Автоматизированное устройство для измерения вязкости жидкости по методу Пуазейля

Оптимальное управление технологическими процессами в нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и ряде других отраслей промышленности невозможно без организации надежного и оперативного контроляпараметров, характеризующих состояние самого процесса, а также качество исходных материалов и готовой продукции [1,2]. Одним из важных показателей, определяющих качество жидких материалов является вязкость. Во многих случаях от точности поддержания данного параметра существенно зависит качество выпускаемой продукции [3]. Однако существующий в настоящее время арсенал технических средств, способных осуществлять оперативный контроль вязкости не велик, а имеющиеся немногочисленные образцы вискозиметров, пригодных для этих целей, имеют либо невысокие метрологические характеристики, либо недостаточно широкую область применимости, либо неудовлетворительные эксплуатационные показатели (таблица В.1). Ряд серийно выпускаемых отечественных вискозиметров представлен в основном приборами, которые предназначаются для использования в лабораторных условиях и непригодны для оперативного контроля (вискозиметры Уббелоде, Канон-Фенски, Сообразные трубчатые вискозиметры и д.р.). Среди зарубежных вискозиметров, пригодных для оперативного контроля, наиболее известными являются вискозиметры Hallikainen, Oval, Goettfert. Однако их показания существенно зависят от колебаний скорости движения продукта, обусловленных работой насоса (важным условием их правильной эксплуатации является исключение пульсаций давления). По этой причине они не могут обеспечить высокой точности и воспроизводимости результатов измерений. Отсюда следует, что проблема создания технических средств, обеспечивающих надежный и точный оперативный контроль вязкости различных жидкостей, способных интегрироваться в современные системы управления технологическими процессами, остается весьма актуальной.

Таблица B. l — Сравнительные характеристики вискозиметров

Капиллярные вискозиметры

Модель Диапазон Погрешность измерения Примечание

Hallikainen (Англия) 1−1100 мПа с 1% (от верхнего предела рабочего диапазона) Заявленные показатели точности вызывают сомнение, поскольку при помощи насоса невозможно обеспечить строго постоянную и без пульсаций подачу рабочей жидкости через капилляр. Не пригодны для использования в качестве лабораторного прибора.

Ovaltrol (Япония) 1−1000 мПа с

Ротационные вискозиметры

Модель Диапазон Погрешность измерения s Примечание

Visco Basic Plus (Испания) 20−30 000 мПа с до 3% Пригодны только для измерения относительной вязкости неньютоновских жидкостей в лабораторных условиях.

ВСН-3 (Россия) 1−400 мПа-с 5%

Вискозиметры с падающим шариком

Модель4 Диапазон Погрешность измерения Примечание

Visco Ball (Испания) 1−100 000 мПа с 1,5% Диапазон указан для шариков, сделанных из различных материалов. Характеризуются существенной нестабильностью статических характеристик.

Hoppler KF (Австрия) 0,6−70 000 мПа-с 2%

Вибрационные вискозиметры

Модель Диапазон Погрешность измерения Примечание

A&D (Япония) 0,3−3000мПа-с 5% Характеризуются высокой погрешностью измерения и нестабильностью статической характеристики.

ВВН-8 (Россия) 0,001.20 мПас 2,5%

В настоящее время для измерения вязкости применяются следующие методы: ротационный, падающего шарика, вибрационно-частотный и капиллярный. По мнению многих отечественных и зарубежных ученых (в частности, Виноградова, Малкина, Чалых, Ковриги, Куличихина, Шрамма, Уорлоу, Уилкинсона и др.), последний из указанных методов является наиболее распространенным, поскольку имеет надежную теоретическую базу и хорошую перспективу дальнейшего совершенствования в отношении автоматизации измерительной процедуры [4,5].

В плане дальнейшего совершенствования капиллярного метода измерения вязкости и повышения его метрологических характеристик весьма актуальной представляется задача исследования гидродинамических процессов, которые в рабочих пространствах приборов, реализующих данный, метод измерения. Однако по причине малых размеров этих пространств инструментальная диагностика характеристик течения протекающих через них жидкостных потоков проблематична [6].

Поэтому наибрлее целесообразно для этих целей использовать математическое моделирование на базе современных методов вычислительной гидродинамики. Такой подход позволяет достаточно точно решать большое количество различных задач, связанных с исследованием сложных гидродинамических процессов в различных технических устройствах.

Таким' образом, тема диссертации, посвященной детальному исследованию гидродинамических процессов в вискозиметрах капиллярного типа, модернизации капиллярного метода и разработке автоматизированного устройства, пригодного для оперативного контроля вязкости различных жидкостей в составе автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ), также представляется актуальной.

Целью работы являлось повышение качества и оперативности контроля вязкости жидкостей за счет усовершенствования капиллярного метода и разработки на его основе функциональной и принципиальной схем автоматизированного измерительного устройства. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих научно-технических задач:

• проведение анализа характеристик существующих методов и средств измерения вязкости различных жидкостей и требований, предъявляемых к ним современными нормативными документами (ГОСТ 29 226−91), формулирование технического задания на разработку автоматизированного вискозиметра;

• математическое моделирование и детальный анализ картины течения жидкости в проточной области капиллярного вискозиметра и проведение на их основе количественной оценки влияния установленных вторичных гидродинамических процессов на статическую характеристику капиллярного вискозиметра;

• разработка функциональной и принципиальной схем автоматизированного капиллярного вискозиметра с постоянной скоростью истечения, выбор необходимых технических средств для его построения и определения характеристик функциональных элементов и узлов, обеспечивающих надежную работу, требуемую точность и воспроизводимость показаний в диапазоне значений вязкости jj, (1 1500) мПа-с с погрешностью, не превышающей 1% (согласно требованиям ГОСТ 29 226–91);

• аппаратурная реализация предлагаемого устройства в виде действующего макетного образца и проведение его метрологических испытаний на различных жидкостях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Усовершенствован капиллярный метод измерения вязкости, разработаны функциональная и принципиальная схемы оригинального капиллярного вискозиметра с постоянной скоростью' истечения, которыйв отличие от действующих аналогов обеспечивает возможность проведения реологических исследований жидких материалов и измерения абсолютных значений коэффициентов ц. в автоматическом режиме в диапазоне (1 1500) мПа-с при температуре 20 °C с основной относительной погрешностью не выше 0,7%. Согласно требованиям действующего ГОСТ 29 226–91 этот показатель для автоматических капиллярных вискозиметров может находиться в пределах ±-Н2%.

2. Впервые для описания течения в рабочем пространстве капиллярного вискозиметра использована двумерная математическая модель на основе уравнений

Навье-Стокса и метода конечных элементов. Это позволило составить детальную картину течения, установить характеристики потока во всем рабочем пространстве прибора, наличие вихревых зон в придонной части накопительного объема, а также эволюцию профилей скорости и продольного градиента статического давления в зоне гидродинамического начального участка рабочего капилляра и определить степень влияния каждого из указанных гидродинамических факторов на формирование дополнительных погрешностей измерения вязкости капиллярным методом и найти способы уменьшения этого влияния. ,

3. Осуществлена аппаратурная реализация автоматизированного устройства измерения вязкости с постоянной скоростью истечения в виде действующего макетного образца и проведены его метрологических испытания на различных жидкостях в диапазоне значений вязкости (1 — 1500) мПа-с.

Устройство для измерения вязкости запатентовано (патент на изобретение № 2 370 751 — Устройство для измерения вязкости жидкости). Практическая значимость работы.

1) Предлагаемое устройство, в отличие от действующих аналогов, позволит более точно и оперативно в автоматическом режиме осуществлять измерение вязкости различных жидкостей как в качестве лабораторного прибора для исследования реологических свойств жидких материалов, так и в качестве датчика вязкости в составе современной АСОИУ.

2) Значимость разработки подтверждается положительными результатами испытаний действующего макетного образца предлагаемого устройства в аналитической лаборатории АНО «Государственный центр по сертификации и стандартизации химреагентов для нефтяной промышленности» Министерства промышленности и энергетики РФ.

Апробация работы. Основные результаты проведенной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в сборниках следующих конференций: Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» (Нижнекамск, 2004) — III Республиканская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение» (Казань, 2006) — Материалы докладов II молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007) — Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2008) — Научная сессия КГТУ, аннотации сообщений (Казань, 2008) — Материалы докладов IV молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009). Публикации по теме исследований. Перечень основных публикаций по теме диссертации включает в себя 4 статьи, 3 из которых опубликованы в журналах рекомендованных высшей аттестационной комиссией, патент на изобретение и 3 материала докладов всероссийской и международных конференций. На защиту выносится:

1) функциональная и принципиальная схемы и алгоритм работы автоматизированного устройства для измерения вязкости жидкостей.

2) результаты теоретического исследования гидродинамических процессов в проточной части капиллярного вискозиметра и их влияния на точность определения вязкости жидкостей по методу Пуазейля.

Работа выполнена на кафедре «Системы автоматизации и управления технологическими процессами», Казанского государственного технологического университета.

Выводы по главе

1. Дано описание принципиальной и функциональной схем автоматизированного устройства, предназначенного для оперативного измерения вязкости жидкостей в диапазоне от 1 до 1500 мПа-с с приведенной относительной погрешностью не превышающей 0,7%.

2. Произведен расчет характеристик основных функциональных элементов предлагаемой схемы и выбор технических средств, необходимых для ее реализации.

3. Разработаны алгоритм и программное обеспечение, необходимое для осуществления заданного режима функционирования данного устройства.

4. Осуществлена реализация предлагаемой функциональной схемы в виде действующего макетного образца и проведены его технические и метрологические испытания.

Полученные при испытаниях результаты подтвердили, что протестированное автоматизированное устройство соответствует заявленным характеристикам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен сравнительный анализ методов и средств измерения вязкости жидкостей. Установлено, что в современной вискозиметрии, благодаря простоте, надежности и сравнительно высоким точностным характеристикам, наибольшее распространение приобрел капиллярный метод. Одним из главных недостатков современных капиллярных вискозиметров является нестабильность градуировочных характеристик, обусловленная несовершенством измерительной процедуры и влиянием некоторой совокупности вторичных гидродинамических явлений, называемых «входовым эффектом», количественная оценка которых ранее не была точно установлена.

2. Для оценки степени влияния вторичных гидродинамических явлений, обуславливающих «входовой эффект» капиллярных вискозиметров, проведена серия специальных математических экспериментов. В качестве инструмента, впервые для этих целей, использована двумерная математическая модель течения в накопительном объеме и капилляре вискозиметра, основанная на численном решении уравнений Навье-Стокса с применением метода конечных элементов. Полученные данные позволили получить количественную оценку влияния вихревых зон в придонной части накопительного объема, а также эволюции профилей скорости и продольного градиента статического давления в зоне гидродинамического начального участка рабочего капилляра на точность определения абсолютного значения коэффициента вязкости капиллярным методом и предусмотреть меры по их ослаблению.

3. Разработаны принципиальная и функциональная схемы оригинального автоматизированного капиллярного вискозиметра с постоянной скоростью истечения.

4. Осуществлена аппаратурная реализация предлагаемого устройства измерения вязкости в виде действующего макетного образца и проведены его испытания. Полученные при испытаниях результаты подтвердили, что протестированное автоматизированное устройство наряду с достаточно высокими метрологическими характеристиками (максимальная относительная погрешность измерения не превышает 0,7%) имеет следующий ряд преимуществ перед действующими аналогами: полная автоматизация процессов измерения и обработки результатовболее высокая производительностьрасширенный диапазон измерения при фиксированных настройках измерительного устройствавысокая воспроизводимость показанийболее удобное обслуживание при эксплуатации.

На предлагаемое устройство измерения вязкости жидкости получен патент на изобретение № 2 370 751 от 22.04.08.