автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Ротационные вискозиметры с СВЧ системой преобразования контролируемого параметра

Введение.

1 Обзор состояния вопроса исследования и постановка задачи исследования.

1.1 Обоснование и возможности ротационных методов в вискозиметрии.

1.2 Термореологический эффект и его влияние на точность измерения вязкости ротационными вискозиметрами.

1.3 Выводы и постановка задачи исследования.

2 Обоснование ротационного способа измерения кинематической вязкости и его теоретические основы.

2.1 Ротационно - погружной метод измерения вязкости.

2.2 Аналитическое решение для динамики переходного процесса между стационарными режимами ротационно-погружного метода измерения вязкости.

2.3 Вывод статической характеристики ротационного метода измерения вязкости.

2.4 Вывод выражения для времени переходного процесса trm в функции изменения г|/р по динамической характеристике устройства.

Вывод по второй главе.

3 Выбор первичных измерительных преобразователей ротационного вискозиметра и их сравнительный метрологический анализ.

3.1 Ротационно - емкостной преобразователь (ПИП).

3.2 Обзор СВЧ преобразователей.

3.3 Первичный измерительный преобразователь ротационного вискозиметра на основе цилиндрического объемного резонатора.

3.3.1 Анализ СВЧ ПИП ротационного вискозиметра на основе цилиндрического объемного резонатора.

3.3.2 Расчет колебания Е0ю ЦОР частично заполненного жидкостью с огибающей в виде параболоида вращения.

3.3.3 Расчет колебания Н0ц ЦОР частично заполненного жидкостью с огибающей в виде параболоида вращения.

3.3.4 Сравнительная оценка порога чувствительности емкостного датчика и датчика на ЦОР с использованием колебания Н0ц.

3.3.5 Экспериментальное модельное определение ухода резонансной частоты частично заполненного ЦОР жидкой средой при изменении формы огибающей поверхности вращения.

3.3.6 Тарировка резонансного первичного измерительного преобразователя (ЦОР).

3.3.7 Погрешность определения вязкости rj с учетом порога чувствительности.

3.3.8 Расчет погрешности измерения кинематической вязкости.

Вывод по третьей главе.

4 Методы улучшения метрологических характеристик ротационных вискозиметров.

4.1 Выбор оптимальных варьируемых геометрических параметров конструкции КОР, сопряженного с ЦОР.

4.2 Конструкция ротационного вискозиметра с коррекцией по плотности.

4.2.1 Вывод зависимости частоты измерительного генератора на основе коаксиального ОР от плотности жидкости.

4.2.2 Выбор конструктивных параметров сопряженных КОР и ЦОР из условия их частотного согласования.

4.3 Вискозиметр с коррекцией по вариации плотности Др (Де) и уровню заполнения ДЬ с полевой АПЧ.

4.3.1 Расчетная схема "полевой" авто - настройки колебательной системы (ЦОР) в резонанс управляемым по частоте КОР с закорачивающей емкостью.

4.3.2 Расчет зависимости резонансной частоты КОР от управляющего тока подмагничивания.

4.4 Температурная стабилизация (термокомпенсация).

Вывод по четвертой главе.

Актуальность темы. Вязкость является одной из основных физических величин, определяющих тип автомобильных, авиационных и других горючесмазочных материалов, их эксплуатационные свойства в различных климати^-ских условиях, так кинематическая вязкость (при t=20°C): летнего дизельного топлива не менее 3.5 1 О*6 м2/с, а зимнего менее 2.5 10"6м2/с, авиационных керосинов марок Tl, ТС-1 и Т2 равны соответственно 1.5, 1.25 и 1.0510"6 м2/с. Высокоточное определение величины вязкости горюче-смазочных материалов различного назначения перед непосредственной эксплуатацией - является актуальной задачей, так как интенсивное развитие современной авиационной техники, самолетостроения диктует особые требования к качеству используемых жидю-стей, от которых зависит безаварийная эксплуатация и долговечность работы оборудования.

На этапе изготовления горюче-смазочные материалы подвергаются тщательному контролю в стационарных заводских лабораториях, им присваивается сертификат соответствия, в котором указываются основное физические параметры жидкой среды: вязкость, плотность и т.д. На этапе запршки летательных аппаратов топливом чрезвычайно важно проводить экспресс-контроль используемого горючего. Ошибки оператора топливозаправщика, несоответствие горюче-смазочных материалов температурным условиям, чрезмерное загрязнение, все эти факторы могут привести к отказам двигателей, авариям летательных аппаратов в воздухе и человеческим жертвам. Так в 1998 году при взлете с аэродрома в г. Иркутске потерпел аварию транспортный самолет Руслан. При расследовании трагического происшествия выяснилось, что не смотря на резкое похолодание, летательный аппарат был заправлен летним топливом. Эта ош*б-ка послужила причиной трагедии. Приведенный пример свидетельствует о насущной необходимости разработки прибора экспресс-контроля качества заправляемого топлива перед его непосредственным использованием.

Быстрое определение электрофизических и физико-механических параметров горюче-смазочных материалов, не требующее больших аппаратурных затрат, позволит проверить соответствие топлива его паспортным данным (наличие в нем влаги, степени загрязнения, % содержания жидкости «И», динамической и кинематической вязкости, плотности).

Особенности объекта измерений позволили, из всех возможных методов вискозиметрии, остановится на ротационном методе. Наиболее удобными приборами являются погружные ротационные вискозиметры. К недостаткам этих приборов следует отнести сложный учет накопленного диссипатшного тепла (термореологический эффект) и низкая точность измерения вязкости дисперсных сред за счет эффекта центрофугирования.

Как известно интегральные характеристики СВЧ систем с распределенными параметрами (объемный резонатор) - резонансная частота, добротность весьма чувствительны к изменению электрофизических характеристик сред частично заполняющих объемный резонатор. Отсюда логичным вытекает возможность разработки ротационного погружного метода измерения кинематической вязкости жидких сред с использованием СВЧ системы преобразования контролируемого параметра вязкости с устранением погрешности связанной с изменением плотности, уровня и т.д.

Цель работы. Разработать экспресс метод определения вязкости жвдких сред, обеспечивающий высокую точность измерения и устройств, реализующих метод, с коррекцией систематшеской составляющей погрешности по плотности и уровню заполнения первичного измерительного преобразователя.

Методы исследования основаны на применении аппарата математической физики, теории электродинамики, математическом моделировании, компьютерных технологий и метрологии.

Научная новизна. Разработан ротационный метод измерения вязюсти жидких сред, где использована информативная зависимость времени затухания переходного процесса между двумя квази-стационарными динамическими состояниями свободно вращающейся в цилиндре жидкости как меры ее вязкости. Разработаны устройства с использованием СВЧ системы преобразования информативного параметра, реализующие предложенный метод измерения вязю-сти. Для улучшения метрологических свойств устройств, характеризующих метод, за счет коррекции систематической составляющей погрешности по плотности и уровню заполнения первичного измерительного преобразователя предложено сопряжение автогенератора на основе коаксиального объемного резош-тора и измерителя контролируемого параметра на основе цилиндрического объемного резонатора.

Практическая ценность. Используя предложенный метод, разрабэтан комплекс устройств измерения вязкости жидких сред с использованием коррекции погрешности по плотности и уровню заполнения первичного измерительного преобразователя. С помощью разработанных устройств имеется возможность измерять комплексные величины диэлектрической и магнитной проницаемости, связанные с качественными показателями анализируемых жидкостей. Данные устройства могут быть применены в качестве приборов экспресс-контроля свойств горюче-смазочных материалов.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания в ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского и рекомендованы к внедрению. Они также используются в научно-исследовательской и учебной работе в Тамбовском ВАИИ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты иг-следований по теме диссертации докладывались на V Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" ТВВАИУ (Тамбов, 1997г.), 3-ей Международной теплофизической школы "Новое в тш-лофизических свойствах" ТГТУ (Тамбов, 1998г.), V Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений" -МГТУ им. Баумана (Москва, 1998г.), VI Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности методов и средств обработки информации" ТВАИИ (Тамбов, 2000г.), VII Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы измерений", - МГТУ им. Баумана (Москва, 2000г.), II Международной научно-технической конференции "Измерения, контроль, информатизация" Алтайский ГТУ (Барнаул, 2001г.), 4й Международной теплофизической школы "Теплофизические измерения в начале XXI века", ТГТУ (Тамбов, 2001г.), XV Международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях" ТГТУ (Тамбов, 2002г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе, получено 3 патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Основная часть изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 1 таблицу. Список лив-ратуры включает 82 наименования.

Основные результаты и выводы по работе.

1 Разработан метод измерения кинематической вязкости жидких сред в котором используется зависимость времени переходного процесса свободно вращающейся в цилиндре жидкости от величины вязкости, момент начала и окончания отсчета времени фиксируется специальным датчиком с высокой добротностью.

2 Разработанный метод является простым в реализации, позволяет предотвратить влияние диссипативного накопления тепла, центрофугирования, колебаний атмосферного давления.

3 Разработаны аппаратурные методы улучшения метрологических характеристик предлагаемого ротационного вискозиметра. Использование конструктивной компенсации погрешности от вариации плотности и уровня позволяет оценить погрешность измерения кинематической вязкости, максимальное значение которой составляет 4.6 %. Погрешность измерения динамической вязкости не превышает 5.7 %, при погрешности измерения плотности не выше 3 %.

4. Ротационный датчик измерения вязкости на основе цилиндрического объемного резонатора с использованием колебания Цш имеет высокую чувствительность и малую погрешность измерений за счет применения высокоточного АПЧ.

5 Разработан прибор-экспресс контроля кинематической вязкости жидких сред с возможностью измерения плотности.

6 Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытание и рекомендованы к внедрению для служб эксплуатации горючесмазочных материалов.

1. Курнаков Н.С. Введение в физико-химический анализ. М.: Изд-во АН СССР, 1940.-650с.

2. Гораздовский Т.Я. Что такое реология // Воркутинский инженерно-физический сборник. №2, Воркута: 1955. с.84-87.

3. Ребиндер П.А. Теоретическая и инструментальная реология, т.1, Минск: 1970.-517с.

4. Ребиндер П.А. Проблемы реализации реологических измерений // Совещание по вязкости жидкостей и коллоидных растворов. Т.1. M.-JI. Издательство АН СССР, 1941, т.2, 1942. с.457-461.

5. Гораздовский Т.Я. О термореологическом эффекте // Доклады Академии Наук СССР, Техническая физика, т.195, №5, 1970. с.1075-1077.

6. Белкин И.М., Виноградов Г.В. и др. Ротационные приборы. -М.: "Машиностроение", 1968. 477с.

7. Гатчек Э. Вязкость жидкостей. М.: ОНТИ, 1934. 611с.

8. Методы испытаний водных растворов поверхностно-активных веществ: Обзор / Гетманский И.К., Бовика Л.И., -М.:НИИТЭИ, 1965.-100с.

9. Гораздовский Т.Я. Теория прибора для реологических исследований путем деформации материала между двумя конусообразными кольцами // Журнал Технической Физики АН СССР, т.ХХ, вып.9, 1950. с.1107-1110.

10. Гораздовский Т.Я., Сарбатова Л.Ф. Экспериментальные методы и принципиальные схемы средств реологических исследований. М.: изд. МГИ, 1976.-165с.

11. Янушевский В.Я. Применение радиоактивных излучений в промышленности. Рига: изд. АН ЛатвССР, 1957. -с.60.

12. Мордасов М.М. Развитие теории и принципов построения пневмогид-равлических методов и средств автоматического контроля веществ потенциально-опасных производств / Диссертация на соискание учёной степенидоктора технических наук/ -М.: МИХМ, 1993.

13. Гораздовский Т.Я., Сарбатова Л.Ф. "Эксплуатация ГМ систем и гидрология". М.: МГМИ, 1976. 215с.

14. Гораздовский Т.Я., Регирер С.А. Движение ньютоновской жидкости между вращающимися коаксиальными цилиндрами при наличии внутренних тепловых процессов, влияющих на вязкие свойства // Журнал Технической Физики АН СССР, t.XXVI, вып.7, 1956. с.1532-1541.

15. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. И.К.Кикоина -М.: Атомиздат, 1976.-105с.

16. Лойцянский Л.Г. Механика жидкостей и газа / -М.: Наука. 1970. -771с., ил.

17. Корн Г.Т. Справочник математике для научных работников и инжене-ров.-М.:"Наука", 1974.-832с.

18. Суслин М.А., Кузьменко О.Ю., Дмитриев Д.А. Ротационно-емкостной метод непрерывного измерения вязкости // Сборник рефератов депонированных рукописей, Деп. в ЦВНИ МО РФ 28.04.99г. Москва: ЦВНИ МО РФ, 1999. Выпуск 47 Серия В № 3985.

19. Дмитриев Д.А. Отчет по НИР "Резонанс" Тема № 08217,-Тамбов, ТВВАИУ.-1982. 266с.

20. А.с. № 1518723. Барботажный вискозиметр / Дмитриев Д.А., Мордасов М.М., Гализдра В.И. 1989, Бюл. № 40.-4с.:ил.

21. Шевцов В.К., Глинков Г.М. Автоматическое устройство для определения скорости подъема и времени образования газового пузырька // Измерительная техника. №9, 1985. -с.88-89.

22. Бондарев С.Г., Романов В.Ф. Использование явления барботажа в измерительной технике // Измерительная техника.-1972.-№ 12.-С.64-66.

23. А.с. № 99104320 Устройство определения вязкости и поверхностного натяжения / Кузьменко О.Ю., Дмитриев Д.А., Суслин М.А. 2001. 7с.: ил.

24. Лаптев В.И. Барботажно-пьезометрические методы контроля физико-химических свойств жидкостей.-М.:Энергоиздат.-1984.-С.79.

25. Агеев Н.Л. и др. Автоматическое измерение времени истечения в вискозиметрии // Измерительная техника.-1971.-№ 7.-с.74.

26. А.с. № 600419. Kji.G 01 N 14/6. -1976. Б.И. №18.

27. А.с. № 855439. Kji.G 01 N 11/6. -1981. Б.И. №30.

28. Мордасов М.М., Тютюнник В.М. Автоматическое измерение времени истечения в вискозиметрии//Автоматизация и КИП в нефте-перерабатывающей и нефтехимической промышленности. -М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ.-1982.-№ 6,-с.16-18.

29. Дмитриев Д.А., Власов В.В., Мордасов М.М. Исследование и разработка пневматического преобразователя качества акриловых смол / Отчет по НИР, -Тамбов: изд. ТИХМ.-1977. Номер гос. регистрации № 76015117.

30. А.с. № 1413485: Устройство для дозирования жидких сред / Дмитриев Д.А., Мордасов М.М.-Опубл.1988. Бюл. № 28. 4с.:ил.

31. Дмитриев Д.А., Мордасов М.М. Автоматическое измерение времени истечения в вискозиметрии // -Тамбов: Сборник трудов № 4 ТВВАИУ,-1981. с.69-73.

32. Дмитриев Д.А., Мордасов М.М. / Отчет по НИР "Канифас-1", Тема № 28504, -Тамбов: ТВВАИУ,-1985. 143с.

33. Дмитриев Д.А. "Контур-82" Тема № 08216 / Отчет по НИР, -Тамбов: ТВВАИУ.-1982. 178с.

34. Дмитриев Д.А., Мордасов М.М. / Отчет по НИР "Диффузия-84" Тема № 08417, -Тамбов: изд. ТВВАИУ.-1984. 157с.

35. Дмитриев Д.А., Мордасов М.М., Гализдра В.М. К вопросу о повышении надежности измерения качества зажигательных смесей внутри закрытых сосудов // Сборник трудов. № 7.-Тамбов: изд. ТВВАИУ, -1985. 91-95с.

36. Мордасов М.М., Шаталов Ю.С. О частотах автоколебаний жидкости, вызванных силовым воздействием газовой струи // Труды МИХМа, -М.: -1975.-Вып. 52. -с.120-121.

37. Власов В.В., Мордасов М.М., Шаталов Ю.С. Влияние свойств двухфазной системы "струя газа-жидкость" на частоту ее автоколебаний // Труды МИХМа, -1975. Вып. № 63.-С.143-146.

38. А. с. № 492787. IGi.G 01 N 11/08. -1975. 7с.: ил.

39. А.с. № 593008. Kn.F 15 С 1/22. -1978. 5с.: ил.

40. А.с. № 1008519. Струйный генератор колебаний. / Мордасов М.М., Дмитриев Д.А, Опубл. 1983, Бюл. № 12.-4с.: ил.

41. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: Учебник для вузов. Издание 2-е, перераб и доп,-М. Машиностроение, 1974.-464с.

42. А.с. № 492787. Устройство для измерения вязкости. Kn.G 01 N 11/08. -1975.-4с.: ил.

43. А.с. № 1062567. Устройство для измерения вязкости / Дмитриев Д.А, Мордасов М.М., Гализдра В.И. Опубл.1983, Бюл. № 47.-Зс.: ил.

44. А.с. № 1430828. Устройство для измерения вязкости / Дмитриев Д.А, Мордасов М.М., Гализдра В.И. Опубл. 1988, Бюл. № 38.-4с.:ил

45. Дмитриев Д.А. и др. Разработка СВЧ устройств измерения свойств жидких смесей / Отчет по НИР "Резонатор-84" Тема № 08434. -Тамбов, ТВВА-ИУ.-1984. 212с.

46. Суслин М.А., Кузьменко О.Ю., Дмитриев Д.А. Устройство для определения вязкости. Патент № 2179713 на изобретение от 20.02.2002. -4с.: ил.

47. Кузьменко О.Ю., Суслин М.А., Дмитриев Д.А Способ определения вязкости жидких сред и устройство для его реализации / Патент №2180438 на изобретение от 10.03.2002. 4с.: ил.

48. А.с. № 1679279. Устройство для измерения физико-химических параметров жидких сред. / Дмитриев Д.А, Мордасов М.М., Опубл. 1991, Бюл. N35.-4c.: ил.

49. А.с. № 351140. Устройство для измерения физико-химических параметров жидких сред / Бегларов Э.М.,- Опубл. 1972, Бюл. №27.-4с.: ил.

50. Суслин М.А. СВЧ методы и устройства контроля состава и свойств жидких сред с ферромагнитными частицами. / Диссертация на оискание учёной степени кандидата технических наук / -М.: МГАХМ, 1996.

51. Суслин М.А., Кузьменко О.Ю. Дмитриев Д.А. Поплавково-весовой метод измерения плотности ЖС с помощью коаксиального ОР // Сборник рефератов депонированных рукописей, Деп. в ЦВНИ МО РФ 10.04.2000г. Москва: ЦВНИ МО РФ, 2000. Выпуск № 52, Серия В, № 4319.

52. Суслин М.А., Кузьменко О.Ю., Дмитриев Д.А. Комплекс СВЧ устройств контроля физико-механических свойств жидких сред // Тезисы докладов V научно-техническая конференции, 3-5 мая. Тамбов: ТГТУ, 2000.

53. Каценеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика.-М.: Наука, 1966. -с. 141-145.

54. Кивилис С.С. Плотномеры.-М.: Энергия, 1980. -279 с.

55. Глыбин И.П. Автоматические плотномеры. -Киев: Техника, 1965.258с.

56. Мордасов М.М. Физические основы измерения плотности и поверхностного натяжения пневматическими методами: учебное пособие / Мищенко С.В., Мордасов Д.М. Тамбов: Тамб. гос. техн. ун-т, 1999. 76 с.

57. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на СВЧ: учебник для Вузов / -М.: ГИФМЛ, 1963.-281с.

58. Тагер А.С., Вальд-Перлов В.М. Лавинно-пролётные диоды и их применение в технике СВЧ. -М.: Энергия, 1968. -243с.

59. Кэррол Дж. СВЧ генераторы на горячих электронах.-М.: Связь, 1972.143 с.

60. Электроника / под. ред. Быстрова Ю.А.,-С-П/б.: Энергоатом.-1996. 371е., ил.

61. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. // Журнал технической физики АН СССР, -1951.-Вып. VI,-с.12-17.

62. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. -М.: Связь, 1978.420 с.

63. Корбанский И.Н. Теория электромагнитного поля. -М.: Изд. ВВИА, 1964.-317 с.

64. Федюнин П.А. СВЧ методы и устройства измерения электрофизических параметров жидких диэлектриков с потерями. /Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук/-М.:МГУИЭ,1997.

65. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. 2-е изд. М.: Мир, 1985.-520 е., ил.

66. Электродинамический расчет зависимости емкости емкостного датчика С(со) от частоты вращения со

67. Исходя из рисунка А.1 определим емкость Q элементарного конденсатора длиной dh. Если пренебречь влиянием краев, то по соображениям симметрии потенциал ф будет функцией только одной переменной г.

68. Поле между цилиндрами описывается уравнением Лапласа:d2«p = --P =0.1. А.2)

69. В цилиндрической системе координатd(pi2 1 vdry d (p = —401. A.3)r dr

70. Поскольку потенциал ф зависит только от координат г, то у вектора Е будет только одна составляющаяdф1. Е = Е2 =dr1. А.7)следовательно в первом слое1. Во втором слое1. Е, =Г1. А.8)1. А.9)

71. Точку нулевого потенциала можно задать произвольно. Примем ф = 0 при г = а2, тогдаq1. В2 = -А21па2 =—-—1па2.2ТС8082^

72. Рисунок А.2 К вычислению емкости цилиндрического конденсатора

73. Рассмотрим другой способ. Мы видим из рисунка А.2, что данный конденсатор Cj есть последовательное соединение двух других конден-саторовс диэлектриками соответственно s j и s 2.

74. Приведем интеграл к виду удобному для его решения2 2 со а22g1. С.= 12 2 и а-,1. Sf to27TSnE.E,dh . fg --=г = 27ГЕпЕ,Е7- ( ГГГЛе2-е1 I о 1 2 Jdhv.kyоЛ? 2g1.e2-e,•2~L1о T <o"a22g