CC BY
14
УДК 681.785.24
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-134-139
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОНТРОЛЬ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
Ю.Ю. Михальчевский, Г.А. Костин, Е.Е. Майоров, В.В. Курлов, Р.Б. Гулиев, А.В. Дагаев
В статье освещены вопросы использования разработанного рефрактометра для измерения оптических свойств противооблединительных жидкостей для воздушных судов гражданской авиации. Показано, что оптико-электронный контроль противообледенитель-ных жидкостей для обработки воздушных судов является значим, так как определение состава и расхода растворов актуально. В работе приведены габаритно-установочные размеры рефрактометра и представлен внешний вид разработанной оптической системы. Даны технические характеристики прибора по результатам лабораторных испытаний. Получены экспериментальные данные оптико-электронного контроля. Приведены спектральные зависимости коэффициента пропускания в чистых этиленгликоле и 1,2-пропиленгликоле в диапазоне длин волн X = 200...400 нм.
Ключевые слова: оптико-электронный прибор, воздушное судно, противообледени-тельная жидкость, оптическая система, ультрафиолетовый спектр, показатель преломления.
В последнее время огромное внимание уделяется контролю качества предполетной обработке воздушных судов (ВС) [1, 2]. Выбор состава обрабатывающих растворов, режимов обработки в соответствии с техническими возможностями аэропорта для конкретных внешних условий (температура воздуха, осаждение инея, осадки и т.п.), которые обеспечили бы защиту ВС от обледенения без ущерба для безопасности полетов является актуальной задачей в гражданской авиации [3, 4]. Из-за относительно высокой стоимости используемых растворов и соответствующего технического обеспечения (специальный транспорт или стационарные посты обработки, системы утилизации или регенерации отходов, средства диагностики и контроля и т.п.) существенной является экономическая эффективность и ее оптимизация для таких технологий [5, 6].
В современных аэропортах используются противообледенительные жидкости (ПЖ) на основе этиленгликоля и пропиленгликоля [7, 8]. Концентрация и состав водного раствора для обработки ВС, его температура и расход определяются внешними условиями окружающей среды (температура внешней среды, образование инея или льда, наличие осадков, и т.п.) [7, 8].
Для контроля процесса обработки ВС перспективно применение оптико-электронных приборов и систем, в частности, рефрактометрических технологий [5, 9]. Используя эти приборы и системы можно обеспечить контроль состава раствора и его общий расход. В целом рефрактометрические технологии позволяют обеспечить оптимизацию предполетной обработки ВС, включая утилизацию и (или) частичную регенерацию отработанных продуктов [10, 11]. 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), оптическое поглощение K(X) в рабочем диапазоне температур и во всем диапазоне концентраций.
Анализ литературных данных показал, что представленная информация, как правило, дана на качественном уровне, так что в лучшем случае представляют интерес оценочного характера. Применяемые рефрактометрические датчики общего назначения здесь могут оказаться малопригодными, так как процедура их калибровки и используемое программное обеспечение должны быть адаптированы для применения в конкретных средах [12]. Поэтому задачи исследования оптических свойств растворов этиленгликоля и пропиленгликоля остается актуальным.
Целью работы явилось применение оптико-электронного прибора для измерения оптических свойств противообледенительных жидкостей воздушных судов.
Постановка задачи. Исследование спектров ультрафиолетового оптического пропускания в чистых этиленгликоле и 1,2-пропиленгликоле в диапазоне длин волн X = 200...400 нм.
Оптико-электронный прибор для контроля состава ПЖ в аэропортах. Измерения проводились на оптико-электронном приборе, представленном на рис.1, где показаны габаритно-установочные размеры прибора. Оптимизирован прибор для применения к контролю ПЖ в аэропортах за счет следующих конструктивных изменений:
Рис. 1. Габаритно-установочные размеры рефрактометра
в приборе была использована новая оптическая головка с рабочей призмой трапеци-идальной формы, что дало в целом как упрощение конструктива, так и снижение стоимости прибора; был увеличен диаметр осветительного волоконно-оптического жгута до свыше 6 мм в диаметре. Использованный в данной конструкции волоконно-оптический жгут увеличенного диаметра позволял перекрыть световую апертуру рабочей призмы (йшт = 3,2 мм) и таким образом получить более равномерное распределение светового потока на приборе с зарядовой связью (ПЗС линейке). При этом в осветителе прибора был исключен объектив, а торец осветительного жгута устанавливался непосредственно на грань рабочей призмы. Таким образом в данном приборе использовалась оптическая система, построенная по "теневой" схеме. Это приводило к заметному уширению границы "свет-тень" на ПЗС линейке. Вместе с тем для использования алгоритма типа «заслонка» — это уширение практически не влияло на погрешность измерений.
В составе прибора была зарезервирована возможность установки форсунки для очистки рабочей грани оптической призмы. Необходимость использования этой системы должна была быть определена в процессе производственной эксплуатации датчика. Внешний вид оптической системы приведен на рис.2.
Использование теневой оптической системы в осветителе прибора позволило ограничить его рабочий диапазон по шкале концентраций наибольшим значением показателя преломления до п = 1,439, что обеспечивало возможность эксплуатации прибора при температурах Т = 10...60 °С и в диапазоне концентраций к = 0...100%. В сравнении с сахарной шкалой аналогов, где этот диапазон составляет до Вх < 60 %, здесь при использовании ПЗС линейки рабочий диапазон существенно расширен.
Доработки в оптико-электронной системе датчика были связаны только с резервированием системы очистки рабочей грани оптической призмы (дооснащение электронной платы необходимыми компонентами управления клапанами этой системы и доработки программного обеспечения таймерами управления клапанами).
Технические характеристики рассмотренного прибора (по результатам лабораторных испытаний) приведены в таблице.
Технические характеристики прибора по результатам лабораторных испытаний
Технические характеристики Значение параметра
Рабочий диапазон по показателю преломления среды 1,320.1,439
Рабочие пределы измерения концентрации в шкале Впх 0.60 %
Диапазон измерения концентрации Д(Впх) в рабочих пределах 60 %
Погрешность измерения показателя преломления ± 0,001
Погрешность измерения концентрации (Впх) ± 0,5 %
Температурная компенсация показаний рефрактометра автоматическая
Допустимые пределы изменения рабочей температуры 0.140 °С
Погрешность измерения температуры среды, не хуже ± 1,0 °С
Время выхода на рабочий режим после включения 20 мин
Период обновления данных (устанавливается программно) 0,1.30 с
Выходные сигналы аналоговые (концентрация, температура) 4.20 тА
Масса изделия 8,5 кг
Габаритные размеры 470x180x180 мм
Питание 220 В, 50 Гц
Экспериментальные результаты и их обсуждение. Спектры ультрафиолетового оптического пропускания в чистых этиленгликоле и 1,2-пропиленгликоле в диапазоне длин волн X = 200...400 нм, приведены на рис. 3. Характерные особенности в ультрафиолетовых спектрах обоих исследованных гликолей совпадали. Как в этиленгликоле, так и в пропиленгликоле положение характерного максимума поглощения приходится на длину волны X = 247 нм (минимум пропускания Т(Х) для этиленгликоля и "плечо" для 1,2-пропиленгликоля). Спектральный максимум прозрачности в коротковолновой области ультрафиолетового диапазона приходится на X = 272 нм ("плечо" в спектре Т(Х) для этиленгликоля и максимум пропускания, соответственно для этиленгликоля и пропиленгликоля). На длинноволновой границе рабочего спектрального диапазона (X > 400 нм) оба спектра монотонно сходились и с учетом погрешности измерений Т из-за потерь на границах раздела "окно кюветы - исследуемый раствор" вследствие существенного различия в показателе преломления растворов различного состава были близки к прозрачности кюветы с дистиллированной водой, принятом за эталон с Т = 100 %.
Дянна шшы7 нм
Рис. 3 Спектры ультрафиолетового пропускания Т(А): 1 - дистиллированной воды;
2 - чистого этиленгликоля, 3 - чистого пропиленгликоля
Заключение. В работе получены экспериментальные результаты по измерениям спектров ультрафиолетового оптического пропускания в чистых этиленгликоле и 1,2-пропиленгликоле в диапазоне длин волн X = 200.400 нм. Информация обработана и сведена в виде графических зависимостей на рисунках.
Представленный прибор полностью удовлетворял нормативным требованиям промышленной рефрактометрии. Экспериментальные результаты представляют интерес для авиационной промышленности, а также для оптического приборостроения.
Список литературы
1. Иоффе Б. В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия. 1983. 352 с.
2. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987.264 с.
3. Пентин Ю.А., Вилков JI.B. Физические методы исследования в химии. М.: Мир. 2006. 683 с.
4. Белов Н.П., Лапшов С.Н., Майоров Е.Е., Шерстобитова А.С., Яськов А.Д. Оптические свойства растворов черных щелоков и рефрактометрические средства контроля концентрации сухого остатка в сульфатном производстве целлюлозы // Журнал Прикладной Спектроскопии. 2012. № 3. Т. 79. С. 514-516.
5. Акмаров К.А., Артемьев В.В., Белов Н.П., Лапшов С.Н., Майоров Е.Е., Патяев А.Ю., Смирнов А.В., Шерстобитова А.С., Шишова К.А., Яськов А.Д. Промышленные рефрактометры и их применение для контроля химических производств // Приборы. 2012. № 4 (142). С. 1-8
6. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Прокопенко В.Т., Хайдаров Г.Г. Рефрактометрические технологии и их применение для контроля диффузно отражающих объектов в производственном цикле // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2013. Вып. 4. Сер. 4: Физика, химия. C. 24-31.
7. Белов Н. П., Лапшов С. Н., Майоров Е.Е., Шерстобитова 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.
8. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Хайдаров 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.
9. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Федоров А.Л., Цыганкова Г.А., Жаркова Т.В., Да-гаев А.В. Производственные испытания рефрактометрического прибора для контроля жидко-фазных сред // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 7. С. 672-678.
10. Майоров Е.Е., Попова Н.Э., Дагаев А.В., Черняк Т.А., Шаламай Л.И., Хайдаров Г.Г., Хайдаров А.Г., Писарева Е.А. Разработка и практические испытания рефрактометрического прибора для контроля противообледенительных жидкостей в авиации // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 12. С. 227-234.
11. Майоров Е.Е., Туровская М.С., Хохлова М.В., Шаламай Л.И., Константинова А.А., Дагаев А.В., Гулиев Р.Б., Таюрская И.С. Применение гониометрической рефракции для измерения состава щелоков в производстве сульфатной целлюлозы // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 2. С. 129-137.
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. Том 31. № 1. C. 73-83.
Михальчевский Юрий Юрьевич, д-р экон. наук, доцент, bogdanova.uga@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Костин Геннадий Александрович, д-р тех. наук, доцент, g [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, majorov [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Курлов Виктор Валентинович, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Дагаев Александр Владимирович, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения
OPTOELECTRONIC CONTROL OF DE-ICING LIQUIDS FOR AIRCRAFT HANDLING
Y.Y. Mikhalchevsky, G.A. Kostin, E.E. Maiorov, V.V. Kurlov, R.B. Guliyev, A.V. Dagaev
The article highlights the issues of using the developed refractometer to measure the optical properties of de-icing liquids for civil aviation aircraft. It is shown that the optoelectronic control of anti-icing liquids for the treatment of aircraft is significant, since the determination of the composition and flow rate of solutions is relevant. The paper presents the overall and installation dimensions of the refractometer and presents the appearance of the developed optical system. The technical characteristics of the device according to the results of laboratory tests are given. Experimental data of optoelectronic control were obtained. The spectral dependences of the transmission coefficient in pure ethylene glycol and 1,2-propylene glycol in the wavelength range X = 200...400 nm are given.
Key words: optoelectronic device, aircraft, anti-icing liquid, optical system, ultraviolet spectrum, refractive index.
Mikhalchevsky Yuri Yurievich, doctor of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Kostin Gennady Aleksandrovich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate. of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Kurlov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly,
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation
Россия,
Россия, Санкт-
