Аэродинамический бесконтактный метод контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов

В современных условиях рыночной экономики как никогда повышаются требования к конкурентоспособности выпускаемой продукции Производство изделий высокого качества зависит не только от применяемого сырья и современного технологического оборудования, но и от средств для получения оперативной информации о составе и свойствах изделий.

В процессе производства часто возникает необходимость контроля свойств различных веществ: растворов, суспензий, пульп, расплавов полимеров, металлов и солей. Применение известных методов и средств контроля агрессивных, быстрокристаллизующихся, сред, обладающих специфическими свойствами часто затруднено, а в некоторых случаях и невозможно.

Условия практического применения устройств для контроля физико — механических свойств расплавов требуют от них не только высокой точности и механической прочности, но и надежной работы в потенциально — опасных производствах. В последние годы возрос интерес к пневматическим методам и приборам контроля свойств веществ, которые наиболее полно отвечают этим требованиям.

Большинство существующих пневматических приборов являются контактными средствами измерения. Для некоторых измеряемых сред контакт с ними приводит к дополнительным погрешностям при измерениях, а иногда ведет к полной потере работоспособности приборов.

Существующие бесконтактные методы измерений свойств расплавленных металлов и полимеров реализуются сложными и дорогостоящими техническими средствами, что не всегда оправдано экономически. Поэтому одной из задач приборостроения является разработка дешевых бесконтактных устройств для контроля физико — механических свойств расплавов.

Поверхностное натяжение (ПН) является одной из основных физических величин, характеризующих свойства вещества. Измерение поверхностного натяжения играет существенную роль при контроле технологических процессов и качества продукции. Исходя из этого, важным элементом автоматизации производственных процессов во многих отраслях промышленности (металлургической, полимерной, радиоэлектронной и др.) является разработка приборов автоматического измерения поверхностного натяжения расплавов.

Задачи разработки и исследования принципов измерения поверхностного натяжения расплавленных металлов и полимеров могут быть успешно решены после изучения физических основ существующих методов измерения.

Настоящая работа посвящена применению бесконтактного аэродинамического метода для контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров металлов и сплавов и разработке устройства, реализующего данный метод.

На основе теоретического и экспериментального исследования процессов, происходящих при взаимодействии вертикальной струи воздуха с поверхностью расплава разработана методика бесконтактного аэродинамического контроля поверхностного натяжения расплавленных металлов и полимеров. Дано физическое обоснование процессам, происходящим в аэродинамической системе и планарном конденсаторе. Использовано устройство для контроля ПН расплавленных полимеров, металлов и сплавов аэродинамическим методом. Проанализировано влияние струи газа на температуру расплавленной поверхности, предложена методика снижения погрешностей устройства для измерения поверхностного натяжения расплавов.

Проведена экспериментальная проверка разработанных методов и устройств, оценены их основные метрологические характеристики. Разработанные устройства прошли производственные испытания и рекомендованы к внедрению на ОАО «Электроприбор».

Цель работы. Применение бесконтактного аэродинамического метода для контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов и разработка устройства, реализующего этот метод.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— изучить физические процессы взаимодействия электрического поля пла-нарного емкостного преобразователя с исследуемой средой;

— исследовать процессы, происходящие при воздействии струи газа на поверхность расплава и разработать методику для предотвращения локальной кристаллизации поверхности;

— получить зависимость изменения ёмкости измерительного преобразователя от параметров деформированной поверхности;

— разработать устройство для контроля поверхностного натяжения с коррекцией систематической составляющей погрешности по плотности и пути его использования в универсальном устройстве для измерения поверхностного натяжения жидких сред, расплавов полимеров, металлов и сплавов.

— провести метрологический анализ бесконтактного аэродинамического метода измерения поверхностного натяжения, расплавленных полимеров, металлов, сплавов и непроводящих жидкостей;

— осуществить экспериментальную проверку результатов работы.

Научная новизна. Разработана методика бесконтактного измерения поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов аэродинамическим методом с использованием ёмкостного преобразователя, которая заключается в следующем:

— на фиксированном расстоянии от поверхности исследуемого вещества располагается первичный измерительный преобразователь (ПИП), состоящий из планарного конденсатора (ПК) с начальной ёмкостью Со и продувочного капилляра;

— определяется изменение ёмкости конденсатора и находится плотность исследуемого полимерного расплава;

— на газовый капилляр подается воздух с постоянным расходом, фиксируется изменение ёмкости ПК, зависящее от параметров деформированной поверхности расплава и определяется значение поверхностного натяжения.

Исследовано теоретически и доказано экспериментально, что наибольшая точность измерения обеспечивается при следующих условиях:

— для создания равномерного электрического поля величина зазора в пла-нарном конденсаторе должна быть постоянной;

— частота питания датчика выбирается с учётом релаксационных явлений в жидких средах и эффекта распределённых линий и равна 9 МГц;

— скорость истечения газа из капилляра выбирается, исходя из условия стабильного взаимодействия струи с поверхностью расплава;

— температура газа на выходе из капилляра должна превышать температуру поверхности расплава не менее, чем на 10 °C.

Практическая ценность. Разработано бесконтактное аэродинамическое устройство для измерения поверхностного натяжения расплавов полимеров, металлов и сплавов. Оно может быть применено в качестве основы для создания прибора экспресс — контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на ОАО «Электроприбор» Они также используются в научно — исследовательской и учебной работе в Тамбовском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV и V научных конференциях ТГТУ, а также на научных семинарах кафедр «Материалы и технология» и «Автоматизированные системы и приборы».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложения. Основная часть изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 31 таблицу.

Список литературы

включает 56 наименований.

Основные результаты и выводы по работе.

1. На основе проведенных исследований процесса взаимодействия электрического поля планарного конденсатора с поверхностью расплавленных полимеров, металлов и сплавов разработан метод определения их поверхностного натяжения.

2. Предложен способ, предотвращающий локальную кристаллизацию поверхности расплава, что позволило определять ПН расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

3. Получены зависимости, позволяющие рассчитывать значения поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов при различных температурах их поверхности.

4.Метрологическая оценка метода показала, что суммарная погрешность при измерении поверхностного натяжения расплавленных полимеров не превышает 9,7%, расплавленных металлов и сплавов — 8,7%).

5. Разработан прибор экспресс — контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятии: ОАО «Электроприбор». Они также используются в научноисследовательской и учебной работе в Тамбовском государственном техническом университете.