IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Целью исследования являлось распространение метода бароэлектротермоакустометрии (БЭТА) на испытания жидких и вязких материалов, включая огнезащитные покрытия (ОЗП), в т.ч. на образцах защищаемых ими твердых материалов, с помощью доработки Оптико-электронного Крио-Термического Акустико-Электрометрического ДериватогРафа (ОКТАЭДР) в БЭТА-анализатор, путем решения следующих задач [1]:

- создания в «ОКТАЭДРе» модификации тигля-термоэлектродилатометра (ТЭД) на термоакустическом шток-волноводе (ТАШВ) для испытаний жидких и вязких материалов, в т.ч. с ОЗП на твердых материалах;

- экспериментальных исследований образцов жидких и вязких сред (ЖВС), в т.ч. материалов с ОЗП на ОКТАЭДРе;

- обобщения результатов и формирование в соответствии с ГОСТ 12.1.044 единой методологии испытаний жидких, вязких и твердых материалов (ЖВТМ), в т.ч. с ОЗП;

- разработки новых редакций ГОСТ 12.1.044 и ГОСТ 12.1.004 с использованием методологии термоакустоэлектрометрии и одного ОКТАЭДРа вместо 23-х испытательных установок.

Модификация тигля термо-электро-дилатометра (ТЭД)

В связи с исследованием жидких и вязких сред (ЖВС), очевидно, что конструктивная реализация ТЭД ТАШВ должна представлять собой «поплавковую» модификацию (рис.1).

Рис.1 – Модификация ТЭД ТАШВ для ЖВС

Основным ограничением при этом служит предел (200 г.) измерения веса системы «ТЭД-образец-ТАШВ» с двумя датчиками акустической эмиссии (АЭ), устанавливаемой на двух волноводах, в которые встроены термодинамические акустоэмиссионные эталоны (ТДАЭ), и, следовательно, вес и объемы ТЭД и «поплавка» в нём с ТАШВ и датчиками не должны превышать в сумме 150 г.

В связи с тем, что «поплавок» будет погружаться в ЖВС в соответствии с законом Архимеда, то необходимо рассчитать предельные объемы навески ЖВС и конструкцию «поплавка» так, чтобы при его погружении вытесняемая ЖВС не «доставала» до его поверхности в установленных диапазонах давлений и температур.

Как следует из закона Архимеда [2], на поплавок, погружаемый в ЖВС будут действовать две силы: вес поплавка F_П=ρ_П·g_·V_Пи выталкивающая сила F_ЖВС= -ρ_ЖВС·g_·V_ЖВСи, следовательно, глубина погружения поплавка под уровень ЖВС зависит от соотношения их плотностей:

(1)

Однако, если «плотность поплавка» в установленных диапазонах давлений и температур можно считать величиной постоянной, то плотность ЖВС будет изменяться, в связи с чем, глубина погружения, а, следовательно, и измеряемые с помощью «поплавка» величины, также изменяются.

Более того, т.к. ЖВС не являются идеальными жидкостями, то закон Архимеда следует использовать в общем виде:

F_A= - (ρ_ЖВС +β·h_П)·g·V_ПЧ (2)

где ρ_ЖВС - изменяющаяся плотность ЖВС, подлежащая определению;

 = -(∂V/∂P)/V - изотермический коэффициент сжатия ЖВС, подлежащий определению;

h_П - изменяющаяся глубина погруженной в ЖВС части поплавка;

g - ускорение силы тяжести;

V_ПЧ - изменяющийся объем погруженной в ЖВС части поплавка.

Обозначим глубину погружения поплавка h_П, глубину ЖВС в ТЭД h_ЖВС, плошадь поперечного сечения ТЭД – S_ТЭД, площадь горизонтального сечения поплавка – S_П , тогда, если объем ЖВС в ТЭД - V_ЖВС , то зная его, получим:

V_ЖВС = S_ТЭД ·h_{ЖВС -SП} ·h_П откудаS_{П ·} ∆h_П /S_ТЭД = ∆h _ЖВС (3)

где Δh_П – приращение глубины погружения поплавка;

Δh_ЖВС – приращение глубины ЖВС в ТЭД.

Заменим конечные приращения глубин на соответствующие им бесконечно малые приращения, то есть рассмотрим изменение глубины жидкости в ТЭД при погружении поплавка на бесконечно малую глубину dh_П.

и проинтегрируем

В связи с тем, что погружаемый поплавок имеет цилиндрическую форму, величина его площади горизонтального сечения S_П не зависит от глубины его погружения (если бы погружаемое тело было, например, конусом или сферической формы, такое условие бы не выполнялось), то величина S_П /S_ТЭД = кпостоянна до полного погружения поплавка, поэтому имеем:

и h_ЖВС = к·h_П + С

Определим величину постоянной интегрирования через глубину ЖВС в ТЭД - h_ЖВС0 и глубину погружения поплавка - h_П0 при нормальных условиях:

С = h_ЖВС0 - к·h_П0

Таким образом, искомая формула: h_ЖВС = h_ЖВС0 + к·(h_П - h_П0 ) (4)

В связи с тем, что измерение объема (глубины) ЖВС осуществляется термоэлектродилатометром [2], и, принимая во внимание, что ЖВС с точки зрения электропроводности (как и твердые материалы) делятся на диэлектрики (например, дистиллированная вода), проводники (электролиты) и полупроводники (например, расплавленный селен), скорректируем соответствующие алгоритмы вычислений для «поплавкового» ТЭД ТАШВ с учетом его размеров, веса и плотности (рис.1).

Эквивалентные схемы, как это следует из конструкции ТЭД ТАШВ (рис.1) остались практически прежними (за исключением «добавления» ёмкости/сопротивления 2-го волновода – рис.2,3), поэтому остается в формулы для вычислений линейного размера (глубины погружения) ЖВС добавить полученные результаты моделирования и указанного параллельного добавления емкости 2-го волновода.

(5)

где ℓ – глубина ЖВС под поплавком в ТЭД; S_С – площадь сегмента АЭ волновода-проводника; ε _ЖВС - диэлектрическая проницаемость ЖВС; C_С1 = C_С2 - емкости между сегментами АВ и дном поплавка; i - мнимая единица; tg_ЖВС – тангенс угла потерь ЖВС; ℓ_к – расстояние от верхней поверхности поплавка до крышки; C_к - емкость между верхней поверхностью поплавка и крышкой; ε_В – диэлектрическая проницаемость воздуха/вакуума; tg_к – тангенс угла потерь воздуха/вакуума;

Рис. 2. Эквивалентная схема с 2-мя АВ и скорректированный алгоритм для диэлектриков

Для электролитов (и полупроводниковых ЖВС) эквивалентная схема другая (рис.3). Вместо ёмкости с образцом измеряется его проводимость G, активное сопротивление R, реактивное сопротивление X, модуль комплексного сопротивления Z и угол фазового сдвига комплексного сопротивления , и система уравнений принимает следующий вид:

(6)

где R₁ = R₂- активное сопротивление электролита; S_ТЭД - площадь горизонтального сечения ЖВС (тигля); ρ– удельное сопротивление ЖВС, остальные обозначения такие же, как в предыдущих формулах (4,5).

Рис. 3. Эквивалентная схема и скорректированный алгоритм для электролитов

Возможность измерителя иммитанса программно изменять частоты измерений параметров ЖВС в ТЭД (G, Z,, С и tg) в широком диапазоне, обеспечивает определение двухмерных зависимостей магнитной проницаемости μ образца от температуры Т и частоты ω , решением уравнений импеданса:

μ = Z²·2ℓ /S_ТЭД·G·(1+i) ²·μ₀·ω - для электролитов и полупроводниковых ЖВС (7)

μ = Z²·(1-i tg) - для диэлектриков, (8)

где Z – измеренное значение комплексного сопротивления; G – измеренное значение проводимости; μ₀ – магнитная постоянная; ω – частота измерения, остальные обозначения такие же, как в предыдущих формулах.

Циклическое измерение индуктивности L и определение указанных выше параметров ЖВС дает возможность вычисления следующих критериев гомохронности (критериев подобия):

Ho₁ = ωt; (электродинамического) (9)

Ho₂ =  ℓ ²/ ρ t; (электромагнитного) (10)

Ho₃ = ε ρ / t; (диэлектрического) (11)

Ho₄ = L/R t; (электроиндуктивного) (12)

Ho₅ = С/G t; (электроемкостного) (13)

где t – время; L – измеренное значение индуктивности; остальные обозначения такие же, как в предыдущих формулах.

По взаимной корреляции критериев подобия с предыдущими параметрами, осуществляется идентификация микро- и макроструктурных изменений в ЖВС (поляризация, полиморфные превращения и т.д.).

Существенным достоинством «поплавковой конструкции» ТЭД является то, что появляется возможность мониторинга процессов в «расплавах» твердых тел, которых была лишена предыдущая конструкция по причине полного погружения в образец молибденовой обкладки ТЭД при его плавлении.

Литература

1. Белозеров В.В., Топольский Н.Г., Голубов А.И. О ТЕРМОЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОМ МЕТОДЕ ОЦЕНКИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ //Ежегодная международная научно-техническая конференция Системы безопасности. 2011. С. 75.

2. Belozerov V.V., Golubov A.I., Kalchenko I.E. ABOUT UNIFICATION OF DIAGNOSTICS AND TESTS OF SOLID AND LIQUID MATERIALS AND FIREPROOF COVERINGS //Наука и общество. - 2015. - № 1. С. 31-41.

 

8

 

Код для цитирования: Скопировать