Аэрогидродинамический метод и устройство контроля вязкости жидких веществ
Создание бесконтактного метода контроля вязкости на основе исследования физических эффектов, возникающих при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости. Разработка устройства, позволяющего более оперативно проводить контроль высоковязких жидкостей.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.08.2018 |
| Размер файла | 336,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Аэрогидродинамический метод и устройство контроля вязкости жидких веществ
Специальность 05.11.13 -
Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
Гребенникова Наталия Михайловна
Тамбов
2008
Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные системы и приборы" ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет".
Научный руководитель доктор технических наук, доцент Мордасов Денис Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Федюнин Павел Александрович
кандидат технических наук, доцент Леонтьев Евгений Алексеевич
Ведущая организация Московский государственный университет инженерной экологии, г. Москва
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Существенное значение для повышения качества продукции имеет оперативность контроля и управления вязкостью в процессе производства. Для высоковязких жидкостей, таких как смолы, пластизоли, различные смеси на их основе и другие, с целью упрощения процесса контроля вязкости предусматривают их предварительный нагрев, позволяющий уменьшить вязкость, а также проведение измерений при повышенной температуре, что требует дополнительного применения специальных технических средств и оборудования, обеспечивающего условия измерений. Кроме того, прямой контакт чувствительного элемента с контролируемой жидкостью приводит к ее налипанию на чувствительный элемент. Этот недостаток особенно характерен для высоковязкой продукции, в частности, различного рода смол, композиций на их основе, вызывает необходимость проведения длительных процедур очистки, промывки вискозиметра, увеличивает трудоемкость и снижает оперативность контроля, что влияет на качество продукции.
В подобной ситуации целесообразно применение бесконтактных методов, в которых характеристикой вязкости является ответная реакция поверхности жидкости на внешнее воздействие (струя газа, акустические волны).
В результате такого воздействия на поверхности образуется углубление, при этом поверхностные слои жидкости приводятся в движение. Достоинством пневматических методов является то, что они отвечают специальным требованиям применения технологии и устройств в условиях пожаро- и взрывоопасных производств, объектов или материалов и позволяют по сравнению с другими бесконтактными методами проводить контроль при различных температурах, а также повысить его оперативность.
Режимы импульсного пневматического воздействия обладают преимуществами в сравнении с непрерывным, поскольку существенно снижается влияние таких факторов, как наличие неоднородных включений (твердых или газовых), а также они более эффективны по своему воздействию применительно к высоковязким жидкостям.
Исследования разработанных до настоящего времени пневматических, бесконтактных методов и устройств контроля вязкости с импульсным способом воздействия показали, что требуют дополнительного изучения вопросы выбора контролируемого параметра, такого как время деформации, теоретического описания процессов импульсного взаимодействия струи с поверхностью жидкости, а также возможности применения подобных методов для контроля высоковязких сред, в том числе в условиях их производства и применения.
Поэтому изучение процессов, происходящих при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости, и разработка на их основе бесконтактного метода и устройства контроля вязкости, в котором информативным параметром является время деформации поверхности жидкости на заданную величину, представляется актуальной задачей.
Цель работы заключается в создании бесконтактного метода контроля вязкости на основе исследования физических эффектов, возникающих при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости, зависящих от физико-механических свойств жидкости, и разработке устройства, позволяющего по сравнению с другими более оперативно проводить контроль высоковязких жидкостей в условиях их производства и применения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести обзор существующих методов контроля вязкости;
- осуществить теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих в двухфазной системе "струя газа - жидкость" при воздействии пневматическим импульсом прямоугольной формы;
- разработать бесконтактный аэрогидродинамический метод контроля вязкости жидкостей;
- провести анализ погрешностей бесконтактного аэрогидродинамического метода контроля вязкости жидкостей;
- разработать устройство для реализации метода контроля вязкости жидкостей;
- осуществить экспериментальную проверку результатов работы.
Методы исследования. Основные задачи работы решались моделированием и анализом моделей процессов, происходящих в двухфазной системе "струя газа - жидкость". При проведении экспериментальных исследований использовались методы моделирования и статистического анализа. Аналитические методы исследований базируются на использовании механики сплошных сред, дифференциального и интегрального исчисления, теории измерений и метрологии.
Научная новизна. Экспериментально и теоретически изучены физические процессы, возникающие в двухфазной системе "струя газа - жидкость" при импульсном воздействии, положенные в основу разработанного бесконтактного метода контроля вязкости жидких веществ.
Разработано математическое описание метода контроля вязкости жидкости по параметрам роста углубления сферической области, создаваемой воздействием струи газа заданного расхода и направленной перпендикулярно к поверхности.
Предложен бесконтактный аэрогидродинамический метод контроля вязкости жидкости, основанный на измерении отношения времени прохождения нижней точкой границы раздела фаз фиксированного расстояния на контролируемой и образцовой жидкости при условии постоянства характеристик воздушной струи, температуры сред, позволяющий осуществить контроль высоковязких веществ в условиях их производства и применения.
Практическая ценность. Разработано бесконтактное аэрогидродинамическое устройство для контроля вязкости однородных и неоднородных жидких веществ. Осуществлен выбор размеров его основных конструктивных элементов.
Устройство для контроля вязкости признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО "Тамбовмаш", ФГУП "Ревтруд", в частности, для контроля вязкости композиции на основе эпоксидной смолы, применяемой для заливки ручек электрокипятильников.
Работа выполнена при участии в проекте НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", подпрограмма (210) "Управление качеством продукции и услуг" (2002-2003 гг.).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 5-й Международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация " (г. Барнаул, 2004 г.); II международной научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (г. Пенза, 2004 г.); школе-семинаре молодых ученых "Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции" (г. Тамбов, 2003 г.); VIII научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 2003 г.); Пятой международной теплофизической школе "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (г. Тамбов, 2004 г.); VII всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (г. Тамбов, 2004 г.); Шестой международной теплофизической школе "Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством" (г. Тамбов, 2007 г.); XIII научной конференции ТГТУ "Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование" (г. Тамбов, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 114 наименований.
Автор выражает благодарность директору Испытательного центра ГОУ ВПО "ТГТУ" Емельянову Анатолию Алексеевичу за ресурсное обеспечение, помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы и практической реализации данной научно-исследовательской работы.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы. Дана краткая характеристика содержания диссертации по главам. Раскрыты научная новизна и практическая ценность результатов исследований, выносимых на защиту.
В первой главе проведен обзор существующих бесконтактных струйных методов контроля вязкости, осуществлена их классификация, определены достоинства и недостатки.
Как показал анализ современного состояния техники контроля вязкости, наиболее эффективно и целесообразно применение бесконтактных струйных методов для контроля высоковязких веществ, таких как эпоксидные смолы, композитные смеси на их основе и другие жидкости, применяемые, в частности, для изоляции и герметизации, позволяющих исключить недостатки контактных методов, связанных с налипанием жидкости на чувствительный элемент, а также обеспечивающих требования безопасности пожаро- и взрывоопасных производств.
Рассмотрев известные бесконтактные струйные методы контроля вязкости, основанные на использовании эффектов, возникающих при воздействии газовой струи на поверхность контролируемой жидкости и измерении параметров отраженной струи, либо параметров образованного на поверхности углубления, зависящих от физико-механических свойств жидкости (плотности, поверхностного натяжения, вязкости), предложена классификация методов контроля (рис. 1).
|
Бесконтактные струйные методы контроля вязкости |
||||||||
Импульсноепериодическоевоздействие |
Единичное импульсное пневматическоевоздействие |
Непрерывноевоздействие |
||||||
|
Действие газовой струи |
||||||||
Изменение частоты колебаний fпри измененииамплитуды наАm = const |
Времядеформации |
Изменение давленияp при изменениичастоты автоколебаний на fавтокол = const |
||||||
Изменение амплитуды Аm колебаний приизменении частоты колебаний наf = const |
Параметрдеформацииповерхности(глубина h) |
Изменение частотыавтоколебаний fавтокол при изменении давления на p = const |
||||||
|
Информативная величина |
Рис. 1. Классификация бесконтактных струйных методов контроля вязкости
В зависимости от длительности контакта газовой струи с поверхностью жидкости используют непрерывное воздействие, воздействие периодической последовательностью или единичными пневматическими импульсами.
Характеристикой вязкости жидкости при непрерывном воздействии струей газа является частота автоколебаний. Однако недостатком метода является искажение результатов и увеличение погрешности при контроле высоковязких жидкостей, а также веществ, содержащих газовые или твердые включения.
При периодическом импульсном воздействии характеристикой вязкости является частота и амплитуда колебаний формируемого углубления. Контроль вязкости в случае применения единичных импульсов осуществляется по времени деформации или параметрам углубления.
Проведенный анализ наиболее предпочтительных областей и преимуществ применения бесконтактных методов показал, что исходя из условий простоты реализации и сокращения времени контроля, а также возможности применения в условиях производства наиболее целесообразно применение отдельных единичных пневматических импульсов.
К существенным преимуществам применения импульсного воздействия можно отнести то, что метод является оперативным, позволяет контролировать высоковязкие жидкости и смеси, вещества, имеющие твердые или газовые включения. Однако в практической деятельности эти устройства не получили широкого применения, что связано с недостаточно полным теоретическим и экспериментальным анализом сфер применения, недостаточным изучением возможностей метода.
На основании проведенного анализа литературных источников и патентного поиска, в соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи дальнейшего исследования и разработки бесконтактного метода контроля вязкости, обеспечивающего оперативность проведения измерения для высоковязких веществ.
Во второй главе рассмотрены физические основы взаимодействия турбулентной газовой струи с поверхностью жидкости, предложена математическая модель, описывающая процесс формирования углубления на поверхности раздела фаз и позволяющая связать время деформации с физико-механическими свойствами жидкости, в частности, с вязкостью при условии постоянства параметров струи и температуры жидкости.
Для контроля вязкости в пневматических методах применяется воздействие воздушным потоком, под действием которого на поверхности жидкости формируется углубление. Анализ динамики формирования углубления (рис. 2) выявил, что под воздействием вертикальной струи газа на поверхности жидкости происходят процессы, в ходе которых геометрию лунки можно представить простыми поверхностями: при деформировании жидкости на начальном этапе конфигурация поверхности раздела фаз представляет собой часть сферической поверхности (рис. 2, а - г);
после достижения углублением полусферической формы (рис. 2, д), дальнейшее изменение происходит с образованием цилиндрической поверхности (рис. 2, е - ж).
Прекращение воздействия вызывает уменьшение размеров и восстановление поверхности жидкости.
|
а) |
б) |
в) |
г) |
д) |
е) |
ж) |
Рис. 2. Динамика формирования углубления ( = 19 Па с)
Анализ экспериментальных исследований процессов роста и восстановления углубления показал, что для контроля вязкости целесообразно использовать процессы на стадии роста, поскольку форма углубления воспроизводима для различных по своим свойствам жидкостей. Тогда как на стадии восстановления геометрия лунки характеризуется различными формами в зависимости от свойств жидкости и, в существенной степени, от условий эксперимента, а также некоторых других факторов.
При разработке модели этап формирования углубления рассматривался для упрощения как процесс погружения полусферического тела (рис. 3).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Сила струиFстр действует вертикально вниз.
На формирующуюся лунку со стороны жидкости действуют следующие силы: выталкивающая сила FА; результирующая сила поверхностного натяжения F; сила вязкого трения F; инерционная сила Fи. Указанные силы на стадии формирования направлены вверх.
Результаты экспериментального определения скорости движения поверхности раздела фаз при формировании углубления (центральной нижней точки) показали, что формирование лунки происходит с переменной скоростью, что связано с влиянием инерционных сил. Однако имеются участки, на которых движение может считаться равномерным.
Движение нижней точки лунки соответствует следующему равенству:
Fстр = FА + F + F + Fи. (1)
Основываясь на положениях гидростатики и физики сплошных сред, получены соотношения для расчета каждой из сил. С целью упрощения расчета было принято ограничение, что глубина h лунки не превышает значения радиуса R.
Учитывая принятое ограничение, выталкивающая сила вычисляется по формуле:
, (2)
где - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; R - радиус погружаемой полусферы, м; h - глубина лунки, м.
Сила поверхностного натяжения обусловлена свойством жидкости к сокращению свободной поверхности. Значение результирующей силы поверхностного натяжения определяется формулой:
, (3)
где - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.
Формирование лунки вызывает движение внутренних слоев и, как следствие, появление силы вязкого трения F, значение которой определяется зависимостью:
, (4)
где - динамическая вязкость, Пас.
В процессе формирования лунки в движение вовлекаются как поверхностные, так и прилегающие к ним внутренние слои жидкости, образующие присоединенную массу, для учета влияния которой вводится инерционная сила Fи:
. (5)
Из экспериментальных данных получено, что для полусферической формы углубления сила струи, действующая на стенки формируемого углубления, прямо пропорциональна глубине лунки:
Fстр = kh, (6)
где k - коэффициент пропорциональности, Н/м, определяемый на основе экспериментальных данных, исходя из параметров воздействующей турбулентной струи (давление, расход), диаметра сопла, а также расстояния от сопла до поверхности жидкости. Для случая: глубина лунки 9 мм, давление перед соплом 48 кПа, расстояние от сопла до поверхности жидкости 35 мм, коэффициент k = 0,0063 Н/м.
Подставляя значения сил, определяемых выражениями (2) - (6), в уравнение (1), получим обобщенное уравнение баланса сил в системе "струя газа - жидкость":
. (7)
Полученное уравнение (7) является нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка и аналитического решения не имеет, однако исключение инерционной составляющей позволило бы значительно упростить уравнение (7) и получить аналитическое решение.
На основе экспериментальных данных по формулам (2) - (5) рассчитано влияние каждой из сил, действующих со стороны жидкости. Результаты оценки вклада в процентах от суммарной величины действующих сил приведены в таблице.
Величина вклада отдельных сил в суммарную силу сопротивления жидкости
|
Глубина лунки, мм |
1 = 19 Пас |
2 = 230 Пас |
|||||||
|
F % |
FА % |
F % |
Fи % |
F % |
FА % |
F % |
Fи % |
||
|
2 |
80 |
8 |
10 |
1,44 |
89 |
4 |
6 |
0,0080 |
|
|
3 |
78 |
10 |
10 |
1,24 |
85 |
7 |
7 |
0,0120 |
|
|
4 |
75 |
14 |
9 |
1,06 |
82 |
10 |
7 |
0,0070 |
|
|
5 |
74 |
17 |
8 |
0,91 |
79 |
13 |
7 |
0,0050 |
|
|
6 |
73 |
19 |
7 |
0,79 |
73 |
19 |
7 |
0,0030 |
|
|
7 |
71 |
21 |
7 |
0,68 |
70 |
22 |
7 |
0,0008 |
|
|
8 |
71 |
22 |
6 |
0,60 |
69 |
24 |
6 |
0,0008 |
|
|
9 |
70 |
24 |
5 |
0,54 |
65 |
28 |
6 |
0,0006 |
Анализ результатов таблицы позволяет сделать вывод, что наименьшее влияние оказывает инерционная сила (максимальное значение 1,5 % для жидкости с 1 = 19 Паc и 0,008 % для жидкости с 2 = 230 Паc). Учитывая незначительность влияния, вкладом силы инерции в суммарную силу сопротивления жидкости можно пренебречь. После исключения инерционной составляющей и сокращения обеих частей уравнения на h уравнение (7) примет вид:
. (8)
Упрощение уравнения позволяет получить аналитическое решение. Решая дифференциальное уравнение (8) относительно глубины деформации h с н. у. h = 0 при t = 0, получим зависимость, описывающую изменение глубины лунки (ее центральной точки) от времени воздействия:
, (9)
где ; .
Коэффициенты а, k1, k2 являются постоянными величинами, которые определяются характеристиками жидкости (, ), радиусом углубления R и коэффициентом k.
Проверка полученной модели (9) показала, что модель адекватна по дисперсиям отклонений откликов модели от среднего значения экспериментальных данных для уровня значимости = 0,05 в диапазоне глубин 0…9 мм.
Рис. 4. Зависимость глубины лунки от времени действия газовой струи: экспериментальные данные: - вязкость 19 Пас; - 62 Пас; - 146 Пас; - расчетные данные по модели (9)
бесконтактный контроль вязкость жидкость
Анализ приведенных графиков (рис. 4) показал, что время достижения лункой определенной глубины определяется вязкостью жидкости. Верхний предел диапазона глубин установлен, исходя из условия равенства глубины и радиуса лунки, что предопределяет ее полусферическую форму, которая принята ограничением при разработке модели. Экспериментальные данные и расчеты были получены при значении радиуса углубления 9 мм.
Третья глава посвящена исследованию бесконтактного аэрогидродинамического относительного метода контроля вязкости жидких веществ.
Анализ проведенных экспериментальных исследований геометрии углубления позволил сделать следующие выводы:
- размеры углубления определяются параметрами турбулентной струи;
- время достижения углублением заданной величины и формы определяется физическими свойствами жидкости, в частности вязкостью.
Так как сила, действующая на искривленную поверхность жидкости со стороны струи газа, определяется скоростью изменения импульса молекул газа, то, очевидно, что при одинаковой форме лунки для различных жидкостей характер изменения импульса струи будет одинаков, следовательно, сила, действующая на поверхность жидкости, будет одинакова на заданной глубине от поверхности жидкости.
Применяя образцовую жидкость с известной плотностью 1, поверхностным натяжением 1, вязкостью 1, возможно определение вязкости жидкости 2 с известными значениями плотности 2 и поверхностного натяжения 2.
Перейдем в уравнении (8) от дифференциала к малым, но конечным приращениям. Из условия равенства силы струй, действующих на поверхность жидкостей, приравняв правые части уравнений для образцового и контролируемого вещества, получена расчетная формула (10) для определения вязкости
, (10)
где h - заданное изменение глубины лунки, м; t - время прохождения нижней точкой лунки расстояния h, с.
Расчет влияния отклонения значений плотности показал, что отклонение значений плотности между образцовой и контролируемой жидкостями в диапазоне 0…100 кг/м3 приводит к увеличению суммарной погрешности не более чем на 3,5 %. Погрешность, обусловленная влиянием отклонения поверхностного натяжения, в диапазоне 0…0,01 Н/м не превышает 1,2 %. Учитывая малую величину влияния, вносимую отклонениями и в соответствующих диапазонах изменения, исключим в числителе соответствующие слагаемые. В этом случае уравнение (10) упрощается и принимает вид
. (11)
Полученное уравнение (11) положено в основу разработанного относительного метода контроля вязкости.
Структурная схема экспериментальной установки для исследования бесконтактного метода контроля вязкости представлена на рис. 5.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Кювету 3 с исследуемой жидкостью с помощью подъемного механизма 8 вертикального перемещения устанавливают так, чтобы отраженный от поверхности жидкости луч лазера 6 попал на фотоприемник 7, что характеризуется срабатыванием светодиода. В этом случае поверхность жидкости будет расположена на определенном расстоянии от среза сопла. Параллельный световой поток от осветителя 9, отраженный зеркалом 1, проходит прозрачную координатную сетку 2 (цена деления 1 мм), стеклянную прямоугольную кювету 3 с исследуемой жидкостью и попадает в объектив видеокамеры 5. Оптическая система камеры сфокусирована на координатную сетку. Включается камера 5 и через некоторый интервал времени включается генератор 4 импульсной турбулентной струи, одновременно включается светодиодный индикатор его работы. Образующаяся в исследуемой жидкости лунка рассеивает проходящий световой поток от осветителя 9. При таком способе освещения и регистрации камера фиксирует теневое изображение динамики роста лунки в координатной сетке. По истечении заданного интервала времени генератор 4 выключается.
Таким образом, аэрогидродинамический метод контроля вязкости включает в себя следующие основные этапы: 1) кювету с образцовой жидкостью помещают на фиксированное расстояние от поверхности сопла;
2) на вход генератора подают сжатый воздух, сформированной струей газа воздействуют на поверхность жидкости, определяют время t1 достижения нижней точкой лунки определенной глубины; 3) действия по п. 1, 2 повторяют для контролируемой жидкости, определяя t2; 4) по результатам определенных значений t1 и t2, при известном значении 1, искомую вязкость рассчитывают по формуле (11).
При реализации метода необходимо обеспечить: термостатирование жидкости и воздуха, постоянство значения давления перед соплом, расстояние от сопла до поверхности жидкости.
Анализ источников погрешности, составляющих общую относительную погрешность бесконтактного аэрогидродинамического метода контроля вязкости жидкостей, показал, что основными ее составляющими являются: погрешность косвенных измерений; погрешность образцового средства измерения; погрешность неконтролируемых величин.
Произведена оценка каждой из составляющих общей погрешности. Образцовые измерения вязкости проводились методом падающего шарика с погрешностью, не превышающей 2 %. К неконтролируемым величинам отнесены: диаметр сопла, давление газа перед соплом, температура окружающей среды, температура контролируемой жидкости. Величина погрешности неконтролируемых величин обусловлена влиянием изменения температуры. В условиях термостатирования погрешность, вносимая изменением температуры на 0,1 С, составляет не более 1,5 %. Оценка величины общей погрешности метода контроля для диапазона изменений вязкости контролируемых жидкостей от 19 Пас до 230 Пас показала, что погрешность метода не превышает 5 %.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию устройства, реализующего предложенный метод бесконтактного контроля вязкости.
Для получения ступенчатого воздействия при реализации аэрогидродинамического бесконтактного метода следует использовать турбулентную осесимметричную воздушную струю с минимальным временем формирования переднего фронта при отсутствии спутной струи. Создан генератор, формирующий воздушную струю, удовлетворяющую всем вышеперечисленным требованиям.
Разработано устройство, реализующее разработанный метод на основе предложенного генератора. Схема устройства приведена на рис. 6.
Процедура контроля проходит следующим образом. На входе генератора пневматических импульсов 1 устанавливается значение рабочего давления воздуха. Подготовленную кювету 2 с образцовой жидкостью устанавливают на столик, оснащенный системой перемещения 3, позволяющей регулировать положение кюветы по вертикали. Перемещение кюветы 2 осуществляется до тех пор, пока излучение от лазера Л1 не попадет на фотодатчик Ф1, таким образом обеспечивается постоянство значения расстояния от сопла генератора до поверхности жидкости. На счетчике n устанавливается количество необходимых повторов измерения для каждого образца.
Рис. 6. Устройство для контроля вязкости жидкостей
После получения команды "измерение" контроллер К обнуляет таймер Т и включает электромеханический генератор пневматических импульсов 1. Турбулентная струя воздействует на поверхность жидкости.
Деформация поверхности под действием газовой струи нарушает угол отражения лазерного луча, при этом срабатывает фотодатчик Ф1, включается таймер Т. Под действием струи глубина лунки увеличивается и при достижении ее значения h срабатывает фотодатчик Ф2. Контроллер останавливает таймер Т и выключает электромеханический генератор пневматических сигналов. Начинается процесс восстановления поверхности жидкости. При полном восстановлении срабатывает фотодатчик Ф1. Контроллер анализирует количество повторов (заданных и выполненных), и при несовпадении этих значений цикл повторяется. По результатам определяется среднеарифметическое значение времени деформации. Аналогично определяется время формирования углубления для контролируемой жидкости. По расчетной формуле (11) рассчитывается значение коэффициента вязкости.
При наличии ряда образцовых жидкостей с различными коэффициентами вязкости по полученным значениям времени формирования углубления с использованием метода наименьших квадратов строится градуировочный график. Для определения значения вязкости в этом случае необходимо только измерение времени деформации контролируемой жидкости при соблюдении требований к внешним условиям; по графику определяется значение вязкости.
Устройство прошло промышленные испытания, в ходе которых измерялась вязкость высоковязких композиций на основе эпоксидной смолы, применяемой для фиксации и герметизации токовводов ТЭНов. В ходе испытаний исследованы эпоксидные смеси (композиции) с диапазоном значений вязкости = 19…230 Пас. По полученным результатам построен градуировочный график, представленный на рис. 7, для контроля вязкости смесей на основе эпоксидной смолы.
Рис. 7. Градуировочный график для смесей на основе эпоксидной смолы
Параметры устройства при выполнении измерения: глубина контроля лунки 9 мм, давление перед соплом 48 кПа, расстояние от среза сопла до поверхности жидкости 35 мм; погрешность измерения разности высот не превышает 0,05 мм, погрешность измерения временных промежутков 0,001 с.
Полученные экспериментальные данные аппроксимированы линейной зависимостью = 73,53t - 8,02 с коэффициентом корреляции 0,99 при доверительной вероятности 0,95.
В приложении приведены акты внедрения результатов работы.
Основные выводы и результаты работы
1. Анализ существующих бесконтактных струйных методов показал, что наиболее целесообразным для контроля вязкости высоковязких жидкостей является применение импульсного воздействия, которое обладает рядом преимуществ, такими как: оперативность, отсутствие контакта рабочего сопла с контролируемой жидкостью, возможность применения для высоковязких, неоднородных жидкостей, однако возможности и сферы применения которого требуют дополнительного исследования.
2. На основе анализа процесса роста углубления получена математическая модель процесса формирования углубления, связывающая время достижения углублением определенной величины с физико-механическими свойствами контролируемого вещества в условиях постоянства характеристик воздействующего потока, а также температуры среды.
3. Анализ влияния отдельных сил, действующих со стороны жидкости, показал незначительность инерционной силы. Исключение инерционной составляющей из уравнения баланса сил позволяет получить более простую аналитическую зависимость, связывающую глубину лунки с временем ее формирования.
4. Предложен бесконтактный струйный аэрогидродинамический метод контроля вязкости по времени достижения лункой заданного значения глубины, положенный в основу относительного метода контроля вязкости по отношению времени деформации контролируемой и образцовой жидкостей.
5. Разработано устройство, реализующее метод бесконтактного контроля вязкости, позволяющее контролировать высоковязкие, неоднородные жидкости и отличающееся тем, что контроль проводится на стадии роста деформации на поверхности раздела фаз при воздействии вертикальной турбулентной струей с минимальным временем нарастания скорости струи. Оригинальное устройство признано изобретением и защищено патентом РФ.
6. Проведенная оценка погрешности показала, что для жидкостей с вязкостью 19…230 Пас, при выполнении требований к внешним условиям и параметрам воздушной струи относительная погрешность метода контроля вязкости не превышает 5 %.
7. Разработан электромеханический генератор турбулентной струи, позволяющий получить пневматические импульсы прямоугольной формы с минимальным временем формирования переднего фронта и отсутствием спутной струи.
8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО "Тамбовмаш", ФГУП "Ревтруд", кроме того, они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.
Основные материалы, отражающие результаты диссертационной работы, изложены в следующих публикациях
1. Гребенникова, Н.М. Измерение вязкости как показателя качества продукции / Н.М. Гребенникова // Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции: материалы школы-семинара молодых ученых, 22 - 27 сент. 2003 г. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. - С. 100 - 102.
2. Гребенникова, Н.М. Импульсный аэродинамический метод измерения вязкости жидкостей / Н.М. Гребенникова, М.М. Мордасов // VIII научная конференция ТГТУ: пленарные доклады и краткие тезисы. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. - С. 75.
3. Гребенникова, Н.М. Генератор пульсаций газовых струй / М.М. Мордасов, Н.М. Гребенникова // Измерение, контроль, информатизация: материалы 5-й междунар. науч.-техн. конф., 1 - 3 июня 2004 г. - Барнаул: изд-во Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 2004. - С. 152 - 156.
4. Гребенникова, Н.М. Аэрогидродинамический амплитудно-частотный метод бесконтактного контроля вязкости жидких веществ / Н.М. Гребенникова, М.М Мордасов // Материалы и технологии XXI века: сборник статей
5. II междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: изд-во "Приволжский Дом знаний", 2004. - С. 184-185.
6. Гребенникова, Н.М. Применение вынужденных колебаний для контроля вязкости жидких веществ / Н.М. Гребенникова, М.М. Мордасов // Труды ТГТУ: сб. научных статей молодых ученых и студентов. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. - вып. 15. - С. 153 - 154.
7. Гребенникова, Н.М. Пневматический метод контроля вязкости жидкостей / М.М. Мордасов, Н.М. Гребенникова // Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством: материалы Пятой междунар. теплофиз. школы. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. -
8. С. 260 - 261.
9. Гребенникова, Н.М. Фильтрация системой струя газа - жидкость механических колебаний / Н.М. Гребенникова, М.М. Мордасов // Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования: материалы VII всерос. науч.-техн. конф. - Тамбов: Изд-во ТВАИИ, 2004. - Ч. 2. - С. 471 - 474.
10. Гребенникова, Н.М. Пневматический метод контроля вязкости жидкостей / Н.М. Гребенникова, М.М. Мордасов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2005. - т. 11, № 1а. - С. 81 - 87.
11. Гребенникова, Н.М. Модель вертикального движения лунки, образованной на поверхности вязкой жидкости / Н.М. Гребенникова, В.Б. Вязовов // Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством: материалы Шестой междунар. теплофиз. школы. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - С. 214-215.
12. Гребенникова, Н.М. Установка для исследования динамики взаимодействия струи газа с вязкой жидкостью / Н.М. Гребенникова // Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством: материалы Шестой междунар. теплофиз. школы. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - С. 212-213.
13. Гребенникова, Н.М. Бесконтактный пневматический контроль вязкости жидкостей / М.М. Мордасов, Н.М. Гребенникова, М.М. Козадаева; Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2005. - 41 с. - Деп. в ВИНИТИ, г. Москва.
14. Пат. 2241975 РФ, МКИ G 01 N 11/16. Устройство для измерения вязкости / Д.М. Мордасов, М.М. Мордасов, Н.М. Гребенникова. -
15. № 2002104149/28; заявл. 14.02.2002; опубл. 10.12.2004, Бюл. № 34.
16. Гребенникова, Н.М. Струйный метод и устройство контроля вязкости жидкости / Н.М. Гребенникова, Д.М. Мордасов // Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование: сборник трудов XIII научной конференции ТГТУ. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. - С. 300 - 304.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Назначение и область применения метода капиллярной вискозиметрии. Характеристики погрешностей измерений. Средства измерения, вспомогательные устройства и материалы. Определение кинематической вязкости прозрачных жидкостей, обработка результатов измерений.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 21.03.2015Схема и принцип работы устройства для измерения вязкости и модуля упругости веществ. Анализ по законам развития технических систем. Формула изобретения, статическая и динамическая модели технического противоречия при помощи катастрофы типа сборка.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 04.11.2012Основные варианты построения красочных аппаратов флексографских печатных машин. Требования, предъявляемые к флексографским краскам, системам циркуляции и контроля вязкости краски. Электрическая функциональная схема работы ротационного вискозиметра.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 22.06.2013Карьерный и шахтный способы разработки месторождений высоковязких нефтей. Технологии снижения вязкости. Стоимость добычи и рыночная стоимость "тяжелой" нефти. Циклическая паростимуляция и гравитационное дренирование с паровым воздействием (SAGD).
презентация [2,5 M], добавлен 29.05.2019Максимальная скорость струи на выходе из печи. Диаметр газовой струи в месте встречи с поверхностью сталеплавильной ванны. Радиус газовой струи. Распределение скорости газа по сечению потока. Определение глубины проникновения кислородной струи в ванну.
контрольная работа [144,1 K], добавлен 25.03.2009Анализ технологических процессов на насосных станциях канала. Разработка требований к системе оперативно-диспетчерского контроля и управления, элементов программного и технического обеспечения. Меры пожарной безопасности, экологический контроль.
дипломная работа [1,0 M], добавлен 25.04.2009Методика приготовления механического копра и шаблонов для установки образца. Определение ударной вязкости с использованием таблиц. Искривление образцов в зависимости от вязкости стали при испытании на удар. Проведение испытания на ударную вязкость.
лабораторная работа [2,1 M], добавлен 12.01.2010Методы контроля температуры газа. Разработка структурной и функциональной схемы системы контроля. Выбор термопреобразователя сопротивления и измерительного преобразователя, их технические характеристики. Проверка измерительной системы на точность.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 22.05.2012Сравнительный анализ известных методик ультразвукового контроля сварных швов. Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического тракта). Разработка метрологического обеспечения средств контроля, вспомогательных средств для сканирования объекта.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 14.02.2016Особенности кузнечно-прессового оборудования, влияющие на выбор способа контроля. Принцип действия электроконтактного устройства для контроля. Фотоэлектрические, радиоволновые и радиоизотопные средства контроля в кузнечно-штамповочном производстве.
реферат [1,6 M], добавлен 16.07.2015
