CC BY
5
УДК 535.65
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-275-279
ИЗМЕРЕНИЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОДУКЦИИ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РАЗРАБОТАННЫМ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ
Е.Е. Майоров, С.В. Колесниченко, Г.А. Цыганкова, Е.А. Писарева, А.Ч. Машек, А.А. Константинова
В статье рассмотрен разработанный колориметрический датчик для измерения фотометрических параметров продукции целлюлозно-бумажной промышленности. Описана актуальность и перспективность разработки, так как включение в состав колориметров спектрометрических датчиков усложняет их конструкцию и необходимое регламентное техническое обслуживание, увеличивает массогабаритные характеристики прибора или системы, а также приводит к возрастанию общей стоимости изделия, которая зачастую становится недоступной отечественному потребителю. В работе приведен внешний вид колориметра. Сведены референтных значений координат цвета и параметра яркости (белизны) и эксперимента. Получены экспериментальные результаты измерений координат цвета окрашенной бумаги на Datacolor и на разработанном колориметре.
Ключевые слова: референтные значения, интерполяция, фотометрические параметры, колориметр, световой фильтр, краситель, отбеливатель оптический.
Современное развитие высокотехнологичных производств дало импульс к совершенствованию методов и технических средств научной базы экспериментальных исследований [1, 2]. Важность достоверных и информативных данных измерений фотометрических параметров исследуемых объектов стали востребованы, так как влияние освещения на жизнедеятельность человека и окружающую среду с внедрением новых светотехнических технологий стало очевидным [3, 4].
Совершенствование колориметрических методов и средств позволяет решать различные задачи в светотехническом направлении [5, 6]. Одна из таках задач - исследование белизны, тона и цветности бумажной продукции по фотометрическим параметрам анализируемого объекта [7, 8]. Колориметрия здесь является высокоинформативным и высокоточным инструментом получения информации [9, 10].
Уникальность колориметрии сводится к её возможностям. Колориметрические приборы и системы не имеют материальных контактов с объектом исследования, позволяют проводить исследования объектов с разными поверхностями (от зеркальных, высокополированных до грубых диффузно отражающих) [11, 12].
Поэтому может представлять интерес разработанная колориметрическая система измерения цветности выпускаемой продукции целлюлозно-бумажной промышленностью.
Целью работы явилось измерение фотометрических параметров продукции целлюлозно-бумажной промышленности разработанным колориметрическим датчиком.
Метод и объект исследования. Исследования проводились на листах бумаги формата А4, которые были обработаны отбеливателями оптическими марки Blankophor и красителями марки Basazol разных концентраций.
Для исследований применялся разработанный колориметрический датчик (КД), внешний вид которого представлен на рис. 1.
В качестве источника света в КД была применена галогенная лампа (20 Вт, 12 В). Отраженная от исследуемой поверхности объекта световая волна по оптико-волоконной части датчика доставлялась на фотоприемное устройство. Так как фотоприемное устройство имело высокую чувствительность в красной области спектра, то для исключения данной световой компоненты в блоке источника светового излучения был установлен световой фильтр на основе сине-зеленного стекла марки (СЗС-23).
Разработанная электронная плата дала возможность проводить измерения разноуровневых сигналов, а также оцифровывать и усреднять полученные сигналы. Специализированная компьютерная программа позволила фиксировать результаты измерений на экране. Данный КД был аттестован в ФГУ «Тест- С-Петербург».
Рис. 1. Внешний вид колориметрического датчика
Экспериментальные результаты. Важным в практическом применении КД для измерения фотометрических параметров бумаги формата А4 является определение параметров белизны и цветности. Большинство химических компаний, которые поставляют химические реагенты в целлюлозно-бумажную промышленность рекомендуют для измерения этих параметров приборы Datacolor [8, 10, 13].
Поэтому исследуя образцы бумаги разработанным КД, были учтены данные по координатам цвета XYZ, параметру яркости (белизны) прибора Datacolor и приняты за референтные значения. Экспериментальные результаты измерений координат цвета и параметров белизны, полученные на Datacolor и разработанном КД сведены в табл. 1.
Эксперимент и референтные значения XYZ, (белизны) В
Таблица 1
Отбеливатель оптический Datacolor КД
X У Z В X У Z В
ВЫкор^г ТР 4200 % 0,1 % 86,23 90,94 91,88 85,8 82,11 87,18 90,94 84,31
ВЫкор^г ТР 4200 % 0,25 % 90,73 93,57 113,0 105,8 82,81 88,00 97,32 90,90
ВЫкор^г ТР 4200 0, 5 % 91,38 94,08 119,1 109,9 87,20 90,81 102,1 91,55
ВЫкор^г DSB 0,1 % 80,16 84,24 91,54 84,6 85,67 86,52 95,12 87,25
ВЫкор^г DSB 0,25 % 84,74 85,82 113,3 103,2 84,59 88,27 102,4 94,20
ВЫкор^г DSB Ня. 0,5 % 85,20 87,31 117,4 107,3 88,14 90,99 106,9 97,49
Эксперимент показал, что референтные значения Вг полученные измерения отличны друг от друга. Прежде всего это связано с тем, что в приборе Datacolor используется импульсная ксеноновая лампа, а в КД галогеновая лампа накаливания, которая имеет меньше ультрафиолетовую составляющую в спектре. А также измеренные координаты XYпрактически совпадали, но координата Z имела существенное расхождение.
На рис. 2 представлены экспериментальные результаты параметров белизны бумаги референтного и измеренного значений. Результаты измерений приведены к референтным значениям Вг линейной интерполяцией: Вг = 1,6952 * - 61,323.
В эксперименте погрешность была ДВ « 1 %, что полностью удовлетворяет требованиям производственного контроля для технологических процессов отбеливания бумаги.
Рис. 2. Эксперимент Вц и референтные значения Вг. Точки - эксперимент, сплошная линия - результат линейной интерполяции 276
В работе применялся краситель Basazol различных оттенков с концентрацией 0,25 % и 0,5 %. Эксперимент представлен в табл. 2.
Таблица 2
Эксперимент и референтные значения_
Краситель Концентрация Datacolor КД
X Y Z X Y Z
Basazol 50l, желтый 0,25 % 75,0 79,0 54,8 74,8 78,9 54,6
0,5 % 72,0 75,5 43,1 71,9 75,4 43,1
Basazol 54l, оранжевый 0,25 % 74,7 80,4 53,0 74,7 80,6 53,5
0,5 % 71,8 77,2 42,5 71,9 77,5 42,4
Basazol 76l, красный 0,25 % 71,8 66,0 52,3 71,8 66,5 52,1
0,5 % 66,4 58,2 40,7 66,6 58,4 40,4
Basazol 20l, зеленый 0,25 % 70,2 63,6 62,6 70,3 63,6 62,9
0,5 % 64,8 56,3 54,3 64,9 56,4 54,5
Basazol 16l, синий 0,25 % 67,2 58,3 62,1 67,1 58,4 62,1
0,5 % 56,6 46,1 48,2 56,5 46,2 48,2
Заключение. В результате экспериментальных исследований были приведены результаты измерений влияния отбеливателя оптического, окрашивания бумаги на координаты цвета XYZ и параметр белизны разработанного КД. Результаты эксперимента были сопоставлены с референтными значениями одного из ведущих колориметрических приборов в мире (Datacolor). Данный КД может представлять интерес для целлюлозно-бумажной промышленности, а также для оптического приборостроения.
Список литературы
1. Справочная книга по светотехнике; под ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: Энергоатомиз-дат, 1983. 472 с.
2. Гуревич М. М. Цвет и его измерение. М.-Л.: Изд-во Академии наук СССР, 1950.
268 с.
3. Цвет в науке и технике / Д. Джадд, Г. Вышецкий. М.: Мир, 1978. 592 с.
4. Юстова Е.Н. Цветовые измерения (Колориметрия). СПб: Издательство СПбГУ, 2000. 397 c.
5. Datacolor, Inc.: Datacolor Elrepho [Electronic resource] -URL: http://industrial.datacolor.com/products/(date of access:05.12.2021).
6. Malacara-Hernandez D. Color vision and colorimetry: theory and applications // Proc. of SPIE. 2002. P.176.
7. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Хохлова М.В., Курлов А.В., Черняк Т.А., Дагаев А.В., Фадеев А.О. Возможность использования колориметра с RGB-компонентами для исследований фотооптического отбеливания, тонирования и окрашивания бумаги // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2017. № 3. С. 22-29.
8. Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Хохлова М.В. Экспериментальное исследование разработанного колориметрического датчика для измерения цветности стекла // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2021. № 1 (345). C. 131-137. DOI: 10.33979/2073-7408-2021-345-1-131-137.
9. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Абрамян В.К., Зайцев Ю.Е., Хайдаров А.Г., Хайдаров Г.Г., Дагаев А.В., Пономарев С.Е. Разработка колориметрического датчика с RGB- элементом и двухполосной оптоэлектронной интегрирующей сферой для контроля диф-фузно отражающих объектов // Приборы. 2017. № 6. С. 25-28.
10. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Шаламай Л.И., Попова Н.Э., Черняк Т.А., Курлов А.В., Дагаев А.В., Цыганкова Г.А. Исследование in vivo зубной эмали человека колориметрическим прибором // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2019. Т. 62. № 4. С. 373-379.
11. Арефьев А.В., Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Дагаев А.В., Хохлова М.В., Гулиев Р.Б. Разработка экспериментальной методики для фотометрического анализа нефтепродуктов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 9. C. 1-5 DOI: 10.25791/pribor.09.2020.1202.
12. Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Цыганкова Г.А., Машек А.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/np-31-1-e010.
13. Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Цыганкова Г.А. Фотометрия автомобильных моторных масел // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 6. С. 83-88. DOI: 10.24412/20716168-2021-6-83-88.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Колесниченко Сергей Викторович, д-р техн. наук, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова,
Цыганкова Галина Александровна, канд. физ.-мат. наук, преподаватель, [email protected], Россия, Пушкин, Военно-морской политехнический институт,
Писарева Елена Алексеевна, преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Михайловская военная артиллерийская академия,
Машек Александр Чеславович, преподаватель, [email protected], Россия, Пушкин, Военно-морской политехнический институт,
Константинова Анна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. С.М. Будённого
MEASUREMENT OF PHOTOMETRIC PARAMETERS OF PULP AND PAPER INDUSTRY PRODUCTS BY THE DEVELOPED COLORIMETRIC SENSOR
E.E. Maiorov, A.A. Sorokin, V.P. Pushkina, S.V. Udahina, V.B. Koskovich, A.V. Arefiev
The article considers the developed colorimetric sensor for measuring photometric parameters of pulp and paper industry products. The relevance and prospects of the development are described, since the inclusion of spectrometric sensors in the composition of colorimeters complicates their design and the necessary routine maintenance, increases the mass and dimensional characteristics of the device or system, and also leads to an increase in the overall cost of the product, which often becomes inaccessible to the domestic consumer. The paper shows the appearance of the colorimeter. The reference values of the color coordinates and the brightness parameter (whiteness) and the experiment are summarized. Experimental results of measurements of the coordinates of the color of the colored paper on Datacolor and on the developed colorimeter are obtained.
Key words: reference values, interpolation, photometric parameters, colorimeter, light filter, dye, optical bleach.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate. of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Kolesnichenko Sergei Victorovich, doctor of technical sciences, head of the department, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping,
Tsygankova Galina Aleksandrovna, candidate of physical and mathematical sciences, [email protected], Russia, Pushkin, Navalpolytechnical institute,
278
Pisareva Elena Alekseevna, senior teacher, episareva@icloud. com, Russia, Saint-Petersburg, Michajlovskaya military artillery academy,
Mashek Alexander Cheslavovich, teacher, [email protected], Russia, Pushkin, Navalpoly-technical institute,
Konstantinova Anna Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Academy of communication named after S.M. Budyonny
УДК 533.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-279-284
ИСТЕЧЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗА В ВОДНУЮ СРЕДУ
Д.В. Сладков
В статье рассматривается численное решение задачи истечения высокотемпературного газа через насадок в водную среду. Исследуется зависимость тяги ракетного двигателя, работающего в водной среде от глубины погружения и коэффициента расширения сверхзвуковой части сопла.
Ключевые слова: водная среда, ракетный двигатель, степень расширения сопла, тяга.
В настоящее время значительное распространение получают ракетные двигатели, предназначенные для функционирования в водной среде, что связано с возможностью их применения для перемещения различных типов полезной нагрузки, как под водой, так и в воздушной среде.
При этом такой тип двигателя должен иметь некоторые конструктивные отличия от аналогов, применяемых в воздушной среде, а испытания новых конструкций становятся более трудоемкими и дорогостоящими по причине необходимости проведения экспериментов непосредственно в среде функционирования.
В этой связи при создании подобных двигателей становится целесообразным проведение численных экспериментов, описывающих функционирование элементов устройства и позволяющих определить их рациональные параметры. Одной из важнейших характеристик любого ракетного двигателя является сила тяги, зависящая не только от параметров рабочего тела в камере сгорания, но в большой степени и от конструкции сопла двигателя, особенности работы которого в водной среде и рассматриваются в настоящей работе.
Уравнение для определения силы тяги в общем случае имеет следующий вид [1]:
Рт = 01"вс + (рвс - рн)^ (1)
где G - массовый расход; рвс, Увс, - давление газа на срезе сопла, скорость истечения газа
через выходное сечение сопла и площадь выходного сечения сопла соответственно; pн - противодавление.
Процесс истечения высокотемпературной газовой струи в более плотную среду обладает некоторыми особенностями. На практике даже в идеально спроектированном сопле при большом противодавлении возникает косой скачок уплотнения и происходит отрыв потока от стенок сопла, что приводит к изменению величины тяги. При возникновении скачка уплотнения рассматривают два случая (рис. 1):
1. Течение газа после скачка уплотнения происходит без восстановления давления (рис. 1, а), в результате чего сопло фактически работает до сечения Хц, и тяга определяется:
Pт = ОрУ1 + ^1 - pн (2)
где У\, Pl - скорость и давление газа в сечении с площадью FХ1.
