affordable and Practical Light Attenuation Turbidity Sensor for Remote Near Real-Time Aquatic Monitoring. Sensors 2020, 20(7),

8. Fondriest Environmental. Measuring Turbidity, TSS, and Water Clarity.

9. Smith, J., Schneider, D., Dausch, M. & Whipple, W. III Dishwasher with Turbidity Sensing Mechanism. U.S. Patent No. 5586567, 24 December 1996.

10. ISO 7027:1999(en) Water quality -- Determination of turbidity.

11. EPA-NERL: 180.1: Turbidity by Turbidimeter.

12. Метод 10133 компанії Hach.

13. Standard Methods: 2130 B: Turbidity by Nephelometry.

14. Isoyama, R., Taie, M., Kageyama, T., Miura, M., Maeda, A., Mori, A. & Lee, S. (2017). A Feasibility Study on the Simultaneous Sensing of Turbidity and Chlorophyll a Concentration Using a Simple Optical Measurement Method, Micromachines 2017, 8(4), 112.

Размещено на Allbest.ru