CC BY
94
УДК 53
А.В. Ванцов
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА И УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖИДКОСТЕЙ
В статье рассматривается применение ультразвука и явления электромагнитного резонанса для определения качественных показателей жидкостей на примере дизельного топлива.
ультразвук, электромагнитный резонанс, дизельное топливо.
Характеристикой эффективности сгорания топлива в двигателе с воспламенением от сжатия является цетановое число - процентное, по объему, содержание цета-на (С16Н34) в смеси с альфаметилнафталином, которая по характеру самовоспламенения эквивалентна топливу, испытуемому в стандартных условиях. По ГОСТ 305-82 всё выпускающееся дизельное топливо имеет цетановое число, равное 45. В качестве эталонных используют два индивидуальных углеводорода: цетан (нормальный гексадекан С16Н34) и альфаметилнафталин (ароматический углеводород С11Н10). Цетан имеет высокую степень самовоспламенения, которая условно принята за 100 единиц, альфаметилнафталин наоборот - низкую степень самовоспламенения, условно принятую за 0. Составляя смеси цетана и альфаметилнафталина в объемных процентах, можно получить топливо с цетановым числом от 0 до100 1.
Для определения качественных показателей топлива нами были предложены две установки, запатентованные и описанные ниже.
Возможная техническая реализация предлагаемой полезной модели приведена на рисунке 1. Устройство включает измеритель импеданса (1), состоящий из генератора электрического импульса и измерительных шкал определения реактивного сопротивления и сдвига фаз между током и напряжением в колебательном контуре, образованным конденсатором (2) и индуктивностью (3), помещенным в камеру (5) и соединенным с частотомером (4). Сигнал с импедансметра (1) проходит на регистрирующий прибор (6), выполненный ввиде аналитического блока с возможностью демонстрации результатов исследований на экране (7) 2.
В основу аналитического блока введена эталонная функциональная зависимость резонансной частоты дизельного топлива от его цетанового числа. При исследовании дизельного топлива с неизвестным цетановым числом аналитический блок регистрирует значение резонансной частоты, процессор, который
1 Покровский Г.П. Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости. М. : Машиностроение, 1985.
2 Устройство для электромагнитного исследования дизельного топлива : пат. 65651 Рос. Федерация : МПК G 01 N 27/22, G 01 N 27/27 / Пащенко В.М., Ванцов В.И., Ванцов А.В. ; Рязанская государственная сельскохозяйственная академия. № 2006125992/22 ; заявл. 17.07.2006 ; опубл. 10.08.2007 ; Бюл. № 22. 5 с.
входит в конструкцию этого блока, сравнивает результат с функциональной зависимостью для эталонного топлива и демонстрирует значение цетанового числа исследуемого дизельного топлива в цифровом виде на экране 3.
В процессе измерений жидкость служит диэлектрической средой в измерительном конденсаторе (2) и магнитной средой в измерительной катушке индуктивности (3). Измерительный конденсатор (2) и катушка индуктивности (3) образуют колебательный контур, резонансная частота которого определяется диэлектрической и магнитной проницаемостью исследуемого дизельного топлива. Как известно, при внесении диэлектриков в электрическое поле происходит явление поляризации, которое характеризуется диэлектрическими дипольными моментами молекул. Если напряженность поля быстро изменяется, то между колебаниями векторов дипольного момента и напряженности поля появляется разность фаз, которая обусловливает электрические потери и зависимость диэлектрической проницаемости от частоты поля. Магнитная проницаемость дизельного топлива в переменном поле также будет зависеть от частоты поля, так как в переменном поле магнитная проницаемость диэлектриков определяется обратимыми процессами намагничивания и необратимыми процессами рассеяния энергии магнитного поля 4
В рабочую камеру (5) заправляют исследуемое дизельное топливо. Генератор измерителя импеданса (1) выдает электрический импульс, после этого на генераторе меняют частоту до получения резонанса в колебательном контуре, которому соответствует сдвиг фаз (ф) между током и напряжением, равный нулю, и минимальное значение реактивного сопротивления (2). Импульс проходит через камеру (5), создавая резонанс. Частоту резонанса определяет частотомер (4). После этого сигнал снова проходит через колебательный контур. Оба параметра, сдвиг фаз (ф) между током и напряжением и минимальное значение реактивного сопротивления (2), определяют по измерителю импеданса (1), сигнал с которого поступает на вход регистрирующего прибора (6). Регистрирующий прибор выполнен в виде аналитического блока с возможностью определения цетанового числа дизельного топлива по заранее построенным эталонным функциональным зависимостям этого числа от резонансной частоты в колебательном контуре и демонстрации его в цифровом виде на экране (7) аналитического блока 5.
3 Там же.
4 Винокуров В.И. Электрорадиоизмерения. М. : Высшая школа, 1986.
5 Там же.
Рис. 1. Схема устройства для электромагнитного исследования дизельного топлива
Дизельное топливо представляет собой смесь углеводородов сложного состава, поэтому его можно рассматривать как акустическую систему с распределенными постоянными. Скорость звука в различных органических жидкостях с учетом ряда факторов, характеризующих взаимодействие молекул, может быть определена по следующей формуле:
V =
г
Г X-R • Т Л
м - ь-р
Л
м
м - ь-р
- 2
V
У
где М - молекулярная масса, р - плотность жидкости, Ь - постоянная Ван-дер-Ваальса, в - адиабатическая сжимаемость, Т - температура.
Исходя из этого следует, что скорость звука в органической жидкости должна зависеть от природы жидкости и от температуры. Именно эти зависимости были выбраны за основные информационные параметры дизельного топлива при определении его цетанового числа. В дизельном топливе разного состава в различной степени проявляется акустическая релаксация, которая отличается не только значениями интегральных поглощений энергии, но и температурными дисперсиями скоростей звука. Причиной указанных эффектов являются обмены энергией между поступательными и внут-
ренними степенями свободы молекул, при которых звуковая энергия расходуется на возбуждение соответственно колебательных и вращательных степеней свободы. Интенсивность таких энергетических обменов зависит от состава и пространственной конформации молекул. Поэтому дизельное топливо разного состава имеет индивидуальную степень акустической релаксации.
На рисунке 2 представлено устройство, включающее в себя генератор прямоугольных импульсов (1), рабочую камеру (2) с исследуемым дизельным топливом и размещенными в ней пьезоизлучателем (3) и приемным пьезоэлементом (4), водяной термостат (5), регистрирующий прибор (6), выполненный в виде аналитического блока с возможностью демонстрации результатов исследований на экране (7) 6.
В основу аналитического блока введена эталонная функциональная зависимость скорости ультразвука в дизельном топливе от его цетанового числа. При исследовании дизельного топлива с неизвестным цетановым числом аналитический блок регистрирует скорость прохождения ультразвуковой волны, процессор, который входит в конструкцию этого блока, сравнивает результат с функциональной зависимостью для эталонного топлива и демонстрирует значение цетанового числа исследуемого дизельного топлива в цифровом виде на экране 7.
5
4
□_ 2 □
7
6
Рис. 2. Схема устройства для ультразвукового исследования дизельного топлива
Работа устройства осуществляется следующим образом: рабочая камера (2) заполняется исследуемым дизельным топливом, после включения прибора генера-
6 Устройство для ультразвукового исследования дизельного топлива : пат. 57013 Рос. Федерация : МПК G 01 № 29/00 / Пащенко В.М., Ванцов В.И., Ванцов А.В. ; Рязанская государственная сельскохозяйственная академия. - № 2005139698/22 ; заявл. 29.12.2005 ; опубл. 27.09.2006 ; Бюл. № 27.
7 Устройство для ультразвукового исследования дизельного топлива.
тор прямоугольных импульсов (1) производит сигнал, который поступает на пьезоизлучатель (3), установленный в торце рабочей части камеры (2). С противоположного торца камеры установлен приемный пьезоэлемент (4), сигнал с которого поступает на блок (6), фиксирующий время прохождения ультразвуковой волны через рабочую камеру (2), заполненную дизельным топливом. Посредством водяного термостата (5) в камере поддерживается температура, равная 20 °С 8.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Винокуров, В.И. Электрорадиоизмерения [Текст] : учеб. для вузов. - М. : Высшая школа, 1986. - 351 с.
2. Покровский, Г.П. Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости [Текст] : моногр. - М. : Машиностроение, 1985. - 230 с.
3. Устройство для электромагнитного исследования дизельного топлива [Текст] : пат. 65651 Рос. Федерация : МПК G 01 № 27/22, G 01 № 27/27 / Пащенко В.М., Ванцов В.И., Ванцов А.В. ; Рязанская государственная сельскохозяйственная академия. - № 2006125992/22 ; заявл. 17.07.2006 ; опубл. 10.08.2007 ; Бюл. № 22. - 5 с.
4. Устройство для ультразвукового исследования дизельного топлива [Текст] : пат. 57013 Рос. Федерация : МПК G 01 № 29/00 / Пащенко В.М., Ванцов В.И., Ванцов А.В. ; Рязанская государственная сельскохозяйственная академия. - № 2005139698/22 ; заявл. 29.12.2005 ; опубл. 27.09.2006 ; Бюл. № 27. - 5 с.
8 Там же.
