автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Струйно-акустический бесконтактный метод и устройство для контроля плотности жидких веществ

и

На правах рукописи-

Мордасов Денис Михайлович

СТРУЙНО-АКУСТИЧЕСКИЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ МЕТОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ плотности ЖИДКИХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 05.11.13 -

Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов - 1998

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом

университете

Научные руководители заслуженный деятель науки и техники,

доктор технических наук, профессор Мищенко Сергей Владимирович;

кандидат технических наук, доцент Мартемьянов Юрий Федорович.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Патрикеев Владимир Георгиевич;

кандидат технических наук, доцент Леонтьев Евгений Алексеевич.

Ведущая организация: АО «Пигмент», г. Тамбов

Защита диссертации состоится " /О " а?» с- 1998 года в 14 часо

на заседании диссертационного Совета К 064.20.03 Тамбовского государст венного технического университета по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Совет екая, 106, Большой зал. Отзывы в двух экземплярах, скрепленных гербово] печатью, просим направлять по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Советская 106, ТГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государст венного технического университета.

Автореферат разослан " 6 " 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета Л А.А. Чуриков

Общая характеристика работы

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

Плотность является одной из основных физических величин, характеризующих свойства веществ. Измерение плотности играет существенную роль при контроле качества продукции.

В процессе производства возникает необходимость контролировать плотность различных жидких веществ: растворы, суспензии, пульпы, расплавы металлов и солей. Применение известных методов и средств контроля агрессивных, быстрок-ристаллизугощихся, движущихся и неподвижных, гомогенных и гетерогенных, а также других сред со специфическими свойствами часто затрудаено, а в некоторых случаях невозможно.

Условия практического применения устройств для плотности жидкостей требуют от них не только высокой точности и механической прочности, но и высокой надежности работы в потенциально опасных производствах. Наиболее полно этим требованиям отвечают пневматические методы и приборы.

Подавляющее большинство существующих пневматических приборов для контроля плотности являются контактными средствами измерения. В некоторых случаях контакт с контролируемой средой ведет к существенным дополнительным источникам по1решности, либо к полной потере их работоспособности.

Существующие бесконтактные методы измерения реализуются до сих пор сложными и дорогостоящими техническими средствами, поэтому их внедрение не всегда экономически оправдано. Одной из актуальных задач современного приборостроения является разработка дешевых бесконтактных высоконадежных устройств контроля плотности жидких веществ обладающих требуемой точностью.

Таким образом, актуальной является задача поиска, разработки и исследования новых бесконтактных пневматических методов измерения плотности и реализующих их устройств.

Цель работы. Разработка и исследование бесконтактного сгруйно-акусшческого метода и устройства для измерения плотности жидких веществ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- осуществить теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих в струйно-акустической системе;

- разработать бесконтактный сгруйно-акустический метод контроля плотности жидкостей;

- изучить физические основы аэродинамического звукообразования;

провести метрологический анализ бесконтактного струино-акустического метода измерения плотности жидких сред;

- разработать устройство для контроля плотности и пути его использования для коррекции систематической составляющей погрешности в устройстве для измерения поверхностного натяжения жидкостей;

- осуществить экспериментальную проверку результатов работы.

Научная новизна. Показано, что процесс распространения сгруйно-

акустаческого сигнала может бьпъ описан телеграфными уравнениями независимо от наличия жестких стенок, а информация о свойствах отражающей поверхности заключена в параметрах стоячей волны, возникающей в результате интерференции падающей и отраженной плоских волн.

На основе проведенных исследований процесса распространения струйно-акустического сигнала предложен бесконтактный метод измерения плотности жидких веществ, заключающийся в следующем:

- формируется плоская падающая звуковая волна, отражение которой от контролируемой поверхности приводит к возникновению режима стоячих волн;

- фиксируется положение узла стоячей волны в пространстве, которое однозначно определяет величину плотности независимо от параметров окружающей среды, с. точностью до постоянства скорости звука в ней, от скорости движения анализируемой поверхности и от фазового состояния измеряемой среды.

Исследовано теоретически и подтверждено экспериментально, что максимальная точность обеспечивается при следующих условиях:

- измерение необходимо производить в первом периоде стоячей волны;

- в качестве генератора звуковых колебаний применяется высокостабильный диафрагмовый звукообразующий элемент направленного действия;

- имеется устройство перемещения генератора в пространстве, обеспечивающее поиск и фиксацию узла стоячей акустической волны;

- нуль-индикатором пневматического шла обеспечивается сигнализация достижения генератором положения, соответствующего узлу стоячей волны;

Выявлены и физически обоснованы процессы аэродинамического звукообразования при истечении газа через диафрагму и показано, что акустическое воздействие на ядро турбулентной струи приводит к возникновению гистерезиса в струйно-акустической системе.

Практическая ценность. Разработано бесконтактное струйно-акустическое устройство для измерения плотности неподвижных и движущихся гомогенных и гетерогенных жидких веществ. Осуществлен выбор размеров его основных конструктивных элементов.

Разработанное устройство для контроля плотности примененено в качестве блока коррекции изменения плотности и расстояния до контролируемой поверхности в бесконтактном устройстве для измерения поверхностного натяжения.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях АО «Кристалл», в.ч. 13805, 301 АРЗ, НПП «Модуль», кроме того они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на I научной конференции ТПУ (Тамбов, 1994 г.); II научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1995 г.); Второй Международной тегоюфизической школе «Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения» (Тамбов, 1995 г.); III научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996 г.); 5 Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности методов и средств обработки информации» (Тамбов, 1997 г.); Третьей Международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (Тамбов, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, получено 2 положительных решения о выдаче патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изяо-

жена на 134 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 69 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы. Дана краткая характеристика содержания диссертации по главам. Сформулированы результаты исследования, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор существующих пневматических методов для измерения плотности жидкостей, определены их достоинства и недостатки.

Контроль физико-механических свойств жвдкостей в пожаро- и взрывоопасных условиях, а также склонных к налипанию, быстрокристаллизующихся, агрессивных и других сред со специфическими свойствами, целесообразно осуществлять бесконтактно. Наиболее приемлемы для этого оруйные методы, основанные на использовании эффектов, возникающих при воздействии газовой струей на поверхность контролируемой жидкости и измерении параметров отраженной струи газа, либо параметров образованного на поверхности углубления. Простых и надежных струйных методов для измерения плотности неподвижных и движущихся жидкостей до настоящего времени не разработано.

Новым и перспективным направлением для многих отраслей производства является бесконтактный контроль физико-механических свойств веществ с применением акустических колебаний. Оперативный контроль с помощью акустических методов непосредственно в производственных условиях не требует отбора проб, а данные результатов анализа могут быть получены в момент измерений.

Известные струйно-акустические методы ограничиваются измерением состава газа, а также сигнализацией и контролем уровня жидких сред. Методов контроля плотности жидкостей обзор не выявил.

Определены цели и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы струйно-акустического метода измерения плотности жидких веществ.

Проведен анализ влияния характеристик турбулентной струи на процесс распространения акустической волны в струйно-акустической длинной линии. Выявлено, что скорость газа в струе и давление на выходе генератора не влияют на распределение звукового давления и скорости частиц в стоячей волне, что позволяет

описать процесс распространения акустической волны в струйно-акустической системе с помощью уравнений Гельмгояьца в виде

г 32У(!,х) , р дУ(1,х) , 1 УК((,х) Ц---+ Л,-—-+ —--Г— = о,

э/-1

э<

1 дгР(1,х) 1 агР<Г,х)

(1)

с, Вх1

3/"

а/

где Р(1,х), У(1,х) - пространственно-временные распределения давления и скорости смещения частиц среды в акустической волне; Ц - р; ^ = ЁЕЛ;

«У

52 - погонные сопротивление потерь Дь индуктивность 11 и емкость С,

I ~ 2~

Р "С?

линии; р - плотность газа; сг - скорость звука в тазе; п - коэффициент динамической вязкости газа; Я- площадь поперечного сечения канала.

Исследовано влияние нагрузки на распространение акустической волны в струйно-акустической длинной линии. На рис. 1 показаны распределения акустического давления в стоячей волне, образованной в струйно-акустической системе с абсолютно жесткой нагрузкой и нагрузкой в виде реальной жидкости.

Рис. 1. Распределение акустического давления в стоячей волне:

1 - абсолютно жесткая нагрузка; 2 - реальная жидкость

При отражении акустической волны с длиной X и амплитудой Р1

т над

ОТ

поверхности жидкости модуль комплексного коэффициента отражения равен единице, а его фаза жа изменяется в зависимости от инерционных

свойств жидкости, о чем свидетельствует смещение Д/ узла стоячей волны, образованной в струйно-акустической системе.

Выявлены и изучены физические основы аэродинамического звукообразования при прохождении газа через диафрагму. На рис. 2 представлена схема течения газа через диафрагму. Существует основная газовая струя и поток обратной связи (ОС). Действие обратной связи в образованной автоколебательной системе заключается в следующем. Основная газовая струя со скоростью Ус вытекает из отверстия диафрагмы, режим течения докритический.

При своем движении струя газа увлекает из ограничивающего ее газового пространства молекулы, создавая разрежение в объеме, образованном поверхностью фаски. Газ, под действием созданного перепада давления, перемещается вдоль образующей фаски. В т. Б (рис. 2) происходит взаимодействие основной струи и потока ОС. В результате такого взаимодействия подвергаются локальной деформации пристеночные слои основной струи. Увеличение области взаимодействия приводит к уменьшению скорости газа в сдоях, прилегающих к образующей БВ, и, как следствие, к росту силового воздействия на область взаимодействия со стороны основной струи.

Рис. 2. Схема течения газа через диафрагмовый звукообразователь

Так как направление потока ОС составляет с нормалью к плоскости взаимодействия угол 90С, то сила его давления

где ¿о,, - площадь потока ОС; Кос - скорость потока ОС, уменьшается с увеличением угла ©да.

С увеличением угла воздействия потока ОС, определяемого углом фаски диафрагмы, увеличивается сила давления на область взаимодействия, что в свою очередь увеличивает скорость роста объема области взаимодействия. Образованная струйная система становится автоколебательной как только объем области взаимодействия достигнет критического значения. Под действием основной струи область взаимодействия смещается за т. Б. Скорость пристеночных слоев основной струи восстанавливается, однако, за счет действия потока ОС вновь происходит рост объема зоны взаимодействия и т.д. аналогично описанному выше. Частота изменений давления в основной струе определяет частоту возникающих акустических колебаний.

Доказано, что акустически модулированная струя газа, прошедшая через диа-фрагмовый звукообразоватеяь, представляет собой отрезок сгруйно-акусгической длинной линии. Распространение звук* в такой лини происходит без потери энергии в окружающую среду, что позволяет сформировать стоячую волну в струйно-акустической системе, смещение узла которой является функцией плотности контролируемого вещества

Третья глава посвящена разработке и исследованию бесконтактного струй-но-акустического метода контроля плотности жидких веществ.

На основе уравнений, описывающих распределение акустического давления в струйно-акустической системе с инерционной нагрузкой, получена зависимость, связывающая плотность жидкости рж со смещением узла стоячей волны 4/ в виде

= (2) сж сг

где сж- скорость звука в жидкости;/- частота генерируемых колебаний.

С целью обеспечения адекватности статической характеристики (2) процессам, происходящим в струйно-акустической системе, введен безразмерный корректирующий коэффициент Л", учитывающий влияние конструктивных параметров генератора в виде

--.

где д / _ / _ ^Л-; I - расстояние от генератора звуковых колебаний до контролируе-4/

мой поверхности; г - радиус отверстия диафрагмы; бф - диаметр формирователя

плоской акустической волны; = 1м2- нормирующая площадь, р = 80-^10° - угол раскрытия турбулентной струи. С учетом введенного коэффициента статическая характеристика бесконтактного струйно-акустического метода контроля плотности жидких сред примет вид

_ сг ~ 4/ • / рсг Ы/ . (3)

Рж . 4\.(г + 1-1ф)2' сж сг

При реализации метода контроля плотности необходимо выполнение следующих операций:

- струйно-акустический блок размещают над поверхностью контроли.

У

руемой жидкости на расстоянии /2;

- сжатый воздух с постоянным расходом подают на вход струйно-акустического блока;

- изменяя расстояние до контролируемой жидкости перемещением струйно-акустического блока осуществляют поиск узла стоячей волны;

- в момент достижения сигнала нулевого уровня в распределении амплитуды звукового давления в струйно-акустической системе фиксируют положение струйно-акустического блока;

- измеряют расстояние I, по которому судят о плотности рж.

Разработанный метод измерения плотности положен в основу работы блока коррекции систематической составляющей погрешности вызванной изменением плотности и расстояния до контролируемой среды в бесконтактном струйном методе измерения поверхностного натяжения.

Статическая характеристика разработанного бесконтактного струйно-. акустического метода контроля поверхностного натяжения, в котором за счет вспомогательных измерений уменьшена систематическая составляющая погрешности, вызванная влиянием изменения плотности контролируемой среды, имеет вид

0А-) А 1

■ р. =А лл< -С '

рж = 4098,9-50098-/,

где А! = 2,08-10 ~3,Л 2 = 1,65 ,А3 = 0,10,Л4 = 1,45 ,Л5 = 0,67 -коэффициенты уравнения регрессии; иж е (11 * 67) - поверхностное натяжение жидкости;

Qnp e (3^-25) • 10 "5 - предельный расход газа в струе; d е (1-И) • 10

диаметр основного сопла; рж е (860-^1250) кг/ я; /ст = ——— - длина свобод-

v ' / м cos а. с

ной струи; ас е (0,384 н- 0,768) pad - угол падения струи на поверхность жидкости;

h' - расстояние от диафрагмы до среза струйной трубки.

Для реализации метода контроля поверхностного натяжения необходимо выполнение следующих операций:

- струйно-акустический блок измерения плотности размещают над

поверхностью контролируемой жидкости на расстоянии ^ >

- сжатый воздух с постоянным расходом подают на вход струйно-акустического блока и на входы питающих трубок;

- перемещением етруйно-акустического блока изменяют расстояние до контролируемой жидкости;

- в момент достижения сигнала нулевого уровня в струйно-акустической системе, фиксируют расстояние I от диафрагмы до поверхности жидкости, по которому судят о плотности р^ ;

- на входе струйной трубки изменяют расход воздуха от нуля до Q пр ;

- в момент, когда углубление, образованное на поверхности жидкости, войдет в автоколебательный режим, фиксируют значение предельного расхода газа Q лр, по которому судят о поверхностном натяжении.

Таким образом, в результате теоретических и экспериментальных исследований двухфазной системы «струя газа - жидкость» предложен бесконтактный струйно-акустический метод измерения плотности. Разработанный метод применен в качестве метода корреции систематической составляющей погрешности в струйном устройстве для бесконтактного измерения поверхностного натяжения.

В четвертой главе проведен метрологический анализ метода измерения плотности.

Анализ источников погрешности бесконтактного струйно-акустического метода контроля плотности жидких сред позволил представить ее в виде

Пм - Р{ПК н ,Поси,ПАп,Пн ,

-з

л/

где Пы - погрешность метода; Лги - погрешность косвенных измерений; Д^ -погрешность образцового средства измерения; П^ - погрешность аппроксимации; Ян в - погрешность от влияния ряда неконтролируемых величин.

Оценка погрешности косвенных измерений плотности жидкости по статической характеристике (3) показала, что операция усреднения скорости звука для выбранного диапазона изменения сж исследуемых жидкостей с метрологической точки зрения более целесообразна, чем замена скорости звука в соответствии с зависимостью

I

сж _ .

\>РжРад

где - усредненный коэффициент адиабатической сжимаемости исследуемых жидкостей.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что звуковое давление оказывает существенное влияние на начальный участок турбулентной струи, что является причиной гистерезиса в сгруйно-акустической системе. На рис. 3 представлена зависимость ширины петли гистерезиса Л(. от расстояния /до излучателя.

Экспериментально доказано, что скорость движения контролируемой жидкости не оказывает существенного влияния на результат измерения ее плотности, поэтому разработанный метод может быть использован для контроля как неподвижных так и движущихся сред.

Рис. 3. Зависимость ширины петли гистерезиса от расстояния до излучателя: 1 - теоретическая кривая; Д - экспериментальные данные

Проведенная оценка величин погрешностей, определяющих погрешность метода контроля, для диапазона изменения плотности контролируемых жидкостей от 850 кг/мг до 1000 кг/м3, показала, что погрешность метода не превышает 2,00 %.

Пятая глава посвящена разработке и исследованию струйно-акустического устройства для контроля плотности и использованию его в качестве блока коррекции систематической составляющей погрешности в струйном устройстве для бесконтактного измерения поверхностного натяжения жидких веществ.

Схема устройства, реализующего метод контроля плотности представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема бесконтактпого струйио-акустического устройства для контроля плотности жидких сред:

1 - струйно-акустический измерительный блок; 2 - формирователь плоской акустической волны; 3 - диафрагма; 4 - питающий капилляр; 5 - приемный капилляр; 6 - источника постоянного расхода; 7 - блок управления; 8 - устройство перемещения; 9 - измеритель перемещения; 10 - вторичный прибор

На основе анализа статической характеристики (3) метода контроля плотности, а также с учетом требований, предъявляемых к акустическим длинным линиям, сформулировано условие выбора конструктивных параметров г и с1ф , обеспечивающих максимальную чувствительность сгруйно-акустического устройства Выбор длины формирователя /ф проводился экспериментально из условия обеспе-

чения минимального отклонения значений плотности контролируемой среды, полученных при многократных измерениях от ее среднего значения.

На рис. 5 представлены зависимости поясняющие выбор длины формирователя плоской акустической волны (погрешность д р ж определялась в соответствии с общепринятой методикой при доверительной вероятности р = ' 0,95). Эксперименты проводились при /=(1950 ± 2) Гц\ ёф = с1$т = 21,3-Ю-3 м; г=(1,25±0,01)- 10м.

а)

Рис. 5. Выбор длины формирователя плоской акустической волны:

а) зависимость погрешности Лрж от длины (• - масло ТП - 22, глицерин, 1 - аппроксимирующие кривые); б) распределение акустического давления Рт(х) и скорости в отрезке длинной линии образованной формирователем

Экстремальный характер аппроксимирующих кривых (рис. 5, а) может быть объяснен следующим образом. Газовая среда на выходе формирователя представляет собой абсолютно мягкую акустическую нагрузку. Мнимая

часть входного сопротивления А^ струйно-акустической длинной линии, в зависимости от длины формирователя, в соответствии с формулой

Хвх = р сг-щ[~1ф

может принимать различные значения. При длине формирователя 1Ф = — + п ■ —,

8 2

где п- 0.. ¿V , входное сопротивление равно волновому сопротивлению среды распространения рс„ используемому в статической характеристике (3). Любое откло-Я

нение длины от — приводит к увеличению волнового сопротивления, что являет-

о

ся следствием увеличения погрешности А .

Фиксировать достижение нулевого значения в распределении звукового давления в стоячей волне, образованной в струйно-акустической системе, возможно различными методами. Наиболее приемлемым при проведении измерений в потенциально опасных условиях производства, а также с точки зрения единства используемой энергии, является акустико-пневматический преобразователь. В работе проведены исследования такого преобразователя, сформулированы требования, предъявляемые к его монтажу.

В соответствии с общепринятой методикой расчета погрешности устройства, обладающего вариацией, оценена погрешность струйно-акустического устройства для контроля плотности жидких сред.

На основе анализа физических особенностей генерации акустических колебаний при прохождении газовой струи через диафрагму и физических основ гистерезиса в струйно-акустической системе, разработан метод повышения точности измерения нлотности жидких сред, позволяющий существенно снизить погрешность устройства. Суть этого метода состоит в том, что в устройстве для контроля плотности, в целях уменьшения разности между прямым и обратным ходом, предлагается использовать встречное силовое воздействие газовой струей, поступающей по дополнительному капилляру, расположенному вдоль оси турбулентной струи, на ее начальный участок.

Разработано сгруйно-акусгическое устройство для автоматического бесконтактного контроля поверхностного натяжения жидких сред, позволяющее уменьшить влияние систематической составляющей погрешности определяемой изменением плотности и расстояния до контролируемой среды за счет использования струйно-акустического блока измерения плотности жидкости.

В приложении приведены акты внедрения результатов работы.

Основные результаты и выводы по работе

1. Показано, что процесс распространения струйно-акустического сигнала может бьпъ описан телеграфными уравнениями независимо от наличия жестких стенок, а информация о свойствах отражающей поверхности заключена в параметрах стоячей волны, возникающей в результате интерференции падающей и отраженной плоских волн.

2. На основе проведенных исследований процесса распространения сгруйно-акустического сигнала разработан бесконтактный метод измерения плотности жидких веществ, заключающийся в следующем:

- формируется плоская падающая звуковая волна, отражение которой от контролируемой поверхности приводит к возникновению режима стоячих волн;

- фиксируется положение узла стоячей волны в пространстве, которое однозначно определяет величину плотности независимо от параметров окружающей среды, с точностью до постоянства скорости звука в ней, от скорости движения анализируемой поверхности и от фазозого состояния измеряемой среды.

3. Исследовано теоретически и подтверждено экспериментально, что максимальная точность обеспечивается при следующих условиях:

- измерение необходимо производить в первом периоде стоячей волны;

- в качестве генератора звуковых колебаний применяется высокосгабильный диафрашовый звукообразукнций элемент направленного действия;

- имеется устройство перемещения генератора в пространстве, обеспечивающее поиск и фиксацию узла стоячей акустической волны;

- нуль-индикатором пневматического тала обеспечивается сигнализация достижения генератором положения, соответствующего узлу стоячей волны.

4. Определены физические основы генерации акустических колебаний газовой струей, проходящей через диафрагму, изучено влияние конструктивных параметров и расхода питания на частоту и стабильность происходящих процессов.

5. Доказано, что акустическое воздействие на ядро турбулентной струи приводит к возникновению гистерезиса в сгруйно-акустической системе.

6. Исследовано влияние конструктивных параметров сгруйно-акусгического первичного измерительного элемента на погрешность измерения. Осуществлен

выбор размеров диафрагмы, формирователя плоской акустической волны, акусти-ко-пневматического преобразователя.

7. Разработанное устройство для контроля плотности примененено в качестве блока коррекции изменения плотности и расстояния до контролируемой поверхности в бесконтактном устройстве для измерения поверхностного натяжения.

8.Разработаны оригинальные устройства для контроля плотности и поверхностного натяжения, получены решения на выдачу патентов на изобретения, определены метрологические характеристики с учетом вариации, предложен метод снижения ее влияния.

9. Разработанные бесконтактные сгруйно-акустические методы и устройства после производственных испытаний рекомендованы к внедрению на предприятиях АО «Кристалл», в.ч. 13805, 301 АРЗ, НПП «Модуль», результаты работы используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Основпые материалы, отражающие результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Пневматические бесконтактные методы контроля уровня вязких сред./ В.П. Астахов, М.М.Мордасов, Д.М.Мордасов // I научная конференция ТГТУ : Тез. докл. -Тамбов, 1994,- С.65-66.

2.Контроль вязкости жидких сред в реакционных аппаратах./ В.И.Гализд-ра, Д.М.Мордасов.// II научная конференция ТГТУ: Тез.докл. - Тамбов, 1995. - С.113.

3. В.И. Гализдра, Д.М. Мордасов. Пневмометрический экспресс-метод контроля концентрации ПАВ в растворах.// Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения: Тез. докл. Второй Международной теплофизической школы (25-30 сентября 1995г.) / ТГТУ, Тамбов, 1995.- С.139.

4.Бесконтактный струйно-акустический способ контроля уровня/ М.В.Дмитриев, Д.М. Мордасов, М.М. Мордасов // III научная конференция ТГТУ: Тез. докл. -Тамбов, 1996,- С.96-97.

5.Мордасов М.М., Мищенко C.B., Мордасов Д.М.Пьезометрическое устройство для автоматического контроля плотности жидких сред./ Заводская лаборатория, №12, т.62, 1996.- С.33-35.

6. Аэродинамическое звукообразование при прохождении газовой струи через диафрагму/ Д.М. Мордасов, М.В.Дмитриев, М.М. Мордасов // Труды молодых ученых и студентов ТГТУ.-Тамбов: Изд.-во.ТГТУ, 1997,- С.223-228.

7. Отрезки пневмоакустической длинной линии в бесконтактных методах контроля веществ / М.М. Мордасов, Д.М.Мордасов, В.И. Гализдра // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности методов и средств обработки информации".- Тамбов: Изд-во.ТВВАИУ, 1997,- С.301-302.

8. Гализдра В.И., Мищенко C.B., Мордасов Д.М., Мордасов М.М. Контроль поверхностного натяжения жидких веществ в промышленных условиях// Заводская лаборатория , №5, т.63, 1997.- С.28-30.

9. Гализдра В.И., Мищенко C.B., Мордасов Д.М., Мордасов М.М. Пневматические методы контроля поверхностного натяжения жидких веществ (обзор) // Заводская лаборатория, №8, т.63, 1997.-С.26-31.

10. Мордасов М.М., Мищенко C.B., Мордасов Д.М.Повышение точности контроля жидких веществ автоматическими капиллярными вискозиметрами погружного типа//Заводская лаборатория, №9, т.63, 1997.-С.36-39.

11. Развитие и совершенствование математического, программного, информационного и технического обеспечения АСНИПр процессов тепло- и массопереноса: Отчет по НЙР.Тема 4Г-96 / ТГТУ; Тамбов, 1996,- 312 е.- Деп.№ 02970004852 от 1997 г.

12. Элементы и устройства струйной автоматики (пневмоники): Лаб.раб./ М.М. Мордасов, Д.М.Мордасов, АВ.Трофимов.- Тамбов: ТГТУ, 1997.- 16 с.

13. Мордасов М.М., Мшценко C.B., Мордасов Д.М. Пневмоакустический бесконтактный метод контроля плотности жидких сред // Заводская лаборатория, № 4, т. 64, 1998,-С.45-47.

14. Мордасов М.М., Мшценко C.B., Мордасов Д.М., Тышкевич А.А. Контроль плотности жидких веществ пневмометрическими методами // Заводская лаборатория, № 7, т.64, 1998.- С.31 - 37.

15. Мордасов Д.М. Импедансный пневмоакустический принцип бесконтактного измерения плотности жидких сред // Труды ТГТУ: Сб. Научных статей молодых ученых и студентов.-Тамбов: Изд-во.ТГТУ, 1998.Вып.2.- С.139.

16. Мордасов М.М., Гализдра В.И., Мордасов Д.М. Аэродинамический бесконтактный контроль поверхностного натяжения вязких жидкостей // Вестник ТГТУ, т. 4, № 2-3, 1998,- С. 291-296.

17. Мордасов Д.М., Мартемьянов Ю.Ф., Мордасов М.М., Тышкевич А.А.Теоретический анализ пневмометрических первичных измерительных преобразователей плотности жидких сред// Сб. научных трудов ТГТУ.- Тамбов: Изд-во ТГТУ, 1998. ч.П. - 193 с.

18. Гализдра В.И., Мищенко C.B., Мордасов Д.М., Мордасов М.М. Новые аэрогидродинамические принципы измерения поверхностного натяжения и плотности жидкостей// Новое в техшофизических свойствах: Тез. докл. Третьей Международной теплофизической школы (19-22 октября 1998 г.)/ ТГТУ, Тамбов, 1998.- С. 12-14.

19. Патент РФ. Пол. реш. № 97117971 с приоритетом от 29.10.97 г. Устройство для измерения плотности жидкости/ М.М.Мордасов, СВ.Мшценко, Д.М.Мордасов.

20. Патент РФ. Пол. реш. № 97117715 с приоритетом от 28.10.97 г. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости/ М.М.Мордасов, С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов.

/ и С

( ^ / I

Тамбовский государственный технический университет

СТРУЙНО-АКУСТИЧЕСКИЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ МЕТОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ ВЕЩЕСТВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

Научные руководители заслуженный деятель науки и техники,

доктор технических наук, профессор Мищенко Сергей Владимирович,

кандидат технических наук, доцент Мартемьянов Юрий Федорович

Тамбов - 1998

На правах рукописи

/II /

Мордасов Денис Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................................4

1. Современное состояние контроля плотности жидких сред пневматическими методами................................................................9

1.1. Методы контроля плотности жидких сред...................................9

1.2. Выводы и постановка задач исследования..................................27

2. Теоретические основы струйно-акустического метода

измерения плотности........................................................................29

2.1. Распространение акустической волны в газовом пространстве...............................................................................29

2.2. Влияние характеристик турбулентной струи на процесс распространения акустической волны в струйно-акустической длинной линии.....................................35

2.3. Влияние нагрузки на распространение акустической

волны в струйно-акустической длинной линии........................42

2.4. Аэродинамическое звукообразование при прохождении газовой струи через диафрагму..................................................45

Выводы по второй главе...................................................................50

3. Методы контроля плотности и поверхностного натяжения

жидких сред.....................................................................................52

3.1. Струйно-акустический метод контроля плотности

жидких сред................................................................................52

3.2. Адекватность статической характеристики метода контроля плотности процессам, происходящим в струйно-акустической

системе.......................................................................................58

3.3. Измерение поверхностного натяжения жидкостей со струйно-акустической коррекцией влияния плотности............61

3.3.1. Пневматические методы контроля поверхностного

натяжения...........................................................................61

3.3.2. Струйно-акустический метод контроля поверхностного натяжения жидких сред...........................78

Выводы по третьей главе..................................................................83

4. Метрологический анализ метода контроля плотности

жидких сред.....................................................................................84

4.1. Погрешность косвенных измерений плотности

жидких сред...............................................................:...............84

4.2. Физические основы гистерезиса в струйно-акустической

системе.......................................................................................90

4.3. Погрешность струйно-акустического метода контроля

плотности жидких сред.............................................................95

Выводы по четвертой главе............................................................ 101

5. Бесконтактные струйно-акустические устройства для контроля плотности и поверхностного натяжения жидких сред....................102

5.1. Устройство для контроля плотности....................................... 102

5.1.1. Выбор конструктивных размеров основных узлов

устройства......................................................................... 103

5.1.2. Исследование и расчет акустико-пневматического

преобразователя................................................................ 109

5.1.3. Метрологический анализ струйно-акустического устройства для контроля плотности жидких сред............ 115

5.2. Струйно-акустическое устройство для автоматического бесконтактного контроля поверхностного натяжения

жидких сред.............................................................................121

Выводы по пятой главе.................................................................. 124

Основные результаты и выводы по работе......................................... 126

Список использованной литературы................................................... 128

Приложения......................................................................................... 135

4

Введение

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

В процессе производства возникает необходимость контролировать свойства различных веществ: растворы, суспензии, пульпы, расплавы металлов и солей. Применение известных методов и средств контроля агрессивных, быстрокристаллизующихся, склонных к налипанию и других сред со специфическими свойствами часто затруднено, а в некоторых случаях невозможно.

Условия практического применения устройств для контроля физико-механических свойств жидкостей требуют от них не только высокой точности и механической прочности, но и высокой надежности работы в потенциально опасных производствах. В последние годы наблюдается повышенный интерес к пневматическим методам и приборам, наиболее полно отвечающим этим требованиям.

Подавляющее большинство существующих пневматических приборов являются контактными средствами измерения. В некоторых случаях контакт с контролируемой средой ведет к существенным дополнительным источникам погрешности, либо к полной потере их работоспособности.

Существующие бесконтактные методы измерения реализуются до сих пор сложными и дорогостоящими техническими средствами, поэтому их внедрение не всегда экономически оправдано. Одной из актуальных задач современного приборостроения является разработка дешевых бесконтактных высоконадежных устройств контроля физико-механических свойств жидких веществ.

Плотность является одной из основных физических величин, характеризующих свойства веществ. Измерение плотности играет существен-

ную роль при осуществлении контроля за технологическими процессами и качеством продукции. Поэтому важным элементом комплексной автоматизации производственных процессов во многих отраслях промышлен-

/ и 1 и и \

ности (химическои, металлургической, нефтяной, пищевои и др.) является разработка приборов для автоматического измерения плотности.

В основе любого исследования и прогресса в науке лежит научная интуиция, обусловленная глубокими теоретическими знаниями, искусством эксперимента и четким представлением о границах теоретических возможностей. Поэтому задачи разработки и исследования новых принципов измерения плотности могут быть успешно решены только после изучения физических основ используемых эффектов.

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию нового бесконтактного струйно-акустического метода и устройства для измерения плотности жидких веществ.

На основе теоретического и экспериментального исследования процессов, происходящих в струйно-акустической системе разработан бесконтактный струйно-акустический метод контроля плотности. Выявлены физические основы и оценена стабильность аэродинамического звукообразования при прохождении газа через диафрагму. Дано физическое обоснование гистерезиса в струйно-акустической системе. Разработано принципиально новое струйно-акустическое устройство для контроля плотности жидкостей. На основе анализа физических основ аэродинамического звукообразования и гистерезиса в струйно-акустической системе, предложены пути снижения вариации устройства для измерения плотности. Разработанный метод измерения плотности применен в струйном методе измерения поверхностного натяжения для коррекции систематической составляющей погрешности, вызванной изменением плотности и расстояния до контролируемой поверхности. Разработано струйно-акустическое устройство для контроля поверхностного натяжения жидких сред. Проведена экспериментальная проверка разработан-

ных методов и устройств, выявлены и оценены их основные метрологические характеристики. Разработанные устройства прошли производственные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях АО «Кристалл», в.ч. 13805, 301 АРЗ, НПП «Модуль», результаты работы используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Цель работы. Разработка и исследование бесконтактного струйно-акустического метода и устройства для измерения плотности жидких веществ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- осуществить теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих в струйно-акустической системе;

- разработать бесконтактный струйно-акустический метод контроля плотности жидкостей;

- изучить физические основы аэродинамического звукообразования;

- провести метрологический анализ бесконтактного струйно-акустического метода измерения плотности жидких сред;

- разработать устройство для контроля плотности и пути его использования для коррекции систематической составляющей погрешности в устройстве для измерения поверхностного натяжения жидкостей;

- осуществить экспериментальную проверку результатов работы.

Научная новизна. Показано, что процесс распространения струй-

но-акустического сигнала может быть описан телеграфными уравнениями независимо от наличия жестких стенок, а информация о свойствах отражающей поверхности заключена в параметрах стоячей волны, возникающей в результате интерференции падающей и отраженной плоских волн.

На основе проведенных исследований процесса распространения струйно-акустического сигнала предложен бесконтактный метод измерения плотности жидких веществ, заключающийся в следующем:

- формируется плоская падающая звуковая волна, отражение которой от контролируемой поверхности приводит к возникновению режима стоячих волн;

- фиксируется положение узла стоячей волны в пространстве, которое однозначно определяет величину плотности независимо от параметров окружающей среды, с точностью до постоянства скорости звука в ней, от скорости движения анализируемой поверхности и от фазового состояния измеряемой среды.

Исследовано теоретически и подтверждено экспериментально, что максимальная точность обеспечивается при следующих условиях:

- измерение необходимо производить в первом периоде стоячей волны;

- в качестве генератора звуковых колебаний применяется высокостабильный диафрагмовый звукообразуюгций элемент направленного действия;

- имеется устройство перемещения генератора в пространстве, обеспечивающее поиск и фиксацию узла стоячей акустической волны;

- нуль-индикатором пневматического типа обеспечивается сигнализация достижения генератором положения, соответствующего узлу стоячей волны;

Выявлены и физически обоснованы процессы аэродинамического звукообразования при истечении газа через диафрагму и показано, что акустическое воздействие на ядро турбулентной струи приводит к возникновению гистерезиса в струйно-акустической системе.

Практическая ценность. Разработано бесконтактное струйно-акустическое устройство для измерения плотности неподвижных и

движущихся гомогенных и гетерогенных жидких веществ. Осуществлен выбор размеров его основных конструктивных элементов.

Разработанное устройство для контроля плотности примененено в качестве блока коррекции изменения плотности и расстояния до контролируемой поверхности в бесконтактном устройстве для измерения поверхностного натяжения.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания на ряде предприятий (АО «Кристалл», в.ч. 13805, 301 АРЗ, НПП «Модуль») и рекомендованы к внедрению, кроме того они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на I научной конференции ТГГУ (Тамбов, 1994 г.); II научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1995 г.); Второй Международной теплофизиче-ской школе «Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения» (Тамбов, 1995 г.); III научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996 г.); 5 Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности методов и средств обработки информации» (Тамбов, 1997 г.); Третьей Международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (Тамбов, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, получено 2 положительных решения о выдаче патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 69 наименований.

1. Современное состояние контроля плотности жидких сред пневматическими методами

1.1. Пневматические методы контроля плотности жидких веществ

Контроль плотности рж жидкости - параметра, определяющего их качество - является важным этапом комплексной автоматизации ряда технологических процессов в многих отраслях промышленности. Существует большое количество методов контроля плотности, в основу которых положены различные физические эффекты и явления [24, 25].

Классификация пневматических методов контроля плотности представлена на рис. 1.1.

В соответствии с воздействующими и формируемыми сигналами методы контроля плотности подразделяют на непрерывные и импульсные. В непрерывных методах выходной сигнал является непрерывной функцией времени. В импульсных методах информация о контролируемой величине размещается в параметрах импульсного сигнала - в изменении амплитуды, длительности, частоты, то есть осуществляется соответствующая модуляция.

В зависимости от режима взаимодействия газовой и жидкой фаз в процессе контроля возможен барботаж, при котором-газ в виде пузырьков поступает в жидкость, и колокольный, исключающий барбо-тирование, характер продуваемого газа выбирается с учетом свойств жидкости.

Кроме этого, методы классифицируются по физической информационной величине, определяющей плотность контролируемой жидкости.

Пневматические методы контроля плотности

Давление в емкости ИЭ.

Размеры углубления на поверхности жидкости

Время барботи-рования постоянного количества газа

Время изменения давления на ДР = const при Gi = const

Изменение давления при изменении объема на ДУ — const

Изменение давле ния при измененш: количества газа на Д9 = const

Параметры колебаний поверхности жидкости

Рис. 1.1. Классификация пневматических методов контроля плотности жидких веществ

и

Анализ конструкций измерительных элементов, реализующих различные пневмометрические методы контроля плотности, позволил выделить обобщенную структуру, которая представлена на рис. 1.2. Такое обобщение позволяет с единых позиций решить вопрос математического описания процессов, происходящих в измерительных элементах, а также анализировать влияние изменения конструктивных параметров и физических свойств жидкости и газа на выходной сигнал.

Газ и жидкость, как объекты аналитического контроля, предполагают использование некоторого накопителя (емкости) с дроссели-рущими органами Д! и Д3 для газа и Д2 и Д4 для жидкости. Дроссели Д1 -г- Д4 имеют проводимости а* ч- сц, соответственно. Давления на входах соответствующих дросселей и расходы веществ

С?4 через эти дроссели могут быть как постоянными, так и переменными.

Изменения давления Р^ и высоты свободного пространства Н жидкости во времени t в емкости V обобщенной конструкции измерительных элементов описывается системой дифференциальных уравнений [26, 27]

+ , <">

с соответствующими коэффициентами А, Въ В2, Сь С2, значения которых приведены в табл. 1.1.

Анализ коэффициентов системы (1.1) и учет физических особенностей процессов, происходящих в пневмогидравлических ИЭ позволяют сделать вывод, что плотность рж проявляется при соответствующих состояниях дросселей в структуре ИЭ, когда преимущественное влияние оказывают массовые силы.

Рз г , Щ

<-X—

Лз

а)

ИХ-

Л1

Рз, , а3

<«-XI—

Дз

б)

Н'

ЛгХ а2

гк

Ь

1Г

Л4 Ха4

их—

Л1 н

Рис. 1.2. Обобщенная структура пневматических измерительных

элементов.

Таблица 1.1.

Коэффициенты системы дифференциальных уравнений (1.1) для ПГП выносного (ВП) и погружного (ПТ) типов

Коэффициент и тип ПГП Входные параметры ПГП

Р\, Р2 Оъ Р2 Оъ С2 Р\,

А ( ПТ, ВТ ) $иэ

( ВТ,ПТ) а2 + а4 Р ж^иэ а4 Р ж^иэ

СМ (ВТ) а4РЖ&ИЭ а4Р4

Рж^иэ Рж^иэ

. СМ (ПТ) - а4Ра - а2Р2 - a4pжg(H - 1иэ) - Ра <*4Ржё{н - 1иэ)

Р ж^иэ Рж^ИЭ

ш (ПТ) (а1 + а3 )ЯТ ^ иэ а 3ЯТ $иэ (ах+ а3)ЯТ ^ иэ

СМ (ПТ) (ауРх + а3Р3)ЯТ $ иэ + а 3Р3)ЯТ 3 иэ м + а 3Р3)КГ 3 иэ

где Ра - давление над поверхностью жидкости; 5ИЭ - площадь поперечного сечения емкости ИЭ; /иэ - длина емкости; Н - глубина погружения емкости; g - ускорение свободного падения.

Если ИЭ (табл. 1.2., рис. 1.3.) имеет а2 и а4 равные нулю, то при Р\ = const и глубине погружения барботажной трубки длинной /3, Н = /3 = const, происходящие в нем процес