ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Городецька Оксана Степанівна

УДК 681.786:532.61

ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННий засіб контролю поверхневого натягу рідин на основі методу лежачої краплі

Спеціальність 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті,

Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Білинський Йосип Йосипович,

Вінницький національний технічний університет,

докторант кафедри проектування комп’ютерної та телекомунікаційної апаратури

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кісіль Ігор Степанович,

Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу,

завідувач кафедри методів та приладів контролю

якості і сертифікації продукції

доктор технічних наук, професор

Петрук Василь Григорович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри хімії та екологічної безпеки

Провідна установа: Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, кафедра аналітичних та екологічних приладів і систем, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться " 16 " червня 2006 р. о 930 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий " 11 " травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Павлов С. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Процеси, що протікають на межі поділу фаз, в багатьох випадках визначають найважливіші технологічні й природні процеси у всіх галузях народного господарства, побуті, медицині. Фундаментальною властивістю межі поділу фаз є поверхневий натяг, який визначає питому вільну поверхневу енергію рідини на межі контакту рідина – навколишній газ та зумовлює широке коло капілярних явищ, а саме, кавітацію, змочування твердих поверхонь рідинами, просочення пористих тіл тощо. Важливу роль відіграє поверхневий натяг при роботі з поверхнево-активними речовинами (ПАР), які використовуються майже у всіх галузях народного господарства: текстильній, авіаційній, автомобільній, медичній, нафтохімічній, металургії, гірничодобувній, харчовій тощо. В медицині вимірювання поверхневого натягу біологічних рідин (крові, лімфи, ліквору, жовчі, сечі, синовіальної, навколоплідної рідин тощо) є новим методом лабораторної діагностики захворювань людини і може надати важливу додаткову інформацію для лікування хворих. Особливо важливе значення поверхневий натяг відіграє в цукровій галузі, де використовують ПАР в процесах миття цукрової сировини, при інтенсифікації цукроваріння, для припинення спінювання, підвищення швидкості кристалізації цукру. Збільшення концентрації ПАР змінює поверхневі та об’ємні властивості рідини до певної межі – критичної концентрації міцелоутворення, вище якої додавання ПАР здебільшого знижує якість розчинів та призводить до їх економічно невиправданої витрати, що підвищує собівартість того чи іншого процесу. Тому виникає необхідність підвищення вірогідності контролю поверхневого натягу для забезпечення високої якості розчинів в результаті встановлення критичної концентрації ПАР.

Відомі як контактні, так і безконтактні засоби контролю поверхневого натягу, функціонування яких базується на використанні мікроскопа, фотографуванні менісків та їх проектуванні чи друці у збільшеному масштабі. Проте дані засоби не забезпечують необхідну точність, чутливість та мають низький рівень автоматизації процесу вимірювання. Тому створення засобів контролю поверхневого натягу, які б забезпечували високу чутливість, точність та широкий діапазон вимірювань поверхневого натягу з використанням мікропроцесорної обробки є важливою і актуальною задачею. Одним із шляхів вирішення цієї задачі є вдосконалення існуючих методів вимірювання та розробка на їх основі оптико-електронних засобів контролю поверхневого натягу рідин.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з тематичним планом виконання НДДКР у Вінницькому національному технічному університеті, зокрема за держбюджетною роботою № 30-Д-289 „Створення автоматизованих діагностичних систем для оцінювання функціонального стану людини” (номер держреєстрації 0105U002421) та за договором № 50/23 від 10.05.2005 р. між ВНТУ та ЗАТ „Турбів-Цукор”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення чутливості вимірювань та вірогідності контролю поверхневого натягу рідин методом лежачої краплі в електричному полі.

Відповідно до цієї мети необхідно було розв’язати такі задачі:–

здійснити огляд методів та засобів контролю поверхневого натягу рідин та існуючих методик вимірювання методом лежачої краплі, їх класифікацію та порівняння; –

вдосконалити метод лежачої краплі для визначення поверхневого натягу рідин з урахуванням впливу електричного поля;–

створити математичну модель вимірювального перетворення поверхневого натягу рідин методом лежачої краплі в електричному полі;–

дослідити поведінку краплі в електричному полі та запропонувати структурну схему засобу контролю поверхневого натягу рідин методом лежачої краплі, отримати рівняння перетворення;–

запропонувати алгоритми оброблення зображення, розрахунку геометричних параметрів лежачої краплі та розробити програмне забезпечення визначення поверхневого натягу рідин;–

здійснити аналіз похибок вимірювання поверхневого натягу та отримати аналітичні залежності для оцінювання вірогідності контролю поверхневого натягу рідин;–

розробити рекомендації щодо реалізації оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу рідин на основі методу лежачої краплі, створити експериментальний зразок засобу контролю, що має високу чутливість, та виконати відповідні експериментальні дослідження для підтвердження теоретичних розробок та положень.

Об’єктом дослідження є процес вимірювання та контролю поверхневого натягу чистих рідин та розчинів ПАР.

Предметом дослідження є методи і оптико-електронні засоби контролю поверхневого натягу на межі поділу рідина – повітря.

Методи дослідження. В основу дисертаційної роботи покладено методи математичного і фізичного моделювання, диференціальне та інтегральне числення, теорія вимірювань і контролю, похибок, теорія ймовірності і випадкових процесів, методи математичної статистики при обробці результатів вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в обґрунтуванні та вдосконаленні методу лежачої краплі, який дозволяє підвищити чутливість вимірювання поверхневого натягу рідин, що реалізовано в отриманні таких наукових результатів:

1. Вдосконалено метод лежачої краплі для вимірювання поверхневого натягу рідин, який відрізняється тим, що під впливом електричного поля відбувається зміна форми краплі та перехід її геометричних параметрів через екстремум, що дозволило знизити поріг чутливості вимірювання до 0,05 мН/м за рахунок розширення діапазону вимірюваної висоти краплі і підвищити вірогідність контролю до 0,963.

2. Вперше запропоновано математичну модель вимірювального перетворення поверхневого натягу, в якій, на відміну від існуючих, враховано взаємозв’язок геометричних параметрів з енергією краплі в електричному полі, що дозволило за рахунок реєстрації екстремальних геометричних параметрів лежачої краплі підвищити чутливість визначення поверхневого натягу рідин.

3. Модифіковано математичну модель перерозподілу напруженості електричного поля в міжелектродному просторі при наявності в ньому кювети із рідиною та оцінено тривалість переходу краплі в стаціонарний стан при зміні напруги на один крок, що дозволило синхронізувати швидкість встановлення стаціонарного стану з частотою реєстрації зображення лежачої краплі та скоротити тривалість вимірювання поверхневого натягу в одному циклі до 1,5 с.

4. Отримано аналітичні залежності для оцінювання функцій чутливості впливних величин на результати вимірювання поверхневого натягу, при цьому виділено основні складові інструментальної похибки вимірювання (похибка цифрового подання зображення, визначення геометричних параметрів краплі, формування напруги та похибка від дії інших впливів) та знайдено відповідну композицію законів розподілу для виділених складових похибки, що дозволило оцінити вірогідність контролю поверхневого натягу рідин.

Практичне значення одержаних результатів:

Практична цінність роботи полягає в тому, що на основі проведених теоретичних досліджень запропоновано структурну схему засобу контролю поверхневого натягу методом лежачої краплі в електричному полі, що дозволяє реалізувати контроль, при якому нижня межа вимірювання поверхневого натягу рідин уmin ? 10 мН/м, верхня межа вимірювання – уmах ? 100 мН/м.

Запропоновано алгоритми оброблення зображення лежачої краплі та розрахунку її геометричних параметрів, що дозволило зменшити трудомісткість процесу та похибку отримання геометричних параметрів до ± 1,5 мкм.

Розроблено рекомендації щодо реалізації оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу рідин, на основі яких розроблено функціональну, схему електричну принципову засобу контролю, виготовлено експериментальний зразок засобу контролю, що має високу чутливість в діапазоні від 10 до 100 мН/м при сумарній похибці вимірювання 1,4 %, що відповідає кращим світовим зразкам.

Розроблено програмне забезпечення, яке здійснює зберігання зображення лежачої краплі в пам’яті, його подальше оброблення, визначення геометричних параметрів та, відповідно, поверхневого натягу досліджуваної рідини, що дозволило зменшити об’єм оперативної пам’яті, оскільки кількість зображень краплі, які зберігаються в процесі вимірювання, зменшено до двох.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в закритому акціонерному товаристві „Турбів-Цукор” та у навчальний процес кафедри проектування комп'ютерної і телекомунікаційної апаратури Вінницького національного технічного університету при вивченні дисциплін „Електронні інформаційні системи та технології” та „Фізико-теоретичні основи конструювання електронних апаратів”. Впровадження результатів дисертаційних досліджень підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні, розрахункові та експериментальні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Окремі результати отримані у співавторстві, у цих випадках особистий внесок автора у патентах на винахід, статтях та тезах доповідей такий: [1] — проведено аналіз існуючих методів та засобів контролю поверхневого натягу рідин, [2] — розроблено класифікацію засобів та методів вимірювання поверхневого натягу; [3] — зроблено математичний опис геометричних параметрів лежачої краплі; [4] — розроблено математичну модель стану лежачої краплі в електричному полі; [6, 7] — розроблено структурну схему вимірювача поверхневого натягу барботажного типу; [8, 10] — розроблено структурну схему вимірювача поверхневого натягу методом лежачої краплі рефрактометричного типу; [11] — розроблено оптико-електронний засіб контролю поверхневого натягу методом лежачої краплі в електричному полі; [12] — проведено аналіз основних статичних метрологічних характеристик засобу контролю поверхневого натягу; [13] – обґрунтовано метод лежачої краплі в електричному полі та розроблено алгоритм і програмне забезпечення для обробки результатів вимірювання поверхневого натягу рідин; [14] — створено експериментальний зразок оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу методом лежачої краплі в електричному полі та проведено експериментальні дослідження.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 1-ій науково-технічній конференції „Фотоніка-ОДС 2001”, м. Вінниця, 2001 р.; 6 та 7 міжнародних молодіжних форумах „Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті”, м. Харків, 2002, 2003 рр.; міжнародній науковій конференції „Політ - 2003”, м. Київ, 2003р.; Міжнародних науково–практичних конференціях „Контроль і управління в складних системах”, м. Вінниця, 2003, 2005рр.; Міжнародній молодіжній науковій конференції „Гагаринские чтения”, м. Москва, 2004 р.; Міжнародних наукових конференціях „Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів”, м. Хмельницький, 2002, 2004, 2005 рр.); Міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування”, м. Вінниця, 2005 р.

Результати роботи доповідались на щорічних семінарах кафедри проектування комп’ютерної та телекомунікаційної апаратури Вінницького національного технічного університету та науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету за участю науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (2002-2005 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлено у 20 наукових працях, у тому числі: 6 статтях у журналах, що внесені до переліку ВАК, 4 патентах України на винаходи, 10 тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та 7 додатків. Повний обсяг дисертації 210 сторінок, в яких основний зміст викладено на 146 сторінках друкованого тексту, містить 65 рисунків та 3 таблиці. Список використаних джерел складається з 140 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведено інформацію про впровадження результатів, їх апробацію та публікації.

У першому розділі показано, що поверхневий натяг (ПН) впливає на техніко-економічні показники технологічних процесів, у яких поверхневі явища відіграють важливу роль, та визначає якість продукції таких процесів. Для аналізу відомих засобів контролю ПН рідин розроблено класифікацію, в основу якої покладено 4 класифікаційні ознаки. Встановлено, що чільне місце посідають оптичні та оптико-електронні засоби контролю, які забезпечують високу швидкодію, точність і безконтактність вимірювань, а також мають ряд інших переваг. Значну увагу приділено аналізу відомих методів вимірювання ПН на межі контакту рідина – повітря. Встановлено, що найвищий показник інформаційної ефективності має метод лежачої краплі, який базується на вимірюванні геометричних параметрів лежачої краплі рідини, що сформована на горизонтальній підкладці або у кюветі із загостреною кромкою.

В результаті аналізу існуючих методик та засобів вимірювання ПН рідин методом лежачої краплі встановлено, що засоби вимірювання ПН, функціонування яких базується на фотографуванні менісків та їх проектуванні чи друці у збільшеному масштабі не забезпечують високої точності вимірювання. Те ж стосується використання мікроскопа, оскільки використання його не дозволяє автоматизувати процес вимірювання ПН рідин та робить його втомливим для дослідника. Крім того, більшість методів базується на емпіричних та наближених залежностях, що суттєво збільшує похибки вимірювань. В зв’язку з вище сказаним, необхідним є вдосконалення методу, який би забезпечував високу чутливість, точність та мав би широкий діапазон вимірювань. Одним із шляхів вдосконалення методу лежачої краплі є вплив електричного поля, в результаті якого відбувається зміна форми меніска і перехід одного з параметрів меніска, що варіюється, через екстремум.

Отримані результати дозволили визначити подальший напрямок досліджень. Для підвищення чутливості вимірювань та вірогідності контролю доцільним є подальше дослідження оптико-електронних засобів контролю поверхневого натягу на основі методу лежачої краплі в електричному полі.

У другому розділі дисертації розроблено теоретичні основи вимірювального перетворення ПН та вдосконалено метод лежачої краплі.

Проведено математичний опис поведінки лежачої краплі рідини при її деформації в електричному полі. При внесенні краплі в зовнішнє електричне поле потенціальна енергія краплі складається з електричної енергії та сил поверхневого натягу

, (1)

де U – енергія сил поверхневого натягу; Ue – електрична енергія краплі в електричному полі.

Встановлено, що під впливом електричного поля енергія меніска змінюється і лежача крапля деформується, перетворюючись із сферичної у витягнуту сфероїдальну. При рості напруженості зовнішнього електричного поля відбувається локальне підсилення напруженості електричного поля у вершині сфероїдальної краплі, яке визначається діелектричною проникністю рідини, поверхневим натягом, розміром краплі та напруженістю зовнішнього поля. Крапля рідини в електричному полі стає нестійкою через домінування електричних сил над силами поверхневого натягу. Нестійкий стан характеризується розривом краплі з утворенням дочірніх крапель та різким зменшенням висоти меніска над кромкою кювети. Умовою стійкості краплі є принцип мінімальності її повної потенціальної енергії. З урахуванням електричної енергії та енергії сил поверхневого натягу узагальнена математична модель має вигляд

, (2)

де у – поверхневий натяг рідини; S – площа поверхні краплі над кромкою кювети; k – коефіцієнт деформації , де k0 – коефіцієнт профілю краплі; h – висота краплі над кромкою кювети; a – внутрішній радіус кювети; 0 – діелектрична постійна; – діелектрична проникність; Е – напруженість електричного поля; V – об’єм краплі над кромкою кювети.

На основі (2) значення ПН рідини можна описати рівнянням

, (3)

де , ,

,

.

Розроблена математична модель вимірювального перетворення ПН дозволила вперше врахувати взаємозв’язок геометричних параметрів та енергії краплі в електричному полі.

Для підвищення чутливості вимірювань і вірогідності контролю ПН пропонується безконтактний метод лежачої краплі в електричному полі. Суть методу така: лежачу краплю формують у кюветі із загостреною кромкою, під впливом електричного поля змінюють форму меніска, що супроводжується переходом висоти краплі над кромкою кювети через екстремум, ПН розраховують через зміну геометричних параметрів краплі.

Реалізацію даного методу зображено на рис. 1 структурною схемою вимірювального перетворювача (ВП) ПН. Кювету з досліджуваною рідиною 6 розміщують на нижньому електроді 2. На електроди 1, 2 подається напруга, яка формується блоком керування напругою 3 і покроково зростає. Збільшення напруженості призводить до зміни форми меніска, що супроводжується зростанням висоти краплі h (рис.2). Подальше підсилення напруженості викликає розрив краплі з утворенням дочірніх крапель, що характеризує нестійкий стан меніска. При цьому спостерігається різке зменшення висоти, так, при Е4>Е3 відповідно h4<h3.

Рис. 1. Структурна схема ВП ПН на основі методу лежачої краплі в електричному полі

При кожному кроці зміни напруги, що подається на електроди, фотокамерою 4 реєструють зображення досліджуваної краплі і за допомогою ЕОМ 5 здійснюють попереднє оброблення зображення, визначають ординату zb вершини краплі, та порівнюють дану координату з попереднім значенням. При zi+1>zi відбувається подальше збільшення напруги на один крок. У випадку zi+1<zi зберігається в пам’яті останнє зображення, яке підлягає подальшому обробленню, визначенні геометричних параметрів та, відповідно, ПН досліджуваної рідини.

Рис. 2. Залежність висоти краплі від напруженості електричного поля

Зчитування зображення в момент переходу краплі з одного стану в інший дозволяє зафіксувати екстремальні геометричні параметри, що розширює діапазон вимірюваної висоти краплі над кромкою кювети, а, отже, підвищує чутливість вимірювання.

Збільшення напруженості електричного поля супроводжується коливанням поверхні краплі, дослідження якого проводилось на основі модового підходу. Відомо, що чим вища мода капілярних коливань, тим швидше вона затухає, тому як характерний час затухання капілярних коливань меніска рідини обраний час основної – другої моди.

Затухаючі коливання, які здійснює поверхня меніска, характеризуються часом затухання капілярних коливань та часом в’язкого затухання – час, за який амплітуда відповідної моди капілярного коливання зменшується в е раз. Встановлено, що зі збільшенням напруги характерний час капілярних коливань збільшується, зі збільшенням в’язкості рідин характерний час в’язкого затухання капілярних коливань зменшується. Отже, ріст напруги і в’язкості приводять до того, що затухання збурення поверхні меніска відбувається за менше число коливань.

Оцінено, що тривалість переходу краплі в стаціонарний стан при зростанні напруги на один крок не перевищує 1,3 с. Для зменшення тривалості вимірювального перетворення паралельно переходу краплі в стаціонарний стан та зняттю зображення фотокамерою здійснюють попереднє оброблення зображення краплі ЕОМ.

На основі методу електромеханічних аналогій побудовано еквівалентну схему міжелектродного простору та вдосконалено математичну модель перерозподілу напруженості електричного поля, яка враховує динамічні властивості засобу контролю

, (4)

де , – напруженість електричного поля досліджуваної рідина та повітря, відповідно; Е, В – діелектрична проникність рідини та повітря; Е, В – питома провідність рідини та повітря; dВ – відстань від вершини краплі до верхнього електрода; U – напруга між електродами; – стала часу для процесу перерозподілу поля , де .

Оцінено тривалість перехідного процесу, побудовано перехідну характеристику напруженості електричного поля. Встановлено, що тривалість перехідного процесу напруженості електричного поля не перевищує 2·10-4 с.

На основі описаного методу вимірювання ПН розроблений алгоритм розрахунку ПН на межі контакту рідина – навколишнє повітря лежачої краплі в електричному полі, суть якого полягає в тому, що:

1) обробляють зображення лежачої краплі;

2) визначають геометричні параметри меніска, для цього виконують такі кроки:

2.1) профіль краплі (рис. 3) розбивають на дві симетричні відносно осі ділянки. В результаті оброблення зображень отримують масив координат точок контуру кожної з частин, де – номер ділянки, , m –кількість точок на кожній із ділянок. На основі отриманих координат () та () профіль кожної із ділянок описують у вигляді певної поліноміальної залежності ;

Рис. 3. Профіль лежачої краплі

2.2) розраховують об’єм та площу поверхні кожної ділянки меніска та .

2.3) визначають коефіцієнт деформації кожної з ділянок

. (5)

2.4) знаходять середнє значення , , .

3) на основі отриманих значень , , , а також попередньо визначеного значення діелектричної проникності та напруженості електричного поля, при якій настає нестійкий стан, розраховують значення ПН за допомогою залежності (3).

У третьому розділі дисертації подано структурну схему засобу контролю ПН та принцип її роботи на основі методу лежачої краплі в електричному полі.

Структурна схема оптико-електронного засобу контролю ПН методом лежачої краплі в електричному полі (рис. 4) включає оптичну систему (ОС), блок електродів (БЕ), блок зняття та первинної обробки зображення (БЗПОЗ), ЕОМ, мікропроцесорний блок керування напругою та синхронізації роботи з фотокамерою (МБКНС) та блок формування напруги (БФН). До складу засобу контролю ПН рідин входить: джерело живлення освітлювача 1, джерело світла 2, колімаційна лінза 3, які формують світловий потік паралельних променів та має рівномірний розподіл інтенсивності по всій апертурі. За допомогою дозатора 8 формується лежача крапля в кюветі 7, яка розміщується між електродами 4, 5, закріпленими в основі 6. Зняття зображення відбувається за допомогою фотоматриці 13, системи лінз 11, діафрагми 12, АЦП 14, в якості яких може бути використана цифрова фотокамера. ЕОМ 15 здійснюється оброблення результатів. Мікропроцесор 16, ЦАП 17, блок постійної напруги (БПН) 10 та помножувач (ПМ) 9 формують покроково зростаючу напругу, що подається на електроди. З кожним кроком зміни напруги відбувається зростання висоти краплі до моменту настання нестійкого стану. Рівняння перетворення висоти краплі над кромкою кювети у ПН

, (6)

де d – відстань між електродами; – опорна напруга ЦАП; Uпоч – початкова напруга; n – розрядність ЦАП; – коефіцієнт множення.

Рис. 4. Структурна схема оптико-електронного засобу контролю ПН методом лежачої краплі в електричному полі

Встановлено, що засіб контролю, реалізований за даною схемою, забезпечує високу чутливість та точність визначення геометричних параметрів меніска, а, отже, ПН, через розширення діапазону вимірюваної висоти краплі, що забезпечується введенням електричного поля.

Розроблено рекомендації щодо реалізації оптико-електронного засобу контролю ПН рідин, на основі яких розроблено функціональну схему (рис. 5) та схему електричну принципову, виготовлено експериментальний зразок засобу контролю (рис. 6-8).

Рис. 5. Функціональна схема засобу контролю ПН рідин

Рис. 6. Експериментальний зразок засобу контролю ПН

Рис. 7. Експериментальний зразок. Блок електродів

Рис. 8. Експериментальний зразок. Кювета з досліджуваною рідиною

Запропоновано алгоритм оброблення зображення лежачої краплі, що включає: виділення необхідного фрагмента краплі; фільтрацію зображення; підвищення контрасту; виділення контуру; бінаризацію, згладжування. На основі проведеного аналізу обрано такі методи оброблення: фільтрація зображення здійснюється з використанням нелінійного фільтра, підвищення контрасту – методом нормалізації гістограми, виділення контуру – оператором Собела, що дозволило підвищити якість зображення та зменшити похибку визначення координат поверхні меніска.

Проведено аналіз зняття зображення. Встановлено, що для отримання різкого зображення, крапля повинна розміщуватися в зоні, що відповідає глибині різкості, на відстані 100 мм. Запропоновано алгоритм зчитування та оброблення зображення, в якому передбачена паралельність виконання операцій в часі: переходу краплі в стаціонарний стан при зміні напруги на один крок, зняття зображення фотокамерою та оброблення зображення попереднього стану, що дозволило скоротити тривалість вимірювання в одному циклі до 1,5с.

З урахуванням вище наведеного розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення, яке здійснює зберігання зображення лежачої краплі в пам’яті, його подальше оброблення з метою визначення висоти, об’єму, площі поверхні краплі над кромкою кювети, а також ПН досліджуваної рідини, що дозволило зменшити до двох кількість зображень краплі, які зберігаються в пам’яті.

В четвертому розділі проведено аналіз похибок та експериментальні дослідження оптико-електронного засобу контролю ПН рідин.

Отримано статичні метрологічні характеристики засобу контролю ПН, а саме: номінальну функцію перетворення, абсолютну та відносну похибки нелінійності, абсолютну мультиплікативну та абсолютну адитивну похибки за допомогою розкладу в ряд Тейлора.

Встановлено, що чутливість перетворення зростає зі зменшенням радіуса кювети, об’єму досліджуваної рідини та збільшенням напруженості електричного поля і діелектричної проникності.

Основні складові похибки вимірювання ПН, які виникають у різних елементах структурної схеми, або впливають на них ззовні, наведені на рис. 9.

Рис. 9. Похибки, які впливають на результат вимірювання ПН, де:

р1 –температурна похибка, похибка визначення діелектричної проникності та розбіжності підсвічувального пучка променів , р2 – похибка цифрового подання зображення, визначення висоти, площі поверхні та об’єму краплі над кромкою кювети; р3 – похибка цифро-аналогового перетворювача; р5 – похибка помножувача (ПМ)

Виділено основні складові інструментальної похибки вимірювання: похибка визначення площі поверхні краплі, похибка формування напруги та похибка від дії інших впливів. Встановлено, що сумарна похибка вимірювання ПН не перевищує 1,4 %.

Отримано залежності для розрахунку помилок першого і другого роду для контролю ПН. Оцінено вірогідність контролю ПН рідин.

Розроблено методику проведення експериментальних досліджень розробленого засобу контролю ПН. Для оцінювання похибки засобу контролю проведені багатократні вимірювання поверхневого натягу рідин: дистильованої води, толуолу та гліцерину, поверхневий натяг яких на межі контакту із повітрям відомий із літературних джерел.

За результатами багаторазових вимірювань ПН дистильованої води, толуолу та гліцерину оцінено основні статистичні характеристики (СКВ=0,000511 Н/м; 0,000173 Н/м; 0,000361 Н/м) та побудовано закон розподілу контрольованої величини. Отримано експериментальну статичну характеристику (рис. 10) та експериментальну залежність ПН від концентрації NaCl (рис. 11), при цьому розбіжність теоретичних та експериментальних залежностей не перевищує 6%, що дає можливість зробити висновок про високу збіжність проведених результатів досліджень. Показано, що зведена похибка вимірювань ПН не перевищує 1,2 %, помилка першого роду становить 0,03626, помилка другого роду – 0,000449. Загальна ймовірність прийняття вірного рішення становить 0,963.

Проведено експериментальні дослідження залежності ПН від концентрації розчинів ПАР: неонолу АФ9-12, який є неіонногенною ПАР, та алкилбензолсульфокислоти (АБС-кислоти), яка є аніонною ПАР (рис. 12). Підтверджено, що ПН із ростом концентрації ПАР зменшується до певної межі– критичної концентрації міцелоутворення (ККМ), яка є різною для різних ПАР.

Рис. 10. Теоретична та експериментальна статичні характеристики

Рис. 11.Теоретична та експериментальна залежності ПН від концентрації NaCl

Рис. 12. Експериментальна залежність ПН від концентрації розчинів неонолу АФ9-12 та АБС-кислоти

За результатами порівняння метрологічних характеристик розробленого засобу контролю з відомим аналогом (табл. 1) встановлено, що представлений засіб контролю дозволяє вимірювати ПН в діапазоні 10 — 100 мН/м з похибкою вимірювання, що відповідає сучасним пристроям, при нижчій вартості засобу контролю, а також дозволяє збільшити чутливість вимірювання ПН за рахунок використання електричного поля.

Таблиця 1

Порівняльний аналіз розробленого засобу контролю ПН рідин з аналогами

Метрологічні

характеристики | Засіб контролю

Оптико-електронний на основі методу лежачої краплі в електричному полі | DVT 30 | ППНЛ-1

Діапазон вимірювань, мН/м | 10-100 | 0,05-100 | 15-75

Чутливість, мН/м | 0,1 | 0,15 | -

Похибка вимірювань, % | 1,4 | 1,5 | 1,5

Діапазон температур вимірювальних рідин, 0С | 10-90 | 10-90 | 10-90

Швидкість вимірювання, с | 3-180– | 5-9999

Вартість, грн. | 4500-5500 | 40 000 | 10000

Значну увагу звернуто на використання засобу контролю ПН та підбір ПАР і її концентрації у розчинах при уварюванні утфелів у цукровій промисловості, оскільки додавання ПАР вище ККМ знижує якість цукру та призводить до її економічно невиправданої витрати, що підвищує собівартість продукції. Отримано залежність ПН утфелю від концентрації ПАР: -метил-глюкозид-ефір (-МГЕ) та Pan-Aid (рис. 13), яка підтверджує, що оптимальною для проведення обробок утфелю є така концентрація ПАР, яка забезпечує найменше значення ПН розчину, тобто 0,05 % для -МГЕ, і знаходиться в межах норми, яка наведена у нормативних документах.

Рис. 13. Залежність концентрації ПАР від ПН

У додатках наведено проміжні математичні перетворення, схему електричну принципову мікропроцесорного блока керування напругою, фрагменти тексту програмного забезпечення розрахунку поверхневого натягу, акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Основні результати роботи та висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу, яка полягає у вдосконаленні методу лежачої краплі з використанням електричного поля та розробленні оптико-електронного засобу на його основі для контролю поверхневого натягу рідин, що забезпечує підвищення чутливості вимірювань та вірогідності контролю поверхневого натягу рідин.

Отримано такі основні наукові та практичні результати:

1. Вдосконалено метод лежачої краплі для безконтактного вимірювання поверхневого натягу рідин з урахуванням впливу електричного поля, в якому реєструють екстремальні геометричні параметри краплі у кюветі із загостреною кромкою, що дозволило знизити поріг чутливості вимірювання до 0,05 мН/м і підвищити вірогідність контролю.

2. Запропоновано математичну модель вимірювального перетворення поверхневого натягу, в якій враховано взаємозв’язок геометричних параметрів і енергії краплі, та вдосконалено математичну модель перерозподілу напруженості електричного поля в міжелектродному просторі, що дозволило запропонувати метод лежачої краплі, який має високу чутливість вимірювання за рахунок реєстрації екстремальних геометричних параметрів краплі.

3. Оцінено тривалість перехідного процесу під час зміни напруженості електричного поля в міжелектродному просторі при наявності в ньому кювети із рідиною та досліджено нестійкість краплі на основі модового підходу, що дозволило оцінити тривалість затухання капілярних коливань на поверхні меніска, синхронізувати швидкість встановлення стаціонарного стану краплі при зміні напруги на один крок з частотою реєстрації зображення лежачої краплі та скоротити тривалість вимірювання поверхневого натягу.

4. Оцінено функції чутливості впливних величин на результати вимірювання поверхневого натягу рідин. Виділено такі складові інструментальної похибки вимірювання, як похибка цифрового подання зображення, визначення геометричних параметрів краплі, похибка квантування, помножувача, похибка від дії інших впливів та знайдено відповідну композицію законів розподілу, що дозволило оцінити показники вірогідності контролю поверхневого натягу рідин. При цьому сумарна похибка складає не більше 1,4 %, що відповідає кращим світовим зразкам.

5. Наведено рекомендації щодо проектування оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу рідин, на основі яких розроблено, виготовлено та впроваджено засіб контролю поверхневого натягу рідин. Розроблено структурну, функціональну та схему електричну принципову засобу контролю, використання яких дозволяє реалізувати контроль з нижньою межею вимірювання поверхневого натягу рідин уmin ? 10 мН/м, верхньою межею вимірювання – уmах ? 100 мН/м.

6. В підтвердження розроблених теоретичних положень проведені експериментальні дослідження оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу з використанням атестованих рідин, на основі яких встановлено, що засіб контролю має чутливість 0,1 мН/м в діапазоні від 10 до 100 мН/м, а зведена похибка вимірювань не перевищує 1,2 %. Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що розширення діапазону вимірюваних висот краплі за рахунок впливу електричного поля та зменшення несиметричності форми краплі забезпечує вірогідність контролю 0,963.

7. Запропоновано алгоритм зчитування та оброблення зображення лежачої краплі, в якому передбачена паралельність виконання операцій в часі: переходу краплі в стаціонарний стан при зміні напруги на один крок, зняття зображення фотокамерою та оброблення зображення попереднього стану, що скорочує тривалість вимірювання поверхневого натягу в одному циклі до 1,5 с Розроблено програмне забезпечення для визначення геометричних параметрів меніска та поверхневого натягу досліджуваної рідини, що дозволяє зберігати в пам’яті перший і останній кадр, який передує нестійкому стану краплі, що забезпечує використання мінімального об’єму оперативної пам’яті.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Білинський Й. Й., Городецька О. С. Метод лежачої краплі — новий підхід вивчення біологічних рідин // Наука і молодь: Збірник наукових праць міжнародної наукової конференції студентів та молодих вчених „Політ-2003”. – К.: НАУ, 2003 – № 3. – С. 75-78.

2. Білинський Й. Й., Городецька О. С. Роль поверхневих явищ в різних процесах та оптичні засоби визначення поверхневого натягу // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. – 2005. – №2 (10). – С. – 203.

3. Білинський Й. Й., Білошкурська О. С. Розробка математичної моделі визначення поверхневого натягу і пристроїв на її основі // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2002. – №3, Т. 2. – С. 107-111.

4. Білинський Й. Й., Городецька О. С. Математична модель вимірювання поверхневого натягу методом лежачої краплі // Тези доповідей VIІI МНТК „Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2005). —Вінниця: УНІВЕРСУМ–Вінниця. – 2005. – С. 255.

5. Городецька О. С. Дослідження діелектричних рідин в електростатичному полі // Вісник Вінницького політехнічного інституту. _ . – №5. — С. .

6. Пат. 71576 С2 Україна, МКІ G 01 N 13/02. Оптико-електронний вимірювач поверхневого натягу рідини / Білинський Й. Й., Білошкурська О. С., Сіренко С. О. – № 2001042381; Заявл. 10.04.2001; Опубл. 15.12.2004; Бюл. № 12. – 4 с.

7. Пат. 71259 А Україна, МКІ G 01 N 13/02. Оптико-електронний вимірювач поверхневого натягу рідини / Білинський Й. Й., Городецька О. С. – № 20031211547; Заявл. 15.12.2003; Опубл. 15.11.2004; Бюл. № 11. – 4 с.

8. Пат. 71263 А Україна, МКІ G 01 N 13/02. Оптико-електронний вимірювач поверхневого натягу рідини / Білинський Й.Й., Городецька О.С. – № 20031211551; Заявл. 15.12.2003; Опубл. 15.11.2004; Бюл. № 11. – 6 с.

9. Городецька О. С. Оптико-електронна система визначення поверхневого натягу // Матеріали 8-го Міжнародного молодіжного форуму "Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті". – Ч. 1. – Харків. – 2004. – С. .

10. Городецька О. С. Білинський Й. Й. Нові підходи в автоматизації визначення поверхневого натягу рідин // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2004. – Ч. 1, Т. 3. С. 117-120.

11. Пат. 7871 Україна, МКІ G 01 N 27/26. Пристрій для контролю ступеня чистоти рідин / Городецька О. С., Білинський Й. Й., Пастушенко О. Л. – №20041209939; Заявл. 06.12.2004; Опубл. 15.07.2005; Бюл. № 7. – 4 с.

12. Городецька О. С. Дослідження статичних метрологічних характеристик вимірювача поверхневого натягу методом лежачої краплі // Тези доповідей VIІI МНТК „Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2003). —Вінниця: УНІВЕРСУМ–Вінниця. – 2003. – С. 63.

13. Городецька О. С., Білинський Й. Й., Ратушний П. М. Експериментальне дослідження чистоти рідини за показником поверхневого натягу // Вісник Хмельницького національного університету. — 2005. — Ч. 1. Т. 2. — С. .

14. Городецька О. С., Білинський Й. Й. Дослідження чистоти рідини в електростатичному полі // Вісник Вінницького політехнічного інституту. _ . – №6. – С. .

АНОТАЦІЯ

Городецька О.С. Оптико-електронний засіб контролю поверхневого натягу рідин на основі методу лежачої краплі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця. – 2006.

В дисертації вдосконалено метод лежачої краплі з урахуванням впливу електричного поля для вимірювання поверхневого натягу рідин та їхніх розчинів на межі контакту рідина – навколишнє повітря, що дозволило знизити поріг чутливості вимірювання до 0,05 мН/м і підвищити вірогідність контролю. Розроблено математичну модель вимірювального перетворення поверхневого натягу, в якій враховано взаємозв’язок геометричних параметрів та енергії краплі в електричному полі. Оцінено тривалість переходу краплі в стаціонарний стан при зміні напруги на один крок в міжелектродному просторі, що дозволило синхронізувати швидкість встановлення стаціонарного стану з частотою реєстрації зображення лежачої краплі. Оцінено функції чутливості впливних величин на результати вимірювання поверхневого натягу, проаналізовано похибки вимірювання та розраховано показники вірогідності контролю. Запропоновано алгоритмічне та програмне забезпечення оброблення зображення лежачої краплі та розрахунку її геометричних параметрів. Надано рекомендації щодо розробки оптико-електронного засобу контролю поверхневого натягу рідин та проведено експериментальні дослідження, які підтверджують отримані теоретичні результати.

Ключові слова: оптико-електронний засіб контролю, поверхневий натяг, метод лежачої краплі в електричному полі, поверхнево-активна речовина, вірогідність контролю.

АннотАция

Городецкая О.С. Оптико-электронное средство контроля поверхностного натяжения жидкостей на основе метода лежащей капли. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля и определения состава веществ. – Винницкий национальный технический университет, Винница. – 2006.

Диссертация посвящена усовершенствованию метода измерения поверхностного натяжения жидкостей и их растворов на границе контакта жидкость – окружающий воздух, разработке математического описания поведения лежащий капли жидкости при её деформации в электрическом поле, разработке средства контроля, реализующего предложенный метод измерения поверхностного натяжения. В работе представлен анализ известных методик и устройств для измерения поверхностного натяжения методом лежащей капли и определены их недостатки. Установлено, что капля жидкости, размещенная в электрическом поле, претерпевает неустойчивость, которая сопровождается изменением формы мениска и переходом одного из варьируемых параметров через экстремум, что увеличивает чувствительность измерения. Разработана математическая модель измерительного преобразования поверхностного натяжения, в которой учтена взаимосвязь геометрических и энергетических параметров капли в электрическом поле. Описан метод лежащей капли в электрическом поле, который позволил снизить порог чувствительности измерения до 0,05 мН/м и повысить достоверность контроля.

Исследована неустойчивость капли на основании модового подхода, что позволило оценить длительность перехода капли в стационарное состояние при изменении напряжения на один шаг в межэлектродном пространстве. Показано, что использование разработанного средства контроля приводит к уменьшению длительности переходного процесса, что позволило синхронизировать скорость установления стационарного состояния капли с частотой регистрации изображения лежащей капли и сократить длительность измерения поверхностного натяжения в одном цикле.

Предложен алгоритм обработки изображения лежачей капли, который включает: выделение необходимого фрагмента капли, фильтрацию изображения, повышение контраста, выделение контура, бинаризацию, сглаживание. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, которое реализует сохранение изображения лежащей капли в памяти, его обработку с целью определения высоты, объёма, площади поверхности капли над кромкой кюветы, что позволило уменьшить до двух количество изображений капли, которые сохраняются в памяти.

Оценены функции чувствительности влияющих величин на