Пузырьковый пневматический метод контроля вязкости жидкостей и устройства его реализации

Контроль вязкости жидкостей необходим в различных отраслях промышленности, например, в химической, нефтехимической, пищевой, стекольной, лакокрасочной и других. По вязкости судят о качестве полуфабриката и готового продукта, о тех физико-химических изменениях в материале, которые происходят во время технологического процесса. Во многих процессах, связанных с нанесением покрытия на поверхность, вязкость наносимого вещества необходимо поддерживать в установленном диапазоне.

При проведении технологических операций, таких как окраска, пропитка, проклейка целесообразно проводить экспресс-контроль вязкости с использованием малого объема пробы контролируемой жидкости простыми, надежными и дешевыми средствами.

Техническая реализация подавляющего большинства известных методов контроля вязкости не позволяет производить оперативный контроль вязкости с малым объемом пробы контролируемого вещества в условиях потенциально опасных производств за исключением методов, использующих движение границы раздела фаз «газ — жидкость». Такие методы подразделяются на пузырьковые и бесконтактные струйные деформационные методы.

Основными недостатками бесконтактных струйных деформационных методов являются значительный расход газа и большое количество влияющих величин на результат измерения.

Применение пузырьков газа при формировании сигналов измерительной информации позволяет существенно снизить стоимость измерений, повысить надежность, упростить конструкции измерительных устройств, реализующих пузырьковые методы. К пузырьковым пневматическим методам измерения вязкости относятся все методы, в которых в качестве первичного измерительного преобразователя используется газовый пузырек с момента его зарождения до выхода из жидкости. Преимущество пневматических пузырьковых методов измерения вязкости состоит в том, что измерительный механизм не находится в контакте с контролируемой жидкостью. Поэтому их целесообразно использовать в случае агрессивных, сильно загрязненных, вязких жидких веществ. Однако до настоящего времени пузырьковым методам контроля вязкости не уделялось должного внимания.

Актуальной является задача создания и исследования пузырькового метода и устройства для его реализации, позволяющего производить экспресс-контроль вязкости с использованием малого объема пробы контролируемой жидкости.

Цель работы заключается^ создании пузырькового экспресс-метода контроля вязкости, использующего малый* объем пробы контролируемой жидкости. При решении-поставленной цели необходимо:

— провести экспериментальные и теоретические исследования процессов, происходящих* привзаимодействии* пузырька газа с постоянной и переменной массами с жидкостью;

— разработать на основе проведенных исследований пузырьковый метод измерения вязкости;

— провести исследование метода и оценку точности;

— разработать устройства, реализующее разработанный метод.

Методы исследования. В ходе экспериментальных исследований использованы статистические методы обработки «результатов измерений. Аналитические методы исследований базируются на использовании механики сплошных сред, дифференциального и интегрального исчислений, теории измерений и метрологии.

Научная новизна. Проведен анализ существующих пузырьковых методов измерения вязкости и осуществлена их классификация, в основу которой положены следующие признаки: состояние газа в пузырьке, вид двухфазной системы «пузырек газа-жидкость», информативный параметр.

Выявлены и изучены физические эффекты, наблюдающиеся в двухфазной системе «пузырек газа—жидкость» при формировании пузырька газа с подачей газа в пузырек в процессе измерения и без нее:

— при подаче газа с увеличением вязкости жидкости наблюдается увеличение времени формирования пузырька газа, образующегося на конце погруженной в вязкую жидкость газоподводящей трубки;

— без подачи газа при увеличении вязкости жидкости наблюдается увеличение времени формирования пузырька газа в измерительной трубке после .ее поворота на 180° доказавшие возможность создания пузырькового пневматического метода измерения вязкости по времени формирования’пузырька газа с постоянной и переменной массами.

На основании математического описания-процесса отрыва пузырька газа от погруженной в вязкую жидкость газоподводящей трубки, при подаче на ее вход заданного расхода газа, выведена расчетная, формула для определения динамическойвязкости. Разработан метод измерения вязкости по времени формирования пузырька с переменной массой, заключающийся в формировании пузырька газа при заданном расходе на конце газоподводящей трубки, погруженной в контролируемую/ жидкость, измерении периода следования пузырьков газа как функции вязкости.

Введение

м в расчетную формулу коэффициента, учитывающего влияние стенок измерительной трубки на* процесс формирования пузырька газа, получена расчетная формула для определения динамической вязкости жидкости по времени формирования пузырька газа с постоянной массой. Разработан метод измерения вязкости, согласно которому заполняют измерительную трубку контролируемой жидкостью до заданного уровня, формируют изолированное газовое пространство над жидкостью, формируют пузырек газа после поворота измерительной трубки на 180°, измеряют время формирования пузырька как функцию вязкости.

Практическая ценность. Разработаны устройства для измерения вязкости жидкостей по времени формирования пузырька газа с постоянной и переменной массами. Разработано пробоотборное устройство с гидродинамическим формированием объединенной пробы.

Реализация результатов. Разработанные устройства прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО «Тамбовский завод «Октябрь» и ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор».

Апробация, работы. Основные результаты работы докладывались в ходе проведения Шестой международной теплофизической школы «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (г. Тамбов, 2007 г.) и Седьмой международной теплофизической школы «Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (г. Тамбов, 2010 г.) — на XXIV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Пенза, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять научных работ, получено три патента на изобретение.

Структура и объём работы-Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и 9 таблиц.

Список литературы

включает 85 наименований.

4.4 Основные результаты и выводы по четвертой главе.

Разработаны простые в реализации, надежные и дешевые устройства, реализующее метод контроля вязкости жидкостей по времени формирования пузырька газа с постоянной и переменной массами, позволяющие проводить измерения вязкости с объемом пробы контролируемой жидкости не превышающем 2*10″ 5 м³. Выбраны их основные конструктивные параметры, благодаря чему без существенных затруднений возможно наладить серийный выпуск пузырьковых вискозиметров с относительной погрешностью измерений не превышающей 3,5%. Использование данных вискозиметров в промышленности позволить существенно снизить стоимость проведения измерений за счет снижения стоимости измерительного устройства и уменьшения объема пробы контролируемой жидкости.

Разработано пробоотборное устройство с гидродинамическим принципом формирования объединенной пробы из технологического аппарата. Проведена оценена точности формирования объединенной пробы. Результаты оценки признаны удовлетворительными. Данное устройство позволяет существенно упростить процесс формирования объединенной пробы контролируемого вещества в условиях действующих производств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной работе проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований, на основании которых получены следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих пузырьковых методов измерения вязкостижидкостей, который выявил отсутствие метода, осуществляющегоэкспресс-контроль вязкостис малым: объемом пробыконтролируемой жидкости в условиях потенциально опасных производств:

2. Осуществлена классификация пузырьковых методов измерения" вязкостипо следующим признакам: состоянию газа в пузырьке, виду двухфазной системы «пузырек газа — жидкость», информативному параметру.

3- Выявлены и изучены физические эффекты, наблюдающиеся: вдвухфазной системе «пузырек газа — жидкость» при формировании пузырька газа с подачей газа в пузырек в процессе измерения и без нее:

— при подаче газа с увеличением вязкости жидкости наблюдается увеличение времениформирования пузырькагаза, — образующегося' на конце: погруженной в вязкую жидкость газоподводящей трубки,.

— без подачи, газа при увеличении вязкости, жидкостинаблюдается, увеличение времени: формирования пузырькагаза в измерительной трубке, после ее поворота на 180°, доказавшие: возможность создания пузырьковогопневматического метода измерения вязкости по времени формирования пузырька газа с: постоянной и переменной массами. .

4. На основании математического описания процесса отрыва пузырька газа от погруженной в вязкую жидкость газоподводящей трубки, при. подаче на ее вход заданного расхода газа, выведена расчетная формула для^ определения динамической вязкости. Разработан метод измерения вязкости по времени формирования пузырька с переменной массой, заключающийся в формировании пузырька газа при заданном расходе на конце погруженной в.

1 • •¦ 97 жидкость газоподводящей трубки, измерении периода следования пузырьков газа как функции вязкости. Метод позволяет контролировать вязкость жидкостей в диапазоне (5,2.26,8) Па-с с относительной погрешностью не превышающей 2,5%.

5. Анализ физики процессов формирования пузырька1 газа с постоянной и переменной массами установил общность этих процессов.

Введение

м в расчетную формулу коэффициента пропорциональности, учитывающего влияние стенок измерительной трубки на процесс формирования пузырька газа, получена расчетная формула для определения динамической вязкости по времени формирования пузырька газа с постоянной массой. Разработан метод измерения вязкости, согласно которому заполняют измерительную трубку контролируемой жидкостью до заданного уровня, формируют изолированное газовое пространство над жидкостью, формируют пузырек газа после поворота измерительной трубки на 180°, измеряют время формирования пузырька как функцию вязкости. Метод позволяет контролировать вязкость жидкостей в диапазоне (7,7. 120,3) Па-с с относительной погрешностью не превышающей 3,5%.

6. Разработаны устройства для реализации пузырькового пневматического метода измерения вязкости с объемом пробы контролируемой жидко.

6 3 сти не превышающим 20−10″ м. Устройства прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на ОАО «Тамбовский завод «Октябрь» и ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор».