О.Г. Морозов, P.P. Самигуллин, Д.Р. Хазиев, И.И. Хайруллин,
(КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань)
Подавляющее большинство объектов исследования в мировой практике - природные и биологические объекты, сырье и продукты химических производств - представляют собой жидкости, которые в большинстве случаев, существуют в виде жидких дисперсных систем или сред (ЖДС), а именно: эмульсии, суспензии, коллоидные растворы. Исследование состава различных эмульсий - наиболее часто встречающаяся задача анализа, так как информация о концентрации и составе взвешенных частиц (дисперсной фазы - ДФ) часто бывает очень важна для управления многими технологическими процессами, экологическим мониторингом, научными исследованиями.
На сегодняшний день, мировой рынок предлагает потребителям большое количество измерительных приборов, которые находят свое применение в различных областях промышленности, техники и науки. Приборы имеют разные пределы измерений и разные точности и перекрывают диапазон измерений от 10-4 до 99% по объему измеряемых ЖДС. По сферам применения, концентратомеры ЖДС можно классифицировать следующим образом:
1) лабораторные стационарные;
2) портативные;
3) полевые непрерывного и периодического действий.
В настоящее время арсенал методов и средств лабораторного определения концентрации различных ЖДС весьма разнообразен, и точность измерений в этом случае достигается высокой. Однако только лабораторные измерения далеко не всегда отвечают потребностям производства и науки. Очень часто требуются полевые измерители концентрации, которые способны выполнять измерения оперативно и непрерывно непосредственно на объекте.
На основе анализа проектирования, создания и применения концентратомеров ЖДС, можно выделить исторически сложившийся подход к исследованию ее компонентного состава предполагающий использование прямых физических методов и разделение задачи
на два этапа:
• определяют число образующих эмульсию компонент и идентифицируют их, устанавливая качественный состав эмульсии;
• исходя из некоторых характеристик идентифицированных в эмульсии компонент, рассчитывают количественные соотношения между ними.
Для качественного анализа эмульсий предусматривается физическое разделение (сепарация) их на составляющие и доказательство индивидуальности полученных компонент. Для количественного анализа используют расчетные методики, полученные на основе или физического моделирования эмульсий из идентифицированных в эмульсии компонент, или математического моделирования с привлечением библиотечных данных и эмпирических закономерностей, обосновывающих правомерность использования такой модели.
Анализ результатов, полученных при эксплуатации известных лабораторных и промышленных приборов, показывает, что все они в той, или иной степени не удовлетворяют определенным требованиям либо по точности, либо по диапазону, либо по оперативности, либо по возможности автоматизации измерений. Данный анализ позволяет сделать вывод, что наибольшей пригодностью и перспективностью применения в условиях полевых измерений обладают методы: фотометрические, электрометрические и СВЧ, акустические и фотоакустические.
Анализ методов показал, что ни один метод при непосредственном применении (т.е. при простом отдельном измерении величины, характеризующем концентрацию) не способен обеспечить достаточную метрологическую надежность и живучесть средств измерений. И даже при нормальных условиях эксплуатации далеко не всегда обеспечиваются приемлемые метрологические характеристики следствии неинвариантности измерений по отношению к влияющим факторам. К влияющим, можно отнести такие факторы, как налипание и абразивное действие частиц ДФ на окна излучателей и приемников, перепады давления и температуры, вибрация и удары, агрессивное химическое действие частиц ДФ, изменение дисперсности, компонентного состава ДФ или физико-химических свойств ДС. В совокупном воздействии данныe факторы могут значительно ухудшить метрологическую надежность и живучесть, и в конечном итоге привести к систематическим отказам или к полной неспособности концентратомера выполнять свои задачи.
Одним из рациональных решений задачи можно назвать применение квазиполнопоточных методов, при которых проба автоматически забирается в измерительную установку с определенным периодом времени. Данные методы позволяют избежать избыточности полнопоточных методов и устранить недостатки дискретности методов ручного забора проб.
Однако, для реализации квазипоточных методов и эффективной работоспособности их необходимы решения широкого круга теоретических и практических вопросов, как для процессов анализа компонентного состава ЖДС, так и для процесса преобразования и регистрации полученных результатов. В частности, если рассмотреть датчик [1] в основе работы которого заложен комбинированный метод: сепарация микроволновым полем (МВП), регистрация с помощью канала видеоизмерений, то для решения поставленной задачи требуется более детальный анализа микроволновых и оптических процессов, происходящих в рабочей микроволновой камере. В большей степени это относится к вопросам математического моделирования процессов микроволновой сепарации в объеме (трехмерные модели) и процессов формирования оптических каналов видеоизмерений с минимальным уровнем отражений и паразитных засветок. Отметим, что здесь до сегодняшнего дня существует множество нерешенных проблем.
Для их решения необходимо разработать математические модели воздействия МВП, учитывающие процессы образования и оседания капель в динамике и обязательно в объеме, с учетом различных влияющих факторов (изменение физико-химического состава, температуры, динамической устойчивости системы и т.д.). Для анализа визуальной информации применяется богатый арсенал как активных, так и пассивных методов обработки. Но за рамками остаются такие нерассмотренные вопросы как повышения: однородности формирования освещенности счетного объема, точности обработки полутоновых изображений, эффективности и помехоустойчивости оптического канала датчиков. Рациональное построение системы съема визуальной информации, сводящееся к выделению полезной информации и существенному уменьшению потоков избыточной информации на входе системы, позволит создать системы технического зрения, действующие в реальном масштабе времени и обладающие несложными вычислительными устройствами.
Список литературы
1. Самигуллин P.P. и др. Оценка метрологических характеристик автоматизированных микроволновых модулей для анализа состава сырой нефти // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2004. Том 7. № 1.С. 76-78.
|
