Метод и средство контроля объёмного расхода газа в процессах с малыми газовыделениями

Актуальность работы. В современной промышленности все более строгие требования предъявляются к точности измерения параметров технологических процессов. При этом, для обеспечения точности исполнения тех или иных технологических операций необходим оперативный инструментальный контроль полуфабриката, для настройки технологического оборудования.

Кроме того, имеет место тенденция к использованию микропроб на этапе научно-исследовательской работы для контроля и управления потоками вещества в процессах, протекающих на микрои нано-уровневых структурах. К ведущим направлениям развития технологий относят: материаловедение, биотехнологии и инженерия. При реализации инструментальных средств, для таких технологий, необходимо вносить изменения в устройства контроля, так как погрешности, связанные с температурным дрейфом, оказывают существенное влияние на результат измерения.

Технологические процессы в различных областях производства связаны с подачей газа или его выделением. При этом контроль расхода газа позволяет судить о режиме протекания технологического процесса. Поэтому проблема повышения точности измерения расхода газа имеет первостепенное значение.

В зависимости от количества расхода газов применяют те или иные методы и средства измерений. Особую область в этих измерениях занимает контроль малых и сверхмалых объёмов, для которого непригодны механические, электрические, ультразвуковые и другие методы. Наибольшее распространение при контроле малых и сверхмалых объёмов газа получили пузырьковые методы. Существующие пузырьковые методы отличаются учётом различных факторов, влияющих на содержание газа в каждом пузырьке, так например, при реализации метода Т. С. Бондарева и B.C. Малышева осуществляется барботаж измеряемого газа через слой жидкости с одновременным подсчетом числа пузырьков газа. Однако, в подобных дискретных устройствах отсутствует учет параметров жидкой среды, используемой для барботи-рования. Сложность заключатся во влиянии, изменяющейся температуры барботажной жидкости, на величину коэффициента поверхностного натяжения и на объём газа в пузырьке при его образовании у сопла на границе жидкой и газообразной фаз.

При этом, не учитывается давление газа в пузырьке, и поэтому в определение расхода газа вносится значительная погрешность. При более точных измерениях необходимо учитывать реологические свойства жидкости через которую происходит барботирование газа, температуру и т. д. Это накладывает ограничения при проведении измерения, связанные с необходимостью термостатирования, и снижает возможности метода и средства измерения.

Процессы, связанные с выделением малых объёмов газа, широко распространены. Например, в области пищевой промышленности от качества дрожжей зависит качество хлебопекарной продукции. Особое значение качество дрожжей приобретает при использовании технологии ускоренного приготовления теста, получившей в последнее время широкое распространение. Технология ускоренного приготовления теста предусматривает введение значительного количества дрожжей. При их повышенном дозировании на качество хлеба и его органолептические свойства будут оказывать влияние технологические характеристики полуфабриката: подъемная сила, мальтаз-ная активность и газообразующая способность. Поэтому, в технологиях пищевой промышленности распространены методы исследования на основе определения указанных технологических характеристик. Исследуемая интенсивность протекания ферментативной реакции зависит от скорости и массы образующихся продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Одним из таких процессов является брожение. Результатом этого процесса является количество газа, выделяющегося при брожении, что дает возможность судить и о кинетике газообразования и, как следствие, о качестве рецептурного компонента.

Так как, существующая точность измерения малых расходов газа недостаточна, поэтому разработка пузырьковых методов контроля повышенной точности является актуальной задачей.

Объект исследования: поток газовых пузырьков, движущийся в средствах измерения расхода газа пузырьковым методом.

Предмет исследования: дискретный пузырьковый метод и средство измерения малых расходов газа, учитывающие реологические свойства среды для барботирования.

Целью диссертационной работы является повышение точности измерения расхода сверхмалых объёмов газа, путём разработки метода и технических средств, обеспечивающих контроль указанного расхода с учётом давления жидкости и её реологических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести сравнительный анализ существующих методов и технических средств контроля объёмного расхода малых количеств газа и на его основе определить физические принципы и технические решения повышения точности контроля;

— разработать математическую модель, определяющую комплекс параметров характеризующих физический процесс барботирования газового пузырька в жидкости, и получить аналитическое описание зависимости объёма газа в пузырьке от реологических параметров жидкости в измерительной системе;

— предложить принцип измерения реологических параметров вязкой среды, для повышения точности измерения объёмного расхода газа по пузырьковому методу;

— разработать метод контроля объёмного расхода газа, с учётом влияния температуры на реологические свойства вязкой жидкости используемой для барботирования;

— разработать аппаратно-программный комплекс контроля расхода газа с учётом реологических параметров жидкости измерительной системы;

— провести сравнительное исследование разработанного метода и средства контроля объёмного расхода газа.

Методы и средства исследования. При решении поставленных задач применялись теория физико-химической механики и реологии сред, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, теории численного анализа, методы математического моделирования на ЭВМ, реализованные в оболочках Lab VIEW, MathCAD.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов и выводов. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. Положения теории основываются на известных достижениях в области молекулярной физики, гидродинамики ламинарного течения жидкости и движения тел в жидкостях.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения сверхмалых расходов газа, включающий выбор жидкости используемой для барботирования, определение конструктивных особенностей измерительной кюветы, в частности диаметра сопла и уровней расположения источников света и фотоприемников вдоль цилиндрической кюветы, и требования, предъявляемые к устройствам измерения времени перемещения пузырька газа вдоль оси цилиндра, в частности, к устройству распознавания менисков в вершине и основании по вертикальной оси пузырька.

2. Математическая модель процесса барботирования газа через жидкость, отличающаяся учётом реологических параметров вязкой среды.

3. Способ определения реологических свойств жидкости, учитывающий движение в ней центра пузырька, в условиях его естественного образования, на выходе сопла, и свободного всплытия, с измерением времени прохождения участка на траектории его подъема и расчетом вязкости.

4. Средство измерения малых расходов газа, содержащее кювету, заполненную жидкостью, трубопровод с соплом, погруженным в жидкость, источник света и фотоприемник, устройство счета газовых пузырьков, подключенное к фотоприемнику, и устройство определения времени смещения импульсов, поступающих от фотоприёмников, и скорости движения центра пузырьков.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что:

1. Разработана математическая модель движения пузырька газа вдоль оси цилиндра с вязкой жидкостью в устройстве, осуществляющем контроль объёмного расхода газа с учётом реологических свойств жидкости для барботирования.

2. Предложен принцип измерения реологических свойств жидкости, основанный на регистрации параметров движения пузырька газа, барбати-руемого через слой вязкой жидкости.

3. Разработан метод контроля расхода газа, позволяющий учесть изменение давления жидкости и влияние температуры на реологические свойства жидкости используемой для барбатирования.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

Разработанная математическая модель движения пузырька газа вдоль оси цилиндра с вязкой жидкостью и её аналитическое описание, обеспечивающие адекватное представление динамики процессов течения пузырька газа и процессов изменения реологических свойств жидкости, позволяют:

1) проводить исследования процессов, сопровождаемых сверхмалым газовыделением;

2) проводить научно-практические исследования реологических свойств вязких жидкостей;

3) проводить научно-практические исследования концентраций одно-компонентных растворов вязких оптически прозрачных жидкостей.

Применение предложенных способов и аппаратно-программных средств контроля позволяет повысить достоверность и точность определения объёмного расхода газа в процессах, сопровождаемых его малым выделением, а также исследовать реологические свойства вязких жидкостей. Это достигается применением:

1) разработанных электронных устройств, позволяющих измерять скорость движения центра пузырька газа в цилиндрическом объёме вязкой среды;

2) разработанной прикладной программы, обеспечивающей контроль вязкости и получение значения объёма пузырька газа, используемого в качестве маркёра при движении в вязкой жидкости.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международном симпозиуме «Надёжность и качество 2008» (г. Пенза, с 26 мая по 1 июня 2008 г.), VIII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир-Суздаль, с 21 по 23 мая 2008 г.), П-ой конференции молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» (Московская область, г. Звенигород, с 7 по 11 июня 2009 г.), П-ой международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире —2009» (г. Санкт-Петербург, с 8 по 10 декабря 2009 г.).

Публикации. По результатам работы опубликованы 11 научных работ, из них 4 — статьи, из которых 1 в издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК, 1 — патент, 1 — свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ, 5 — тезисов докладов на конференциях.

Выводы.

Разработанная схема устройства, реализующая измерение времени следования импульсов, формируемых при засветке фотодиодов, обеспечивает распознавание образа пузырька-маркёра. При этом, система позволяет определить расположение точки соответствующей середине пузырька-маркёра.

Система измерения концентрации оптически прозрачных однокомпо-нентных растворов, например, водного раствора сахара, путем измерения времени прохождения пузырьком-маркером определенных участков, расположенных на траектории его подъема, с определением динамической вязкости и оценкой по косвенным зависимостям величины концентрации вещества растворе, позволяет обеспечить оперативный инструментальный контроль концентрации растворов рецептурных компонентов, необходимый для настройки технологического оборудования при получении полуфабриката с определёнными реологическими свойствами.

Установлен диапазон концентрации раствора сахара 45−60%, который говорит о высокой сходимости предлагаемого метода контроля концентрации однокомпонентных растворов и возможности его использования в пищевой промышленности.

Использование пузырькового метода измерения малых газовыделений при исследовании процессов спиртового брожения с использованием микропроб дрожжей показало, что пузырьковый метод обладает преимуществами по сравнению с существующими волюмометрическим и манометрическим методами. К основным преимуществам следует отнести высокую точность измерения, возможность регистрации кривой с самого начала процесса газовыделения и отсутствие скопления выделяющегося газа над исследуемым образцом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведённый в первой главе анализ показал, что процессы, сопровождающиеся выделением малых объёмов газа, широко распространены в промышленных областях связанных с технологиями материалов, биологическими технологиями и инженерией. При этом, было выделено большое многообразие существующих средств, обеспечивающих контроль расхода малых объёмов газа.

Анализ, показал, что наиболее перспективным является пузырьковый метод контроля расхода малых объёмов газа [75, 76]. При этом, был отмечен основной путь развития теории в области наиболее перспективного пузырькового метода измерения основанного на явлении барботирования.

Описание пузырькового метода измерения, проведённое во второй главе, выявило ряд теорий в области теплообмена двуфазных систем, гидродинамики ламинарного течения жидкости и движения тел в жидкостях. Теоретическое исследование процессов теплообмена в системе, состоящеё из жидкой и газообразной фаз, показало, что нагретый сферический объект, осуществляющий движение сквозь вязкую жидкость, за счёт процесса теплопроводности изменяет температуру жидкости и её реологические свойства [84].

Проведенный анализ теории ламинарного течения жидкости и капиллярных явлений на границе раздела фаз позволил выявить комплекс параметров и определить ряд зависимостей, позволяющих проводить измерение расхода газа с учётом влияния реологических свойств жидкости на объём газового пузырька, перемещающегося в среде [77].

Анализ методов измерения динамической вязкости и коэффициента поверхностного натяжения показал, что среди существующих отсутствуют способы, при реализации которых использовались бы объекты, имеющие плотность много меньше плотности жидкости, в которой они движутся. При этом, была выдвинута гипотеза, на основе которой, предлагалось контроль реологических свойств жидкости для барботажа обеспечить путем измерения времени прохождения газовым пузырьком-маркером определенных участков, расположенных на траектории его подъема.

В третьей главе была сформулирована методика выполнения измерения объёма газа при его барботаже, путём контроля реологических свойств жидкости, используемой для барботажа. Разработанный метод измерения расхода малых объёмов газа позволяет учесть изменения реологических параметров барботажной жидкости, влияющие на величину объёма пузырька [78].

Предлагаемое средство контроля прохождения пузырька-маркёра в цилиндрическом объёме жидкости осуществляет измерение времени прохождения материальной точки, расположенной между вершиной и основанием пузырька, при движении вдоль траектории подъёма [80].

Исследование водных растворов глицерина в диапазоне концентраций 70−90% привело к выводу о необходимости выбора жидкости для барботирования с вязкостью свыше 25 Па-с.

Анализ точности измерительной установки используемой при исследовании показал, что приведенная суммарная погрешность, с доверительной вероятностью 0,95, в диапазоне температур от 20 до 40 °C для измерительной кюветы и измерительного канала не превышает значения 2,1% [79].

В четвертой главе приводятся практическая реализация средств измерения параметров барботажной системы, а именно:

— разработано устройство, реализующее измерение отрезка времени следования импульсов, формируемых при засветке фотодиодов, которое обеспечивает распознавание образа пузырька-маркёра, путём определения расположения точки соответствующей середине пузырька-маркёра [79];

— для обеспечения качества полуфабриката разработана система измерения концентрации оптически прозрачных однокомпонентных растворов, основанная на определении динамической вязкости и оценки по косвенным зависимостям величины концентрации вещества в растворе [80]. По результатам апробации получен акт об использовании результатов диссертационной работы в Московском Государственном Университете Пищевых Производств, приложение Д;

— разработан аппаратно-программный комплекс контроля реологических параметров вязкой среды [81];

— разработано устройство измерения малых газовыделений, на примере процессов спиртового брожения с использованием микропроб дрожжей [82].