Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Выбор метода измерения диэлькометрического анализатора жидкостей с большими потерями 13
1.1 Общая классификация методов 13
1.2 Схемные решения 14
1.2.1 Схемы, реагирующие на комплексную проводимость 14
1.2.2 Мостовые схемы 16
1.2.3 Резонансные схемы 17
1.3 Математические модели диэлектрической проницаемости смесей... 33
1.4 Конструкции промышленных емкостных датчиков 37
1.5 Выводы 40
Глава 2 Исследование метода измерения. Уменьшение влияния проводимости, ограниченной чувствительности, температуры 41
2.1 Классификация и сравнительный анализ структурных схем промышленных диэлькометрических анализаторов жидкостей 41
2.2 Анализ влияния паразитных параметров и импеданса контактов коммутатора в анализаторах с периодическим вводом при традиционной схеме ПКК 57
2.3 Минимизация влияния ограниченной чувствительности системы настройки ПКК 66
2.3.1 Принцип работы анализатора с повышенной точностью определения емкости резонанса 67
2.3.2 Вывод номинальной статической характеристики анализатора по проводимости 73
2.3.3 Анализ погрешности аппроксимации и выбор номинальной статической характеристики по проводимости 84
2.3.4 Методика калибровки анализатора по проводимости 92
2.3.5 Особенности номинальной статической характеристики анализатора с «малой» модулирующей емкостью 93
2.3.6 Анализ погрешности измерения проводимости 97
2.4 Исследование нового схемотехнического решения, минимизирующего влияние импеданса коммутирующих контактов 107
2.4.1 Схема измерительного контура, минимизирующая влияние импеданса коммутирующих контактов 107
2.4.2 Анализ влияния активной составляющей импеданса контактов реле, подключающих новый ПКК к генератору 109
2.4.3 Анализ влияния шунтирования заземляющих контактов реле емкостью и проводимостью датчика 113
2.5 Анализ и учет температурной погрешности 116
2.6 Выводы 124
Глава 3 Экспериментальные исследования составляющих импеданса контактов реле в диапазоне 0,1+10 МГц и влияния проводимости на погрешность измерения емкости 126
3.1 Экспериментальные исследования составляющих импеданса контактов реле в диапазоне 0,1+10 МГц 126
3.1.1 Методика и установки 126
3.1.2 Результаты 129
3.1.3 Рекомендации по выбору типа реле 132
3.2 Экспериментальные исследования влияния проводимости на по грешность измерения емкости 135
3.3 Выводы 138
Глава 4 Функциональная схема и основные узлы диэлькометрического анализатора 139
4.1 Структурная схема и алгоритм функционирования анализатора 139
4.2 Модулятор и фазочувствительный пороговый детектор 144
4.2.1 Исключение влияния переходных процессов в ПКК 144
4.2.2 Принципиальная схема ФПД и модулятора 148
4.3 Рекомендации по выбору типа варикапов для диэлькометрических анализаторов. Методика расчета диапазонов перестройки и количества компенсирующих и модулирующих варикапов в измерительном контуре 151
4.3.1 Функции варикапов в диэлькометрических анализаторах 153
4.3.2 Требования к варикапам, используемым для согласованного изменения ёмкости в измерительном контуре и в контуре отсчетного генератора 156
4.3.3 Рекомендации по выбору типа варикапов для диэлькометри ческих анализаторов 157
4 4.3.4 Методика расчета диапазонов перестройки и количества компенсирующих и модулирующих варикапов в измерительном контуре 159
4.4 Основные расчетные формулы 165
4.5 Перечень формул рекомендуемых для оценки составляющих погрешностей диэлькометрического анализатора 167
4.6 Выводы 168
Основные результаты и выводы по диссертационной работе 169
Литература 171
- Математические модели диэлектрической проницаемости смесей...
- Принцип работы анализатора с повышенной точностью определения емкости резонанса
- Анализ влияния активной составляющей импеданса контактов реле, подключающих новый ПКК к генератору
- Требования к варикапам, используемым для согласованного изменения ёмкости в измерительном контуре и в контуре отсчетного генератора
Введение к работе
Актуальность работы
Многие области химических производств (в частности нефтегазовая) нуждаются в современных приборах измерений, которые, с одной стороны, обеспечивают проведение быстрых и надежных серийных анализов на лабораторном уровне, а с другой стороны, будучи включенными в производственный процесс, выдают электрический сигнал, характеризующий качественный и количественный состав вырабатываемого продукта. Этот сигнал используется для дальнейшего регулирования, управления или автоматизации процесса.
Преимущества приборов, основанных на диэлькометрическом методе, при решении данных задач объясняется тем, что они одинаково удовлетворяют указанным требованиям и на лабораторном уровне и на уровне контроля над производством, а также обладают высокими надежностными и метрологическими характеристиками при относительно невысокой стоимости.
Ангарским ОКБА в период с 1976 по 1988 г.г. было выпущено 130 промышленных диэлькометрических анализаторов (ДА) состава жидких смесей «ДК-1», «ДК-1М», «ДК-2».
Приборы предназначены для измерения для измерения концентрации широкого класса жидких продуктов химических производств, контроля содержания различных примесей в чистых средах, организации контуров автоматического управления технологическими процессами. Приборы были внедрены на различных предприятиях, в частности:
НПО «Полимерсинтез»,
ВНИИСС (Всесоюзный научно-исследовательский институт синтетических смол),
ПО «Оргсинтез»,
«Надымгазпром»,
ПО «Каустик».
Основное применение данных концентратомеров - получение непрерывной измерительной информации о качестве технологических процессов, оптимизации
этих процессов на предприятиях по производству синтетических смол, спиртов, анилиновых красителей, продуктов нефтепереработки.
В качестве примера в приложении А {табл. А) приведен перечень измерительных задач ВНИИСС.
Важной измерительной задачей является контроль влагосодержания в диэти-ленгликоле (ДЭГ) в диапазоне от 0 до 0,4 % при его регенерации. Это позволяет достичь максимальной экономии этого достаточно дорогого абсорбента, применяемого при осушке природного и попутного нефтяного газа.
К сожалению, неисключенная составляющая погрешности, обусловленная проводимостью, шунтирующей датчик, у перечисленных анализаторов не позволяет их применять как для измерения влажности ДЭГа в указанном диапазоне, так и для проведения анализа других смесей с малой концентрацией (до 1 %) контролируемой компоненты при больших (порядка 1 мСм) проводимостях.
Например, при измерении серийным анализатором «ДК-2» концентрации воды в ДЭГе в диапазоне от 0 до 0,4 % соответствующая дополнительная погрешность может составлять 30 %+40 % от диапазона измерения, так как эквивалентная шунтирующая датчик проводимость при этом может достигать 1,25 мСм.
В связи с этим представляется целесообразным модернизация существующих диэлькометрических анализаторов.
Целью диссертации является теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение, предлагаемых технические решения, позволяющие создать во взры-вобезопасном исполнении анализатор состава жидких смесей с малой концентрацией контролируемой компоненты и большой неконтролируемой проводимостью на основе модифицированного диэлькометрического метода.
Обзор методов измерения диэлектрических характеристик, сделанный в первой главе, показал, что всем существующим на данный момент методам присущи недостатки, которые можно обобщить и выделить в несколько групп:
Сложность конструкции (наличие механических связей, трансформаторов с отводами от средней точки и так далее).
Затруднено выполнение измерений в автоматическом режиме, управление требует вмешательства человека.
Невозможность измерений влажности жидкостей с высоким уровнем активных потерь.
Недостаточная точность измерений.
Сложность создания анализатора в промышленном взрывобезопасном исполнении.
Наиболее перспективными являются анализаторы с параметрической модуляцией измерительного резонансного контура, среди которых следует отметить приборы с емкостной модуляцией. Принцип их действия лег в основу разработанного метода измерений влажности жидких продуктов с большой и изменяющейся проводимостью. Этот метод теоретически (при условии, что нет ограничений по чувствительности системы настройки) свободен от влияния проводимости.
Один из разделов посвящен кратким теоретическим сведениям о математических моделях ДП смесей, необходимых для определения номинальной статической характеристики диэлькометрического анализатора. Дан краткий обзор формул смешения и областей их применения.
Вторая глава посвящена анализу и учету влияния проводимости и уменьшению влияния ограниченной чувствительности системы настройки и температуры. В разделе 2.1 приводится классификация и сравнительный анализ структурных схем промышленных ДА жидкостей.
Проанализированы недостатки серийных диэлькометров «ДК-1М» и «ДК-2». Общим недостатком структурных схем этих анализаторов является наличие конденсаторов переменной емкости с электромеханической системой настройки, что снижает надежность и ухудшает массогабаритные характеристики.
Для устранения этих недостатков предложена усовершенствованная структурная схема анализатора с одним конденсатором переменной емкости, в качестве которого использованы варикапы во встречно-последовательном включении.
В разделе 2.2 приводится анализ влияния паразитных параметров и импеданса контактов коммутатора в анализаторах с периодическим вводом при традиционной схеме ПКК.
Показано, что одним из источников погрешности, препятствующим использованию указанных анализаторов для контроля малых изменений концентрации прово-
дящих жидкостей, являются переходные сопротивления контактов реле, коммутирующих в измерительный контур рабочий и опорный датчики.
Для оценки данной составляющей погрешности получено достаточно простое аналитическое выражение. Минимизация данной составляющей погрешности может быть достигнута тремя путями:
введением поправки в соответствии с полученным выражением, для чего необходимо наличие в анализаторе дополнительного канала измерения проводимости.
использованием для коммутации реле с малым импедансом контактов.
разработкой новой схемы коммутации датчиков в контур.
В разделе 2.3 описана минимизация влияния ограниченной чувствительности системы настройки измерительного контура в резонанс.
Всем ДА с настраиваемым в резонанс измерительным контуром присущ общий недостаток: в них не исключается погрешность, обусловленная остаточной расстройкой контура. Величина остаточной расстройки, а значит и погрешности зависит от добротности измерительного контура, которая в свою очередь зависит от диэлектрических потерь в исследуемом веществе.
Для минимизации составляющей погрешности, обусловленной ограниченной чувствительностью системы настройки при больших проводимостях анализируемой смеси, предложено использовать «маятниковый» (автоколебательный) способ настройки измерительного контура с использованием синхронного порогового детектора для переключения направления настройки контура.
Данный способ настройки позволяет без аппаратных усложнений определять проводимость анализируемой смеси по ширине резонансной характеристики, измеренной либо на уровне заданной крутизны, либо на уровне заданного порога срабатывания детектора. Для каждого из этих случаев установлены аналитические зависимости соответствующей емкостной ширины резонансной характеристики от шунтирующей датчик проводимости.
Математические модели диэлектрической проницаемости смесей...
Первым аналитическим применением измерений ДП было определение влаго-содержания, благодаря тому, что вода имеет высокую ДП (е = 80), во много раз большую, чем у большинства исследуемых веществ.
Однако предположение, что ДП воды равна 80 правильно только условно. Указанное большое значение ДП соответствует только чистой воде, характеризующейся так называемой тридимитной структурой связей. ДП идеальной воды, то есть воды, молекулы которой не ассоциируют, не взаимодействуют между собой, может быть вычислено по формуле Онзагера для дипольного момента [1], и составляет 31.
В общем случае концентрационная зависимость ДП смеси моделируется формулами смешения, которые связывают ДП смеси и компонент и их концентрации. Ряд наиболее распространенных формул смешения, предложенные при разработке теории ДП бинарных систем, приведен в [105]. Простейшей из формул смешения является линейная формула Зильберштейна [1]
f("l)= V"i+f2 -(і-яі). (1-2)
где є (л j), f j, є 2 - ДП смеси и составляющих ее компонент; «1 - концентрация первой компоненты в объемных долях.
Применяемая линейная формула смешения (1.2) не может претендовать на всеобщую пригодность, как и другие эмпирические формулы, или формулы, созданные на основе теории Дебая [1].
Примером смеси с линейной зависимостью г{п\) является метанол-вода. Линейность зависимости Е{П\) объясняется тем, что метанол подобен воде и сильно ассоциирует за счет водородных связей, а добавляемые молекулы входят в структуру ассоциированного метанола [1].
Однако у большинства смесей (например, диоксан-вода) зависимость e{n ) является нелинейной, выпуклой вниз (вторая производная больше нуля). При малых п вода в смеси является идеальной и значение ДП составляет 31. С ростом концентрации молекулы воды начинают взаимодействовать между собой, что приводит к обра 34 зованию тридимитной структуры связей [1], а ДП становится равной 80. В связи с этим с ростом концентрации воды возрастает крутизна концентрационной зависимости.
Наряду с изменением значения єі в некоторых смесях (например, смесь воды с октанолом или другими высшими спиртами) образуются частицы дисперсной фазы, окруженные слоем молекул или ионов дисперсиционной среды, так называемые мицеллы [1]. Их образование обусловлено действием дисперсионных сил между цепями углеводородов. Присутствие сильнополярных молекул воды сильно нарушает этот механизм, что приводит к появлению минимума в зависимости є(п\), причем этот минимум не соответствует чистому октанолу. Зависимость е{щ) подобных смесей при малых концентрациях является неоднозначной, поскольку двум значениям щ соответствует одно значение є, поэтому в области малых концентраций воды диэлькомет-рический метод неприменим.
Кроме того, полярные молекулы имеют склонность к ассоциации благодаря электростатическому взаимодействию и могут группироваться в цепочки, увеличивая общий дипольный момент, или располагаться друг под другом, образуя квадруполи [105]. Для величины ДП эти ассоциации неравнозначны. Поэтому ДП растворов зависят от их структуры, и невозможно порекомендовать единую формулу, устанавливающую зависимость ДП раствора от ДП его компонент и их объемного содержания. От структуры зависят также температурный коэффициент ДП, проводимость, влияние солей и другие факторы, влияющие на результат измерения ДП растворов.
В отличие от рассмотренных смесей воды с высшими спиртами концентрационная зависимость ДП смеси ДЭГ-вода оказывается выпуклой вверх, то есть вторая производная меньше нуля {рис. 2.31). При малом содержании воды крутизна концентрационной зависимости смеси ДЭГ-вода более чем в два раза превосходит соответствующее значение при содержании воды близкому к ста процентам:
Это свойство смеси ДЭГ-вода дополнительно обуславливает высокую чувствительность диэлькометрического метода и делает еще более предпочтительным его использование для определения малых приращений воды в ДЭГ. Для смеси ДЭГ-вода отсутствует формула смешения, описывающая математическую модель смеси, но для использования в анализаторе достаточно иметь выражение, которое может и не нести физического смысла, а просто связывает ДП смеси и ее компонент и их концентрации.
Вода с жидкостями образует не только однородные вещества - растворы, но и микрогетерогенные дисперсные системы - эмульсии [106-109].
Эмульсии бывают прямыми - типа М/В (масло в воде) и обратными - типа В/М (вода в масле). У прямых эмульсий масло является дисперсной (внутренней) фазой, а вода дисперсионной (непрерывной) средой; у обратных - вода является дисперсной фазой, а масло - дисперсионной средой. Тип эмульсии зависит от свойств компонентов, наличия поверхностно-активных веществ и объемного содержания воды (влажности). В некоторых эмульсиях при определенных соотношениях компонентов происходит обращение фаз - переход от типа В/М в тип М/В; другие жидкости образуют с водой только один тип эмульсий. Например, нефти при отсутствии специальных поверхностно-активных веществ образуют с водой только обратные эмульсии. При больших влажностях эти эмульсии иногда оказываются нестойкими - часть дисперсной фазы выпадает в виде свободной воды. Диэлектрические свойства различны как у растворов и эмульсий, так и разных типов эмульсий.
Заряды дисперсных частиц в эмульсиях вызывают образование двойного электрического слоя вокруг них, что приводит либо к поляризации в электрическом поле, либо к структурным изменениям. При структурном факторе должна наблюдаться только одна область дисперсии, связанная с внутрислойной поляризацией и перемещающаяся вдоль оси частот с изменением солесодержания в воде. При поляризационном факторе должна наблюдаться еще одна область дисперсии ДП, связанная с инертностью носителей заряда двойного слоя и не изменяющаяся своего положения на оси частот с изменением солесодержания воды. Кроме того, при структурном факторе за счет подобия между ДП и проводимостью tgd не должен изменяться с изменением влажности, поэтому по зависимости tgd от концентрации воды можно судить о степени влияния поляризационного фактора. Результаты экспериментов, приведенные в [110], позволяют считать, что в обратных эмульсиях дополнительный рост ДП вызывается только структурным фактором. Поскольку группировка дисперсных частиц вдоль силовых линий электрического поля начинается при напряженностях более 0,2 В/м, превышающих напряженности поля, имеющих место в ДА, причиной дополнительного роста ДП следует считать образование флокул. Теория, объясняющая возникновение и устойчивость флокул, названа ДЛВО [111] или ДФО [112]. Согласно этой теории дисперсные частицы плотно прижимаются друг к другу, но не коалесцируют (не сливаются в общую каплю), потому что их слиянию препятствуют кулоновские силы, а отталкиванию - силы Ван-дер-Ваальса [111].
Принцип работы анализатора с повышенной точностью определения емкости резонанса
Всем ДА с настраиваемым в резонанс измерительным контуром присущ общий недостаток: в них не исключается погрешность, обусловленная остаточной расстройкой измерительного контура, имеющей место из-за ограниченной чувствительности системы АПЧ. Величина остаточной расстройки, а значит, и погрешность зависят от добротности измерительного контура, которая в свою очередь зависит от диэлектрических потерь в исследуемом веществе.
Добиться требуемой чувствительности при больших проводимостях анализируемой смеси путем простого усиления сигнала рассогласования при условии одновременного обеспечения устойчивости системы АПЧ при изменении добротности ПКК в широких пределах практически невозможно. При некотором предельном значении коэффициента усиления в системе возникают незатухающие колебания [122, 123]. Во вторых, эта мера может оказаться неэффективной в случае сопоставимости уровня сигнала рассогласовании с уровнем шума [124]. 2.3.1. Принцип работы анализатора с повышенной точностью определения емкости резонанса
Известен автоматический электронный влагомер [100], обеспечивающий повышение точности измерений за счет минимизации влияния изменения зоны нечувствительности нуль-органа (ограниченной чувствительности системы АПЧ).
Модифицированная функциональная схема ДА с повышенной точностью определения емкости резонанса приведена на рис. 2.12. Анализатор работает следующим образом. На пассивный колебательный LC-контур с генератора ЗГ через резистор связи Rce поступает высокочастотное напряжение e=Esin(wt). При изменении емкости датчика Ср (например, после заполнения исследуемым веществом, или изменения концентрации контролируемого компонента) ПКК расстраивается относительно частоты генератора, рис. 2.13. Периодическое (с частотой Q) изменение емкости модулирующих варикапов См осуществляется прямоугольными импульсами, поступающими с выхода модулятора М вместе с напряжением смещения. Вследствие неравенства коэффициентов передачи, А, измерительной схемы при двух значениях емкости моду 68 лирующих варикапов высокочастотное напряжение на ПКК модулируется по амплитуде. Как видно из рис. 2.13, фаза огибающей амплитудно-модулированного напряжения зависит от знака разности текущего значения емкости ПКК и значения Сг, соответствующего резонансу ПКК с частотой генератора, а её амплитуда от значения этой разности.
Сигнал, управляющий изменением емкости варикапов Ск, подается одновременно и на дополнительную группу измерительных варикапов Си, подключенных к отсчетному генератору (ОГ).
Количество пар встречно-последовательно включенных компенсирующих Ск и измерительных Си варикапов может быть неодинаковым, достаточно только, что бы они удовлетворяли требованию идентичности вольт-фарадных характеристик (ВФХ) групп варикапов [75]. В этом случае обеспечивается пропорциональность изменения емкости варикапов С„ в контуре ОГ изменению емкости варикапов С,к (и, следовательно, изменению емкости датчика). Подобное преобразование емкости Ск (датчика) в частоту ОГ позволяет уменьшить влияние не только нелинейности ВФХ варикапа, но и влияние нестабильности параметров варикапа (старение, тепловой дрейф).
Напряжение с ПКК поступает на один из входов фазочувствительного порогового детектора (ФПД), на второй вход которого поступает опорное напряжение с выхода модулятора. В состав ФПД входят: амплитудный детектор (АД), пороговое устройство - компаратор и статический синхронный ftS-триггер. АД служит для выделения и усиления низкочастотной огибающей ВЧ - напряжения на ПКК. Входы «СБРОС» (R) и «УСТАНОВКА» (S) связаны с выходом модулятора, а его вход синхронизации через компаратор с выходом АД. Функция -триггера состоит в запоминании и передаче блоку управления цифровому (БУЦ) необходимого направления изменения емкости варикапов Ск и Си.
Выход ftS-триггера подключен к БУЦ, который выдает управляющие сигналы таким образом, что в одном из устойчивых состояний / -триггера (например, единичном) напряжение на варикапах Ск и С„ линейно возрастает, а в другом (нулевом) состоянии /to -триггера напряжение смещения варикапов Ск и С„ на выходе БУЦ линейно убывает.
Реализация БУЦ на основе многофункционального однокристального микроконтроллера позволяет не только упростить прибор, но и при минимальных аппаратных затратах реализовать достаточно сложный алгоритм измерения и обработку информации.
Элементы И.фі, Кф2, Яфз и Сф - фильтрующие.
Нарис. 2.14 приведены временные диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу ФПД:
а) напряжение на входе R (сброс) Т -триггера, поступающее с прямого выхода модулятора М;
б) напряжение на входе S (установка) /US-триггера, поступающее с инверсного выхода модулятора М;
в) изменение амплитуды низкочастотной (частоты модуляции Q) огибающей высокочастотного напряжения на контуре, поступающего на вход компаратора, при циклическом изменении емкости контура в установившемся режиме;
Анализ влияния активной составляющей импеданса контактов реле, подключающих новый ПКК к генератору
Для анализа влияния активной составляющей импеданса контактов реле, подключающих новый ПКК к генератору, целесообразно заменить схему нового ПКК его упрощенной эквивалентной схемой (рис. 2.27). Поскольку частота измерения постоянная, то цепочка См, L, /р (см. рис 2.26) может быть заменена в данной схеме эквивалентными индуктивностью Ьжв и проводимостью g3Ke
Покажем, что в ДА с подобным ПКК влияние сопротивления замкнутых контактов переключателя К1 при изменении проводимости анализируемого вещества, существенно снижено. Для этого рассмотрим выражение для полного сопротивления измерительного контура
После преобразований из (2.87) получаются выражения для активной «g» и реактивной «Ь» составляющих проводимостеи, подключаемых к выходу генератора и к входу ДО
Учитывая, что максимальное напряжение в точке подключения ПКК к ДО установится при его чисто активном сопротивлении, то есть при Ь=0, из выражения (2.89) для реактивной проводимости можно определить значение емкости контура, соответствующее резонансу измерительной схемы:
(2.90)
Из (2.90) видно, что резонансная частота ПКК является функцией ДП єх вещества, заполняющего датчик, и не зависит от его проводимости gx.
Данные выводы сделаны при условии, что связь генератора с измерительным контуром осуществляется через чисто активное сопротивление, а монтажная емкость Смонт, подключенная к точке «1» не через контакты реле равна нулю. Если же это условие не выполняется, то емкость Смонт и/или реактивная составляющая сопротивления связи должны компенсироваться соответствующей остаточной расстройкой измерительного контура (jarCMOHm+jb=0, выражение для уЪ см. ниже), которая в соответствии с выражением (2.89) зависит не только от отклонения емкости контура от резонансного значения, но и от параметра rp-gx.
Для иллюстрации справедливости последнего утверждения можно представить (2.89) в следующем виде где ± АС - отклонение емкости контура от резонансного значения, компенсирующее реактивные составляющие входного сопротивления детектора и выходного сопротивления ЗГ, находящиеся до коммутирующих контактов.
Сг - резонансная емкость контура.
Аналитическое выражение для соответствующей составляющей погрешности имеет вид:
ACBl(g -2-Vg,-Cr- s=-. (2.91)
где Смонт - монтажная емкость, подключенная к точке «1» не через контакты реле.
Из выше сказанного следует, что предлагаемая схема включения датчиков в ПКК максимально эффективна при связи ПКК с генератором через активное сопротивление и минимальных емкостях, подключенных к общей точке "1" (рис. 2.27) не через контакты реле. В противном случае будет сохраняться некоторое влияние сопротивления контактов реле, подключающих соответствующий полюс катушки и датчик к генератору, при изменении проводимости, так как соответствующая равновесию схемы эквивалентная реактивная проводимость ПКК в общей точке будет от 113 личаться от нуля на величину, компенсирующую монтажные емкости CMOHM, подключенные к точке «1» не через контакты реле. Но эта ошибка при предлагаемой схеме измерительного контура будет во столько раз меньше по сравнению с традиционной схемой ПКК, во сколько раз емкость Ст датчика с веществом больше входной емкости У монт
Требования к варикапам, используемым для согласованного изменения ёмкости в измерительном контуре и в контуре отсчетного генератора
В радиотехнике распространенной задачей является одновременная перестройка нескольких частотно-избирательных цепей. В простейшем случае имеется несколько одинаковых колебательных контуров, резонансные частоты которых при перестройке должны совпадать
A = fl = -= fn Этот вариант сопряжения называют согласованной настройкой [136].
В нашем случае (в случае диэлькометрического анализатора) целесообразно говорить о согласованном изменении ёмкости измерительных варикапов, включенных в измерительный параметрически модулированный LC-контур, и варикапов, включенных в LC-контур отсчетного генератора, причем и те и другие варикапы управляются от одного источника напряжения смещения.
Под согласованным изменением ёмкости будем понимать пропорциональное изменение емкости двух или нескольких групп варикапов при подаче на них управляющего напряжения от общего источника. Для этого зависимости ёмкости варикапов от управляющего напряжения должны быть достаточно однородными. В то же время совершенно необязательно, чтобы номинальные значения емкостей варикапов или тем более количество варикапов, включенных в различные контуры, было одинаковым.
4.3.3 Рекомендации по выбору типа варикапов для диэлькометрических анализаторов
В табл. Ж. 1 приведены основные характеристики ряда варикапов из числа использовавшихся ранее в диэлькометрах Ангарского ОКБА и из числа наиболее перспективных для применения во вновь разрабатываемых ДА. В табл. Ж.1 приняты следующие обозначения:
Cumin — емкость варикапа при обратном напряжении 1]т\п\
кс - коэффициент перекрытия по емкости при изменении обратного напряжения ОТ Umin ДО Umax, kc= CUminl С и max ,
Q - добротность варикапа при частоте F, МГц и обратном напряжении Umin (добротность варикапа КВ120Е приведена для обратного напряжения минус 1 В, при Uo6p=lS В Q 1000 [130]);
С4, С8 и С12 - значения емкости при напряжениях смещения соответственно 4, 8 и 12 В;
А - разброс емкостей в комплекте.
Основные параметры варикапов «ip» и «п» рассчитывались по справочным данным [130] в соответствии с выражением [136]:
Из анализа данных, приведенных в табл. Ж. 7, следует:
- Наиболее подходящими варикапами для использования в ДА с точки зрения минимизации нелинейных искажений, удовлетворения требованиям высокой добротности и согласованного изменения емкости в измерительном контуре и контуре отсчетного генератора являются сборки КВС118А, Б.
- У варикапов Д901 и КВ104Е, с резким переходом, не нормируется разброс по емкости.
- Сборки варикапов КВС111А с плавным переходом имеют малый коэффициент перекрытия, и у них также не нормируется разброс по емкости.
- КВ119А и КВ120Б имеют большой коэффициент перекрытия по емкости, но их показатель п сильно зависит от напряжения смещения, что не гарантирует идентичности их ВФХ. Разброс по емкости не нормируется.
- KB 135 АР, поставляется комплектами из двух варикапов, разброс по емкости не более 2 %, варикапы с обратным распределением примесей, поэтому коэффициент п сильно зависит от управляющего напряжения (напряжения смещения), что видно из данных приведенных в табл. Ж.1, имеют большой коэффициент перекрытия по емкости. Большие значения коэффициента п обуславливают значительные нелинейные искажения, которые являются источником составляющей погрешности измерения ДП (емкости), при изменении проводимости анализируемого вещества.
- KB 127 АР поставляются комплектами из двух или трех варикапов, имеют нормированный разброс по емкости, зависящий от напряжения смещения, относительно большой коэффициент перекрытия по емкости. Эти варикапы целесообразно применять в тех случаях, где отсутствует требование согласованного изменения емкости, не нужна высокая точность измерения приращений емкости, или незначительно изменяется эквивалентная проводимость.
Ввиду неоднородности исходных материалов и неидеальной воспроизводимости технологии изготовления варикапам одного и того же типа присущ заметный разброс параметров. Следует различать разброс номинальных значений емкости при некотором одинаковом управляющем напряжении и относительные отклонения зависимости емкости от напряжения.
Целесообразно применять варикапы, технология которых обеспечивает наилучшую воспроизводимость зависимости емкости от управляющего напряжения. Этому требованию удовлетворяют сплавные варикапы с резким р—n-переходом. Для варикапов, применяемых в качестве измерительных в ПКК и в ОГ, совершенно необязательным является удовлетворение требованию одинаковых номинальных значений. Главным является удовлетворение требованию минимального разброса зависимости относительного изменения емкости от напряжения.
Отклонение нормализованной зависимости относительного изменения емкости от напряжения определяется разбросом значений показателя «п» от номинального значения.
В качестве варикапов, исполняющих роль конденсаторов, замещающих емкость ячейки в ПКК (измерительных), и варикапов ОГ можно рекомендовать сборки КВС118Б.
Для параметрической модуляции контура и подстройки, где необходимы большой коэффициент перекрытия и высокая добротность, желательно использовать варикапы KB 127АР. При этом необходимо иметь в виду, что из-за относительно большого разброса характеристик этих варикапов могут возрасти погрешности, связанные с нелинейными эффектами.
Ниже приводится методика расчета диапазонов перестройки и количества компенсирующих и модулирующих варикапов. В качестве примера рассматривается решение задачи выбора типа и количества варикапов для измерителя концентрации воды в ДЭГе от 0 до 0,4 %.
Исходя из требуемого диапазона измерения концентрации воды в ДЭГе, необходимо определить диапазон изменения ДП анализируемой смеси вследствие изменения концентрации и температуры от 15 до 35С. В качестве исходных данных, устанавливающих зависимость ДП анализируемой смеси от концентрации и температуры, используются значения из [133]. Промежуточные значения рассчитываются по интерполирующему полиному (2.100), коэффициенты которого приведены в табл. 2.6.
