Рефрактометрические технологии контроля противообледенительной обработки воздушных судов

Этиленгликоль, пропиленгликоль и их водные растворы достаточно широко используются в современных аэропортах для предполетной антиобледенительной обработки корпусов воздушных судов [1,11].

Для контроля процесса обработки перспективно использование оптических рефрактометрических технологий основанных на методе полного внутреннего отражения [5,16]. Применяемые при этом датчики погружного типа, устанавливаемые непосредственно в технологический поток, могут обеспечить контроль состава раствора и его общий расход. В целом рефрактометрические технологии позволяют обеспечить оптимизацию предполетной обработки ВС, включая утилизацию и (или) частичную регенерацию отработанных продуктов.

Применение рефрактометрии требует точных количественных данных по оптическим свойствам как исходных компонентов, так и их водных растворов, включая показатель преломления (п) и его температурный коэффициент (с!п/с11), оптическое поглощение К (А,) в рабочем диапазоне температур Т=60°С и во всем диапазоне концентраций. Такие данные к настоящему времени неполны, противоречивы и в доступной научной технической литературе, как правило, представлены на качественном уровне, так что в лучшем случае представляют интерес оценочного характера. Опубликованные данные по показателю преломления [2,10,39,42,] имеют сходимость на уровне Дп=0,001. Температурный коэффициент имеет разброс в пределах от ёп/ск^-З^-!)* 10° 1/°С. Оптическое поглощение в этих средах вообще не изучалось.

Применяемые рефрактометрические датчики общего назначения [4,41,52] здесь могут оказаться малопригоднымипроцедура их калибровки и используемое программное обеспечение должны быть адаптированы для применения в конкретных средах. Поэтому задачи исследования оптических свойств растворов этиленгликоля и пропиленгликоля остается актуальным.

Представляет интерес исследование метрологических возможностей рефрактометра применительно к контролю таких растворов, как в лабораторных условиях, так и в реальных аэропортах. На основе полученных экспериментальных данных могли бы быть уточнены и оптимизированы алгоритмы использования таких датчиков и, при необходимости, внесены изменения в их конструкцию, оптоэлектронную систему и ПО.

Цель работы состояла в лабораторном исследовании оптических свойств этиленгликоля, пропиленгликоля и их водных растворов, разработке проблемно-ориентированных рефрактометрических датчиков для контроля состава этих растворов, лабораторных исследованиях и промышленных испытаниях этих датчиков, а также алгоритмов оптимизации их конструкции и программного обеспечения в применении к контролю процессов противообледенительной обработки корпусов ВС. Задачи работы:

1. Исследование зависимости показателя преломления и его температурного коэффициента при концентрации растворов к=ОЧОО% и температурах Т=1(К60оС на длинах волн ?1=589 нм и Х=683 нм.

2. Исследование оптического поглощения в растворах этиленгликоля и пропиленгликоля в ультрафиолетовой и видимой областях спектра при >1=210−420 нм.

3. Сопоставительный анализ в рамках общей теории дисперсии данных по корогковолоновому поглощению и показателем преломления в видимой области длин волн.

4. Разработка рефрактометрического датчика погружного типа для контроля состава водных растворов этиленгликоля и пропиленкликоля. Включая лабораторные исследования и натурные испытания в условиях реальных аэропортов.

Научная новизна работы:

• на уровне требований рефрактометрической технологии выполнены исследования оптических свойств этиленгликоля и пропиленгликоля;

• впервые в рамках общей теории дисперсии проведен сопоставительный анализ ультрафиолетового поглощения и дисперсионной зависимости показателя преломления в видимом диапазоне длин волн;

• установлено, что температурный коэффициент показателя преломления совпадает в обоих исследованных гликолях и зависит нелинейно от концентрации раствора;

• выполнены разработки рефрактометрического датчика погружного типа для контроля составов растворов этиленгликоля и пропиленгликоляпроведено его лабораторное исследование и натурные испытания.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований и компьютерного моделирования, а также данными промышленных испытаний в условиях реального производства.

Внедрение результатов работы. Предложенные рефрактометрические датчики и алгоритмы их использования применяются в аэропортах «Домодедово» (г.Москва) и в аэропорту г. Владивостока.

Личный вклад автора. Все основные результаты, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования проведена совместно с научным руководителем работы Яськовым А. Д. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами.

Аппробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на VIII международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники» (г. Прага, 2012), XIII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), а также конференции молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава НИУ ИТМО 2010;2012 гг.

Публикации. Всего опубликовано в виде научных статей и трудов международных научных конференций 4 работы входящие в перечень изданий рекомендованных ВАК минобрнауки РФ.

Выводы:

По сравнению с базовой моделью промышленного рефрактометра (п. 4.4.) рассмотренный здесь рефрактометрический датчик (рис. 36 и рис. 37) предпочтителен по своим конструктивным и метрологическим парметрам (табл. 9) для контроля ПОЖ в аэропортах.

Заключение

.

Выполненный в ходе настоящей работы анализ данных научно-технической литературы показал, что промышленная рефрактометрия представляет значимый интерес для контроля противообледенительной обработки ВС в аэропортах, как по составу, так и по расходу ПОЖ на основе гликолей.

Вместе с тем эффективное применение в настоящее время имеет здесь существенные ограничения из отсутствия в доступной научно-технической литературе достоверных и непротиворечивых данных по оптическим свойствам практически применяемых ПОЖ, включая рефрактометрические параметры и оптическое поглощение.

В связи с этим в данной работе были выполнены:

• измерения (на уровне требований промышленной рефрактометрии) концентрационной и температурной зависимостей показателя преломления п (к, Т) в водных растворах этилени 1,2-пропиленгликолей. Полученные данные в целом подтвердили опубликованные ранее результаты измерений п (к) при Т=20°С и при к<60%. Для более высоких концентраций в широком диапазоне температур такие результаты получены здесь впервые;

• по данным измерений температурной зависимости показателя преломления п (Т) в гликолях различной концентрации впервые определен температурный коэффициент показателя преломления с1п (к)/сГГ. Установлено, что во всем диапазоне концентраций к=0−100% при температурах Т=10−60°С параметр ёп/сГГ остается практически постоянным, как в водных растворах этиленгликоля, так и таких же растворах на основе 1,2-пропиленгликоля. Зависимость ёп (к)/с!Т при Т=10−60°С может быть представлена квадратичными полиномами;

• впервые в рамках общей теории дисперсии сопоставлены и обобщены результаты измерений спектров ультрафиолетового поглощения в гликолях (к=0−100%) при ^=200−400 нм и концентрационных зависимостей показателя преломления на рабочих длинах волн промышленного рефрактометра (Х,=589 и 633 нм) — разработана базовая модель промышленного рефрактометрического датчика для контроля состава водных растворов гликолей, а также методы и средства его лабораторной калибровки, настройки и испытаний, по своим технико-эксплуатационным характеристикам и стоимости предлагаемый рефрактометрический датчик превосходит зарубежные аналоги. В настоящее время прибор проходит промышленные испытания в аэропорту г. Владивостокана основании анализа данных лабораторных исследований, а также предварительных результатах промышленных испытаний разработан специальный рефрактометр для контроля ПОЖ. Предполагается его эксплуатационные испытания в аэропорту «Домодедово» (г. Москва).