CC BY
18
и допустимого по условиям обеспечения безопасности значения вероятности безотказной работы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Володарский В.А. Учет глубины восстановления надежности технических средств транспортной системы // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: Сб. науч. трудов / под. ред. Ю.Ф. Мухопада. - Иркутск: ИрГУПС. - 2010. - Вып. 17.- С. 119-126.
2. Володарский В.А. Математические модели оптимизации предупредительных замен и ремон-
тов технических устройств // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. -2011. - №2 (30). - С. 170-173.
3. Володарский В.А. Принципы оптимизации предупредительных замен и ремонтов в условиях неопределенности // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. -№3 (31). - С. 124-129.
4. Володарский В.А Выбор стратегии предупредительных замен электрооборудования в условиях неполноты исходных данных // Электротехническая промышленность. Сер. Общеотраслевые вопросы. - 1984.- Вып.5. - С. 9-10.
УДК 621.3.082 Мазур Владимир Геннадьевич,
аспирант кафедры промышленной электроники и информационно-измерительной техники (ПЭ и ИИТ), Ангарская государственная техническая академия, e-mail: [email protected]
Пудалов Алексей Дмитриевич, к. т. н., доцент кафедры ПЭ и ИИТ, Ангарская государственная техническая академия,
e-mail: [email protected] Воронова Тамара Сергеевна,
к. т. н., доцент кафедры ПЭ и ИИТ, Ангарская государственная техническая академия, e-mail: [email protected]
ПРИМЕНЕНИЕ СОРБЦИОННО-ЧАСТОТНОГО МЕТОДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НЕПОЛЯРНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
V.G. Mazur, A.D. Poudalov, T.S. Voronova
APPLICATION OF THE SORPTION-FREQUENCY METHOD FOR MEASUREMENT OF HUMIDITY OF UNPOLAR
ORGANIC LIQUIDS
Аннотация. В статье предложено использовать сорбционно-частотный метод для измерения влажности в неполярных жидких органических соединениях. Экспериментально были получены зависимости изменения частоты чувствительных элементов от изменения влажности гек-сана. Определены параметры математической модели, аппроксимирующей эти зависимости.
Предложен новый способ приготовления известной относительной влажности жидких органических соединений на основе насыщенных растворов солей.
Ключевые слова: сорбционно-частотный метод, пьезо-сорбционный чувствительный элемент, измерение влажности, жидкие органические соединения, гексан, насыщенные растворы солей, кварцевый генератор.
Abstract. In article it is offered to use the sorp-tion-frequency method for humidity measurement in unpolar liquid organic bond. Experimentally dependences of frequency change of sensitive elements on
humidity change hexane were received. Parameters of a mathematical model approximating these dependences are defined.
The new method of preparation of known relative humidity of liquid organic connections on the basis of saturated solutions of salts is offered.
Keywords: the sorption-frequency method, pie-zo-sorption sensitive element, humidity measurement, liquid organic bond, hexane, saturated solutions of salts, crystal oscillator.
В технологических процессах химических, нефтехимических и других отраслей промышленности часто используется гексан. Наибольшее применение он находит как неполярный растворитель для проведения химических реакций, используется как жидкость в низкотемпературных термометрах. Изомеры гексана добавляются в моторное топливо, для улучшения качества последнего. Зачастую присутствие даже незначительного количества растворённой воды в гексане способно
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
вызвать сбой в работе оборудования, что влечёт ухудшение качества выпускаемой продукции.
Для измерения влажности гексана существует несколько распространённых методов, такие как: карбид-кальциевый, гидрид-кальциевый, оптический и метод Карла Фишера. Достоинства и недостатки этих методов и приборов на их основе более подробно рассмотрены в [1, 2].
Наряду с указанными представляет интерес сорбционно-частотный метод (СЧМ), который широко используется для определения относительной влажности в газах. Суть его заключается в определении влажности вещества в соответствии с изменением частоты кварцевого пьезочувстви-тельного элемента, на который нанесена влагопо-глощающая пленка - сорбент. Так как сорбент избирательно присоединяет только влагу, то метод принципиально пригоден для измерения относительной влажности не только в газах, но и в неполярных органических жидкостях.
Целью данного исследования является определение возможности применения СЧМ для измерения влажности неполярных органических жидкостей на примере гексана.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать схему генератора, обеспечивающую устойчивые колебания пьезо-сорбционного чувствительного элемента (ПСЧЭ) в гексане.
2. Приготовить образцы гексана с известной влажностью.
3. Собрать лабораторную установку для проведения экспериментальных работ.
4. Проанализировать результаты эксперимента и сделать заключение о возможностях СЧМ применительно к измерению влажности гексана.
Исследования проводились по следующим этапам.
1. Была разработана схема кварцевого генератора, которая поддерживает устойчивые колебания ПСЧЭ при его погружении в неполярную органическую жидкость.
Схема работает на частоте последовательного резонанса, обеспечивая необходимую амплитуду колебаний ПСЧЭ. При этом ПСЧЭ на данной частоте имеет минимальное эквивалентное активное сопротивление. Также критерием качественной работы генератора являлся минимум рассеиваемой мощности на ПСЧЭ, что было достигнуто максимальным приближением формы сигнала на нем к синусоидальной.
2. Для проведения эксперимента необходимо наличие нескольких образцов гексана с известной влажностью.
Существует несколько методов приготовления образцов органических жидкостей. Наиболее известные из них: двух температур, смешивания двух образцов с известной влажностью и барботи-рование газом с известной влажностью [3].
Метод двух температур сложен для реализации, поскольку образец жидкости нужно охладить до определенной температуры, чтобы его влажность стала 100 %, а затем нагреть взятую пробу до некоторой рабочей температуры. Таким образом, относительная влажность уменьшится и в результате получится раствор с заданной влажностью. Недостатком данного метода является сложность контроля и управления температурой образцов жидкостей с высокой степенью точности в связи с их низкой теплопроводностью.
Метод смешивания основан на смешивании двух образцов жидкости с заранее известными значениями влажности. Самым простым способом приготовления требуемой влажности является смешение в необходимых пропорциях влажной и осушенной проб. Основная сложность приготовления жидкостей по указанному способу состоит в том, что работать необходимо с высокой точностью смешения образцов, так как даже при небольшой ошибке в дозировке показания измерительных приборов могут сильно отличаться от действительных.
Метод барботирования жидкости при помощи газа с известной влажностью преимущественно используется для масляных жидких соединений. Например, при анализе влажности трансформаторных масел используется газ с известной влажностью, который барботируют через анализируемую жидкость [4]. Но использование такого подхода для создания требуемой влажности легких жидких органических соединений может быть сопряжено с некоторыми трудностями в силу того, что эти жидкости (например, гексан, пентан, октан и др.) очень быстро испаряются. Это приведёт к тому, что будет происходить унос паров анализируемых жидкостей вместе с отводимым газом.
Представляет интерес метод с применением насыщенных растворов солей [5]. Данный метод в основном используется для контроля анализируемой среды при калибровке и настройке измерительной аппаратуры. Однако этот метод имеет существенный недостаток: он не позволяет получить произвольные значения влажности анализируемых образцов, в отличие, например, от метода смешивания. Но этот недостаток может быть успешно преодолён тем, что известными растворами солей
можно создать достаточное количество точек измерения влажности, которых вполне хватит для определения с высокой степенью точности параметров математической модели, аппроксимирующей экспериментальные значения.
Известно, что над насыщенными растворами некоторых солей в диапазоне температур 5-10 °C вблизи комнатной относительная влажность газа постоянна и зависит от используемой соли. В ходе эксперимента использовались насыщенные растворы следующих солей: LiCl2H2O, MgCl26H2O, NaCl, создающие при температуре 20 °C относительную влажность 12 %, 33 % и 75,5 % соответственно [6]. В анализируемый гексан были добавлены эти растворы.
Методом пьезокварцевого микровзвешивания было подтверждено, что используемые соли не растворяются в анализируемых образцах гекса-на. Для этого на электрод кварцевого элемента в виде капли наносился гексан, который до этого находился над насыщенным раствором соли. После полного испарения капли измерялась частота кварцевого элемента. Методика повторялась три раза. Изменение частоты кварцевого элемента не превышало единиц герц.
В результате было установлено, что создаваемая насыщенными растворами солей относительная влажность в гексане совпадает с той влажностью, которую создаёт этот же раствор в газе. Полученные результаты были подтверждены измерениями контрольным прибором АКВА-901. При помощи данного метода были приготовлены образцы гексана с влажностью 13 млн-1; 37 млн-1; 85 -1
млн .
Гексан с влажностью 0,1-0,2 млн-1 был приготовлен путём осушки его силикагелем.
Насыщенный раствор гексана при температуре 20 °C (влажность 111 млн-1) был приготовлен путём добавления в него такого количества воды, чтобы на дне сосуда она находилась в свободном виде.
Таким образом, в диапазоне влажности ф от 0 до 111 млн-1 были приготовлены 5 образцов гексана со следующим содержанием влаги: 0,1 млн-1; 13 млн-1; 37 млн-1; 94 млн-1; 111 млн-1. Указанные значения влажности были подтверждены контрольным прибором АКВА-901.
3. Была собрана лабораторная установка, включающая в себя следующее оборудование:
- кварцевый генератор;
- два ПСЧЭ с поли-е-капроамидом;
- лабораторный термометр ТЛ-4 № 2;
- частотомер Gwinstek GFC-8010H;
- пассивный термостат;
химическая посуда;
- химически чистый н-гексан;
- химически чистые соли: LiQ, MgCl2, №0. Структурная схема лабораторной установки
показана на рис. 1.
+5 В -220 В
Генератор У V f> Частотомер
...............Ч Г..........
ПСЧЭ О — Термометр ;
Термокамера j
Рис. 1. Структурная схема лабораторной установки
4. Эксперимент проводился по следующей схеме. Водяным термостатом ТС-16 задавалась температура исследуемого гексана, равная 20±0,5 X. Контроль температуры осуществлялся лабораторным термометром ТЛ-4 № 2. ПСЧЭ погружались сначала в осушенный раствор гексана, где фиксировались показания, затем последовательно в остальные растворы по мере повышения влажности. После измерения показаний в гексане с ф = 111 млн-1, ПСЧЭ извлекали из исследуемого образца и оставляли некоторое время на воздухе при комнатной температуре. После наступления динамического равновесия между чувствительным элементом и окружающей средой измерения проводились повторно без какой-либо дополнительной обработки датчиков.
Эксперимент, проводимый по указанной выше схеме, повторялся 14 раз на протяжении 21 дня с двумя образцами ПСЧЭ.
Статические характеристики (СХ) ПСЧЭ, полученные в результате эксперимента для двух проведённых опытов, имеющих максимальный разброс показаний, представлены на рис. 2 и 3. Все остальные 12 СХ ПСЧЭ находятся между двумя представленным кривыми и поэтому не приводятся.
0,026
0,02
0,01
> ф, млн
20 40 60 80 100 111 Рис. 2. Статические характеристики ПСЧЭ № 1
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
> ф, МЛН
100 111
Рис. 3. Статические характеристики ПСЧЭ № 2
Из рис. 2 и 3 видно, что у ПСЧЭ № 1 прирост частоты составляет примерно 2,6 %, а у второго датчика ПСЧЭ № 2 - 2 %.
Так как в качестве сорбента, нанесенного на ПСЧЭ, был использован поли-е-капроамид, то зависимости, представленные на рис. 2 и 3, могут быть описаны уравнением Рунсли, которое выглядит следующим образом [7]:
лк
ВС ф
лк
1 + (С - 1)ф
1 - ф
(1)
где ф - относительная влажность, выраженная в относительных долях; В, С, п - безразмерные коэффициенты.
Методом наименьших квадратов была произведена аппроксимация экспериментальных данных уравнением (1) для ПСЧЭ № 1 и № 2. Были вычислены значения коэффициентов В и С для обоих ПСЧЭ. Результаты вычислений представлены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1 Значения коэффициентов уравнения (1)
Образцы ПСЧЭ Значения коэффициентов
В С п
№ 1 7,7 -10 -3 13,9 3,5
№ 2 5,9 -10 -3 9,6 3,5
Коэффициенты В, С, п, входящие в уравнение (1), характеризуются технологией нанесения сорбента. Их различие объясняется тем, что ПСЧЭ были изготовлены в лабораторных, а не в производственных условиях без строгого соблюдения технологии.
На рис. 4 и 5 представлены экспериментальные и аппроксимирующие СХ ПСЧЭ.
100 111
ф, млн
Рис. 4. Статические характеристики ПСЧЭ № 1: 1 - аппроксимирующая; 2 - усреднённая по экспериментальным данным
0,03
0,02
0,01
100 111
ф, млн
Рис. 5. Статические характеристики ПСЧЭ № 2: 1 - аппроксимирующая; 2 - усреднённая по экспериментальным данным
На рис. 4 кривая 1 построена по уравнению (1) с коэффициентами, взятыми соответственно из таблицы 1 для ПСЧЭ № 1. Кривая 2 построена по усреднённым экспериментальным данным для ПСЧЭ № 1.
На рис. 5 кривая 1 построена по уравнению (1) с коэффициентами, взятыми соответственно из таблицы 1 для ПСЧЭ № 2. Кривая 2 построена по усреднённым экспериментальным данным для ПСЧЭ № 2.
Для представленных на рис. 4 и 5 СХ ПСЧЭ были вычислены погрешности аппроксимации, которые не превысили 5 %.
В процессе выполнения представленной работы были решены следующие задачи:
1. Разработана схема генератора, обеспечивающего устойчивые колебания ПСЧЭ в гексане.
2. Предложен способ приготовления образцов жидких органических соединений с известной относительной влажностью на основе насыщенных растворов солей.
2 _
3. Собрана лабораторная установка.
4. Обработаны и описаны результаты эксперимента.
В результате проведенных исследований на примере гексана была установлена возможность измерения влажности СЧМ насыщаемых неполярных жидких органических соединений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ivashchenko V.E., Mazur V.G., Tomilin M.A. Application of Sorption-Frequency Method in Comparison with Other Methods for Measurement of Humidity Nanoconcentration in Gases and Liquids // IEEE 2nd Russia School and Seminar MNST. -Novosibirsk, 2010. - P. 45-47.
2. BARTEC Company // Moisture Measurements in Hydrocarbon. 2012. URL: http://www.bartec.de/homepage/eng/20_produkte/ 16_messtechnik/s_20_16_60_011.shtml (дата об-
3.
4.
ращения: 26.01.2012)
РМГ 75-2004 ГСИ. Измерение влажности веществ. Термины и определения. 2005. Ангарское ОКБА / Влагомер трансформаторного масла «ВТМ-МК». 2012. URL: http : //www. okba.ru/produce/ener-gy/vtm-mk .php (дата обращения: 11.05.2012).
5. Аналитическая химия // Свойства органических растворителей. URL: http://www.novedu.ru/solv1.htm (дата обращения: 28.04.2012).
6. OIML R 121. The scale of relative humidity of air certified against saturated salt solutions // Organisation international de metrologie legale. International recommendation. Edition, 1996. - P. 11.
7. Серебрякова З.Г., Михайлов Н.В. Исследование сорбционных свойств полиамидных волокон в зависимости от их структуры. // Высокомолекулярные соединения - 1959 - Т. 1, №2, - С. 222-228.
УДК 519.142.1 +512.643.8 Добрынина Надежда Николаевна,
к. х. н., доцент кафедры «Высшая математика», Ангарская государственная техническая академия (АГТА), тел. (8-3955) 51-29-50
Быкова Лариса Михайловна, к. х. н., доцент кафедры «Высшая математика», Ангарская государственная техническая академия (АГТА), тел. (8-3955) 51-29-50
Федорова Елена Георгиевна, аспирант, кафедра «Процессы и аппараты химической технологии», Ангарская государственная техническая академия (АГТА), тел. (8-3955) 67-89-15
СТАЦИОНАРНОЕ КИНЕТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ ПОТЕНЦИАЛОБРАЗОВАНИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ
N.N. Dobrynina, L.M. Bykova, E. G. Fedorova
THE STATIONARY KINETIC EQUATION FOR THE REACTION POTENTIAL PRODUCTION ON BORDER OF SECTION OF PHASE
Аннотация. На основе теории графов строятся и исследуются стационарные кинетические уравнения реакции потенциалобразования на границе фаз. Проведен анализ структуры кинетических уравнений для вычисления скоростей подобных реакций.
Ключевые слова: теория графов, дуги графа, каркас графа, вес дуги графа, скорость реакций, реакция потенциалобразования, кинетические уравнения.
Abstract. Taking stand on graph theory, we construct and investigate the stationary kinetic equation for the reaction potential production boundary. The analysis of the structure of the ki-
netic equations for the calculation of rates of such reactions is carried out.
Keywords: graph theory, arcs of the graph, graph frame, weight of the arc of the graph, rate of reaction, reaction potential production, kinetic equation.
Для построения стационарных кинетических моделей различных химических реакций применение теории графов является особенно плодотворным. На основе теории можно получить и исследовать стационарные кинетические уравнения реакции потенциалобразования ионоселективных мембранных систем на границе раздела фаз.
