Файл: Лебедев Д.П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме.pdf

И ндукционны е весы, (Весы с магнитной подвеской и дифференциально-линейным трансформатором). В 1963г. Ю. Ф. Карабанов в МЭИ для исследования процессов тепло-и мрссообмена при наличии химических превра­ щений применил созданные им индукционные дистанци­ онные весы [Л. 2-11]. Недостатком этих весов являлось частое залипание плунжера с катушкой и трудность в

Рис. 3-25. Автоматические весы с шаговым иска­ телем и автоматическим наложением гирь. Схе­ матическое изображение части автоматических весов, помещаемой в вакуумную камеру.

связи с этим проведения непрерывных и надежных из­ мерений изменяющейся массы материала. Подробно ис­ пользование магнитной подвески в весоизмерительных приборах рассматривается в {Л. 3-13].

В работе [Л. 3-13] предлагаются весы с магнитной подвеской и ступенчатой катушкой индуктивности, на­ грузка весов доведена до 0,1 кгс. Они более надежны в работе и не имеют недостатков индукционных весов.

Исходя из необходимости проведения измерений убы­ ли массы с погрешностью порядка 0,5 % нами [Л. 3-8] были изготовлены и опробованы в работе автомати­ ческие весы с индуктивным датчиком и системой автома-

112

Тйческого наложения гирь. За основу были взяты аналмтические весы АДВ-200, которые охватывают требуемый диапазон измерений от 0 до 0,2 кгс. На рис. 3-25 пока­ зана часть автоматических весов, которая помещается в вакуумную камеру. Уравновешивание изменяющейся массы вещества производилось с помощью небольшого маятникового противовеса 10. Дистанционная передача показаний на самопишущий потенциометр осуществля­ ется от индуктивной приставки — датчика. Конструкция индуктивного датчика-преобразователя и его крепление являются особенностью данных весов. Катушка 11 ин­ дуктивного датчика с прямоугольным внутренним отвер­ стием крепится на весах в положении, указанном на рис. 3-25. Плунжер 12 имеет серповидную форму. Он устанавливается на алюминиевом секторе 13, ось кото­ рого проходит через центр внутренней окружности плун­ жера. Эта ось жестко крепится своим центром в середи­ не коромысла весов 14, а концами помещается в агато­ вые подшипники 15.

Такая конструкция индуктивного датчика дает воз­ можность избежать залипания плунжера с катушкой, четко зафиксировать плоскость перемещения плунжера внутри катушек и, таким образом, повысить надежность и быстродействие измерений.

Для повышения точности и улучшения динами­ ческих качеств измерительной цепи был использован принцип уравновешивающего преобразователя или об­ ратная связь. При использовании серийного потенцио­ метра обратной связью охватываются модулятор и ме­ ханическая система указателя потенциометра. Такая система повышает точность измерения по сравнению с приборами без обратной связи во много раз.

Механическая схема наложения гирь показана так­ же на рис. 3-25. К установленному на стойке шаговому искателю 1 типа ШИ-17 крепится верхним концом вер­ тикальная стальная ось 3. Гирьки 2 могут перемещаться по направляющим 4 в вертикальном направлении и удер­ живаются от этого перемещения стальным держателем 5 с тремя лепестками 6, расположенными под углом 120°, укрепленным на нижнем конце вертикальной оси. Гирьки, имеющие три прорези 7 под углом 120° для про­ хождения держателя, в момент совмещения его с проре­ зями гирьки, одеваются на вертикальную ось со сдвигом на 180° одна относительно другой так, что угол между

прорезями нижней гирьки и лепестками держателя со­

ставляет 60°.

При повороте оси шагового искателя на 60° прорези гирьки совмещаются с лепестками держателя, и гирька падает на чашку весов 8. При следующем повороте оси падает другая гирька и т. д. Максимальная мощность, потребляемая шаговым искателем, не превышает 8 вт. Гирьки нумеруются, и масса их определяется с необхо­ димой точностью.

Работа автоматических весов с индуктивным датчи­ ком и системой автоматического наложения гирь проис­ ходит следующим образом.

(Вначале убыль массы нагрузки фиксируется само­ пишущим потенциометром. Когда движок .потенциометра подходит к концу шкалы, срабатывает концевой выклю­ чатель, установленный на потенциометре. По сигналу концевого выключателя включается смонтированная на отдельном пульте электрическая релейная схема управ­ ления, которая (вначале арретирует весы при помощи двигателя 9, установленного под основанием весов, затем включает шаговый искатель, поворачивающий прикреп­ ленную к нему вертикальную ось с держателем на 60° и сбрасывающий при этом гирьку в чашку весов, и, нако­ нец, снимает весы е арретира. В дальнейшем работа происходит такими же циклами. В зависимости от ско­ рости протекания процесса убыли массы вещества можно -менять вес маятникового противовеса так, чтобы пределы показаний по шкале потенциометра менялись от ІО-3 до ІО-2 кгс.

Соответственно должна меняться и масса каждой набрасываемой гирьки. Число наброшенных гирек фик­ сируется электросчетчиком, установленным на пульте.

Следовательно, в любой момент времени можно до­ статочно быстро и точно определить убывающую массу нагрузки. При этом точность измерения составляет ±0,7% от пределов показаний по шкале потенциометра.

Электрическая схема весов показана на рис. 3-26. Электрическая релейная схема управления наложе­ ния гирь весов позволяет проводить операции арретирования и наложения гирь как автоматически, так и вруч­

ную дистанционно, с помощью переключателей.

С помощью описанных автоматических весов нами проведены многочисленные эксперименты при исследова­ нии тепло-и массобмена в вакууме.

114

и вносить погрешности в истинные значения замеряемых параметров, что приводит экспериментатора к неправильному или поверхностному объяснению изучаемых явлений.

Более точные результаты могут быть получены, если указанные измерения будут дополнены бесконтактными методами измерений (гамма-спектроскопией, лазерными приборами) и визуальными на­ блюдениями с помощью натурной фотокиносъемки на специальных моделях и при необходимости в оптических теневых аппаратах.

Следует заметить, что крупномасштабная фотокиносъемка при исследовании процессов тепло- и массообмена при сублимации льда в вакууме использовалась лишь в небольшом числе опубликованных работ. Между тем киносъемка или покадровая фотосъемка позволя­ ет подробно проанализировать кинетику процессов сублимации и по­ лучить не только качественные, но и количественные результаты.

Трудность применения кино- и фотосъемки определяется спе­ цификой экспериментального исследования тепло- и массообмена в вакууме, например значительной удаленностью исследуемого (фо­ тографируемого) объекта от объектива, необходимостью больших уве­ личении (как 'Минимум ЮХ) *, невозможностью установки фотокиноалпаратуры непосредственно в вакууме без нарушения протекания исследуемого процесса, недоступностью объекта съемки для операто­ ра и т. д.

Эти трудности являются принципиальной основой тех требова­ ний, которые необходимо учитывать при подборе кинофотоаппара­ туры. Существующая литература в области технической кинофото­ съемки не дает исчерпывающих ответов на эти вопросы.

Макрофотосъемка. В работе {Л. 4-2] съемка исследу­ емой сублимирующейся поверхности льда под действи­ ем радиационного потока тепла производилась серийным аппаратом «Зенит-ЗМ» с применением высокочувстви­ тельной фотопленки ORWO-27 (300 ед. ГОСТ). Фотока­ мера «Зенит-ЗМ» соединялась с объективом 400 мм тубусом 5 и серийной установкой для макрофотосъем­ ки, как это показано на рис. 3-27. Съемка исследуемого процесса производилась через оптические стекла (марки ЛК-5) вакуумной камеры в контровом (проходящем) свете.

В результате предварительных наладочных опытов с помощью серийных объективов типа «Индустар-50», «Гелиос-40», «Телемар-200» и т. и. не удалось получить достаточно резкое изображение фотографируемой поверхности. К числу существующих недостатков объек­ тивов серийных фотоаппаратов нужно прежде всего от­ нести их малую разрешающую способность. В результа­ те подбора был взят объектив «Юпитер-11» с фокусным расстоянием 135 мм и разрешающей способностью 50линий/мм.

1 X обозначает диоптрию, или кратность увеличения.

116

Следует отметить, что объективом «Юпитер-11» мож­ но получить максимально резкое увеличение снимаемо­ го объекта 20х. При дальнейшем' удлинении тубуса макроприставки увеличение проекции объекта на свето­ чувствительный материал происходит при значительном ее размывании и потере четкости изображения. При не­ обходимости фотографировать с большим увеличением следует применять объективы с ’большей разрешающей способностью или переходить к микрофотосъемке.

Рис. 3-27. Макрофотосъемка процесса сублимации льда при термо­ радиационном подводе тепла в контровом свете.

пользовании фотоламп мощностью 500 вт) нами с по­ мощью фотоснимков, имеющих 12х увеличение, было впервые обнаружено кристаллообразование на поверх­ ности сублимирующегося слоя в условиях сублимации льда в вакууме [Л. 4-2].

На рис. 3-28 показана поверхность льда с «пачками» кристаллов, сторона клетки равна 100 мкм.

Для возможной оценки размеров снимаемого объек­ та и исследования кинетики процесса при съемке на светочувствительный материал проектировалась сетка, нанесенная на стекло, вставленное перед фотопленкой. По клеткам сетки можно легко проследить границы и масштабы сублимации, что дает не только качествен-

117

ную, но в какой-то степени и количественную характе­

ристику протекающего процесса.

ГТ. А. Новиковым в работе {Л. 2-11] с помощью ско­ ростной киносъемки был обнаружен вынос твердых частиц (кристаллов) с поверхности льда и зафиксиро­ ваны их траектории при сублимации.

Киносъемка. С целью выявления динамики процесса сублимации (рост и слом кристаллов на поверхности сублимации, процессов сублимации в специальной «пле­ ночной» модели и т. п.) используется простая или ско­ ростная киносъемка, а также макро- и микрокиносъемка.

Рис. 3-28. Поверхность сублимирующегося льда в вакууме.

р= 66,6 н/м2; <7=0,05 ет/см2.

Установка для макрокиносъемки отличалась от уста­ новки макрофотосъемки только тем, что фотокамера бы­ ла заменена «зеркальной» кинокамерой КСР-1 (Конвас). «Зеркальная» кинокамера КСР-1 позволяла фокусиро­ вать объектив по матовому стеклу.

В работе [Л. 3-20, 3-21] с целью получения больших увеличений (свыше 20х) было создано простое и надеж­ ное приспособление, позволяющее производить микро­ фотокиносъемку через .микроскоп МБ-1 (или любой дру­ гой). К концу тубуса микроскопа, находящегося в поме­ щении, через переходное кольцо подсоединилась «зер­ кальная» фотокамера или кинокамера. При микрокино­ съемке к переходному кольцу присоединялась 16-лш кинокамера «Красногорск». Съемка «пленочной» модели,

ростью 8—24 кадр!сек. Поскольку объектив микроскопа МБ-1 не имел механического (электрического) привода

118

Для наводки на резкость, объект, находящийся в вакуум­ ной камере, был помещен на специальную платформу (установку для микроперемещений), имеющую электри­ ческий привод. Платформа могла перемещаться потрем координатным осям и удовлетворяла условиям по чисто­ те и созданию вакуума.

Движение объекта на платформе позволяло не только наводить на резкость, но и выбирать для съемки любой участок. При смене объектива микроскоп МБ-1 позво­ лял производить при данной методике фотокиносъемку с увеличением в широких пределах: увеличения 8х, 40х и09

Рис. 3-29. Схема модели капиллярно-пористого тела.

90х. Предел увеличения в данном случае весьма сокра­ щался из-за невозможности приблизить объектив микро­ скопа к исследуемой области объекта, не внося при этом в нее паразитных тепловых потоков и не нарушая гидро­ динамику процесса.

В[Л. 2-11] с помощью киносъемки был обнаружен вынос твердых частиц при сублимации Льда, которая происходила при комбинированном (радиационно-кон­ вективном) способе подвода тепла. Температура среды (как указывают авторы) составляла 50°С, температура льда — 25°С, давление пара 0,3 мм рт. ст. Интервал вре­ мени между кадрами 0,004 сек.

Вработе [Л. 3-20, 7-18] для визуального наблюдения

спомощью макрокиносъемки процесса сублимации в пористой керамике и выяснения механизма этого про­ цесса была создана пленочная модель капиллярного те­ ла. Она представляла собой тонкую сетку, зажатую ме­ жду плоскими прозрачными оптическими стеклами (рис.

119