Введение к работе
Актуальность. В современной промышленности все более строгие требования предъявляют к точности выполнения технологических процессов. Многие технологические процессы в различных областях производства связаны с подачей газа или его выделением. При этом контроль расхода газа позволяет судить о режиме протекания технологического процесса, поэтому проблема повышения точности измерения расходов газа имеет первостепенное значение.
В зависимости от количества расхода газов применяют те или иные методы и средства измерений. Особую область в этих измерениях занимает контроль малых и сверхмалых объёмов, для которого непригодны механические, электрические, ультразвуковые и другие методы. Наибольшее распространение при контроле малых и сверхмалых объёмов газа получили пузырьковые методы. Существующие пузырьковые методы отличаются учётом различных факторов, влияющих на содержание газа в каждом пузырьке, так например, при реализации методов Т. С. Бондарева, В. С. Малышева и Ray F. считается, что размер пузырька газа определяется диаметром сопла. При этом не учитывается давление газа в пузырьке, и поэтому в определение расхода газа вносится значительная погрешность. При более точных измерениях необходимо учитывать реологические свойства жидкости, через которую происходит барботирование газа, его температуру и т. д.
Примером процессов, при которых контроль газовыделения позволяет судить о качестве протекающего процесса, являются процессы брожения, для контроля которых существующая точность измерения расхода газа недостаточна. Поэтому разработка пузырьковых методов контроля повышенной точности является актуальной задачей.
Объект исследования: поток газовых пузырьков, движущийся в средствах измерения расхода газа пузырьковым методом.
Предмет исследования: дискретный пузырьковый метод и средство измерения малых расходов газа, учитывающие реологические свойства среды для барботирования.
Целью диссертационной работы является повышение точности измерения расхода сверхмалых объёмов газа путём разработки метода и технических средств, обеспечивающих контроль расхода с учётом давления жидкости и её реологических свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести сравнительный анализ существующих методов и технических средств контроля объёмного расхода малых количеств газа и на его основе определить физические принципы и технические решения повышения точности контроля;
- разработать математическую модель, определяющую комплекс параметров, характеризующих физический процесс барботирования газового пузырька в жидкости, и получить аналитическое описание зависимости объёма газа в пузырьке от реологических параметров жидкости в измерительной системе;
- предложить принцип измерения реологических параметров вязкой среды, для повышения точности измерения объёмного расхода газа по пузырьковому методу;
- разработать метод контроля объёмного расхода газа, с учётом влияния температуры на реологические свойства вязкой жидкости используемой для барботирования;
- разработать аппаратно-программный комплекс контроля расхода газа с учётом реологических параметров жидкости измерительной системы;
- провести сравнительное исследование разработанного метода и средства контроля объёмного расхода газа.
Методы и средства исследования. При решении поставленных задач применялись теория физико-химической механики и реологии сред, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, теории численного анализа, методы математического моделирования на ЭВМ, реализованные в оболочках LabVIEW, MathCAD.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов и выводов. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. Положения теории основываются на известных достижениях в области молекулярной физики, гидродинамики ламинарного течения жидкости и движения тел в жидкостях.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод измерения сверхмалых расходов газа, включающий выбор жидкости используемой для барботирования, определение конструктивных особенностей измерительной кюветы, в частности, диаметра сопла и уровней расположения источников света и фотоприемников вдоль цилиндрической кюветы, и требования, предъявляемые к устройствам измерения времени перемещения пузырька газа вдоль оси цилиндра, в частности, к устройству распознавания менисков в вершине и основании по вертикальной оси пузырька.
2. Математическая модель процесса барботирования газа через жидкость, отличающаяся учётом реологических параметров вязкой среды.
3. Способ определения реологических свойств жидкости, учитывающий движение в ней центра пузырька в условиях его естественного образования на выходе сопла и свободного всплытия, с измерением времени прохождения участка на траектории его подъема и расчетом вязкости.
4. Средство измерения малых расходов газа, содержащее кювету, заполненную жидкостью, трубопровод с соплом, погруженным в жидкость, источник света и фотоприемник, устройство счета газовых пузырьков, подключенное к фотоприемнику, и устройство определения времени смещения импульсов, поступающих от фотоприёмников, и скорости движения центра пузырьков.
Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что:
1. Разработана математическая модель движения пузырька газа вдоль оси цилиндра с вязкой жидкостью в устройстве, осуществляющем контроль объёмного расхода газа с учётом реологических свойств жидкости для барботирования.
2. Предложен принцип измерения реологических свойств жидкости, основанный на регистрации параметров движения пузырька газа, барботируемого через слой вязкой жидкости.
3. Разработан метод контроля расхода газа, позволяющий учесть изменение давления жидкости и влияние температуры на реологические свойства жидкости используемой для барбатирования.
Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель движения пузырька газа вдоль оси цилиндра с вязкой жидкостью и её аналитическое описание, обеспечивающие адекватное представление динамики процессов течения пузырька газа и процессов изменения реологических свойств жидкости, позволяют:
-
проводить исследования процессов, сопровождаемых сверхмалым газовыделением;
-
проводить научно-практические исследования реологических свойств вязких жидкостей;
-
проводить научно-практические исследования концентраций однокомпонентных растворов вязких оптически прозрачных жидкостей.
Применение предложенных способов и аппаратно-программных средств контроля позволяет повысить достоверность и точность определения объёмного расхода газа в процессах, сопровождаемых его малым выделением, а также исследовать реологические свойства вязких жидкостей. Это достигается применением:
-
разработанных электронных устройств, позволяющих измерять скорость движения центра пузырька газа в цилиндрическом объёме вязкой среды;
-
разработанной прикладной программы, обеспечивающей контроль вязкости и получение значения объёма пузырька газа, используемого в качестве маркёра при движении в вязкой жидкости.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международном симпозиуме «Надёжность и качество 2008» (г. Пенза), VIII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир-Суздаль), II-ой конференции молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» (Московская область, г. Звенигород), II-ой международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире – 2009» (г. Санкт-Петербург).
Публикации. По результатам работы опубликованы 11 научных работ, из них 4 – статьи, из которых одна в издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК, один патент и одно свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ, 5 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 84 наименования, 5 приложений. Основная часть работы изложена на 147 страницах машинописного текста. Работа содержит 54 рисунка и 11 таблиц.
