Введение к работе
Актуальность темы. Этиленгликоль, пропиленгликоль и их водные растворы достаточно широко используются в современных аэропортах для предполетной антиобледенительной обработки корпусов воздушных судов (ВС).
Для контроля процесса обработки перспективно использование оптических рефрактометрических технологий, основанных на методе полного внутреннего отражения. Применяемые при этом датчики погружного типа, устанавливаемые непосредственно в технологический поток, могут обеспечить контроль состава раствора и его общий расход (при включении в систему расходомера, определяющего общий расход раствора противообледенительной жидкости). В целом рефрактометрические технологии позволяют обеспечить оптимизацию предполетной обработки ВС, включая утилизацию и (или) частичную регенерацию отработанных продуктов.
Применение рефрактометрии требует точных количественных данных по оптическим свойствам как исходных компонентов , так и их водных растворов, включая показатель преломления (n) и его температурный коэффициент (dn/dt), коэффициент поглощения K(X) в рабочем диапазоне температур до Т=60С и во всем диапазоне концентраций 0-100%. Такие данные к настоящему времени неполны и противоречивы. В доступной научной технической литературе, как правило, представлены на качественном уровне, так что в лучшем случае представляют интерес оценочного характера. Опубликованные данные по показателю преломления имеют сходимость на уровне An=0,001. Температурный коэффициент имеет разброс в пределах от dn/dt=(-3^1)*10-5 1/C. Оптическое поглощение в этих средах вообще не изучалось. Поэтому задачи исследования оптических свойств растворов этиленгликоля и пропиленгликоля остается актуальным.
Применяемые рефрактометрические датчики общего назначения здесь могут оказаться малопригодными по своим конструктивным особенностям;
процедура калибровки и используемое программное обеспечение не всегда адоптированы для применения в конкретных средах. Поэтому проблемы исследования возможностей рефрактометрических технологий в применении к контролю противообледенительной ВС остаются актуальными. Представляет интерес исследование метрологических возможностей рефрактометра применительно к контролю таких растворов, как в лабораторных условиях, так и в реальных аэропортах. На основе полученных экспериментальных данных могли бы быть уточнены и оптимизированы алгоритмы использования рефрактомерических датчиков и, при необходимости, внесены изменения в их конструкцию, оптическую и оптико-электронную систему и ПО.
Цель работы состояла в лабораторном исследовании оптических свойств этиленгликоля, пропиленгликоля и их водных растворов, разработке проблемно- ориентированных рефрактометрических датчиков для контроля состава этих растворов, лабораторных исследованиях и промышленных испытаниях рефракрометрических датчиков, а также алгоритмов оптимизации их конструкции и программного обеспечения в применении к контролю противообледенительной обработки корпусов ВС. Задачи работы:
-
Исследование показателя преломления и его температурного коэффициента в водных растворах гликолей при концентрации растворов k=0^100% и температурах Т=10^60С на длинах волн 1=589 нм и 1=683 нм, определямых требованиями прикладной рефрактометрии.
-
Исследование оптического поглощения в растворах этиленгликоля и пропиленгликоля в ультрафиолетовой и видимой областях спектра при 1=200-400 нм.
-
Сопоставительный анализ в рамках общей теории дисперсии данных по коротковолоновому поглощению и показателю преломления в видимой области длин волн.
4. Разработка рефрактометрических датчиков погружного типа для контроля состава водных растворов этиленгликоля и пропиленкликоля, включая лабораторные исследования и натурные испытания в условиях реальных аэропортов.
Научная новизна работы:
-
-
На уровне требований рефрактометрической технологии выполнены исследования оптических свойств этиленгликоля и пропиленгликоля.
-
Впервые в рамках общей теории дисперсии проведен сопоставительный анализ ультрафиолетового поглощения и концентрационной зависимости показателя преломления в видимом диапазоне длин волн.
-
Выполнены разработки рефрактометрического датчика погружного типа для контроля составов растворов этиленгликоля и пропиленгликоля; проведено его лабораторное исследование и установка на натурные испытания.
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:
-
-
-
Результаты измерений (на уровне требований практической рефрактометрии) концентрационной и температурной зависимостей показателя преломления водных растворов этиленгликоля и 1,2- пропиленгликоля при температурах Т=10^60С и массовых концентрациях их водных растворов k=0^100%.
-
Впервые установлено, что температурный коэффициент показателя преломления dn(k)/dt при Т=10^60С и k=0^100% имеет нелинейную зависимость от концентрации водного раствора и совпадает для обоих исследованных гликолей.
-
Данные измерений ультрафиолетового поглощения в водных растворах гликолей при k=0-100%, 1=200-400 нм и T= 20С.
-
Полуэмпирическая модель для расчетов длинноволнового показателя преломления, где ультрафиолетовое поглощение представляется одной
«эффективной» полосой поглощения с максимумом при X= 247 нм, приходящимся на полосу фундаментального поглощения в обоих гликолях, и амплитудой (эмпирический параметр), зависящей, линейно от концентрации раствора.
-
-
-
Впервые показано, что показатель преломления водных растворов гликолей для видимого диапазона длин волн может быть вычислен с точностью, сопоставимой с погрешностью измерений, исходя из данных по ультрафиолетовому поглощению (X=200-400 нм).
-
Промышленной рефрактометрический датчик погружного типа в виде моноблока, совмещающего погружной зонд с оптической системой и блок с одноплатной оптико-электронной системой сбора и обработки данных, не уступающий или превосходящий по техническим характеристикам зарубежные аналоги.
Достоверность научных и практических результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований и компьютерного моделирования, а также предварительными данными производственных испытаний в условиях реальной противообледенительной обработки ВС. Достоверность технических параметров специально разработанных и представленных в диссертации приборов (ультрафиолетовый спектрофотометр и производственные рефрактометрические датчики) были подтверждены также результатами лабораторных измерений на тестовых пробах. Для ультрафиолетовой спектрофотометрии использовались стандартные газоразрядные лампы линейчатого спектра излучения, ультрафиолетовые стекла серий БС и УФС, сертифицированные по каталогу цветного стекла (Из-во «Машиностроение», М., 1967 г.), а также государственные стандартные образцы (ГСО) состава растворимых органических веществ. Для аттестации рефрактометрических датчиков применялись жидкофазные пробы в виде водных растворов сахарозы, приготовленные по ГОСТ 28562-90, и растворов глицерина.
Выносимые на защиту рефрактометрические датчики прошли метрологическую аттестацию во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
Внедрение результатов работы. Представленные рефрактометрические датчики и алгоритмы их использования в настоящее время проходят натурные испытания в аэропортах г.Владивостока и «Домодедово» (г. Москва).
Личный вклад автора. Все основные результаты, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования проведена совместно с научным руководителем работы Яськовым А. Д. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены соискателем на:
-
-
-
-
VIII международная научно-практическая конференция «Современные научные достижения». Прага, 2012 г.
-
XIII международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности».СПб, 2012 г.
-
Конференция молодых ученых СПб НИУ ИТМО. СПб, 2012 г.
-
Конференциях профессорско-преподавательского состава СПб НИУ ИТМО в 2008-2012 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы, включая две научных статьи и две работы в трудах международных научных конференций, входящих в перечень рецензируемых изданий, признаваемых ВАК Минобрнауки РФ. Еще две научных статьи с участием соискателя прошли рецензирование и приняты к печати.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 103 страницы машинописного текста, включая 37 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 59 наименований.
Похожие диссертации на Рефрактометрические технологии контроля противообледенительной обработки воздушных судов
-
-
-
-
-
-
-
-
