автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Аэродинамический бесконтактный метод контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов

РГБ ОД

На правах рукописи

ФИЛАТОВ Иван Сергеевич

1ЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ, МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

циальность 05. 11. 13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2000

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом у1 верситете на кафедрах «Автоматизированные системы и приборы» «Материалы и технология».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель РФ, Мордасов Михаил Михайлович; кандидат технических наук, доцент Брусенцов Юрий Анатольевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный работник высшей школы РФ Дмитриев Дмитрий Александрович; кандидат технических наук, доцент Леонтьев Евгений Алексеевич.

Ведущая организация: ОАО «Электроприбор» (г. Тамбов).

Защита диссертации состоится 22 июня 2000 г. в 1500 часов на за дании диссертационного совета К 064.20.03. Тамбовского государств« ного технического университета по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Сов екая, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, прос направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан « 2-0 » ^ШМ._ 2000г.

Кзоь-Мсзлг, о

л ^ А П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выпуск продукции высокого качества зависит не только от использования современного технологического оборудования, но и от методов и средств для получения оперативной информации о ее составе и свойствах.

Поверхностное натяжение (ПН) является одной из основных физических величин, характеризующих свойства веществ. Измерение ПН играет существенную роль при контроле технологических процессов изделий металлургии, полимерного производства, радиоэлектронной и других отраслей промышленности. От характеристик поверхности расплава зависит жидко-текучесть, заполнение литейных форм, отвод газов и,-как следствие, качество огливки в целом. В радиоэлектронной промышленности качество паяных соединений напрямую зависит от адгезии припоев к соединяемым деталям, а значит, от поверхностного натяжения этих припоев.

В процессах литейного и полимерного производства возникает необхо-щмость контролировать* поверхностное натяжение расплавленных лолиме-юв, металлов и сплаёйв-при высоких температурах. Это делает затруднительным, а в ряде 'случаев невозможным применение известных методов имерения поверхностных свойств расплавов.

. Условия практической применения устройств для определения по-1ерхностного н атн же ни я расплавов требуют от них не только высокой точ-юсти и механичеСкйй 'йрочнобти, но и высокой надежности работы при ювышенных температурах в условиях высокой концентрации паров рас-шавленных металлов;' Подавляющее' большинство существующих цн$вма-ических приборов для контроля ПН являются контактными средствами змерения. Но многих случаях контакт с контролируемой средой цриводит ^существенным дйполнйтельным погрешностям либо к полному выходу из троя измерительных преобразователей (ИП).

Одной из актуальных задач современного приборостроения является азработка дешевых бесконтактных высоконадежных^ обладающих требуе-ой точностью устройств экспресс-контроля поверхностного натяжения асдлавов, позволяющих проводотЬ'1 определение ПН непрсредственнр, в зловиях производства. : 11

Таким образом,'актуальной является задача применения бесконтакг-ых методов для измерения поверхностного натяжения расплавленных по-тмеров, металлов и сплавов и разработка реализующих их устройств.

Цель работы. Применение бесконтактного аэродинамического метода 1я контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, метал-)в и сплавов и разработка устройства, реализующего этот метод.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следуклщ задачи:

- изучить физические процессы взаимодействия электрического по. пленарного емкостного преобразователя с исследуемой средой;

- исследовать процессы, происходящие при воздействии струи газа 1 поверхность расплава и разработать методику доя предотвращения локал ней кристаллизации поверхности; -

— получить зависимость изменения емкости ПИП от параметров д формированной поверхности;

- провести метрологический анализ бесконтактного аэродинамич ского метода измерения поверхностного Натяжения, расплавленных пол) меров^ металлов, сплавов и непроводящих жидкостей;

- - разработать устройство для контроля поверхностного натяжения коррекцией систематической составляющей погрешности по плотности пули его Использования в универсальном устройстве для измерения поверх» сшога натяжения жидких сред, расплавов полимеров, металлов и сплавов;

- осуществить экспериментальную проверку результатов работы.

Научная новизна. Разработана методика бесконтактного измерения п(

верхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавс аэродинамическим методом с использованием емкостного преобразовател которая заключается в следующем:

- на фиксированном расстоянии от поверхности исследуемого вещее: ва располагается первичный измерительный преобразователь (ПИП), « стоящий из планарного конденсатора (ПК) с начальной ёмкостью С0 продувочного капилляра;

- определяется изменение емкости конденсатора и находится плот ность исследуемого полимерного расплава;

• ' - на газовый капилляр подается воздух с постоянным расходом, фда сируется изменение ёмкости ПК, зависящее от параметров деформировав ной поверхности расплава и определяется значение поверхностного натя жения.

Исследовано теоретически и доказано экспериментально, что наи большая точность измерения обеспечивается при следующих условиях:

- для создания равномерного электрического поля величина зазора планарном конденсаторе должна быть постоянной;

- частота питания датчика выбирается с учетом релаксационных явле ний в жидких средах и эффекта распределенных линий и равна 9 МГц;

' - - скорость истечения газа из капилляра выбирается, исходя из услови стабильного взаимодействия струи с поверхностью расплава;.

- температура газа на выходе из капилляра должна превышать темпера-гуру поверхности расплава не менее, чем на 10 °С. .

Практическая ценность. Разработано бесконтактное аэродинамическое /стройство для измерения поверхностного натяжения расплавов полимеров, металлов и сплавов. Оно может быть применено в качестве основы, для соз-щния прибора экспресс-контроля поверхностного натяжения расплавлен- ■ шх полимеров, металлов и сплавов.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экснерименталь-шх исследований автора прошли промышленные испытания и рекомендо- • ¡аны к внедрению на предприятиях: ОАО «Электроприбор». Они также , ^пользуются в научно-исследовательской и учебной работе в Тамбовском осударственном техническом университете.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV и / научных конференциях ТГТУ, а также на научных семинарах кафедр •Материалы и технология» и «Автоматизированные системы и приборы».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти лав, списка литературы и приложения. Основная часть изложена на 132 траницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 31 таблицу. Список литературы включает 56 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы. Дана краткая характери-;тика содержания диссертаций по главам. Сформулированы результаты ис-ледований, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор существующих методов для измерения юверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов, шределены их достоинства и недостатки. -

Так, в работе Ю. А. Дерябина предложна методика расчета поверхнот -тного натяжения расплавов по размерам безэкваториальных капель, а Л. М. Кусаковым создана на этой основе установка для измерения ПН асплавленных полимеров. Андреас, Хаусер и Тукер предложили. способ цределения поверхностного натяжения расплавов по форме висящей кап-и. Вильгельми использовал метод погруженной пластины, соприкасающейся с исследуемым веществом (жидкостью или расплавом).

Для исследования поверхностного - натяжения распдавоц и жидких щелочных металлов применяется метод двух скачков, основанный на капиллярном поднятии. Для измерения -поверхностной энергий щелочных и редкоземельных металлов П. П. Пугачевич и Р. В. Лебедев предложили метод, заключающийся в переплавке металла с последующей его перегонкой в вакууме. Установки для определения ПН расплавленных металлов, предложенные Ю. М. Гогиберидзе, Пайндекстером и Кернаганом, основаны на методе лежачей капли и позволяют определять поверхностное1 натяжение расплавов в вакууме или инертной атмосфере. П. П. Пугачевич предложил использовать пневматические методы для измерения поверхностного натяжения расплавленных полимеров Однако все они предусматривают контакт с исследуемым расплавом в процессе измерения, что делает невозможным их применение для контроля !ПН высокотемпературных расплавов.

Контроль физико-механических свойств расплавов полимеров, металлов и сплавов, а также склонных к налипанию, быстрокристаллизующихся, высокотемпературных, агрессивных и других сред со специфическими свойствами целесообразно осуществлять бесконтекстными методами. К таким относятся прежде всего аэродинамические методы, основанные на взаимодействии газовой струи с поверхностью жидкости и измерении параметров образованного на поверхности углубления. Рослер и Стьюарт применили аэродинамический метод для определения поверхностного натяжения жидких сред. Параметры деформированной поверхности они определяли с помощью оптического метода. 4

Применение фотометрического метода нецелесообразно из-за высокой температуры воздуха над расплавом. М. М. . Мдрдосов, В. И. Гализдра и Д. А. Дмитриев создали прибор для измерения поверхностного,,нат;яжения жидких сред аэродинамическим методом. В качестве первичного измерительного преобразователя использовался ёмкостной датчик с обкладкой, погружённой в исследуемую жидкость. Вторая обкладка располагалась над поверхностью жидкой среды. Бесконтактных аэродинамических методов для измерения поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов обзор не выявил.

Бесконтактный оперативный; контроль физико-механических свойств веществ для многих отраслей производства (металлургия, производство изделий из пластмасс) является важной проблемой. В качестве датчика для этих целей может быть использован планарный ёмкостной преобразователь, реагирующий на изменение-параметров деформируемой поверхности. Экс-

пресс-контроль с помощью аэродинамических методов непосредственно в производствах, использующих расплавы металлов и полимеров, не требует отбора проб, а данные результатов анализа могут быть получены в момент измерений.

Определены цели и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрено воздействие струи газа на поверхность расплава. При этом происходит локальная кристаллизация его поверхности в результате теплоотдачи. Эксперимент проводился на расплавленном олове с температурой поверхности-250 °С на установке (рис. 1).

>

при измерении поверхностного натяжения расплавов

Температура поверхности измерялась безинерционной ХК-термопарой 2, и показания регистрировались самопишущим прибором 1. Теплообменник 3 располагался над нагревателем 4. Емкость с расплавом олова 5 помещалась на электронагреватель 6. Регулятором мощности 7 устанавливалась необходимая температура нагревателей 4, 6 и 8. На рис. 2 показано изменение температуры поверхности расплава при воздействии на нее воздушной зтруёй. При воздействии воздушной струи происходило падение температуры до 235 "С и на поверхности расплава возникала локальная кристаллизация. что делало измерение невозможным (рис. 2, зависимость 1).

Рис. 2 Изменение температуры расплавленной поверхности

Была рассчитана необходимая площадь теплообменника, равная 0, 014 м2: мощность электронагревателя Рэн = 38,6 Вт.

Применение теплообменника и нагревателя предотвращает локальну* кристаллизацию поверхности расплава (рис. 2, зависимость 2). Видно, чт термодинамическое равновесие между поверхностью и струей воздуха уста навливается и в дальнейшем температура не изменяется. В этом случае кри сталлизации поверхности не возникает. Применение спирального теплооб менника, расположенного над .поверхностью расплава и нагревателя позво ляет измерять поверхностное натяжение как высокотемпературных, так ! низкотемпературных расплавов, имеющих температуру плавления ниже 100 °С Такие, например, как сплавы Розе, Вуда^ широко применяются в радиоэлек тронной промышленности для пайкй'микросхем. г

В качестве первичного измерительного преобразователя выбран пла-нарный конденсатор. Показано, что на высокой частоте диэлектрическая проницаемость вещества С[ носит комплексный характер

___' • " „ , ЕСТ — ®ОП /г

=Еоп+-1т—(1,

диэлектрическая проницаемость вещества на высокое

где ёол= 1 +-а

' ео

частоте (М - количество объектов вещества плотностью р; есх- статически;

диэлектрическая проницаемость вещества, измеренная на постоянном токе [частота со = 0).

Дано обоснование использования этого типа датчика, определены его геометрические размеры и форма. Рассмотрен процесс взаимодействия поля планарного конденсатора с поверхностью жидкостей - имитаторов сред (бензин, этиловый спирт, машинное масло, дистиллированная вода, глицерин). Наибольшее изменение, ёмкости датчика для любых сред происходит на расстоянии от 5 до 8 миллиметров. В нашем случае датчик устанавливался на расстоянии 5 мм от поверхности.

При расчётах ёмкости и динамических параметров планарного конденсатора в работе использовались пространственные характеристики поля в виде «половины трубы» (рис. 3).

Для равномерного распределения электрического поля между обкладками конденсатора зазор должен быть постоянным. Геометрия планарного конденсатора показана на рис. 4. Потенциальная 2 и заземлённая обкладка 1 подключаются на вход высокочастотного измерителя ёмкости. В центре планарного конденсатора расположен продувочный капилляр 3. Данная конструкция представляет собой' Законченный измерительный преобразова-

Рнс. 3 Пространственные характеристики поля планарного конденсатора: 1 - диэлектрик; 2 - поле в диэлектрике; 3 - поле в виде «половины трубы»; 4 - поле в зазоре; 5 - обкладки

Начальная ёмкость планарного конденсатора определялась по формуле:

где а, Ь, с - длина, ширина и толщина обкладок соответственно, /л - ширина зазора.

гель.

С0=0,01| 8,8б( 0,4(а + Ь) + + 70,8(0,4(я + Ь))

(2)

Рис. 4 Планарный емкостной преобразователь

Проведённые исследования показали, что ёмкость конденсатора, расположенного над поверхностью жидких сред зависит от их плотности и от частоты питания датчика. Это происходит вследствие релаксационных процессов, возникающих в жидкостях (рис. 5). пф.

Зи

Рис. 5 Изменение емкости планарного конденсатора в зависимости от

частоты питания: ■ - бензин; • - этиловый спирт;

О - машинное масло; р - вода; ж. - глицерин

Частота питания ёмкостного преобразователя выбрана равной 9 МГц, так как она лежит выше частот релаксации молекул модельных жидкостей и при этом не проявляются эффекты распределённых линий. Для расплан-

1енных полимеров, металлов и сплавов частоты релаксации лежат значи-ельно ниже, чем для исследуемых жидких сред.

Из формулы (1) выводится значение плотности:

_ (ест - еоп)Ео ' ■ '■• Р ~ N0 -

Принимая количество объектов N постоянным и равным 1 (так как их 1азмеры выбираются произвольно), раскрывая поляризуемость а и обозна-[ив диэлектрическую проницаемость (ДП) как ев (за пределами частот ре-[аксации) формула (3) приобретает вид

ЗгвЕр(? + 273) ' - (

0,025

При постоянной температуре ? = 20 °С и выражении ДП через изме-[ение ёмкости

КС а

, (4)

Данная формула.может быть применена для определения плотности азличных веществ. Обработкой экспериментальных данных в узком диапа-оне получено выражение, позволяющее определять плотность жидкостей [а выбранной частоте при постоянном расстоянии датчика до поверхности.

рж = 63,7ДСр+12,1, (5)

де рж - плотность жидкости, ДСР - изменение ёмкости датчика при посто-н ном расстоянии до поверхности. , , ..

Третья глава посвящена получению статической характеристики бес-онтактного аэродинамического метода определения поверхностного натя-;ения жидкостей и расплавов. Получены зависимости, позволяющие опре-елять значения поверхностного натяжения при различных температурах асплавов.

Из уравнений, описывающих взаимодействие вертикальной струи газа поверхностью жидкости, получена зависимость, позволяющая находить 1Н по параметрам воздействия и реакции поверхности:

| ЛЛ^ЙстРв«. + ПвпФж - вп

~ 5ВГ1 - 0,785(1,2</с + 0,05АдП)2 те <},. - радиус и диаметр капилляра-*,£/„„ - скорость истечения газа лотностью. рв из капилляра; к - расстояние от кромки капилляра до по-грхно'сти исследуемой среды плотностью рж; Авп - глубина деформирован-ой (вогнутой) поверхности; Увп й 5е„ - объём и площадь углубления поверхно-

КФяаРпЬ + МРж -

■ ..... о . .(б)

ги.

Для получения статической характеристики были определены величины, входящие в выражение (3), на которые влияет изменение поверхностного натяжения. К ним относятся глубина Лвп, объём Квп и площадь ¿вп деформированной поверхности. Значения параметров , рв остаются постоянными при стационарном аэродинамическом воздействии газа на поверхность. Плотность жидкости рж принимается равной средней плотности из диапазона исследуемых жидких сред. Для нахождения взаимосвязи между Лцп и значениями Увп и ¿"вп в экспериментах использовались имитаторы сред - прозрачные жидкости. Определение параметров углубления на поверхности жидкой среды при воздействии на неё струёй газа проводилось «теневым» методом на фотоустановке (рис. ,6) и получена формула кривизны поверхности.

I

Рис. 6 Установка для определения параметров деформированной поверхности «теневым» методом: 1 - фотоаппарат ; 2 - оптическая скамья; 3 - прозрачная кювета с координатной сеткой; 4 - деформированная поверхность жидкости; 5 - аэродинамический капилляр; 6 - линза-коллиматор; 7 - источник света

Фотографии деформированной поверхности (рис. 7) показывают, что при стабильном взаимодействии струи газа с поверхностью жидкостей форма углубления принимает вид полусферы (рис. 8),

рв

.. -♦.■(_.>« ¿Л... ' <

13

ЩЮт^''.....Г.....Щ

■ ^ятгяакг.

■ •тшжятттхж? ,

■■'штттятт'

■=5ЙЯЯВ!ЙЗГ •'•"ШИШ®"

Бензин Глицерин

Рис. 7 Форма деформированной поверхности жидких сред

Объём и площадь углубления на поверхности рассчитываются как глощадь и объём полусферы1 радиусом йв,„ и выражение (6) преобразуется

\ ^с2{/истРв/г + Лвп(рж - рв)я | л(2йвп)3

_ _ Л___________:____п\

4Л(2АВП)2 -Д,571(ЛС+0,05АВП)2

Рис. 8 Параметры Деформированной поверхности жидких сред

После аппроксимации данных полиномом первой степени получаем выражение, связывающее глубину деформированной поверхности йвп с поверхностным натяжением аж жидких сред

стж = -51997,3/гвп + 325,7 . , ,. ( (8)

Определение поверхностного натяжения расплавленных полимеров осуществлялось по методике, аналогичной для жидкостей. Полимеры: пошатал ен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид нагревались до температуры, превышающей на 10 °С температуру их структурной деструкции. Получено выражение, позволяющее определять ПН расплавленных толимеров по глубине деформированной поверхности кт

сгпол = -10030/г8п +80. ,. ¡п.,.- (9)

Для расплавленных металлов и сплавов (1распл> ^ на Ю °С) была по-гучена статическая характеристика для низкотемпературных сплавов: сплава Розе, припоев ПОС-40, ПОС-60 и олова

Г,,,м - 12731,4/!,,., —419. . . . (10)

Изучена зависимость ёмкости измерительного преобразователя от параметров углубления на поверхности. На жидкостях - имитаторах сред отработана методика определения ПН расплавленных полимеров и металлических расплавов с коррекцией по плотности и получена зависимость:

. 519ЛС „

где ож - поверхностное натяжение модельных жидкостей; АСор - изменение ёмкости при деформации поверхности вертикальной струей газа. При рассмотрении взаимодействия поля планарного конденсатора с поверхностью расплавленных полимеров необходимо принимать во внимание нагрев воздуха над расплавом. При этом Изменяется его плотность и диэлектрическая проницаемость, что ведёт к> погрешностям определения ёмкости. Получена формула, учитывающая влияние температуры

■Рдал = 55Я*(ДСР - 0,002 (0,6 и^Щ + 14), (12)

-а.

где рпол - плотность полимера^ю^м3; /пов - темперщура поверхности расплавленного полимера.

Поверхностное натяжение расплавленных, полимеров с коррекцией по плотности и температуре определяется из выражения

_ 10ДСстрпол - 0,012?пов - 0,4 : • °пол 1,9ДСрпол - 0,004ГПОВ - 0,0002 ' '

При расположении планарного конденсатора над поверхностью расплавленных металлов и сплавов его ёмкость изменяется пропорционально расстоянию до поверхности. Плотность расплава не оказывает влияния на емкость вследствие Ьго проводимости. Поэтому в качестве одной из обкладок измерительной системы удобно использовать проводящую поверхность металлического расплава.

При определении ПН расплавленных металлов и сплавов необходимо учитывать влияние напева воздуха в зазоре конденсатора. Получена зависимость для определения ПН расплавленных металлов и сплавов при известной плотности ррМ по изменению: ёмкости ДСорРМ и различных температурах поверхности /пов

8750 С СррРМ - 0,0018(0,6/поц - 20) 1 '

0рм = ' —Ц"-—+ 419]' . <14>

Для реализации метода определения поверхностного натяжения необходимо выполнение следующих условий:

- аэродинамическую систему размещают над поверхностью исследуе-юй Жидкости на расстоянии, при котором обеспечивается наибольшая чув-гвительность и точность измерений и определяют температуру над поверх-остью;

- по изменению ёмкости датчика ДСр судят о значении плотности рас-лавленного полимера или жидкой среды; . к :'

- на вход аэродинамической 'сйстемы подают сжатый воздух с постойным расходом;

- определяют изменение емкости ДСстр, зависящее от, параметров де-¡ормированной поверхности, по которой судят о ПН исследуемого вещест-, а (с коррекцией полученных результатов по плотности).

Таким образом, результаты теоретических и экспериментальных иссле-ований двухфазной системы «струя газа-жвдкость» показали возможность ффективного использования бесконтактного аэродинамического метода ля измерения поверхностного натяжения расплавленных полимеров, ме-' 1ЛЛов и сплавов. Он может быть применен при проектировании универ-ального прибора экспресс-контроля. ,

В четвертой главе проведена метрологическая оценка метода определе-ия поверхностного натяжения.

Анализ источников погрешностей бесконтактного аэродинамического етода контроля ПН жидких сред, расплавленных полимеров, металлов и плавов позволил представить его обшую погрешность в виде

П опр~& (П"опр, П осн, П аПр, П0Пр с, П„ Прасст), (15) хе Пропр - погрешность определения плотности; П01,рС - погрешность опре-:ления ёмкости; Пропр - погрешность определения плотности; Пяосн - по-эешность образцового средства измерения; Паапр - погрешность аппрокси-ации зависимости для нахождения поверхностного натяжения; П, - по-)ешность от влияния температуры расплавов на показания; Прасст - по-зешность от установки измерительной системы над поверхностью иссле-^емой среды.

Оценка погрешностей косвенных измерений поверхностного натяже-ия жидкостей по математической модели (6) показала, что источником зибольшей погрешности является определение площади и объема впадины ".формированной поверхности. Поэтому с метрологической точки зрения ;лесообразнее провести замену значений Увп' и 5ВП на рассчитанные по [убине /гвп с учётом допущения, что углубление имеет форму полусферы.

Проведенная оценка величин погрешностей метода определения по-:рхностного натяжения жидкостей для диапазона жидких сред со значе-<1ями о от 22, 03 до 72, 6 мН/м и значениями р от 780 до 1260 кг/м3 покали, что суммарная погрешность не превышает 8,3 %. Для расплавленных

полимеров со значениями с от 20,5 до 34,1 мН/м и р от 930 до 1430 кг/м суммарная погрешность метода Не превышает 9,7 %. Метрологическа: оценка величин погрешностей метода определения ПН расплавленных ме тадлов и сплавов со значениями а от 400 до 530 мН/м и р от 6990 до 9700 кг/м показала; что суммарная'погрешность не превышает 8,7 %.

Пятая глава посвящена исследованию и разработке аэродинамическоп универсального прибора экспресс-контроля поверхностного натяжения рас плавленных полимеров, металлов и сплавов.

Схема устройства, которое реализует метод контроля, представлена н; рис. 9. Пневматический измерительный блок, связанный с устройством пе ремещения (УП), содержит ёмкостной преобразователь ПК, который раз мещён на капилляре К. Преобразователь подключён к . высокочастотном} измерителю ёмкости ЙЕ, сигнал с которого через аналого-цифровой преоб разователь (АЦП) подаётся на программируемое вычислительное устройстве ПВУ. Воздух на измерительный блок поступает через стабилизатор расход; (СРВ) от источника постоянного расхода (ИПР). Конденсатор регистрирует изменение кривизны поверхности исследуемого расплава (ИР) при воздействии на неё струёй воздуха.

Рис. 9 Устройство для измерения поверхностного натяжения аэродинамическим методом

На основе анализа математической модели (6) метода определения поверхностного натяжения сформулировано условие выбора таких конструктивных параметров системы, как расстояние до поверхности исследуемого вещества, диаметр газового капилляра, размеры ёмкостного преобразователя, которые обеспечивают максимальную чувствительность и точность измерения. "

Разработано аэродинамическое устройство для автоматического бес-энгактного измерения поверхностного натяжения расплавленных полиме-зв, металлов и сплавов, позволяющее определять значение ПН расплавов с эррекцией систематической составляющей по плотности.

В приложении приведены акты внедрения результатов работы.

Основные результаты и выводы по работе

1 На основе проведенных исследований процесса взаимодействия элек-зического поля планарного конденсатора с поверхностью расплавленных олимеров; металлов и сплавов разработан метод определения их поверхно-гного натяжения. '

2 Предложен способ, предотвращающий локальную кристаллизацию оверхности расплава, что позволило определять ПН расплавленных полиеров, металлов и сплавов.

3 Получены зависимости, позволяющие рассчитывать значения по-;рхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов при дзличных температурах их поверхности.

Ц Метрологическая оценка метода показала, что суммарная погрешность ри измерении поверхностного натяжения расплавленных полимеров не ревышает 9,7 %, расплавленных металлов и сплавов - 8,7 %. 5" Разработан прибор экспресс-контроля поверхностного натяжения рас-гг.тленных полимеров, металлов и сплавов.

б Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли ромышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятии АО «Электроприбор». Они также используются в научно-исследо-пельской и учебной работе в Тамбовском государственном техническом шверситете.

Основные материалы, отражающие результаты диссертационной работы, приведены в следующих публикациях

1 Филатов И. С., Брусенцов Ю. А. Бесконтактные первичные преоб-пователи для измерения плотности жидких сред // Труды ТГТУ. Т. 2. -im6OB, 1998. - С. 185 - 189.

2 Брусенцов Ю. А., Филатов И. С.. Бесконтактное измерение по-:рхностного натяжения жидких сред // Вестник ТГТУ. Т 5: № 2. - Тамбов, 199. - С. 228 - 230.

3 Мордасов M. М., Брусенцов Ю. А., Филатов И. С. Определение зверхностного натяжения расплавленных металлов и полимеров аэроди-шическим методом // Вестник ТГТУ. Т 5. № 3. - Тамбов, 1999. -. 355 - 357.

4 Мордасов М. М., БрусейцЬв Ю."'А.',''Филатов И. С. Бесконтактно определение поверхностного натяжейия' жидкостей, расплавленных металлов л полимеров // IV Научная конференция ТГТУ. Сб. тезисов.'1- Тамбов. 1999.

5 Филатов И. С., Брусенцоа Ю. А. Прибор экспресс-контроля по верхностного натяжения расплавленных полимеров и сплавов // Труд! ТГТУ. Т. 5. - Тамбов/ 2000. - С. 116 - 119.

6 Филатов И, С., Брусенцов Ю. А., Мордасов М. М. Статическая ха рактеристика бесконтактного аэродинамического метода определения по верхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов / V Научная конференция ТГТУ. Сб, тезисов. - Тамбов, 2000. - С. 103. '! "

7 Патент РФ пезаявке № 99107624 от 06. 04. 99. Устройство для из мерения поверхностного'натяжения / И;. С. Фи лагов, Ю А. Брусенцов М. М. Мордасов. /

С. 118

V

Введение.

Глава1. Современное состояние контроля поверхностного натяжения расплавленных металлов и полимеров.

1.1 Поверхностные явления в расплавленных полимерах, металлах и сплавах.

1.2 Методы определения поверхностного натяжения расплавленных полимеров.

1.3. Методы определения поверхностного натяжения расплавленных металлов и сплавов.

1.4. Аэродинамические методы измерения свойств жидкостей и их применение для определения поверхностного натяжения расплавленных полимеров и металлов и сплавов.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

Глава 2. Изучение взаимодействия газового потока с поверхностью расплавленных полимеров, металлов и сплавов. Применение планарного конденсатора для определения физико -механических характеристик жидкостей и расплавов.

2.1. Воздействие струи газа на поверхность расплава.

2.2. Принцип работы ёмкостного преобразователя.

2.3. Определение характеристик планарного конденсатора.

Выводы по второй главе.

Глава 3.

3.1. Получение статической характеристики бесконтактного аэродинамического метода определения поверхностного натяжения.

3.2. Адекватность статической характеристики метода контроля поверхностного натяжения процессам, происходящим в аэродинамической системе.

3.3. Взаимодействие поля планарного конденсатора с поверхностью расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Метрологическая оценка аэродинамического метода измерения поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

4.1. Погрешность косвенных измерений поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

4. 2. Метрологический анализ аэродинамического метода измерения поверхностного натяжения модельных жидких сред, расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

4.2.1. Метрологическая оценка определения плотности жидкостей.

4.2.2. Метрологическая оценка определения поверхностного натяжения жидкостей.

4.2.3. Оценка определения плотности расплавленных полимеров.

4.2.4. Метрологическая оценка определения поверхностного натяжения расплавленных полимеров.

4.2.5. Метрологическая оценка определения поверхностного натяжения расплавленных металлов и сплавов.

Выводы по четвёртой главе.

Глава 5. Бесконтактное аэродинамическое устройство для контроля поверхностного натяжения.

5.1. Выбор конструктивных размеров основных узлов устройства.

5.2. Принцип построения прибора для экспресс - контроля поверхностного натяжения жидкостей, расплавов полимеров, металлов и сплавов.

Выводы по пятой главе.

В современных условиях рыночной экономики как никогда повышаются требования к конкурентоспособности выпускаемой продукции Производство изделий высокого качества зависит не только от применяемого сырья и современного технологического оборудования, но и от средств для получения оперативной информации о составе и свойствах изделий.

В процессе производства часто возникает необходимость контроля свойств различных веществ: растворов, суспензий, пульп, расплавов полимеров, металлов и солей. Применение известных методов и средств контроля агрессивных, быстрокристаллизующихся, сред, обладающих специфическими свойствами часто затруднено, а в некоторых случаях и невозможно.

Условия практического применения устройств для контроля физико - механических свойств расплавов требуют от них не только высокой точности и механической прочности, но и надежной работы в потенциально - опасных производствах. В последние годы возрос интерес к пневматическим методам и приборам контроля свойств веществ, которые наиболее полно отвечают этим требованиям.

Большинство существующих пневматических приборов являются контактными средствами измерения. Для некоторых измеряемых сред контакт с ними приводит к дополнительным погрешностям при измерениях, а иногда ведет к полной потере работоспособности приборов.

Существующие бесконтактные методы измерений свойств расплавленных металлов и полимеров реализуются сложными и дорогостоящими техническими средствами, что не всегда оправдано экономически. Поэтому одной из задач приборостроения является разработка дешевых бесконтактных устройств для контроля физико - механических свойств расплавов.

Поверхностное натяжение ( ПН ) является одной из основных физических величин, характеризующих свойства вещества. Измерение поверхностного натяжения играет существенную роль при контроле технологических процессов и качества продукции. Исходя из этого, важным элементом автоматизации производственных процессов во многих отраслях промышленности ( металлургической, полимерной, радиоэлектронной и др.) является разработка приборов автоматического измерения поверхностного натяжения расплавов.

Задачи разработки и исследования принципов измерения поверхностного натяжения расплавленных металлов и полимеров могут быть успешно решены после изучения физических основ существующих методов измерения.

Настоящая работа посвящена применению бесконтактного аэродинамического метода для контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров металлов и сплавов и разработке устройства, реализующего данный метод.

На основе теоретического и экспериментального исследования процессов, происходящих при взаимодействии вертикальной струи воздуха с поверхностью расплава разработана методика бесконтактного аэродинамического контроля поверхностного натяжения расплавленных металлов и полимеров. Дано физическое обоснование процессам, происходящим в аэродинамической системе и планарном конденсаторе. Использовано устройство для контроля ПН расплавленных полимеров, металлов и сплавов аэродинамическим методом. Проанализировано влияние струи газа на температуру расплавленной поверхности, предложена методика снижения погрешностей устройства для измерения поверхностного натяжения расплавов.

Проведена экспериментальная проверка разработанных методов и устройств, оценены их основные метрологические характеристики. Разработанные устройства прошли производственные испытания и рекомендованы к внедрению на ОАО «Электроприбор».

Цель работы. Применение бесконтактного аэродинамического метода для контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов и разработка устройства, реализующего этот метод.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить физические процессы взаимодействия электрического поля пла-нарного емкостного преобразователя с исследуемой средой;

- исследовать процессы, происходящие при воздействии струи газа на поверхность расплава и разработать методику для предотвращения локальной кристаллизации поверхности;

- получить зависимость изменения ёмкости измерительного преобразователя от параметров деформированной поверхности;

- разработать устройство для контроля поверхностного натяжения с коррекцией систематической составляющей погрешности по плотности и пути его использования в универсальном устройстве для измерения поверхностного натяжения жидких сред, расплавов полимеров, металлов и сплавов.

- провести метрологический анализ бесконтактного аэродинамического метода измерения поверхностного натяжения, расплавленных полимеров, металлов, сплавов и непроводящих жидкостей;

- осуществить экспериментальную проверку результатов работы.

Научная новизна. Разработана методика бесконтактного измерения поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов аэродинамическим методом с использованием ёмкостного преобразователя, которая заключается в следующем:

- на фиксированном расстоянии от поверхности исследуемого вещества располагается первичный измерительный преобразователь (ПИП), состоящий из планарного конденсатора ( ПК ) с начальной ёмкостью Со и продувочного капилляра;

- определяется изменение ёмкости конденсатора и находится плотность исследуемого полимерного расплава;

- на газовый капилляр подается воздух с постоянным расходом, фиксируется изменение ёмкости ПК, зависящее от параметров деформированной поверхности расплава и определяется значение поверхностного натяжения.

Исследовано теоретически и доказано экспериментально, что наибольшая точность измерения обеспечивается при следующих условиях:

- для создания равномерного электрического поля величина зазора в пла-нарном конденсаторе должна быть постоянной;

- частота питания датчика выбирается с учётом релаксационных явлений в жидких средах и эффекта распределённых линий и равна 9 МГц;

- скорость истечения газа из капилляра выбирается, исходя из условия стабильного взаимодействия струи с поверхностью расплава;

- температура газа на выходе из капилляра должна превышать температуру поверхности расплава не менее, чем на 10 °С.

Практическая ценность. Разработано бесконтактное аэродинамическое устройство для измерения поверхностного натяжения расплавов полимеров, металлов и сплавов. Оно может быть применено в качестве основы для создания прибора экспресс - контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на ОАО «Электроприбор» Они также используются в научно - исследовательской и учебной работе в Тамбовском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV и V научных конференциях ТГТУ, а также на научных семинарах кафедр «Материалы и технология» и «Автоматизированные системы и приборы».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложения. Основная часть изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 31 таблицу. Список литературы включает 56 наименований.

Основные результаты и выводы по работе.

1. На основе проведенных исследований процесса взаимодействия электрического поля планарного конденсатора с поверхностью расплавленных полимеров, металлов и сплавов разработан метод определения их поверхностного натяжения.

2. Предложен способ, предотвращающий локальную кристаллизацию поверхности расплава, что позволило определять ПН расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

3. Получены зависимости, позволяющие рассчитывать значения поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов при различных температурах их поверхности.

4.Метрологическая оценка метода показала, что суммарная погрешность при измерении поверхностного натяжения расплавленных полимеров не превышает 9,7%, расплавленных металлов и сплавов - 8,7%).

5. Разработан прибор экспресс - контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятии: ОАО «Электроприбор». Они также используются в научно -исследовательской и учебной работе в Тамбовском государственном техническом университете.

1. Лазарев В.Б., Семенченко В. К. Поверхностные явления в расплавах и возникающих в них твердых фазах. М.: Физматгиз, 1961. 365 с.

2. Карбоноцепные синтетические волокна / Под ред. К. Е. Перепелкина. М.: Химия, 1973. 79 с.

3. Данилин В. А., Серков А. Т., Котомина И. П. О механизме обрыва струй // Хим. волокна. 1976. № 1. С. 39.

4. Schonchorn Н., Sharpe L. Н. J. Thermal response of surface tension of polymers // Polymer Sci. 1976. V. 4. Pt A - 2, N. 3. P. 538 -542.

5. Иващенко Ю. H., Еременко В. H. Поверхностные явления в расплавах. Киев: Изд-во АН УССР, 1963. 234 с.

6. Иващенко Ю. М., Еременко В. Н. Основы точного измерения поверхностной энергии расплавов методом лежачей капли. Киев: Наукова думка, 1972. 83 с.

7. Bashfort F., Adams J. On Attempt to Test Measurement Forms of Drops of fluid. Cambridge: Cambridge of the University press, 1963. 140 p.

8. Дерябин Ю. А., СмирновЛ. А., Довголюк Л. В. Определение поверхностного натяжения расплавов по размерам лежащей безэкваториальной капли // ЖФХ. 1977. Т. 51, № 10. С. 2678 2679.

9. Попель С. И., Павлов В. В. Номограммы для расчета поверхностного натяжения растворов. Свердловск: УПИ, 1974. 7с.

10. Кусаков М. М., Лубман Н. Н. Определение поверхностного натяжения // Труды Ин та нефти АН СССР. 1952. Т. 2. С. 53 - 72.

11. Burry J., Hartland S. Surface. // Coll. A. Polymer Sei. 1977. V. 255, N7. P. 675 687.

12. Sheludko A. D., Nikolov A. D. Surface activity // Coll. a Polymer Sei. 1975. V.253, N2 5. P. 396 403.

13. Соловьев A. H., Кирияненко А. А. Комбинированный метод измерения поверхностного натяжения расплавов. Киев: Наукова думка, 1968. 125 с.

14. А. с. № 147344 СССР, МКИ 5G 01 п 13/02. Вращающийся термостат для физико-химических исследований жидкостей.

15. Гогиберидзе Ю. М., Джинчарнадзе Т. И. Определение поверхностного натяжения металлов и межфазного натяжения на границе раздела жидкого металла и шлака // Сообщение АН ГрузССР. Тбилиси, 1965. С. 47- 48.

16. Gohler M. Neue Hutte. N. Y: L. Academic Press, 1962. 430 p.

17. Елютин В. П., Костиков В. И. Устройство для изучения смачивания твёрдых тел жидкими и тугоплавкими металлами и соединениями // Заводская лаборатория. 1966. Т 5.С. 53-55.

18. Гутер Р. С. Элементы численного анализа и математической обработки результатов. М.: Физматгиз, 1962. 325 с.

19. А. с. № 419768 СССР, МКИ 5G 01 п 13/02. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей и расплавов.

20. А. с. № 543850 СССР, МКИ 5G 01 п 13/02. Устройство для измерения поверхностного натяжения расплавов.

21. Залмазон П. А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров астоматических систем. М.: Наука, 1973. 464с.

22. R. S. Rosier, G. H. Stewart. Impigement of gas jets on liquid surfaces//J. Fluid. 1968. Y. 31, part 1. P. 163 174.

23. А. с. № 783654 СССР, МКИ 5G 01 п 13/02. Способ измерения поверхностного натяжения жидкостей.

24. А. с. № 1712834 СССР, МКИ 5G 01 N 13/02. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей.

25. Pfung А. Н, Greenfield Е. W. Surface tension Measurement of viscous Liquids // Ind. Enqn. Chem. 1936. V. 8. P. 81 - 83.26. .A. c. № 1824537 СССР, МКИ 5G 01 N 13/02. Устройство для контроля физико химических свойств жидкостей.

26. А. с. № 1753369 СССР, МКИ 5G 01 N 13/02. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей.

27. А. с. № 935751 СССР, 5G 01 п 13/02 Устройство для определения поверхностного натяжения жидкостей.

28. Мордасов М. М., Гализдра В. И., Астахов В. П. Бесконтактный пневматический метод измерения поверхностного натяжения. // Заводская лаборатория. 1994. Т. 60, № 9. С. 33 36.

29. Мордасов М. М. Развитие теории и принципов построения пневмогидравлических методов и средств автоматического контроля веществ потенциально опасных производств: Автореф. дис.М, 1994.36с.

30. Варгафтик И. Б. Теплофизические свойства газов и жидкостей. М.: Фмзматгиз, 1963. 283 с.

31. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов. М.: Физматгиз, 1959. 235 с.

32. Юдаев Б. И. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1988. 479 с.

33. Мухачев Г. А, Щукин В. К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1991. 480 с.

34. Ляшков В. И. Основы теплопередачи. Тамбов: ТГТУ, 1996. 114 с.

35. Ляшков В. И. Основы термодинамики. Тамбов: ТГТУ, 1994. 95 с.

36. Bellemans A. Thermodynamic and convection // Physic. 1960. V. 28, N5. P. 37-39.

37. Roe. R. J. - J. Heat transfer // Phys. Chem. 1965. Vol. 69, N8. P. 137-141.

38. Гельман Г. А., Соскин Э. А. Бесконтактные элементы в схемах и устройствах автоматики. М.: Энергия, 1966. 98 с.

39. Бугров А. В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982. 95 с.

40. Бугров А. В., Дудкин Н. И., Масленников И. М. Управление технологическими объектами с использованием ёмкостных измерительных преобразователей. М.: НИИТЭХИМ, 1973. 73 с.

41. Агамалов Ю. Р., Кнеллер В. Ю. Преобразователь ёмкости и проводимости // Приборы и системы управления. 1978. №l. С. 65-68.

42. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М.: Химия, 1967. 124 с.

43. Эпштейн С. Л. Измерение характеристик конденсаторов. М.: Энергия, 1965. 237 с.

44. Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин. М.: Энергия , 1966. 72 с.

45. Бухгольц В. П, Тисевич Э. Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. М.: Энергия, 1972. 79 с.

46. Maxwell. A treatise on electricity and magnetism. Oxford, 1873. V 1-2. // Избр. соч. по теории электромагнитного поля. М., 1964. С. 1 87 .

47. Кивилис С. С. Плотномеры. М., Энергия. 1972. 79 с.

48. ГОСТ 3900 85. Нефть и нефтепродукты, методы определения плотности. М.: Изд - во стандартов, 1985. 23 с.

49. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1005 с.

50. Новицкий П. В. , Зограф И. А. , Лабунец В. С. Динамика погрешностей. JT.: Энергоатомиздат, 1990. 188 с.

51. Корн Г Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. 832 с.

52. Pero К. Г. Метрологическая обработка результатов технических измерений: Справ, пособие. Киев.: Техника, 1987. 128 с.

53. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. М.: Физматгиз, 1963. 278 с.

54. Многокомпонентные полимерные системы / Под ред. А. Я. Малкина. М., Химия, 1974. 388 с.

55. Еременко В. Н. Поверхностные явления в расплавах и их роль в процессах порошковой металлургии. Киев.: Изд во АН УССР, 1961. 148 с.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

56. Брусенцов Ю.А. Мордасов М.М.

57. РОССИЙСКОЕ АГЕНТСТВО ПО ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (РОСПАТЕНТ)

58. ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ПРОМЫШЛЕННОЙ СОБСТВЕННОСТИ121858, Москва, Бережковская наб., 30, корп. 1 Телефон 240 60 15. Телекс 114818 ПДЧ. Факс 243 33 371. На № ОТ 21. Наш № 99107624/28(007491)

59. Заявка № 99107624/28(007491) (22) Дата поступления заявки 06.04.99

60. Дата начала отсчета срока действия патента (свидетельства) 06.04.99 (85) Дата перевода международной заявки на национальную фазу

61. Номер приоритетной заявки (32) Дата подачи приоритетной заявки (33) Код страны1.

62. Номер публикации и дата публикации заявки РСТ

63. Заявитель(и) Тамбовский государственный технический университет, ГШ

64. Автор(ы) Филатов И.С., Брусенцов Ю.А., Мордасов М.М., 1Ш

65. Патентообладатель(и) Филатов Иван Сергеевич, ЬШуказать код страны)51. МПК 7 О 01 N 13/02

66. Название Устройство для измерения поверхностного натяжениясм. на обороте)1. Форма № 01 а21.99107624/28 (54)(57)

67. При публикации сведений о выдаче патента будет использовано описание в редакции заявителя.