Преобразователи электрокинетического потенциала гидродисперсных систем

УДК 681.326.7

Н. М. Богослав, ассист,

И. Г. Сухорукова, ассист.,

Д. А. Гринюк, ассист.,

И. О. Оробей, канд. техн. наук, доц.,

О. И. Оробей, ассист.,

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ГИДРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Рассмотрены различные конструкции преобразователей электрокинетического потенциала, проведен анализ их преимуществ и недостатков. Данные преобразователи могут быть применены в системах водоочистки с целью повышения качества процесса и снижения потребления энергетических ресурсов.

Ключевые слова: электрокинетический потенциал, гидродисперсные системы, водоочистка, энергетическиересурсы.

Современный этап развития различных технологических процессов характеризуется необходимостью обеспечения растущих потребностей их использования в условиях существенного ограничения ресурсов. В наше время немалую роль в успешном решении задач интенсификации технологий играет разработка и внедрение систем управления, эффективность которых во многом предопределяется информационным обеспечением.

К числу объектов технологических процессов, испытывающих информационный голод, относятся дисперсные системы. Системы регулирования для процессов флокуляции, фильтрации, коагуляции, флотации и т. д. не могут игнорировать состояние поверхности раздела фаз (твердое тело-жидкость, газ-жидкость). Важнейшей характеристикой таких систем является электрокинетический потенциал (ЭКП).

Перенос лабораторных методик по измерению ЭКП на промышленные системы не позволяет получить удовлетворительный результат.

Разработка универсального измерителя ЭКП для широкого круга дисперсных систем практически неосуществима вследствие относительности показаний из-за поляризационных эффектов, необратимых изменений свойств среды (лабильность по отношению к электрическим и акустическим полям), разброса состава коллоидных систем и т. д. [1-3].

Известные решения преобразователей ЭКП не обладают универсализмом, что и предопределяет наличие множества устройств, основанных на различных электрокинетических явлениях. В то же время решение проблемы разработки промышленных датчиков ЭКП является весьма актуальной для улучшения качества очистки сточных вод. Известно, что на очистных сооружениях промышленных предприятий используются системы, исключающие контакт людей с реагентами и предусматривающие их экономный расход, т. е. максимально автоматизированные.

Системы дозирования раствора коагулянта в обрабатываемую воду можно реализовывать с использованием преобразователей ЭКП, тем самым значительно повышая качество ее очистки.

Теоретическая модель электрокинетических явлений в нестационарном сдвиговом потоке предусматривает получение измерительного сигнала путем периодического формирования щелевого капилляра за счет вращающего движения, что отличает этот преобразователь от известного Streaming Current Detector (SCD) [3], в котором используется возвратнопоступательное движение. Преобразователь с вращающимся ротором исключает наличие направляющих в измерительной области, обеспечивает стабильный размер щелевого капилляра, что уменьшает погрешность и улучшает эксплуатационные характеристики.

Модель с вращающимся ротором положена в основу двух конструкций, представленных на рис.1-2.

Формирование измерительного сигнала происходит на электродах 5 при периодическом образовании ротором 1 и стенкой стакана 2 плоского щелевого капилляра в зоне расположения электродов. Ротор приводится в движение двигателем 3. Исследуемая среда подается и отводится через штуцеры 4. Измерительные электроды выполнены из серебряной проволоки, покрытой хлор-серебром. На резисторе Ri формируются импульсы напряжения с амплитудой, пропорциональной току течения, форма которых зависит от соотношения расстояния между электродами с и шириной капилляра 2h, а частота равна удвоенной частоте вращения ротора.

Измерительная схема содержит предварительный усилитель 8, второй усилительный каскад 9, регулируемый ограничитель 10, оптопару 11, схему формирования опорного сигнала 12, синхронный детектор 13, блок определения срыва сигнала 14, формирователь импульсов перезаписи выходного каскада 15, устройство задания уровня ограничения 16 и выходной каскад 17. Измеряемый сигнал синхронизирован с опорным сигналом, формируемым блоком 12. Для выделения сигнала из шума используется синхронный детектор 13.

Первичный преобразователь обладает высокой чувствительностью к электромагнитным полям индустриального происхождения, поэтому спектральные составляющие низкочастотных и одиночных импульсных помех в полосе пропускания синхронного детектора сравнимы с амплитудой основной гармоники полезного сигнала. Для уменьшения влияния этих помех в измерительную схему введены блоки 14-17.

Ток, протекающий по Ri, можно рассчитать по формуле [4]

I (t):

4 ss0VhP0С2

3 ц

6 “

1 X 2

п 2 n=1

1

exp

n2

А \

2 2 Ц-1 -n л

2

v K0V—V у

Р 0 (2h):

где ро - плотность раствора; ^2 - ЭКП неподвижной поверхности, образующей капилляр; 8, 8о - относительная диэлектрическая проницаемость среды и диэлектрическая постоянная; ц - вязкость; V = шЯо - скорость подвижной образующей капилляра; Яо - радиус подвижного элемента.

Рис. 1. Установка для комплексного измерения электрофизических характеристик с подвижным элементом в форме эллиптического цилиндра: 1 - корпус; 2 - подвижной элемент; 3 - электроды; 4 - штуцер; 5 -двигатель; 6 - схема измерения тока течения; 7 - переключатель режимов; 8 - схема измерения потенциала течения; 9 -генератор; 10- схема измерения электропроводимости; 11- схема управления электродвигателем; 12 - измеритель вязкости; 13 - блок коррекции и управления; 14 - блок индикации

Информатика, вычислительная техника и управление

о

оо

9

>

15

10

13

X

14

16

І

13

Рис. 2. Первичный преобразователь с периодическим нестационарным сдвигом между электродами: 1 -ротор; 2 - стакан; 3 - двигатель; 4 - штуцер; 5 - электроды; 6 - крышка; 7 - стробоскопический диск; 8 -предварительный усилитель; 9-второй каскад усиления; 10 - регулируемый ограничитель; 11 - оптопара; 12 - схема формирования опорного сигнала; 13 - синхронный детектор; 14 - детектор срыва сигнала; 15-формирователь синхроимпульсов перезаписи УВХ; 16- схема подстройки уровня ограничения; 17- выходной

і.'ґіґч.'ґіА

и»

Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып.

Особенностью устройства, представленного на рис. 1, является улучшенный гидродинамический режим вследствие уменьшения зон турбулентности, что снижает воздействия на структурированные поверхности в зоне формирования измерительного сигнала. Использование эллиптического цилиндра позволило проводить и изменения вязкости. По результатам первичной информации с 6, 8, 10, 11 производится комплексная оценка электроки-нетических свойств дисперсных систем: ЭКП, объемной, поверхностной проводимости и вязкости.

Одна пара электродов производит непрерывный процесс измерения ЭКП методом тока течения, вторая попеременно измеряет потенциал течения и проводимость среды. Контроль вязкости производится по колебанию тока в цепи питания электродвигателя. При соосном вращении цилиндра в цилиндре и малой разнице радиусов цилиндров на каждый из них действует момент сопротивления [5]

цЯщ 8т

М =

2И

где Ят - средний радиус цилиндров; $т - длина окружности соприкосновения. Если $>т =2пЯт, то (2) приводится к виду

м = рзят {щЯо )/И .

Поскольку величина И при вращении изменяется по гармоническому закону, то и момент сопротивления будет переменным. Амплитуда этих колебаний, согласно (3), прямо пропорциональна вязкости.

Одним из явлений, используемых в приборах измерения ЭКП, является электроосмос, который обладает хорошей точностью и отсутствием движущихся механических элементов (рис. 3).

4 3 2 1

Рис. 3. Измерительный преобразователь ЭКП на переменном электроосмосе: 1 - штуцер; 2 - электроды; 3 - фильтрующие поверхности; 4 - «вялые» мембраны; 5 - корпус; 6 - измерительный капилляр; 7 - датчик перемещения; 8 - формирователь напряжения; 9 - преобразователь; 10 - схема управления; 11 - блок индикации; 12,13 - измерители тока и напряжения

В основу устройства измерения ЭКП, представленного на рис. 3, положен электроосмос в знакопеременных полях, что позволяет в значительной степени нивелировать плохую лабильность этого электрокинети-ческого явления.

Использование электроосмотических приборов на постоянном токе приводит к большим и не поддающимся количественным ошибкам при расчете ЭКП по любым существующим формулам [1,2].

Преобразователи с вращающимся ротором наиболее универсальны, однако для дисперсных сред с большим разбросом размеров частиц и различными адсорбционными свойствами наблюдается определенная неадекватность показаний. Преобразователь на электроосмосе имеет хорошую точность, но требует лабильности среды по отношению к электромагнитным полям.

Список литературы

1. Духин С. С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. Киев: Наукова думка, 1975. 246 с.

2. Горбачук И. Т. Электрокинетические явления в дисперсных средах. Киев: КГПИ, 1986. 102 с.

3. Robert Bean F., Steven Dentel K. (США) Streaming current detector probe: пат. 5121062 США МКИ G 01 N 27/60. № 568589; заявл. 16.08.1990; опубл. 09.06.1992. НКИ 324/453. 8с.

4. ГринюкД. А. Кинетические уравнения переноса для электроки-нетических преобразователей с использованием сдвигового потока// Труды БГТУ. Вып. V. Физ.-мат. науки и информ. 1997. С.72-77.

5. Ландау Л. Д., Лившиц Л. Д. Теоретическая физика: в 10 т. Т. VI. Гидродинамика: уч. пособие. М.: Наука. гл. ред физ-мат. лит., 1986. 736 с.

N. Bogoslav, I. Suhorukova, D. Grinjuk, I. Orobejj, O. Orobejj

CONVERTERS OF ELECTROKINETIC POTENTIAL OF HYDRODISPERSE SYSTEMS

Various designs of converters of electrokinetic potential are considered, the analysis of their advantages and lacks is carried out. The given converters can be applied in systems of water purification for the purpose of improvement of quality of process and decrease in consumption of power resources.

Key words: electrokinetic potential, hydrodisperse systems, water purification, power resources.

Получено 04.10.10