автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и средство контроля объёмного расхода газа в процессах с малыми газовыделениями

На правах рукописи

064606203

Лунин Максим Викторович

МЕТОД И СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ ОБЪЁМНОГО РАСХОДА ГАЗА В ПРОЦЕССАХ С МАЛЫМ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4

Орел, 2010

004606203

Работа выполнена на кафедре «Приборостроение, метрология и сертификация» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Орловском государственном техническом университете»

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент Бобров Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сычев Сергей Николаевич

кандидат технических наук Горбунов Роман Анатольевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»

Защита состоится « 29 » июня 2010 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 в Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, Россия, г. Орёл, Наугорское шоссе, 29, (ауд. 212)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 2Я~ » 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просьба отправлять в адрес диссертационного совета: 302020, Россия, г. Орёл, Наугорское шоссе, д. 29.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент — в. Н. Волков

Общая характеристика работы

Актуальность. В современной промышленности все более строгие требования предъявляют к точности выполнения технологических процессов. Многие технологические процессы в различных областях производства связаны с подачей газа или его выделением. При этом контроль расхода газа позволяет судить о режиме протекания технологического процесса, поэтому проблема повышения точности измерения расходов газа имеет первостепенное значение.

В зависимости от количества расхода газов применяют те или иные методы и средства измерений. Особую область в этих измерениях занимает контроль малых и сверхмалых объёмов, для которого непригодны механические, электрические, ультразвуковые и другие методы. Наибольшее распространение при контроле малых и сверхмалых объёмов газа получили пузырьковые методы. Существующие пузырьковые методы отличаются учётом различных факторов, влияющих на содержание газа в каждом пузырьке, так например, при реализации методов Т. С. Бондарева, В. С. Малышева и Ray F. считается, что размер пузырька газа определяется диаметром сопла. При этом не учитывается давление газа в пузырьке, и поэтому в определение расхода газа вносится значительная погрешность. При более точных измерениях необходимо учитывать реологические свойства жидкости, через которую происходит барботирование газа, его температуру и т. д.

Примером процессов, при которых контроль газовыделения позволяет судить о качестве протекающего процесса, являются процессы брожения, для контроля которых существующая точность измерения расхода газа недостаточна. Поэтому разработка пузырьковых методов контроля повышенной точности является актуальной задачей.

Объект исследования: поток газовых пузырьков, движущийся в средствах измерения расхода газа пузырьковым методом.

Предмет исследования: дискретный пузырьковый метод и средство измерения малых расходов газа, учитывающие реологические свойства среды для барботирования.

Целью диссертационной работы является повышение точности измерения расхода сверхмалых объёмов газа путём разработки метода и технических средств, обеспечивающих контроль расхода с учётом давления жидкости и её реологических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести сравнительный анализ существующих методов и технических средств контроля объёмного расхода малых количеств газа и на его основе определить физические принципы и технические решения повышения точности контроля;

- разработать математическую модель, определяющую комплекс параметров, характеризующих физический процесс барботирования газового пузырька в жидкости, и получить аналитическое описание зависимости объёма газа в пузырьке от реологических параметров жидкости в измерительной системе;

- предложить принцип измерения реологических параметров вязкой среды, для повышения точности измерения объёмного расхода газа по пузырьковому методу;

- разработать метод контроля объёмного расхода газа, с учётом влияния температуры на реологические свойства вязкой жидкости используемой для барботирования;

- разработать аппаратно-программный комплекс контроля расхода газа с учётом реологических параметров жидкости измерительной системы;

- провести сравнительное исследование разработанного метода и средства контроля объёмного расхода газа.

Методы и средства исследования. При решении поставленных задач применялись теория физико-химической механики и реологии сред, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального

исчисления, теории численного анализа, методы математического моделирования ЭВМ, реализованные в оболочках ЬаЬУ1Е1У, МаЛСЛО.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов раб подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных ме дов обоснования полученных результатов и выводов. Достоверность экспериментальн данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения следований. Положения теории основываются на известных достижениях в области лекулярной физики, гидродинамики ламинарного течения жидкости и движения те жидкостях.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения сверхмалых расходов газа, включающий выбор жидкости пользуемой для барботирования, определение конструктивных особенностей изме тельной кюветы, в частности, диаметра сопла и уровней расположения источников с и фотоприемников вдоль цилиндрической кюветы, и требования, предъявляемые к ройствам измерения времени перемещения пузырька газа вдоль оси цилиндра, в час сти, к устройству распознавания менисков в вершине и основании по вертикальной пузырька.

2. Математическая модель процесса барботирования газа через жидкость, о чающаяся учётом реологических параметров вязкой среды.

3. Способ определения реологических свойств жидкости, учитывающий движе в ней центра пузырька в условиях его естественного образования на выходе сопла и бодного всплытия, с измерением времени прохождения участка на траектории его п ема и расчетом вязкости.

4. Средство измерения малых расходов газа, содержащее кювету, заполнен жидкостью, трубопровод с соплом, погруженным в жидкость, источник света и фото емник, устройство счета газовых пузырьков, подключенное к фотоприемнику, и уст ство определения времени смещения импульсов, поступающих от фотоприёмнико скорости движения центра пузырьков.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что:

1. Разработана математическая модель движения пузырька газа вдоль оси цил ра с вязкой жидкостью в устройстве, осуществляющем контроль объёмного расхода с учётом реологических свойств жидкости для барботирования.

2. Предложен принцип измерения реологических свойств жидкости, основан на регистрации параметров движения пузырька газа, барботируемого через слой вя жидкости.

3. Разработан метод контроля расхода газа, позволяющий учесть изменение да ния жидкости и влияние температуры на реологические свойства жидкости испол мой для барбатирования.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

Разработана математическая модель движения пузырька газа вдоль оси цилин, вязкой жидкостью и её аналитическое описание, обеспечивающие адекватное пред ление динамики процессов течения пузырька газа и процессов изменения реологиче свойств жидкости, позволяют:

1) проводить исследования процессов, сопровождаемых сверхмалым газ о вы,

нием;

2) проводить научно-практические исследования реологических свойств вя жидкостей;

3) проводить научно-практические исследования концентраций однокомпонент-ных растворов вязких оптически прозрачных жидкостей.

Применение предложенных способов и аппаратно-программных средств контроля позволяет повысить достоверность и точность определения объёмного расхода газа в процессах, сопровождаемых его малым выделением, а также исследовать реологические свойства вязких жидкостей. Это достигается применением:

1) разработанных электронных устройств, позволяющих измерять скорость движения центра пузырька газа в цилиндрическом объёме вязкой среды;

2) разработанной прикладной программы, обеспечивающей контроль вязкости и получение значения объёма пузырька газа, используемого в качестве маркёра при движении в вязкой жидкости.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международном симпозиуме «Надёжность и качество 2008» (г. Пенза), VIII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир-Суздаль), П-ой конференции молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» (Московская область, г. Звенигород), П-ой международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире - 2009» (г. Санкт-Петербург).

Публикации. По результатам работы опубликованы 11 научных работ, из них 4 -статьи, из которых одна в издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК, один патент и одно свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ, 5 тезисов докладов на научных конференциях.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 84 наименования, 5 приложений. Основная часть работы изложена на 147 страницах машинописного текста. Работа содержит 54 рисунка и 11 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и основные задачи исследования, приведены основные научные положения и результаты работы, выносимые на защиту, а также сведения об апробации и реализации результатов работы.

В первой главе представлен перечень процессов, протекающих при проведении исследовательских работ и технологических процессов в следующих областях производства: органических и неорганических материалов, биотехнологий и инженерии. Показано, что процесс выделения газа в приведённых областях производства может протекать при различных температурах, а значения расхода газа могут быть очень малы и составлять значения порядка 1 нл/с.

Приведённый обзор показал, что существующие расходомеры и счётчики количества газа предназначены для контроля расхода газа не менее 1 мкл/с, и поэтому не соответствуют указанным требованиям. Кроме того, сложность конструкции и производства современных средств измерения расхода газа требует разработки более простых конструкций.

Проведённый анализ показал, что наиболее перспективным при измерении малых расходов является пузырьковый метод контроля расхода. Это связано с низким порогом чувствительности, простотой конструкции и высокой точностью измерения. Кроме этого, метод позволяет решать как прямую задачу измерения объёмного газовыделения, так и обратную задачу - дозирования газа. Отмечено, что при пузырьковом методе на ре-

зультат измерения влияет температура, поэтому в разработанном методе её влия должно быть уменьшено.

Во второй главе проведен теоретический анализ особенностей капель пузырьковых методов контроля расхода малых объемов газа. Показано, что высокая пень влияния температуры, в первую очередь, объясняется её влиянием на вязкость ж кости. Поэтому при разработке методов и средств измерения расхода газа, основан на явлении барботажа, следует учитывать влияние температуры внешней среды на логические свойства жидкости измерительной системы. Эта особенность требует при нения современных высокочувствительных средств измерения. Известные пузырько методы, основанные на барботировании газа через вязкую жидкость, не учитывают менения реологических свойств жидкости и влияние температуры в зоне барботажа.

Наиболее сложными и малоизученными является ряд процессов, влияющих на зультат измерения объёмного расхода газа при барботировании:

- влияние процесса расширения объёма пузырька на динамику его подъёма в кой жидкости;

- влияние реологических свойств жидкости на скорость перемещения пузырька.

В процессе контроля изменение температуры окружающей среды влияет

измерительную систему. При этом под действием внешних источников тепловой эне в объёме вязкой жидкости изменяются характеристики теплового поля, что привод изменению энергии активации среды и изменению динамической вязкост коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Отмечено, что при движении пузырька газа вертикально вверх, происходит и нение давления столба жидкости, что приводит к расширению пузырька и увеличе его объёма. Возрастание объёма ведёт к увеличению подъёмной силы, при этом пр ходит рост площади поверхности, что ведёт к увеличению силы трения.

При описании поведения пузырька газа при различных температурах и давле использовалось уравнение Ван-дер-Ваальса. Решение этого уравнения относительно лярного объёма газа позволяет получить зависимость изменения радиуса пузырь подъёмной силы при его движении вверх в жидкости. Полученные зависимости изм ния радиуса пузырька и подъёмной силы позволяют сделать следующие выводы: отн тельное изменение диаметра пузырька при подъёме с глубины меньше относитель роста подъёмной силы. В уравнении Ван-дер-Ваальса множитель (р + а/Упозво учесть гидростатическое давление на пузырёк со стороны вязкой жидкости и давле создаваемое плёнкой в виде поверхностного натяжения. Сказанное позволяет соста математическую модель для движения пузырька газа в вязкой жидкости.

Объём газа в пузырьке:

У _ Рн

г рг (р + а/У^'

где тг - масса газа; рг - плотность газа при нормальных условиях; рн - норм ное давление; р - гидростатическое давление, действующее на пузырёк со стороны -кости; Ум - молярный объём газа; а - константа Ван-дер-Ваальса.

Из уравнения Ван-дер-Ваальса с учётом (1):

У =Щт_ Рн 'К ~ь) Г РГ ' й-Т '

где Т - температура газа в пузырьке; Я - универсальная газовая постоянная; константа Ван-дер-Ваальса.

Так как плотность жидкости много больше плотности газа, тогда силой тяжести действующей на пузырек, можно пренебречь. На движущийся в вязкой жидкости пузырёк газа действуют силы, для которых справедливо соотношение:

К,= (3)

где - сила Архимеда; Ртр - сила трения; тг ■ Л и/Ж - сила, действующая на движущийся с ускорением пузырёк.

Учитывая, что при наступлении предельного значения скорости пузырёк начинает двигаться равномерно, величина тг ■ с1и/с11 = 0. При этом для предельных значений скорости и0, при которых сохраняется равномерное движение и ламинарное обтекание шарика жидкостью, справедливо выражение Стокса:

/> = 6 • л ■ Г] ■ ■ ий, где и0 - предельное значение скорости при равномерном движении; шара движущегося в жидкости; г; - динамическая вязкость жидкости. Сила Архимеда, определяется выражением:

Рл=Мж-ё = Рж -уг где рж - плотность вязкой жидкости; g - ускорение свободного падения. Учитывая силы, действующие на сферический пузырёк, можно записать:

(4)

- радиус

(5)

У г =

3 4-л-

б-я-т}-Я-Т

~ и/ а""0 I • (6)

Для описания физических процессов движения вязких жидкостей воспользуемся формулой Пуазейля:

1 =

4 • г

4-

-1

(7)

где I - время прохождения пузырьком пути I (учитывая предельное значение скорости, справедливо: и„ = //¿); /?,. - радиус измерительной кюветы. Разность давлений (р, -р2) определим по формуле:

где /г, и /г2 - высоты столбов вязкой среды.

Вязкость большинства жидкостей с ростом температуры уменьшается по закону:

т1 = Л-ехр (IV/к-Т), (9)

где к - постоянная Больцмана; А - множитель, слабо зависящий от температуры Г; IV - энергия активации вязкого течения.

Учитывая (7) и (9), перепишем (6) и получим зависимость УГ(/) в виде:

где м =

Уг =

6-Я--Л

4-я

/ " 1 <г "

Ь-т-

V 4-л-

V )

к Л п

я.-

\ Уг

4-л

(10)

4-11

Рж-ё'Рн '(К, ~Ь)'

Таким образом, проведенный анализ теории ламинарного течения жидкости и капиллярных явлений на границе раздела фаз позволил выявить комплекс параметров и определить ряд зависимостей, позволяющих проводить измерение расхода газа с учётом

влияния реологических свойств жидкости на объём газового пузырька, перемещающ ся в жидкой среде.

Анализ методов измерения динамической вязкости и коэффициента поверхнос го натяжения показывает, что среди существующих отсутствуют способы, при реал ции которых использовались бы объекты, имеющие плотность много меньше плотно жидкости, в которой они движутся.

Таким образом, в основу предлагаемого метода измерения расхода малых объё газа заложена гипотеза о том, что контроль реологических свойств жидкости для ба тажа можно обеспечить путем использования пузырька-маркера, сформированного е ственным путем на границе раздела жидкой и газообразной фаз (например, на вы сопла) и измерения времени прохождения пузырьком определенных участков, расп женных на траектории его подъема, с определением динамической вязкости по кос ным зависимостям с метрологической оценкой результатов измерения.

В третьей главе рассмотрен комплекс вопросов, связанных с разработкой мет ки определения расхода газа, позволяющей выполнять измерения на основе барбот путём контроля реологических свойств жидкости.

Учитывая результаты теоретического описания, сформулированы ограничения тематической модели и, как следствие, самого метода контроля расхода газа. При э считаем, что:

1) форма пузырьков - сферическая;

2) пузырьки газа поднимаются вертикально вверх вдоль оси цилиндра;

3) каждый пузырек газа образуется в отдельности, отрывается и поднимается зависимо от других, не образуя струю и двигаясь на расстоянии не менее, чем расстоя между уровнями расположения оптических линий;

4) температура газа в пузырьке не должна значительно отличаться от температ жидкости.

Теоретический анализ позволил сформулировать принцип измерения вязкости, поясняющийся функциональной схемой (рис. 1).

Газ через сопло 4 поступает в цилиндрическую кювету 1, заполненную вязкой жидкостью. На выходе сопла 4 образуется пузырек газа 3, который перемещается вдоль оси цилиндрической кюветы. Измерение скорости прохождения пузырька в вязкой среде осуществляется с помощью оптических преобразователей, образованных источниками света 2 и фотоприёмниками 5. При движении пузырьки газа изменяют слой жидкости между источником света и фотоприемником, что приводит к изменению светового потока, падающего на фотоприёмники, и образованию импульсов, поступающих на устройство 6 измерения временного интервала между импульсами, поступающими последовательно на фотоприёмники при движении пузырька.

Учитывая теоретическое обоснование и полученные расчётные соотношения разработан общий алгоритм измерения:

1) предварительно должны быть установлены или известны следующие техн ские характеристики: диаметр сопла, расстояние между соплом и осью первого опт

схема объёмного расходоме учитывающего свойства жи кости для барботирования

ского канала, расстояние между осями первого и второго оптических каналов, ширина оптического канала, плотность используемого газа при нормальных условиях;

2) кювету заполняют исследуемой жидкостью (в случае возникновения в ней воздушных пузырьков, выжидают до их самостоятельного удаления, а в случае их прилипания к стенке их устраняют с помощью вибрации или механическим путём);

3) в сопло от внешнего источника подают газ, обеспечивая отрыв от сопла в жидкость одного пузырька;

4) определяют динамическую вязкость жидкости по формуле (7).

Для обеспечения измерения по предложенному алгоритму разработан информационно-вычислительный комплекс (ИВК). В общем случае в состав ИВК входят:

- цилиндрическая кювета, заполненная вязкой жидкостью с соплом, расположенном в основании цилиндра;

- оптические линии, состоящие из источников света и фотоприёмников, расположенные на некотором расстоянии друг от друга перпендикулярно по оси цилиндра;

- трубопровод для подачи газа, расход которого измеряется;

- измерительная цепь, подключённая к фотопреобразователям для измерения параметров движения пузырька газа;

- средства автоматической обработки и регистрации информации о расходе и количестве газа.

В работе рассмотрены конструктивные особенности элементов средств контроля и выведены необходимые расчётные формулы для определения размеров геометрических параметров указанных элементов.

Диаметр сопла определяется в соответствии с априорной информацией о предположительной максимальной величине объёмного расхода газа QslAX по формуле не менее:

=3/(6/*)-&Ш- •'(„)-(„.,) , (11)

где <(п)_{„+1) - предположительное среднее время между появлением в системе и-го текущего пузырька /(п) и п+1 последующего пузырька /(пИ).

Диаметр кюветы Вк выбирается из условия:

Ик > 10- Л; . (12)

Формула для определения расстояния между соплом и первой оптической линией по оси цилиндрической кюветы:

/, =и0-г-Ц^/Дц,), (13)

где Ди0 - предполагаемая погрешность измерения скорости; г - постоянная времени перехода пузырька от равноускоренного к равномерному движению (переход к установившемуся режиму).

Для апробации метода была разработана функциональная схема экспериментальной установки для измерения реологических параметров оптически прозрачных вязких жидкостей и определения расхода газа, приведенная на рис. 2.

Для определения допустимого диапазона измерения вязкости и поверхностного натяжения проводилось моделирование на водных растворах глицерина в диапазоне концентраций от 15 до 100% при постоянной температуре в диапазоне от 20 до 40 °С.

В соответствии с изложенным, пузырёк газа 3 из сопла 4, поднимается вдоль оси цилиндрической кюветы 1. Величина потока газа и его температура задаются в блоке 13. Терморезистор 10, вместе с блоком 9 осуществляют измерение температуры жидкости. С целью реализации измерения поверхностного натяжения установлен манометр коленного типа 12 подключаемый к газопроводу электромагнитным клапаном 11. Для повыше-

ния точности измерения скорости прохождения пузырька в вязкой среде, устанавлива ся п оптических каналов представленных парами источников света 2 и фотоприемника 5. При этом, световому потоку с помощью диафрагмы придаётся прямоугольное сечеш Импульсы, сформированные при прохождении пузырька через оптический канал, мен длительны, чем время прохождения пузырька через оптический канал, что объясняет порогом чувствительности системы. Однако, если время начала импульса запаздывает на ту же величину что и время определения конца импульса при выходе пузырька из светового канала, то это не сказывается на измерении интервалов времени перемещения пузырька.

На устройство обработки информации 6 поступают импульсы от фотоприёмника 5, начало которых соответствует моменту вхождения верхней части пузырька в оптический канал, а конец - выходу из него ниж! части пузырька. Эти сигналы обрабатываются соответственно началу и концу движе! пузырька в оптическом канале. Затем определяется интервал времени между парами пульсов, соответствующих входу и выходу пузырька из оптических каналов. Эти ин валы времени не одинаковы, так как в процессе подъёма пузырька он расширяется, этому вычисляется среднее значение времени пузырька, соответствующее времени пе мещения его центра. Полученные значения интервалов времени вводятся в шину 7 i неё поступают в цифровой процессор 8, который сравнивает значения интервалов вре ни, получаемые от двух пар оптических каналов. При этом определяется разность п ченных интервалов с целью контроля равномерности движения пузырька на рабо участке измерительной кюветы и среднее значение длительности этих интервалов, зволяющее повысить точность измерения.

Блок 6 получает на канале длительность времени движения пузырька в свето пятне, и с учётом засветки последующих каналов определяет среднее значение диам пузырька. Цифровой процессор совместно с блоком запоминания и задания констант выполняют следующие измерения: постоянства скорости (с целью повышения точн< вычисляют модуль разности скоростей движения пузырька на определённых уров расположения оптических каналов), среднее значение скорости, вязкость, поверхност натяжение. Данные обрабатываются в соответствие с алгоритмом, разработанным в i ектно-ориениентрованной среде Lab View.

При барботировании пузырька через выбранную жидкость выполняется вычи ние значения объёма газа в пузырьке путём численного решения уравнения (10) и з минания полученного значения.

Значение объёмного расхода газа вычисляется по соотношению:

12

Рисунок 2 - Функциональная схема средства контроля реологических параметров оптически прозрачных жидкостей

Гп /'(„)-(/.+!) '

И (14)

'1-2 т '2-3 т '3-4 т - т '(л)-(п+1)

где УГп - объём газа в я-ом пузырьке; - промежуток времени между момен-

тами появлением в системе текущего пузырька <(л) и последующего пузырька /(п+1).

При использовании данной установки в измерительную кювету заливается жидкость, обладающая вязкостью, обеспечивающей наиболее высокую точность измерения. Для определения этого диапазона были проведены предварительные исследования, так как оптимальное значение вязкости зависит от максимального значения измеренного расхода газа, то жидкость, заполняющая кювету, выбирается в соответствии с диапазоном изменения расхода газа. Затем по приведённой выше методике уточняется значение вязкости жидкости при заданной температуре.

При многократных измерениях времени прохождения пузырька с воздухом через водные растворы глицерина разной концентрации, на установке по схеме (рис. 2), были получены экспериментальные данные. Точечные оценки результатов измерения изображены на рис. 3 и 4.

с, %

с, %

Рисунок 3 - График изотермы изменения времени прохождения пузырьком всех участков с учетом СКО от концентрации раствора глицерина (А); график изотермы динамической вязкости от концентрации раствора глицерина (Б)

Приведённые на рисунках высокие значения величины СКО связаны с неравномерностью движения пузырька, которая мало сказывается при значениях более 65%, что соответствует вязкости 25 Па-с. Из рисунка 4 видно, что для водных растворов глицерина в диапазоне концентраций 70-90% относительная погрешность не превышает 1,8%.

СКО СР '

ЮСР/0,%

Г,-ИГ

Рисунок 4 - Зависимость СКО серии измерений времени движения пузырька от концентрации раствора глицерина

Рисунок 5 - Зависимость объёма пузырька от измеренного времени прохождения пузырька между оптическими каналами

По результатам изменения времени прохождения пузырька в жидкостях с разл! ной вязкостью получена зависимость объёма пузырька от измеренного времени его п| хождения между оптическими каналами (рис. 5).

Выбор жидкости можно осуществлять также по величине коэффициента поверх) стного натяжения. С этой целью, по методу отрыва пузырька внутри жидкости, опрс лена изотермическая зависимость коэффициента поверхностного натяжения от конц трации для водных растворов глицерина (в диапазоне от 60% до 100%). Путём объеди ния полученной зависимости по параметру концентрации с графиком (рис. 3, Б), сф мирована изотермическая зависимость динамической вязкости от коэффициента повс ностного натяжения (рис. 6), определяющая работоспособность метода для различ! вязкостей жидкости при барботировании, в пределах которой возможно достовер! описание экспериментальных данных аппроксимирующим уравнением.

Уравнение регрессии для зависимости, приведённой на рис. 6, полученное по тоду наименьших квадратов, имеет вид:

/7(ст) = 2.4895-1022-0.46665". (

Таким образом, для выбираемой жидкости значение величины поверхностного тяжения должно находиться в пределах от 60,7 до 63,4 Н/м.

Диапазон возможного использования метода при разных температурах характе зуется графиком, приведённым на рис. 7, где изображена зависимость динамической кости от коэффициента поверхностного натяжения в диапазоне температур от 20 до 4 для 100% глицерина. Уравнение регрессии для зависимости, приведённой на рис. 7, лученное по методу наименьших квадратов, имеет вид:

77(сг) = 2.0323-10"35 • 5.0596". (

Указанные критерии вязкости и поверхностного натяжения для барботажной ж кости должны соблюдаться во всём диапазоне рабочих температур. Приведенная с марная погрешность с доверительной вероятностью 0,95 в диапазоне температур от 2 40 °С для измерительной кюветы и канала не превышает значения 2,1%.

с,%

ел<Г.%

Рисунок 6 - График изотермической зависимости динамической вязкости от коэффициента поверхностного натяжения водных растворов глицерина (температура 20 °С)

/.'с

Рисунок 7 - График зависимости динамич вязкости от коэффициента поверхностно] тяжения с учетом влияния температур

Четвертая глава посвящена апробации принципа измерения реологических свойств жидкости и метода контроля расхода газа.

На рис. 8 приведена структурная схема устройства контроля расхода газа.

При движении пузырька газа сначала повышается ТОК /ф2 и напряжение на выходе усилителя 2 становится больше опорного И2 = > £/оп- При этом срабатывает компаратор 4, сравнивающий напряжения С/г,

11оп> и формирует импульс длительностью ТИ1. Затем повышается напряжение на выходе усилителя 1 и срабатывает компаратор 3, формирующий импульс с длительностьюГщ. Триггер 5 срабатывает по фронту импульса напряжения (У4 на выходе компаратора 4 и возвращается в исходное состояние по фронту импульса и} на выходе компаратора 3, поступающего на Л-вход триггера 5. К выходам компараторов 3, 4 подключен элемент 6 типа 2ИЛИ для формирования интервала измерения 7щм, а также элемент 7 типа ЗИЛИ-НЕ, которым выделяется интервал Л7шм = Тизм -Тщ-Тщ времени между выходными импульсами компараторов 3, 4.

При появлении на инверсном выходе триггера 5 нулевого уровня напряжения и наличии нулевых сигналов на выходах компараторов 3 и 4 появляется высокий (единичный) уровень напряжения на выходе элемента 7 типа ЗИЛИ-НЕ, выходным сигналом £/7 которого устанавливает в нулевое состояние триггер 9. При этом на выходе логического элемента 10 типа 2ИЛИ формируются импульсы с частотой Гт, а в остальное время частота этих импульсов уменьшается вдвое до уровня 0,5.РТ.

С выхода элемента 10 типа 2ИЛИ импульсы напряжения С/10 переключаемой частоты через логический элемент 11 типа 2И поступают на счетный вход счетчика 12. Элемент типа 2ИЛИ 6 применен для выделения времени измерения Гизм и формирует сигнал £/6 при появлении высокого уровня напряжения на выходах триггера 5 или компаратора 3. Этот сигнал и6 также поступает на микропроцессор 13 как команда "Измерение", в начале которой микропроцессор 13 формирует короткий импульс, подаваемый на Л-вход счетчика импульсов 12 для его установки в нулевое состояние. Поэтому счетчик 12 реализует операцию цифрового измерения интервала времени 7изм посредством его заполнения тактовыми импульсами с переключаемой частотой /*"т и 0,5^т. При этом число импульсов, поступающих с выхода элемента 11 на счетчик 12 в течение интервала одного измерения, определяется формулой:

N11 = 0,5^т-(7к + Тт) + РТ -ДГизм- (17)

По окончанию цикла измерения полученный код Л'п с выходов счетчика 12 записывается в оперативное запоминающее устройство микропроцессора 13 и после преобразования в десятичную форму и умножения на коэффициент преобразования выводится на цифровой индикатор 14.

Апробация принципа измерения динамической вязкости показала его возможность использования для контроля концентрации однокомпонентных оптически прозрачных растворов. По результатам исследования концентрации водного раствора сахара получены зависимости динамической вязкости от величины концентрации водного раствора сахара (рис. 9). Уравнение регрессии, которое описывает экспериментально исследуемую зависимость между величинами 7 и С, в диапазоне от 45% до 60%, имеет вид:

1]{С) = 989.58. е0 0042б5 С _ (18)

Апробация метода при ис-

еПГ

следовании процессов спиртового брожения с использованием микропроб дрожжей показала, что пузырьковый метод обладает преимуществами по сравнению с существующим волюмометрическим. Это объясняется тем, что при реализации волюмометрического метода растёт давление газа в области его накопления, т. е. условия образования первого и последнего пузырька отличаются, что сказывается на процессе измерения.

В таблице приведены данные расхода газа, полученные при указанном процессе обеими методами, а на рис. 10 - соответствующие им кривые. Как видно из приведённых данных, разработанный метод по-

7,Тй ■с

\ л л /

.4: - \ , >......— f

\

Рисунок 9 - Влияние концентрат» водного раствора сахара на изменение вязкости с учётом СКО

/•60, с

Рисунок 10 - График процесса газовыделения в зырьковой (А) и волюмометрической системах

зволяет снизить погрешность определения выделенного объёма газа на 4,8% по сра нию с волюмометрическим методом Яго-Островского.

Таблица - Результаты исследования процесса газовыделения пузырьковым (П) и вол!

Оценка результатов измерения Метод Минуты, / х 60, с

30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60

Объём выделившегося газа, Уг х10~9, м3

СР п 261200 323800 387500 421700 444900 460000 470100

я 253700 318200 375700 411000 431400 440200 447500

СКО п 2468 2426 2271 2362 2294 1336 1185

я 2421 2348 1031 1205 1040 2263 2039

СКО СР п 780,383 767,18 718,002 746,819 725,486 422,446 374,777

я 765,652 742,466 325,962 381,165 328,854 715,64 644,916

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

1. Анализ процессов, сопровождающихся малыми газовыделениями, показал их широкую распространённость в областях производства, связанных с технологиями материалов, биологическими технологиями и инженерией. Отмечено, что используемые средства контроля должны учитывать изменения температуры в исследуемых процессах газовыделения в широком диапазоне.

2. В двухфазной системе между жидкостью и движущимся пузырьком газа существует ряд процессов, влияющих на результат измерения:

- под действием внешних источников теплоты в объёме вязкой жидкости изменяется тепловое поле, что приводит к изменению энергии активации среды и изменению реологических свойств жидкости;

- изменение давления столба жидкости при движении пузырька газа приводит к его расширению и увеличению подъёмной силы, при этом рост площади поверхности ведёт к увеличению силы трения;

- увеличение подъёмной силы происходит быстрее по сравнению с изменением диаметра пузырька, при этом в области равномерного движения пузырька подъёмная сила уравновешивается силой трения.

3. Разработана математическая модель процесса барботирования газа через жидкость, отличающаяся учётом реологических параметров вязкой среды, влияющих на процесс движения пузырька.

4. Предложен принцип измерения, основанный на регистрации параметров движения движущегося в жидкости объекта, плотность которого много меньше плотности жидкости, а именно, пузырька газа, что позволяет измерять реологические свойства вязкой жидкости.

5. Метод контроля объёмного расхода газа, позволяющий учитывать реологические свойства жидкости путем использования пузырька, сформированного естественным путем на границе раздела жидкой и газообразной фазы (на выходе сопла) и измерения времени прохождения пузырьком определенных участков, расположенных на траектории его подъема, с определением динамической вязкости, коэффициента поверхностного натяжения и объёма газа в пузырьке.

6. Теоретический поиск и выведенные расчетные соотношения подтверждены результатами следующих экспериментальных исследований:

- исследование реологических свойств жидкостей по определению времени прохождения пузырька газа через цилиндрический объём вязкой среды;

- определение характеристик измерительной системы по параметрам динамической вязкости, коэффициента поверхностного натяжения и температуры.

7. В разработанном аппаратно-программном комплексе контроля расхода малых объёмов газа, жидкость для барботирования должна обладать следующими показателями: динамическая вязкость не менее 25 Па-с и коэффициент поверхностного натяжения должен находиться в пределе от 60,7 до 63,4 Н/м. Для водных растворов глицерина в диапазоне концентраций 70 - 90% приведенная погрешность не превышает 1,8%.

8. Проведенный анализ точности для измерительной кюветы и измерительного канала разработанного средства контроля расхода сверхмалых объёмов газа показал, что для глицерина приведенная суммарная погрешность, в диапазоне температур от 20 до 40 "С не превышает значения 2,1 %. Сравнительное исследование показало, что разрабо-

тайный пузырьковый метод и средство контроля расхода газа обладает повышенной i ностью по отношению к существующему волюмометрическому методу.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Лунин, М. В. Дискретный пузырьковый метод и средство измерения малых ра дов газа с учётом параметров среды используемой для барботажа [Текст] / М. В. Луни Контроль. Диагностика, 2010. - № 2. - С. 66 - 68. {Журнал из перечня изданий, рекоме ванных ВАК).

2. Лунин, М. В. Аспекты разработки пузырькового расходомера [Текст] / М. В. Jlyi

- Труды международного симпозиума в 2-х томах. Том 2. / Под редакцией Н. К. Юрко: Пенза: Издательство Пензенского государственного университета, 2008. - С. 73.

3. Лунин, М. В. Аспекты разработки метода и средства контроля биологической тивности [Текст] / М. В. Лунин, А. В. Бобров. - Доклады 8-ой международной нау технической конференции «ФРЭМЭ'2008». Книга 2. / Под ред. Л. Т. Сушковой. - Влади Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии, 2008. - С. 181-185.

4. Лунин, М. В. Контроль концентрации оптически прозрачных растворов по их вя кости [Текст] / М. В. Лунин, В. Я. Черных, А. В. Артамонов. - Сборник материалов 2-ой конференции молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных тем». / Под ред. В. Г. Куличихина. - М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2009. - С. 139 - 140

5. Лунин, М. В. Измерение объёмного расхода газа, в процессах сопровождав сверхмалыми газовыделениями [Текст] / М. В. Лунин. - Измерения в современном м 2009: сборник научных трудов, Второй международной научно-практической конферен

- СПб.: Издательство Политехнического университета, 2009. - С. 37 - 39.

6. Лунин, М. В. Контроль концентрации сахарных растворов по их вязкости. [Тек М. В. Лунин, А. В. Артамонов, Н. В. Попова, Н. Н. Фокин. - Вторая научно-практиче конференция и выставка с международным участием «Управление реологическими св вами пищевых продуктов». Сборник материалов. - М.: Издательский комплекс МГ 2010.-С. 66-68.

7. Лунин, М. В. Модельное исследование параметров пузырькового расходо [Текст] / М. В. Лунин. // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проб техники и технологии. - №1. - Орел: ОрёлГТУ, 2008. - С. 80 - 85.

8. Лунин, М. В. Аспекты проектирования пузырькового расходомера [Текст] / Лунин, А. В. Бобров. // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы ники и технологии. - №2. - Орел: ОрёлГТУ, 2008. - С. 82 - 86.

9. Лунин, М. В. Метод и средство контроля температуры вязких жидкостей. [Те М. В. Лунин, М. С. Костин, А. Ю. Медведева. // Известия ОрелГТУ. Фундаментальн прикладные проблемы техники и технологии. - № 3-2. - Орел: ОрёлГТУ, 2009. - С. 66 -

10. Патент № 2366902. МПК G 01 F 3/00. Устройство измерения расхода газа [Те Лунин М. В., Корндорф С. Ф. - Опубл. 13.02.2008.

11. Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ № 200961 Программа определения кинематической вязкости [Текст] / Лунин М. В. - О 17.02.2009.

ЛР ИД № 00670 от 05.01.2000 г. Подписано к печати 04.05.210 г. Усл. печ. л.1. Тираж 100 экз. Заказ № 127 Полиграфический отдел ОрёлГТУ 302025, г. Орел, ул. Московская, д. 65

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ РАСХОДОВ ГАЗА

1.1 Анализ процессов, сопровождаемых выделением малых объёмов газа

1.2 Обзор методов и средств измерения малых расходов газа

1.2.1 Непрерывные методы измерения расхода газа с отсутствием разрыва потока

1.2.2 Дискретные методы измерения расхода газа с разрывом потока

Выводы

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИСКРЕТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЁМНОГО РАСХОДА ГАЗА С УЧЁТОМ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Математическое моделирование теплообмена между жидкостью и газом в процессе барботажа

2.2 Моделирование ламинарного течения в цилиндрическом объёме вязкой жидкости

2.3 Методы и средства контроля реологических свойств вязких жидкостей основанные на теориях Пуазейля и Стокса

Выводы

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИСКРЕТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЁМНОГО РАСХОДА ГАЗА

3.1 Описание метода измерения и разработка средства измерения объёмного расхода газа

3.1.1 Принцип измерения реологических свойств жидкости

3.1.2 Расчётные соотношения для измерения пузырьковым методом

3.1.3 Условия выполнения измерения и алгоритм проведения

3.1.4 Средства измерения и их конструктивные особенности

3.2 Выбор жидкости используемой для барботирования и исследование области работоспособности метода

3.3 Анализ точности разработанного средства измерения 110 Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ДИСКРЕТНЫХ СРЕДСТВ

ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЁМНОГО РАСХОДА ГАЗА

4.1 Средство измерения объёмного расхода газа

4.2 Информационно-измерительная система контроля концентрации оптически прозрачных растворов

4.3 Исследование газовыделения сбраживающей системы

Актуальность работы. В современной промышленности все более строгие требования предъявляются к точности измерения параметров технологических процессов. При этом, для обеспечения точности исполнения тех или иных технологических операций необходим оперативный инструментальный контроль полуфабриката, для настройки технологического оборудования.

Кроме того, имеет место тенденция к использованию микропроб на этапе научно-исследовательской работы для контроля и управления потоками вещества в процессах, протекающих на микро- и нано-уровневых структурах. К ведущим направлениям развития технологий относят: материаловедение, биотехнологии и инженерия. При реализации инструментальных средств, для таких технологий, необходимо вносить изменения в устройства контроля, так как погрешности, связанные с температурным дрейфом, оказывают существенное влияние на результат измерения.

Технологические процессы в различных областях производства связаны с подачей газа или его выделением. При этом контроль расхода газа позволяет судить о режиме протекания технологического процесса. Поэтому проблема повышения точности измерения расхода газа имеет первостепенное значение.

В зависимости от количества расхода газов применяют те или иные методы и средства измерений. Особую область в этих измерениях занимает контроль малых и сверхмалых объёмов, для которого непригодны механические, электрические, ультразвуковые и другие методы. Наибольшее распространение при контроле малых и сверхмалых объёмов газа получили пузырьковые методы. Существующие пузырьковые методы отличаются учётом различных факторов, влияющих на содержание газа в каждом пузырьке, так например, при реализации метода Т.С. Бондарева и B.C. Малышева осуществляется барботаж измеряемого газа через слой жидкости с одновременным подсчетом числа пузырьков газа. Однако, в подобных дискретных устройствах отсутствует учет параметров жидкой среды, используемой для барботи-рования. Сложность заключатся во влиянии, изменяющейся температуры барботажной жидкости, на величину коэффициента поверхностного натяжения и на объём газа в пузырьке при его образовании у сопла на границе жидкой и газообразной фаз.

При этом, не учитывается давление газа в пузырьке, и поэтому в определение расхода газа вносится значительная погрешность. При более точных измерениях необходимо учитывать реологические свойства жидкости через которую происходит барботирование газа, температуру и т.д. Это накладывает ограничения при проведении измерения, связанные с необходимостью термостатирования, и снижает возможности метода и средства измерения.

Процессы, связанные с выделением малых объёмов газа, широко распространены. Например, в области пищевой промышленности от качества дрожжей зависит качество хлебопекарной продукции. Особое значение качество дрожжей приобретает при использовании технологии ускоренного приготовления теста, получившей в последнее время широкое распространение. Технология ускоренного приготовления теста предусматривает введение значительного количества дрожжей. При их повышенном дозировании на качество хлеба и его органолептические свойства будут оказывать влияние технологические характеристики полуфабриката: подъемная сила, мальтаз-ная активность и газообразующая способность. Поэтому, в технологиях пищевой промышленности распространены методы исследования на основе определения указанных технологических характеристик. Исследуемая интенсивность протекания ферментативной реакции зависит от скорости и массы образующихся продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Одним из таких процессов является брожение. Результатом этого процесса является количество газа, выделяющегося при брожении, что дает возможность судить и о кинетике газообразования и, как следствие, о качестве рецептурного компонента.

Так как, существующая точность измерения малых расходов газа недостаточна, поэтому разработка пузырьковых методов контроля повышенной точности является актуальной задачей.

Объект исследования: поток газовых пузырьков, движущийся в средствах измерения расхода газа пузырьковым методом.

Предмет исследования: дискретный пузырьковый метод и средство измерения малых расходов газа, учитывающие реологические свойства среды для барботирования.

Целью диссертационной работы является повышение точности измерения расхода сверхмалых объёмов газа, путём разработки метода и технических средств, обеспечивающих контроль указанного расхода с учётом давления жидкости и её реологических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести сравнительный анализ существующих методов и технических средств контроля объёмного расхода малых количеств газа и на его основе определить физические принципы и технические решения повышения точности контроля;

- разработать математическую модель, определяющую комплекс параметров характеризующих физический процесс барботирования газового пузырька в жидкости, и получить аналитическое описание зависимости объёма газа в пузырьке от реологических параметров жидкости в измерительной системе;

- предложить принцип измерения реологических параметров вязкой среды, для повышения точности измерения объёмного расхода газа по пузырьковому методу;

- разработать метод контроля объёмного расхода газа, с учётом влияния температуры на реологические свойства вязкой жидкости используемой для барботирования;

- разработать аппаратно-программный комплекс контроля расхода газа с учётом реологических параметров жидкости измерительной системы;

- провести сравнительное исследование разработанного метода и средства контроля объёмного расхода газа.

Методы и средства исследования. При решении поставленных задач применялись теория физико-химической механики и реологии сред, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, теории численного анализа, методы математического моделирования на ЭВМ, реализованные в оболочках Lab VIEW, MathCAD.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов и выводов. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. Положения теории основываются на известных достижениях в области молекулярной физики, гидродинамики ламинарного течения жидкости и движения тел в жидкостях.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения сверхмалых расходов газа, включающий выбор жидкости используемой для барботирования, определение конструктивных особенностей измерительной кюветы, в частности диаметра сопла и уровней расположения источников света и фотоприемников вдоль цилиндрической кюветы, и требования, предъявляемые к устройствам измерения времени перемещения пузырька газа вдоль оси цилиндра, в частности, к устройству распознавания менисков в вершине и основании по вертикальной оси пузырька.

2. Математическая модель процесса барботирования газа через жидкость, отличающаяся учётом реологических параметров вязкой среды.

3. Способ определения реологических свойств жидкости, учитывающий движение в ней центра пузырька, в условиях его естественного образования, на выходе сопла, и свободного всплытия, с измерением времени прохождения участка на траектории его подъема и расчетом вязкости.

4. Средство измерения малых расходов газа, содержащее кювету, заполненную жидкостью, трубопровод с соплом, погруженным в жидкость, источник света и фотоприемник, устройство счета газовых пузырьков, подключенное к фотоприемнику, и устройство определения времени смещения импульсов, поступающих от фотоприёмников, и скорости движения центра пузырьков.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что:

1. Разработана математическая модель движения пузырька газа вдоль оси цилиндра с вязкой жидкостью в устройстве, осуществляющем контроль объёмного расхода газа с учётом реологических свойств жидкости для барботирования.

2. Предложен принцип измерения реологических свойств жидкости, основанный на регистрации параметров движения пузырька газа, барбати-руемого через слой вязкой жидкости.

3. Разработан метод контроля расхода газа, позволяющий учесть изменение давления жидкости и влияние температуры на реологические свойства жидкости используемой для барбатирования.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

Разработанная математическая модель движения пузырька газа вдоль оси цилиндра с вязкой жидкостью и её аналитическое описание, обеспечивающие адекватное представление динамики процессов течения пузырька газа и процессов изменения реологических свойств жидкости, позволяют:

1) проводить исследования процессов, сопровождаемых сверхмалым газовыделением;

2) проводить научно-практические исследования реологических свойств вязких жидкостей;

3) проводить научно-практические исследования концентраций одно-компонентных растворов вязких оптически прозрачных жидкостей.

Применение предложенных способов и аппаратно-программных средств контроля позволяет повысить достоверность и точность определения объёмного расхода газа в процессах, сопровождаемых его малым выделением, а также исследовать реологические свойства вязких жидкостей. Это достигается применением:

1) разработанных электронных устройств, позволяющих измерять скорость движения центра пузырька газа в цилиндрическом объёме вязкой среды;

2) разработанной прикладной программы, обеспечивающей контроль вязкости и получение значения объёма пузырька газа, используемого в качестве маркёра при движении в вязкой жидкости.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международном симпозиуме «Надёжность и качество 2008» (г. Пенза, с 26 мая по 1 июня 2008 г.), VIII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир-Суздаль, с 21 по 23 мая 2008 г.), П-ой конференции молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» (Московская область, г. Звенигород, с 7 по 11 июня 2009 г.), П-ой международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире —2009» (г. Санкт-Петербург, с 8 по 10 декабря 2009 г.).

Публикации. По результатам работы опубликованы 11 научных работ, из них 4 - статьи, из которых 1 в издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК, 1 - патент, 1 - свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ, 5 — тезисов докладов на конференциях.

Выводы

Разработанная схема устройства, реализующая измерение времени следования импульсов, формируемых при засветке фотодиодов, обеспечивает распознавание образа пузырька-маркёра. При этом, система позволяет определить расположение точки соответствующей середине пузырька-маркёра.

Система измерения концентрации оптически прозрачных однокомпо-нентных растворов, например, водного раствора сахара, путем измерения времени прохождения пузырьком-маркером определенных участков, расположенных на траектории его подъема, с определением динамической вязкости и оценкой по косвенным зависимостям величины концентрации вещества растворе, позволяет обеспечить оперативный инструментальный контроль концентрации растворов рецептурных компонентов, необходимый для настройки технологического оборудования при получении полуфабриката с определёнными реологическими свойствами.

Установлен диапазон концентрации раствора сахара 45-60%, который говорит о высокой сходимости предлагаемого метода контроля концентрации однокомпонентных растворов и возможности его использования в пищевой промышленности.

Использование пузырькового метода измерения малых газовыделений при исследовании процессов спиртового брожения с использованием микропроб дрожжей показало, что пузырьковый метод обладает преимуществами по сравнению с существующими волюмометрическим и манометрическим методами. К основным преимуществам следует отнести высокую точность измерения, возможность регистрации кривой с самого начала процесса газовыделения и отсутствие скопления выделяющегося газа над исследуемым образцом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённый в первой главе анализ показал, что процессы, сопровождающиеся выделением малых объёмов газа, широко распространены в промышленных областях связанных с технологиями материалов, биологическими технологиями и инженерией. При этом, было выделено большое многообразие существующих средств, обеспечивающих контроль расхода малых объёмов газа.

Анализ, показал, что наиболее перспективным является пузырьковый метод контроля расхода малых объёмов газа [75, 76]. При этом, был отмечен основной путь развития теории в области наиболее перспективного пузырькового метода измерения основанного на явлении барботирования.

Описание пузырькового метода измерения, проведённое во второй главе, выявило ряд теорий в области теплообмена двуфазных систем, гидродинамики ламинарного течения жидкости и движения тел в жидкостях. Теоретическое исследование процессов теплообмена в системе, состоящеё из жидкой и газообразной фаз, показало, что нагретый сферический объект, осуществляющий движение сквозь вязкую жидкость, за счёт процесса теплопроводности изменяет температуру жидкости и её реологические свойства [84].

Проведенный анализ теории ламинарного течения жидкости и капиллярных явлений на границе раздела фаз позволил выявить комплекс параметров и определить ряд зависимостей, позволяющих проводить измерение расхода газа с учётом влияния реологических свойств жидкости на объём газового пузырька, перемещающегося в среде [77].

Анализ методов измерения динамической вязкости и коэффициента поверхностного натяжения показал, что среди существующих отсутствуют способы, при реализации которых использовались бы объекты, имеющие плотность много меньше плотности жидкости, в которой они движутся. При этом, была выдвинута гипотеза, на основе которой, предлагалось контроль реологических свойств жидкости для барботажа обеспечить путем измерения времени прохождения газовым пузырьком-маркером определенных участков, расположенных на траектории его подъема.

В третьей главе была сформулирована методика выполнения измерения объёма газа при его барботаже, путём контроля реологических свойств жидкости, используемой для барботажа. Разработанный метод измерения расхода малых объёмов газа позволяет учесть изменения реологических параметров барботажной жидкости, влияющие на величину объёма пузырька [78].

Предлагаемое средство контроля прохождения пузырька-маркёра в цилиндрическом объёме жидкости осуществляет измерение времени прохождения материальной точки, расположенной между вершиной и основанием пузырька, при движении вдоль траектории подъёма [80].

Исследование водных растворов глицерина в диапазоне концентраций 70-90% привело к выводу о необходимости выбора жидкости для барботирования с вязкостью свыше 25 Па-с.

Анализ точности измерительной установки используемой при исследовании показал, что приведенная суммарная погрешность, с доверительной вероятностью 0,95, в диапазоне температур от 20 до 40 °С для измерительной кюветы и измерительного канала не превышает значения 2,1 % [79].

В четвертой главе приводятся практическая реализация средств измерения параметров барботажной системы, а именно:

- разработано устройство, реализующее измерение отрезка времени следования импульсов, формируемых при засветке фотодиодов, которое обеспечивает распознавание образа пузырька-маркёра, путём определения расположения точки соответствующей середине пузырька-маркёра [79];

- для обеспечения качества полуфабриката разработана система измерения концентрации оптически прозрачных однокомпонентных растворов, основанная на определении динамической вязкости и оценки по косвенным зависимостям величины концентрации вещества в растворе [80]. По результатам апробации получен акт об использовании результатов диссертационной работы в Московском Государственном Университете Пищевых Производств, приложение Д;

- разработан аппаратно-программный комплекс контроля реологических параметров вязкой среды [81];

- разработано устройство измерения малых газовыделений, на примере процессов спиртового брожения с использованием микропроб дрожжей [82].

1. О федеральной целевой программе «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации Электронный ресурс. : постановление Рос. Федерации от 02.08.2007 г. № 498. - Электрон, дан. --Режим доступа: http://gov.consultant.ru/doc.asp?1.=41145

2. Ландау, Л. Д., Теоретическая физика : Механика сплошных сред Текст. : / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Гостехиздат, 1953. - 788 с. : ил.

3. Ноздрев, В. Ф. Молекулярная акустика Текст. : учеб. пособие / В. Ф. Ноздрев, Н. В. Федорищенко. М. : Высшая школа, 1974. - 288 с. : ил.

4. Колесников, А. Е. Ультразвуковые измерения Текст. / А. Е. Колесников. М. : Изд-во стандартов, 1970. - 238 с.

5. Патент № 513299, МПК G 01 N 7/14. Способ определения растворимости газов в высокоэластичных полимерах Текст. / Азарх М.З., Штительман М.И., Ребизова В.Г., Стогова Е.П., Косенкова А.С. Опубл. 05.05.1976, Бюл. № 17.

6. Бахшиев, Н. Г. Фотофизика диполь-дипольных взаимодействий Текст. / Н. Г. Бахшиев. СПб. : Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2005. - 497 с.

7. Патент № 1511640, МПК G01 N 15/00, G 05 D 27/00. Способ определения профиля распределения внедренной газовой примеси в твердых материалах Текст. / Тищенко Л.П., Перегон Т.И., Коваль А.Г. Опубл. 30.09.1989, Бюл. №36.

8. Патент № 1142778, МПК G 01 N 7/16, G 01 N 33/20. Способ определения остаточных газов в сварных швах Текст. / Сагалевич В.М., Басиев К.Д., Есиев Т.С., Блиев А.П., Синяпкин А.Н. Опубл. 28.02.1985, Бюл. № 8.

9. Конструкционные материалы Текст. : справочник / под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. М. : Машиностроение, 1990. — 688 с.

10. Технология конструкционных материалов Текст. / под ред. А. М. Дальского. М. : Машиностроение, 1985. - 448 с.

11. Патент № 787360, МПК С 01 В 13/00, G 01 N 1/28, G 01 N 31/00. Способ выделения кислорода из неорганических материалов Текст. / Суховерхов В.Ф., Устинов В.И., Гриненко В.А. Опубл. 15.12.1980, Бюл. № 46.

12. Патент № 571731, МПК G 01 N 1/28, G 01 N 31/00, С 01 В 13/00, С 01 В 31/00. Способ одновременного выделения кислорода и углерода из органических веществ Текст. / Суховерхов В.Ф., Подзолко Л.Г., Устинов В.И. Опубл. 05.09.1977, Бюл. № 33.

13. Патент № 1169575, МПК А 01 К 61/00, G 01 N 33/18. Способ определения скорости потребления кислорода водными организмами и устройство для его осуществления Текст. / Емельяненко В.В., Журбенко И.З., Крайнюкова А.Н. Опубл. 30.07.1985, Бюл. №28.

14. Патент № 1676623, МПК А 61 G 10/02. Способ определения объемов выделяемых и поглощаемых газов и устройство для его осуществления Текст. / Беспалов И.Н., Алексеев А.В. Опубл. 15.09.1991, Бюл. № 34.

15. Вайсфельд, Д. Н. Лечебное применение грязей Текст. / Д. Н. Вайсфельд, Т. Д. Голуб. — Киев : Здоровье, 1980. — 142 с.

16. Серебро в медицине Текст. / Е. М. Благитко [и др.]. Новосибирск : Наука-Центр, 2004. - 256 с.

17. Куренная, О. Н. Повышение эффективности штаммов хлебопекарных дрожжей Текст. / О. Н. Куренная // Кондитерское и хлебопекарное производств. 2008. - № 3. - С. 13-17.

18. Патент № 774388, МПК G 01 N 33/22. Устройство для определения содержания свободного и растворенного газа Текст. / Репин Н.Н., Пелевин JI.A., Баринов Б.А., Герман Л.И. Опубл. 30.10.1984, Бюл. № 40.

19. ГОСТ 15528-86. Средства измерения расхода, объёма или массы протекающих жидкостей или газа. Термины и определения Текст. -Взамен ГОСТ 18083-72 ; введ. 1988-01-01. М. :. Изд-во стандартов, 1987.-44 с.

20. Патент № 638850, МПК G 01 F 25/00. Способ градуировки и поверки расходомеров газа Текст. / Пелых Н.А., Трофименко В.Л., Колтунов О.И., Супиков М.К. Опубл. 25.12.1978, Бюл. № 47.

21. Патент № 298827, МПК G 01 f 1/00. Расходомер газа Текст. / Марьяновский Я.М. Опубл. 16.03.1971, Бюл. №11.

22. Патент № 1368640, МПК G 01 F 1/48. Устройство для измерения малых и микрорасходов газа Текст. / Пистун Е.П., Стасюк И.Д., Теплюх З.Н. — Опубл. 23.01.1988, Бюл. № 3.

23. Патент № 163379, МПК G 01 F. Расходомер малых расходов газа Текст. / Винокурский С.А., Амаева Л.А., Лященко В.А. Опубл. 22.06.1964, Бюл. № 12.

24. Кремлевский, П. П. Расходомеры и счетчики количества Текст. : справочник / П. П. Кремлевский. 4-е изд., перераб. и доп. — Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1989. — 701 с. : ил.

25. Патент № 288332, МПК G 01 F 5/00. Расходомер газа Текст. / Новожилов Ю.Н. Опубл. 03.12.1970, Бюл. № 36.

26. Патент № 523282, МПК G 01 F 1/32. Расходомер для жидкостей и газов Текст. / Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Опубл. 30.07.1976, Бюл. № 28.

27. Киясбейли, А. Ш. Вихревые счетчики-расходомеры Текст. : монография / А. Ш. Киясбейли, М. Е. Перелыптейн. М. : Машиностроение, 1974. -161 с. - (Б-чка приборостроителя).

28. Патент № 502226, МПК F 01 F 1/00. Ультразвуковой расходомер Текст. / Мжельский Б.И., Мжельская В.А. Опубл. 05.02.1976, Бюл. № 5.

29. Патент № 475505, МПК G 01 F 1/06. Турбинный расходомер Текст. / Гладковский Ю.Н., Семенов В.А., Шонин JI.H. Опубл. 30.06.1975, Бюл. №24.

30. Патент № 360553, МПК G 01 F 1/10. Датчик расходомера жидкости или газа Текст. / Бошняк JI.JL, Бухонов А.Д., Бызов JI.H. Опубл. 28.11.1972, Бюл. № 36.

31. Патент № 1281900, МПК G01F1/06. Тангенциальный турбинный расходомер Текст. / Руднев А.В., Алексеев Ю.Н., Селиненков Б.Е., Моисеев Н.А. Опубл. 07.01.1987.

32. Патент № 517792, МПК G 01 F 1/68. Тепловой расходомер Текст. / Гарушян Д.Г., Потикян Р.А., Тер-Захарян К.А. Опубл. 15.06.1976, Бюл. №22.

33. Коротков П. А. Тепловые расходомеры Текст. / Коротков П. А., Д. В. Беляев, Р. К. Азимов. Л: Машиностроение, 1969. - 175 с.

34. Патент № 149900, МПК 42е. Вибрационный гироскопический расходомер Текст. / Потемкин Л.В. — Опубл. 1962 г., Бюл. № 17.

35. Патент № 2249183, МПК G01F1/84. Кориолисовый расходомер и способ иго изготовления Текст. / Ван Клив Крэйг Брэйнерд, Ланхам Грегори Трит, ОллилаКертис Джон, Листер Эрнест Дэйл. Опубл. 27.03.2005.

36. Патент № 1627844, МПК G 01 F 3/00. Капельный расходомер жидкости Текст. / Фесенко В.Ф., Березняк А.А., Кумченко Я.А., Лукащенко Н.И., Спицкий В.И. Опубл. 15.02.1991, Бюл. № 6.

37. Патент № 834401, МПК G 01 F 3/00. Индикатор малых расходов газа Текст. / Анциферов В.Н., Гилев В.Г., Рабинович А.И. Опубл. 30.05.1981, Бюл. №20.

38. Патент № 1631285, МПК G 01 F 1/42. Пленочно-пузырьковый расходомер Текст. / Дубовой Н.Д., Илясов В.Ф., Лукичев А.Ю. Опубл. 28.02.1991, Бюл. № 8.

39. Патент № 1464109, МПК G 01 Р 3/50. Устройство для бесконтактного измерения скорости перемещения пленки в пузырьковом расходомере Текст. / Дубовой Н.Д., Илясов В.Ф., Лукичев А.Ю. Опубл. 07.03.1989, Бюл. № 9.

40. Патент № 1415193, МПК G 01 Р 3/50. Устройство для бесконтактного измерения скорости перемещения пленки в пузырьковых расходомерах Текст. / Дубовой Н.Д., Илясов В.Ф., Лукичев А.Ю., Сазонов А.А. -Опубл. 07.08.1988, Бюл. № 29.

41. Патент № 1096588, МПК G 01 Р 3/50. Устройство для бесконтактного измерения скорости перемещения пленки в пузырьковых расходомерах Текст. / Дубовой Н.Д., Илясов В.Ф., Лукичев А.Ю., Бурякин В.И. -Опубл. 07.06.1984, Бюл. № 21.

42. Бондарев, Г. С. Дискретный метод измерения малых объемов газа Текст. / Г. С. Бондарев, В. С. Малышев // Измерительная техника. 1970. - № 5. -С. 102-103.

43. Патент № 258282, МПК 12g, 1/01. Устройство для регистрации и регулирования соотношения малых объёмов газов Текст. / Леонов Б.В., Надточий В.Г., Марков В.Н., Камахин А.П. Опубл. 03.12.1969, Бюл. № 1.

44. Измерения в промышленности: В 3 кн. Кн.2: Способы измерения и аппаратура: Справочник Текст. / В. Бастль [и др.] ; под ред. П. Профос, Д. И. Агейкин. М.: Металлургия, 1990. - 383 с.

45. Исаченко, В. П. Теплопередача Текст. : учебник для вузов / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М. : Энергия, 1975.-488 с. : ил.

46. Степанов, В. В. Курс дифференциальных уравнений Текст. : для ун-тов / В. В. Степанов. Изд. 7-е, стереотип. - М. : Гос. изд-во физ.-матем. лит., 1958.-468 с. : черт.

47. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен Текст. В 2-х т. / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер. М. : Мир, 1990. - 728 с.

48. Ватсон, Г. И. Теория бесселевых функций Текст. : пер. с англ. / Г. Н. Ватсон. М. : Иностранная литература, 1949. - 799 с.

49. Уонг, X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров Текст. : справочник : пер. с англ. / X. Уонг. М. : Атомиздат, 1979. — 216 с.

50. Теплотехнический справочник в 2-х томах. Том 2 Текст. / Изд. 2-е под ред. В.Н.Юренева и П.Д. Лебедева. М.: Энергия, 1975г., 744с.

51. Гулд, X. Компьютерное моделирование в физике Текст. В 2 ч. / X. Гулд, Я. Тобочник. М. : Мир, 1990. - 349 е., 400 с.

52. Савельев, И. В. Курс общей физики Текст. Т. 1. Механика, колебания и волны, молекулярная физика / И. В. Савельев. М. : Наука, 1970. — 512 с.

53. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х томах. Том 1. Механика. Молекулярная физика. Текст. / Савельев И.В. 3-е изд., испр. - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. — 432 с.

54. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей Текст. / Н. Б. Варгафтик. М. : Физматгиз, 1963. - 708 с.

55. Патент № 2080584, МПК G01N11/12. Способ измерения вязкости жидкости Текст. / Подживотов В.П., Грузнов М.Л., Грузнов Е.Л., Грузнов Л.П. Опубл. 27.05.1997.

56. Патент № 2199728, МПК G01N11/00. Способ измерения вязкости жидкости Текст. / Мордасов М.М., Трофимов А.В., Трофимов С.А. -Опубл. 27.02.2003.

57. Патент №1712833, МПК G 01 N 13/02. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей. Текст. / Астахов В.П., Герасимов Б.И., Мищенко С.В., Мордасов М.М., Пономарев С.В. Опубл. 15.02.92, Бюл. № 6.

58. Патент № 1712834, МПК G 01 N 13/02. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей. Текст. / Мордасов М.М., Дмитриев Д.А., Ефремов А.А. Опубл. 15.02.92, Бюл. № 6.

59. Патент № 2305271, МПК G01N21/00. Бесконтактный способ измерения вязкости жидкости. Текст. / Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Чемоданов С.И. Опубл. 27.08.2007.

60. Патент № 2201587, МПК G01N11/00. Бесконтактный способ измерения вязкости. Текст. / Безуглый Б.А., Федорец А.А. Опубл. 27.03.2003.

61. Патент № 1157408, МПК G 01 N 13/02. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости Текст. / Элькинд С.А., Шенфельд А.Я., Павлова В.А., Безрядин Н.А., Сотников И.Ф. Опубл. 23.05.85, Бюл. № 19.

62. Патент № 894478, МПК G 01 N 13/02. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей Текст. / Кубарко А.И. Опубл. 30.12.81, Бюл. №48.

63. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия Текст. -Взамен ГОСТ 5542-78 ; введ. 1988-01-01. М. : ИПК Изд-во стандартов, 2000.-4 с.

64. ГОСТ 2939-63. Газы. Условия для определения объема Текст. Взамен ГОСТ 2939-45 ; введ. 1964-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1988. - 3 с.

65. МИ 2525-99. ГСИ. Рекомендации по метрологии ГНМЦ России. Порядок разработки Текст. Взамен МИ 2178-91 ; введ. 1999-04-01. - М. : Изд-во стандартов, 1999. - 6 с.

66. ГОСТР 8.563-96. Методики выполнения измерений Текст. Введ. 199707-01. - М. : Стандартинформ, 2007. - 20 с.

67. Матвеев, А. И. Молекулярная физика Текст. / А. И. Матвеев. 2-е изд., перераб., доп. - М. : Высшая школа, 1987. — 360 с.

68. Технология пищевых производств Текст. / под ред. JI. П. Ковальской. -М. : Агропромиздат, 1988. 286 с.

69. Технология и оборудование пищевых производств Текст. / Н. И. Назаров [и др.] ; под ред. Н. И. Назарова. М. : Пищевая промышленность, 1977. -352 с.

70. Шишкин, И. Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством Текст. : учеб. для вузов / И. Ф. Шишкин ; под ред. Н. С. Соломенко. М. : Изд-во стандартов, 1990. - 341 с.

71. Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных Текст. : пер. с англ. / Дж. Бендат, А. Пирсол. —М. : Мир, 1989. — 540 с.

72. Аристова, Н. И. Промышленные программно аппаратные средства на отечественном рынке АСУТП Текст. / Н. И. Аристова. М. : НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ, 2001.-401 с.

73. Лунин, М. В. Аспекты разработки пузырькового расходомера Текст. / М. В. Лунин // Труды международного симпозиума. В 2 т. Т. 2 / под ред. Н. К. Юркова. — Пенза : Изд-во Пензенского гос. ун-та, 2008. — С. 73.

74. Лунин, М. В. Модельное исследование параметров пузырькового расходомера Текст. / М. В. Лунин // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии —№ 1.- Орел: ОрёлГТУ, 2008. С. 80-85.

75. Лунин, М. В. Аспекты проектирования пузырькового расходомера Текст. / М. В. Лунин, А. В. Бобров // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии — № 2.- Орел: ОрёлГТУ, 2008. С. 82-86.

76. Лунин, М. В. Дискретный пузырьковый метод и средство измерения малых расходов газа с учётом параметров среды используемой для барботажа Текст. / М. В. Лунин // Контроль. Диагностика. 2010. - № 2. -С. 66-68.

77. Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ № 2009611866. Программа определения кинематической вязкости Текст. / Лунин М.В. Опубликовано 17.02.2009.

78. Патент № 2366902. МПК G 01 F 3/00. Устройство измерения расхода газа Текст. / Лунин М.В., Корндорф С.Ф. Опубликовано 13.02.2008.

79. Цыганова Т.Е. Технология хлебопекарного производства. Текст. / Цыганова Т.Е. М.: ИРПО; Издательский центр «Академия», 2001. - 432с.

80. Лунин, М.В. Метод и средство контроля температуры вязких жидкостей. Текст. / М.В. Лунин, М.С. Костин, А.Ю. Медведева. // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. № 3-2/275(561). - Орел: ОрёлГТУ, 2009. С. 66 - 72.