Струйно-акустический бесконтактный метод и устройство для контроля плотности жидких веществ

Выпуск продукции высокого и стабильного качества зависит не только от использования современного технологического оборудования, но и от средств для получения оперативной информации о ее составе и свойствах.

В процессе производства возникает необходимость контролировать свойства различных веществ: растворы, суспензии, пульпы, расплавы металлов и солей. Применение известных методов и средств контроля агрессивных, быстрокристаллизующихся, склонных к налипанию и других сред со специфическими свойствами часто затруднено, а в некоторых случаях невозможно.

Условия практического применения устройств для контроля физико-механических свойств жидкостей требуют от них не только высокой точности и механической прочности, но и высокой надежности работы в потенциально опасных производствах. В последние годы наблюдается повышенный интерес к пневматическим методам и приборам, наиболее полно отвечающим этим требованиям.

Подавляющее большинство существующих пневматических приборов являются контактными средствами измерения. В некоторых случаях контакт с контролируемой средой ведет к существенным дополнительным источникам погрешности, либо к полной потере их работоспособности.

Существующие бесконтактные методы измерения реализуются до сих пор сложными и дорогостоящими техническими средствами, поэтому их внедрение не всегда экономически оправдано. Одной из актуальных задач современного приборостроения является разработка дешевых бесконтактных высоконадежных устройств контроля физико-механических свойств жидких веществ.

Плотность является одной из основных физических величин, характеризующих свойства веществ. Измерение плотности играет существенную роль при осуществлении контроля за технологическими процессами и качеством продукции. Поэтому важным элементом комплексной автоматизации производственных процессов во многих отраслях промышлени 1 и и ности (химическои, металлургической, нефтяной, пищевои и др.) является разработка приборов для автоматического измерения плотности.

В основе любого исследования и прогресса в науке лежит научная интуиция, обусловленная глубокими теоретическими знаниями, искусством эксперимента и четким представлением о границах теоретических возможностей. Поэтому задачи разработки и исследования новых принципов измерения плотности могут быть успешно решены только после изучения физических основ используемых эффектов.

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию нового бесконтактного струйно-акустического метода и устройства для измерения плотности жидких веществ.

На основе теоретического и экспериментального исследования процессов, происходящих в струйно-акустической системе разработан бесконтактный струйно-акустический метод контроля плотности. Выявлены физические основы и оценена стабильность аэродинамического звукообразования при прохождении газа через диафрагму. Дано физическое обоснование гистерезиса в струйно-акустической системе. Разработано принципиально новое струйно-акустическое устройство для контроля плотности жидкостей. На основе анализа физических основ аэродинамического звукообразования и гистерезиса в струйно-акустической системе, предложены пути снижения вариации устройства для измерения плотности. Разработанный метод измерения плотности применен в струйном методе измерения поверхностного натяжения для коррекции систематической составляющей погрешности, вызванной изменением плотности и расстояния до контролируемой поверхности. Разработано струйно-акустическое устройство для контроля поверхностного натяжения жидких сред. Проведена экспериментальная проверка разработанных методов и устройств, выявлены и оценены их основные метрологические характеристики. Разработанные устройства прошли производственные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях АО «Кристалл», в.ч. 13 805, 301 АРЗ, НПП «Модуль», результаты работы используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Цель работы. Разработка и исследование бесконтактного струйно-акустического метода и устройства для измерения плотности жидких веществ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— осуществить теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих в струйно-акустической системе;

— разработать бесконтактный струйно-акустический метод контроля плотности жидкостей;

— изучить физические основы аэродинамического звукообразования;

— провести метрологический анализ бесконтактного струйно-акустического метода измерения плотности жидких сред;

— разработать устройство для контроля плотности и пути его использования для коррекции систематической составляющей погрешности в устройстве для измерения поверхностного натяжения жидкостей;

— осуществить экспериментальную проверку результатов работы.

Научная новизна. Показано, что процесс распространения струйно-акустического сигнала может быть описан телеграфными уравнениями независимо от наличия жестких стенок, а информация о свойствах отражающей поверхности заключена в параметрах стоячей волны, возникающей в результате интерференции падающей и отраженной плоских волн.

На основе проведенных исследований процесса распространения струйно-акустического сигнала предложен бесконтактный метод измерения плотности жидких веществ, заключающийся в следующем:

— формируется плоская падающая звуковая волна, отражение которой от контролируемой поверхности приводит к возникновению режима стоячих волн;

— фиксируется положение узла стоячей волны в пространстве, которое однозначно определяет величину плотности независимо от параметров окружающей среды, с точностью до постоянства скорости звука в ней, от скорости движения анализируемой поверхности и от фазового состояния измеряемой среды.

Исследовано теоретически и подтверждено экспериментально, что максимальная точность обеспечивается при следующих условиях:

— измерение необходимо производить в первом периоде стоячей волны;

— в качестве генератора звуковых колебаний применяется высокостабильный диафрагмовый звукообразуюгций элемент направленного действия;

— имеется устройство перемещения генератора в пространстве, обеспечивающее поиск и фиксацию узла стоячей акустической волны;

— нуль-индикатором пневматического типа обеспечивается сигнализация достижения генератором положения, соответствующего узлу стоячей волны;

Выявлены и физически обоснованы процессы аэродинамического звукообразования при истечении газа через диафрагму и показано, что акустическое воздействие на ядро турбулентной струи приводит к возникновению гистерезиса в струйно-акустической системе.

Практическая ценность. Разработано бесконтактное струйно-акустическое устройство для измерения плотности неподвижных и движущихся гомогенных и гетерогенных жидких веществ. Осуществлен выбор размеров его основных конструктивных элементов.

Разработанное устройство для контроля плотности примененено в качестве блока коррекции изменения плотности и расстояния до контролируемой поверхности в бесконтактном устройстве для измерения поверхностного натяжения.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания на ряде предприятий (АО «Кристалл», в.ч. 13 805, 301 АРЗ, НПП «Модуль») и рекомендованы к внедрению, кроме того они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на I научной конференции ТГГУ (Тамбов, 1994 г.) — II научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1995 г.) — Второй Международной теплофизиче-ской школе «Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения» (Тамбов, 1995 г.) — III научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996 г.) — 5 Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности методов и средств обработки информации» (Тамбов, 1997 г.) — Третьей Международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (Тамбов, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, получено 2 положительных решения о выдаче патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 17 таблиц.

Список литературы

включает 69 наименований.

Основные результаты и выводы по работе.

1. Показано, что процесс распространения струйно-акустического сигнала может быть описан телеграфными уравнениями независимо от наличия жестких стенок, а информация о свойствах отражающей поверхности заключена в параметрах стоячей волны, возникающей в результате интерференции падающей и отраженной плоских волн.

2. На основе проведенных исследований процесса распространения струйно-акустического сигнала разработан бесконтактный метод измерения плотности жидких веществ, заключающийся в следующем:

— формируется плоская падающая звуковая волна, отражение которой от контролируемой поверхности приводит к возникновению режима стоячих волн;

— фиксируется положение узла стоячей волны в пространстве, которое однозначно определяет величину плотности независимо от параметров окружающей среды, с точностью до постоянства скорости звука в ней, от скорости движения анализируемой поверхности и от фазового состояния измеряемой среды.

3. Исследовано теоретически и подтверждено экспериментально, что максимальная точность обеспечивается при следующих условиях:

— измерение необходимо производить в первом периоде стоячей волны;

— в качестве генератора звуковых колебаний применяется высоко-стабильный диафрагмовый звукообразующий элемент направленного действия;

— имеется устройство перемещения генератора в пространстве, обеспечивающее поиск и фиксацию узла стоячей акустической волны;

— нуль-индикатором пневматического типа обеспечивается сигнализация достижения генератором положения, соответствующего узлу стоячей волны.

4. Определены физические основы генерации акустических колебаний газовой струей, проходящей через диафрагму, изучено влияние конструктивных параметров и расхода питания на частоту и стабильность происходящих процессов.

5. Доказано, что акустическое воздействие на ядро турбулентной струи приводит к возникновению гистерезиса в струйно-акустической системе.

6. Исследовано влияние конструктивных параметров струйно-акустического первичного измерительного элемента на погрешность измерения. Осуществлен выбор размеров диафрагмы, формирователя плоской акустической волны, акустико-пневматического преобразователя.

7. Разработанное устройство для контроля плотности примене-нено в качестве блока коррекции изменения плотности и расстояния до контролируемой поверхности в бесконтактном устройстве для измерения поверхностного натяжения.

8. Разработаны оригинальные устройства для контроля плотности и поверхностного натяжения, получены решения на выдачу патентов на изобретения, определены метрологические характеристики с учетом вариации, предложен метод снижения ее влияния.

9. Разработанные бесконтактные струйно-акустические методы и устройства после производственных испытаний рекомендованы к внедрению на предприятиях АО «Кристалл», в.ч. 13 805, 301 АРЗ, НПП «Модуль», результаты работы используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.