Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств комплексного определения физических параметров жидкостей 13
1.1. Комплексное определение физических параметров жидкостей на основе ультразвуковых измерений. Обзор экспериментальных установок 13
1.2. Состояние теории жидкостного ультразвукового интерферометра переменной базы 18
1.3. Методы анализа сигнала в ультразвуковых интерферометрах переменной базы 20
1.4. Классификация методов определения плотности и вязкости жидкостей 27
1.5. Термостаты приборов, осуществляющих измерение физических параметров жидкостей, и требования, предъявляемые к ним 30
1.6. Импульсные температурные поля и методы определения теплофизических характеристик жидкостей 33
1.7. Системы создания высоких давлений и комплексные измерения физических параметров жидкостей в широком интервале давлений и температур 35
1.8. Методы оценки результатов многократных измерений и качества жидкостей различного назначения по физическим параметрам 38
Глава 2. Методы измерения ультразвуковых параметров, плотности и сдвиговой вязкости жидкостей в интерферометре переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором 41
2.1. Одномерная теория ультразвукового интерферометра переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором 41 2.2. Методы определения скорости ультразвука в интерферометре с непрерывно движущимся рефлектором 47
2.2.1. Статистический метод 47
2.2.2. Интегральный метод , 50
2.3. Определение коэффициента поглощения ультразвука 53
2.4. Ультразвуковой датчик "пьезопреобразователь цилиндр - поршень" 56
2.5. Магнитно-поплавковый псевдофлотационный метод измерения плотности жидкости 60
2.6. Метод падающего цилиндра определения вязкости жидкостей 64
2.7. Методы одновременного определения плотности и сдвиговой вязкости жидкостей в условиях одного образца 68
2.7.1. Статический линейный метод одновременного определения плотности, сдвиговой вязкости и смазывающей способности жидкостей 69
2.7.2. Динамический дифференциальный метод одновременного определения плотности и сдвиговой вязкости жидкости 76
2.7.3. Динамический интегральный метод одновременного определения плотности и сдвиговой вязкости жидкости 84
2.7.4. Сравнительный анализ методов одновременного определения плотности и сдвиговой вязкости жидкостей 87
Глава 3. Определение теплофизических характеристик жидкостей 93
3.1. Свойства импульсных температурных полей 93
3.2. Температурное поле с линейным источником тепла 97
3.3. Импульсные методы определения теплофизических параметров с линейным источником тепла 100
3.4. Методы определения теплофизических характеристик веществ в сходящихся тепловых потоках с использованием линейного источника тепла 103
3.4.1. Импульсный источник тепла... 103
3.4.2. Источник тепла постоянной мощности 107
Глава 4. Системы термостатирования и создания высоких давлений для интерферометров переменной базы ... 112
4.1. Метод формирования экранирующих оболочек термостата-камеры термостата 112
4.2. Метод формирования системы автоматического регулирования термостата для ультразвуковых интерферометров переменной базы 116
4.3. Эвм в системе автоматического регулирования термостата и ее программное обеспечение
4.4. Гидравлическая система создания высоких давлений 129
4.5. Компрессорная система создания высоких давлений 132
4.6. Измерительные камеры высокого давления 137
Глава 5. Спектральная обработка сигнала в ультразвуковом интерферометре переменной базы и обработка результатов измерений физических параметров жидкостей 141
5.1. Применение вейвлет-анализа для обработки сигнала доплеровскогоо смещения частоты в ультразвуковом интерферометре переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором 141
5.2. Оценка результатов многократных измерений с использованием функций распределения вероятности с переменным масштабом 152
5.3. Оценка качества жидкостей различного назначения по результатам определения комплекса физических параметров 159
Глава б. Практическая реализация измерительных систем для комплексного определения физических параметров жидкостей на основе ультразвуковых измерений 167
6.1. Особенности построения измерительных систем комплексного определения физических параметров жидкостей 167
6.2. Особености аппаратной реализации измерительных систем комплексного определения физических параметров жидкостей на основе ультразвуковых измерений 168
6.3. Особенности программной реализации алгоритма определения параметров ультразвукового сигнала на основе вейвлет-преобразований 172
6.4. Применение вейвлет-функции Хаара для обработки ультразвукового сигнала , 177
6.5. Проблемно-ориентированный подход к созданию измерительных систем по определению физических параметров жидкостей 180
Глава 7. Экспресс-анализ качества жидкостей различного назначения и исследование свойств жидких сред на основе определения физических параметров жидкостей 187
7.1. Экспресс- анализ качества углеводородных жидкостей 187
7.2. Определение газосодержания в трансформаторных маслах по результатам измерения физических параметров 195
7.3. Комплексное определение физических параметров
водных растворов глюкозы в широком интервале P,V,T состояний при исследовании релаксационных процессов 202
Заключение 213
Литература
- Методы анализа сигнала в ультразвуковых интерферометрах переменной базы
- Ультразвуковой датчик "пьезопреобразователь цилиндр - поршень"
- Импульсные методы определения теплофизических параметров с линейным источником тепла
- Эвм в системе автоматического регулирования термостата и ее программное обеспечение
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема исследования жидкого состояния вещества относится к числу наиболее актуальных проблем современной физики и физической химии. Неполнота знаний в этой области не позволяет решать многие актуальные задачи физики, химии, биологии и других естественных и технических наук. Их решение достигается путем создания достаточно общей теории жидкого состояния, отвечающей потребностям практики, обеспечивается, в том числе, и экспериментальными данными о свойствах жидкостей, получаемыми различными экспериментальными методами. Среди их многообразия приоритетное положение занимают методы определения физических параметров жидкостей, характеризующих макросвойства и, как правило, привлекаемых для анализа результатов исследований, проводимых на базе иных методов. К таким параметрам относят плотность, коэффициенты динамической и сдвиговой вязкости, теплофизические характеристики, а также ультразвуковые параметры, лежащие в основе молекулярной акустики. Ее базовые уравнения содержат в себе все эти параметры.
При проведении исследований определение физических параметров осуществляется при различных температурах и давлениях. Диапазон температур простирается от температуры кристаллизации до температуры кипения и для различных жидкостей составляет десятки и сотни градусов Кельвина, а верхний предел давлений может достигать 2,5 ГПа.
Проведение измерений физических параметров в столь широких диапазонах температур и давлений сопряжено со значительными техническими трудностями и большими материальными затратами. Поэтому актуальным является разработка методов и средств их реализации по комплексному определению физических параметров в условиях одного образца. Комплексным определением параметров жидкости назовем такую процедуру, когда в одном измеритель- ном цикле определяется сразу несколько параметров. При комплексных измерениях точность определения физических параметров, как правило, ниже чем у специализированных приборов. Это обусловлено либо недостаточностью проработки теории метода, либо сложностью конструктивного исполнения, либо обеими причинами одновременно. Так в интерферометре переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором, применяемом при проведении исследований в молекулярной акустике, низкая точность определения физических параметров обусловлена недостаточно развитой для этого типа прибора теорией. Таким образом, развитие теории интерферометра переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором в настоящее время является необходимым. В комплексных измерениях можно выделить следующие основные проблемы: теоретическое объяснение процессов в измерительном цикле; выбор и разработка датчиков физических величин, работающих в широком интервале температур и давлений и дающих информацию одновременно по нескольким физическим параметрам; выбор и оптимизация методов обработки сигналов, прежде всего спектральных (например, вейвлет-анализ), снимаемых с датчиков физических величин; синтез систем создания и стабилизации температур и давлений, способных совместно работать в автоматическом режиме в едином измерительном цикле; создание оптимальных алгоритмов работы измерительных систем для комплексного определения физических параметров жидкостей; определение с высокой надежностью доверительных интервалов для оценки статистических параметров по выборке с малым числом измерений.
Необходимость решения этих проблем отмечается в работах И.Г. Михайлова, Б.Б. Кудрявцева, В.Ф. Ноздрева, В.А. Носова, В.А. Красильникова, Н.И. Бражникова, А.Е. Колесникова, В.В. Клюева, Е.П. Осадчего, С.А. Лабутина, С.С. Кивилиса, А.Я. Малкина, A.M. Онищенко, Л.Ф. Верещагина, Д. С. Цикли-са, Н.А. Ярышева, П.В. Новицкого, ЮЛ. Пытьева, Ю.М, Андрианова, а также в работах зарубежных авторов У. Мезона, Е. Скучика, Е. Кику чи. В. Илгунаса, Э. Ярониса, П. Протоса, К.Б. Клаасссена, У.М. Сиберта, Дж. Бендата, А. Пирсола.
Прикладным аспектом методов и средств комплексного определения физических параметров жидкости является их применение для экспресс-анализа качества жидкостей, получаемых и применяемых в разных отраслях промышленности. Здесь можно указать следующие проблемы: создание методов и средств одновременного измерения контролируемых параметров в течение короткого промежутка времени; разработка интегральных методов оценки качества различных жидкостей; создание алгоритмов принятия решения о качестве контролируемых жидкостей по результатам измерения их физических параметров.
Практически полное отсутствие в России универсальных приборов контроля параметров жидкостей говорит об актуальности задачи создания приборов для экспресс-анализа различных жидкостей.
Цели и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка методов измерения и способов создания средств одновременного определения физических параметров жидких сред на основе ультразвуковых измерений в широком интервале температур и давлений.
В соответствии с целью основными задачами работы являются: получение данных по комплексам физических параметров жидкостей при исследованиях в широком интервале температур и давлений в автоматическом режиме; создание универсальных методов и средств измерений для экспресс-анализа различных жидкостей.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Разработана одномерная теория ультразвукового интерферометра переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором, основанная на эффекте Доплера.
Предложены и исследованы новые статические и динамические методы определения плотности и сдвиговой вязкости жидкостей в системе "цилиндр - поршень" и обоснованы их преимущества перед существующими статическими методами определения этих параметров.
Разработаны методы комплексного определения тешюфизических характеристик жидкостей, в том числе в сходящихся тепловых потоках и с источником тепла постоянной мощности в ультразвуковом датчике.
Обосновано и исследовано применение вейвлет-анализа для спектральной обработки ультразвукового сигнала в интерферометрах переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором. Определены критерии выбора вейвлет-функций, удовлетворяющих требованиям обработки ультразвукового сигнала интерферометра переменной базы.
Предложен метод оценки результатов многократных измерений, основанный на использовании теоремы Бейеса, обладающий высокой устойчивостью к наличию промахов в исходных данных и обеспечивающий высокоточную оценку результатов измерений при малом объеме выборки.
Предложены и исследованы методы формирования автоматизированных систем создания и стабилизации температуры и давления. Показано, что для систем термостатирования жидкостей в измерительных системах получение малых погрешностей установки и стабилизации температуры возможно в разветвленных автоматизированных системах активного типа, учитывающих термодинамическое состояние окружающей среды.
Практическая ценность диссертационной работы.
Предложены алгоритмы, позволяющие уменьшить объём вычислений при выполнении анализа сигналов с использованием вейвлет-преобразования. Показано, что наибольшая, среди рассмотренных алгоритмов, производительность достигается при использовании предварительно вычисленных вейвлет-функций для различных масштабов.
Предложена комплексная вей влет-функция Хаара, с использованием которой требуется меньший объем вычислений и оказывается возможен анализ переменных сигналов в режиме реального времени.
Сформулированы этапы реализации проблемно-ориентированного подхода при разработке измерительных систем определения физических параметров жидкостей, включающие в себя разработку архитектуры, разработку специализированного языка описания проектируемой системы, создание трансляторов в рамках существующих систем программирования и выбор соответствующей аппаратной схемотехнической реализации.
Предложены метод формирования системы автоматического регулирования температуры по принципу комбинированного управления с учётом состояния окружающей среды и метод формирования структурной схемы одноходового компрессора, на основе которой реализуется процесс создания давлений,
Разработан интегральный подход к оценке качества жидкостей различного назначения, в рамках которого состояние объекта контроля характеризуется в целом степенью его отклонения от эталонного состояния с помощью индекса качества, величина которого лежит в пределах от нуля до единицы и обобщающего результаты измерений физических параметров жидкости.
В качестве метода экспресс-анализа комплексный метод определения физических параметров жидкостей может быть применён для идентификации марок топлива, определения содержания примесей в минеральных, полусинтетических и синтетических маслах, для осуществления входного контроля технологических жидкостей в условиях различных производств, для непрерывного наблюдения за эксплуатационными свойствами рабочих жидкостей.
На защиту выносятся:
Теория ультразвукового интерферометра переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором и методы определения ультразвуковых параметров жидкостей.
Статические и динамические методы определения плотности и сдвиговой вязкости жидкостей.
Методы комплексного определения теплофизических характеристик жидкостей.
Применимость вейвлет-анализа для обработки ультразвукового сигнала в интерферометре переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором.
Методы формирования систем автоматического регулирования термостата и одноходового компрессора измерительных систем для определения физических параметров жидкостей в широком интервале температур и давлений.
Методы оценки результатов многократных измерений с использованием функций распределения вероятности с переменным масштабом и интегральной оценки качества жидкостей с использованием индекса качества.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель и основные задачи, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит анализ существующих методов и средств измерения физических параметров жидкостей в широком интервале состояний и сформулированы задачи исследования.
Вторая глава диссертации посвящена разработке одномерной теории ультразвукового интерферометра переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором и созданию на ее основе методов определения ультразвуковых параметров, плотности и сдвиговой вязкости жидкостей.
В третьей главе даётся обобщение уравнений импульсных температурных полей, исследование их свойств и методы комплексного определения теплофи-зических характеристик на базе этих свойств.
Четвёртая глава диссертации посвящена методам формирования автоматизированных систем создания и стабилизации температур и высоких давлений для измерительных систем комплексного определения физических параметров жидкостей.
В пятой главе обосновывается возможность, применения спектральной обработки на основе вейвлет-анализа и предлагаются методы обработки результа- тов многократных измерений с использованием функций распределения вероятностей с переменным масштабом и интегральной оценки качества жидкостей по результатам измерений физических параметров.
В шестой главе рассматриваются особенности практической реализации измерительных систем комплексного определения физических параметров жидкостей на основе ультразвуковых измерений и формулируются основные положения проблемно-ориентированного подхода при разработке подобных систем.
В седьмой главе обосновывается использование комплексного метода определения физических параметров жидкостей как экспресс-анализа качества жидкостей различного назначения, и приводятся примеры его реализации для идентификации различных типов жидкостей и контроля за состоянием рабочих жидкостей.
В заключении формулируются основные результаты работы.
Методы анализа сигнала в ультразвуковых интерферометрах переменной базы
Акустический сигнал, несущий информацию об ультразвуковых параметрах жидкости и подвергающийся анализу с целью извлечения этой информации, в интерферометрах переменной базы формируется двумя способами: либо регистрацией электрического напряжения непосредственно на возбуждаемом пьезопреобразователе [23,26,27,34,35,36,37,38], т.е. высокочастотного напряжения, либо регистрацией электрического напряжения после детектирования [26,27,28,39,40,41,42,43], т.е. сигнала низкочастотного. Анализ сигнала может осуществляться в его аналоговой или цифровой форме.
Аналитически сигнал описывается функцией определённого типа. Аналоговые сигналы описываются непрерывной (или кусочно-непрерывной) функцией, причём сама функция и её аргумент могут принимать любые значения на некотором интервале.
Дискретные сигналы описываются решётчатыми функциями X(nT) , где Т=соші-интервал дискретизации; п-0,1,2,... Сама функция Х(пТ) может в дис кретные моменты пТ принимать произвольные значения на некотором интервале. Эти значения называют выборками или отсчётами функции. Выбор вида функции квантования диктуется условиями решаемой задачи [44].
По своему физическому содержанию акустический сигнал является аналоговым, следовательно, его представление в цифровой форме возможно только с помощью аналого-цифрового преобразователя. Поэтому как в аналоговой, так и в цифровой форме сигнала присутствуют шумовые составляющие, обусловленные как процессами, протекающими при измерении в исследуемом образце, так и процессами, происходящими в электронной схеме обработки сигнала.
С учетом этих обстоятельств акустический сигнал, получаемый в интерферометре переменной базы, может быть представлен следующим аналитическим выражением: (t)= J{A(co,t)cos[(o(t)t + 90(co,t)]jdo) о
Таким образом, в задачу анализа акустического сигнала входит выделение основной гармонической составляющей и через ее параметры определение ультразвуковых параметров исследуемого образца.
Все методы анализа акустических сигналов в ультразвуковых интерферометрах можно разделить на две группы; методы анализа, основанные на детектировании сигнала, и методы анализа, основанные на его спектральном разложении.
Достаточно широкое распространение для анализа сигнала в интерферометрах переменной базы получили детекторы уровня [26,27,28]. Такие детекторы достаточно просты для реализации, однако имеют ограниченный рабочий диапазон по амплитуде и по частоте обрабатываемого сигнала, а также не устойчивы к появлению помех, в том числе специфических для ультразвуковой аппаратуры резонансных сателлитов.
Другим типом используемых детекторов являются детекторы особых точек, например, пиковые детекторы или детекторы нуля. Эти устройства достаточно легко реализуются аппаратно с помощью операционных усилителей и компараторов напряжения или программно на основе анализа входной цифровой последовательности [45,46,47].
Пиковый детектор представляет собой комоинацию устройства выборки-хранения и компаратора напряжения. Сравнение входного напряжения с запомненным напряжением схемой выборки-хранения позволяет определить момент начала спада входного напряжения, т.е. появление максимума входного сигнала. Сформированный при этом импульс служит для запуска схемы измерения периода сигнала. Такой вариант детектора достаточно легко реализуется аппаратно, позволяет получить значения амплитуд и периодов входного сигнала, но в то же время обладает целым рядом существенных недостатков. Прежде всего, использование схемы выборки-хранения предполагает применение емкостного элемента [46,47], что резко ограничивает диапазон частот, для которых аппаратная реализация пикового детектора оказывается применимой [47]. Другими серьезными недостатками являются ложные срабатывания пикового детектора при наличии помех в исследуемом сигнале.
Более эффективным методом анализа сигнала является использование детектора уровня с симметричными уровнями срабатывания [48]. Для этого входной сигнал подается на сдвоенный компаратор напряжения с уровнями срабатывания, расположенными симметрично относительно нулевого уровня сигнала. При подаче на вход такой схемы синусоидального сигнала на выходе компараторов поочередно формируются импульсы, соответствующие переходам исследуемого сигнала через уровни срабатывания. Такая схема обеспечивает лучшую помехозащищенность, чем пиковый детектор, поскольку наличие двух уровней срабатывания является разновидностью гистерезиса и позволяет более качественно выявлять периоды входного сигнала по анализу чередования импульсов с выходов компараторов. Кроме того, анализ соотношений временных интервалов позволяет оценить амплитуду входного сигнала.
Этот метод особенно эффективен при анализе сигнала с одной гармонической составляющей и медленно меняющейся амплитудой. Анализ сигнала сводится к анализу временных интервалов, в течение которых присутствует сигнал на выходах компараторов напряжения. Такой анализ может быть проведен с очень высокой точностью, поскольку погрешность измерения времени для практически реализуемых схем не превышает единиц микросекунд.
Общим для всех методов анализа сигнала, основанных на детектировании, является то, что они осуществляют выделение основной частоты исследуемого сигнала, подавляя остальные гармонические составляющие. Таким образом, решая основную задачу анализа акустического сигнала в интерферометрах переменной базы, методы детектирования не дают развернутой картины процессов, происходящих в исследуемой жидкости и измерительной системе.
Преимуществом методов спектрального анализа сигнала перед методами детектирования является то, что они позволяют получить информацию о распределении спектральной плотности колебаний акустического сигнала, что позволяет сформировать представление о процессах, протекающих в исследуемой жидкости при распространении в ней этого сигнала.
Методы спектрального анализа можно разбить на три основные группы [49]: методы цифровой фильтрации; методы, основанные на применении преобразования Фурье; методы линейного моделирования.
Ультразвуковой датчик "пьезопреобразователь цилиндр - поршень"
Одномерная теория интерферометра переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором открыла не только новые возможности в интерферомет-рических измерениях, но и позволила по-новому взглянуть на конструкцию интерферометра. Наиболее полную информацию о свойствах жидкостей дают исследования, проводимые в широком интервале P,V,T- состояний, т.е. когда диапазон температур, в котором проводятся измерения, простирается от температуры кристаллизации до температуры кипения, а давление - от атмосферного и до более 1ГПа. Столь широкий интервал температур и особенно давлений предъявляет к датчикам, дающим первичную информацию о физических свойствах жидкости, жесткие требования в отношении их информативности и к габаритам: датчик должен одновременно измерять максимальное число параметров и при этом должен иметь минимальные габариты.
Классическая конструкция интерферометра переменной базы [18,22,23,26,27,28,35,38,39,188,189], основанная на многомерной теории интерферометра переменной базы, не в полной мере отвечает этим требованиям, особенно в части габаритных размеров. Необходимость обеспечения условия (2.10) при точных измерениях скорости ультразвука приводит к необходимости создания достаточно сложной механической системы перемещения рефлектора. При проведении исследований в области высоких давлений конструктивные трудности при создании высокоточной системы перемещения рефлектора становятся почти непреодолимы, вследствие чего интерферометрические измерения проводятся с большой относительной погрешностью (єс 1% и є« 10%).
Одномерная теория интерферометра переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором снимает ограничения, накладываемые условием (2.10). В результате появляется возможность задать фиксированное расстояние, проходимое рефлектором, которое измеряется с высокой точностью и становится константой интерферометра. Конструктивное оформление системы перемеще ния рефлектора кардинально упрощается.
Схема интерферометра переменной базы с непрерывно движущимся рефлектором, трансформированного в ультразвуковой датчик "пьезопреобразова-тель-цилиндр-поршень" [173,190] и реализующего преимущества одномерной теории этого интерферометра по сравнению с теорией интерферометра Пирса, представлена на рисунке 2.4. Пьезопреобразователь 1 помещен в один из тор-цов цилиндра 2, второй торец которого запущен. Сформированная таким обра- зом полость цилиндра образует камеру интерферометра, в которой в кольцевом зазоре жидкости вдоль оси цилиндра перемещается поршень- отражатель 3, выполняющий роль рефлектора интерферометра. Перемещение поршня-отражателя из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение осуществляется силой со стороны магнитного поля, создаваемого соленоидом 4 при протекании по нему постоянного электрического тока.
Такое конструктивное решение расширяет функциональные возможности ультразвукового датчика. Поршень, коаксиально движущийся в цилиндре в кольцевом зазоре жидкости, фактически реализует метод падающего поршня по определению динамического коэффициента сдвиговой вязкости, предложенный еще в 1912г. американским исследователем П.В. Бриджменом [100]. Скорость движения поршня определяется на основании эффекта Доплера. Поскольку поршень оказывается полностью погруженным в цилиндре в жидкость, то на него действует сила Архимеда, вносящая свой вклад в состояние движения поршня. Отсюда появляется принципиальная возможность в определении плотности жидкости, в которую помещен поршень. Поэтому наряду с ультразвуковыми параметрами ультразвуковой датчик "пьезопреобразователь-цилиндр-поршень" в силу своих конструктивных особенностей позволяет определять еще динамический коэффициент сдвиговой вязкости и плотность.
Таким образом, конструктивная простота ультразвукового датчика и широкие функциональные возможности делают его универсальным при проведении ультразвуковых исследований жидкостей в широком интервале давлений и температур, а также при экспресс-анализе качества жидкостей.
Иллюстрацией достоверности результатов измерений, получаемых этим датчиком, служат данные контрольных измерений, приведенные в таблицах 2.4, 2.5, 2.6. Измерение скорости осуществлялось интегральным методом, а величина коэффициента поглощения определялась по формуле (2.11). Сравнительные результаты измерений ультразвуковых параметров воды, ацетона, бензола, пропилового и бутилового спиртов были взяты из работы [191].
Импульсные методы определения теплофизических параметров с линейным источником тепла
Как следует из (2.25) и (2.26), определение коэффициента сдвиговой вязкости и плотности осуществляется по результатам измерения скорости на восходящем участке кривой разгона в соответствующий момент времени и на участке равномерного движения поршня, определяемый по параметрам ультразвуковой волны, испытывающей доплеровское смещение частоты при отражении от движущегося поршня.
Движение поршня вниз при отсутствии электромагнитной силы с учетом переходного процесса в соленоиде. Диаграмма сил, приложенная к движущемуся вниз поршню, показана на рис. 2.22, где электромагнитная сила обусловлена наличием переходного процесса в соленоиде.
Для всех рассмотренных случаев уравнения координат и скоростей движения поршня в кольцевом зазоре жидкости имеют экспоненциальный характер. То есть движение поршня состоит из двух фаз: фазы разгона, характеризуемой экспоненциальным членом, и фазы установившегося движения, характеризуемой предэкспоненциальныи множителем. Анализ уравнений параметров движения поршня, сведенных в таблицу 2.7, показывает, что информация о сдвиговой вязкости содержится в коэффициенте В, который входит как в показатель экспоненты, так и в предэкспоненциальныи множитель. В то же время сведения о плотности заключены в коэффициентах, содержащихся только в предэкспо-ненциальном множителе. Таким образом, по параметрам движения фазы разгона может быть оценена только сдвиговая вязкость жидкости, а по параметрам установившегося движения - сдвиговая вязкость и плотность. При этом на характер движения поршня оказывает влияние переходной процесс, протекающий в соленоиде с момента подачи или снятия напряжения.
Переходной процесс оказывает влияние на характер поведения электромагнитной силы при любом заданном для нее законе изменения по координатной оси. Как следует из таблицы 2.7, учет переходного процесса приводит к значительному усложнению уравнений координаты и скорости движения поршня, что делает практически невозможным определение искомых параметров - плотности и сдвиговой вязкости.
Практическим выходом из этой ситуации является выбор соленоида, для которого выполняется условие т « р , то есть постоянная времени соленоида и соответствующий ей переходной процесс должен быть много меньше коэффициента р"1 и определяемой им длительности фазы разгона поршня. При этом условии для F3=0 и F3=const уравнение скорости движения поршня будет: »n= (l-e p ) (2-29) в котором — = иа, (2.30) где о,»- скорость установившегося (равномерного) движения поршня. к г] Из этих уравнений, с учетом того, что (3 = ——, следует выражение для m определения коэффициента сдвиговой вязкости, аналогичное (2.25): 1п-!Ь к, где и- скорость движения поршня в момент времени t в фазе разгона. Если второе равенство в (2.28) представить в виде: и из (2.29) выразить: р = -1п —, после чего два последних равенства t ом-и подставить в (2.30), то после преобразований получим: \ В gt o -uj
Полученное выражение дает возможность определить как плотность жидкости по результатам измерения u, t и о№ так и сдвиговую вязкость при заданном значении Г0 за один ход поршня в кольцевом зазоре жидкости при наличии двух фаз при его перемещении - разгона и установившегося движения. При этом определение скорости движения поршня осуществляется по результатам измерения доплеровского смещения частоты ультразвуковой волны, отраженной от движущегося поршня.
Относительная погрешность плотности и сдвиговой вязкости в этом случае составляет 0,6%.
Энергетический подход к описанию движения поршня в кольцевом зазоре жидкости на фиксированном расстоянии позволяет реализовать интегральный метод одновременного определения плотности и вязкости жидкостей [203]. Рассмотрим движение поршня массой m и объемом V на расстоянии Н под действием сил.
Эвм в системе автоматического регулирования термостата и ее программное обеспечение
Проанализируем особенности методов одновременного определения плотности и сдвиговой вязкости жидкостей, в основе которых лежит движение тела в жидкости под действием приложенных к нему сил. Уравнения этих методов представлены в сводной таблице 2.7. Общей для всех этих методов является возможность одновременного определения плотности и сдвиговой вязкости по результатам измерения скорости движения поршня в кольцевом зазоре исследуемой жидкости. В то же время статический метод требует, по крайней мере, в два раза больше измерительных циклов, чем динамические методы.
Особенностью статического и динамического дифференциального методов является предъявление жестких требований к закону поведения внешней силы, осуществляющей перемещения поршня от координаты, поскольку этот закон определяет решение соответствующего дифференциального уравнения. Это за ставляет, в свою очередь, предъявлять очень жестокие требования к конструкции и технологии изготовления ее источника.
Еще одним важным недостатком этих методов является их низкая помехозащищенность, т.к. определение искомых параметров осуществляется по точечным значениям измеряемой скорости движения поршня. Уменьшение влияния случайных факторов на результаты определения плотности и сдвиговой вязкости здесь может быть достигнуто за счет увеличения числа измерительных циклов и применения специальных методов обработки информации.
От этих недостатков в значительной степени свободен динамический интегральный метод одновременного определения плотности и сдвиговой вязкости жидкостей. Что касается первого фактора, то, во-первых, интегрирование внешней силы по координате позволяет компенсировать влияние случайных отклонений этой силы от теоретического закона и, во-вторых, для электромаг н н н нитнои силы интегралы JFdh = I2Jk,dh и Jk,dh могут быть откалиброваны с 0 0 о высокой точностью по эталонной жидкости. Погрешность измерения скорости движения поршня в конечной точке его перемещения не оказывает существенного влияния на общую погрешность определения плотности и сдвиговой вязкости, поскольку величина кинетической энергии поршня в этой точке много меньше его потенциальной энергии, т.к. для типичных интерферометров переменной базы [27] величина перемещения поршня составляет 20-40 мм, тогда как максимальная скорость его движения в вискозиметрах не превосходит 1см/с [91,98,99,100,101]. В этом случае величина кинетической энергии поршня в конечной точке его перемещения составляет не более 0,001 от его потенциальной энергии. В отношении второго дестабилизирующего фактора устойчивость интегрального метода обусловлена тем, что интегрированию по перемещению подвергается не только внешняя сила, но и скорость движения поршня.
Таким образом, с точки зрения наивысшей точности одновременного определения плотности и сдвиговой вязкости жидкостей предпочтительным оказывается использование динамического интегрального метода. Единственным ограничением, которым он обладает по отношению к другим методам, является невозможность его технической реализации в аналоговой форме, а только с использованием цифровой обработки информационного сигнала, что в современных условиях не вызывает затруднений.
Результаты контрольных измерений сдвиговой вязкости и плотности, полученнные в ультразвуковом датчике, приведены в таблицах 2.8-2.11. Измерения выполнены с использованием дифференциального и интегрального динамических методов. Сравнительные результаты измерений сдвиговой вязкости и плотности в пропиловом и бутиловом спиртах взяты из работы[191].
