76

«Вісник СумДУ», №12(58), 2003

Аналіз застосування гідродинамічних дросельних вимірювальних перетворювачів для аналізу фізико-механічних характеристик рідин

М.П.Кулик, канд.техн.наук

м.Івано-Франківськ, ІМЕ

Фізико-механічні характеристики рідин (чистих або сумішей) визначають якісні показники готової продукції. Тому безперервний контроль таких характеристик в технологічному процесі синтезу або переробки є досить важливим, а в деяких випадках без такого контролю стає неможливим ведення самого технологічного процесу.

До таких характеристик рідин або сумішей відносять густину , динамічну і кінематичну в'язкість, а також комплексний параметр ^2/. Знаючи вищеназвані характеристики, можна легко оцінити якісні параметри рідин чи їх сумішей.

Суть гідродинамічного дросельного методу полягає в пропусканні через відповідний дросельний елемент аналізованої рідини та визначенні величини, яка тим чи іншим способом пов'язана з фізико-механічною характеристикою рідини. До таких величини відносять перепад тиску на елементі та витрату рідини через нього.

Як дросельні елементи можуть використовуватися капілярні трубки (ламінарні дроселі), а також діафрагми, сопла (турбелентні дроселі). Такі дросельні елементи вносяться у відповідні вимірювальні схеми (подільники тиску чи мостові вимірювальні схеми).

Теоретичні основи таких гідродинамічних вимірювальних перетворювачів описані в роботах 1,2,3.

Розрізняють два режими роботи таких вимірювальних схем - режим постійного перепаду тиску та режим постійної витрати контрольованої рідини. В першому випадку вихідним сигналом вимірювальної схеми є витрата, а в другому - перепад тиску.

Оскільки реалізація режиму постійного перепаду тиску обмежена точністю регуляторів тиску для рідин, то такий режим проаналізуєм тільки на рівні теоретичних еврастичних припущень.

У роботі 4 описана математична модель гідродинамічного дросельного вимірювального перетворювача, що складається із паралельно включених одинакових подільників тиску, кожний із них, в свою чергу, побудований у вигляді двох послідовно поєднаних капілярів однакового внутрішнього діаметра та різної довжини, з протилежних розміщенням довгих та коротких капілярів. У режимі постійного перепаду тиску вихідний сигнал такої вимірювальної схеми є функцією конструктивних параметрів, параметрів живлення та параметричного компексу контрольваної рідини, який визначається як = ²/. В іншій роботі 5 показано, що при використанні для математичного опису загальновідомої формули Пуазейля така вимірювальна схема з точки зору оптимізації конструктивних параметрів є безперспективною. Еквівалентом такої вимірювальної схеми може бути одиночний капіляр довжиною, яка дорівнює різниці довжин довгого та короткого капілярів.

При використанні для математичного опису такої схеми уточненої формули Гагена-Пуазейля появляється можливість провести оптимізацію конструктивних параметрів з метою знаходження конструктивних параметрів, які забезпечують максимально можливу чутливість вимірювальної схеми.

Режим постійної витрати дозволяє досягнути при побудові вимірювальних схем з використанням як ламінарних, так і турбулентних дроселів вимірювання таких параметрів рідин, як густину , динамічну в'язксть , а також комплексний параметр у вигляді (- ). Розглянемо детальніше декілька таких схем.

Функцію перетворення такої схеми можна спрощено подати у вигляді

. ( 1 )

Детальний аналіз виразу (1) показує, що схема дозволяє вимірювати густину контрольваної рідини при використанні турбулентних дроселів та динамічну в'язкість при використанні ламінарних дроселів.

Мостова схема являє собою паралельне поєднання двох однакових подільників, складених із капілярів однакового внутрішнього діаметра та різної довжини, з протилежним розміщенням капярних трубок однакової довжини.

Функція перетворення такої вимірювальної схеми аналогічна до виразу (1) із заміною параметра на динамічну в'язкість . Така схема дозволяє вимірювати динамічну в'язкість з автоматичною компенсацією поправок на кінетичну енергію та поправок на вхідні ефекти, які для деяких типів рідин, зокрема для неньютонівських, можуть складати частку 30-40 % всього перепаду тиску на капілярі, що значною мірою спотворює результат вимірювання.

При певному співвідношенні та додатковому вимірюванні тиску на короткому капілярі різниця перепаду тиску на короткому капілярі та вихідного перепаду тиску в діагоналі мостової схеми дозволяє оцінити величину вхідних ефектів та поправки на кінетичну енергію.

Величина вхідних ефектів пов'язана, як показано в роботі 6 на основі проведених експериментів, із концентрацією полімеру в розчині, що може використовуватися для інтенсифікації процесу полімеризації.

Особливе значення при визначенні фізико-механічних характеристик рідин має їх температурна залежність. Температурну компенсацію таких змін можна здійснювати за допомогою капілярів, виконаних із двошаровою стінкою, причому коефіцієнт температурного лінійного розширення внутрішнього шару повинен бути більшим за такий же коефіцієнт розширення зовнішнього шару 7, виконання внутрішнього шару у вигляді спірально-згорнутої полоси тонкого матеріалу з певним температурним коефіцієнтом лінійного розширення 8, а також використання коаксіальної теплової трубки як основного елемента капілярної трубки 9.

У роботі 10 запропоновано спосіб вимірювання густини високов'язких рідин без досягнення турбулентного режиму витікання та пристрій для його реалізації шляхом включення у мостову вимірювальну схему капілярів однакового внутрішього діаметра та довжини, один з них виконаний у вигляді спіралі, в якій зберігається постійний поперечний переріз.

Схема, що пояснює даний спосіб вимірювання густини високов'язких рідин, особливо неньютонівських, наведена на рис.2.

Якщо у мостову вимірювальну схему включити два різнотипні дросельні елементи з протилежним їх розміщенням (турбулентний та ламінарний), вихідний сигнал буде пропорційний різниці .

Неможливістю досягнення турбулентного режиму витікання, що має місце при дослідженні високов'язких рідких сумішей, обмежує використання такої схеми. Однак таке завдання легко виконується, як показано в роботі 11, з використанням спіральних капілярів ( рис.2).

Виконання вимірювальної схеми у відповідності до рис.3 дозволяє одночасно вимірювати як динамічну в'язкість , так і густину контрольованого середовища, рі контролю якісних показників різного виду нафтопродуктів. Однак у цьому випадку потрібен спеціалізований обчислювальний пристрій.

Авторами 12 запропонований ГДВП для вимірювання кінематичної в'язкості безпосередньо щодо перепаду тисків у вихідній діагоналі ГДВП динамічної в'язкості та гідростатичному тиску стовпа рідини.Схема такого вимірювального перетворювача наведена на рис.5.

Даний ГДВП працює таким чином. Мостова схема, яка побудована за описаною раніше схемою, є вимірювальним перетворювачем динамічної в'язкості. Вихідний сигнал цієї мостової схеми порівнюється із сигналом дифманометра, який підключений до наливного циліндра.

У момент рівності перепадів тиску має місце рівність, з якої можна отримати

. (2)

З виразу (2) бачимо, що момент рівноcті перепадів тиску висота стовпа рідини в циліндрі пропорційна кінематичній в'язкості рідини.

Розглянуті вимірювальні перетворювачі забезпечують безпосередне вимірювання цілої гамми фізико-механічних параметрів рідких сумішей та можуть широко використовуватися для цілей аналітичного контролю та контролю за виробничими процесами.

Список літератури

1. Пистун Е.П. Теоретические основы построения и расчета газогидродинамических дроссельных измерительных преобразователей//Пневмоавтоматика^ Тезисы докладов ХY Всесоюзного совещания. - Москва, 1985. - Ч.1.- С. 1045-105.

2. Пистун Е.П., Кулик М.П. Гидродинамические устройства для реологических исследований полимерных материалов// Процессы и аппараты производств полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия: Тезисы докладов Всесоюзной конф.- Москва, 1982.-Т.1.- С.4-5.

3. А. с. № 371 479 СССР.Устройство для измерения вязкости: Е.П. Пистун, Л.П. Фабри, В.М. Кос, Л.П. Данельская, Е.М. Испирьян. - Опубл. В БИ № 12.-1973.

4. Пістун Є., Кулик М. Математична модель гідродинамічної системи на ламінарних дроселях для ньютонгівських речовин.1- st International modeling school.- Krym-Autumn`96.- September 12-17.- 1996.- Alushta, Ukraine, Rzeszow.- 1996.

5. Данельская Л.П. и др.Измерение вязкости жидклстьей дроссельнім мостом. В сб.” Автоматизироованный контроль, регулирование и управление производственными процессами в химической промышленности”. - Киев: Изд.РДЭНТП.- 1972.- С. 48-51.

6. А. с. № 623137 СССР. Способ определения концентрации высокомолекулярных соединений: М.П. Кулик, В.И. Васильев, Н.А. Коноваленко, В.Ф. Лебедев, Б.А. Марков, Т.С. Подольский и др. - Опубл. БИ № 9.-1978.

7. А.с. № 550558 СССР. Устройство для измерения вязкости: М.П. Кулик, Е.П. Пистун, Т.С. Подольский, А.Н. Тихомиров и др. - Опубл. в БИ № 10.-1977.

8. Авт. свид. № 1179151 СССР. Устройство для измерения вязкости: Е.П. Пистун, М.П.Кулик, Б.С. Билобран.

9. А.с. 642626 СССР. Чувствительный элемент капиллярного вискозиметра: М.П. Кулик, Е.П. Пичтун, А.П. Болдырев. - Опубл. в БИ№ 2.- 1979.

10. Кулик М.П., Пистун Е.П. Преобразователь плотности неньютоновских жидкостей, инвариантный к из вязкости//Автоматизация и контрольно-измерительные приборы. - - 1980. - №2. - С.19-21.

11. А.с. № 958909 СССР. Устройство для измерения показателя качества процесса полимеризации: М.П. Кулик, Е.П. Пистун. - Опубл. в БИ №24. - 1982.

12. А.с. № 1374098 СССР.Устройство для измерения вязкости: Е.П. Пистун , М.П. Кулик , А.Б. Крых . - Опубл. в БИ № 6. - 1988.