Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение кондуктометрических анализаторов для контроля природной среды и технологических процессов 13
1.1. Применение кондуктометрических анализаторов в промьшіленности, охране природной среды и научных исследованиях 14
1.2. Кондуктометрия как метод физико-химического анализа 17
1.3. Состояние и перспективы развития кондуктометрии 27
1.4. Анализ измерительных структур кондуктометрических анализаторов 32
Выводы 38
Глава 2. Исследование и разработка низкочастотных контактных кондуктометров 39
2.1. Статистический анализ измерительных схем контактных кондуктометров 40
2.2. Исследование электрофизических свойств латексов, их смесей, пен на их основе и промывной воды 54
2.3. Анализ измерительных схем кондуктометров с выносными измерительными преобразователями 73
2.4. Разработка кондуктометров контроля кратности пены и качества промывки губчатых изделий 78
2.5. Исследование электрофизических свойств травильных растворов 88
2.6. Разработка многокомпонентных концентратомеров травильных растворов 99
Выводы 106
Глава 3. Исследование и разработка микропроцессорных кондуктометрических анализаторов 108
3.1. Анализ кондуктометрических схем, использующих способ сравнения 109
3.2. Микропроцессорный лабораторный кондуктометр КЛ-4 118
3.3. Исследование электрофизических свойств щелочного раствора диацетон-Ь-сорбозы 129
3.4. Микропроцессорный концентратомер ДАС КД-206 132
3.5. Разработка перспективного микропроцессорного кондуктометра 142
Выводы 147
Глава4. Исследование и разработка метода частотной кондуктометрии 148
4.1. Теоретические основы метода частотной кондуктометрии 149
4.2. Разработка частотных кондуктометров 154
Выводы 164
Глава 5. Исследование и разработка метода импульсной кондуктометрии 165
5.1. Математическое моделирование импульсных кондуктометрических преобразователей 166
5.2. Исследование метода импульсной кондуктометрии 180
5.3. Импульсный кондуктометрический преобразователь 193
Выводы 197
Заключение 199
Список литературы 202
Приложение 221
- Кондуктометрия как метод физико-химического анализа
- Исследование электрофизических свойств латексов, их смесей, пен на их основе и промывной воды
- Микропроцессорный лабораторный кондуктометр КЛ-4
- Теоретические основы метода частотной кондуктометрии
Введение к работе
В диссертации систематизированы и обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора в области разработки и внедрения методов и приборов кондуктометрического контроля технологических процессов и природной среды.
Эти работы направлены на решение научной проблемы, которая имеет важное хозяйственное значение, заключающейся в методическом обеспечении и разработке принципов построения кондуктометров, реализующих амплитудный, частотный и импульсный методы измерения.
Актуальность темы. Кондуктометрия относится к электрическим методам анализа, информативным параметром которой является удельная электрическая проводимость (УЭП) вещества. Кондуктометры широко применяют в научных исследованиях, в системах экологического мониторинга питьевой, природной и сточной вод, в системах технологического контроля различных отраслей промышленности (химической, нефтегазовой и др.), в системах контроля и управления качеством продукции и др.
Информативным параметром кондуктометров является УЭП растворов, которая связана с составом жидких сред. Развитие промышленности, увеличение объёмов и номенклатуры выпускаемой продукции, повышение требований к её качеству, интенсификация технологических процессов, мониторинг окружающей среды и расширение научных исследований, в которых используют кондуктометры, определяют постоянный рост потребности в кондуктометрах.
Большой вклад в развитие отечественной кондуктометрии внесли Бугров А.В., Будённый Г.Г., Герасимов Б.И., Грилихес М.С., Ермаков В.И., Жуков Ю.П., Заринс-кий В.А., Идзиковский А.И., Захаров М.М., Крешков А.П., Кулаков М.В., Лопатин Б.А., Первухин Б.С., Стальнов П.И., Филановский Б.К., Худякова Т.А., Шауб Ю.Б. и другие учёные.
В передовых промышленных странах мира выпускают различные модели кондуктометров, получают патенты, направленные как на совершенствование традиционных решений, так и на разработку новых разновидностей метода. В РФ также ведутся подобные разработки и осуществляется выпуск кондуктометрических анализаторов.
Вместе с тем вопросы проектирования кондуктометров разработаны недостаточно, что затрудняет установление взаимосвязи между метрологическими характеристиками приборов и их конструктивными параметрами.
Специфическими особенностями разработки кондуктометров являются: разнообразие физических и физико-химических свойств объектов контроля, сложный состав анализируемых сред, наличие большого количества неинформативных параметров и влияние внешних условий на преобразование измеряемой величины в электрический сигнал.
Диссертационная работа посвящена разработке принципов построения, вопросам проектирования, созданию математических моделей для описания основных характеристик широкого класса низкочастотных контактных кондуктометров.
Работа выполнялась в соответствии с целевой комплексной программой Минвуза РСФСР «Датчики» на 1981 - 90 гг., координационным планом АН СССР на 1979 - 1990 гг. по проблеме «Разработка и использование комплекса автоматизированных приборов для определения химического состава веществ, материалов как показателя качества продукции», координационными планами Министерства химической промышленности по повышению качества управления технологическими процессами, межвузовской научно-технической программы Госкомобразования СССР «Создание высокоэффективных методов и приборов анализа веществ и материалов» на 1990 - 1993 гг. и Межвузовской комплексной программой Минобразования РФ «Наукоёмкие технологии».
Объект исследования. Способы и устройства измерения удельной электрической проводимости, реализующие амплитудный, частотный и импульсный методы измерения, а также электрофизические свойства материалов и веществ.
Целью работы является исследование оптимального построения кондуктометров, реализующих амплитудный, частотный и импульсный методы измерения, разработка на этой основе и внедрение кондуктометров с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для контроля параметров окружающей среды и технологических процессов.
Задачи работы. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
- анализ областей возможного практического использования контактных кондуктометров и пути их совершенствования;
- разработка и исследование математических моделей широкого класса низкочастотных контактных кондуктометров;
- теоретические и экспериментальные исследования методов оценки их метрологических характеристик;
- разработка методов расчёта оптимальных параметров контактных кондуктометров на основе метрологических показателей;
- разработка алгоритмов функционирования и методов реализации микропроцессорных кондуктометров;
- исследование электрофизических свойств ряда веществ и материалов химической технологии, металлургической промышленности, биотехнологии, строительной индустрии и т.д.;
- развитие и практическая реализация частотной кондуктометрии;
- разработка метода импульсной кондуктометрии;
- создание средств контроля физико-химических параметров: удельной электрической проводимости, плотности, температуры и состава технологических растворов и природной среды с улучшенными метрологическими характеристиками и внедрение их в промышленность.
Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования и экспериментального исследования метрологических характеристик кондуктометров и свойств среды.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в обосновании методического обеспечения и разработке принципов построения автоматических кондуктометров.
В результате проделанной работы впервые:
- сформулированы принципы многовариантности включения ПИП в измерительную цепь и уменьшения погрешностей измерения за счёт их взаимной корреляции;
- предложены и обоснованы математические модели низкочастотных контактных кондуктометров, позволяющих получить их заданные метрологические характеристики;
- получены аналитические выражения для количественной оценки метрологических показателей кондуктометрических анализаторов;
- разработаны и исследованы методы структурной и параметрической оптимизации низкочастотных контактных кондуктометров;
- предложены и разработаны теоретические основы импульсной кондуктометрии;
- исследованы электрофизические свойства ряда веществ и материалов, используемых в различных отраслях промышленности.
Практическая ценность работы. Использование результатов теоретических и экспериментальных исследований позволило расширить круг задач аналитического контроля и разработать кондуктометрические средства контроля, обладающие улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Принципы построения и проектирования реализованы в кондуктометрических анализаторах с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Рассмотрены вопросы структурной и параметрической оптимизации, охватывающие основные источники погрешностей: линейность, систематическую и случайную составляющую погрешностей.
Исследован частотный метод измерения, что привело к созданию промышленных частотных кондуктометров.
Предложен импульсный метод кондуктометрии, обеспечивающий повышенные метрологические характеристики (помехозащищённость, точность). Изучены различные варианты реализации метода, выбран и реализован оптимальный из них.
Исследованы электрофизические свойства некоторых материалов (латексов, цемента, бетонной смеси) и технологических растворов (травильных, диацетон-Ь-сорбозы - ДАС и др.), что позволило создать промышленные приборы для контроля качества продукции.
Реализация научно-технических результатов. Основные результаты работы использованы НПО «Химавтоматика», ВНИИ аналитической техники, Барнаульским ОКБА, НИИР, ООО «Аналитик», 000 «Техноприбор», 000 «Сибпромприбор-аналит».
Результаты работы с непосредственным участием автора использованы при создании следующих серийно выпускаемых приборов.
Лабораторный кондуктометр для периодического контроля кратности латексных пен и автоматический кондуктометр латексной пены КЛП-201.
Кондуктометр промывки латекса КПЛ-203.
Двухкомпонентные концентратомеры состава солянокислотньгх (КД-205-1) и сернокислотных (КД-205-2) травильных растворов в производстве стальной полосы.
Лабораторные микропроцессорные кондуктометры КЛ-4 и КЛ-С.
Микропроцессорный двухкомпонентный концентратомер щелочного раствора ДАС КД-206.
Переносный частотный кондуктометр ЛК-563 МЛ и лабораторные частотные кондуктометры КЛ-01 и КЛ-02.
Частотные кондуктометры для анализа активности цемента ИАП-2 и бетонной смеси ИАБС-2.
В учебно-методическом плане материалы диссертации используются в учебных курсах, бакалаврских, дипломных работах и магистерских диссертациях студентов Московского государственного университета инженерной экологии по специальностям 220301 «Автоматизация технологических процессов», 200503 «Стандартизация и сертификация», 280202 «Инженерная защита окружающей среды» и 150502 «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов», в 12 учебных пособиях и 10 методических указаниях.
Достоверность работы. Разработанные методы и средства измерений были проверены экспериментально, в том числе путём Государственных испытаний.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 22 Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях и семинарах, в том числе на Всес. н.-т. совещании «Аналитическое приборостроение» (Тбилиси, 1980, 1986), VI Всес. конференции «Синтетические латексы, их модифицирование и применение в народном хозяйстве» (Воронеж, 1981), Всес. конференции «Электрохимические методы анализа» (Томск, 1981), IV Республ. н.-т. конференции «Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем» (Киев, 1981), 2 Республ. н.-т. конференции «Физические основы построения первичных измерительных преобразователей» (Винница, 1982), Всес. конференции «Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов» (Барнаул, 1982, 1991), Всес. конференции «Моделирование САПР, АСНИ и ГАП» (Тамбов, 1989), н.-т. конференции «Приборы для экологии - 90, 92» (Ужгород, 1990,1992), X Всес. теплотехнической школе «Теплофизика релаксирующих систем» (Тамбов, 1991), II Всес. конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования» (Тамбов, 1991, 1993), Всес. семинаре «Кондуктометрические методы и приборы в технологии различных производств» (Краснодар, 1991), Всес. н.-т. конференции «Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами» (Грозный, 1991), IV н.-т. совещании «Датчики и преобразователи информации систем управления, контроля и управления» (Гурзуф, 1992), I н.-т. конференции «Состояние и проблемы технических измерений» (Москва, МГТУ им. Баумана, 1994), Российской электрохимической школе «Новейшие достижения в области электрохимических методов анализа» (Тамбов, 1995), Межд. конференции «Инженерная защита окружающей среды» (Москва, 1999, 2001), VIII Межд. симпозиуме «Техника чистых производств в XXI веке: проблемы и перспективы» (Москва, МГУИЭ, 2004).
Публикация результатов исследований. Всего по теме диссертации опубликовано 94 работы, в том числе получено 10 авторских свидетельства на изобретения, за что диссертант отмечен знаком «Изобретатель СССР», и 1 патент РФ, а также 12 монографий с грифом УМО по образованию в области автоматизированного машиностроения и по политехническому университетскому образованию и 10 методических указаний.
В публикациях, подготовленных в соавторстве, основные идеи, основы теоретических и практических разработок принадлежат диссертанту. Единолично автором по теме диссертации опубликовано 23 работы.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, вьшодов, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 237 страниц, в том числе 102 рисунка и 20 таблиц. Список литературы включает в себя 230 наименований.
В диссертации обобщены результаты исследований, вьшолненных соискателем в период с 1976 по 2006 год.
Кондуктометрия как метод физико-химического анализа
Кондуктометрический метод измерения основан на измерении электрических характеристик вещества (диэлектрической проницаемости е, магнитной проницаемости ц и удельной электрической проводимости ), которые в свою очередь зависят от его физико-химических свойств [8,32,64, 83, 84,103,129,179,183,204,206].
При растворении в воде электролита он диссоциирует с образованием ионов, следовательно, концентрация носителей зарядов в воде увеличивается, что приводит к уменьшению её электрического сопротивления и увеличению УЭП. Отсюда следует два ограничения кондуктометрического метода - анализ только растворов электролитов и не избирательность метода. Хотя, например, при контроле загрязнения сточных вод этот недостаток превращается в достоинство.
Для кондуктометрии характерен широкий частотный диапазон зондирующего электромагнитного поля, работа в широком интервале температур, большой диапазон измеряемой УЭП. Эти свойства позволяют широко использовать кондуктометрический метод в задачах контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. В дальнейшем ограничимся случаем кондуктометрического анализа жидких сред (водных растворов).
Обычно кондуктометрию разделяют на собственно кондуктометрию и диэлькометрию. С помощью диэлькометров измеряют в основном реактивную (емкостную) составляющую полного сопротивления датчика с исследуемым веществом, что позволяет определить диэлектрическую проницаемость вещества е, тангенс угла диэлектрических потерь tg 8, дипольный момент и т.п. С помощью кондуктометров измеряют преимущественно активную составляющую импеданса ПИП. Методы кондуктометрии делят на следующие группы [8,32,46, 57,60,61,62,64, 67, 70, 83, 102, 103] (рис. 1.1): амплитудные, амплитудно-фазовые, частотные. В первом случае информативный параметр (УЭП раствора) преобразуется в измерение амплитуды, во втором - амплитуды и фазы, в третьем - частоты сигнала.
Кроме того, кондуктометрию разделяют на контактную и бесконтактную [8, 31, 32, 64, 83] в зависимости от наличия или отсутствия гальванического контакта между измеряемой средой и электродами датчика.
Начало кондуктометрии положено Ф. Кольраушем в 1869 - 1873 г.г., когда были опубликованы его первые исследования. Большое количество позднее опубликованных работ показало такие преимущества контактной кондуктометрии (как на постоянном токе, так и при переменном токе низкой частоты), как высокая точность измерений, простота и дешевизна аппаратурного оформления, удобство автоматизации и т.п. Контактный кондуктометрический метод получил широкое распространение в промышленности и практике лабораторных исследований.
В дальнейшем был развит метод бесконтактной ВЧ кондуктометрии и диэлькометрии, которую чаще применяют для относительных измерений [8,32,46,47,49, 57, 60, 64, 67, 70, 83, 164,184]. Отсутствие гальванического контакта между электродами датчика и исследуемым раствором привело к существенному уменьшению поляризационных погрешностей, отсутствию соприкосновения с агрессивными жидкостями и т.п. Однако, поскольку при бесконтактном измерении УЭП растворов измеряют электрические характеристики системы ПИП - раствор, затрудняется интерпретация полученных данных. Каждому из перечисленных методов присущи свои достоинства и недостатки. Тем не менее, контактная кондуктометрия имеет принципиально большую чувствительность по сравнению с бесконтактной. При сравнительном анализе достоверности результатов измерений предпочтение отдаётся контактному методу, особенно при абсолютных измерениях [31,103]. Диэлъкометрия
По типу напряжения, питающего измерительную цепь, различают кондуктометрию на постоянном и переменном токе. В свою очередь кондуктометрию на переменном токе разделяют на низко- и высокочастотную, условная граница между которыми лежит примерно в районе 50 -100 кГц.
Как и любой анализатор, кондуктометры содержат ПИП, измерительный преобразователь и вторичный прибор.
Существует большое разнообразие конструкций ПИП кондуктометров. На рис. 1.2 представлены некоторые конструкции контактных и бесконтактных датчиков, широко используемых для физико-химических исследований и контроля технологических параметров [8, 32, 46, 47, 49, 54, 57, 60, 64, 67, 68, 70, 83, 84, 85, 86, 94, 95, 99, 165, 176, 185,188]. Все конструкции ПИП являются различными вариантами двух, трёх и четырёх-электродных ячеек. На рис. 1.2 а изображён один из самых старых, но до сих пор используемых датчиков - ячейка Джонса, для которой характерна небольшая паразитная ёмкость. Эти ПИП изготавливают с постоянной датчика Л = 5-Ю4 - 5 м 1. На рис. 1.2 б приведён датчик, в котором сведены к минимуму краевые эффекты на электродах за счёт того, что емкостные эффекты элиминируются коаксиальными проводами, причём внешний провод экранирует внутренний. На рис. 1.2 в, г показаны проточный емкостной и погружной индуктивный бесконтактные датчики, на рис. 1.2 д, е - многозвенные резис-тивно-емкостной RC и резистивно-индуктивный RL датчики, а на рис. 1.2 д -многоэлектродный бесконтактный датчик.
Являясь источниками информации об УЭП раствора, ПИП кондуктометров, тем не менее, вносят основной вклад в погрешность измерения, характерную для контактного метода измерения.
Исследование электрофизических свойств латексов, их смесей, пен на их основе и промывной воды
В отличие от лабораторных кондуктометров, которые являются универсальными средствами измерений, применяемыми, как правило, в лабораторных условиях для решения исследовательских задач, промышленные кондуктометры являются анализаторами, предназначенными для измерения в конкретных условиях. Поэтому их проектирование и разработка невозможны без исследования свойств сред, которые им необходимо анализировать и учёта технологического процесса.
В основу технологического процесса получения пеноматериалов положено вспенивание латексной смеси с помощью механических агрегатов или вспенивающих веществ с последующим желатинированием (отверждением) получаемой пены, её вулканизацией, промывкой и сушкой готовых изделий [5, 6, 174]. Пенорезину получают из смеси, основным компонентом которой является латексная коллоидная дисперсия частиц каучука в водной среде [6]. Каучук в латексе находится в виде отрицательно заряженных глобул шарообразной формы, размер которых колеблется от 80 до 600 нм. На поверхности глобул находится адсорбированный слой поверхностно-активных веществ (ПАВ). Отрицательный заряд и наличие на поверхности глобул адсорбированного слоя ПАВ обеспечивает агрегативную устойчивость латекса.
Латексная смесь для получения пенорезины, помимо основного компонента -латекса, содержит ряд ингредиентов, которые по своему функциональному назначению могут быть подразделены на следующие компоненты: - пенообразующие вещества и стабилизаторы пен; - вулканизирующие агенты; - пластификаторы; - наполнители. Основными латексами для производства пенорезины являются бутадиентстирольные и натуральные центрифугированные [7].
Эксплуатационные характеристики пенорезины (сопротивление сжатию, прочностные показатели, теплофизические, акустические и электрические свойства) определяются как свойствами материала стенок ячеек, так и макроструктурой пенорезины [5 - 7]. Макроструктура пенорезин характеризуется следующими показателями: кажущейся плотностью, пористостью, размерами ячеек и их распределение по размерам, соотношением открытых и закрытых пор.
Степень вспениваемости латексных смесей - важнейший параметр, определяющий технические характеристики пенорезины и, прежде всего, её плотность. Отклонение степени вспениваемости от заданного значения приводит к перерасходу материала или уменьшению прочностных характеристик изделия, сопротивления сжатия и др. До последнего времени степень вспениваемости латексных смесей определялась периодически весовым методом с разрушением изделия. Известные методы контроля степени вспениваемости (весовые, фотоэлектрические, спектрометрические и электрофизические) по ряду причин нельзя использовать в производстве пенорезины из-за специфических свойств латексных смесей и пен [166].
Среди методов неразрушающего контроля одним из наиболее информативных является электрический, обладающий высокой чувствительностью, безынерционностью и относительной простотой приборной реализации. Поэтому появилась необходимость в изучении в широком диапазоне частот таких электрофизических свойств (ЭФС) латексов, их смесей и пен на их основе, как диэлектрическая проницаемость є, удельная электрическая проводимость и тангенс угла диэлектрических потерь tg S.
Исследованию подвергались натуральные латексы типа Квалитекс и Данлоп, синтетические бутадиенстирольные латексы типа СКС-С и Полисар-725, их смеси, а также комбинации смесей из натурального и синтетического латексов в соотношении 10:90,25:75 и 50:50 с добавлением вулканизирующих добавок и вспенивающих агентов, а также пены, получаемые из этих смесей, и промывная вода [158,159].
К специфике исследуемых материалов относится образование эластичных плёнок, способность окислять металлы, коагулироваться в объёме и т.п. Напряжение с генератора Г-33, контролируемое милливольтметром ВЗ-13 с погрешностью измерения 4 %, подавалось на вход моста переменного тока Р568 (погрешность измерения ёмкости 1 % и сопротивления - 2 %). В качестве указателя равновесия использовался индикатор нуля Ф550. В диапазоне частот 105 - 108 Гц применялись ВЧ мосты Е10-2 и Е10-7 с питанием от генератора ГЧ-106. При этом использовался термостатируемый контактный датчик объёмом 2-Ю"4 м3 с плоскопараллельными пластинчатыми электродами размером 0,02x0,02 м, изготовленными из платиновой жести, и расстоянием между ними 0,006 м (постоянная датчика А = 15 м ). Для исследования ЭФС латексов, их смесей и пен на их основе использовали термостат U-50, поддерживающий температуру с погрешностью ± 0,5 С. Исследуемый материал выдерживался в ячейке не менее 30 минут при каждом измерении. Учитывая, что латексы и их смеси обладают разной электрической проводимостью, напряжение, подаваемое на ячейку, подбиралось таким образом, чтобы при прохождении через неё тока температура исследуемого раствора изменялась не более, чем на 0,2 С.
Зависимость электрического сопротивления и ёмкости датчика, заполненного латексами и смесями на их основе, приведена соответственно на рис. 2.9 и 2.10.
Как следует из графиков на рис. 2.9, активное электрическое сопротивление первичного преобразователя, заполненного латексами и смесями на их основе, с увеличением частоты от 102 до 104 Гц быстро уменьшается. При дальнейшем увеличении частоты электрическое сопротивление остаётся практически постоянным. Резкое уменьшение сопротивления датчика на низких частотах вызвано снижением его поляризационного сопротивления [8].
Уменьшение ёмкости преобразователя в диапазоне частот 102 - 107 Гц (рис. 2.10) связано с ионно-релаксационной поляризацией [8,18].
На рис. 2.11 представлены частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg 8 для различных латексов. Из анализа этих данных следует, что для латексов и их смесей максимум потерь отмечается примерно на одних и тех же частотах. В диапазоне частот 10 -10 Гц tg д » \, поэтому в качестве информативного параметра для технологического контроля производства пенорезины целесообразно использовать удельную электрическую проводимость, на других частотах - диэлектрическую проницаемость.
Микропроцессорный лабораторный кондуктометр КЛ-4
В предыдущем параграфе был проведён анализ базовых схем кондуктометров, реализующих способ сравнения, и выбрана схема, использованная в лабораторном микропроцессорном кондуктометре КЛ-4 [37,200].
Первый отечественный прецизионный лабораторный кондуктометр КЛ-4 [81, 199] предназначен для измерения удельной электрической проводимости жидкостей и применяется для контроля технологаческих растворов и воды на предприятиях химической промышленности, в биологии, медицине, сельском хозяйстве, при охране окружающей среды и др. Прибор последовательно показывает коэффициенты В, С и D. Микропроцессор кондуктометра обеспечивает выполнение следующих функций: - раздельно во времени измерять УЭП и температуру; - вводить и контролировать постоянную ПИП УЭП, коэффициентов температурных зависимостей УЭП и проводимости ПИП температуры, а также экспериментальных данных для определения этих коэффициентов; - формировать сигналы интерфейса для связи с компьютером; - обеспечивать ввод данных для установления режимов работы; - формировать сигналы связи между микропроцессором, генератором, питающим измерительную цепь, измерительной цепью и устройством сравнения.
Измерительная цепь кондуктометра питается от генератора б напряжением прямоугольной формы, частота которого меняется в зависимости от десятичного разряда интервала измерения. Ток через первичный преобразователь и известный ток в канале меры сравнивают между собой в измерительной цепи и преобразуют в выходное напряжение положительной или отрицательной полярности, поступающее на устройство сравнения 7. Синхронный детектор, входящий в его состав, выдает напряжение, пропорциональное среднему значению разности токов в измерительной цепи, за интервал времени, ограниченный полупериодом напряжения питания измерительной цепи. Тогда на выходе устройства сравнения появляется сигнал логическая единица 1, если ток ПИП меньше тока, протекающего через активную проводимость в измерительной цепи, и логический ноль 0 - в противном случае.
Блок-схема алгоритма работы кондуктометра приведена на рис. 3.8. Запуск выполнения программы производится при включении питания кондуктометра блоком START. Блок START включает в себя запуск контрольных тестов ПЗУ, ОЗУ, адресов внешних регистров, находящихся во внутриприборном интерфейсе, и контроль в одной точке погрешности прибора по эквиваленту проводимости ПИП. При возникновении сбоев осуществляется вывод на индикацию кодов ошибок. При отсутствии ошибок осуществляется переход на режим измерения УЭП - блок F0 (рис. 3.9).
Рассмотрим для примера работу кондуктометра в режиме измерения УЭП (блок F0 - рис. 3.9). Сначала с помощью коммутатора и внутриприборного интерфейса к измерительной цепи подключается ПИП УЭП. После этого происходит выбор диапазона, а затем методом последовательных приближений - уравновешивание измерительной цепи. После достижения равновесия результат измерения проводимости датчика УЭП умножается на его постоянную и выводится на индикацию. Цикл повторяется до тех пор, пока не будет изменён режим работы кондуктометра.
Прибор комплектуется двумя наливными и двумя проточно-погружными первичными измерительными преобразователями. Результат измерения УЭП не зависит от расхода анализируемой жидкости через ПИП от 0 до 10 л/мин. Электроды ПИП на пределы измерения 0,1 - 150 См/м (постоянная ячейки А = 10000 м 1) изготовлены из платины и покрыты платиновой чернью, а на пределы измерения 1-Ю"6 - 0,1 См/м (постоянная ячейки А = 10 м 1) - из платины.
Метрологические характеристики кондуктометра определялись на образцовой кондуктометрической установке 1-го разряда УКОМ-1. Кондуктометр КЛ-4 работает в следующих режимах: - измерение УЭП анализируемого раствора; - определение УЭП раствора, приведённой к заданной температуре; - вычисление температурных коэффициентов УЭП анализируемой жидкости; - определение температурных коэффициентов проводимости ПИП температуры анализируемого раствора.
Теоретические основы метода частотной кондуктометрии
Суть частотной кондуктометрии заключается в том, что первичный измерительный преобразователь - ПИП (измерительную ячейку) включают последовательно с конденсатором С в положительную обратную связь усилителя, образуя при этом ЛС-генератор [8,131,138,139].
Обычно ЛС-генератор представляет собой замкнутую систему с положительной обратной связью, которая содержит: источник питания, фазирующую избирательную RC-цепь, состоящую из конденсаторов и резисторов и определяющую частоту колебаний, активный элемент в виде усилителя, служащий для компенсации потерь в фазирующей цепи, нелинейный элемент, ограничивающий амплитуду колебаний. Необходимые для і?С-генераторов активные элементы могут быть обычными транзисторными или операционными усилителями, либо специальными устройствами, например, зависимыми источниками (преобразователями), гираторами, конверторами отрицательного сопротивления и др. В качестве нелинейных элементов в ЛС-генераторах обычно используют нелинейность собственно активного элемента или внешний инерционный элемент (термистор, лампочка накаливания, АРУ с задержкой) [131].
В качестве такого генератора удобно использовать, например, мультивибратор, состоящий из инвертирующего триггера Шмитта, охваченного обратной связью с помощью фильтра низких частот (рис. 4.1) [74,132,133,134,136].
Как указывалось выше (3.1), использование импульсного сигнала прямоугольной формы для питания измерительной цепи кондуктометра существенно улучшает его метрологические характеристики.
Импульсные устройства и узлы [136,205,207,208] широко используют в измерительной технике, компьютерах, телевидении, радиолокации, автоматике и телемеханике, ядерной физике, медицинской аппаратуре и многих других устройствах и отраслях.
Таким образом, и с учётом ёмкости ПИП частота колебаний кондуктометра является линейной или слабо нелинейной функцией УЭП анализируемого раствора [221, 222].
Проведённые экспериментальные и теоретические исследования позволили разработать семейство серийно вьшускаемых частотных кондуктометров, обладающих повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и используемых во многих отраслях промышленности.
Проведённые теоретические и экспериментальные исследования метода частотной кондуктометрии позволили разработать ряд частотных кондуктометров для использования в различных отраслях промышленности.
Переносный кондуктометр ЛК-563 МЛ [189] предназначен для измерения УЭП жидких сред в диапазоне от обессоленной воды (1-Ю"3 См/м) до растворов сильных электролитов (100 См/м) [190].
Трёхэлектродный датчик 1 с постоянной 0,001 или ОД м 1 в зависимости от диапазона измерений УЭП с помощью переключателя подключают к конденсатору С1, образуя частотно-задающую цепочку преобразователя УЭП-частота 2. К выходу преобразователя подключён формирователь импульсов положительной полярности. Стабилизированные по амплитуде импульсы с частотой следования, пропорциональной УЭП анализируемой среды, через ёмкость поступают на вход преобразователя частота-напряжение 4. После фильтра НЧ, позволяющего выделить постоянный аналоговый сигнал без переменной составляющей, сигнал поступает на вход АЦП и далее - на цифровой индикатор 5. Питание схемы при автономном питании осуществляется от батареи типа Крона напряжением 9 В, а при питании от сети переменного тока - от блока питания 3.
В настоящее время выпускаются лабораторные кондуктометры ЛК-01 и ЛК-02, которые предназначены для измерения УЭП водных и неводных растворов кислот, солей и щелочей [190]. Они могут быть чспользованы в химических, агрохимических, заводских лабораториях, станциях водоочистки и т.п.
