Аэродинамический бесконтактный метод контроля поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Филатов, Иван Сергеевич

• Филатов, Иван Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филатов, Иван Сергеевич

Введение.

Глава1. Современное состояние контроля поверхностного натяжения расплавленных металлов и полимеров.

1.1 Поверхностные явления в расплавленных полимерах, металлах и сплавах.

1.2 Методы определения поверхностного натяжения расплавленных полимеров.

1.3. Методы определения поверхностного натяжения расплавленных металлов и сплавов.

1.4. Аэродинамические методы измерения свойств жидкостей и их применение для определения поверхностного натяжения расплавленных полимеров и металлов и сплавов.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

Глава 2. Изучение взаимодействия газового потока с поверхностью расплавленных полимеров, металлов и сплавов. Применение планарного конденсатора для определения физико -механических характеристик жидкостей и расплавов.

2.1. Воздействие струи газа на поверхность расплава.

2.2. Принцип работы ёмкостного преобразователя.

2.3. Определение характеристик планарного конденсатора.

Выводы по второй главе.

Глава 3.

3.1. Получение статической характеристики бесконтактного аэродинамического метода определения поверхностного натяжения.

3.2. Адекватность статической характеристики метода контроля поверхностного натяжения процессам, происходящим в аэродинамической системе.

3.3. Взаимодействие поля планарного конденсатора с поверхностью расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Метрологическая оценка аэродинамического метода измерения поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

4.1. Погрешность косвенных измерений поверхностного натяжения расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

4. 2. Метрологический анализ аэродинамического метода измерения поверхностного натяжения модельных жидких сред, расплавленных полимеров, металлов и сплавов.

4.2.1. Метрологическая оценка определения плотности жидкостей.

4.2.2. Метрологическая оценка определения поверхностного натяжения жидкостей.

4.2.3. Оценка определения плотности расплавленных полимеров.

4.2.4. Метрологическая оценка определения поверхностного натяжения расплавленных полимеров.

4.2.5. Метрологическая оценка определения поверхностного натяжения расплавленных металлов и сплавов.

Выводы по четвёртой главе.

Глава 5. Бесконтактное аэродинамическое устройство для контроля поверхностного натяжения.

5.1. Выбор конструктивных размеров основных узлов устройства.

5.2. Принцип построения прибора для экспресс - контроля поверхностного натяжения жидкостей, расплавов полимеров, металлов и сплавов.

Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 °С.

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.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Филатов, Иван Сергеевич

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 научно -исследовательской и учебной работе в Тамбовском государственном техническом университете.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филатов, Иван Сергеевич, 2000 год

1. Лазарев В.Б., Семенченко В. К. Поверхностные явления в расплавах и возникающих в них твердых фазах. М.: Физматгиз, 1961. 365 с.

2. Карбоноцепные синтетические волокна / Под ред. К. Е. Перепелкина. М.: Химия, 1973. 79 с.

3. Данилин В. А., Серков А. Т., Котомина И. П. О механизме обрыва струй // Хим. волокна. 1976. № 1. С. 39.

4. Schonchorn Н., Sharpe L. Н. J. Thermal response of surface tension of polymers // Polymer Sci. 1976. V. 4. Pt A - 2, N. 3. P. 538 -542.

5. Иващенко Ю. H., Еременко В. H. Поверхностные явления в расплавах. Киев: Изд-во АН УССР, 1963. 234 с.

6. Иващенко Ю. М., Еременко В. Н. Основы точного измерения поверхностной энергии расплавов методом лежачей капли. Киев: Наукова думка, 1972. 83 с.

7. Bashfort F., Adams J. On Attempt to Test Measurement Forms of Drops of fluid. Cambridge: Cambridge of the University press, 1963. 140 p.

8. Дерябин Ю. А., СмирновЛ. А., Довголюк Л. В. Определение поверхностного натяжения расплавов по размерам лежащей безэкваториальной капли // ЖФХ. 1977. Т. 51, № 10. С. 2678 2679.

9. Попель С. И., Павлов В. В. Номограммы для расчета поверхностного натяжения растворов. Свердловск: УПИ, 1974. 7с.

10. Кусаков М. М., Лубман Н. Н. Определение поверхностного натяжения // Труды Ин та нефти АН СССР. 1952. Т. 2. С. 53 - 72.

11. Burry J., Hartland S. Surface. // Coll. A. Polymer Sei. 1977. V. 255, N7. P. 675 687.

12. Sheludko A. D., Nikolov A. D. Surface activity // Coll. a Polymer Sei. 1975. V.253, N2 5. P. 396 403.

13. Соловьев A. H., Кирияненко А. А. Комбинированный метод измерения поверхностного натяжения расплавов. Киев: Наукова думка, 1968. 125 с.

14. А. с. № 147344 СССР, МКИ 5G 01 п 13/02. Вращающийся термостат для физико-химических исследований жидкостей.

15. Гогиберидзе Ю. М., Джинчарнадзе Т. И. Определение поверхностного натяжения металлов и межфазного натяжения на границе раздела жидкого металла и шлака // Сообщение АН ГрузССР. Тбилиси, 1965. С. 47- 48.

16. Gohler M. Neue Hutte. N. Y: L. Academic Press, 1962. 430 p.

17. Елютин В. П., Костиков В. И. Устройство для изучения смачивания твёрдых тел жидкими и тугоплавкими металлами и соединениями // Заводская лаборатория. 1966. Т 5.С. 53-55.

18. Гутер Р. С. Элементы численного анализа и математической обработки результатов. М.: Физматгиз, 1962. 325 с.

19. А. с. № 419768 СССР, МКИ 5G 01 п 13/02. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей и расплавов.

20. А. с. № 543850 СССР, МКИ 5G 01 п 13/02. Устройство для измерения поверхностного натяжения расплавов.

21. Залмазон П. А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров астоматических систем. М.: Наука, 1973. 464с.

22. R. S. Rosier, G. H. Stewart. Impigement of gas jets on liquid surfaces//J. Fluid. 1968. Y. 31, part 1. P. 163 174.

23. А. с. № 783654 СССР, МКИ 5G 01 п 13/02. Способ измерения поверхностного натяжения жидкостей.

24. А. с. № 1712834 СССР, МКИ 5G 01 N 13/02. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей.

25. Pfung А. Н, Greenfield Е. W. Surface tension Measurement of viscous Liquids // Ind. Enqn. Chem. 1936. V. 8. P. 81 - 83.26. .A. c. № 1824537 СССР, МКИ 5G 01 N 13/02. Устройство для контроля физико химических свойств жидкостей.

26. А. с. № 1753369 СССР, МКИ 5G 01 N 13/02. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей.

27. А. с. № 935751 СССР, 5G 01 п 13/02 Устройство для определения поверхностного натяжения жидкостей.

28. Мордасов М. М., Гализдра В. И., Астахов В. П. Бесконтактный пневматический метод измерения поверхностного натяжения. // Заводская лаборатория. 1994. Т. 60, № 9. С. 33 36.

29. Мордасов М. М. Развитие теории и принципов построения пневмогидравлических методов и средств автоматического контроля веществ потенциально опасных производств: Автореф. дис.М, 1994.36с.

30. Варгафтик И. Б. Теплофизические свойства газов и жидкостей. М.: Фмзматгиз, 1963. 283 с.

31. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов. М.: Физматгиз, 1959. 235 с.

32. Юдаев Б. И. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1988. 479 с.

33. Мухачев Г. А, Щукин В. К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1991. 480 с.

34. Ляшков В. И. Основы теплопередачи. Тамбов: ТГТУ, 1996. 114 с.

35. Ляшков В. И. Основы термодинамики. Тамбов: ТГТУ, 1994. 95 с.

36. Bellemans A. Thermodynamic and convection // Physic. 1960. V. 28, N5. P. 37-39.

37. Roe. R. J. - J. Heat transfer // Phys. Chem. 1965. Vol. 69, N8. P. 137-141.

38. Гельман Г. А., Соскин Э. А. Бесконтактные элементы в схемах и устройствах автоматики. М.: Энергия, 1966. 98 с.

39. Бугров А. В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982. 95 с.

40. Бугров А. В., Дудкин Н. И., Масленников И. М. Управление технологическими объектами с использованием ёмкостных измерительных преобразователей. М.: НИИТЭХИМ, 1973. 73 с.

41. Агамалов Ю. Р., Кнеллер В. Ю. Преобразователь ёмкости и проводимости // Приборы и системы управления. 1978. №l. С. 65-68.

42. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М.: Химия, 1967. 124 с.

43. Эпштейн С. Л. Измерение характеристик конденсаторов. М.: Энергия, 1965. 237 с.

44. Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин. М.: Энергия , 1966. 72 с.

45. Бухгольц В. П, Тисевич Э. Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. М.: Энергия, 1972. 79 с.

46. Maxwell. A treatise on electricity and magnetism. Oxford, 1873. V 1-2. // Избр. соч. по теории электромагнитного поля. М., 1964. С. 1 87 .

47. Кивилис С. С. Плотномеры. М., Энергия. 1972. 79 с.

48. ГОСТ 3900 85. Нефть и нефтепродукты, методы определения плотности. М.: Изд - во стандартов, 1985. 23 с.

49. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1005 с.

50. Новицкий П. В. , Зограф И. А. , Лабунец В. С. Динамика погрешностей. JT.: Энергоатомиздат, 1990. 188 с.

51. Корн Г Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. 832 с.

52. Pero К. Г. Метрологическая обработка результатов технических измерений: Справ, пособие. Киев.: Техника, 1987. 128 с.

53. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. М.: Физматгиз, 1963. 278 с.

54. Многокомпонентные полимерные системы / Под ред. А. Я. Малкина. М., Химия, 1974. 388 с.

55. Еременко В. Н. Поверхностные явления в расплавах и их роль в процессах порошковой металлургии. Киев.: Изд во АН УССР, 1961. 148 с.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

56. Брусенцов Ю.А. Мордасов М.М.

57. РОССИЙСКОЕ АГЕНТСТВО ПО ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (РОСПАТЕНТ)

58. ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ПРОМЫШЛЕННОЙ СОБСТВЕННОСТИ121858, Москва, Бережковская наб., 30, корп. 1 Телефон [phone]. Телекс 114818 ПДЧ. Факс [phone]. На № ОТ 21. Наш № 99107624/28(007491)

59. Заявка № 99107624/28(007491) (22) Дата поступления заявки 06.04.99

60. Дата начала отсчета срока действия патента (свидетельства) 06.04.99 (85) Дата перевода международной заявки на национальную фазу

61. Номер приоритетной заявки (32) Дата подачи приоритетной заявки (33) Код страны1.

62. Номер публикации и дата публикации заявки РСТ

63. Заявитель(и) Тамбовский государственный технический университет, ГШ

64. Автор(ы) Филатов И.С., Брусенцов Ю.А., Мордасов М.М., 1Ш

65. Патентообладатель(и) Филатов Иван Сергеевич, ЬШуказать код страны)51. МПК 7 О 01 N 13/02

66. Название Устройство для измерения поверхностного натяжениясм. на обороте)1. Форма № 01 а21.99107624/28 (54)(57)

67. При публикации сведений о выдаче патента будет использовано описание в редакции заявителя.