CC BY
31ISSN 0868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4, c. 88-101
- СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРИБОРОВ ^
И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МЕТОДИК
УДК 681.784.23
© Ю. Ю. Михальчевский, Г. А. Костин, Е. Е. Майоров, А. В. Арефьев, М. В. Хохлова, С. В. Удахина, 2021
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ОПТОЭЛЕКТРОННЫМ РЕФРАКТОМЕТРОМ
Настоящая работа посвящена исследованию противообледенительных жидкостей разработанным оптоэлек-тронным рефрактометром. Определение подлинности состава и расхода этих жидкостей для технической службы аэропорта, занимающейся обработкой корпуса воздушного судна, всегда было актуальным. В работе представлены объекты исследования: водные растворы этиленгликоля и пропиленгликоля, которые составляют 95% состава жидкостей типов ТИП I, ТИП II, ТИП IV. Приведена структурная схема и внешний вид оптоэлектронного рефрактометра. Получены результаты измерений температурных зависимостей показателя преломления ПХ) для растворов этиленгликоля и пропиленгликоля в диапазоне температур от 12 до 100 °С и для концентраций от 0 до 100 %. Исследованы спектры ультрафиолетового оптического пропускания в этиленгликоле и пропиленгликоле классов ОСЧ в диапазоне длин волн X 210-320 нм с погрешностью не хуже ДТ = 0.5%. Даны технические характеристики оптоэлектронного рефрактометра.
Кл. сл.: противообледенительная жидкость, спектр, оптическое пропускание, этиленгликоль, пропиленгликоль, предполетная подготовка
ВВЕДЕНИЕ
На протяжении нескольких десятилетий вопросы безопасности полетов в авиации занимали первостепенное место [1, 2]. В современной авиации безопасность полетов определяется различными направлениями подготовки к полетам [3, 4]. Одно из таких направлений — это предполетная противообледенительная защита корпуса воздушного судна (ВС). Исследуя данное направление, выявлена основная проблема защиты корпуса, которая заключается в следующем: во-первых, необходимо правильно обосновать выбор состава противообледенительной жидкости (ПОЖ), во-вторых, определить режим защиты корпуса ВС в соответствии с техническими возможностями аэропорта для конкретных метеорологических условий (температура, влажность воздуха, осадки и т.д.). После мониторинга ПОЖ у разных компаний-производителей выявлено, что данные жидкофазные среды имеют высокую стоимость (особенно импортные) [5, 6] Поэтому важным вопросом при обработке корпусов ВС является оптимизация процесса защиты и экономия использования этих жидкостей.
В современных аэропортах применяются ПОЖ на основе этиленгликоля, пропиленгликоля и ди-этиленгликоля [7, 8]. Существуют три вида ПОЖ — это ТИП I, ТИП II, ТИП IV. Регламентируемые концентрации жидкостей ТИП I на основе
этиленгликоля составляют (этиленгликоль : вода) от (10 : 90) до (90 : 10), а ПОЖ ТИП II и ТИП IV на основе пропиленгликоля (пропиленгликоль : вода) — (25 : 75), (50 : 50), (75 : 25), 100%. Необходимо добавить, что в состав ПОЖ ТИП II и ТИП IV входят поверхностно-активные вещества, антикоррозийные присадки и разного рода загустители (1%) [9, 10].
Получение достоверной информации о составе, расходе, утилизации и регенерации ПОЖ является важной задачей для технического персонала, который непосредственно ведет предполетную подготовку корпусов ВС [11, 12]. Интерес представляет использование оптических технологий, основанных на методе полного внутреннего отражения для процесса контроля за параметрами ПОЖ. Применение рефрактометрических приборов и систем в данной области возможно, если иметь всю необходимую информацию по оптическим свойствам этих жидкостей.
Анализ литературных данных показал, что есть работы, в которых уже имеется информация по показателю преломления этиленгликоля, про-пиленгликоля и их водных растворов [10-15]. Также приведен температурный коэффициент показателя преломления (&п/&?), его значения имели большой разброс в пределах от 5 10-5 до 10-10-5 1/ °С. Коэффициент пропускания (Т ПОЖ также определялся, но в лучшем случае носил оценочный характер.
Рефрактометрические приборы и системы общего назначения для применения на постах в аэропортах непригодны, т.к. требуют специализированной настройки для контроля ПОЖ.
Поэтому исследования метрологических возможностей разработанного рефрактометра, адаптированного к контролю ПОЖ в современных аэропортах, являются перспективным и актуальным направлением для безопасности полетов.
Целью работы было исследование противооб-леденительных жидкостей разработанным опто-электронным рефрактометром.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Применение в технологическом цикле обработки корпуса ВС разработанного оптоэлектронного рефрактометра очевидно важно, но требует точных количественных данных по оптическим свойствам ПОЖ. Поэтому необходимо получить информацию о зависимости dn/dt от концентрации (к) этиленгликоля, пропиленгликоля и их водных растворов во всем диапазоне к 0-100% при температурах (0 от 0 до 100 °С. Значимым является вопрос получения оптического пропускания (Т, %) в растворах этиленгликоля и пропиленгликоля в ультрафиолетовой области спектра X 210320 нм.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования явились образцы водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля, предоставленные технической службой с постов предполетной подготовки корпусов ВС аэропорта "Пулково". Состав образцов: этиленгликоль, про-пиленгликоль марок ОСЧ (особо чистый) и дистиллированная вода. В соответствии с требованиями предполетной подготовки корпусов ВС концентрация образцов была в диапазоне к 0100%. В качестве образцов для измерения пропускания Т в ультрафиолетовой области спектра были взяты этиленгликоль и пропиленгликоль марок ОСЧ. При подготовке образцов применялись сертифицированные электронные весы с погрешностью измерений ± 100 мг для рабочей шкалы 500 г.
Для получения данных о зависимости dn/dt от концентрации к этиленгликоля, пропиленгликоля в их водных растворах во всем диапазоне к 0-100% при температурах t от 0 до 100 °С использовался разработанный оптоэлектронный рефрактометр, внешний вид и структурная схема которого приведены на рис. 1 и 2. Данный прибор был доукомплектован спектральным блоком, который при необходимости выводил на экран информацию о Т анализируемого образца.
Световой поток от источника излучения 1 с рабочей длиной волны X = 589 через оптическое волокно 2 и двухлинзовый конденсор 3 передавался на поверхность призмы полного внутреннего отражения (трапецеидальная призма) 4, которая изготовлена из иттрий-алюминиевого граната (YAG). Отражение света на границе между рабочей гранью призмы полного отражения и исследуемым раствором формировало изображение границы "свет - тень", которое линзовым объективом 5 доводилось на входную грань оптоволокна 6. Входная грань оптоволокна 6 совмещается с фокальной плоскостью линзового объектива 5. При полном внутреннем отражении света на рабочей грани призмы полного отражения в этой плоскости формировалось четкое изображение границы "свет - тень". Полученное изображение посредством оптоволокна 6 передавалось на фотоприемник 7. Выходной сигнал обрабатывался и представлялся на дисплее в виде числовых величин показателя преломления или концентрации, а также температуры. Результаты измерений выводились на два токовых вывода 4-20 мА. Для температурной компенсации результатов измерения показателя преломления и концентрации использовались данные, полученные с температурного датчика.
Рис. 1. Внешний вид оптоэлектронного рефрактометра
Рис. 2. Структурная схема оптоэлектронного рефрактометра. 1 — источник излучения, 2 — принимающее оптическое волокно, 3 — двухлинзовый конденсор, 4 — трапецеидальная призма, 5 — объектив, 6 — передающее оптическое волокно, 7 — фотоприемник, 8 — измеритель температуры, 9 — колодка сетевого питания, 10 — разъемы токовых выходов
Табл. 1. Технические характеристики оптоэлектронного рефрактометра
Рабочий диапазон концентраций в показателях преломления п 1.320-1.435 или 1.400-1.540
Рабочий диапазон концентраций по шкале Вйх 0-50% или 40-100%
Рабочие пределы концентраций А (Вйх) 40%
Погрешность измерений Ап ± 0.0005
Погрешность измерений А(Вйх) ± 0.2%
Тип температурной компенсации измерений автоматиче ская
Диапазон изменения температуры контролируемой среды 0-140 °С или 0-250 °С
Погрешность определения t, 0С ±0.5 °С
Время ожидания после включения (для выхода на рабочий режим) 10 мин
Зондирующая часть прибора изготовлена из нержавеющей стали 12х18Н10Т, которая имеет повышенную стойкость к коррозии в растворах этиленгликоля и пропиленгликоля. Оптическая система состояла из трапецеидальной призмы полного внутреннего отражения, оптических мно-гомодовых волокон, которые находились в погружной части прибора, имеющей диаметр 75 мм и высоту 70 мм. Применение такого конструктива давало достаточную термомеханическую устойчивость прибору.
В данной разработке была предусмотрена система очистки водой высокого давления или паром. При контроле состава и расхода ПОЖ на точность измерений влияет осадок от загустителя, который формируется на поверхности рабочей грани оптической призмы. Это приводит к замут-нению призмы и выходу ее из строя, поэтому была предусмотрена система промывки рабочей грани призмы полного внутреннего отражения. В состав системы входили: трубопровод с форсункой диаметром 2.5 мм, обратный клапан, управляющий клапан и внешняя трубоарматура для подключения к цеховым магистралям (к внешним источникам воды, пригодным по температуре и давлению для использования в данной системе).
В табл. 1 приведены технические характеристики оптоэлектронного рефрактометра.
Спектрофотометрический блок обеспечивал измерение коэффициента пропускания водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля
в диапазоне длин волн 210-320 нм с погрешностью не хуже ДТ = 0.5%.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты измерений температурных зависимостей показателя преломления п(0 представлены в Приложении в табл. П1 и П2 соответственно для растворов этиленгликоля и пропиленгликоля в диапазоне температур от 12 до 100 °С и для концентраций от 0 до 100%.
При t > 85 °С зависимости п(^) были существенно нелинейными, а это приводило к неоправданной сложности алгоритмов температурной коррекции рефрактометрических данных. Поэтому необходимо было уменьшить температурный диапазон t до 12-85 °С. Именно этот диапазон значим для предполетной противообледенительной подготовки корпусов ВС. В этом диапазоне температурные зависимости п(0 были близки к линейным.
На рис. 3 и 4 приведены результаты построения зависимостей п(0 по экспериментальным данным. С экспериментальными данными сопоставлены результаты линейной интерполяции п(^: на рис. 3, 4 точки представляют экспериментальные данные, штриховые линии — результаты расчетов. Ниже приведены использованные интерполяционные соотношения результатов экспериментов и погрешности интерполяции Дп.
п
1.4
1.38
1.32
— •— .* — ф __ • _ #
•
« — • — 5
- ф —
- • — • 4
— _ * •
_ •_ в
1
90 100
л °с
Рис. 3. Температурная зависимость показателя преломления п водных растворов этиленгликоля.
Концентрация растворов к. 1 — 0, 2 — 6, 3 — 15, 4 — 32, 5 — 100%
п
1,46
1.44
1.42
1.4
1.38
1.36
1.3
10
20
30
40
50 60
^ °с
70
80
90
100
Рис. 4. Температурная зависимость показателя преломления п водных растворов пропиленгликоля.
Концентрация растворов к. 1 — 0, 2 — 5, 3 — 14, 4 — 30, 5 — 100%
240 220 200 180 160 140 120 ЮО '
40 60
к, %
Рис. 5. Концентрационная зависимость показателя преломления водных растворов этиленгликоля (*) и пропиле нглико ля (О)
Для этиленгликоля зависимость 1:
п = - 0.0001033 • t + 1.3380, Дп = 0.001; зависимость 2:
п = - 0.00013001 • t + 1.3371, Дп = 0.0006; зависимость 3:
п = - 0.00016001 • t + 1.3486, Дп = 0.0008; зависимость 4:
п = - 0.00018681 • t + 1.3681, Дп = 0.0008;
зависимость 5:
п = - 0.00018681 • t + 1.3681, Дп = 0.0004.
Для пропиленгликоля зависимость 1: п = - 0.0001034 • t + 1.3357, Дп = 0.001; зависимость 2:
п = - 0.00012567 • t + 1.3413, Дп = 0.001; зависимость 3:
п = - 0.00014338 • t + 1.3507, Дп = 0.001;
зависимость 4:
п = - 0.00018153 • t + 1.3679, Дп = 0.001; зависимость 5:
п = - 0,00030046 • t + 1.4385, Дп = 0.001.
Видно, что Дп < 0.001 в этиленгликоле и про-пиленгликоле. Исключение составляют растворы с низкими концентрациями k ~ 0%. Наибольшая погрешность линейной интерполяции имела место в дистиллированной воде и составляла до Дп = = 0.00154.
Температурный коэффициент dn/dt при температурах в диапазоне t 12-85 °С в зависимости от концентрации растворов при k < 95% представлен на рис. 5.
Итак, зависимости dn(k)/dt как для растворов этиленгликоля, так и пропиленгликоля были близки к линейным. Этот результат значим при определении алгоритма температурной коррекции рефрактометрических данных.
Современные рефрактометры имеют шкалу ВЫХ (исключая небольшое число специальных применений), где температурная поправка к показаниям рефрактометра определена действующими нормативными документами (в пределах РФ это ГОСТ28562-90 с соответствующими приложениями, включая ссылочные нормативно-технические документы). В применении к температурным зависимостям п(0 в растворах гликолей с различной концентрацией k температурная компенсация по ВЫХ могла бы быть учтена.
Спектры ультрафиолетового оптического пропускания в этиленгликоле и пропиленгликоле марок ОСЧ, полученные в диапазоне длин волн X
210-320 нм, приведены на рис. 6. Характерные особенности в ультрафиолетовых спектрах обоих исследованных гликолей состояли в том, что они совпадали. Как в этиленгликоле, так и в пропи-ленгликоле положение характерного максимума поглощения приходится на длину волны X = 247 нм (минимум пропускания Т(Х) для этиленгликоля и "плечо" для пропиленгликоля). Спектральный максимум прозрачности в коротковолновой области ультрафиолетового диапазона приходится на X = 272 нм ("плечо" в спектре Т(Х) для этилен-гликоля и максимум пропускания соответственно для этиленгликоля и пропиленгликоля). На длинноволновой границе рабочего спектрального диапазона (X > 350 нм) оба спектра монотонно сходились.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная работа подчеркивает значимость рефрактометрии как высокоточного инструмента для измерения состава и расхода ПОЖ на основе гликолей в предполетной подготовке корпусов ВС. 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 t 12-85 °С параметр dn/dt остается практически постоянным как в водных растворах этиленгликоля, так и в таких же растворах на основе пропиленгликоля. Установлены характерные особенности в ультрафиолетовых спектрах обоих исследованных гликолей.
Данная работа представляет интерес для оптического приборостроения, гражданской авиации, экологии, биологии и промышленности.
д
е н.
т о
0.6
0.2
О
\
Y
х 2
/
3
_1_L_
_1_I_I_L_
210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350
X, нм
Рис. 6. Спектры ультрафиолетового пропускания Т(Х) растворов. 1 — дистиллированная вода, 2 — (особо чистый) этиленгликоль, 3 — (особо чистый) пропиленгликоль
ПРИЛОЖЕНИЕ
Табл. П1. Температурная зависимость показателя преломления п в водном растворе этиленгликоля при разных концентрациях k раствора
k = 0% k = 6% k = 15% k = 32% k = 100%
сс п сс п п сс п п
10 1.3370 10 1.3381 10 1.3421 10 1.3661 10 1.4330
15 1.3369 15 1.3379 15 1.3418 15 1.3658 15 1.4319
18 1.3352 18 1.3360 18 1.3410 18 1.3652 18 1.431
20 1.3340 20 1.3351 20 1.3395 20 1.3635 20 1.430
22 1.3331 22 1.3342 22 1.3382 22 1.3626 22 1.4296
24 1.3329 24 1.3338 24 1.3372 24 1.3612 24 1.4293
28 1.3321 28 1.3330 28 1.3369 28 1.3606 28 1.4289
32 1.3320 32 1.3329 32 1.3368 32 1.3604 32 1.4281
39 1.3319 39 1.3327 39 1.3362 39 1.36 39 1.4285
42 1.3315 42 1.3325 42 1.3360 42 1.3593 42 1.4267
49 1.33 49 1.3311 49 1.3352 49 1.3581 49 1.4255
51 1.3295 51 1.3305 51 1.3342 51 1.3572 51 1.4246
55 1.3280 55 1.3291 55 1.3330 55 1.3563 55 1.4231
62 1.3271 62 1.3282 62 1.3328 62 1.356 62 1.4225
69 1.3266 69 1.3275 69 1.3310 69 1.3546 69 1.4211
72 1.3260 72 1.3272 72 1.3309 72 1.3540 72 1.420
77 1.3254 77 1.3261 77 1.329 77 1.3522 77 1.4195
80 1.3240 80 1.3250 80 1.3288 80 1.3519 80 1.4186
82 1.3238 82 1.3247 82 1.3285 82 1.3515 82 1.4171
88 1.3231 88 1.3240 88 1.3279 88 1.350 88 1.4158
92 1.3220 92 1.3230 92 1.3271 92 1.3499 92 1.4145
95 1.3219 95 1.3225 95 1.3263 95 1.3589 95 1.4139
98 1.320 98 1.3215 98 1.3254 98 1.3570 98 1.4115
Табл. П2. Температурная зависимость показателя преломления п в водном растворе пропиленгликоля при разных концентрациях k раствора
к = 0% к = 5% к = 14% к = 30% к = 100%
t, °C n t, °C n t, °C n t, °C n t, °C n
10 1.3339 10 1.3389 10 1.3496 10 1.3647 10 1.4348
15 1.3333 15 1.3383 15 1.349 15 1.3640 15 1.4343
18 1.3331 18 1.3381 18 1.3487 18 1.3639 18 1.4342
20 1.3330 20 1.3379 20 1.3481 20 1.3635 20 1.4335
22 1.333 22 1.3377 22 1.3479 22 1.3630 22 1.4331
24 1.333 24 1.3371 24 1.347 24 1.3627 24 1.4326
28 1.333 28 1.3371 28 1.3469 28 1.3625 28 1.432
32 1 . 3325 32 1.3365 32 1.3465 32 1.362 32 1.4316
39 1.332 39 1.3361 39 1.3463 39 1.3617 39 1.431
42 1.3317 42 1.336 42 1.3459 42 1.3606 42 1.4299
49 1.3310 49 1.336 49 1.3458 49 1.3602 49 1.4295
51 1 . 3299 51 1.3359 51 1.3455 51 1.3598 51 1.4289
55 1.3287 55 1.3342 55 1.3444 55 1.3589 55 1.4281
62 1.328 62 1.332 62 1.3438 62 1.358 62 1.4272
69 1 . 3275 69 1.3321 69 1.3431 69 1.3577 69 1.4269
72 1 . 3272 72 1.332 72 1.343 72 1.3575 72 1.4263
77 1 . 3264 77 1.3315 77 1.3425 77 1.3561 77 1.4259
80 1.3258 80 1.3307 80 1.341 80 1.3555 80 1.4251
82 1.325 82 1.33 82 1.340 82 1.3551 82 1.4247
88 1 . 3242 88 1.3291 88 1.340 88 1.355 88 1.4241
92 1.3239 92 1.3282 92 1.3389 92 1.3547 92 1.4229
95 1.3231 95 1.3276 95 1.3381 95 1.3535 95 1.4211
98 1 . 3225 98 1.3271 98 1.3379 98 1.3532 98 1.4209
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 23907-79 Жидкости противообледенительные для летательных аппаратов. Общие технические требования.
2. Жидкости для антиоблединительной обработки самолетов [Электронный ресурс] // Новые химические технологии. Аналитический портал химической про-
мышленности. URL:
http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=7509
3. Tsierkezos N.G., Molinou I.E. Thermodynamic Properties of Water+ Ethylene Glycol at 283.15, 293.15, 303.15, and 313.15 K // J. Chem. Eng. Data. 1998. Vol. 43. P. 989-993.
4. Майоров Е.Е. Исследование оптических свойств жид-кофазных сред на основе гликолей // Научное обозрение. 2013. № 4. С. 166-176.
5. Zhou Y., Li S., Zhai Q., Jiang Y., Hu M. Compositions, Densities, and Refractive Indices for the Ternary Systems Ethylene Glycol + NaCl + H2O, Ethylene Glycol + KCl + H2O, Ethylene Glycol + RbCl + H2O, and Ethylene Glycol + CsCl + H2O at 298.15 K // J. Chem. Eng. Data. 2010. Vol. 55. P. 1289-1294.
6. Белов Н.П., Лапшов С.Н., Майоров Е.Е., Шерстоби-това А.С., Яськов А.Д., и др. Промышленные рефрактометры и их применение для контроля химических производств // Приборы. 2012. № 4 (142). С. 1-8.
7. Белов Н.П., Лапшов С.Н., Майоров Е.Е., Шерстоби-това А.С., Яськов А.Д. Оптические свойства растворов черных щелоков и рефрактометрические средства контроля концентрации сухого остатка в сульфатном производстве целлюлозы // Прикладная Спектроскопия. 2012. Т. 79, № 3. С. 514-516.
8. Белов Н.П., Лапшов С.Н., Майоров Е.Е., Шерстоби-това А.С., Яськов А.Д. Оптические свойства зеленых щелоков и применение промышленной рефрактометрии для контроля их состава при производстве сульфатной целлюлозы // Оптический журнал. 2014. Т. 81, № 1. С. 60-65.
9. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Хайда-ров А.Г., Абрамян В.К., Зайцев Ю.Е. Разработка оптико-электронного рефрактометрического прибора для контроля состава водных растворов гликолей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2016. № 3. С. 33-41.
10. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Хохло-ва М.В., Курлов А.В., Черняк Т.А., Кирик Д.И., Капралов Д.Д., Жаркова Т.В. Возможность использования автоматизированных рефрактометрических методов и средств для измерения состава зеленого щелока при производстве сульфатной целлюлозы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2017. № 1. С. 42-49.
11. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Федоров А.Л., Цыганкова Г.А., Жаркова Т.В., Дагаев А.В. Производственные испытания рефрактометрического прибора для контроля жидкофазных сред // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2017. Т. 60, № 7. С. 672-678.
12. Майоров Е.Е., Туровская М.С., Хохлова М.В., Шала-май Л.И., Константинова А.А., Дагаев А.В., Гули-ев Р.Б., Таюрская И.С. Применение гониометрической рефракции для измерения состава щелоков в производстве сульфатной целлюлозы // Известия тульского
государственного университета. Технические науки. 2020. № 2. С. 129-137.
13. Майоров Е.Е., Курлов В.В., Громов О.В., Таюрская И.С., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б. Применение разработанного рефрактометрического датчика в пищевом производстве // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 2. С. 1-12. DOI: 10.25791/ргйюг.2.2021.1237.
14. Майоров Е.Е., Громов О.В., Таюрская И.С., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Удахина С.В. Экспериментальное исследование разработанного автоматизированного рефрактометра для контроля химически агрессивных сред // Научное обозрение. Технические науки. 2021. № 3. С. 21-26.
15. Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Цыганкова Г.А., Ма-шекА.Ч., Константинова А.А., Писарева Е.А. Спектральное исследование текстильного оптического отбеливателя и органического красителя // Научное приборостроение. 2021. Т. 31, № 1. С. 73-83. DOI: 10.18358/пр-31-Ы7383
Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации (Михальчевский Ю.Ю., Костин Г.А., Майоров Е.Е.)
Университет при межпарламентской ассамблее ЕврАзЭС, Санкт-Петербург (Арефьев А.В.)
Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского, Санкт-Петербург (ХохловаМ. В.)
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП)
(Удахина С. В.)
Контакты: Майоров Евгений Евгеньевич, [email protected]
Материал поступил в редакцию 22.09.2021
ISSN 0868-5886
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2021, Vol. 31, No. 4, pp. 88-101
STUDY OF DE-ICING LIQUID USING AN OPTOELECTRONIC REFRACTOMETER
Y. Y. Mikhalchevsky1, G. A. Kostin1, E. E. Maiorov1, A. V. Arefiev2, M. V. Khokhlova3, S. V. Udachina4
1 Saint Petersburg State University for Civil Aviation, Russia
2 University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly, Saint Petersburg, Russia 33Military space Academy named after A.F. Mozhaisky, Saint Petersburg, Russia 4Saint Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP), Russia
This work highlights the development of optoelectronic refractometer to study anti-icing liquids. Determining the composition authenticity and the flow rate of these liquids has always been a relevant task for the airport maintenance units, engaged in the processing of the aircraft body. The paper presents the objects of research: aqueous solutions of ethylene glycol and propylene glycol, which make up 95% of the composition of liquids of TYPE I, TYPE II, TYPE IV. The structural diagram and appearance of an optoelectronic refractometer are given. The results of measurements of the temperature dependences of the refractive index n(t) for solutions of ethylene glycol and propylene glycol in the temperature range from 12 °C to 100 °C and for concentrations from 0% to 100% are obtained. The spectra of ultraviolet optical transmission in ethylene glycol and propylene glycol of high purity in the wavelength range X 210-320 nm with an error not worse than T = 0.5% are studied. The technical characteristics of an optoelectronic refractometer are given.
Keywords: anti-icing liquid, spectrum, optical transmission, ethylene glycol, propylene glycol, preflight preparation
INTRODUCTION
For several decades, aviation safety has been a priority [1, 2]. In modern aviation, flight safety is determined by different directions of preparations for flights [3, 4]. One of these directions is pre-flight anti-icing protection of the aircraft (AC) body. Examining this direction, the mains problems were identified as following: firstly, it is necessary to correctly justify the choice of the composition of anti-icing liquid (AIL), and secondly, to determine the protection mode of the body in accordance with the technical capabilities of the airport in terms of specific meteorological conditions (temperature, humidity, precipitation, etc.). Monitoring of AILs, produced by a number of manufacturers, has revealed that these liquid-phase media have a high cost (especially imported ones) [5, 6] Therefore, an important issue in the processing of AC bodies is to optimize the protection process and to ensure the minimal use of these liquids.
Modern airports use AILs based on ethylene gly-col, propylene glycol and diethylene glycol [7, 8]. There are three types of AILs: TYPE I, TYPE II, TYPE IV. Regulated concentrations of ethylene gly-col-based TYPE I liquids are in the range (ethylene glycol : water) from (10 : 90) to (90 : 10), and AIL concentrations of TYPE II and TYPE IV on the basis of propylene glycol (propylene glycol : water) are (25 : 75), (50 : 50), (75 : 25), 100%. It should be added
that AILs of TYPE II and TYPE IV include surfactants, anticorrosive additives and various thickeners (1%) [9, 10].
Obtaining reliable information on the composition, consumption, utilization and regeneration of AILs is an important task for the technical personnel conducting pre-flight preparation of AC bodies [11, 12]. Of interest is the use of optical technologies based on the method of total internal reflection for monitoring the AIL parameters. The use of refractometric devices and systems in this area is possible if all the necessary information on the optical properties of these liquids is available.
Analysis of the literature data showed that there are works that already contain information on the refractive index of ethylene glycol, propylene glycol and their aqueous solutions [10-15]. The temperature refractive index (dn/dt) is also given, its values had a large scatter in the range from 5 • 10-5 to 10 • 10-5 1/°C. The transmission factor (T) of AILs was also determined, but at best it was of an estimate nature.
Refractometric instruments and general-purpose systems are unsuitable for use at airport posts, since they require specialized settings to control the AIL.
Therefore, studies of the metrological capabilities of the developed refractometer, adapted to monitoring the AIL in modern airports, are a promising and relevant area for flight safety.
The purpose of the work was to study anti-icing liquids with a developed optoelectronic refractometer.
PROBLEM STATEMENT
The application of the developed optoelectronic refractometer during the AC body processing is obviously important, but requires accurate quantitative data on the optical properties of the AIL. Therefore, it is necessary to obtain information on the dependence of dn/dt on the concentration (k) of ethylene glycol, propylene glycol and their aqueous solutions in the entire range of k 0-100% at temperatures (t) from 0 to 100 °C. Significant is the issue of obtaining optical transmission (T, %) in solutions of ethylene glycol and propylene glycol in the ultraviolet region of the spectrum X 210-320 nm.
OBJECTS AND METHOD OF INVESTIGATION
The objects of the study were samples of aqueous solutions of ethylene glycol and propylene glycol provided by the AC pre-flight preparation units of the Pulkovo Airport maintenance service. Composition of samples: ethylene glycol, propylen glycol of high purity (extra pure) and distilled water. In accordance with requirements of pre-flight preparation of aircraft bodies, concentration of samples was in the range of k 0-100%. Ethylene glycol and propylene glycol of high purity were used as samples for measuring the transmission of T in the ultraviolet region. When preparing samples, certified electronic weighter with a measurement error of ±100 mg for a working scale of 500 g were used.
To obtain data on dn/dt dependence on the concentration of k ethylene glycol and propylene glycol in their aqueous solutions in the entire range of k 0100% at temperatures t from 0 to 100 °C, the developed optoelectronic refractometer was used, the appearance and structural diagram of which are given in Fig. 1 and 2. This device was equipped with a spectral unit, which, if necessary, displayed information on the T of the sample under analysis.
Fig. 1. Appearance of optoelectronic refractometer
Fig. 2. Structural diagram of optoelectronic refractometer. 1 — emission source, 2 — receiving optical fiber, 3 — two-lens condenser, 4 — trapezoidal prism, 5 — lens, 6 — transmitting optical fiber, 7 — photodetector, 8 — temperature meter, 9 — mains power block, 10 — connectors of current outputs
The light flux from the radiation source 1 with the operating wavelength X = 589 was transmitted to the surface of the total internal reflection prism (trapezoidal prism) 4 through the optical fiber 2 and the two-lens condenser 3. Trapezoidal prism was made of yttrium-aluminum garnet (YAG). Reflection of light at the boundary between a working face of the total reflection prism and the studied solution formed an image of the "light — shadow" boundary, which was brought to the input face of the optical fiber 6 by the lens objective 5. The input face of the optical fiber 6 is aligned with the focal plane of the lens objective 5. When the total internal reflection of light occurs on the working face of the total reflection prism, a clear image of the "light — shadow" boundary is formed in this plane. The obtained image was transmitted to photodetector 7 by means of optical fiber 6. The output signal was processed and displayed as numerical value of refractive index or concentration as well as temperature. The measurement results were sent to two current outputs of 4-20 mA. For temperature compensation of refractive index and concentration measurements, data obtained from the temperature sensor were used.
The probe part of the instrument is made of stainless steel 12x18H10T, which has increased corrosion resistance in solutions of ethylene glycol and propylene glycol. The optical system consisted of a trapezoidal prism of total internal reflection, optical multimode fibers that were in the submerged part of the device, having a diameter of 75 mm and a height of 70 mm. The use of such a structure gave sufficient thermomechanical stability to the instrument.
In this development, a high-pressure water or steam purification system was provided. When monitoring the AIL composition and consumption, the accuracy of measurements is affected by the sediment of the thickener, forming on the surface of the working face of the optical prism. This causes the prism to become clouded and get out of order, so a system for flushing the working face of the total internal reflection prism was provided. The system included: a pipeline with a nozzle with a diameter of 2.5 mm, a check valve, a control valve and an external pipe fittings for connecting to the shop mains (to external water sources suitable in temperature and pressure for use in this system).
Tab. 1 shows the technical characteristics of the optoelectronic refractometer.
The spectrophotometric unit provided a measurement of aqueous solutions of ethylene glycol and pro-pylene glycol transmission in the wavelength range 210-320 nm with an error not worse than AT = 0.5%.
Tab. 1. Technical specifications of optoelectronic refractometer
EXPERIMENTAL RESULTS
The results of measurements of temperature dependencies of refractive index n(t) are presented in Appendix in Tab. П1 and П2 respectively for ethylene glycol and propylene glycol solutions in the temperature range from 12 to 100 °C and for concentrations from 0 to 100%.
At t > 85 °C, the n(t) dependencies were significantly nonlinear, which led to the unjustified complexity of temperature correction algorithms for refractometric data. Therefore, it was necessary to reduce the temperature range t to 12-85 °C. This range is significant for pre-flight anti-icing preparation of aircraft bodies. In this range, the temperature relationships n(t) were close to linear.
Fig. 3 and 4 show the results of plotting the dependences n(t) according to experimental data. The results of linear interpolation n(t) are compared with experimental data: in Fig. 3, 4 points represent experimental data, dashed lines represent the results of calculations. Below are the used interpolation ratios of the experimental results and An interpolation errors.
For ethylene glycol, dependence 1:
n = - 0.0001033 • t + 1.3380, An = 0.001; dependence 2:
n = - 0.00013001 • t + 1.3371, An = 0.0006; dependence 3:
n = - 0.00016001 • t + 1.3486, An = 0.0008; dependence 4:
n = - 0.00018681 • t + 1.3681, An = 0.0008; dependence 5:
n = - 0.00018681 • t + 1.3681, An = 0.0004.
For propylene glycol, dependence 1:
n = - 0.0001034 • t + 1.3357, An = 0.001; dependence 2:
n = - 0.00012567 • t + 1.3413, An = 0.001; dependence 3:
n = - 0.00014338 • t + 1.3507, An = 0.001; dependence 4:
n = - 0.00018153 • t + 1.3679, An = 0.001; dependence 5:
It is seen that An < 0.001 in ethylene glycol and propylene glycol. An exception is solutions with low concentrations k ~ 0%. The largest error of linear interpolation occurred in distilled water and amounted to An = 0.00154.
Fig. 3. Dependence of refractive index n of aqueous solutions of ethylene glycol on temperature. Concentration of solutions k: 1 — 0, 2 — 6, 3 — 15, 4 — 32, 5 — 100%
Fig. 4. Dependence of refractive index n of aqueous solutions of propylene glycol on temperature. Concentration of solutions k: 1 — 0, 2 — 5, 3 — 14, 4 — 30, 5 — 100%
Temperature coefficient dn/dt at temperatures in the range t 12-85 °C depending on the concentration of solutions at k < 95% is shown in Fig. 5.
Fig. 5. Dependence of refractive index of aqueous solutions of ethylene glycol (*) and propylene glycol (O) on concentration
Thus, the dn(k)/dt dependences for both ethylene glycol and propylene glycol solutions were close to linear. This result is significant in determining the temperature correction algorithm of refractometric data.
Modern refractometers have the BRIX scale (excluding a small number of special applications), where the temperature correction to the readings is determined by the actual regulatory documents (in the Russian Federation this is G0ST28562-90 with related annexes, including reference normative and technical documents). In regard to temperature dependences n(t) in solutions of glycols with various k concentration, BRIX-scaled temperature compensation could be taken into account.
Spectra of ultraviolet optical transmission in ethy-lene glycol and propylene glycol of high purity, obtained in the wavelength range X 210-320 nm, are given in Fig. 6.
Fig. 6. Spectra of ultraviolet transmission of T (X) solutions.
1 — distilled water, 2 — (high pure) ethylene glycol, 3 — (high pure) propylene glycol
n = - 0,00030046 • t + 1.4385, An = 0.001.
Characteristic features in the ultraviolet spectra of both glycols examined were that they coincided. In both ethylene glycol and propylene glycol, the position of the characteristic absorption maximum falls on the wavelength X = 247 nm (transmission minimum T(X) for ethylene glycol and "shoulder" for propylene glycol). The spectral maximum of transparency in the short wave region of the ultraviolet range is at X = = 272 nm ("shoulder" in the T spectrum (X) for ethy-lene glycol and transmission maximum for propylene glycol). Both spectra converged monotonically at the long wave boundary of the operating spectral range (X > 350 nm).
CONCLUSION
The presented work emphasizes the importance of re-fractometry as a high-precision tool for measuring the AIL composition and consumption based on glycols in pre-flight preparation of aircraft bodies. Based on measurements of the temperature dependence of the refractive index n(t) in glycols of various concentration, the temperature coefficient of the refractive index dn(k)/dt was determined for the first time. It has been found that in the entire concentration range k 0-100% at temperatures t 12-85 °C, the parameter dn/dt remains practically constant both in aqueous solutions of ethylene glycol and in solutions based on propylene glycol. Characteristic features in the ultraviolet spectra of both studied glycols were established.
This work is of interest for optical instrument making, civil aviation, ecology, biology and industry.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Tab. ffi. Dependence of refractive index n in ethylene glycol aqueous solution at different concentrations k of solution on temperature
Tab. ffi. Dependence of refractive index n in propylene glycol aqueous solution at different concentrations k of solution on temperature
REFERENСES
1. GOST 23907-79 Zhidkosti protivoobledenitel'nye dlya le-tatel'nych apparatov. Obschie technicheskie trebovaniya [GOST 23907-79 Anti-icing liquids for aircraft. General technical requirements]. (In Russ.).
2. NC NEWCHEMESTRY. RU. Zhidkosti dlya antiobledini-tel'noi obrabotki samoletov [Liquids for aircraft anti-icing treatment]. (In Russ.). URL: http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=7509
3. Tsierkezos N.G., Molinou I.E. Thermodynamic Properties of Water+ Ethylene Glycol at 283.15, 293.15, 303.15, and 313.15 K. J. Chem. Eng. Data, 1998, vol. 43, pp. 989993. DOI: 10.1021/j e9800914
4. Maiorov E.E. [Study of the optical properties of glycol-based liquid-phase environments]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review], 2013, no. 4, pp. 166-176. (In Russ.).
5. Zhou Y., Li S., Zhai Q., Jiang Y., Hu M. Compositions, Densities, and Refractive Indices for the Ternary Systems Ethylene Glycol + NaCl + H2O, Ethylene Glycol + KCl + H2O, Ethylene Glycol + RbCl + H2O, and Ethylene Glycol + CsCl + H2O at 298.15 K. J Chem Eng Data, 2010, vol. 55, pp. 1289-1294. DOI: 10.1021/je900630n
6. Belov N.P., Lapshov S.N., Maiorov E.E., Sherstobitova A.S., Yaskov A.D., et al. [Industrial refractometers and their application for the control of chemical production]. Pribory [Devices], 2012, no. 4 (142), pp. 1-8. (In Russ.).
7. Belov N.P., Lapshov S.N., Maiorov E.E., Sherstobitova A.S., Yaskov A.D. [Optical properties of black liquor and refractometric methods for monitoring the solid residue concentration in sulfate cellulose production]. Zurnal prikladnoj spektroskopii [Journal of Applied Spectroscopy], 2012, vol. 79, no. 3, pp. 514-516. DOI: 10.1007/s10812-012-9630-2 (In Russ.).
8. Belov N.P., Lapshov S.N., Sherstobitova A.S., Yaskov A.D., Maiorov E.E. [Optical properties of green liquors and the use of commercial refractometry to monitor their composition in the production of sulfate cellulose]. Opti-cheskii zhurnal [Journal of Optical Technology], 2014, vol. 81, no. 1, pp. 53-58 DOI: 10.1364ATOT.81.000039 (In Russ.).
9. Maiorov E.E., Mashek A.Ch., Tsygankova G.A., Khaida-rov A.G., Abrahamyan V.K., Zaitsev Y.E. [Development of optoelectronic refractometric device for monitoring the composition of aqueoussolutions of glycols]. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika [Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics], 2016, no. 3, pp. 33-41. (In Russ.).
10. Maiorov E.E., Chernyak T.A., Mashek A.Ch., Tsygankova G.A., Khokhlova M.V., Kurlov A.V., Kirik D.I., Ka-pralov D.D., Zharkova T.V. [The possibility of using the automated refractometry methods and meansfor measuring the composition of the green liquor in the production of sulphate pulp]. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika [Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics], 2017, no. 1, pp. 42-49. (In Russ.).
11. Prokopenko V.T., Maiorov E.E., Fedorov A.L., Tsygan-kova G.A., Zharkova T.V., Dagaev A.V. [Production testing of refractometric device for control over liquid-phase media]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Priboro-stroenie [Journal of instrument engineering], 2017, vol. 60, no. 7, pp. 672-678. DOI: 10.17586/0021-34542017-60-7-672-678 (In Russ.).
12. Maiorov E.E., Turovskaya M.S., Khokhlova M.V., Shala-may L.I., Konstantinova A.A., Dagaev A.V., Guliyev R.B., Tayurskaya I.S. [The application of refractometry using
a goniometer to measure the composition of the liquor in the production of kraft pulp]. Izvestiya tul'skogo gosu-darstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Proceedings of the TSU], 2020, no. 2, pp. 129-139. (In Russ.).
13. Kurlov V.V., Gromov O.V., Tayurskaya I.S., Maiorov E.E., Arefiev A.V., Guliyev R.B. [Application of the developed refractometric sensor in food production]. Pri-bory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika [Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics], 2021, no. 2, pp. 1-12.
DOI: 10.25791/pribor.2.2021.1237 (In Russ.).
14. Gromov V.O., Maiorov E.E., Tayurskaya I.S., Ma-shek A.Ch., Tsygankova G.A., Udakhina S.V. [Experi-
mental study of the developed automated refractometer for the control of chemically aggressive media]. Nauch-noe obozrenie. Tekhnicheskie nauki [Scientific review. Technical sciences], 2021, no. 3, pp. 21-26. DOI: 10.17513/srts. 1352 (In Russ.).
15. Maiorov E.E., Chernyak T.A., Tsygankova G.A., Ma-shek A.C., Konstantinova A.A., Pisareva E.A. [Spectral studies of textile optical bleach and organic dye]. Nauch-noe Priborostroenie [Scientific Instrumentation], 2021, vol. 31, no. 1, pp. 73-83. DOI: 10.18358/np-31-1-i7383 (In Russ.).
Contacts: Maiorov Evgeniy Evgen'evich, [email protected]
Article received by the editorial office on 22.09.2021
