CC BY
2
УДК 535.421
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-382-383
РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДНЫХ
РАСТВОРОВ ХЛОРИДА НАТРИЯ
Е.Е. Майоров, В.В. Курлов, А.В. Арефьев, В.П. Пушкина
В работе рассмотрены вопросы рефрактометрического контроля оптических свойств водных растворов хлорида натрия. Для исследования оптических свойств водных растворов хлорида натрия перспективно применять оптико-электронную рефрактометрическую аппаратуру, так как она позволяет получать достоверные и точные количественные данные по показателю преломления, температурному коэффициенту показателя преломления, оптическому поглощению, поэтому работа актуальна и перспективна. В статье поставлены цель, задачи, определены метод и объект исследования. Приведен внешний вид рефрактометра ИРФ-454Б2М и основные технические характеристики. Получены зависимость показателя преломления водных растворов хлорида натрия от концентрации абсолютно сухого вещества для длины волны X = 584 нм., температурная зависимость показателя преломления для водных растворов хлорида натрия с разной концентрацией сухого вещества. Определена сходимость по показателю преломления n(k) расчетных и экспериментальных данных в водном растворе хлорида натрия.
Ключевые слова: рефрактометр, показатель преломления, температурный коэффициент показателя преломления, оптическое поглощение, концентрация, температура, сходимость.
Методы и средства измерений в науке и технике постоянно совершенствуются в связи с развитием высокотехнологичных способов производства [1]. Среди всего многообразия методов и средств измерений значимое место в исследованиях занимают методы оптического контроля [2].
Хлорид натрия и его водные растворы широко применяются в химической, пищевой промышленности, медицине, биологии, а также научных исследованиях [3].
Для исследования оптических свойств водных растворов хлорида натрия перспективно применять оптико-электронную рефрактометрическую аппаратуру [4]. В частности, рефрактометры Аббе и работа указанных приборов основана на получении оптических параметров в отражении от контролируемой поверхности объекта или среды [5]. Применение этих технологий актуально тогда, когда получены достоверные и точные количественные данные по показателю преломления, температурному коэффициенту показателя преломления, оптическому поглощению и т. д., как для исходных веществ, так и их водных растворов в рабочем диапазоне температур и концентраций [6].
Рефрактометрия способна решать задачи различной сложности, например, исследовать вещества с разным агрегатным состоянием, выявляя их оптические свойства [4]. Рефрактометрические методы и технические средства измерений являются высокоинформативным, точным и надёжным инструментом получения информации о исследуемом объекте или среде [5].
Использование рефрактометров общего назначения при контроле хлорида натрия и его водных растворов могут быть непригодными, так как процедура калибровки, программное обеспечение должны быть адаптированы для измерений [6]. В связи с этим задача исследования концентрационной зависимости показателя преломления, температурного коэффициента показателя преломления водных растворов хлорида натрия на адаптированном рефрактометре к этим веществам остаётся актуальной [7-9].
Представляет интерес получение экспериментальных данных по указанным ранее веществам, которые позволили уточнить и оптимизировать алгоритмы работы, а также при необходимости внести изменения в оптико-электронную систему данного рефрактометра [10-13].
Целью работы явилось получение оптических свойств водных растворов хлорида натрия на рефрактометре Аббе.
Постановка задачи. С помощью рефрактометра ИРФ-454Б2М получить зависимости показателя преломления водных растворов хлорида натрия при концентрациях в пределах от 1 % до 20 %, его температурный коэффициент в диапазоне от 15 оС до 55 оС.
Метод и объекты исследования. В качестве объектов исследования были водные растворы хлорида натрия с концентрацией 1 %, 3 %, 5 %, 7 %, 9 %, 11%, 13 %, 15 %, 17 %, 20 %.
Измерение показателя преломления водных растворов хлорида натрия проводилось на рефрактометре ИРФ-454Б2М внешний вид которого представлен на рисунке 1.
Рефрактометр ИРФ-454Б2М предназначен для измерения показателя преломления по и средней дисперсии Пр-Пс неагрессивных жидких и твердых сред, а также для определения процентного содержания сухих веществ в растворах по шкале сахарозы. Рефрактометр применяют в пищевой промышленности, в медицине, в химической промышленности, в контролирующих и научных учреждениях.
Принцип действия рефрактометра основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления. Основной измерительной шкалой является шкала показателя преломления. Шкала определения процентного содержания сухих веществ в растворах является справочной (дополнительной), которая конструктивно жестко привязана к основной шкале в соответствии с таблицами ГОСТ' 2862-90 или по формулам международного документа Refractometry tables-Official, ICUMSA SPS-3.
В качестве осветителя применяли светодиод, максимум излучения которого приходится на длину волны X = 584 нм. Картина границы «свет-тень» была резкой и определялся показатель преломления с точностью до 0,0001.
Основные технические характеристики рефрактометра ИРФ-454Б2М приведены в таблице.
Экспериментальные результаты и их обсуждение. Показатель преломления водных растворов хлорида натрия имеет линейную зависимость от концентрации растворимых сухих веществ, содержащихся в нем. Результаты измерения n(k) для десяти проб растворов, отличающихся концентрацией, показаны на рисунке 2.
382
*
Рис. 1. Внешний вид рефрактометра ИРФ-454Б2М Основные технические характеристики
Диапазон измерений показателя преломления по 1,2...1,7
Диапазон показаний массовой доли сухих веществ по шкале сахароза, % 0...100
Предел допускаемой основной абсолютной погрешности: - по показателю преломления пр - по средней дисперсии пр - пс ±0,0001 ±0,00015
Абсолютная погрешность пересчета массовой доли сухих веществ, % ±0,05
Сходимость показаний по шкале показателя преломления пр, не более 0,00005
Температура измеряемой жидкости, °С 10.60
Габаритные размеры, мм, не более 170x115x270
Масса рефрактометра с принадлежностями, кг, не более 4,5
к %
Рис. 2. Зависимость показателя преломления водных растворов хлорида натрия от концентрации абсолютно
сухого вещества для длины волны 1 = 584 нм.
Данные измерений хорошо аппроксимируются полиномом третьей степени, который имеет вид:
п(к) = - 0,000001*к3 + 0,00007*к2 + 0,0005*к + 1,3378. Значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9989.
На рисунке 3 представлена сходимость по показателю преломления п(к) расчетных и экспериментальных данных в водном растворе хлорида натрия.
Сходимость экспериментальных данных с аппроксимирующими прямыми составляет не хуже Дп <
0,0003.
Для исследования температурного коэффициента показателя преломления также использовался рефрактометр ИРФ-454Б2М. В рефрактометре предусмотрена возможность изменения температуры исследуемого образца. А значит, появляется возможность прослеживать, как изменяется показатель преломления с увеличением или уменьшением температуры, что в свою очередь дает необходимые данные для нахождения температурного коэффициента показателя преломления исследуемой пробы.
Измерение показателя преломления производилось с шагом в пять градусов при увеличении температуры пробы и результаты измерений представлены на рисунке 4. Получены экспериментальные данные для пяти проб с концентрациями сухого вещества к = 1 %, к = 5 %, к = 9 %, к = 13 %, к = 17 %.
Рис. 3 Сходимость по показателю преломления п(к) расчетных и экспериментальных данных
в водном растворе хлорида натрия
I, сс
Рис. 4. Температурная зависимость показателя преломления для водных растворов хлорида натрия с концентрацией сухого вещества: 1 - к = 1 %; 2 - к = 5 %; 3 - к = 9 %; 4 - к = 13 %; 5 - к = 17 %
На основании экспериментальных данных была установлена функциональная зависимость показателя преломления от температуры. Эти аппроксимирующие зависимости могут быть описаны линейными уравнениями, полученным при помощи метода наименьших квадратов: для к = 1 %
п(г) = -0,0002*Г + 1,3411. Значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9953; для к = 5 %
п(г) = -0,0002*Г + 1,345. Значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9996; для к = 9 %
п(г) = -0,0002*Г + 1,3504. Значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9992; для к = 13 %
п(г) = -0,0003*Г + 1,3582. Значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9977 для к = 17 %
п(г) = -0,0003*Г + 1,3633. Значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,999.
Из уравнений видно, что температурный коэффициент показателя преломления водных растворов хлорида натрия составляет:
при k = 1 %, k = 5 %, k = 9 %
dn/dt = -0,0002 1/оС,
а при k = 13 % и k = 17 %
dn/df = -0,0003 1/оС.
Это означает, что при увеличении концентрации водного раствора температурный коэффициент показателя преломления увеличивается.
Заключение. В работе на рефрактометре ИРФ-454Б2М получены зависимости показателя преломления водных растворов хлорида натрия при концентрациях в пределах от 1 % до 20 %, его температурный коэффициент в диапазоне от 15 оС до 55 оС. Выявлено, что по мере увеличения концентрации хлорида натрия в водном растворе, показатель преломления смеси становится больше, так как увеличивается число молекул в единице объема раствора, а при увеличении температуры, вследствие объемного расширения воды, число молекул хлорида натрия в единице объема раствора уменьшается и поэтому показатель преломления становится меньше. Исследование представляет интерес для оптического приборостроения, пищевой промышленности и химии.
Список литературы
1.Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы анализа в химии. Л.: Химия. 1983. 351 с.
2.Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 855 с.
3.Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра. 1968. 263 с.
4.Курлов В.В., Громов О.В., Таюрская И.С., Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б. Применение разработанного рефрактометрического датчика в пищевом производстве // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 2. С. 1-12. DOI: 10.25791/pribor.2.2021.1237.
5.Афанасьев В.А. Оптические измерения. - М.: Недра. 1968. 263 с.
6.Громов О.В., Гулиев Р.Б., Черняк Т.А., Майоров Е.Е., Дагаев А.В., Таюрская И.С. Применение метода полного внутреннего отражения для исследования жидкофазных сред на основе ботулотоксина // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2022. Т. 65. №5. С. 343-349. DOI: 10.17586/0021-3454-2022-65-5-343-349.
7.Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 264 с.
8.Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Громов О.В., Дагаев А.В., Курлов В.В., Майоров Е.Е., Таюрская И.С. Рефрактометрические средства контроля водных растворов тетрахлорэтилена // Научное приборостроение. 2022. Т.32. №2. С. 75-83
9.Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М., 1981.
640 с.
10. Майоров Е.Е. Призменная рефрактометрия измерения оптических характеристик каустизационного щелока // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Третья Всероссийская научная конференция: сб. докл. СПб.: ГУАП, 2022. C. 59-61. DOI: 10.31799/978-5-8088-1707-4-2022-3.
11. Арефьев А.В., Афанасьева О.В., Дагаев А.В., Курлов В.В., Майоров Е.Е., Таюрская И.С. Рефрактометрические методы и средства контроля этанола, пропанола и их водных растворов // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66, № 7. С. 594-601. DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-7-594-601.
12. Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Пушкина В.П., Цыганкова Г.А. Рефрактометрический контроль состава сухого остатка лактицинии в реальном производстве // Приборы. 2023. №9. С.10-14.
13. Майоров Е.Е. Определение показателя преломления при нагревании новейших отечественных свето-отверждаемых композитов современным рефрактометрическим прибором // Приборы. 2024. № 5. С. 51-55
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, majorov_ee@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Курлов Виктор Валентинович, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Арефьев Александр Владимирович, канд. физ.-мат. наук, доцент, aaref@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Пушкина Вера Павловна, канд. экон. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП)
REFRACTOMETRIC TECHNOLOGIES IN THE STUDY OF OPTICAL PROPERTIES OF AQUEOUS SOLUTIONS OF
SODIUM CHLORIDE
E.E. Maiorov, V. V. Kurlov, A.V. Arefiev, V.P. Pushkina
The paper considers the issues of refractometric control of the optical properties of aqueous solutions of sodium chloride. To study the optical properties of aqueous solutions of sodium chloride, it is promising to use optoelectronic frac-tometric equipment, since it allows you to obtain reliable and accurate quantitative data on the refractive index, the temperature coefficient of the refractive index, optical absorption, therefore, the work is relevant and promising. The article sets the goal, objectives, defines the method and object of research. The appearance of the IRF-454B2M refractometer and the main technical characteristics are given. The dependence of the refractive index of aqueous sodium chloride solutions on the concentration of absolutely dry matter for the wavelength X = 584 nm., the temperature dependence of the refractive index for aqueous sodium chloride solutions with different concentrations of dry matter are obtained. The convergence of the refractive index n(k) of the calculated and experimental data in an aqueous solution of sodium chloride is determined.
385
Key words: refractometer, refractive index, temperature coefficient of refractive index, optical absorption, concentration, temperature, convergence.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, majorov [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Kurlov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, aaref@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP)
УДК 004.942
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-386-387
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С УЧЕТОМ РЕЛЬЕФА НА ОСНОВЕ МОДЕЛЕЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ
И.Н. Пожаркова
Статья посвящена оценке эффективности прогнозирования распространения атмосферных выбросов с учетом рельефа местности и застройки на основе модели Гаусса и методов вычислительной гидродинамики. Проведен сравнительный анализ соответствующего программного обеспечения. Представлены результаты прогнозирования распространения атмосферных загрязнений на примере Красноярской ТЭЦ №2 с использованием модели турбулентности k-e и многофазной модели Эйлера, а также модели Гаусса.
Ключевые слова: прогнозирование распространения атмосферных загрязнений, вычислительная гидродинамика, модель турбулентности, многофазная модель Эйлера, модель Гаусса.
Прогнозирование распространения атмосферных загрязнений является одной из важных задач в области обеспечения техносферной безопасности, на основе которой разрабатываются решения, направленные, в том числе, на предотвращение и ликвидацию последствий соответствующих чрезвычайных ситуаций [1]. Их эффективность во многом определяется точностью исходных данных, получаемых по результатам мониторинга, а также прогноза, для построения которого в настоящее время существует множество различных технологий. Ряд наиболее распространенных методик, применяемых для решения данной задачи, использует модель Гаусса [2], в основе которой лежит описание распределения частиц в прогнозируемых потоках атмосферных выбросов нормальным законом. Ее главными достоинствами является низкая вычислительная сложность, позволяющая с высокой скоростью производить необходимые расчеты, а также большое количество существующих программных реализаций, в том числе свободно распространяемых, например [3]. Однако модель Гаусса не позволяет в полной мере учитывать влияние окружающего ландшафта и застройки, что при определенных сценариях может носить критический относительно точности получаемых результатов характер. В [4] представлен пример существенного отличия построенного на основе [2] прогноза распространения выбросов ТЭЦ, находящейся в городской черте, от расчета, выполненного с применением моделей вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics - CFD) [5], которые в качестве исходных данных используют, в том числе, сложную геометрию плотной застройки в окрестностях источника загрязнения. Методы CFD позволяют эффективно решать задачи, связанные, в частности, с движением потоков загрязняющих веществ в атмосфере с учетом влияния множества факторов, однако высокая вычислительная сложность существенно затрудняет их программную реализацию, а готовые верифицированные и валидированные [6] решения, как правило, являются дорогостоящими продуктами. Кроме того, построение расчетной геометрической модели пространства, включающей ландшафт местности, здания, сооружения и т.д., является довольно трудоемким процессом. В данной статье представлена методика, позволяющая решать задачу прогнозирования распространения атмосферных загрязнений с учетом рельефа на базе свободно распространяемого программного обеспечения (ПО), а также автоматизации ее отдельных этапов.
Основу использованного в данном исследовании подхода составляет технология [7] и ее программная реализация [8], которые существенно упрощают решение задач построения геометрической модели окружающего источник выбросов пространства, расчетной сетки, формирования исходных данных и постобработки результатов за счет автоматизации. Результаты выполнения данных этапов экспортируются в файлы формата, позволяющего использовать их в программных комплексах, предназначенных для проведения расчетов на основе методов вычислительной гидродинамики, в том числе свободно распространяемых, в частности:
FDS (Fire Dynamics Simulation)/WFDS (Wideland urban interface FDS) [9] - программный комплекс, реализующий CFD-модель LES (Large Eddy Simulation) и предназначенный преимущественно для моделирования пожаров в помещениях и на открытых пространствах, однако может использоваться и для решения других задач на основе вычислительной гидродинамики. Является свободно распространяемым ПО.
OpenFOAM/FireFOAM [10] - открытая платформа, реализующая различные CFD-модели. Является свободно распространяемым ПО.
Ansys Fluent/CFX [11] - мощный универсальный программный комплекс, позволяющий решать дифференциальные уравнения различных CFD-моделей. Как показано в [12], Ansys, как и OpenFOAM, требует больше
386
