6. Слободян С. М. // Измерительная техника. — 2003. — № 1. — С. 19; Slobodyan S. M. // Measurement Techniques. — 2003. — V. 46. — N 1. — P. 28.
7. Субботин М. И. // Измерительная техника. — 2003. — № 2. — С. 46; Subbotin M. I. // Measurement Techniques. — 2003. — V. 46. — N 2. — P. 177.
8. Симонсен Э. // Приборы и системы управления. — 1993. — № 12. — С. 45.
9. Шишигин С. А., Слободян С. М. Свечение очага опти-
ческого пробоя воздуха // Изв. Томского политехн. ун-та. — 2008. — Т. 312. — № 2. — С. 76.
10. Масленников В. Н. Электромеханические преобразователи энергии: Матер. междунар. науч.-техн. конф. — Томск: ТПУ, 2007. — С.79.
11. Дунаевский В. П. и др. // Приборы и системы управления. — 1993. — № 9. — С. 18.
Дата одобрения 24.04.2008 г.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
541.182.4/.6
Гранулометрический контроль дисперсных
жидкостей
М. А. КАРАБЕГОВ
НИИ интроскопии МНПО «Спектр», e-mail: karabegov@rambler.ru
Рассмотрены научно-технические принципы построения фотометрическо-счетных анализаторов, предназначенных для контроля гранулометрических параметров дисперсных жидкостей — численной концентрации и размеров взвешенных в жидкостях частиц.
Ключевые слова: дисперсные жидкости, гранулометрические параметры, концентрация и размеры взвешенных частиц.
Scientific and technical principles of building photometric analyzers to control granulometric parameters of dispersion liquids — numerical concentration and sizes of particles suspended in liquids — are considered.
Key words: dispersive liquids, granulometric parameters, concentration and sizes of suspended particles.
Дисперсные жидкости (рабочие, технологические и др.) широко распространены в промышленной практике разных отраслей. Важной проблемой обеспечения их технологической эффективности является соблюдение норм чистоты по гранулометрическим параметрам — размерам и концентрации взвешенных частиц. Гранулометрический контроль рабочих дисперсных жидкостей необходим в трибологии (триботехнике), изучающей трение, износ и смазку твердых тел, процессы их взаимодействия.
Дисперсные жидкости относятся к группе двухфазных сред жидкость — взвешенные частицы, называемых также дисперсными системами или мутными (translucent) средами. Мутная среда для видимого излучения обладает диффузным пропусканием, через нее объекты практически неразличимы. Рабочие дисперсные жидкости широко применяют в машиностроении, авиации, энергетике, микроэлектронике и других областях.
Параметры рабочих дисперсных жидкостей — размеры и концентрация взвешенных частиц регламентированы стандартом [1], устанавливающим классификацию промышленной чистоты (ПЧ) жидкостей, используемых при изготовлении, эксплуатации и ремонте машин и приборов (рабочих
жидкостей гидравлических систем привода и управления машин, приводов инструментов; смазочных масел, жидких топлив, растворителей), а также кодирование ПЧ жидкостей, используемых в системах гидропривода. Стандарт [1] применяют при установлении норм ПЧ и указании классов чистоты жидкости в технических требованиях к жидкостям при их поставке, транспортировании и хранении в нормативной, конструкторской и технологической документации на изготовление, эксплуатацию и ремонт машин, приборов и инструментов. Стандарт [1] согласован с международным стандартом [2].
Согласно [1] частица загрязнителя — твердый, жидкий или многофазный объект, в том числе микроорганизм, размерами до 200 мкм (за исключением волокон, длина которых может достигать 300 мкм); размер частицы — максимальный линейный размер проекции частицы в плоскости наблюдения оптического или электронного микроскопа или эквивалентный диаметр частицы, определенный иными средствами измерений; эквивалентный диаметр — диаметр сферической частицы с известными свойствами, оказывающей такое же воздействие на средство измерений, что и измеряемая частица; волокно — загрязнитель, длина ко-
торого 200—300 мкм и превышает толщину загрязнителя не менее чем в десять раз.
В стандарте [1] предусмотрены 19 классов чистоты жидкостей, 8 групп размеров частиц в пределах 0,5—200 мкм и численные концентрации частиц до 3000/100 см3 (число частиц загрязнителя в (100 ± 0,5) см3 жидкости при размере частиц по группам). В промышленной практике распространены рабочие жидкости с характерными диапазонами размеров частиц в пределах 3—200 (300) мкм и численных концентраций до 2500 част./см3.
Класс чистоты гидравлической жидкости можно определять также по индексу загрязненности
z = 0,001 (10п10 + 25п50 + 50п50 + 100п100 + 200п200 + 400пВ),
где 0,001 — масштабный коэффициент; п10, п50, п100, п200, пВ — число частиц в 100 см3 жидкости размерами в пределах 5—10, 10—25, 50—100, 100—200 мкм, соответственно.
Класс чистоты жидкости можно установить по индексу загрязненности по таблице из [1] выбором его ближайшего максимального значения.
Рекомендуемое приложение А к [1] «Кодирование промышленной чистоты жидкостей в системах гидроприводов» составлено на основе международного стандарта [2]. Приложение устанавливает коды, применяемые при определении числа твердых частиц в рабочих жидкостях, используемых в системах гидропривода. Код, соответствующий уровню загрязненности, состоит из трех классификационных чисел, содержащих данные о распределении размеров частиц — количество частиц, равных или больших определенному значению в 1см3 рабочей жидкости. Первое, второе и третье числа составляют соответственно 4, 6 и 16 мкм. Классификационные числа распределяют по числу подсчитанных частиц, содержащихся в 1 см3 рабочей жидкости. Например, код 22/18/13 означает, что в этом объеме пробы жидкости содержится от 20000 до 40000 частиц, равных или больших 4 мкм; от 1300 до 2500 частиц, равных или больших 6 мкм; от 40 до 80 частиц, равных или больших 16 мкм. В справочном приложении Г (таблица) [1] приведено примерное соотношение между классами и кодами чистоты.
По размерам и численной концентрации частиц в зависимости от требований безопасности и технологических условий для объектов контроля (контролируемых дисперсных жидкостей) устанавливают нормы чистоты. Превышение допускаемых норм этих параметров может привести к интенсивному износу оборудования и сокращению сроков его эксплуатации, увеличению доли некачественной продукции, загрязнению атмосферы, значительным экономическим и временным потерям, отказам, авариям и катастрофам.
Контроль размеров и концентрации взвешенных частиц в дисперсных жидкостях осуществляют при помощи методик и аппаратуры, в основном, базирующихся на оптических методах. Известные оптические методы исследования и контроля дисперсных жидкостей основаны на физических закономерностях нефелометрии и турбидиметрии [3]. С использованием этих методов измеряют интенсивность излучения, рассеянного(отраженного) взвешенными частицами под некоторым углом к направлению просвечивающего луча (нефелометрия), или, в том числе, ослабленного (поглощенного) в направлении просвечивающего луча (турбидиметрия) в интегральном или выделенном участке спектра.
Характер взаимодействия оптического излучения и взвешенных частиц зависит от относительного показателя преломления и коэффициента поглощения вещества частицы, ее размеров, длины волны падающего излучения, условий измерения. Если размер частиц значительно меньше длины волны излучения, происходит рассеяние излучения, обусловленное дифракцией, и интенсивность I рассеянного излучения характеризуется уравнением Релея
, - к, 921 1Р - кЛ а4
2 2 П1- П2
л-1 - 2л2
где к1 — коэффициент пропорциональности; 10 — начальный поток излучения; V, с — объем и концентрация частиц; 8 — плотность вещества частицы; X — длина волны излучения; п1, п2 — показатели преломления вещества частиц и дисперсионной жидкости.
Для определенной дисперсной жидкости параметры V, 8, X, п1, п2 имеют постоянные значения, их совокупность обозначают коэффициентом к2, тогда интенсивность рассеянного излучения
1р = к2 с.
(1)
Согласно (1) концентрация частиц функционально зависит от интенсивности излучения, рассеянного в анализируемой дисперсной жидкости.
Для частиц более крупных размеров влияние волновой природы излучения сказывается меньше, преобладает, в основном, зависимость от геометрических свойств. Излучение, попадающее на частицу, частично отражается и частично проходит внутрь, при этом доля последней части поглощается, а другая проходит сквозь частицу.
Таким образом, для частиц, малых по сравнению с длиной волны излучения, превалирует доля рассеянной энергии по сравнению с отраженной. С увеличением размера частиц доля рассеянной энергии уменьшается, и при дальнейшем возрастании размеров частиц становятся действительными законы геометрической оптики. Интенсивность рассеянного (отраженного) излучения возрастает с увеличением количества рассеивающих частиц.
При нефелометрических измерениях интенсивность рассеянного (отраженного) излучения измеряют в направлении, перпендикулярном или под некоторым углом к направлению начального потока излучения. Угол фиксации рассеянного излучения подбирают в зависимости от параметров контролируемой среды. Огибающая векторов рассеянного излучения (индикатриса рассеяния) в координатах интенсивность — угол рассеяния является важной характеристикой при контроле дисперсных жидкостей.
При турбидиметрическом методе интенсивность излучения, ослабленного в результате прохождения через дисперсную жидкость, измеряют в направлении начального потока излучения. Она характеризуется уравнением
'р -19 % -
1 г4 + аХ4
(2)
где Ор — рассеивающая способность, в формализованном виде аналогичная оптической плотности; 10, I — интенсивности начального и ослабленного в дисперсной системе по-
тока излучения; I — толщина просвечиваемого слоя контролируемой среды (оптическая база); г, d — средние радиус и диаметр частиц; к3, а — коэффициенты, характеризующие контролируемую дисперсную жидкость и метод измерения.
Выразим совокупность постоянных для данной среды параметров г, d, X, к3 , а как коэффициент к4, тогда (2) преобразуется в уравнение вида
D.
р
: к4 1С.
(3)
Согласно (3) и подобно закону Бугера — Ламберта
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.