Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния контроля вязкости жидких сред бесконтактными аэрогидродинамическими методами 9
1.1 Автоколебательный режим взаимодействия газовой струи с поверхностью жидкости 12
1.2 Взаимодействие пневматических импульсов с поверхностью жидкости 15
1.3 Контроль вязкости на основе режима вынужденных колебаний при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости 16
1.4 Применение единичных пневматических импульсов для контроля вязкости жидкости 34
Выводы и постановка задач исследования 36
Глава 2. Теоретические основы бесконтактного метода контроля вязкости жидкости 37
2.1 Характеристики турбулентной газовой струи, воздействующей на жидкость 37
2.2 Физические основы взаимодействия газовой струи с поверхностью жидкости 41
2.3 Формирование углубления на поверхности жидкости 43
2.4 Силы действующие на границе раздела фаз при образовании углубления 47
2.5 Модель движения нижней точки лунки 54
2.6 Адекватность математической модели процесса роста углубления на поверхности жидкости процессам, протекающим в измерительной системе 59
Выводы по второй главе 64
Глава 3. Бесконтактный метод контроля вязкости жидкостей 65
3.1 Аэрогидродинамический метод контроля вязкости жидкостей 65
3.2 Установка для исследования бесконтактного метода 70
3.3 Исследование влияния давления и длительности воздействия струи газа на скорость формирования углубления 71
3.4 Погрешность аэрогидродинамического метода контроля вязкости 78
3.5 Погрешности, вносимые отклонением значений плотности и поверхностного натяжения образцовой и контролируемой жидкости 82
Выводы по третьей главе 88
Глава 4. Устройство для бесконтактного контроля вязкости жидкости 89
4.1 Электромеханический генератор турбулентной струи 89
4.2 Устройство для контроля вязкости жидкостей 99
Выводы по четвертой главе 104
Основные результаты и выводы по работе 105
Список использованной литературы 107
Приложения 118
- Взаимодействие пневматических импульсов с поверхностью жидкости
- Физические основы взаимодействия газовой струи с поверхностью жидкости
- Установка для исследования бесконтактного метода
- Устройство для контроля вязкости жидкостей
Введение к работе
Существенное значение для повышения качества продукции имеет оперативность контроля и управления вязкостью в процессе производства. Для высоковязких жидкостей, таких как смолы, пластизоли, различные смеси на их основе и другие, с целью упрощения процесса контроля вязкости предусматривают их предварительный нагрев, позволяющий уменьшить вязкость, а также проведение измерений при повышенной температуре, что требует дополнительного применения специальных технических средств и оборудования, обеспечивающего условия измерений. Кроме того, прямой контакт чувствительного элемента с контролируемой жидкостью приводит к ее налипанию на чувствительный элемент. Этот недостаток особенно характерен для высоковязкой продукции, в частности, различного рода смол, композиций на их основе, вызывает необходимость проведения длительных процедур очистки, промывки вискозиметра, увеличивает трудоемкость и снижает оперативность контроля, что влияет на качество продукции.
В подобной ситуации целесообразно применение бесконтактных методов, в которых характеристикой вязкости является ответная реакция поверхности жидкости на внешнее воздействие (струя газа, акустические волны). В результате такого воздействия на поверхности образуется углубление, при этом поверхностные слои жидкости приводятся в движение. Достоинством пневматических методов является то, что они отвечают специальным требованиям применения технологии и устройств в условиях пожаро- и взрывоопасных производств, объектов или материалов и позволяют по сравнению с другими бесконтактными методами проводить контроль при различных температурах, а также повысить его оперативность.
Режимы импульсного пневматического воздействия обладают преимуществами в сравнении с непрерывным, поскольку существенно снижается влияние таких факторов, как наличие неоднородных включений
(твердых или газовых), а также они более эффективны по своему воздействию применительно к высоковязким жидкостям.
Исследования разработанных до настоящего времени пневматических, бесконтактных методов и устройств контроля вязкости с импульсным способом воздействия показали, что требуют дополнительного изучения вопросы выбора контролируемого параметра, такого как время деформации, теоретического описания процессов импульсного взаимодействия струи с поверхностью жидкости, а также возможности применения подобных методов для контроля высоковязких сред, в том числе в условиях их производства и применения.
Поэтому изучение процессов, происходящих при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости, и разработка на их основе бесконтактного метода и устройства контроля вязкости, в котором информативным параметром является время деформации поверхности жидкости на заданную величину, представляется актуальной задачей.
Цель работы заключается в создании бесконтактного метода контроля вязкости на основе исследования физических эффектов, возникающих при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости, зависящих от физико-механических свойств жидкости, и разработке устройства, позволяющего по сравнению с другими более оперативно проводить контроль высоковязких жидкостей в условиях их производства и применения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести обзор существующих методов контроля вязкости;
— осуществить теоретические и экспериментальные
исследования процессов, происходящих в двухфазной системе "струя газа —
жидкость" при воздействии пневматическим импульсом прямоугольной
формы;
разработать бесконтактный аэрогидродинамический метод контроля вязкости жидкостей;
провести анализ погрешностей бесконтактного аэрогидродинамического метода контроля вязкости жидкостей;
разработать устройство для реализации метода контроля вязкости жидкостей;
осуществить экспериментальную проверку результатов работы.
Методы исследования. Основные задачи работы решались моделированием и анализом моделей процессов, происходящих в двухфазной системе "струя газа - жидкость". При проведении экспериментальных исследований использовались методы моделирования и статистического анализа. Аналитические методы исследований базируются на использовании механики сплошных сред, дифференциального и интегрального исчисления, теории измерений и метрологии.
Научная новизна. Экспериментально и теоретически изучены физические процессы, возникающие в двухфазной системе "струя газа -жидкость" при импульсном воздействии, положенные в основу разработанного бесконтактного метода контроля вязкости жидких веществ.
Разработано математическое описание метода контроля вязкости жидкости по параметрам роста углубления сферической области, создаваемой воздействием струи газа заданного расхода и направленной перпендикулярно к поверхности.
Предложен бесконтактный аэрогидродинамический метод контроля вязкости жидкости, основанный на измерении отношения времени прохождения нижней точкой границы раздела фаз фиксированного расстояния на контролируемой и образцовой жидкости при условии постоянства характеристик воздушной струи, температуры сред,
позволяющий осуществить контроль высоковязких веществ в условиях их производства и применения.
Практическая ценность. Разработано бесконтактное
аэрогидродинамическое устройство для контроля вязкости однородных и неоднородных жидких веществ. Осуществлен выбор размеров его основных конструктивных элементов.
Устройство для контроля вязкости признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО "Тамбовмаш", ФГУП "Ревтруд", в частности, для контроля вязкости композиции на основе эпоксидной смолы, применяемой для заливки ручек электрокипятильников.
Работа выполнена при участии в проекте НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", подпрограмма (210) "Управление качеством продукции и услуг" (2002—2003 гг.).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 5-й Международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация " (г. Барнаул, 2004 г.); II Международной научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (г. Пенза, 2004 г.); школе-семинаре молодых ученых "Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции" (г. Тамбов, 2003 г.); VIII научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 2003 г.); Пятой международной теплофизической школе "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (г. Тамбов, 2004 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (г. Тамбов, 2004 г.); Шестой международной теплофизической школе "Теплофизика в
энергосбережении и управлении качеством" (г. Тамбов, 2007 г.); XIII научной конференции ТГТУ "Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование" (г. Тамбов, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 114 наименований.
Автор выражает благодарность директору Испытательного центра ГОУ ВПО "ТГТУ" Емельянову Анатолию Алексеевичу за ресурсное обеспечение, помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы и практической реализации данной научно-исследовательской работы.
Взаимодействие пневматических импульсов с поверхностью жидкости
В отличие от автоколебательного режима, образование углубления на поверхности вязкой жидкости происходит под действием пневматических импульсов и зависит от их амплитуды, частоты и продолжительности.
Сущность бесконтактного метода измерения вязкости заключается в том, что при воздействии на контролируемую жидкость периодической последовательностью пневматических импульсов поверхность жидкости деформируется.
За период между двумя импульсами радиус углубления уменьшается на некоторую величину, принимая новое значение /. В частном случае происходит полное восстановление поверхности жидкости. Размеры углубления при постоянной частоте импульсов определяются параметрами газовой струи и физико-механическими свойствами жидкости [113, 114]. 1.3 Контроль вязкости на основе режима вынужденных колебаний при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости
Бесконтактным аэрогидродинамическим методом является также метод, основанный на сдвиге поверхностных слоев жидкости газовой струей. Время формирования или изменения объема углубления на поверхности жидкости зависит от ее вязкости. Схема устройства, реализующего такой метод, приведена на рис. 1.4 [19].
Питающее сопло 1 расположено под углом к плоскости уровня жидкости 2. Трубки 3 и 4 образуют чувствительный элемент "трубка -приемный канал". Ось струйного элемента расположена параллельно плоскости уровня жидкости и в одной плоскости с осью питающего сопла, перпендикулярной плоскости жидкости. Выход приемного канала, т.е. трубка 4, подключен к одному из входов усилителя 5, выход которого соединен с питающим соплом 1 и с входом преобразователя 6. Выход преобразователя 6 импульсов соединен с частотомером 7. Давление питания подключено к трубке Зик одному из входов усилителя 5.
При подаче на вход устройства (трубка 3 и усилитель 5) давления питания струя газа, выходя из трубки 3, поступает в приемный канал 4, а оттуда через усилитель 5 в питающее сопло 1. Выходящая из питающего сопла 1 струя газа взаимодействует с поверхностью жидкости 2, образуя на ней углубление, форма которого зависит от скорости газа в струе. Скорость изменения формы поверхности углубления в значительной степени зависит от вязкости контролируемой жидкости.
В процессе измерения кривизна поверхности углубления растет, что приводит к взаимодействию струи газа, выходящей из углубления, со струей газа, выходящей из трубки 3, происходит отклонение последней, при этом уменьшается поток газа, поступающего в приемный канал 4. Так как часть потока уходит в атмосферу, то давление в приемном канале 4, а следовательно, на входе усилителя 5 и в питающем сопле 1 уменьшается. Уменьшение расхода газа в струе, выходящей из сопла 1, вызывает изменение кривизны поверхности раздела фаз.
Поверхность раздела переходит в новое состояние и струя газа, выходящая из углубления, не взаимодействует со струей газа, выходящей из трубки 3. Поток газа, поступающий в приемный канал 4, возрастает, при этом возрастает поток газа в питающем сопле 1. Возрастание расхода газа в струе снова вызывает изменение, формы поверхности углубления.
Время, в течение которого происходит изменение формы углубления, зависит от вязкости жидкости. Сигналы с выхода усилителя 5 поступают на вход преобразователя 6, который осуществляет преобразование входных сигналов и формирует импульсы. Импульсы с выхода преобразователя 6 поступают на вход частотомера 7.
При увеличении расхода газа, подаваемого на измерительное устройство, от первоначально установленного увеличиваются скоростная и силовая характеристики струи, выходящей из трубки 3, и для того, чтобы отклонить ее, необходима более мощная, отраженная от поверхности жидкости газовая струя. Наличие цепи отрицательной обратной связи способствует увеличению скоростной и силовой характеристик струи, выходящей из сопла 1, что приводит к увеличению кривизны поверхности углубления, при которой отраженная струя отклоняет струю, выходящую из трубки 3.
Время, в течение которого происходит изменение формы поверхности углубления с большим от первоначально установленного расхода газа, остается неизменным, так как при меньшей скорости газа в струе, набегающей на поверхность жидкости, необходимо достичь и меньшую кривизну поверхности для отклонения струи, выходящей из трубки 3, при большей скорости газа - большую кривизну.
Газовая струя, выходящая из сопла 1, сдвигает слой жидкости. По времени достижения слоем заданного положения определяется вязкость жидкости. Положение слоя жидкости определяется по положению газовой струи, выходящей из углубления в поверхности жидкости.
Из углубления выходит газовая струя, в которой характеристика распределения скорости и по сечению газовой струи имеет симметричный вид. Две равные части трубки 2 позволяют только в один момент времени вырезать из выходящей из углубления газовой струи два одинаковых потока. Равенство потоков определяет элемент сравнения 4. Оператор регулятором расхода газа 9 задает требуемый расход газа. По команде оператора блок управления 5 вырабатывает сигнал Р5 = 1, который открывает нормально закрытый клапан 6 и через преобразователь 7 запускает регистратор 8 на измерение интервала времени. Под действием газовой струи, выходящей из сопла 1, сдвигается слой жидкости и начинается формирование углубления в поверхности жидкости. При подходе слоя жидкости к заданному положению большая часть выходящей из углубления газовой струи попадает в левую часть трубки 2, а в правую часть трубки 2 попадает меньшая часть струи. Элемент сравнения 4 сравнивает два газовых потока G\ и (. При таком соотношении потоков G\ и ( выходной сигнал Р4 элемента сравнения 4 равен нулю.
Физические основы взаимодействия газовой струи с поверхностью жидкости
Воздействие на поверхность жидкости периодической последовательностью пневматических импульсов характеризуется временем наличия воздействующего сигнала и временем отсутствия воздействия. В зависимости от длительности воздействия и физико-механических свойств жидкости, на поверхности раздела фаз проходят следующие явления: - формирование углубления, - рост углубления, - стабилизация. За время отсутствия воздействующего сигнала происходит полное или частичное восстановление [112].
Проведены экспериментальные исследования стадии роста и восстановления для ряда жидкостей с различными физико-механическими свойствами. Динамика изменения размеров углубления представлена на рис. 2.2.
Анализ экспериментальных исследований (рис. 2.2) показал, что форма углубления на стадии роста (рис. 2.2 № 1-7) для различных жидкостей практически одинакова и хорошо воспроизводима.
На начальном этапе углубление представляет собой сферический сегмент (рис. 2.2 № 2-3). При достижении значения глубины h, равной радиусу г, (рис. 2.2 №4) углубление имеет полусферичную форму. Дальнейшее увеличение происходит только по глубине, а форма углубления близка к цилиндрической с полусферическим нижним основанием (рис. 2.2. № 5-7).
После прекращения воздействия струи начинается стадия восстановления (рис. 2.2. № 8-14). Эта стадия характеризуется постепенным уменьшением размера углубления до полного восстановления поверхности (рис. 2.2. № 14).
Экспериментальные исследования показали, что форма углубления при восстановлении сильно изменяется в зависимости от свойств жидкости, условий эксперимента, а также некоторых других факторов. Теоретический расчет такой модели сопряжен с трудностями, возникающими при решении системы нелинейных дифференциальных уравнений Навье-Стокса.
Проведенный анализ изменения формы и размеров углубления для стадии роста и стадии восстановления показал, что наиболее целесообразно для целей контроля физико-механических свойств жидкости, и в частности вязкости, применение стадии роста.
Рассмотрим турбулентную осесимметричную струю воздуха, распространяющуюся в неподвижной среде с теми же физическими свойствами и соударяющуюся с поверхностью жидкости. Ось струи перпендикулярна невозмущенной поверхности жидкости [54 - 56].
Схематически течение воздуха (в первоначальный момент времени) в рассматриваемом случае можно разбить на три области (рис. 2.3.): свободную струю, зону разворота и струю, стелющуюся по поверхности. Струя, стелящаяся по поверхности жидкости
В свободной струе [34], как показали опыты [57 - 62], статическое давление на оси струи вплоть до зоны разворота практически не отличается от давления на оси обычной затопленной свободной струи. Из этого следует, что вплоть до зоны разворота параметры течения в струе подчиняются обычным закономерностям для затопленных осесимметричных турбулентных струй.
Параметры струи непосредственно перед зоной разворота определяются известными закономерностями для затопленной турбулентной струи [34].
Течение газа в зоне разворота [63 - 65] является сложным пространственным течением, которое отличается значительным изменением давления и большой кривизной линий тока. Эта зона имеет поперечный размер порядка диаметра свободной струи перед соприкосновением ее с плоской поверхностью, а осесимметричный шлейф [34] переходит в кольцевую веерную струю, стелющуюся по поверхности жидкости.
Область течения воздуха, стелящегося по поверхности жидкости, характеризуется постоянным давлением, практически равным атмосферному. Движение в этой зоне носит радиальный характер, причем центром течения является точка пересечения оси свободной струи с плоскостью жидкости.
В зоне взаимодействия газовой струи с поверхностью жидкости формируется поток, распространение которого в зоне интенсивного растекания происходит от центра растекания, которым является точка с максимальным статическим давлением в области градиентного течения.
Установка для исследования бесконтактного метода
Для исследования динамики движения и геометрии лунки, образующейся при взаимодействии турбулентной газовой струи с поверхностью вязкой оптически прозрачной жидкости, разработана и изготовлена установка, схема которой представлена на рис. 3.3 [106].
Параллельный световой поток, отраженный зеркалом 1, проходит прозрачную координатную сетку 2 (цена деления 1 мм), стеклянную прямоугольную кювету 3 с исследуемой жидкостью и попадает в объектив цифровой видеокамеры 5. Оптическая система камеры сфокусирована на координатную сетку. Кювету с исследуемой жидкостью с помощью подъемного механизма вертикального перемещения 8 устанавливают так, чтобы отраженный от поверхности жидкости луч лазера 6 попал в метку 7. В этом случае поверхность жидкости будет расположена на строго определенном расстоянии от среза сопла. Включается камера и через некоторый интервал времени включается генератор импульсной турбулентной струи 4, одновременно включается светодиодный индикатор его работы. Образующаяся на поверхности исследуемой жидкости лунка рассеивает проходящий световой поток от осветителя 9. При таком способе освещения и регистрации камера фиксирует теневое изображение динамики роста лунки в координатной сетке рис. 3.4. После необходимого интервала времени генератор выключают. Иллюстрация изображения лунки, полученного с применением экспериментальной установки, приведена на рис. 3.4 [106].
Проведены экспериментальные исследования характера изменения размеров углубления при различных расходах газа, а также для различных высот.
Эксперимент проводился в статическом режиме воздействия газа на жидкость. Экспериментальные данные получены для шести различных жидкостей: касторовое масло, компрессорное масло КС-19, обезвоженный глицерин, лак, эпоксидная смола ЭД-20, смесь эпоксидных смол. В ходе эксперимента получены данные для пяти значений расстояния от среза сопла до поверхности жидкости в диапазоне от 30 мм до 50 мм с шагом 5 мм. Для каждой высоты регистрировались данные при различных расходах. Начальный расход устанавливался индивидуально, при котором появляется видимое невооруженным глазом углубление. Изменение расхода на каждой высоте продолжалось до появления автоколебаний.
Исходя из анализа экспериментальных исследований было выявлено, что оптимальное расстояние от среза сопла до поверхности жидкости, при котором на поверхности жидкости формируется углубление полусферической формы и не возникает автоколебаний, составляет 35-40 мм, для сопла диаметром 0,75 мм.
Анализ графика рис. 3.4 показывает, что нижняя граница лунки движется с переменной скоростью, достигающей своего максимального значения на глубине 2-4 мм в зависимости от давления в пневматической камере. При дальнейшем увеличении глубины скорость уменьшается и становится равной нулю, т.е. глубина лунки становится постоянной. Из графика видно, что для р = 48 кПа имеется участок (7-11 мм) на котором движение может считаться равномерным и следовательно, выполняется уравнение баланса сил (2.2), что позволяет применить этот участок для контроля вязкости.
Изменение размеров углубления приводит к изменению сил, действующих со стороны жидкости и противодействующих силе струи. На основе экспериментальных данных и применяя формулы (2.3, 2.5, 2.6) для определения сил рассчитана суммарная сила, действующая со стороны жидкости на различных глубинах (рис. 3.7).
Зависимость отношения коэффициента динамической вязкости к времени достижения образующейся лункой заданной глубины Как видно из графика рис. 3.8, отношение r\/At, полученное для ряда значений вязкости по экспериментальным данным, практически постоянно в диапазоне изменения вязкости от 19 Па-с до 230 Па-с. Это является хорошим подтверждением достоверности разработанного метода контроля.
Для подтверждения предположения, что процесс формирования углубления можно рассматривать как процесс погружения сферического тела радиусом R (рис. 2.7), проведены экспериментальные исследования. В ходе экспериментов проводилось измерение геометрических размеров лунки в ходе процесса ее формирования для жидкостей с разными физико-механическими свойствами (в частности: компрессорное масло КС-19, эпоксидные смолы ЭД-20, ЭД-10, глицерин, касторовое масло, лак) при постоянных характеристиках воздействующего газового потока.
Устройство для контроля вязкости жидкостей
На основе разработанного генератора создано устройство, реализующее бесконтактный метод контроля вязкости [101, 102]. Схема которого приведена на рис. 4.9 [ПО, 111]. Рис. 4.9. Схема устройства для контроля вязкости жидкостей 1 - электропневматический генератор турбулентной струи; 2 - стеклянная прямоугольная кювета; 3 - подъемный - механизм; ЛІ, Л2 -полупроводниковые лазеры; Ф1, Ф2, ФЗ — фотодиоды; hi — полупрозрачное зеркало, установленное на высоте hi; 32 — зеркало, установленное на высоте hi; К - контроллер; п - задатчик количества повторов измерений; ТІ, Т2, ТЗ -цифровые таймеры
Устройство работает следующим образом. После получения команды "измерение" контроллер К обнуляет таймеры ТІ, Т2, ТЗ затем включает электропневматический генератор турбулентной струи 1. Турбулентная струя воздействует на поверхность жидкости. Деформация поверхности газовой струей нарушает условие отражения лазерного луча Л1, при этом срабатывает фотодатчик Ф1, включаются таймеры ТІ, Т2. Под действием образованной турбулентной струи, объем лунки увеличивается и при достижении глубины hi, срабатывает фотодатчикФ2 "глубина h\". Контроллер останавливает таймер ТІ и включает таймер ТЗ. При достижении нижней границей "растущей" лунки глубины hi, срабатывает фотодатчик ФЗ "глубина h2" и контроллер останавливает таймеры Т2, ТЗ и выключает электропневматический генератор турбулентной струи. Начинается процесс восстановления поверхности жидкости. При полном восстановлении срабатывает фотодатчик Ф1. Контроллер анализирует количество повторов (заданных и выполненных) и при несовпадении этих значений цикл измерений повторяется. Основные характеристики устройства: — диапазон давлений перед соплом от 0,005 до 0,16 МПа; — диаметр рабочего сопла генератора турбулентной струи 0,75 мм; — устанавливаемое расстояние между срезом сопла и поверхностью жидкости от 10 до 120 мм (±0,5) мм; — абсолютная погрешность измерения геометрических размеров лунки не превышает (±0,25) мм; — погрешность измерения временных промежутков для видеозаписи с разрешением 640x480 пикселей, не более ± 0,033 с, при цифровой регистрации ±0,001 с. Для реализации метода контроля вязкости жидкости необходимо выполнить следующие операции: 1 - выставить расстояние "сопло - поверхность жидкости"; 2 - установить рабочее давление воздуха; 3 - установить на счетчике количество необходимых повторов измерений; 4 - подготовить жидкости в кюветах; 5 - установить кювету с образцовой жидкостью на столик; 6 - переместить кювету с жидкостью на настроенное расстояние "сопло — поверхность жидкости"; 7 — выполнить измерение, зарегистрировать полученные результаты; 8 — выполнить повторные измерения (при несовпадении количества заданных и выполненных); 9 - установить кювету с контролируемой жидкостью на столик; 10 - повторить пункты 5-8 для контролируемой жидкости; 11 - по полученной математической зависимости (3.8) определить значение вязкости контролируемой жидкости.
При наличии ряда образцовых жидкостей с различными коэффициентами вязкости по полученным значениям времени формирования углубления с использованием метода наименьших квадратов строится градуировочный график. Для определения значения вязкости в этом случае необходимо только измерение времени деформации контролируемой жидкости при соблюдении требований к внешним условиям; по графику определяется значение вязкости.
По вышеизложенной методике проведено измерение и построен градуировочный график для смеси эпоксидных смол, с диапазоном значений вязкости 19 ... 230 Па-с, представленный на рис. 4.10. Габаритные размеры изготовленной установки позволяют помещать ее в температурную камеру ТВТ-1 для исключения влияния неконтролируемой температуры исследуемой жидкости.
Параметры устройства при выполнении измерения: глубина контроля лунки 9 мм, давление перед соплом 48 кПа, расстояние от среза сопла до поверхности жидкости 35 мм; погрешность измерения разности высот не превышает ±0,05 мм, погрешность измерения временных промежутков ±0,001 с.
Полученные экспериментальные данные аппроксимированы линейной зависимостью г = 73,53ґ - 8,02 с коэффициентом корреляции 0,99 при доверительной вероятности 0,95.
На основе анализа требований, предъявляемых к пневматическим импульсам, разработана конструкция генератора воздушных струйных турбулентных импульсов. Приведены структурная и электрическая схемы генератора, произведен расчет основных характеристик, а так же чертеж его пневматической части.
Разработано устройство, реализующее аэродинамический бесконтактный метод контроля вязкости.
Рассмотрена принципиальная схема устройства, описана методика проведения контроля вязкости жидкостей, построен градуировочный график для смеси эпоксидных смол.
1. Анализ существующих бесконтактных струйных методов показал, что наиболее целесообразным для контроля вязкости высоковязких жидкостей является применение импульсного воздействия, которое обладает рядом преимуществ, такими как: оперативность, отсутствие контакта рабочего сопла с контролируемой жидкостью, возможность применения для высоковязких, неоднородных жидкостей, однако возможности и сферы применения которого требуют дополнительного исследования.
2. На основе анализа процесса роста углубления получена математическая модель процесса формирования углубления, связывающая время достижения углублением определенной величины с физико-механическими свойствами контролируемого вещества в условиях постоянства характеристик воздействующего потока, а также температуры среды.
3. Анализ влияния отдельных сил, действующих со стороны жидкости, показал незначительность инерционной силы. Исключение инерционной составляющей из уравнения баланса сил позволяет получить более простую аналитическую зависимость, связывающую глубину лунки с временем ее формирования.
4. Предложен бесконтактный струйный аэрогидродинамический метод контроля вязкости по времени достижения лункой заданного значения глубины, положенный в основу относительного метода контроля вязкости по отношению времени деформации контролируемой и образцовой жидкостей.
5. Разработано устройство, реализующее метод бесконтактного контроля вязкости, позволяющее контролировать высоковязкие, неоднородные жидкости и отличающееся тем, что контроль проводится на стадии роста деформации на поверхности раздела фаз при воздействии вертикальной турбулентной струей с минимальным временем нарастания скорости струи. Оригинальное устройство признано изобретением и защищено патентом РФ.
6. Проведенная оценка погрешности показала, что для жидкостей с вязкостью 19...230 Па-с, при выполнении требований к внешним условиям и параметрам воздушной струи относительная погрешность метода контроля вязкости не превышает 5 %.
7. Разработан электромеханический генератор турбулентной струи, позволяющий получить пневматические импульсы прямоугольной формы с минимальным временем формирования переднего фронта и отсутствием спутной струи.
8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО "Тамбовмаш", ФГУП "Ревтруд", кроме того, они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.
