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.