ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕМПЕРАТУРИ НА ПЕРЕДАВАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРВИННИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ АВТОМАТИЧНИХ РЕФРАКТОМЕТРІВ НА ОСНОВІ ПРОЗОРИХ ПОРОЖНИСТИХ ЦИЛІНДРІВ



ДОЛИНА В.Г. Проведены исследования влияния температуры на передаточные характеристики рефрактометра на основе прозрачных полых цилиндров. Определены максимальные значения отклонений выходного параметра первичного преобразователя рефрактометра на основе полого прозрачного цилиндра для различных материалов цилиндра.

The effect of temperature on the transfer characteristics of the refractometer on the basis of transparent hollow cylinders was ivestigated. Determine the maximum value of deviation of the output parameter of the primary device refractometer based on a transparent hollow cylinder cylinder for different materials.

УДК 66-914

Розвиток вітчизняної економіки нероздільно пов’язаний з вирішенням проблем комплексної автоматизації. В галузях, що займаються переробкою рідких продуктів важливе місце займають пристрої, які дозволяють визначити склад рідини. Серед цих пристроїв важливе місце займають рефрактометри.

В праці [1] запропоновано модель первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів (ППЦ). Для побудови моделі рефрактометра в праці [2] розглянуто процес проходження випромінювання через ППЦ із рідиною всередині. ППЦ з рідиною представлений у вигляді двох середовищ з різними показниками заломлення і відповідно. Було отримано математичні моделі проходження світла крізь ППЦ.

Але виявилося, що результати вимірювання вмісту сухих речовин за допомогою рефрактометрів суттєво залежать від впливу дестабілізуючих факторів, зокрема температури навколишнього середовища та вимірюваної рідини. Зміна температури призводить до зміни щільності рідини та самого ППЦ, а це, в свою чергу, відбивається на результатах вимірювання. В праці [3] вирішується проблема впливу температури на передавальні характеристики первинних перетворювачів рефрактометра на основі ППЦ за допомогою стабілізації температури.

Проте використання додаткових елементів стабілізації температури призводить до ускладнення пристрою і необхідності підведення води яка стабілізує температуру [3]. Проте, цілком проблему температурного впливу подібним чином вирішити складно, бо необхідно підтримувати температуру води яка стабілізує температуру на постійному рівні. Тому необхідно провести дослідження впливу температури на передавальну характеристику рефрактометра.

І ППЦ і досліджувана рідина всередині ППЦ мають власні температурні коефіцієнти показника заломлення. Тому для підвищення точності вимірювання необхідно провести дослідження впливу температури на передавальну характеристику первинного перетворювача рефрактометра і створити математичну модель яка враховує цей вплив.

Об'єктом дослідження є ППЦ заданої товщини з відомими значеннями температури на внутрішній і зовнішній поверхнях ППЦ.

Для вирішення задачі розподілу вихідного потоку ППЦ у просторі правомочна заміна пучка рівнобіжних променів на промінь, що сканує поперек поверхні ППЦ паралельно лінії реєстрації [4]. Багаторазово відбиті промені, що не роблять істотного впливу на результуючу картину розсіювання, при цьому не розглядаються.

Вплив температури поділяється на два випадки: перший, коли температура ППЦ однакова у всьому об’ємі ППЦ, другий, коли температура ППЦ на внутрішньому радіусі відмінна від температури на зовнішньому радіусі ППЦ. Зміна температури будь якого з середовищ призводить до зміни показника заломлення і відповідно до зміни кута виходу променя з ППЦ $\theta $ та розміру освітленої ділянки ${{F}_{0i}}$[2].

У першому випадку температура призводить до зміни показників заломлення ППЦ і досліджуваної рідини. Подальші розрахунки кута виходу променя з ППЦ $\theta $ та розміру освітленої ділянки ${{F}_{0i}}$ виконуються згідно методики поданій у [2].

У другому випадку температура ППЦ на внутрішньому колі є відмінною від температури на зовнішньому колі ППЦ. При цьому розподіл температури в середині стінки ППЦ відбувається за відомим законом [5]. Приймемо, що температура рідини є однаковою на всій внутрішній поверхні ППЦ в площині променя, що сканує. Для проведення розрахунків з допомогою обчислювальної техніки доцільно поділити один ППЦ існуючий на велику кількість ППЦ, що є вкладеними один в один і які мають постійну температуру стінки у всьому її об’ємі. Подальші розрахунки кута виходу променя з ППЦ $\theta $ та розміру освітленої ділянки ${{F}_{0i}}$ виконуються за методикою поданою у [2] з урахуванням множини ППЦ.

Всі розрахунки проводились також з урахуванням коефіцієнту теплового розширення ППЦ.

Для проведення досліджень передавальних характеристик первинних перетворювачів було обрано наступні матеріали: кварцове скло, сітал, штучний сапфір. Їхні основні характеристики зведені до таблиці 1.

Розрахунки проведено наступним чином: використовуючи передавальну функцію первинного перетворювача з урахуванням впливу температури кроком в 1% вмісту СР в діапазоні від 0% до 85% вмісту СР для температур від $+5{}^\circ $С до $+85{}^\circ$С з кроком в $1{}^\circ $С визначаємо максимальне і мінімальне значення ${{F}_{0i}}$, після чого визначаємо їх різницю $\Delta {{F}_{0i}}$. Визначаємо складову відхилення пов’язану лише з матеріалом ППЦ. Вплив температури на показник заломлення досліджуваної рідини від матеріалу ППЦ не залежить. Найбільші значення відхилень були отримані коли температура ППЦ постійна в товщі стінки і дорівнює $+85{}^\circ $С. Результати розрахунків зведені у таблицю 1.

Табл.1. Основні характеристики оптичних матеріалів і максимальні відхилення викликані впливом температури

Таким чином, для потреб цукрового виробництва цілком придатними є сітал, кристалічний кварц та штучний сапфір. Проте два останніх набагато дорожчі і важчі у обробці, тому сітал є найбільш прийнятним матеріалом для виготовлення автоматичних рефрактометрів для цукрового виробництва. Для виготовлення рефрактометрів з максимально широким діапазоном вимірювання слід використовувати штучний сапфір для виготовлення ППЦ.

Для забезпечення точності вимірювання на рівні 0,02% вмісту сухих речовин в рідині слід використовувати вимірювання температури рідини і ППЦ разом з відповідною таблицею поправок, або застосовувати термостатування.

Список літератури:

$1.$ Теленик С.Ф., Гришко В.Ф., Долина В.Г. Моделі первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів. //Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси і системи. №1(15), Херсон 2005, с.124 - 139

$2.$ ДолинаВ.Г. Передавальні характеристики первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів. // Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Збірник наукових праць, випуск 30, Харків 2005– с.247-249.

$3.$ ДолинаВ.Г. Проблеми підвищення точності рефрактометра на основі прозорих порожнистих циліндрів // «Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы».Научно-технический журнал Издание Херсонского национального технического университета, №1(23), Херсон 2009, с.124 - 139

$4.$ Smithgall D.H. Light scattering model for the determination of fiber location in silicone coatings. Applied Opt., 1982, v.21,№7, p.1326-1331.

$5.$ Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд., испр. и доп. – М: Высш. школа, 1980. – 469с.

Jul 1, 2016