CC BY
59
Karyshev Anatoly Konstantinovich, candidate of technical sciences, professor, k1kf@,bmstu-kaluga. ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University,
Zhinov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of chair, k1kf@,bmstu-kaluga. ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University,
Shevelev Denis Vladimirovich, candidate of technical science, docent, klkfa bmstn-kaluga.ru, Russian Federation, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University
УДК 655.004.55
ВЛАГОМЕТРИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
В.Е. Константинов, Ф.Е. Шарыкин, В.Г. Калашников, М.Г. Гапочка
Рассмотрены основные методы измерения влажности жидких углеводородов, представлен их технико-экономический анализ. Приведены материалы по совершенствованию системы влагометрии физических методов путем повышения чувствительности и точности, уменьшения погрешности измерений и потери сигнала.
Ключевые слова: влагометрия, жидкие углеводороды, устройство измерения влажности, пористые материалы, пространственно-глобулярная структура, точность измерения.
Одним из основных технологических параметров, определяющих качество бесчисленного множества жидкостей и твердых материалов является влажность [1]. Влажность - физико-химическая количественная характеристика содержания воды как активного структурного компонента материалов, жидких углеводородов и других исследуемых объектов, которые могут находиться в различных фазовых состояниях и при различной степени диспергирования. Выбор этого параметра для контроля и регулирования не случаен и определяется тем, что большинство технических процессов в различных областях промышленности и отраслях экономики, в том числе нефтеперерабатывающей (нефтепродуктообеспечивающей), содержат в своем составе операции, связанные с изменением содержания влаги в перерабатываемом (используемом) продукте.
Жидкие углеводороды (дизельные топлива, топлива для реактивных двигателей, бензины, технические масла и специальные жидкости) в процессе хранения, транспортирования и непосредственного применения в различных механизмах, машинах и аппаратах накапливают влагу, теряя при этом свои эксплуатационные показатели, что, в свою очередь, может привести к преждевременному износу отдельных деталей, и, как следствие, выходу из строя, отказу самого изделия.
141
Вода присутствует практически во всех жидких углеводородах как в диспергированном, так и в растворенном состоянии, причем в процессе изменения режимов течения, давлений и температур могут осуществляться фазовые переходы. Причиной тому является наличие в преобладающем большинстве смесей жидких углеводородов их ароматических соединений (аренов), способствующих растворению воды при высоких температурах и выделению ее при понижении температуры. Опасность оставления воды в жидких углеводородах состоит в том, что растворенная вода при резком охлаждении выделяется из жидких углеводородов сначала в виде тонкой эмульсии, а затем в виде кристаллов льда, способных забить фильтры или жиклеры карбюраторов. Она ухудшает смазочные свойства, ведет к образованию суспензий в резервуарах, вызывает разрушение продукта микроорганизмами и коррозию различных металлов. Кроме того, жидкие углеводороды, используемые в высоковольтной технике, становятся электропроводящими и совершенно бесполезными при наличии воды. Поэтому контроль содержания воды в используемых углеводородных жидкостях непосредственно связан с обеспечением надежности функционирования эксплуатируемой техники, имеет первостепенное значение и является особенно актуальным [2].
В области влагометрии - науки об измерении величин, характеризующих влажность, наибольшее значение имеют две проблемы: обеспечение избирательности и чувствительности метода к воде, содержащейся в веществе, и анализ, оценка и контроль погрешностей измерений, обусловленных влиянием на результаты измерений объектов, методов и средств измерений.
Методы измерения влажности принято делить на прямые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу, к ним относятся: термогравиметрический, дистилляционные, экстракционные, химические. Косвенные методы характеризуются измерением величины, функционально связанной с влажностью материала, данные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой физической величиной [3]. Они подразделяются на механические, пикнометрический, физические, оптические. Физические методы измерения влажности по сравнению с другими методами имеют большие преимущества и являются наиболее быстродействующими из всех существующих методов, они нашли наибольшее применение на практике. На рис. 1 представлена классификация физических методов измерения влажности.
В лабораторных условиях для количественного определения содержания влаги в жидких углеводородах широко применяется метод Дина и Старка, принятый в качестве стандартного [4]. Однако данный метод очень
трудоемок, длителен, в ряде случаев недостаточно точен, плохо воспроизводим, требует при малых содержаниях воды большого количества исследуемой пробы.
Рис. 1. Классификация физических методов измерения влажности
Известные в настоящее время устройства и способы измерения влажности материалов и сред ввиду различных конструктивных особенностей, зависимости от вида контролируемого вещества, необходимости механической настройки отдельных элементов и т.п. имеют относительно низкую чувствительность и точность измерений, что, в свою очередь, влияет на разрешающую способность, сказывается на погрешности измерений и получаемом результате [5-7], при этом приборы, разработанные на основе указанных принципов не всегда позволяют оперативно оценивать содержание влаги в жидких углеводородах, особенно при небольших ее концентрациях, и в основном приспособлены для работы в лабораторных условиях.
Из множества методов измерения влажности жидких углеводородов, влагометрия в миллиметровом диапазоне длин электромагнитных волн, относящаяся к радиочастотным методам, является наиболее приемлемым и обладает существенными преимуществами:
имеет высокую чувствительность благодаря пику поглощения воды в миллиметровом диапазоне длин волн и относительной прозрачности исследуемых углеводородных сред;
позволяет существенно упростить и ускорить процесс измерения и обработки получаемой информации;
может использоваться для проведения экспресс-контроля, а также в системах диагностики;
имеет высокие технико-экономические показатели. Сотрудниками ФАУ «25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства обороны Российской Федерации» совместно с ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова» разработано устройство для измерения влажности жидких углеводородов, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема устройства для измерения влажности жидких углеводородов: 1 - генераторная головка; 2 - приемная головка; 3 - блок питания; 4 - рупор; 5 - образец контролируемой среды; 6 - блок усиления сигнала; 7 -блок детектирования сигнала; 8 - кювета; 9 - прозрачная стенка; 10,11 - горловины для слива/налива контролируемой и эталонной сред; 12 - подвижная шторка; 13 - проточный участок; 14 - регенерируемый фильтр; 15 - аналогово-цифровой преобразователь; 16 - блок управления; 17 - блок индикации; 18 - клавиатура
Устройство содержит генераторную и приемную головки, соединенные с блоком питания, приемопередающую антенну с рупором, контактирующим с образцом контролируемой среды, последовательно соединенные блоки усиления и детектирования сигнала. При этом образец контролируемой среды помещен в кювету, а генераторная и приемная головки выполнены в едином блоке и размещены в горловине рупора приемопередающей антенны в фокальной плоскости отражающих профилированных поверхностей стенок кюветы. Кювета сопряжена своей прозрачной стенкой с выходом рупора и выполнена из материала, отражающего волны миллиметрового диапазона, имеет горловины для слива/налива контролируемой и эталонной сред и снабжена подвижной шторкой для образования проточного участка, на входе которого установлен регенерируемый фильтр из полимера пространственно-глобулярной структуры с сорбирующими свойствами [8]. Блок детектирования последовательно соединен с аналого-цифровым преобразователем и блоком управления, связанным обратной связью с блоком питания, блоком индикации и клавиатурой, с помощью которой выбираются диапазоны измерений, масштаб и размерность измеряемой величины и выход которой соответственно подсоединен к блоку управления, причем последний обратными связями соединен с блоками усиления и детектирования.
Предварительно осушенный эталонный образец контролируемой среды через открытую горловину отвакуумированной кюветы и при открытой подвижной шторке заливается в кювету через фильтр, где происходит окончательная доосушка среды. После заливки в кювету последняя герметизируется. Для уменьшения потерь, связанных с отражением от прозрачной стенки, повышения чувствительности и точности при калибровке осуществляется согласование сигнала в приемопередающем тракте в зависимости от физических параметров среды. Это достигается либо специальной обработкой принимаемого сигнала в блоке управления, либо изменением параметров высокочастотного сигнала в блоке питания. При подаче контролируемой среды в кювету регенерируемый фильтр не задействуется. При калибровке и измерениях высокочастотный сигнал миллиметрового диапазона длин волн, сформированный в генераторной головке и промо-дулированный низкочастотным сигналом, параметры которого вырабатываются в блоке питания, а задаются в блоке управления, по рупору, сопряженному с прозрачной стенкой, попадает в кювету с эталонным или исследуемым образцом, стенки которой не вносят потерь измерительной информации, и отражаясь от их профилированных внутренних поверхностей с минимумом потерь попадает далее в приемную головку, установленную в едином блоке с генераторной головкой, а затем направляется на усилитель для увеличения отношения сигнала к «шуму». Блок детектирования выделяет низкочастотную составляющую сигнала, которая затем подается в аналого-цифровой преобразователь. Сигнал в виде цифрового кода обра-
батывается в блоке управления по задаваемому оператором алгоритму, окончательный результат выводится на блок индикации. При качании частоты или фазовой модуляции волн, осуществляемых блоком питания по программе, задаваемой блоком управления, измерения могут повторяться многократно, увеличивая их достоверность при наличии динамических воздействий и вибраций. При этом измеряются амплитуда и фаза волны, прошедшей через исследуемую среду в кювете.
При измерении влажности в средах с большим содержанием воды определяется амплитуда электромагнитной волны, отраженной от поверхности среды, прилегающей к прозрачной стенке кюветы. Для этого с помощью подвижной шторки отделяется проточный участок кюветы, открываются горловины для слива/налива контролируемой и эталонной сред и осуществляется подача среды по магистрали, минуя фильтр. Измерения при этом могут проводиться в движущейся среде, например, при наливе в емкости.
Формирование проточного объема подвижной шторкой устраняет влияние «шума» от остального объема на полезный сигнал. Использование фильтра с сорбирующими свойствами позволяет досушивать эталонные образцы контролируемой среды при калибровке тракта измерения. Представленное конструктивное исполнение устройства для измерения влажности жидких углеводородов позволило обеспечить следующие технические характеристики:
диапазон измерений содержания влаги, мг/л.......................1...100
чувствительность, мг/л.............................................не менее 1
относительная погрешность измерения, %.................................0,5... 10
габаритные размеры (без преобразователей), мм.........300х200х100
масса, г..........................................................................850
Таким образом, использование разработанного устройства для измерения влажности в жидких углеводородах за счет исключения подвижных механических элементов настройки, а также использования максимальной информативной доли сигнала позволяет в миллиметровом диапазоне длин волн уменьшить погрешности измерения как систематического, так и случайного характера, увеличив при этом долю полезного сигнала к «шуму» и, следовательно, повысить его точность и чувствительность как при калибровке, так и при измерении. Устройство может использоваться для осуществления экспресс-контроля содержания влаги в жидких углеводородах, а также в других неметаллических материалах и средах.
Список литературы
1. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Е.С. Кричевский, В.К. Бензарь, М.В. Венедиктова [и др.]; под общ. ред. Е.С. Кричевского. М.: Энергия, 1980. 240 с.
2. Сыроедов Н.Е., Галко С.А., Шарыкин Ф.Е. Совершенствование технологий обеспечения качества нефтепродуктов // Нефтепереработка и нефтехимия. 2012. № 4. С. 49-51.
3. Берлинер М.А. Измерение влажности. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1973. 400 с.
4. ГОСТ 2477-65 Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды. URL: http://www.docs.cntd.ru/document/gost-2477-65 (дата обращения: 29.11.2015).
5. А. с. 271104 СССР. Способ измерения влажности материалов, неоднородных по электрическим свойствам / Т.У. Атаметов, В.Н. Дроздов, Г.А. Каримов, В.Е. Мальцев. Опубл. 12.05.1970. Бюл. № 17.
6. Патент 2132051 РФ. Устройство для измерения влажности / Л.И. Елшина, В.П. Козлов. Опубл. 20.06.1999. Бюл. № 17.
7. Исследование применения объемного резонатора для измерения свободной воды в топливах / Д.У. Думболов, С.А. Галко, Ф.Е. Шарыкин, М.А. Суслин, Прищепенко В.Ю. // Химия и технология топлив и масел.
2014. № 10. С. 53-56.
8. Перспективное направление развития средств фильтрации жидкостей / Н.Е. Сыроедов, С.А. Галко, Ф.Е. Шарыкин, Г.Е. Шарыкин // Наука и технологии: материалы XXXV Всероссийской конференции, посвященной 70-летию Победы, 16-18 июня 2015 г.; под ред. Н.П. Ершова. М.: РАН,
2015. Т. 1. С. 117-121.
Константинов Виталий Евгеньевич, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, vitacon194@,mail.ru, Россия, Москва, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»,
Шарыкин Федор Евгеньевич, ст. научный сотрудник, fedor_rf@mail.ru, Россия, Москва, ФА У «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»
Калашников Валерий Георгиевич, мл. научный сотрудник, 22otdel@mail.ru, Россия, Москва, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»
Гапочка Михаил Германович, канд. физ.-мат. наук, доц., gapochka@physics.msu.ru, Россия, Москва, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
HUMIDIMETRYLIQUID HYDROCARBONS
V.E. Konstantinov, F.E. Sharykin, V.G. Kalashnikov, M.G. Gapochka
In article the basic methods of measurement of humidity of liquid hydrocarbons are considered, their technical and economic analysis is presented. Materials on system perfection humidimetry physical methods by increase of sensitivity and accuracy, reduction of an error of measurements and signal loss are resulted.
Key words: humidimetry, liquid hydrocarbons, the device of measurement of humidity, porous materials, spatially-globuljarnaja structure, accuracy of measurement.
Konstantinov Vitaly Evgenevich, candidate of technical sciences, the senior scientific employee, vitacon194@„mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»,
Sharykin Fedor Evgenevich, the senior scientific employee, fedor rf@,mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»
Kalashnikov Valery Georgievich, the younger scientific employee, 22otdel@,mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»
Gapochka Mikhail Germanovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, gapochka@physics.msu.ru, Russia, Moscow, The Moscow State University named after M. V. Lomonosov
УДК621.91.02:621.9.04
ОБОСНОВАНИЕ МИКРО- И НАНОРЕЛЬЕФОВ НА ПОВЕРХНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ВЫБОРА МЕТОДОВ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
В.В. Любимов, В.М. Волгин, И.В. Гнидина, М.С. Саломатников
Обоснована микрогеометрия поверхностей режущего клина в соответствии с течением металла по его поверхности. Показаны некоторые типовые варианты микрогеометрии поверхностей. Предложены электрофизикохимические методы и технологические схемы их реализации для получения заданных микрорельефов.
Ключевые слова: режущий клин, микрорельеф, электрофизикохимические методы обработки, технологические схемы.
Резание металлов, пластмасс, композитов осуществляется на основе использования режущего клина (инструмента) [1 - 3] при его относительном движении по отношению к заготовке (скорости резания и подаче). Основными элементами режущего клина являются три составляющие поверхности (передняя, главная задняя, вспомогательная задняя), режущие лезвия и вершина [1].
