CC BY
33
A task of target source selection by its several hard-distinguished parameters is considered. To simplify multiparametric selection based on integration of multidimensional probability density functions, this article suggests using the selection method by the complex criteria. The selection method by the complex criteria consists in calculating sources' func-tionals by their parameters with considering normalized coefficients. An example of using the selection method by the complex criteria is provided.
Key words: complex criteria, multiparametric selection
Egorov Dmitry Borisovich, master, postgraduate, gosha_fighten@,mail. ru, Russia, Tula, Instrument Design Bureau
Korneev Konstantin Glebovich, student, gosha_fighten@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.785.2
РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКОГО ПРИБОРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В АВИАЦИИ
Е.Е. Майоров, Н.Э. Попова, А.В. Дагаев, Т.А. Черняк, Л.И. Шаламай, Г.Г. Хайдаров, А.Г. Хайдаров, Е.А. Писарева
Показана возможность использования разработанного рефрактометрического прибора для измерения состава противообледенительной жидкости при предварительной обработке воздушного судна. Рассмотрены технологии лабораторной калибровки рефрактометра и его испытаний на давление внешней среды и эффективность температурной коррекции показаний прибора по шкале концентраций k. Приведена погрешность измерений, которая составила менее Ak < 1 %, что вполне удовлетворяло практическим требованиям. Определены пути оптимизации как конструктива, так и программного обеспечения оптоэлектронной системы сбора и обработки данных рефрактометра. Основным результатом работы явилось техническое предложение на разработку промышленного рефрактометра, предназначенного для контроля состава противообледенительной жидкости в аэропортах на станциях (постах) противообледенительной обработки воздушных судов.
Ключевые слова: рефрактометр, этиленгликоль, пропиленгликоль, коэффициент концентрации, коррозионная стойкость, фоточувствительность.
В настоящее время в современных аэропортах огромное внимание уделяется контролю процесса обработки корпусов воздушных судов антиобледенительной жидкостью. Этиленгликоль, пропиленгликоль и их водные растворы достаточно широко используются в этой области [1, 2].
Для измерения качества антиобледенительной жидкости перспективно использование оптических рефрактометрических технологий основанных на методе полного внутреннего отражения [3, 4]. Применяемые при этом датчики погружного типа, устанавливаемые непосредственно в технологический поток, могут обеспечить контроль состава раствора и его общий расход. В целом рефрактометрические технологии позволяют обеспечить оптимизацию предполетной обработки воздушного судна, включая утилизацию и (или) частичную регенерацию отработанных продуктов.
227
Применение рефрактометрии требует точных количественных данных по оптическим свойствам как исходных компонентов, так и их водных растворов, включая показатель преломления (n) и его температурный коэффициент (dn/dt), оптическое поглощение K(X) в рабочем диапазоне температур T = 60 °С и во всем диапазоне концентраций. Такие данные к настоящему времени неполны, противоречивы и в доступной научной технической литературе, как правило, представлены на качественном уровне, так что в лучшем случае представляют интерес оценочного характера. Опубликованные данные по показателю преломления [5, 6] имеют сходимость на уровне An = 0,001. Температурный коэффициент имеет разброс в пределах от dn/dt = (-3...1) * 10 -5 1/°C. Оптическое поглощение в этих средах вообще не изучалось.
Применяемые рефрактометрические датчики общего назначения [7, 8 - 12] здесь могут оказаться малопригодными; процедура их калибровки и используемое программное обеспечение должны быть адаптированы для применения в конкретных средах. Поэтому задачи исследования оптических свойств растворов этиленгликоля и про-пиленгликоля остается актуальным. Представляет интерес исследование метрологических возможностей рефрактометра применительно к контролю таких растворов, как в лабораторных условиях, так и в реальных аэропортах. На основе полученных экспериментальных данных могли бы быть уточнены и оптимизированы алгоритмы использования таких датчиков и, при необходимости, внесены изменения в их конструкцию, оптоэлектронную систему и программное обеспечение [13 - 15].
Поэтому целью работы явилось разработка и практические испытания рефрактометрического прибора для контроля противообледенительных жидкостей.
Калибровка шкалы концентраций рефрактометра. Для калибровки шкалы концентраций рефрактометра использовалась специально разработанная вспомогательная программа "Mitsu", рабочее и вспомогательное (для вывода графических данных) окна которой показаны на рис. 1. Данная программа обеспечивала поэлементный вывод оцифрованных сигналов с ПЗС линейки в виде числовых массивов для двух последовательных измерений и графиков распределения этого сигнала на ПЗС линейке, а также нормированных сигналов для алгоритма определения концентрации (S,H, S/H). Для инициализации программы используется клавиша "Init". Далее предполагается установка рабочего "COM рогГа и скорости передачи данных "Baud rates", а также установка формата передачи и чтения данных (в опции "Size" выбор формата "Word" или "Byte") и диапазона используемых для вывода данных элементов (Pix) ПЗС линейки ("Graf Start" и "Graf End"). Передача и считывание данных производится клавишами "Transmit" и "Read", после чего в соответствующие окна программы выводятся числовой массив и нормированные значения сигналов (S,H и S/H), а также график поэлементного значения сигналов с ПЗС линейки (вспомогательное окно "Form2"). Программа осуществляет вывод результатов двух последовательных измерений (при повторном использовании клавиши "Transmit" и "Read"). Калибровочные образцовые пробы представляли собой водные растворы гликолей, рефрактометрические параметры которых определялись по методикам и с использованием приборов рассмотренных в работax [14 - 18]. Калибровка датчика производилась при температуре Т = 20 ± 1°С.
Калибровка шкалы концентраций k предполагала использование от четырех до восьми образцовых проб, для которых задавались значения сигналов с ПЗС линейки (S,H, S/H). Калибровочная зависимость k = f (S/H) определялась также программой "Mitsu" с использованием опции "Spline interpoland" пакета "MATLAB".
Пакет "MATLAB" использовался также для представления в отдельных случаях калибровочных зависимостей k = f (S/H) полиномами третьей степени (опция "Tools", "Basic Fitting"). Пример результатов такой калибровки показан на рис. 2, где представлены экспериментальная (точки на поле рис. 2, а и расчетная (сплошная линия) калибровочные кривые, а также сходимость (погрешность) расчетных и экспериментальных данных (рис. 2, б).
Рис. 1. Рабочее окно программы "Mitsu"
К числу преимуществ калибровки в "MATLAB" можно отнести возможность определения при помощи "Basic fitting" погрешности калибровки (рис. 2, б). Как видно, эта погрешность составляла менее Ak < 1 %, что вполне удовлетворяло практическим требованиям.
В ходе калибровки были опробованы два алгоритма обработки данных. Первый алгоритм для определения границы "свет-тень" на приборе с зарядовой связью (ПЗС) линейке использовал первую производную в распределении "Сигнал АЦП - № Pix) рис. 1. Существенное влияние здесь имела неравномерность чувствительности по элементам ПЗС линейки. Это может быть проиллюстрировано графиком на рис. 1. На этом рисунке видно, что положение максимальных значений производной diff(Pix) приходятся на области максимальных перепадов чувствительности ПЗС линейки, а не на область положения границы " свет-тень". Второй из применявшихся алгоритмов использовал метод " заслонки", определяющий общее соотношение уровня сигнала со всех элементов в области засветки ПЗС линейки к уровню того же сигнала в области " тени". Этот алгоритм представлялся более предпочтительным, так как оставался независимым от неравномерности фоточувствительности элементов ПЗС линейки. Именно этот алгоритм определения положения границы "свет-тень" на ПЗС линейке использовался в дальнейших применениях рефрактометрического датчика.
а
б
- ■ 11 -
I 1
.1-1--1-1-'-'-1———1-'-
120 130 140 160 160 170 160 190 200 210 220
Рис. 2. Калибровочная зависимость k=f(S/H)
229
Отметим, что положение границы "свет-тень" на ПЗС линейке в рефрактометре приходится в лучшем случае чуть более, чем на 1/3 общего диапазона для к = 100 % как в этиленгликоле, так и в 1, 2-пропиленгликоле. Это позволило увеличить чувствительность датчика за счет сужения рабочего диапазона концентраций, ограничив его хотя бы до 50 % от максимального значения к.
Практические испытания рефрактометра. Тестирование рефрактометрического прибора предполагало его испытания на внешнее давление, а также проверку стабильности показаний прибора при изменении температуры раствора.
Условия эксплуатации промышленных рефрактометров в химически агрессивных средах при достаточно высоких температуре и давлении внешней среды предъявляют повышенные требования как к используемым конструкционным материалам, в т. ч. их химической стойкости (коррозионной стойкости в гликолях), так и конструктиву в целом [15 - 19]. Отдельный интерес здесь представляют геометрия и химические свойства уплотнителей в корпусной конструкции датчика и его присоединительной трубоарматуре.
Недостаточная устойчивость к воздействию внешних факторов (давление, химическая агрессивность рабочей среды, рабочая температура и т. п.) может приводить к катастрофическому разрушению прибора. Достаточно убедительный пример такого разрушения приведен на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид элементов оптоэлектронной системы рефрактометрического датчика после деструкции в технологическом потоке
При катастрофическом разрушении датчика при его достаточно высокой стоимости, могут иметь место также и проблемы трудо- и природоохранных направлений, связанных с неконтролируемым "разливом" во внешнюю среду или же в пределах рабочего поста (цеха) продуктов рабочего потока (в т. ч. использующего химически агрессивные компоненты).
В связи с этим разработанный рефрактометр испытывались на устойчивость к давлению внешней среды. Для этого использовался лабораторный стенд на основе автономного насоса "КоШЬап", совмещенного с камерой высокого давления, в которую устанавливался используемый прибор. Внешний вид стенда для испытаний прибора на внешнее давление показан на рис. 4.
Данный стенд обеспечивал возможность испытаний приборов внешнего давления до 30 атм. В ходе этих испытаний в качестве рабочей среды использовалась вода. Применение воды достаточно высокого давления отчасти компенсировало химически агрессивные свойства растворов в реальных технологических потоках.
230
Рис. 4. Внешний вид лабораторного стенда для испытаний рефрактометрических
приборов на внешнее давление
Для проверки температурной коррекции рефрактометра применялся термостат, подключаемый к двойной термостатируемой кювете, в которую устанавливался испытуемый прибор. При погрешности температурной стабилизации прокачиваемого через термостат и рабочую кювету раствора до ± 0,4 °С, погрешность измерений показателя преломления не превышала Дп = ± 0,0004. Соответствующая ошибка в определении концентрации (для растворов гликолей) была не хуже ± 0,4 %.
Температурная стабильность показаний рефрактометрического датчика признавалась удовлетворительной, если в диапазоне концентраций к = 0...100 % и температур Т= 10.60 °С гликолей девиация показаний прибора не превышала по шкале концентраций Дк < 1 %.
Технико-эксплуатационные характеристики рефрактометра. По результатам приведенного здесь выше описания конструктивных особенностей рефрактометрического прибора, а также данных по его лабораторной калибровки и испытаний, наиболее значимые для пользователя параметры могут быть сведены в таблицу.
Основные технико-эксплуатационные характеристики рефрактометра
Технические характеристики Прибор
Рабочий диапазон по показателю преломления среды 1,320. 1,435
Рабочие пределы измерения концентрации в шкале Впх 0.50 %
Диапазон измерения концентрации Д(Впх) в рабочих пределах 40 %
Погрешность измерения показателя преломления ± 0,001
Погрешность измерения концентрации (Впх) ± 0,5 %
Допустимые пределы изменения рабочей температуры (при использовании терморезистора) 0.140 °С или 0.250 °С
Погрешность измерения температуры среды, не хуже ± 1,0 °С
Время выхода на рабочий режим после включения 20 мин
Масса изделия 8,5 кг
Габаритные размеры 350 х 180 х 180 мм
Питание 220 В, 50 Гц
Разработанный рефрактометрический прибор имеет огромное значение для оптического приборостроения, химической промышленности, в частности, для контроля важных агрессивных сред для предполетной обработки воздушных судов.
231
Список литературы
1. ГОСТ 23907-79. Жидкости противообледенительные для летательных аппаратов. Общие технические требования.
2. Жидкости для антиоблединительной обработки самолетов // Новые химические технологии. Аналитический портал химической промышленности. 2006. [Электронный ресурс]. URL: http://www.newchemistry.ru/letter.php7n id=7509 (дата обращения: 12.10.2018).
3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 856 с.
4. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы анализа в химии; Л.: Химия. 1983.
352с.
5. ГОСТ 19710-83. Межгосударственный стандарт этиленгликоль.
6. Дымент О.Н., Казанский К.С., Мирошников А.М. Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена. М.: Химия, 1976. 376 с.
7. Refractometers // A Krüss Optronic GmbH. Germany, 2012. [Electronic resource]. URL: http://www.kruess.com/laboratory/products/refractometers (mode of access: 13.10.2018).
8. Хайдаров Г.Г., Хайдаров А.Г., Машек А.Ч., Майоров Е.Е Влияние температуры на поверхностное натяжение. // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4: Физика, химия. 2012. Вып. 1. С.24 - 28.
9. Белов Н.П., Лапшов С.Н., Шерстобитова А.С., Яськов А.Д., Майоров Е.Е., [и др.]. Промышленные рефрактометры и их применение для контроля химических производств // Приборы. 2012. №4 (142). С.1 - 8.
10. Белов Н.П., Лапшов С.Н., Шерстобитова А.С., Яськов А.Д., Майоров Е.Е. Оптические свойства растворов черных щелоков и рефрактометрические средства контроля концентрации сухого остатка в сульфатном производстве целлюлозы. // Журнал Прикладной Спектроскопии. 2012. Т. 79. № 3. С. 514 - 516.
11. Акмаров К.А., Лапшов С.Н., Шерстобитова А.С., Яськов А.Д, Майоров Е.Е. Оптические свойства водных растворов диметилсульфоксида и применение промышленной рефрактометрии для контроля их состава. // Сборник трудов X Международной конференции «Прикладная оптика-2012». СПб: Оптическое общество им. Д. С. Рождественского, 2012. Т. 1. С. 272-277.
12. Майоров Е.Е. Исследование оптических свойств жидкофазных сред на основе гликолей. // Научное обозрение, 2013. № 4. С.166 - 176.
13. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Прокопенко В. Т., Хайдаров Г.Г Рефрактометрические технологии и их применение для контроля диффузно отражающих объектов в производственном цикле. // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4: Физика, химия. 2013. Вып. 4. C. 24-31.
14. Белов Н. П., Лапшов С. Н., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д. Майоров Е.Е. Оптические свойства зеленых щелоков и применение промышленной рефрактометрии для контроля их состава при производстве сульфатной целлюлозы // Оптический журнал. 2014. Т.81. №1. 2014. С.60 - 65.
15. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Хайдаров А.Г., Абрамян В.К., Зайцев Ю.Е. Разработка оптико-электронного рефрактометрического прибора для контроля состава водных растворов гликолей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2016. №3. С. 33 - 41.
16. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Хохлова М.В., Курлов А.В., Черняк Т.А., Фадеев А.О. Компьютерное моделирование оптических спектров диметилсульфоксида (CH3)2SO и диметилсульфона (CH3)2SO2 для рефрактометрических средств контроля // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2016. №12. С. 35 - 41.
17. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Хохлова М.В., Курлов А.В., Черняк Т.А, Кирик Д.И., Капралов Д.Д., Жаркова Т.В. Возможность использования автоматизированных рефрактометрических методов и средств для измерения состава зеленого щелока при производстве сульфатной целлюлозы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2017. №1. С. 42 - 49.
18. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Г. А. Цыганкова, Е.А. Писарева Исследование оптических свойств черных щелоков рефрактометрическими и спектрофотометриче-скими методами при производстве сульфатной целлюлозы // Научные Ведомости Белгородского Государственного Университета» 2018, Том. 50, №1, С. 55 - 63.
19. Майоров Е.Е., Г.Г. Хайдаров, А.Г. Хайдаров, Д.И. Кирик, Д.Д. Капралов, Ю.Е. Зайцев Оптимизация рефрактометрического датчика контроля состава противо-обледенительной жидкости корпусов воздушных судов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика», 2018. №6. С. 49 - 53.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, majorov ee a mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Попова Наталья Эдуардовна, канд. пед. наук, доцент, umougpsagmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Дагаев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, adagaevalist.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики,
Черняк Татьяна Анатольевна, канд. экон. наук, доцент, 79119113039ayandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Шаламай Людмила Ивановна, канд. мед. наук, доцент, l. shalamayamiail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П.Павлова,
Хайдаров Геннадий Гасимович, канд. техн. наук, доцент, haidarovgagmail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет),
Хайдаров Андрей Генадьевич, канд. техн. наук, доцент, andreyhaydarov@gmail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет),
Писарева Елена Алексеевна, преподаватель, episarevaaicloud.com, Россия, Санкт-Петербург, Михайловская военная артиллерийская академия
DEVELOPMENT AND PRACTICAL TEST OF THE REFRA C TOMETRIC DEVICE FOR THE CONTROL OF DE-ICING FLUID TO AIRCRAFT
E. E. Maiorov, N. E. Popova, A. V. Dagaev, T. A. Chernyak, L. I. Shalamay, G. G. Khaidarov, A. G. Khaidarov, E. A. Pisareva
233
The article the possibility of using the developed refractometric device for measuring the composition of the anti-icing liquid during pre-treatment of the aircraft is shown. The technologies of laboratory calibration of the refractometer and its tests on the ambient pressure and the efficiency of temperature correction of the instrument readings on the k concentration scale are considered. The measurement error, which was less than Ak<1%, which fully satisfied the practical requirements is given. The ways of optimization of both the design and software of the optoelectronic system of collection and processing of refractometer data are determined. The main result of the work a technical proposal for the development of an industrial Refractometer designed to control the composition of anti-icing liquid at airports at stations (posts) of anti-icing treatment of aircraft was obtained.
Key words: refractometer, ethylene glycol, propylene glycol, concentration coefficient, corrosion resistance, photosensitivity.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate. of technical sciences, docent, head of chair, majorov ee amail.ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the inter-parliamentary Assembly of EurAsEC,
Popova Natalia Eduardovna, candidate. of pedagogical sciences, docent, umougps@,gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, University at the inter-parliamentary Assembly of EurAsEC,
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics,
Chernyak Tatyana Anatolievna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Shalamay Ludmila Ivanovna, candidate. of medical sciences, docent, l. shalamay@,mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Academician I.P. Pavlov First Saint-Petersburg State Medical University,
Khaidarov Genadii Gasimovich, candidate of technical sciences, docent, hai-darovg@gmail. ru, Saint-Petersburg state technological Institute (technical university),
Khaidarov Andrey Genadievich, candidate of technical sciences, docent, andreyhaydarov@gmail. ru, Saint-Petersburg state technological Institute (technical university),
Pisareva Elena Alexeevna, teacher, episareva@icloud. com, Russia, Saint-Petersburg, Mikhailovskaya military artillery Academy
