Автореферат: Аэрогидродинамический метод и устройство контроля вязкости жидких веществ

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).

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);