Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ _______________________________________________________________ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ На правах рукописи
УДК 535.3 Патяев
Александр Юрьевич РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛЯ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2012
Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Яськов Андрей Дмитриевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ишанин Геннадий Григорьевич кандидат технических наук, ведущий конструктор СКБ Турбина, ОАО Силовые машины (филиал ЛМЗ) Рыбаков Сергей Георгиевич
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ им.
В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)
Защита диссертации состоится 19 июня 2012 года в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб НИУ ИТМО.
Автореферат разослан 17 мая 2012 г.
Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, СПб НИУ ИТМО, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.к. т. н., доцент Красавцев В. М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Этиленгликоль, пропиленгликоль и их водные растворы достаточно широко используются в современных аэропортах для предполетной антиобледенительной обработки корпусов воздушных судов (ВС).
Для контроля процесса обработки перспективно использование оптических рефрактометрических технологий, основанных на методе полного внутреннего отражения. Применяемые при этом датчики погружного типа, устанавливаемые непосредственно в технологический поток, могут обеспечить контроль состава раствора и его общий расход (при включении в систему расходомера, определяющего общий расход раствора противообледенительной жидкости). 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 (n) и его температурный коэффициент (dn/dt), коэффициент поглощения K() в рабочем диапазоне температур до T=60С и во всем диапазоне концентраций 0-100%. Такие данные к настоящему времени неполны и противоречивы. 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 имеют сходимость на уровне n=0,001. Температурный коэффициент имеет разброс в пределах от dn/dt=(-31)*10-5 1/C. Оптическое поглощение в этих средах вообще не изучалось. Поэтому задачи исследования оптических свойств растворов этиленгликоля и пропиленгликоля остается актуальным.
Применяемые рефрактометрические датчики общего назначения здесь могут оказаться малопригодными по своим конструктивным особенностям;
процедура калибровки и используемое программное обеспечение не всегда адоптированы для применения в конкретных средах. Поэтому проблемы исследования возможностей рефрактометрических технологий в применении к контролю противообледенительной ВС остаются актуальными. 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 рефрактомерических датчиков и, при необходимости, внесены изменения в их конструкцию, оптическую и оптико-электронную систему и ПО.
Цель работы состояла в лабораторном исследовании оптических свойств этиленгликоля, пропиленгликоля и их водных растворов, разработке проблемноориентированных рефрактометрических датчиков для контроля состава этих растворов, лабораторных исследованиях и промышленных испытаниях рефракрометрических датчиков, а также алгоритмов оптимизации их конструкции и программного обеспечения в применении к контролю противообледенительной обработки корпусов ВС.
Задачи работы:
1. Исследование показателя преломления и его температурного коэффициента в водных растворах гликолей при концентрации растворов k=0100% и температурах Т=1060С на длинах волн =589 нм и =683 нм, определямых требованиями прикладной рефрактометрии.
2. Исследование оптического поглощения в растворах этиленгликоля и пропиленгликоля в ультрафиолетовой и видимой областях спектра при =200-400 нм.
3. Сопоставительный анализ в рамках общей теории дисперсии данных по коротковолоновому поглощению и показателю преломления в видимой области длин волн.
4. Разработка рефрактометрических датчиков погружного типа для контроля состава водных растворов этиленгликоля и пропиленкликоля, включая лабораторные исследования и натурные испытания в условиях реальных аэропортов.
Научная новизна работы:
1. На уровне требований рефрактометрической технологии выполнены исследования оптических свойств этиленгликоля и пропиленгликоля.
2. Впервые в рамках общей теории дисперсии проведен сопоставительный анализ ультрафиолетового поглощения и концентрационной зависимости показателя преломления в видимом диапазоне длин волн.
3. Выполнены разработки рефрактометрического датчика погружного типа для контроля составов растворов этиленгликоля и пропиленгликоля;
проведено его лабораторное исследование и установка на натурные испытания.
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты измерений (на уровне требований практической рефрактометрии) концентрационной и температурной зависимостей показателя преломления водных растворов этиленгликоля и 1,2- пропиленгликоля при температурах Т=1060С и массовых концентрациях их водных растворов k=0100%.
2. Впервые установлено, что температурный коэффициент показателя преломления dn(k)/dt при Т=1060С и k=0100% имеет нелинейную зависимость от концентрации водного раствора и совпадает для обоих исследованных гликолей.
3. Данные измерений ультрафиолетового поглощения в водных растворах гликолей при k=0100%, =200-400 нм и Т= 20С.
4. Полуэмпирическая модель для расчетов длинноволнового показателя преломления, где ультрафиолетовое поглощение представляется одной лэффективной полосой поглощения с максимумом при = 247 нм, приходящимся на полосу фундаментального поглощения в обоих гликолях, и амплитудой (эмпирический параметр), зависящей, линейно от концентрации раствора.
5. Впервые показано, что показатель преломления водных растворов гликолей для видимого диапазона длин волн может быть вычислен с точностью, сопоставимой с погрешностью измерений, исходя из данных по ультрафиолетовому поглощению (=200-400 нм).
6. Промышленной рефрактометрический датчик погружного типа в виде моноблока, совмещающего погружной зонд с оптической системой и блок с одноплатной оптико-электронной системой сбора и обработки данных, не уступающий или превосходящий по техническим характеристикам зарубежные аналоги.
Достоверность научных и практических результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований и компьютерного моделирования, а также предварительными данными производственных испытаний в условиях реальной противообледенительной обработки ВС.
Достоверность технических параметров специально разработанных и представленных в диссертации приборов (ультрафиолетовый спектрофотометр и производственные рефрактометрические датчики) были подтверждены также результатами лабораторных измерений на тестовых пробах. Для ультрафиолетовой спектрофотометрии использовались стандартные газоразрядные лампы линейчатого спектра излучения, ультрафиолетовые стекла серий БС и УФС, сертифицированные по каталогу цветного стекла (Из-во Машиностроение, М., 1967 г.), а также государственные стандартные образцы (ГСО) состава растворимых органических веществ. Для аттестации рефрактометрических датчиков применялись жидкофазные пробы в виде водных растворов сахарозы, приготовленные по ГОСТ 28562-90, и растворов глицерина.
Выносимые на защиту рефрактометрические датчики прошли метрологическую аттестацию во ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Внедрение результатов работы. Представленные рефрактометрические датчики и алгоритмы их использования в настоящее время проходят натурные испытания в аэропортах г.Владивостока и Домодедово (г. Москва).
ичный 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.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены соискателем на:
1. VIII международная научно-практическая конференция Современные научные достижения. Прага, 2012 г.
2. XIII международная научно-практическая конференция Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности.СПб, 2012 г.
3. Конференция молодых ученых СПб НИУ ИТМО. СПб, 2012 г.
4. Конференциях профессорско-преподавательского состава СПб НИУ ИТМО в 2008-2012 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы, включая две научных статьи и две работы в трудах международных научных конференций, входящих в перечень рецензируемых изданий, признаваемых ВАК Минобрнауки РФ. Еще две научных статьи с участием соискателя прошли рецензирование и приняты к печати.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 103 страницы машинописного текста, включая 37 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 59 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и научная новизна диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены данные по апробации и внедрении результатов работы.
В первом разделе, представляющим собой обзор доступной научнотехнической литературы, приводятся особенности технологий противообледенительной обработки ВС в современных аэропортах, физикохимические и известные оптические свойства применяемых для этой обработки жидкофазных растворов (главным образом на основе этиленгликоля и пропиленгликоля). Обсуждаются возможности промышленной рефрактометрии для контроля и оптимизации процесса противообледенительной обработки ВС.
Рассматриваются основные технические и технико-эксплуатационные характеристики предлагаемых на внешнем рынке промышленных рефрактометров, в том числе анализируются их достоинства и недостатки в применении к контролю водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля. На основании анализа опубликованных данных формулируются основные цели и задачи данной работы.
Во втором разделе дано краткое описание приготовления использованных в лабораторных исследованиях водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля, а также методов и средств измерения показателя преломления и его температурного коэффициента dn/dT на =589 и 633 нм, которые представляли собой известные рефрактометры для исследования жидкофазных сред (рефрактометры Аббе), дооснащенные термостатом прокачного типа. Более детально здесь рассмотрен специально разработанный лабораторный спектрофотометр для ультрафиолетовой области спектра. Его оптическая система и внешний вид приведены на рис. 1; технико-эксплуатационные характеристики прибора обобщены в таблице 1.
Рис.Таблица 1. Основные технико-эксплуатационные характеристики ультрафиолетового лабораторного спектрофотометра 1. Рабочий спектральный диапазон 200-400 нм.
2. Предел спектрального разрешения не хуже 5 нм.
3. Погрешность калибровки шкалы длин волн не хуже 2 нм.
4. Погрешность измерения коэффициента пропускания не хуже 5%.
5. Время регистрации одного спектра 25 мс.
6. Питание от сети 220 В, 50 Гц.
7. Передача данных через порт RS 232.
8. Габаритные размеры 700х250х180 мм.
В этом разделе рассмотрены также методы и средства калибровки разработанного ультрафиолетового спектрофотометра по длинам волн с использованием газоразрядной ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12, а также - по шкалам длин волн и оптического пропускания - с использованием ультрафиолетовых цветных стекол серий УФС и БС и государственных стандартных образцов (ГСО) состава растворимых органических веществ.
В третьем разделе даны результаты измерений показателя преломления водных растворов этиленгликоля и 1,2 - пропиленгликоля в зависимости от концентрации (k=0-100%) и температуры (Т=10-60С) раствора, а также их ультрафиолетовому поглощению при =200-400 нм, использованные в дальнейшем для калибровки рефрактометрических датчиков. В рамках общей теории дисперсии сопоставлены данные по спектрам ультрафиолетового излучения растворов и длинноволновому показателю преломления.
Результаты измерений концентрационных зависимостей показателя преломления n(k) в растворах этиленгликоля и пропиленгликоля в воде при Т=20С на =589 нм во всем диапазоне концентраций k=0-100% могли быть представлены полиномами третьей степени:
n(k)=-2.565e-008*k3+2.9265e-006*k2+0.00091983*k+1.333 (1) для растворов этиленгликоля, n(k)=-3.9361e-008*k3+3.5605e-006*k2+0.001047*k+1.333 (2) для растворов пропиленгликоля.
Сходимость результатов интерполяции по (1) или (2) концентрационных зависимостей n(k) была не хуже n0.0003, что соответствовало погрешности измерений показателя преломления. Дисперсионная зависимость показателя преломления n() (на =589 нм в сравнении с =633 нм) экспериментально не выявлялась; данные измерений n на =589 нм и 633 нм имели расхождения в основном случайного характера, которые были близки к погрешности измерений и не превышали n0.0005.
Температурный коэффициент dn/dT при температурах в диапазоне Т=1060С в зависимости от концентрации растворов при k60% представлен на рис. 2.
Рис. 2.
Зависимости dn(k)/dT как для растворов этиленгликоля, так и пропиленгликоля совпадали с погрешностью, близкой к погрешности измерений n(T). Концентрационные зависимости dn(k)/dT были существенно нелинейными и могли быть представлены полиномом второй степени (расчетное выражение приведено на поле рис. 2). Этот результат значим при определении алгоритма температурной коррекции рефрактометрических данных.
В этом же разделе в рамках общей теории дисперсии дан сопоставительный анализ спектров ультрафиолетового поглощения при = 200-400 нм в растворах гликолей и длинноволнового показателя преломления на рабочих длинах волн рефрактометрического датчика =589 или 633 нм.
Полуэмпирическая модель для расчетов показателя преломления в видимой области спектра основывалась на принципе аддитивности диэлектрической проницаемости в двухкомпонентных жидкофазных растворах. В использованной модели полоса фундаментального ультрафиолетового поглощения была представлена одной лэффективной полосой с максимумом на = 247 нм, приходящимся на максимум поглощения в обоих гликолях, и амплитудой (эмпирический параметр), зависящей, линейно от концентрации раствора;
Результаты расчетов, выполненных в рамках данных модельных представлений, и измерений зависимостей n(k) имели удовлетворительную не только качественную, но и количественную сходимость, близкую к экспериментальной погрешности (наибольшая погрешность здесь составляла 0.0008 и 0.0004, соответственно для растворов этиленгликоля и пропиленгликоля) Четвертый раздел посвящен рассмотрению основных конструктивных и технико-эксплуатационных характеристик оптикоэлектронного рефрактометрического датчика для контроля состава водных растворов этилен- и 1,2-пропиленгликолей, устанавливаемого непосредственно в технологический поток противообледенительной обработки ВС. Дается описание оптической и оптико-электронной систем сбора и обработки данных измерений, особенности используемого программного обеспечения, включая рабочее меню пользователя.
Изложены общие принципы настройки и лабораторных испытаний датчика в т. ч.
его калибровки по шкалам массовой концентрации и температуры, проверка на устойчивость к общему давлению внешней среды, а также химической стойкости уплотнителей (прокладок).
Приводятся результаты предварительных производственных испытаний рефрактометров в аэропорту г. Владивостока. На основании полученных данных обоснованы дополнительные требования к рефрактометрическому датчику для контроля противообледенительной обработки воздушных судов, который может служить прототипом для промышленного образца.
Структурная схема прибора вместе с необходимыми пояснениями по его блочному и элементному составу представлена на рис. 3, на поле этого рисунка и в подрисуночной подписи.
Рис. 3. Структурная схема погружного рефрактометра: 1 - светодиод, 2 - осветительный волоконно-оптический жгут, 3 - оптическая призма, 4 - объектив, 5 - регулярный волоконнооптический жгут, 6 - фотоприемник, 7 - термодатчик.
Внешний вид рефрактометра показан на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид рефрактометрического погружного датчика.
На рис. 5 приведены габаритно-установочные размеры датчика.
Рис.По результатам приведенного здесь выше описания конструктивных особенностей базовой модели рефрактометрического датчика, а также данных по его лабораторной калибровки и испытаний, наиболее значимые для пользователя параметры могут быть сведены в таблицу 2.
Таблица 2. Основные технико-эксплуатационные характеристики базовой модели рефрактометра.
Технические характеристики Модель ПР-Рабочий диапазон по показателю преломления среды 1.320-1.4Рабочие пределы измерения концентрации в шкале Brix 0-50 % Диапазон измерения концентрации (Brix) в рабочих 40 % пределах Погрешность измерения показателя преломления 0.0Погрешность измерения концентрации (Brix) 0.5 % Температурная компенсация показаний рефрактометра автоматическая 0-140 C Допустимые пределы изменения рабочей температуры или (при использовании терморезистора) 0-250 C Погрешность измерения температуры среды, не хуже 1.0 C Время выхода на рабочий режим после включения 20 мин Период обновления данных (устанавливается программно) 0.1-3.0 с Выходные сигналы аналоговые (концентрация, температура) 4-20 mA Масса изделия 8.5 кг Габаритные размеры 350180180 мм Питание 220 В, 50 Гц В пятом разделе даются рекомендации по оптимизации конструктива и оптко-электронной системы промышленного рефрактометра, полученные в результате лабораторных и промышленных испытаний базового рефрактометрического датчика. Приводятся результаты его лабораторных испытаний. Предлагаемый рефрактометр не только не уступает, но и во многих случаях превосходит по своим техническим параметрам зарубежные аналоги и может служить прототипом промышленного образца.
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 ее 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 свойства и оптическое поглощение.
В связи с этим в данной работе были выполнены:
1. Измерения (на уровне требований промышленной рефрактометрии) концентрационной и температурной зависимостей показателя преломления n(k,T) в водных растворах этилен- и 1,2-пропиленгликолей. Полученные данные в целом подтвердили опубликованные ранее результаты измерений n(k) при Т=20С и при k60%. Для более высоких концентраций и для диапазона температур Т=10-60С такая зависимость получена здесь впервые.
2. По данным измерений температурной зависимости показателя преломления n(T) в гликолях различной концентрации впервые определен температурный коэффициент показателя преломления dn(k)/dT.
Установлено, что во всем диапазоне концентраций k=0-100% при температурах Т=10-60С параметр dn/dT остается практически постоянным, как в водных растворах этиленгликоля, так и таких же растворах на основе 1,2-пропиленгликоля. Зависимость dn(k)/dT при Т=10-60С может быть представлена квадратичными полиномами.
3. Впервые в рамках общей теории дисперсии сопоставлены и обобщены результаты измерений спектров ультрафиолетового поглощения в гликолях (k=0-100%) при =200-400 нм и концентрационных зависимостей показателя преломления на рабочих длинах волн промышленного рефрактометра (=589 и 633 нм).
4. Разработана базовая модель промышленного рефрактометрического датчика для контроля состава водных растворов гликолей, а также методы и средства его лабораторной калибровки, настройки и испытаний.
Предлагаемый прибор по своим технико-эксплуатационным и стоимостным характеристикам не уступает или превосходит зарубежные аналоги. В настоящее время прибор проходит промышленные испытания в аэропорту г. Владивостока.
5. На основании анализа данных лабораторных исследований, а также предварительных результатах промышленных испытаний разработан специальный рефрактометр для контроля ПОЖ. Датчик передан на эксплуатационные испытания в аэропорт "Домодедово" (г. Москва).
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Белов Н. П., Гайдукова О. С., Панов И. А., Патяев А. Ю., Смирнов Ю. Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д Лабораторный спектрофотометр для ультрафиолетовой области спектра. // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 2011. - Т.
54, № 5. с. 81-87.
2. Лапшов С. Н., Майоров Е. Е., Патяев А. Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д Оптические свойства водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля и применение рефрактометрии для контроля их состава при антиобледенительной обработке корпусов самолетов.// Материалы VIII международной научнопрактической конференции Современные научные достижения. - Образование и наука, Прага 2012. - Т. 24. с. 78-81.
3 Белов Н. П., Лапшов С. Н., Патяев А. Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д..
Температурная зависимость показателя преломления водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Т. 78. - № 2. с. 138-139.
4. Лапшов С. Н., Майоров Е. Е., Патяев А.Ю., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д.
Применение рефрактометрии для контроля процессов противообледенительной обработки воздушных судов в аэропортах. // Сб. статей XIII международной научно-практической конференции Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности, Санкт-Петербург 2012, с. 315-318.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям