Инновационный пузырьковый метод и средство контроля
Международная
публикация
М.
В. ЛунинБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Лунин
М.
В. Инновационный пузырьковый метод и средство контроля // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
756–760. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54415.htm.
Аннотация. Рассмотрен новый принцип измерения вязкости жидкости, основанный на контроле параметров движения пузырька газа в вязкой среде. Предложены математическая модель и средство измерения, позволяющие контролировать динамику процесса изменения вязкостно-температурных параметров барботажной среды. Проведено экспериментальное исследование изменения реологических свойств процесса развития молочнокислых бактерий Lactobacillus plantarum на питательной среде. Получена экспериментальная зависимость изменения вязкости среды от концентрации водного раствора сахара.
Ключевые слова:
реология среды, принцип измерения, вязкость жидкости, газовый расходомер, биотехнологии, развитие бактерий, концентрация вещества в растворе, технология продуктов питания.
Текст статьи
Лунин Максим Викторович,кандидат технических наук, доцент кафедры приборостроения, метрологии и стандартизации,ФГБОУ ВПО Государственный университет –УНПК», г. ОрелmaksiXAM@yandex.ru
Инновационныйпузырьковыйметод и средствоконтроля.
Аннотация.Рассмотрен новый принцип измерения вязкости жидкости, основанный на контроле параметров движения пузырька газа ввязкойсреде. Предложена математическая модель и средство измерения позволяющие контролировать динамику процесса изменения вязкостнотемпературных параметров барботажной среды.Проведено экспериментальное исследованиеизменения реологических свойств процесса развития молочнокислых бактерий Lactobacillusplantarumна питательной среде. Получена экспериментальная зависимость изменения вязкости среды от концентрации водного раствора сахара.Ключевые слова.Реологиясреды, принцип измерения,вязкость жидкости, газовый расходомер, биотехнологии, развитие бактерий,концентрация вещества в растворе,технология продуктов питания.
Постановка задачи. При реализации множества технологических процессов требуется инструментальный контроль реологических свойств вязкихсред. При этом точность контроля вязкости и поверхностного натяжения исходных компонентов позволяет судить о режиме протекания технологического процесса и влияет на реологические свойства конечного продукта. Задача контроля реологических свойств жидкостей решается разными способами. Среди методов определения вязкости жидкости выделяют методы Стокса и Пуазейля.Метод Стокса основан на измерении скорость свободного падения твердого объектав вязкой среде. Метод Пуазейля основан на закономерности ламинарного течения жидкости в тонком капилляре. Однако, среди существующих отсутствуют методы и средства измерения при реализации которых измеряется скоростьдвижения объекта плотность которого много меньше плотности жидкости. Наиболее близким аналогом, являются пузырьковые методы Бондареваи Малышева. При их реализации решается задача контроля объемного расхода газа, что позволяет судить о режиме протекания технологического процесса. Однако, не учитывается давление газа в пузырьке,исчитается, что размер пузырька постоянный и определяется диаметром соплапоэтому в определение расхода газа вносится значительная погрешность. Дляболее точных измеренийнеобходимо учитывать реологические свойства жидкости, через которую происходит барботирование газа, его температуру и т. д.
Теоретическое обоснование.Рассмотрим пузырьковый метод и средство контроля реологических свойств жидкой среды обеспечивающие точный контрольрасхода барботируемого газа.[1]Для этого выделим цилиндрический объем вязкой среды некоторого радиуса r радиус пузырька газа 3и длиной lрисунок 1.
Рисунок 1 –Модель движения пузырька в объеме вязкой среды
В качестве объекта будем использовать пузырек с газом, всплывающий в жидкости. Пузырек газа, при движении будет находиться на торцах цилиндра, на которых поддерживается давление р1и р2, что обусловливает действие силдавления, сумма которых равна: , где:
площадь окружности сферы. Тогда: .
(1)На поверхность пузырька со стороны окружающего слоя вязкой среды действует сила внутреннего трения –сила Ньютона: ,
(2)где:
динамическая вязкость жидкости,
площадь цилиндра образующего поверхность трения в жидкости,
изменение скорости от . Движение пузырька газа в вязкой среде будет сложным. Сначала, когда скорость мала, движение пузырька будет близким к равноускоренному. Скорость растет вначале движения примерно пропорционально времени. Далее ускорение будет постепенно уменьшаться, изза увеличения противодействующей силы трения вязкой среды. Это привет к тому, что пузырек начнет двигаться равномерно. При равномерном движении в вязкой среде выталкивающая сила, должна уравновешиваться силой Ньютона, т.е. имеет место равенство: .
(3)Знак минус в уравнении 3 означает, что , т.е. скорость уменьшается с увеличением расстояния от оси цилиндрической кюветы 1. Дифференциальное уравнение 3 запишем в виде:,
(4)В результате интегрирования уравнения 4, получим:.
(5)Постоянную интегрирования выберем так, чтобы скорость обращалась в нуль на стенках цилиндра, т.е. при r= RК. Учитывая это условие: .
(6)Подставим 6 в 5, получим:.
(7)Значение скорости на оси цилиндра, при равно: .
(8)Скоростьна равномерном участке подъемаопределим по формуле:.
(9)Подставим 9 в 8, получим: .Отсюда, вязкость определим как: ,
(10)где: t–время прохождения отрезка l. Величины давлений р1и р2 определим по формуле: ,
(11)где:
плотность вязкой среды,
ускорение свободного падения, высота столба вязкой среды. Таким образом, вязкость жидкости можно контролироватьпутем использования пузырька газа и измерения времени прохождения пузырьком участка на траекторииего подъема. Такое измерение технически реализуется использованием оптических линий контроля, представленных на рисунке 1 источники света позиции 2, фотоприемники позиции 4. При движении пузырька газа вертикально вверх, происходит изменение давления столба жидкости, что приводит к расширению пузырька и увеличению его объёма. Возрастание объёма ведёт к увеличению подъёмной силы, при этомпроисходит рост площади поверхности, что ведёт к увеличению силы трения. При описании поведения пузырька газа при различных температурах и давлениях воспользуемся уравнением ВандерВаальса.
(12)где
давление действующее на пузырёк со стороны жидкости;
молярный объём газа в пузырьке;
температура газа в пузырьке;
универсальная газовая постоянная; и
константы ВандерВаальса, учитывающие отклонение свойств реального газа от свойств идеального. Иззавзаимного притяжения между молекулами газ как бы сжимается большим давлением, чем давление , оказываемое на газ со стороны жидкости, в которой он заключён. Поправка имеет размерность давления и учитывает взаимное притяжение между молекулами газа за счёт вандерваальсовых сил. Перепишем 12: .Умножим левую и правую части уравнения на , получим: .
(13)Сила Архимеда действующая на пузырек, имеет вид: ,
(14)где
масса жидкости;
объем сферического пузырька газа. Силу тяжести запишем следующим образом: ,
(15)где
масса газа;
плотность газа. Учитывая 14 и 15, запишем соотношение: .
(16)Из соотношения 16, видно, что , тогда силой тяжести действующей на пузырек можно пренебречь. Уравнение 13 имеет два мнимыхи одно действительное решение. Численное решение данного уравнения относительно молярного объема газа позволяет утверждать, что при подъёме пузырька воздуха в глицерине изменение гидростатического давления жидкости на 50% приводит к увеличению радиуса пузырька газа на 26%и изменению подъёмной силы пузырька газа на 101%. [2]Сказанное выше позволяет получить выражение для определения объема газа в одном пузырьке. Объём газа в пузырьке: ,
(17)где
плотность газа при нормальных условиях;
нормальное давление;
гидростатическое давление, действующее на пузырёк со стороны жидкости;
молярный объём газа;
константа ВандерВаальса. Из уравнения ВандерВаальса с учётом 17): ,
(18)где
температура газа в пузырьке;
универсальная газовая постоянная;
константа ВандерВаальса. На движущийся в вязкой жидкости пузырёк газа действуют силы, для которых справедливо соотношение: ,
(19)где
сила Архимеда;
сила трения;
сила, действующая на движущийся с ускорением пузырёк. Учитывая, что при наступлении предельного значения скорости пузырёк начинает двигаться равномерно, величина . При этом для предельных значений скорости , при которых сохраняется равномерное движение и ламинарное обтекание шарика жидкостью, справедливо выражение Стокса: ,
(20)где
предельное значение скорости при равномерном движении;
радиус шара движущегося в жидкости;
динамическая вязкость жидкости. Учитывая силы, действующие на сферический пузырёк, можно записать: .
(21)Для учета молярногообъема воспользуемся формулой Бачинского:,
(22)где с –константа Бачинского. Учитывая 22 перепишем 21):.
(23)Таким образом, проведенный анализ, позволяет проводить точное измерениереологических свойств жидкости с учетом влияния объема газового пузырька. Также с помощью предлагаемого принципа можно контролировать расход газа с учётом влияния реологических свойств жидкости на объём газового пузырька. Практическая реализация средства измерения. На основании результатов теоретического анализа и полученных зависимостей, сформулирован способ измерения, поясняющийся функциональной схемой на рисунке 2.
Рисунок 2
Функциональная схема устройства контроля реологии среды
Устройство на рисунке 2работает следующим образом. При движении пузырька газа 2 вдоль оси цилиндра вязкой жидкости сначала повышается ток IF1 и напряжение на выходе усилителя 11 становится больше опорного U2 = IF1R� UREF. При этом срабатывает компаратор 12, сравнивающий напряжения U2, UREF, и формирует импульс длительностью ТI1. Затем повышается напряжение на выходе усилителя 4 и срабатывает компаратор 5, формирующий импульс с длительностью ТI2. Триггер 6 срабатывает по фронту импульса напряжения U4 на выходе компаратора 12 и возвращается в исходное состояние по фронту импульса U3 на выходе компаратора 5, поступающего на Rвход триггера 6. К выходам компараторов 5, 12 подключен элемент 7 типа 2ИЛИ для формирования интервала измерения ТI, а также элемент 13 типа 3ИЛИНЕ, которым выделяется интервал ТI= ТI–ТI1–ТI2времени между выходными импульсами компараторов 5, 12. При появлении на инверсном выходе триггера 6 нулевого уровня напряжения и наличии нулевых сигналов на выходах компараторов 5 и 12 появляется высокий единичный уровень напряжения на выходе элемента 13 типа 3ИЛИНЕ, выходным сигналом U7 которого устанавливает в нулевое состояние триггер 18. При этом на выходе логического элемента 14 типа 2ИЛИ формируются импульсы с частотой FТ, а в остальное время частота этих импульсов уменьшается вдвое до уровня 0,5FТ. С выхода элемента 14 типа 2ИЛИ импульсы напряжения U10 переключаемой частоты через логический элемент 8 типа 2Ипоступают на счетный вход счетчика 9. Элемент типа 2ИЛИ 7 применен для выделения времени измерения ТIи формирует сигнал U6 при появлении высокого уровня напряжения на выходах триггера 6 или компаратора 5. Этот сигнал U6 также поступает на микропроцессор 10 как команда "Измерение", вначале которой микропроцессор 10 формирует короткий импульс, подаваемый наRвход счетчика импульсов 9 для его установки в нулевое состояние. Поэтому счетчик 9 реализует операцию цифрового измерения интервала времени ТI
посредством его заполнения тактовыми импульсами с переключаемой частотой FТи 0,5FТ. При этом число импульсов, поступающих с выхода элемента 8 на счетчик 9 в течение интервала одного измерения, определяется формулой: N11= 0,5FТ ·ТI1+ ТI2) + FТ ·ТI.
(24)По окончанию цикла измерения полученный код N11с выходов счетчика 9 записывается в оперативное запоминающее устройство микропроцессора 10. Далее определяют и запоминают температуру вязкой. Полученное значение выводится на цифровой индикатор 15. [3]Экспериментальное исследование.Данное средство измерения может быть использовано в различны технологиях, например в биотехнологиях контроля продуктов питания. Рассмотрим процесс развития молочнокислых бактерий Lactobacillusplantarumна питательной среде. Вязкость молока определяется его составными компонентами, находящиеся в эмульгированном и коллоидном состояниях. Физикохимические свойства, в том числе вязкость, все больше используются для оценки качества питательных сред в целом и молока в частности. Вязкость молока можно представить как сумму вязкости воды и приращений вязкости от дисперсной фазы белки,жиры углеводы и структурных связей. Структурная составляющая вязкости исчезает при температуре более 34°С в связи с плавлением молочного жира и интенсивным тепловым движением самих элементов структуры. На вязкость молока влияют эмульгированные и коллоидно растворимые частицы, в частности, жира, казеина, а также наличие агломератов жировых шариков, состояния казеина гидратация, величина мицелл, сывороточных белков, режим и способ обработки молока. При 20°С вязкость цельного молока может изменяться от 0,0013 до 0,0035 Па.с. При развитии в молоке молочнокислых бактерий углеводы, белки, биологически активные вещества используются микроорганизмами в пищу. Ферменты микроорганизмов катализируют гидролиз сложных биополимеров молока, снижается их концентрация, в то же время концентрация низкомолекулярных продуктов метаболизма бактерий увеличивается. В результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий динамическая вязкость сложной дисперсной системы –молока уменьшится, что может быть критерием оценки его качества, как питательной среды. На рисунке 3показано изменение вязкости молока в зависимости от продолжительности развития молочнокислых бактерий Lactobacillusplantarum8PA3с учетом среднеквадратического отклонения.
Рисунок 3
Влияние продолжительности развития Lactobacills latam 8PA3 на показатель динамической вязкости молока
В течение 52 минут бактерии не изменяли вязкость молока, что характерно для лагфазы развития микробной культуры. Затем микроорганизмы вступают в логфазу, которая характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ и размножением. На 117 минуте наступает стационарная фаза развития микробной культуры, динамическая вязкость молока снизилась до 0,0005 Па.си более не изменялась. При контроле и управлении технологическими процессами на предприятиях пищевой промышленности, а так же при проведении научноисследовательских работчасто возникает необходимость измерения концентрации растворенного вещества.[4] Рассмотрим экспериментальное исследование контроляконцентрации оптически прозрачного раствора на примере использования раствора сахара, концентрация которого изменялась от 10 до 60%. При многократных измерениях времени прохождения пузырька с воздухом через водные растворы сахара с разной концентрацией, были получены экспериментальные данные которые приведены на рисунке 4.
Рисунок 4 –Влияние концентрации сахарного раствора на изменение его вязкости с учетом метрологической статистической характеристики
Из рисунка 4 видно, что до концентрации в 45% результаты измерения характеризуются высокими значениями величины СКО. Это связано с низкой вязкостью и турбулентным течением пузырькамаркера. В связи с этим, регрессионному анализу подвергалась область концентрации растворов в диапазоне от 45% до 60%. Следует отметить, что выбор сахара в качестве объекта исследования, объясняется его широким применением в области пищевых производств, например при производстве напитков, жевательной резинки, соусов, консервированных фруктов и овощей, молочных продуктов, хлебобулочных изделий. В химической промышленности из сахара получают тысячи производных, используемых в самых разных областях, включая производство пластмасс, фармацевтических препаратов, шипучих напитков и замороженных пищевых продуктов. Выводы.
Вязкость жидкости можно измерить путем использования пузырька газа и измерения времени прохождения пузырьком участка на траектории его подъема. В процессе контроля, изменение температуры окружающей среды влияет на барботажную систему. При этом под действием внешних источников тепловой энергии в объёме вязкой жидкости изменяются характеристики теплового поля, что приводит к изменению энергии активации среды и изменению динамической вязкости и коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
Относительное изменение диаметра пузырька при подъёме с глубины меньше относительного роста подъёмной силы. В уравнении ВандерВаальса множитель позволяет учесть гидростатическое давление на пузырёк со стороны вязкой жидкости и давление, создаваемое плёнкой в виде поверхностного натяжения. Предложенное средство измерения, основанное на новом принципеизмерения динамической вязкости жидкости, в частности молока, позволяет осуществлять контроль за качеством цельного молока и контролировать в нем процесс развития молочнокислых бактерий. Предлагаемоесредство измерения может найти применение в различных биотехнологиях. Например, в технологии пищевых продуктов, где проводят инструментальный контроль концентрации растворов компонентов, для настройки дозаторов и полученияполуфабриката с определенными реологическими свойствами.
Ссылки на источники1.Лунин М.В., Костин М.С., Медведева А.Ю. Метод и средство контроля температуры вязких жидкостей. // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.
№ 32/275(561). –Орел: ОрёлГТУ, 2009. С. 66 –72. –Свидетельство ПИ № ФС7747351 от 03 ноября 2011 года.2.Лунин М.В. Метод и средство контроля объемного расхода газа в процессах с малым газовыделением. : Автореферат диссертации кандидата технических наук: 05.11.13; [Место защиты: Госуниверситет УНПК]. –Орел, 2010. –16 с.3.Лунин М.В., Яковенко М.В., Жидков А.В., Телепнев А.М. Анализатор для определения концентрации компонентов биологических жидкостей в диагностике раннего рака. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. –№ 6290. –Орел. –2011. С. 99–106.–Свидетельство ПИ № ФС7747351 от 03 ноября 2011 года.4.Лунин М.В., Позднякова Е.О. Система контроля концентрации вещества в однокомпонентных растворах. // Современные материалы, техника и технология [Текст]: материалы 2й Международной научнопрактической конференции 25 декабря 2012 года/ редкол.: Горохов А.А. отв. Ред.; ЮгоЗап. Гос. Унт. Курск, 2012.
Lunin Maxim VictorovichCandidate of Engineering Sciences, associate Pofesso of te eatmet of Istmetatio, Metology ad stadadizatio» State Uivesity –UNPK, OrelmaksiXAM@yandex.ruInnovative bubble method and means of control.Abstract.A new principle of measuring the viscosity of the fluid based on the control parameters of motion of a gas bubble in a viscous medium. A mathematical model and a measurement tool to monitor the dynamics of changes in the viscositytemperature parameter bubble environment. An experimental study of the changes in the rheological properties of the process of development of lactic acid bacteriaLactobacillus plantarum on a nutrient medium. The experimental dependence of the viscosity of the medium on the concentration of the aqueoussolution of sugar.
Keywords.Rheology environment, measuring principle, fluid viscosity,gas flow meter, biotechnology, development of bacteria, the concentration of a substance in solution, food technology.
Инновационныйпузырьковыйметод и средствоконтроля.
Аннотация.Рассмотрен новый принцип измерения вязкости жидкости, основанный на контроле параметров движения пузырька газа ввязкойсреде. Предложена математическая модель и средство измерения позволяющие контролировать динамику процесса изменения вязкостнотемпературных параметров барботажной среды.Проведено экспериментальное исследованиеизменения реологических свойств процесса развития молочнокислых бактерий Lactobacillusplantarumна питательной среде. Получена экспериментальная зависимость изменения вязкости среды от концентрации водного раствора сахара.Ключевые слова.Реологиясреды, принцип измерения,вязкость жидкости, газовый расходомер, биотехнологии, развитие бактерий,концентрация вещества в растворе,технология продуктов питания.
Постановка задачи. При реализации множества технологических процессов требуется инструментальный контроль реологических свойств вязкихсред. При этом точность контроля вязкости и поверхностного натяжения исходных компонентов позволяет судить о режиме протекания технологического процесса и влияет на реологические свойства конечного продукта. Задача контроля реологических свойств жидкостей решается разными способами. Среди методов определения вязкости жидкости выделяют методы Стокса и Пуазейля.Метод Стокса основан на измерении скорость свободного падения твердого объектав вязкой среде. Метод Пуазейля основан на закономерности ламинарного течения жидкости в тонком капилляре. Однако, среди существующих отсутствуют методы и средства измерения при реализации которых измеряется скоростьдвижения объекта плотность которого много меньше плотности жидкости. Наиболее близким аналогом, являются пузырьковые методы Бондареваи Малышева. При их реализации решается задача контроля объемного расхода газа, что позволяет судить о режиме протекания технологического процесса. Однако, не учитывается давление газа в пузырьке,исчитается, что размер пузырька постоянный и определяется диаметром соплапоэтому в определение расхода газа вносится значительная погрешность. Дляболее точных измеренийнеобходимо учитывать реологические свойства жидкости, через которую происходит барботирование газа, его температуру и т. д.
Теоретическое обоснование.Рассмотрим пузырьковый метод и средство контроля реологических свойств жидкой среды обеспечивающие точный контрольрасхода барботируемого газа.[1]Для этого выделим цилиндрический объем вязкой среды некоторого радиуса r радиус пузырька газа 3и длиной lрисунок 1.
Рисунок 1 –Модель движения пузырька в объеме вязкой среды
В качестве объекта будем использовать пузырек с газом, всплывающий в жидкости. Пузырек газа, при движении будет находиться на торцах цилиндра, на которых поддерживается давление р1и р2, что обусловливает действие силдавления, сумма которых равна: , где:
площадь окружности сферы. Тогда: .
(1)На поверхность пузырька со стороны окружающего слоя вязкой среды действует сила внутреннего трения –сила Ньютона: ,
(2)где:
динамическая вязкость жидкости,
площадь цилиндра образующего поверхность трения в жидкости,
изменение скорости от . Движение пузырька газа в вязкой среде будет сложным. Сначала, когда скорость мала, движение пузырька будет близким к равноускоренному. Скорость растет вначале движения примерно пропорционально времени. Далее ускорение будет постепенно уменьшаться, изза увеличения противодействующей силы трения вязкой среды. Это привет к тому, что пузырек начнет двигаться равномерно. При равномерном движении в вязкой среде выталкивающая сила, должна уравновешиваться силой Ньютона, т.е. имеет место равенство: .
(3)Знак минус в уравнении 3 означает, что , т.е. скорость уменьшается с увеличением расстояния от оси цилиндрической кюветы 1. Дифференциальное уравнение 3 запишем в виде:,
(4)В результате интегрирования уравнения 4, получим:.
(5)Постоянную интегрирования выберем так, чтобы скорость обращалась в нуль на стенках цилиндра, т.е. при r= RК. Учитывая это условие: .
(6)Подставим 6 в 5, получим:.
(7)Значение скорости на оси цилиндра, при равно: .
(8)Скоростьна равномерном участке подъемаопределим по формуле:.
(9)Подставим 9 в 8, получим: .Отсюда, вязкость определим как: ,
(10)где: t–время прохождения отрезка l. Величины давлений р1и р2 определим по формуле: ,
(11)где:
плотность вязкой среды,
ускорение свободного падения, высота столба вязкой среды. Таким образом, вязкость жидкости можно контролироватьпутем использования пузырька газа и измерения времени прохождения пузырьком участка на траекторииего подъема. Такое измерение технически реализуется использованием оптических линий контроля, представленных на рисунке 1 источники света позиции 2, фотоприемники позиции 4. При движении пузырька газа вертикально вверх, происходит изменение давления столба жидкости, что приводит к расширению пузырька и увеличению его объёма. Возрастание объёма ведёт к увеличению подъёмной силы, при этомпроисходит рост площади поверхности, что ведёт к увеличению силы трения. При описании поведения пузырька газа при различных температурах и давлениях воспользуемся уравнением ВандерВаальса.
(12)где
давление действующее на пузырёк со стороны жидкости;
молярный объём газа в пузырьке;
температура газа в пузырьке;
универсальная газовая постоянная; и
константы ВандерВаальса, учитывающие отклонение свойств реального газа от свойств идеального. Иззавзаимного притяжения между молекулами газ как бы сжимается большим давлением, чем давление , оказываемое на газ со стороны жидкости, в которой он заключён. Поправка имеет размерность давления и учитывает взаимное притяжение между молекулами газа за счёт вандерваальсовых сил. Перепишем 12: .Умножим левую и правую части уравнения на , получим: .
(13)Сила Архимеда действующая на пузырек, имеет вид: ,
(14)где
масса жидкости;
объем сферического пузырька газа. Силу тяжести запишем следующим образом: ,
(15)где
масса газа;
плотность газа. Учитывая 14 и 15, запишем соотношение: .
(16)Из соотношения 16, видно, что , тогда силой тяжести действующей на пузырек можно пренебречь. Уравнение 13 имеет два мнимыхи одно действительное решение. Численное решение данного уравнения относительно молярного объема газа позволяет утверждать, что при подъёме пузырька воздуха в глицерине изменение гидростатического давления жидкости на 50% приводит к увеличению радиуса пузырька газа на 26%и изменению подъёмной силы пузырька газа на 101%. [2]Сказанное выше позволяет получить выражение для определения объема газа в одном пузырьке. Объём газа в пузырьке: ,
(17)где
плотность газа при нормальных условиях;
нормальное давление;
гидростатическое давление, действующее на пузырёк со стороны жидкости;
молярный объём газа;
константа ВандерВаальса. Из уравнения ВандерВаальса с учётом 17): ,
(18)где
температура газа в пузырьке;
универсальная газовая постоянная;
константа ВандерВаальса. На движущийся в вязкой жидкости пузырёк газа действуют силы, для которых справедливо соотношение: ,
(19)где
сила Архимеда;
сила трения;
сила, действующая на движущийся с ускорением пузырёк. Учитывая, что при наступлении предельного значения скорости пузырёк начинает двигаться равномерно, величина . При этом для предельных значений скорости , при которых сохраняется равномерное движение и ламинарное обтекание шарика жидкостью, справедливо выражение Стокса: ,
(20)где
предельное значение скорости при равномерном движении;
радиус шара движущегося в жидкости;
динамическая вязкость жидкости. Учитывая силы, действующие на сферический пузырёк, можно записать: .
(21)Для учета молярногообъема воспользуемся формулой Бачинского:,
(22)где с –константа Бачинского. Учитывая 22 перепишем 21):.
(23)Таким образом, проведенный анализ, позволяет проводить точное измерениереологических свойств жидкости с учетом влияния объема газового пузырька. Также с помощью предлагаемого принципа можно контролировать расход газа с учётом влияния реологических свойств жидкости на объём газового пузырька. Практическая реализация средства измерения. На основании результатов теоретического анализа и полученных зависимостей, сформулирован способ измерения, поясняющийся функциональной схемой на рисунке 2.
Рисунок 2
Функциональная схема устройства контроля реологии среды
Устройство на рисунке 2работает следующим образом. При движении пузырька газа 2 вдоль оси цилиндра вязкой жидкости сначала повышается ток IF1 и напряжение на выходе усилителя 11 становится больше опорного U2 = IF1R� UREF. При этом срабатывает компаратор 12, сравнивающий напряжения U2, UREF, и формирует импульс длительностью ТI1. Затем повышается напряжение на выходе усилителя 4 и срабатывает компаратор 5, формирующий импульс с длительностью ТI2. Триггер 6 срабатывает по фронту импульса напряжения U4 на выходе компаратора 12 и возвращается в исходное состояние по фронту импульса U3 на выходе компаратора 5, поступающего на Rвход триггера 6. К выходам компараторов 5, 12 подключен элемент 7 типа 2ИЛИ для формирования интервала измерения ТI, а также элемент 13 типа 3ИЛИНЕ, которым выделяется интервал ТI= ТI–ТI1–ТI2времени между выходными импульсами компараторов 5, 12. При появлении на инверсном выходе триггера 6 нулевого уровня напряжения и наличии нулевых сигналов на выходах компараторов 5 и 12 появляется высокий единичный уровень напряжения на выходе элемента 13 типа 3ИЛИНЕ, выходным сигналом U7 которого устанавливает в нулевое состояние триггер 18. При этом на выходе логического элемента 14 типа 2ИЛИ формируются импульсы с частотой FТ, а в остальное время частота этих импульсов уменьшается вдвое до уровня 0,5FТ. С выхода элемента 14 типа 2ИЛИ импульсы напряжения U10 переключаемой частоты через логический элемент 8 типа 2Ипоступают на счетный вход счетчика 9. Элемент типа 2ИЛИ 7 применен для выделения времени измерения ТIи формирует сигнал U6 при появлении высокого уровня напряжения на выходах триггера 6 или компаратора 5. Этот сигнал U6 также поступает на микропроцессор 10 как команда "Измерение", вначале которой микропроцессор 10 формирует короткий импульс, подаваемый наRвход счетчика импульсов 9 для его установки в нулевое состояние. Поэтому счетчик 9 реализует операцию цифрового измерения интервала времени ТI
посредством его заполнения тактовыми импульсами с переключаемой частотой FТи 0,5FТ. При этом число импульсов, поступающих с выхода элемента 8 на счетчик 9 в течение интервала одного измерения, определяется формулой: N11= 0,5FТ ·ТI1+ ТI2) + FТ ·ТI.
(24)По окончанию цикла измерения полученный код N11с выходов счетчика 9 записывается в оперативное запоминающее устройство микропроцессора 10. Далее определяют и запоминают температуру вязкой. Полученное значение выводится на цифровой индикатор 15. [3]Экспериментальное исследование.Данное средство измерения может быть использовано в различны технологиях, например в биотехнологиях контроля продуктов питания. Рассмотрим процесс развития молочнокислых бактерий Lactobacillusplantarumна питательной среде. Вязкость молока определяется его составными компонентами, находящиеся в эмульгированном и коллоидном состояниях. Физикохимические свойства, в том числе вязкость, все больше используются для оценки качества питательных сред в целом и молока в частности. Вязкость молока можно представить как сумму вязкости воды и приращений вязкости от дисперсной фазы белки,жиры углеводы и структурных связей. Структурная составляющая вязкости исчезает при температуре более 34°С в связи с плавлением молочного жира и интенсивным тепловым движением самих элементов структуры. На вязкость молока влияют эмульгированные и коллоидно растворимые частицы, в частности, жира, казеина, а также наличие агломератов жировых шариков, состояния казеина гидратация, величина мицелл, сывороточных белков, режим и способ обработки молока. При 20°С вязкость цельного молока может изменяться от 0,0013 до 0,0035 Па.с. При развитии в молоке молочнокислых бактерий углеводы, белки, биологически активные вещества используются микроорганизмами в пищу. Ферменты микроорганизмов катализируют гидролиз сложных биополимеров молока, снижается их концентрация, в то же время концентрация низкомолекулярных продуктов метаболизма бактерий увеличивается. В результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий динамическая вязкость сложной дисперсной системы –молока уменьшится, что может быть критерием оценки его качества, как питательной среды. На рисунке 3показано изменение вязкости молока в зависимости от продолжительности развития молочнокислых бактерий Lactobacillusplantarum8PA3с учетом среднеквадратического отклонения.
Рисунок 3
Влияние продолжительности развития Lactobacills latam 8PA3 на показатель динамической вязкости молока
В течение 52 минут бактерии не изменяли вязкость молока, что характерно для лагфазы развития микробной культуры. Затем микроорганизмы вступают в логфазу, которая характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ и размножением. На 117 минуте наступает стационарная фаза развития микробной культуры, динамическая вязкость молока снизилась до 0,0005 Па.си более не изменялась. При контроле и управлении технологическими процессами на предприятиях пищевой промышленности, а так же при проведении научноисследовательских работчасто возникает необходимость измерения концентрации растворенного вещества.[4] Рассмотрим экспериментальное исследование контроляконцентрации оптически прозрачного раствора на примере использования раствора сахара, концентрация которого изменялась от 10 до 60%. При многократных измерениях времени прохождения пузырька с воздухом через водные растворы сахара с разной концентрацией, были получены экспериментальные данные которые приведены на рисунке 4.
Рисунок 4 –Влияние концентрации сахарного раствора на изменение его вязкости с учетом метрологической статистической характеристики
Из рисунка 4 видно, что до концентрации в 45% результаты измерения характеризуются высокими значениями величины СКО. Это связано с низкой вязкостью и турбулентным течением пузырькамаркера. В связи с этим, регрессионному анализу подвергалась область концентрации растворов в диапазоне от 45% до 60%. Следует отметить, что выбор сахара в качестве объекта исследования, объясняется его широким применением в области пищевых производств, например при производстве напитков, жевательной резинки, соусов, консервированных фруктов и овощей, молочных продуктов, хлебобулочных изделий. В химической промышленности из сахара получают тысячи производных, используемых в самых разных областях, включая производство пластмасс, фармацевтических препаратов, шипучих напитков и замороженных пищевых продуктов. Выводы.
Вязкость жидкости можно измерить путем использования пузырька газа и измерения времени прохождения пузырьком участка на траектории его подъема. В процессе контроля, изменение температуры окружающей среды влияет на барботажную систему. При этом под действием внешних источников тепловой энергии в объёме вязкой жидкости изменяются характеристики теплового поля, что приводит к изменению энергии активации среды и изменению динамической вязкости и коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
Относительное изменение диаметра пузырька при подъёме с глубины меньше относительного роста подъёмной силы. В уравнении ВандерВаальса множитель позволяет учесть гидростатическое давление на пузырёк со стороны вязкой жидкости и давление, создаваемое плёнкой в виде поверхностного натяжения. Предложенное средство измерения, основанное на новом принципеизмерения динамической вязкости жидкости, в частности молока, позволяет осуществлять контроль за качеством цельного молока и контролировать в нем процесс развития молочнокислых бактерий. Предлагаемоесредство измерения может найти применение в различных биотехнологиях. Например, в технологии пищевых продуктов, где проводят инструментальный контроль концентрации растворов компонентов, для настройки дозаторов и полученияполуфабриката с определенными реологическими свойствами.
Ссылки на источники1.Лунин М.В., Костин М.С., Медведева А.Ю. Метод и средство контроля температуры вязких жидкостей. // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.
№ 32/275(561). –Орел: ОрёлГТУ, 2009. С. 66 –72. –Свидетельство ПИ № ФС7747351 от 03 ноября 2011 года.2.Лунин М.В. Метод и средство контроля объемного расхода газа в процессах с малым газовыделением. : Автореферат диссертации кандидата технических наук: 05.11.13; [Место защиты: Госуниверситет УНПК]. –Орел, 2010. –16 с.3.Лунин М.В., Яковенко М.В., Жидков А.В., Телепнев А.М. Анализатор для определения концентрации компонентов биологических жидкостей в диагностике раннего рака. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. –№ 6290. –Орел. –2011. С. 99–106.–Свидетельство ПИ № ФС7747351 от 03 ноября 2011 года.4.Лунин М.В., Позднякова Е.О. Система контроля концентрации вещества в однокомпонентных растворах. // Современные материалы, техника и технология [Текст]: материалы 2й Международной научнопрактической конференции 25 декабря 2012 года/ редкол.: Горохов А.А. отв. Ред.; ЮгоЗап. Гос. Унт. Курск, 2012.
Lunin Maxim VictorovichCandidate of Engineering Sciences, associate Pofesso of te eatmet of Istmetatio, Metology ad stadadizatio» State Uivesity –UNPK, OrelmaksiXAM@yandex.ruInnovative bubble method and means of control.Abstract.A new principle of measuring the viscosity of the fluid based on the control parameters of motion of a gas bubble in a viscous medium. A mathematical model and a measurement tool to monitor the dynamics of changes in the viscositytemperature parameter bubble environment. An experimental study of the changes in the rheological properties of the process of development of lactic acid bacteriaLactobacillus plantarum on a nutrient medium. The experimental dependence of the viscosity of the medium on the concentration of the aqueoussolution of sugar.
Keywords.Rheology environment, measuring principle, fluid viscosity,gas flow meter, biotechnology, development of bacteria, the concentration of a substance in solution, food technology.
