Введение к работе
Актуальность темы исследования. Качество многих процессов и продуктов в различных сферах экономической деятельности определяется физическими свойствами используемых и производимых жидкостей: вязкостью и поверхностным натяжением. Измерение этих величин необходимо в авиации, автомобильной, горнодобывающей, деревообрабатывающей, лакокрасочной, нефтяной, пищевой, стекольной, химической и электротехнической промышленности, машиностроении, медицине, металлургии, сельском хозяйстве и энергетике.
Применение бесконтактных методов измерений вязкости и поверхностного натяжения позволяет устранять взаимное влияние средства и объекта измерений, снижать затраты времени и реактивов на очистку измерительных мкостей и чувствительных элементов и сохранять целостность оболочек живых организмов или технологических объектов. Контакт средства и объекта измерений может быть нежелателен по причине появления методической погрешности, механического разрушения объекта или его физико-химическим взаимодействием с элементами измерительного устройства.
В мировой практике для бесконтактного измерения вязкости и поверхностного натяжения применяют методы левитирующей капли, методы на основе капиллярных волн, волновые СВЧ и акустические методы, деформационные электрические и оптические методы. Большинство перечисленных методов невозможно использовать для измерения свойств вязких жидкостей (более 0,1 Пас), для которых особенно актуально отсутствие контакта средства и объекта измерений. Для многих методов характерно большое количество факторов, влияющих на результаты измерений, и сложный характер этого влияния.
Аэродинамические бесконтактные методы измерений вязкости и поверхностного натяжения, основанные на деформации поверхности контролируемой жидкости газовой струй, являются единственными, обеспечивающими получение достоверных результатов при вязкости более 0,1 Пас. Эти методы позволяют существенно сократить затраты времени и реактивов в ходе проведения измерений свойств жидкостей в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицине, однако их внедрение ограничивается рядом трудностей, на преодоление которых направлена рассматриваемая диссертационная работа.
Степень разработанности темы. Идея использования газовой струи для измерения поверхностного натяжения вязких жидкостей впервые предложена ещ в 1936 году (Pfund A. H., Greenfield E. W. Surface-tension measurements of viscous liquids // Industrial and Engineering Chemistry. 1936. Vol. 8, No. 2. Pp. 81–82.), однако дальнейшее развитие получила лишь в 1970-х. Под руководством М. М. Мордасова разработан ряд бесконтактных струйных методов измерений плотности, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей. В 1988 и 1991 годах в Великобритании и США опубликованы патенты на
струйные методы и устройства для измерений свойств жидкостей (S. Nowinski, P. G. Backes, B. M. Pierce, D. B. Chang).
В настоящее время предложено большое количество аэрогидродинамических методов измерений вязкости и поверхностного натяжения жидкостей. Однако не существует теоретически обоснованного и экспериментально под-твержднного бесконтактного аэродинамического метода измерений поверхностного натяжения. Среди аэродинамических методов не определены наиболее перспективные, устройства для реализации которых отличаются наименьшей погрешностью измерения и удобством в использовании. Многие методы следует отнести к контактным.
До настоящего времени не существует единой теории взаимодействия струи газа с поверхностью вязкой жидкости, обосновывающей аэрогидродинамические бесконтактные методы измерений свойств жидкостей. Отсутствуют теоретически обоснованные и экспериментально подтвержднные математические выражения для определения силы действия струи газа на поверхность жидкости. Не выявлено фундаментальное уравнение баланса на поверхности раздела газовой и жидкой фаз, которое должно быть положено в основу теоретического анализа бесконтактных аэрогидродинамических методов и устройств для измерений свойств жидкостей. Существующие математические описания нередко основаны на уравнении энергетического баланса, которое не соответствует физике процесса взаимодействия газа и жидкости.
Недостаточная обобщнность теоретических аспектов взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости затрудняет теоретический анализ бесконтактных аэрогидродинамических методов и устройств: определение факторов, влияющих на результат измерения, степень их влияния и способы его уменьшения; оценку диапазонов и точности измерений свойств жидкостей.
Цель работы заключается в решении проблемы повышения точности измерений вязкости и поверхностного натяжения жидкостей бесконтактными аэродинамическими методами за счт снижения чувствительности измерительных устройств к влияющим величинам.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
сформулировать требования к бесконтактным измерениям пассивных величин;
определить вид уравнения баланса на поверхности раздела фаз при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости для интегрального математического описания этого процесса;
определить зависимости силы действия газовой струи на поверхность жидкости от параметров газа перед отверстием истечения;
получить интегральное математическое описание взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости в динамическом режиме;
определить факторы, влияющие на результаты измерений поверхностного натяжения и вязкости жидкостей бесконтактными аэродинамическими методами, характер, степень влияния этих факторов и способы его снижения;
выявить пути снижения взаимного влияния величин плотности, поверхностного натяжения и вязкости жидкости на результаты измерений этих величин в различных методах;
оценить диапазоны измерений вязкости и поверхностного натяжения жидкостей различными бесконтактными аэрогидродинамическими методами;
разработать аэродинамический метод измерений поверхностного натяжения, отвечающий требованиям к проведению бесконтактных измерений;
на основании проведнных исследований проанализировать достоинства и недостатки различных бесконтактных аэрогидродинамических методов измерений вязкости жидкостей и выбрать наиболее перспективный из них;
разработать бесконтактные методы определения степени деформации поверхности жидкости газовой струй и провести их метрологические исследования;
разработать бесконтактные устройства для измерений вязкости и поверхностного натяжения жидкостей и провести их метрологические исследования.
Научная новизна.
-
Получено математическое описание процесса динамического взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости, позволяющее выбирать условия проведения, определять диапазоны и оценивать погрешности измерений поверхностного натяжения и вязкости жидкостей различными бесконтактными аэродинамическими методами. Для математического описания взаимодействия газа и жидкости использованы подходы теории автоматического управления и уравнение баланса сил на поверхности раздела фаз.
-
На основании результатов исследования зависимости соотношения поверхностной и выталкивающей сил от высоты углубления разработаны бесконтактные аэродинамические методы измерений поверхностного натяжения, отличающиеся тем, что благодаря уменьшению высоты углубления до 0,1 мм для определения степени деформации поверхности контролируемой жидкости использованы е собирающие свойства и снижено влияние плотности и вязкости на результаты измерений.
-
Проведены исследования чувствительности аэрогидродинамических устройств для измерений вязкости и поверхностного натяжения жидкостей к влияющим величинам, и предложены методы е снижения.
-
В результате анализа физических особенностей реализации бесконтактных методов изложены требования к проведению бесконтактных измерений пассивных величин, учитывающие необходимость энергетического воздействия на объект измерения и вопросы отбора проб.
-
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований проведн сопоставительный анализ предложенных аэродинамических методов измерений вязкости и поверхностного натяжения жидкостей и выбраны направления дальнейшего развития наиболее перспективных из них.
Теоретическая значимость работы.
-
Предложенные требования к проведению бесконтактных измерений пассивных величин позволяют исключить ошибки при определении наличия контакта средства и объекта измерения при решении конкретной измерительной задачи.
-
Доказано, что для интегрального математического описания процессов взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости необходимо использовать уравнение баланса сил на поверхности раздела фаз, так как только оно соответствует теореме об изменении количества движения. Использование уравнения баланса сил позволяет повысить адекватность математического описания процессов взаимодействия струи газа с поверхность жидкости в приборостроении, металлургии, химической технологии и авиационно-космической отрасли.
-
Получены выражения для расчта силы действия турбулентной газовой струи на преграду. Теоретически и экспериментально доказано, что физические свойства газа в струе и расстояние до преграды не оказывают существенного влияния на силу действия струи. Результаты исследований могут быть использованы при определении силового действия струй газов, жидкостей и сыпучих веществ на преграды в различных процессах.
-
Получено математическое описание динамического взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости, позволяющее определять чувствительность устройств, реализующих аэрогидродинамические методы измерений физических свойств жидкостей, к влияющим величинам, оценивать диапазоны и точность измерений.
-
Разработана методика определения критериев обусловленности систем линейных алгебраических уравнений для анализа точности методов измерений физических величин. Критерии показывают, во сколько раз возрастает погрешность определения искомых величин относительно погрешностей прямых измерений в результате плохой обусловленности системы.
-
Сопоставительный анализ бесконтактных аэрогидродинамических методов измерений вязкости и поверхностного натяжения жидкостей позволил выявить перспективные направления их дальнейшего развития.
-
Разработана методика определения чувствительности измерительного устройства к влияющим величинам по модели измерений, имеющей сложный вид. Методика может быть использована для анализа средств измерений, основанных на физических эффектах любой природы.
-
Полученные зависимости погрешностей определения расстояния до зеркальных поверхностей от конструктивных параметров триангуляционных измерительных систем позволяют производить метрологический анализ бесконтактных лазерных датчиков расстояния.
Практическая значимость работы.
1. Разработана установка для определения геометрических параметров поверхностей раздела газожидкостных систем, основанная на пропускании коллимированного светового луча через исследуемую систему.
-
Разработано бесконтактное аэродинамическое устройство для измерений поверхностного натяжения жидкостей. Определение степени деформации и установка устройства в заданное положение относительно поверхности контролируемой жидкости осуществляются триангуляционной измерительной системой.
-
Определены значения коэффициентов формы, позволяющие рассчитывать силовое действие газовых струй на преграды с различными углублениями.
-
Разработано бесконтактное аэрогидродинамическое устройство для измерений вязкости жидкостей с автономным формированием газовой струи.
-
Разработаны бесконтактные триангуляционные детекторы поверхности жидкости, фотопреобразователи которых с целью повышения точности включены по дифференциальным схемам.
-
Разработан алгоритм автоматической установки элементов бесконтактных аэрогидродинамических измерительных устройств на заданном расстоянии относительно поверхностей контролируемых жидкостей, обеспечивающий снижение влияния на результат измерения случайной составляющей погрешности определения расстояния и люфта в механических узлах устройств.
Методология и методы исследования. При формулировке требований к бесконтактным методам измерений пассивных величин использован метод индукции. Требования сформулированы по результатам анализа конкретных методов и средств измерений. Для упорядочивания знаний о бесконтактных методах измерений физических свойств жидкостей применн метод иерархической классификации.
В теоретическом анализе колебательного режима взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости использованы электрические аналогии. Для математического описания процессов взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости в стабильном режиме использовалось моделирование. Динамические характеристики двухфазной системы «струя газа – жидкость» получены с использованием математического аппарата теории автоматического регулирования. В ходе экспериментальных исследований использованы статистические методы обработки результатов измерений.
При метрологическом анализе методов одновременных бесконтактных измерений плотности и поверхностного натяжения жидкостей критерии обусловленности системы уравнений баланса сил получены с использованием методов расчта погрешностей косвенных измерений. Для определении чувствительности бесконтактных устройств для измерений вязкости на основе вынужденных колебаний поверхности контролируемой жидкости к влияющим величинам применн метод абстрагирования, при котором все величины, кроме рассматриваемой, принимались за постоянные.
Положения, выносимые на защиту.
-
Требования к проведению бесконтактных измерений пассивных величин, учитывающие необходимость энергетического воздействия на объект измерения, вопросы отбора проб и цели применения бесконтактных методов.
-
Математические зависимости силы действия газовой струи на поверхность жидкости от массового и объмного расходов газа и давления перед отверстием истечения, зависимость числа Рейнольдса от силового действия газовой струи.
-
Математическое описание процессов взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости, основанное на уравнении баланса сил на поверхности раздела фаз, методика определения силы поверхностного натяжения, структурные схемы и динамические характеристики системы «струя газа – жидкость».
-
Методика получения критериев обусловленности систем уравнений, основанная на методах расчта погрешностей косвенных измерений и позволяющая оценить увеличение погрешности измерения вследствие решения системы.
-
Функции измерений поверхностного натяжения и вязкости жидкостей аэродинамическими методами.
-
Бесконтактный метод измерений поверхностного натяжения, отличающийся малой деформацией (0,1 мм) поверхности контролируемой жидкости и низким влиянием е плотности и вязкости на результат измерения.
-
Методика определения чувствительности измерительного устройства к влияющим величинам по модели измерений, имеющей сложный вид, и результаты определения чувствительности бесконтактных аэрогидродинамических устройств для измерений вязкости к плотности и поверхностному натяжению контролируемой жидкости.
-
Бесконтактный аэрогидродинамический метод измерений вязкости на основе вынужденных колебаний поверхности контролируемой жидкости по сдвигу фаз этих колебаний относительно колебаний силового действия газовой струи.
-
Результаты сопоставительного анализа различных аэродинамических методов измерений вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.
10. Зависимости погрешностей определения расстояния до зеркальных
поверхностей от конструктивных параметров лазерных триангуляционных
измерительных систем.
Степень достоверности результатов. Уравнение баланса сил, положенное в основу математического описания взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости, и исследования силового действия турбулентных газовых струй базируются на теореме об изменении количества движения, что полностью соответствует положениям классической гидравлики и газовой динамики. Определение динамических характеристик системы «струя газа – жидкость» основывается на положениях теории автоматического регулирова-
ния. Все теоретические выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований.
Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается применением известных и хорошо изученных методов измерений физических свойств жидкостей: пикнометрического метода для измерений плотности, метода втягивания пластинки для измерения поверхностного натяжения и ротационного метода измерений вязкости. Для реализации пикно-метрического метода и метода втягивания пластинки использованы лабораторные весы ВЛ-120С с функцией самокалибровки и абсолютной погрешностью не более 1 мг, для измерения вязкости – вискозиметр Brookfield LVF с относительной погрешностью не более 1 %.
Реализация результатов. Разработанные устройства прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО «Тамбовский завод «Октябрь», ОАО «Воронежсельмаш», ПАО «Тамбовский завод «Электроприбор», ОАО «Тамбовский хлебокомбинат», НПО «Миэлта Технологии», АО «Тулиновский приборостроительный завод «ТВЕС». Результаты диссертационной работы используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета и научной работе НПО «Миэлта Технологии».
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждены и получили положительные отзывы на международных и всероссийских научно-технических конференциях «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2018, 2017 гг.), «Современные тенденции развития науки и производства» (г. Кемерово, 2017 г.), «Информационные технологии в управлении и моделировании мехатронных систем» (г. Тамбов, 2017 г.), «Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование» (г. Курск, 2017 г.), «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2017 г.), «Мехатроника и робототехника (МиР-2017)» (г. Орел, 2017 г.), «Измерения в современном мире – 2017» (г. Санкт-Петербург, 2017 г.), «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-30, ММТТ-27, ММТТ-24» (г. Санкт-Петербург, 2017 г.; г. Саратов, 2014 г.; г. Пенза, 2011 г.), «The World of Science without Borders – Мир науки без границ» (г. Тамбов, 2016, 2013 гг.), «В. И. Вернадский: устойчивое развитие регионов» (г. Тамбов, 2016 г.), «Актуальные проблемы энергосбережения и эффективности в технических системах» (г. Тамбов, 2016, 2015 гг.), «17th International Conference on Thermophysics and Heat Transfer» (17я Международная конференция по теплофизике и теплообмену, г. Лондон, 2015 г.), «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (г. Тамбов, 2015, 2014 гг.), «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2008 г.); в ходе проведения Международных теплофизических школ (г. Душанбе, г. Москва, г. Тамбов, 2014, 2012, 2010 гг.) и всероссийской научной школы «Актуальные проблемы нано-и микроэлектроники» (г. Тамбов, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 монографии, 24 статьи в научных журналах из перечня ВАК, из которых переводные версии 11 статей опубликованы журналах, индексируемых в системах Web of Science и Scopus, получено 7 патентов на изобретения.
Финансовая поддержка. В ходе работы над диссертацией ряд исследований выполнен при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (соглашение № 14-08-31060-мол_а по проекту «Исследование поведения твердых и жидкокристаллических структур на границе раздела «газ-жидкость» при динамически меняющихся параметрах газовой фазы»), Российского научного фонда (соглашение № 15-19-10028 по проекту «Развитие теоретических основ создания научно-исследовательской базы для систем защиты органов дыхания человека от поражающих факторов химической и биологической природы»), по программе Президента Российский Федерации (соглашение № НШ-2411.2014.3 по проекту «Разработка научных основ твердофазных технологий получения нового класса композиционных полимерных материалов и изделий конструкционного и функционального назначения для разностороннего технического применения»), по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014– 2020 годы» (соглашение № 14.577.21.0214 по проекту «Построение моделей и алгоритмов информационного обеспечения систем технического зрения для контроля качества растительной сельскохозяйственной продукции», уникальный идентификатор проекта RFMEFI57716X0214).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 75 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 291 наименование.