CC BY
41
УДК 621.317
ПРОБЛЕМИ ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ РЕФРАКТОМЕТРА НА ОСНОВІ ПРОЗОРИХ ПОРОЖНИСТИХ ЦИЛІНДРІВ
В.Г. Долина, асистент, НТУ «КПІ»
Анотація. Запропоновано вирішення проблем впливу температури та забруднення внутрішньої стінки прозорого порожнистого циліндра рефрактометра на точність вимірювання вмісту сухих речовин у рідинах.
Ключові слова: рефрактометр, вміст сухих речовин, вимірювання, температура, забруднення внутрішньої стінки, структура рефрактометра.
Вступ
Розвиток вітчизняної економіки нероздільно пов’язаний з вирішенням проблем комплексної автоматизації та мехатронізації. В галузях, що займаються переробкою рідких продуктів важливе місце займають пристрої, які дозволяють визначити склад рідини. Серед них рефрактометри.
Аналіз публікацій
У праці [1] запропоновано модель первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів (ППЦ). Але виявилося, що результати вимірювання вмісту сухих речовин за допомогою рефрактометрів суттєво залежать від впливу дестабілізуючих факторів, зокрема, температури навколишнього середовища, вимірюваної рідини та забруднення внутрішньої стінки ППЦ. Зміна температури призводить до зміни щільності рідини та самого ППЦ, а це, в свою чергу, відбивається на результатах вимірювання.
Для побудови моделі рефрактометра в праці [2] розглянуто процес проходження випромінювання через ППЦ із рідиною всередині. ППЦ з рідиною представлений у вигляді двох середовищ з різними показниками заломлення пц і пр відповідно. Було отримано математичні моделі проходження світла крізь ППЦ. Проте і ППЦ, і рідина всередині ППЦ мають власні температурні коефіцієнти показника заломлення Рц для ППЦ та Рр для рідини. Тому для підвищення точності вимірювання необхідно провести дослідження впливу температури на передавальну характеристику первинного перетворювача рефрактометра.
У процесі опромінення ППЦ пучком рівнобіжних променів відбувається їхнє розсіювання. На характеристику розсіювання впливає також рідина, що знаходиться усередині ППЦ. Для вирішення
задачі розподілу вихідного потоку ППЦ у просторі правомочна заміна пучка рівнобіжних променів на промінь, що сканує поперек поверхні ППЦ паралельно лінії реєстрації [3].
Мета і постановка задачі
Вплив температури можна поділити на два випадки: коли температура ППЦ однакова у всьому об’ємі ППЦ; коли температура ППЦ на внутрішньому колі відмінна від температури на зовнішньому колі ППЦ. Зміна температури будь-якого з середовищ призводить до зміни кута виходу променя з ППЦ 9 завдяки зміні показника заломлення цього середовища [1].
Також треба урахувати забруднення внутрішньої стінки ППЦ речовинами, що на ній осідають. Розглянемо проблему побудови моделі первинного перетворювача рефрактометра.
Модель впливу температури і забруднень на передавальну характеристику рефрактометра
Спочатку розглянемо модель впливу температури у випадку, коли температура ППЦ однакова у всьому об’ємі. Тоді температурний коефіцієнт показника заломлення середовища впливає на показники заломлення середовищ таким чином:
«ц = «ц -({ц - 20)' вц • «ц ; пр = «р-(р - 20 )• вр • «р.
Подальші розрахунки кута 9 з використанням рівнянь (1) виконуються згідно з методикою, описаною у праці [1].
Тепер розглянемо модель, коли температура ППЦ на внутрішньому колі відмінна від температури на зовнішньому колі ППЦ. Тоді необхідно оціни-
ти вплив різниці температур ППЦ на внутрішньому й зовнішньому колах. При цьому розподіл температури всередині стінки ППЦ відбувається за законом, описаним формулою [4]
Т (г ) = Т + ^ • 1п —Ч
ІП —2 г
—
(2)
де Я-і - внутрішній радіус ППЦ; Я2 - зовнішній радіус ППЦ; Т1 - температура внутрішньої стінки ППЦ; Т2 - температура зовнішньої стінки ППЦ; г - проміжний радіус; Т(г) - температура ППЦ на радіусі г, як показано на рис. 1.
Рис. 1. Розподіл температур всередині ППЦ
Проте, для визначення впливу розподілу температури на передавальну характеристику реального первинного перетворювача рефрактометра на основі ППЦ слід враховувати динаміку зміни температури рідини, точну кількість рідини, що подається у ППЦ, температурні властивості конструктивних елементів первинного перетворювача, які мають механічний контакт з ППЦ, та багато інших параметрів, які можуть впливати на розподіл температури у первинному перетворювачі. Врахувати всі ці фактори дуже складно технічно, тому в конструкції первинного перетворювача доцільно буде застосувати температурну стабілізацію рідини, що вимірюється, та самого ППЦ. Цю задачу можна вирішити наступним чином: для стабілізації температури рідини пропустити її через теплообмінник, що живиться стабілізуючою водою постійної, або такої, що дуже повільно змінюється, температури, а сам первинний перетворювач розмістити всередині термостата, що живиться тією самою стабілізуючою водою. Таким чином, для врахування впливу температури буде достатньо виміряти температуру всередині термостата і ввести її значення до моделі первинного перетворювача, що наведена у [2], за допомогою рівнянь (1).
Очищення внутрішньої стінки ППЦ можна здійснити, додавши до рефрактометра два клапани, що будуть по черзі приєднувати до первинного перетворювача канал з рідиною для промивання та канал з рідиною, що вимірюється.
Проте, у разі використання як рідини для промивання дистильованої води, яка не містить у собі розчинених сухих речовин, можна додатково проводити калібровку рефрактометра, визначаючи відхилення показника заломлення від його значення при температурі 20 °С. Для цього спочатку подаємо в ППЦ дистильовану воду. Після очищення внутрішньої стінки ППЦ проводимо вимірювання показника заломлення дистильованої води (при 20 °С показник заломлення дистильованої води по = 1,3329)
МВі = Кп (1 + 5,.)•«
(3)
де Кп - номінальний коефіцієнт передачі пристрою, 5і - відносна зміна коефіцієнта передачі пристрою, і = 1, 2, 3 ... - порядковий номер вимірювання значення показника заломлення, п0 -показник заломлення дистильованої води.
Результат вимірювання показника заломлення дистильованої води МВі після кожного і-го вимірювання слід порівнювати з величиною
N1 = Кп • «0.
(4)
Якщо ЫВ, Ф N1, то необхідно задати таку яскравість випромінювача за рахунок зміни струму через випромінюючий світлодіод, щоб зменшити відносну зміну коефіцієнта передачі пристрою 5, і забезпечити NВІ Ф N з похибкою, що не перевищує значення Д¥дод - додаткова складова похибки. Таким чином:
N0 = N +д^
(5)
де МВо - результат виміру показника заломлення дистильованої води при температурі 20 °С; ДМ0 -похибка вимірювання. Д¥„ <^дод .
З урахуванням (5) результат вимірювання показника заломлення дистильованої води у загальному випадку, коли температура навколишнього середовища і вимірюваної води не дорівнює 20°С, при виставленій яскравості випромінювання може бути визначений формулою
Ыв0 = Кп •(«0 + Дпв ),
(6)
де ДпВ = ДМ0{Кп - похибка вимірювання показника заломлення зразкової міри, приведена до входу пристрою.
Після визначення відхилення показника заломлення дистильованої води подаємо до ППЦ рідину, що вимірюється, і при встановленій яскравос-
ті випромінювача вимірюємо показник заломлення досліджуваної рідини
N2 = Kп •(Пр +Anр ),
(7)
де пр - показник заломлення досліджуваної рідини; Дпр - похибка вимірювання показника заломлення досліджуваної рідини, приведена до входу пристрою.
Після вимірювання показника заломлення речовини, що вимірюється, одержуємо
Np = N2 - Nb0 + N, =
= Kh • Пр + Kh •(Anр -AnB ).
(В)
Відповідно до формули (8) похибка вимірювання показника заломлення досліджуваної рідини пр буде мінімальною за умови
^р = AnB
(9)
Для виконання рівняння (9) необхідно забезпечувати підтримку постійної температури впродовж обох тактів вимірювання дистильованої води і вимірюваної речовини, що може бути досягнуто за допомогою води, що стабілізує температуру.
Структура рефрактометра
Вимірювана речовина і дистильована вода, проходячи через теплообмінник, отримують температуру води, що стабілізує їхню температуру. Первинний перетворювач знаходиться усередині термостата, температура якого підтримується за допомогою тієї самої води, що стабілізує температуру. Керування клапанами, цифро-аналоговим перетворювачем, фотоприймачем, вирахування необхідних поправок та обчислення вмісту сухих речовин в досліджуваній рідині виконує мікроко-нтролер сімейства ЛУЯ фірми «ЛішеІ».
Висновки
Отримано конструкцію автоматичного рефрактометра на основі ППЦ. Вона базується на моделі первинного перетворювача рефрактометра, що враховує вплив зазначених факторів, і розробки на її основі структурних рішень, що забезпечують точність вимірювання незалежно від температури і забруднення внутрішньої стінки ППЦ.
Як показали експериментальні дослідження, похибка вимірювання показника заломлення за допомогою рефрактометра описаної конструкції не перевищила ± 0,5-10-4 при зміні температури вимірюваної рідини від 15 до 65 °С.
Це має важливе значення для виготовлення приладів та пристроїв автоматизації та мехатронізації для визначення складу рідини у багатьох галузях, що займаються переробкою рідких продуктів.
З урахуванням наведеного вище, отримуємо структуру автоматичного рефрактометра (рис. 2).
Вихід води, що Вхід дистильованої
стабілізує температуру води
РДВ - радіатор дистильованої води
РВР - радіатор вимірюваної речовини КДВ - клапан дистильованої води
КВР - клапан вимірюваної речовини ТР - трійник
МП - мікропроцесор
ЦАП - цифро-аналоговий
прертворювач ВП - випромінювач
ППЦ - прозорий порожнистий
Вхід вимірюваної речовини
ФП
циліндр - фотоприймач
Вхід води, що стабілізує температуру
ЦАП
Ізольована ємність
Література
1. Теленик С.Ф., Гришко В.Ф., Долина В.Г. Мо-
делі первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів // Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси і системи. - №1(15). - Херсон. - 2005. - С. 124-139.
2. Долина В.Г. Передавальні характеристики пер-
винних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів // Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету // Збірник наук. пр. - Вип. 30. - Харків. - 2005. -С. 247-249.
3. Smithgall D.H. Light scattering model for the de-
termination of fiber location in silicone coatings. Applied Opt., 19В2, v.21, №7, P. 13261331.
4. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и
теплопередача: Учеб. пособие для вузов. -3-е изд., испр. и доп. - М: Высшая школа, 19В0. - 469 с.
Рис. 2. Структура автоматичного рефрактометра на основі прозорих порожнистих циліндрів
Рецензент: О.П. Алексієв, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 3 травня 2006 р.
