Метод детектирования мениска жидкости в капилляре с использованием датчика ультрафиолетового излучения

   Точность определения физико-химических свойств жидкости, в частности – оценка вязкости используемой жидкости – рассматривается как важная техническая задача в медицине, пищевой, нефтяной, химической промышленности, а также в других сферах, определяющих качество и безопасность жизни и деятельности человека. Например, оценка вязкости используемой жидкости – ключевой этап проектирования гидравлических систем. Сегодня совершенствование методов определения вязкости жидкости идет по пути автоматизации (цифровизации) средств и методов измерения. В этой части деятельность метрологов и инженеров согласуется с принятой в 2017 году национальной программой «Цифровая экономика Российской Федерации». В статье рассматривается капиллярный метод определения кинематической вязкости жидкости как наиболее точный из всех возможных методов в настоящее время. Метод основан на определении времени истечения жидкости между двумя отметками, которые нанесены на стенки стеклянного капиллярного вискозиметра, образуя измерительный резервуар. Одна из основных проблем данного метода заключается в том, что все этапы измерения производит человек, даже фиксирование момента пересечения мениском жидкости метки, что является нарушением одного из ключевых принципов автоматизации процесса – независимости выполнения, которое подразумевает лишь наблюдение за работой системы. Поскольку готовые решения не подходят под измерительные задачи лаборатории, руководство приняло решение разработать и провести исследование информационно-измерительной системы, которая будет осуществлять процесс детектирования мениска жидкости на уровне метки, а также производить пересчет измеренного временного интервала в значение кинематической вязкости. Ключевым решением в данной разработке является выбор датчика для детектирования мениска жидкости. На основании проведенного литературного обзора было решено использовать фотоэлектрический датчик. Для выбора длины волны, на которой будет работать датчик, проведено исследование спектров пропускания жидкостей, используемых при работе данным методом. Таким образом, для автоматизации метода детектирования мениска жидкости при его пересечении нанесенной на капиллярную трубку метки подобран тип фотоэлектрического датчика, предназначенного для работы в УФ-диапазоне. Статья адресована метрологам, производящим поверку и калибровку стеклянных капиллярных вискозиметров, специалистам в области экспериментальной и теоретической вискозиметрии. Предложенный авторами метод может стать основой для дальнейшего совершенствования метода измерений кинематической вязкости жидкости.

1. Большая российская энциклопедия 2004–2017 // Министерство культуры Российской Федерации. URL: https://old.bigenc.ru/technology_and_technique/text/1799468 (дата обращения: 28. 10. 2023).

2. Дравица В., Курбацкий А. Промышленная революция Industry 4 // Наука и инновации. 2016. № 3(157). 13–17 с.

3. Götz M. The industry 4.0 induced agility and new skills in clusters // Foresight and STI Governance. 2019. Vol. 13, № 2. P. 72–83. doi: 10.17323/2500–2597.2019.2.72.83

4. Тихонов К. Новая промышленная революция // Бизнес-журнал. 2013. № 5(206). С. 16–19.

5. Исаков И. Роботизация бизнеса: что такое RPA и кому она нужна // РБК-Тренды. Обновлено 16. 06. 2022. URL: https://trends.rbc.ru/trends/innovation/62a8fd169a7947f5847e4d4f (дата обращения: 28. 10. 2023).

6. Совершенствование государственного первичного специального эталона единицы давления для разности давлений ГЭТ 95–75 / О. С. Витковский [и др.] // Эталоны. Стандартные образцы. 2020. Т. 16, № 2. С. 17–20. doi: 10.20915/2687-0886-2020-16-2-17-20

7. Колокация абсолютного баллистического и относительного криогенного гравиметров во ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» / Л. Ф. Витушкин [и др.] // Альманах современной метрологии. 2020. № 4(24). С. 255–259.

8. Корнеев Р. А. Совершенствование государственной поверочной схемы для средств измерений расхода и количества жидкости // Эталоны. Стандартные образцы. 2023. Т. 19, № 3. С. 7–20. doi: 10.20915/2077-1177-2023-19-3-7-20

9. Колобова А. В., Конопелько Л. А., Попов О. Г. Государственный первичный эталон единиц молярной доли, массовой доли и массовой концентрации компонентов в газовых и газоконденсатных средах ГЭТ 154-2019 // Эталоны. Стандартные образцы. 2020. Т. 16, № 3. С. 23–35. doi: 10.20915/2687-0886-2020-16-3-23-35

10. Демьянов А. А., Цурко А. А. Государственный первичный эталон единицы кинематической вязкости жидкости в диапазоне от 4 · 10^–7 ÷ 1 · 10^–1 м²/с (ГЭТ 17–96) : Российская метрологическая энциклопедия. Т. 1. СПб. : Гуманистика, 2015. 904 с.

11. История создания и модернизация государственных первичных эталонов единиц динамической, кинематической вязкости жидкости и плотности / К. В. Чекирда [и др.] // Измерительная техника. 2022. № 7. С. 24–29. doi: 10.32446/0368–1025it.2022-7-24-29

12. Демьянов А. А., Неклюдова А. А. Государственный первичный эталон единицы кинематической вязкости жидкости ГЭТ 17–96 // Материалы 28 симпозиума по реологии, Москва, 28 сентября – 02 октября 2016 г. М. : Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН, 2016. С. 74–75.

13. Результаты сравнительных измерений кинематической вязкости образцов жидкостей / А. А. Неклюдова [и др.] // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия Приборостроение. 2022. № 3(140). C. 103–114. doi: 10.18698/0236-3933-2022-3-103-114

14. Миргородская А. В. История развития капиллярного метода измерений кинематической вязкости: от вискозиметра Ломоносова до информационно-измерительной системы // Измерительная техника. 2023. № 8. С. 53–59. doi: 10.32446/0368–1025it.2023-8-53-59

15. Шуберт Ю. Ф. Измерительные преобразователи // Вестник Волжского университета им. В. Н. Татищева. 2009. № 14. С. 90–92.

16. Храмов А. В. Первичные измерительные преобразователи измерительных приборов и автоматических систем. Киев: Вища школа, 1988. 527 с. (На укр. яз.).

17. An automated system for performing continuous viscosity versus temperature measurements of fluids using an Ostwald viscometer / L. Y. Beaulieu [et al.] // Review of Scientific Instruments. 2017. Vol. 88, Is. 9. doi: 10.1063/1.4990134

18. Will J. C., Hernández I., Trujillo S. Automated measurement of viscosity with ubbelohde viscometers, camera unit and image processing software : Simposio de Metrología, Santiago de Querétaro, México, 22–24 de Octubre 2008 // Semantic scholar. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/Automated-Measurement-of-Viscosity-with-Ubbelohde-%2C/93dc021d428ed5c0e473306fe46684ff8f7d6617 (accessed 28 October 2023).

19. Technological characteristics of assembly procedure for fiberoptic sensors of fluid media parameters / T. I. Murashkina [et al.] // Journal of physics: Conference series. 2020. Vol. 1515, № 5. doi: 10.1088/1742–6596/1515/5/052060

20. Качура С. М., Постнов В. И. Перспективные оптоволоконные датчики и их применение (обзор) // Труды ВИАМ. 2019. № 5(77). C. 52–61. doi: 10.18577/2307-6046-2019-0-5-52-61

21. Иванов П. А. Оптоэлектронные датчики // Лесной вестник. 2010. № 1. С. 137–139.

22. Латыпова А. Ф., Калинин Ю. Е. Анализ перспективных радиопоглощающих материалов // Вестник ВГТУ. 2012. № 6. С. 70–76.

23. Козлов М. В. Разработка оптоэлектронного датчика для медицинской диагностики // Биомедицинская инженерия и электроника. 2014. № 2(6). С. 91–94.

24. Пацаева С. В., Южаков В. И. Электронные спектры сложных молекул: Спецпрактикум кафедры общей физики. Физический факультет. Кафедра общей физики. М.: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 2010. 34 с.

25. Рябцев А. Н. Ультрафиолетовое излучение. Под ред. А. М. Прохорова. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. Т. 5. С. 760.

26. ГОСТ Р 58144–2018 Вода дистиллированная. Технические условия = Distilled water. Specifications. М. : ФГБУ «РСТ», 2022. С. 10.

27. ГОСТ 5962–2013 Спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья. Технические условия = Rectified ethyl alcohol from edible raw material. Specifications. М. : Стандартинформ, 2014. С. 5.

28. ГОСТ 9411–91 Стекло оптическое цветное. Технические условия = Coloured optical glass. Specifications. М. : Издательство стандартов, 1992. 47 с.

29. ГОСТ Р 59853–2021 Информационные технологии. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения = Information technology. Set of standards for automated systems. Automated systems. Terms and definitions. М. : Российский институт стандартизации, 2021. 16 с.

30. ГЭТ 17–2018 Государственный первичный эталон единиц динамической и кинематической вязкости жидкости / Институт-хранитель ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» // Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений : официальный сайт. URL: https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/12/items/947620 (дата обращения: 28. 10. 2023).

31. НИЛ 2302. Стандартные образцы : официальный сайт. https://www.vniim.ru/nil-2302-standard.html (дата обращения: 29. 11. 2023).

32. ФИФ ОЕИ – Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений : официальный сайт. URL: https://fgis.gost.ru/#!/

33. Об утверждении Государственной поверочной схемы для средств измерений вязкости жидкостей : Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 5 ноября 2019 г. № 2622 // Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии : официальный сайт. URL: https://www.rst.gov.ru/portal/gost/home/activity/documents/orders?portal:componentId=e493102f-5217–43e9–8821 (дата обращения: 29. 11. 2023).

34. Об утверждении требований к содержанию и построению государственных поверочных схем и локальных поверочных схем, в том числе к их разработке, утверждению и изменению, требований к оформлению материалов первичной аттестации и периодической аттестации эталонов единиц величин, используемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, формы свидетельства об аттестации эталона единицы величины, требований к оформлению правил содержания и применения эталона единицы величины, формы извещения о непригодности эталона единицы величины к его применению : Приказ Минпромторга России от 11. 02. 2020 г. № 456 // Информационно-правовой портал «Гарант.ру» [сайт]. URL: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/74448299/?ysclid = ly49fysi6t260904926 (дата обращения: 28. 10. 2023).

35. Программа «Цифровая экономика Российской Федерации» : Распоряжение Правительства Российской Федерации от 28. 07. 2017 г. № 1632-р // Информационно-правовой портал «Гарант.ру» [сайт]. URL: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/71634878/?ysclid=ly5nqtlmd4486702140 (дата обращения: 28. 10. 2023).