Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор 16
1.1 Классификация современных методов определения вязкости жидкостей 16
1.2 Капиллярные вискозиметры 23
1.2.1 Требования, предъявляемые к геометрическим размерам проточной части капиллярного вискозиметра 23
1.2.2 Теоретические основы метода 25
1.2.3 Гидродинамическая картина в рабочем пространстве капиллярного вискозиметра 33
1.2.4 Роль гидростатического давления и термостатирования в определении вязкости 42
1.3 Разновидности капиллярных вискозиметров и особенности их практического применения 46
1.3.1 Сравнительный анализ двух основных вариантов реализации капиллярного метода измерения 55
1.4 Особенности и возможности современных процессорных средств измерения 57
Выводы по главе 59
ГЛАВА 2. Теоретический анализ гидродинамической картины в рабочем пространстве капиллярного вискозиметра 60
2.1 Обоснование выбора инструмента и условий проведения математического эксперимента 60
2.2 Численные методы решения дифференциальных уравнений Навье-Стокса 65
2.3 Математическая модель течения в пространстве, включающем цилиндр и капиллярную трубку 69
Выводы по главе 79
ГЛАВА 3. Результаты математического эксперимента 80
Выводы по главе 109
ГЛАВА 4. Автоматизированное устройство для измерения вязкости с постоянной скоростью движения жидкости через капилляр 110
4.1 Описание принципиальной и функциональной схем ПО
4.2 Расчет рабочих характеристик кинематической системы передач и выбор элементов привода 115
4.2.1 Расчет передачи винт-гайка 115.
4.2.2 Выбор и описание элементов блока привода 122
4.3 Сенсорный модуль 124
4.4 Электронный модуль 127
4.4.1 Алгоритм программы вычисления вязкости 135
4.5 Метрологический анализ предлагаемой процедуры определения вязкости 139
4.6 Описание макетного образца 145
Выводы по главе 148
Заключение 149.
Литература 151
Приложение 159
- Требования, предъявляемые к геометрическим размерам проточной части капиллярного вискозиметра
- Разновидности капиллярных вискозиметров и особенности их практического применения
- Математическая модель течения в пространстве, включающем цилиндр и капиллярную трубку
- Метрологический анализ предлагаемой процедуры определения вязкости
Введение к работе
Оптимальное управление технологическими процессами в нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и ряде других отраслей промышленности невозможно без организации надежного и оперативного контроля_параметров, характеризующих состояние самого процесса, а также качество исходных материалов и готовой продукции [1,2]. Одним из важных показателей, определяющих качество жидких материалов является вязкость. Во многих случаях от точности поддержания данного параметра существенно зависит качество выпускаемой продукции [3]. Однако существующий в настоящее время арсенал технических средств, способных осуществлять оперативный контроль вязкости не велик, а имеющиеся немногочисленные образцы вискозиметров, пригодных для этих целей, имеют либо невысокие метрологические характеристики, либо недостаточно широкую область применимости, либо неудовлетворительные эксплуатационные показатели (таблица В.1). Ряд серийно выпускаемых отечественных вискозиметров представлен в основном приборами, которые предназначаются для использования в лабораторных условиях и непригодны для оперативного контроля (вискозиметры Уббелоде, Канон-Фенски, Сообразные трубчатые вискозиметры и д.р.). Среди зарубежных вискозиметров, пригодных для оперативного контроля, наиболее известными являются вискозиметры Hallikainen, Oval, Goettfert. Однако их показания существенно зависят от колебаний скорости движения продукта, обусловленных работой насоса (важным условием их правильной эксплуатации является исключение пульсаций давления). По этой причине они не могут обеспечить высокой точности и воспроизводимости результатов измерений. Отсюда следует, что проблема создания технических средств, обеспечивающих надежный и точный оперативный контроль вязкости различных жидкостей, способных интегрироваться в современные системы управления технологическими процессами, остается весьма актуальной.
В плане дальнейшего совершенствования капиллярного метода измерения вязкости и повышения его метрологических характеристик весьма актуальной представляется задача исследования гидродинамических процессов, которые в рабочих пространствах приборов, реализующих данный, метод измерения. Однако по причине малых размеров этих пространств инструментальная диагностика характеристик течения протекающих через них жидкостных потоков проблематична [6].
Поэтому наиболее целесообразно для этих целей использовать математическое моделирование на базе современных методов вычислительной гидродинамики. Такой подход позволяет достаточно точно решать большое количество различных задач, связанных с исследованием сложных гидродинамических процессов в различных технических устройствах.
Таким образом, тема диссертации, посвященной детальному исследованию гидродинамических процессов в вискозиметрах капиллярного типа, модернизации капиллярного метода и разработке автоматизированного устройства, пригодного для оперативного контроля вязкости различных жидкостей в составе автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ), также представляется актуальной.
Целью работы являлось повышение качества и оперативности контроля вязкости жидкостей за счет усовершенствования капиллярного метода и разработки на его основе функциональной и принципиальной схем автоматизированного измерительного устройства. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих научно-технических задач: • проведение анализа характеристик существующих методов и средств измерения вязкости различных жидкостей и требований, предъявляемых к ним современными нормативными документами (ГОСТ 29226-91), формулирование технического задания на разработку автоматизированного вискозиметра;
• математическое моделирование и детальный анализ картины течения жидкости в проточной области капиллярного вискозиметра и проведение на их основе количественной оценки влияния установленных вторичных гидродинамических процессов на статическую характеристику капиллярного вискозиметра;
• разработка функциональной и принципиальной схем автоматизированного капиллярного вискозиметра с постоянной скоростью истечения, выбор необходимых технических средств для его построения и определения характеристик функциональных элементов и узлов, обеспечивающих надежную работу, требуемую точность и воспроизводимость показаний в диапазоне значений вязкости р, (1 + 1500) мПа-с с погрешностью, не превышающей 1% (согласно требованиям ГОСТ 29226-91);
• аппаратурная реализация предлагаемого устройства в виде действующего макетного образца и проведение его метрологических испытаний на различных жидкостях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Усовершенствован капиллярный метод измерения вязкости, разработаны функциональная и принципиальная схемы оригинального капиллярного вискозиметра с постоянной скоростью истечения, который в отличие от действующих аналогов обеспечивает возмоишость проведения реологических исследований жидких материалов и измерения абсолютных значений коэффициентов \х в автоматическом режиме в диапазоне (1 + 1500) мПа-с при температуре 20°С с основной относительной погрешностью не выше 0,7%. Согласно требованиям действующего ГОСТ 29226-91 этот показатель для автоматических капиллярных вискозиметров может находиться в пределах ±1- -2%.
2. Впервые для описания течения в рабочем пространстве капиллярного вискозиметра использована двумерная математическая модель на основе уравнений Навье-Стокса и метода конечных элементов. Это позволило составить детальную картину течения, установить характеристики потока во всем рабочем пространстве прибора, наличие вихревых зон в придонной части накопительного объема, а также эволюцию профилей скорости и продольного градиента статического давления в зоне гидродинамического начального участка рабочего капилляра и определить степень влияния каждого из указанных гидродинамических факторов на формирование дополнительных погрешностей измерения вязкости капиллярным методом и найти способы уменьшения этого влияния. , 3. Осуществлена аппаратурная реализация автоматизированного устройства измерения вязкости с постоянной скоростью истечения в виде действующего макетного образца и проведены его метрологических испытания на различных жидкостях в диапазоне значений вязкости (1 - -1500) мПа-с. Устройство для измерения вязкости запатентовано (патент на изобретение № 2370751 - Устройство для измерения вязкости жидкости).
Практическая значимость работы.
1) Предлагаемое устройство, в отличие от действующих аналогов, позволит более точно и оперативно в автоматическом режиме осуществлять измерение вязкости различных жидкостей как в качестве лабораторного прибора для исследования реологических свойств жидких материалов, так и в качестве датчика вязкости в составе современной АСОИУ.
2) Значимость разработки подтверждается положительными результатами испытаний действующего макетного образца предлагаемого устройства в аналитической лаборатории АНО «Государственный центр по сертификации и стандартизации химреагентов для нефтяной промышленности» Министерства промышленности и энергетики РФ.
Апробация работы. Основные результаты проведенной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в сборниках следующих конференций: Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» (Нижнекамск, 2004); III Республиканская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение» (Казань, 2006); Материалы докладов II молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007); Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2008); Научная сессия КГТУ, аннотации сообщений (Казань, 2008); Материалы докладов IV молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009). Публикации по теме исследований. Перечень основных публикаций по теме диссертации включает в себя 4 статьи, 3 из которых опубликованы в журналах рекомендованных высшей аттестационной комиссией, патент на изобретение и 3 материала докладов всероссийской и международных конференций. На защиту выносится:
1) функциональная и принципиальная схемы и алгоритм работы автоматизированного устройства для измерения вязкости жидкостей.
2) результаты теоретического исследования гидродинамических процессов в проточной части капиллярного вискозиметра и их влияния на точность определения вязкости жидкостей по методу Пуазейля.
Работа выполнена на кафедре «Системы автоматизации и управления технологическими процессами», Казанского государственного технологического университета.
Требования, предъявляемые к геометрическим размерам проточной части капиллярного вискозиметра
Теоретический вывод Шиллера базируется на следующих допущениях: 1 - на входе в капиллярную трубку обеспечено равномерное распределение скоростей; 2 - равномерное распределение скоростей сохраняется в ядре течения, толщина которого постепенно по мере нарастания пограничного слоя на стенках капилляра уменьшается; 3 — во всех сечениях нарастающего пограничного слоя профиль скоростей имеет параболическую форму, а потери энергии в пограничном слое подчиняются закону Гагена-Пуазейля; 4 - так как ядро течения заметно не подвержено действию трения и подчиняется законам потенциального движения, продольный градиент статического давления на начальном участке может быть определен по уравнению Бернулли.
Исходя из этого, можно получить указанную поправку падения давления на начальном участке трубы.
Теоретически и экспериментально эта поправка неоднократно определялась Гагенбахом, Шиллером, Никурадзе, Прандтлем и другими учеными [8,16,30]. Экспериментальные исследования дают поправку равную 2,3.
Точность измерения вязкости капиллярными вискозиметрами зависит от следующих факторов: от тщательности исполнения и точности определения геометрических размеров капилляров, от точности поддержания температурного режима в процессе измерения, а также от точности измерения или поддержания параметров АР и О, входящих в (1.18) [14,15].
Перепад давления ДРК на капиллярной трубке создается разностью уровней жидкости в резервуаре и приемном сосуде после капилляра. С некоторым приближением средний перепад гидростатического давления АРГ может быть вычислен по формуле где p - плотность жидкости, h\ — разность высот столбов жидкости в резервуаре и в приемном сосуде в начале истечения выбранного объема жидкости, h2 — разность высот столбов жидкости в резервуаре и приемном сосуде в конце истечения выбранного объема жидкости, g — ускорение силы тяжести.
Разность высот жидкости в вискозиметре обычно удается измерить непосредственно. Если форма вискозиметра не позволяет приложить линейку или другой измерительный инструмент, проектируют мениски жидкости в резервуаре и в приемнике на миллиметровую бумагу и на ней измеряют расстояние между менисками. Однако, иногда и этот прием оказывается неприемлемым. Тогда разность высот вычисляют косвенным путем.
Дополнительное давление на жидкость в вискозиметре создается или путем нагнетания воздуха в резервуар или путем отсасывания его из приемного сосуда. Установки, создающие давление или разрежение с помощью механических или водоструйных насосов дают колебания давления. Для получения достаточно стабильных давлений или разрежений существуют весьмасложные специальные установки, которые подробно описаны в [29,42]. Давление, обеспечивающее течение исследуемой жидкости через капилляр может создаваться либо только столбом жидкости, заключенной в приборе, либо сжатым воздухом. В последнем случае постоянство давления легко достигается применением воздушного резервуара значительно большего объема, нежели объем протекающей жидкости, и огражденного от температурных колебаний. Впрочем, и в этом случае приходится учитывать влияние давления небольшого столба жидкости, изменяющегося за время протока прибавлятьили вычитать его из давления, создаваемого сжатым воздухом [20]. Термостат составляет неотъемлемую часть устройства для измерения вязкости. Заданную температуру желательно поддерживать с максимальной точностью. Для научно-исследовательских целей термостатирование проводится с высокой точностью, доходящей до ±0,01 С и даже до ±0,001 С. При температурах ниже нуля и выше 100С поддерживать постоянную температуру труднее, чем в интервале 0-100 С, в котором термостатирование должно осуществляться с точностью до ±0,1 С. При низких температурах допускаются колебания температуры до ±0,25С. В вискозиметрии обычно пользуются жидкостными термостатами, которые в интервале температур 20-100С заполняются водой, в интервале (100-150С) — вазелиновым маслом, в интервале (150-200С) -расплавленным парафином, а при температурах ниже 0С - смесью спирта или керосина с твердой углекислотой. Деформирование текущих систем неизбежно сопровождается выделением тепла, которое может привести к значительному саморазогреву жидкости в рабочем объеме вискозиметра. При больших скоростях деформации саморазогрева жидкости не удается избежать даже при хорошем термостатировании поверхностей рабочего узла. Для учета влияния саморазогрева на показания вискозиметров необходимо проводить специальные расчеты. В случае саморазогрева при градиенте давления Ъ равном отношению перепада давления в капилляре к его длине, объемный расход Q оказывается большим, чем при изотермическом режиме течения, и значение вязкости, рассчитанное по формуле Пуазейля, оказывается неправильным [16].
Разновидности капиллярных вискозиметров и особенности их практического применения
Системное программное обеспечение ориентировано на управление функционированием процессорной измерительной системой и представляется как системная программа или драйвер.
Вспомогательное программное обеспечение состоит из программ тестирования, программ управления базами данных, программ для работы с сервисными средствами.
По мере развития процессорных измерительных средств появляются возможности повышения их метрологического качества за счет расширения искусственного интеллекта.
Уровень интеллекта процессорного измерительного устройства определяется качеством используемых аппаратных и программно-алгоритмических средств и степенью их соответствия условиям конкретных измерительных задач.
Процессорное измерительное устройство должно обеспечивать выполнение установленной совокупности измерительных и вычислительных функций, для каждой из которых в зависимости от изменения состояния контролируемого объекта может быть выбран соответствующий итеративный алгоритм измерения с варьируемыми характеристиками и параметрами.
Из проведенного сравнительного анализа методов и средств измерения вязкости жидкостей можно сделать заключение о том, что наибольшее распространение в современной вискозиметрии имеет капиллярный метод. Этот метод обеспечивает сравнительно высокие точностные показатели, простоту реализации и надежность. Однако, современные капиллярные вискозиметры далеки еще от совершенства. Одним из главных их недостатков является нестабильность градуировочных характеристик, которая обусловлена несовершенством классической измерительной процедуры и влиянием ряда вторичных, недостаточно изученных, гидродинамических процессов.
Сравнительный анализ двух основных вариантов реализации капиллярного метода измерения вязкости показал, что наиболее предпочтительным является вариант с принудительным вытеснением жидкости через капилляр с постоянной скоростью. Этот вариант позволяет повысить точность и надежность измерения, существенно расширить рабочий диапазон прибора, увеличить его производительность и обеспечивает возможность полной автоматизации измерительной процедуры. 3. С целью обеспечения возможности учета влияния так называемых «входовых» эффектов и более глубокого понимания их физической природы, необходимо провести детальное исследование гидродинамических процессов, во всем рабочем пространстве. Принимая во внимание малые геометрические размеры проточных областей капиллярных вискозиметров и невозможность использования в данной ситуации инструментальных средств диагностики, наиболее подходящим способом для решения данной задачи представляется математических эксперимент. В процессе измерения вязкости по методу Пуазейля принципиально необходимо поддерживать ламинарный режим течения жидкости в капилляре. Для обеспечения этого условия необходимо выбрать такое соотношение площадей поршня и сечения капиллярной трубки, чтобы даже при максимальной скорости движения поршня число Re = —— 2300, где w - средняя скорость движения жидкости в капилляре; dK - диаметр капилляра; и — кинематический коэффициент вязкости жидкости. Элементом конструкции капиллярного вискозиметра, который в значительной степени определяет качество работы всего прибора, является капиллярная трубка. При проведении данного исследования её геометрические размеры выбирались в соответствии с требованиями нормативных документов [27,46,47], а также из опыта изготовления и эксплуатации современных лабораторных капиллярных вискозиметров. Согласно требованиям [27] время установления выходного сигнала для вискозиметров непрерывного действия, предназначаемых для использования в производственных условиях в качестве датчиков, не должно превышать 60 секунд; формат выходного сигнала должен обеспечивать возможность интегрирования прибора в современные системы автоматики, включая автоматизированные ИИС и АСУТП; погрешность измерения вязкости не должна превышать ±[1-К2]%; для капиллярных вискозиметров должны быть обеспечены гарантии ламинарного режима течения жидкости в капилляре во всем рабочем диапазоне измерения прибора. Длина измерительных капилляров современных лабораторных капиллярных вискозиметров по [46] меняется в пределах от 90 миллиметров до 120 миллиметров, а их диаметр от 0,38 миллиметра до 6,85 миллиметра, в зависимости от типа, модификации и рабочего диапазона прибора. Именно эти пределы и были взяты за основу при моделировании макетного образца вискозиметра. Исходя из требования поддержания в измерительном капилляре ламинарного режима течения, то есть ReKp 2300 определялись предельно допустимые значения скоростей на входе в капилляр для диаметров 1,31 мм, и 1,77 мм. Критическое число ReKp есть наибольшее число Рейнольдса, при котором справедлив закон Гагена - Пуазейля. Что касается наименьшего числа Re, при котором этот закон справедлив, то оно не установлено. Отклонение от закона Гагена — Пуазейля наблюдается в сильно разряженных газах, где длина свободного пробега молекул сравнима с радиусом трубы уже с самого начала движения [33].
Математическая модель течения в пространстве, включающем цилиндр и капиллярную трубку
Метод граничных элементов (граничных интегральных уравнений) также часто используется для решения задач гидромеханики. Суть метода заключается в преобразовании дифференциальных уравнений в эквивалентную систему интегральных уравнений в качестве первого шага решения задачи. Эта операция дает систему уравнений, включающую только значения переменных на границах области. Схема дискретизации приводит лишь к разбиениям поверхности, ограничивающим область. Поэтому в любой однородной области требуется дискретизировать только поверхность, а не всю область. МГЭ делятся на три различные, но тесно связанные между собой категории.
В прямом варианте МГЭ неизвестные функции, входящие в интегральные уравнения, являются реальными, имеющими физический смысл переменными задачи. В полупрямом варианте МГЭ в качестве альтернативы можно составлять интегральные уравнения для неизвестных функций, а в непрямом варианте интегральные уравнения полностью выражаются через фундаментальное сингулярное решение исходных дифференциальных уравнений, распределенной с неизвестной плотностью по границам рассматриваемой области. Сами по себе функции плотности не имеют определенного физического смысла, но, когда они найдены (численным решением интегральных уравнений), значения параметров решения могут быть получены из них простым интегрированием.
Метод конечных (контрольных) объемов использует произвольную регулярную или нерегулярную расчетную сетку, не обязательно связанную с какой-либо системой координат. В данном методе возможны два варианта дискретизации - по узлам расчетной сетки и по ячейкам расчетной сетки, причем в последнем случае решение считается постоянным в пределах ячейки. Для отыскания решения используется дискретизация дифференциальных уравнений по поверхности контрольного объема, в качестве которого выбирается либо поверхность «натянутая» на узлы расчетной \ сетки, лежащие рядом с рассматриваемым узлом, либо поверхность рассматриваемой ячейки расчетной сетки. В основе метода конечных элементов лежит процесс дискретизации дифференциальных уравнений, описывающих состояние каждой элементарной области, на которые разбивается рассматриваемый объект. Эти области называются конечными элементами. Особенностью этого метода является разбиение рассматриваемой области на неправильные многогранники и представление решения в этих многогранниках набором интерполяционных функций. Для нахождения решения обычно применяется метод Галеркина [54].
Процесс получения решения вышеперечисленными методами практически ничем не отличается. Он выглядит следующим образом -создается реальная физическая система исследуемого объекта, строится соответствующая этой системе математическая модель, для построенной математической модели находится ее дискретный аналог и получается дискретное решение.
Но, несмотря на сходную последовательность процедуры нахождения решения, у каждого из названных методов существуют определенные особенности и отличия. Метод свободных сеток является одним из новых методов и до конца не апробирован. Часто используемый ранее метод конечных разностей, а также считавшийся универсальным метод граничных элементов сейчас мало используются и применяются исключительно для исследовательских и специальных задач. Метод конечных объемов является частным случаем метода конечных элементов и был разработан как альтернатива методу конечных разностей. Основная проблема в методе конечных объемов - определение направления вектора потоков физических величин через грани ячеек, если ячейки имеют сложную форму. Решение в
данном методе может осредняться по элементарному объему, что приводит к снижению точности решения. Повысить точность возможно применением более мелкой сетки, но этой в свою очередь потребует для выполнения расчета увеличения машинного времени или использования более мощной ЭВМ.
С появлением возможности решения задач гидродинамики с помощью вычислительной техники метод конечных элементов занял лидирующее положение. Основа физической концепции метода конечных элементов, как было отмечено, - разбиение исследуемой области на непересекающиеся компоненты (подобласти) простой геометрии. Множество элементов, на которые разбивается область, называется элементной сеткой. Поведение каждого элемента описывается с помощью конечного числа степеней свободы или значений искомых функций во множестве узловых точек. Необходимо отметить, что в отличие от метода конечных разностей, конечные элементы не накладываются друг на друга в пространстве. Каждый элемент описывается множеством характерных точек - узлами. Они предназначены для описания геометрии элемента, задания степеней свободы, и располагаются в угловых или крайних точках элемента, а также внутри самого элемента. Число степеней свободы определяет физическое состояние элемента, а точнее физическое поле, которое описывает элемент. В качестве степеней свободы могут использоваться как узловые значения неизвестной функции (лагранжевы элементы), так и ее производные по пространственным координатам в узлах (эрмитовы элементы).
Объединение отдельных элементов в конечно-элементную сетку приводит к их ансамблированию. В результате чего формируется глобальная система конечно-элементных уравнений.
Далее определяются граничные или краевые условия. Они делятся на два типа - существенные и естественные. Существенные накладываются на искомую функцию, а естественные на ее производные по пространственным координатам. Естественные граничные условия получаются вместе с исходными дифференциальным уравнениями из соответствующего вариационного принципа и применительно к данному методу непосредственно влияют на степени свободы модели, а существенные -выполняются независимо и опосредственно влияют на степени свободы через глобальную систему конечно-элементных уравнений.
Метод конечных элементов основывается на методе взвешенных невязок, суть которого заключается в подборе функции, удовлетворяющей дифференциальным уравнениям и краевым условиям, но подбирается она не произвольно, поскольку такой подбор невозможен уже в двумерном пространстве, а требует использования специальных методов. Для решения задач гидродинамики методом конечных элементов используется метод Галеркина, который относится к классу методов взвешенных невязок.
Метрологический анализ предлагаемой процедуры определения вязкости
Гайка 10 имеет возможность вращаться вокруг оси на конических подшипниковых опорах 12, закрепленных на полках 15 станины вискозиметра. Колесо 13-1 жестко соединено с гайкой 10, а колесо 13-4 закреплено на выходном валу мотор-редуктора 14.
Вращение выходного вала редуктора 14, который является элементом блока привода, через систему цилиндрических зубчатых колес 13 передается гайке 10. Она, вращаясь вокруг оси винта 9, заставляет его совершать прямолинейное поступательное движение. Винт 9 имеет продольный паз, в который входят стопорные шипы от неподвижных втулок 11. Они предотвращают его вращение.
Главной задачей блока привода является обеспечение равномерной скорости движения поршня в цилиндре в пределах от 0,003 до 0,007 м/с и равномерного вытеснения жидкости через капилляр в широком диапазоне изменения ее вязкостных свойств (от 1 до 1500 мПа-с). Основными элементами этого блока являются электродвигатель, червячный редуктор и электронная схема регулирования скорости вращения выходного вала.
В месте сопряжения винта 9 со штоком 8 в специальном соединительном и защитном устройстве смонтирован датчик 4, который обеспечивает преобразование усилия F, развиваемое винтом 9 при проталкивании поршнем 2 контролируемой жидкости через капилляр, в пропорциональный стандартный электрический сигнал 4-20 тА.
Давление Р в рабочем объеме цилиндра и на входе в капиллярную трубку определяется в этом случае делением усилия F на площадь миделя поршня. Но эта вычислительная операция выполняется уже микропроцессором электронного блока.
Существуют и другие варианты определения давления Р, необходимого для вычисления коэффициента \х по формуле (1.18). Один из них, например, может быть реализован, если между платформами 5 и 6 вмонтировать сильфонное устройство, заполненное силиконовой жидкостью, и измерять давление в его внутреннем объеме, используя любой подходящий по рабочим характеристикам стандартный датчик давления.
Другой, возможно даже более подходящий, вариант может быть реализован, если отбор импульса давления Р осуществлять через отверстие в стенке рабочего цилиндра, примыкающей к донной области, а для преобразования значения Р в электрический сигнал нужного формата также использовать стандартный датчик давления одной из современных модификаций. Но при этом придется учитывать совместимость коррозионных свойств контролируемой среды и коррозионной устойчивости чувствительного элемента датчика давления.
В функциональном плане перечисленные 3 варианта определения параметра Р представляются равнозначными, но первый из них реализуется наиболее просто.
Для термостатирования контролируемой жидкости в рабочем цилиндре применяется так называемая «вискозиметрическая баня». С ее помощью возможно устанавливать и поддерживать определенную температуру исследуемой жидкости в заданных пределах. Конструктивно «вискозиметрическая баня» включает в себя цилиндр с рубашкой 1 и соединенный с ним посредством трубок термостат. В данной работе был выбран термостат Brookfield TC-502D [69]. Полость рубашки заполнена специальным теплоносителем (обычно этиленгликоль разбавленный водой в пропорции 50:50), рассчитанным на соответствующий температурный диапазон.
Теплоноситель способен поддерживать температурный режим в диапазоне от -20С до 200С. Температурный режим термостата TC-502D находится в пределах от -20С до 150С. Термостат имеет функцию охлаждения теплоносителя, которая реализуется при помощи холодильника. Данная функция необходима в производственных условиях при температурах исследуемых сред более 100-150С. Стабильность поддержания температуры 0,05С. Объем теплоносителя загружаемого в «вискозиметрическую баню» составляет около 6 литров.
Исходные данные для проведения расчета характеристик двигателя, редуктора и системы передачи «винт-гайка» диктуются условиями надежного поддержания равномерного движения поршня в цилиндре в диапазоне скоростей от 0,003 до 0,007м/с и ламинарного режима течения контролируемых жидкостей через капиллярные трубки с диаметром проходных сечений 1,31 — 1,77 мм, при значениях коэффициентов JJ, от 1 до 1500 мПас, и условиями обеспечения продолжительности полного рабочего хода поршня не более 60 секунд, согласно ГОСТ 29226-91 [27].
Этот расчет проведен с целью установления допустимых границ размеров элементов передачи, а алгоритмы взяты из работ [70,71,72,73]. В качестве исходных данных принималось предельно возможное значение усилия на винт 9 со стороны поршня 2, которое может возникнуть в ситуации, когда жидкость, проталкиваемая поршнем через рабочий капилляр 3, имеет вязкость, соответствующую верхнему пределу измерения данного прибора, а рабочий капилляр - максимально возможную длину и минимально возможный диаметр проходного сечения. В передаче используется треугольная метрическая однозаходная резьба, которая рекомендуется для ходовых винтов высокой точности. Угол подъема резьбы dp влияет на к.п.д. передачи и скорость поступательного движения винта. Так как проектируемая передача должна обладать способностью к самоторможению, то для нее, согласно рекомендациям [70], угол ар принят равным 4.
