Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные методы и схемные решения, используемые в кондуктометрии 11
1.1. Способы измерения электропроводности 12
1.2. Разновидности кондуктометрических датчиков 15
1.3. Контактные кондуктометрические датчики 17
1.3.1. Особенности контактных датчиков 24
1.3.2. Области применения контактных датчиков 27
1.4. Емкостные кондуктометрические датчики 28
1.4.1. Особенности емкостных датчиков 32
1.4.2. Области применения емкостных датчиков 35
1.5. Индуктивные кондуктометрические датчики 36
1.5.1. Особенности индуктивных датчиков 40
1.5.2. Области применения индуктивных датчиков 42
1.6. Обзор основных измерительных схем, используемых в кондуктометрии 43
1.6.1. Схемы с использованием мостового метода измерения 44
1.6.2. Схемы, использующие способ сравнения 47
1.6.3. Схемы с использованием компенсационного способа измерения 48
1.6.4. Схемы с использованием метода непосредственной оценки 49
1.6.5. Z, (), Т7 — метрические методы измерения 51
Выводы 52
Глава 2. Исследование и разработка бесконтактных трансформаторных кондуктометров 54
2.1. Статистический анализ измерительных схем трансформаторных кондуктометров 56
2.2. Построение статических характеристик базовых схем трансформаторных кондуктометров 62
2.3. Расчёт математических моделей статических характеристик базовых схем трансформаторных кондуктометров 75
Выводы 90
Глава 3. Сравнительный анализ схем трансформаторных кондуктометров ... 91
3.1. Определение чувствительности математических моделей статических характеристик измерительных схем трансформаторных кондуктометров 92
3.2. Модели погрешностей базовых схем трансформаторных кондуктометров 103
3.3. Сравнительный анализ, структурная и параметрическая оптимизация наиболее перспективных схем трансформаторных кондуктометров 112
3.4. Описание экспериментальной установки и результатов проведённых экспериментов 116
Выводы 126
Глава 4. Разработка промышленного трансформаторного кондуктометра КС-1М-ЗК 127
4.1. Описание работы прибора КС-1М-ЗК 128
4.2. Методы, средства и результаты испытаний разработанного трансформаторного кондуктометра 140
4.3. Оценка влияния внешних факторов на метрологические характеристики прибора 148
Выводы 157
Общие выводы 158
Список литературы 160
Приложение 168
- Контактные кондуктометрические датчики
- Построение статических характеристик базовых схем трансформаторных кондуктометров
- Сравнительный анализ, структурная и параметрическая оптимизация наиболее перспективных схем трансформаторных кондуктометров
- Методы, средства и результаты испытаний разработанного трансформаторного кондуктометра
Введение к работе
Развитие и совершенствование современных производств, повышение технологического уровня и улучшение качества выпускаемой продукции напрямую связано с совершенствованием контроля технологических процессов и систем автоматического управления технологическими процессами.
Одной из функций автоматических систем управления является контроль технологических параметров процесса производства и оценки качества выпускаемой продукции. Насколько точно, надёжно и быстро, осуществляется этот контроль, зависит от датчиков и средств измерений технологических процессов.
Одновременно с совершенствованием средств автоматизации разрабатываются и совершенствуются методы контроля, том числе и кондуктометриче- ский метод измерения.
Кондуктометрия — это метод измерения электрической проводимости растворов и расплавов электролитов. Данный метод является одним из наиболее универсальных и совершенных методов, используемых для исследования и контроля различных сред. Кондуктометры и кондуктометрические датчики наряду с широким использованием в лабораторной и научной практике находят всё более широкое применение в пищевой, фармацевтической, химической, микробиологической, энергетической, нефтегазовой и других отраслях промышленности. Их применение связано в основном с определением и контролем качества, будь то обессоленная вода на электростанциях или сточная вода на очистных сооружениях, или же контроль степени промывки латексов, пенорезины, мехов и т.д., а также контроль кинетики и стабилизация технологических процессов, использующих жидкие технологические среды.
Широкое распространение кондуктометрического метода можно объяснить высокой точностью, широким диапазоном измерений, простотой аппаратурного оформления, возможностью непрерывного контроля в технологическом потоке, достаточно низкой стоимостью по сравнению с любой другой аналитической техникой.
Совершенствование кондуктометрического метода напрямую связано с развитием производства, техники и технологий. Появляется всё больше производств, где контроль удельной электрической проводимости (УЭП) не только желателен, но и необходим. Применение новых технологий позволяет помочь при создании новых моделей чувствительных элементов и ячеек, более тщательно изучить процессы, происходящие на границе раздела электрод-раствор. Так, например, применение напыления на стержень керамической трубки позволяет использовать минимальное количество платины при создании электрода. Развитие производства ставит перед разработчиками более жёсткие требования, предъявляемые к приборам - это стабильность, точность, надёжность и т.д.
Совершенствование и развитие кондуктометрического метода активно ведётся как за границей, так и в России и связано с именами таких известных производителей, как Hanna (Германия), WTW (Щвеция), НПО «АльфаБассенс», ООО «Взор», НПП «Техноприбор», ООО «Сибпромприбор-аналит» в России и других [66, 67, 68, 71, 72, 76, 77].
За время существования кондуктометрии было написано множество книг, статей и диссертаций такими известными авторами как Лопатин Б.А., Грилихес М.С, Бугров A.B., Первухин Б.С., Кулаков М.В., Шауб Ю.Б. и другими учёными.
Однако многие задачи остаются актуальными до сих пор — это и расширение диапазона измерений, повышение надёжности и срока эксплуатации без поверки, уменьшение габаритов датчика, улучшения метрологических характеристик прибора и т.д. Немаловажным, является внедрение в производство кондуктометров, работающих в непрерывном потоке, так как до сих пор на многих заводах контроль качества осуществляется периодическим способом, что гораздо дольше, сложнее и дороже, поскольку требует человеческого труда.
Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию микропроцессорного трансформаторного кондуктометра, а также созданию и сравнительному анализу математических моделей, статических характеристик (СХ) моделей, чувствительностей и моделей погрешностей для описания их основных характеристик.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование и разработка микропроцессорного трансформаторного кондуктометра, работающего по принципу жидкостного витка с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
обзор состояния бесконтактной кондуктометрии и выбор перспективных структурных (базовых) схем трансформаторных кондуктометров;
получение и исследование математических моделей статических характеристик (СХ) базовых схем трансформаторных кондуктометров, анализ активных и реактивных составляющих СХ;
вывод математических моделей погрешностей рассмотренных структур и определение на их основе оптимальных параметров кондуктометра, обеспечивающих минимальную погрешность;
разработка и создание на основе проведённых исследований микропроцессорного трансформаторного кондуктометра, работающего по принципу жидкостного витка, экспериментальное исследование его метрологических характеристик и внедрение в промышленность.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:
предложены и обоснованы перспективные структурные схемы трансформаторных кондуктометров и на их основе разработан микропроцессорный трансформаторный кондуктометр с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками;
получены математические модели СХ базовых структурных схем, проведён сравнительный анализ и выбраны, на основе разработанной методики, для дальнейшего исследования наиболее перспективные схемы бесконтактных трансформаторных кондуктометров;
получены математические модели погрешностей представленных структур: абсолютная, относительная и среднеквадратическая (СКП);
найдены оптимальные параметры математических моделей СХ, обеспечивающих минимальную погрешность во всём диапазоне измерений бесконтактного трансформаторного кондуктометра;
на основе полученного критерия СКП разработана методика оптимального проектирования трансформаторных кондуктометров.
Практическая ценность. Полученные математические модели СХ и погрешностей могут быть использованы для проведения структурной и параметрической оптимизации кондуктометров, основанных на рассмотренных структурных схемах.
Предложен способ целенаправленного выбора оптимальных структур бесконтактных трансформаторных кондуктометров, заключающийся в рассмотрении конкурентоспособных структур, получении математических моделей СХ этих структур и дальнейшем их сравнительном анализе. Разработана методика оптимального проектирования бесконтактных трансформаторных кондуктометров на основе критерия минимального значения СКП с дальнейшей параметрической оптимизацией.
На основе этого подхода и с использование разработанных математических моделей в ООО «Сибпромприбор-аналит» при участии автора создан бесконтактный трансформаторный кондуктометр КС—1М—ЗК с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
В учебно-методическом плане материалы диссертации используются в методическом указании «Расчёт измерительных каналов микропроцессорного кондуктометрического анализатора жидкости серии КС-1М», и внедрены в учебный процесс для студентов, обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», о чём в диссертации имеются соответствующие акты.
Результаты проведённой работы могут быть использованы предприятиями и организациями, ведущие разработки аналитических приборов для экологического мониторинга водных сред, а также для нефтяной, газовой, химической, фармацевтической и других отраслей промышленности, в частности НЛП «Техноприбор», ООО «Взор», ООО «Аналитик» и д.р.
Внедрение разработанного кондуктометра позволит проводить неразру- шающий контроль, что существенно сократит время анализа, по сравнению с периодическим лабораторным контролем качества, избавит от дорогостоящего ручного труда и повысит эффективность производства за счёт получения высококачественной продукции.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты математического моделирования основных базовых схем бесконтактных трансформаторных кондуктометров.
Математические модели СХ, чувствительности и погрешности базовых структурных схем бесконтактных трансформаторных кондуктометров.
Результаты сравнительного анализа СХ базовых схем трансформаторных кондуктометров схем.
Результаты использования критерия СКП при проектировании трансформаторных кондуктометров.
Результаты проведенной структурной и параметрической оптимизации схем многообмоточных трансформаторных кондуктометров.
Результаты экспериментальных исследований разработанных математических моделей на экспериментальной кондуктометрической установке.
Результаты исследования оптимального диапазона частот для базовых схем трансформаторных кондуктометров.
Методика оптимального проектирования трансформаторных кондуктометров.
Разработанный в результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований микропроцессорный трансформаторный кондуктомет- рический концентратомер КС—1М—ЗК с бесконтактным трансформаторным ПИП, для бесконтактного, проточного анализа вязких, агрессивных и плохо промываемых растворов и суспензий.
Результаты исследования влияние внешних факторов на выходной сигнал кондуктометрического концентратомера КС—1М—ЗК.
Результаты экспериментальных исследований метрологических характеристик разработанного кондуктометрического концентратомер КС— 1М—ЗК с помощью образцовой поверочной установки КПУ—1.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на межинститутской н. конф. (Москва 2006), XIX межд. н. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (Ростов-на-Дону 2006), IV межд. н.-практ. конф. «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (Москва 2007), межд. н.-практ. конф. «Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке» (Шымкент 2008), н. конф. студентов и молодых учёных МГУИЭ (Москва 2009).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи опубликованы в журнале, рекомендованном ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 167 страниц, в том числе 62 рисунка и 9 таблиц. Список литературы включает в себя 104 наименования.
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Латышенко Константин Павлович.
Научный консультант — кандидат технических наук, доцент Первухин Борис Семёнович.
Контактные кондуктометрические датчики
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем: — предложены и обоснованы перспективные структурные схемы трансформаторных кондуктометров и на их основе разработан микропроцессорный трансформаторный кондуктометр с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками; - получены математические модели СХ базовых структурных схем, проведён сравнительный анализ и выбраны, на основе разработанной методики, для дальнейшего исследования наиболее перспективные схемы бесконтактных трансформаторных кондуктометров; — получены математические модели погрешностей представленных структур: абсолютная, относительная и среднеквадратическая (СКП); — найдены оптимальные параметры математических моделей СХ, обеспечивающих минимальную погрешность во всём диапазоне измерений бесконтактного трансформаторного кондуктометра; — на основе полученного критерия СКП разработана методика оптимального проектирования трансформаторных кондуктометров. Практическая ценность. Полученные математические модели СХ и погрешностей могут быть использованы для проведения структурной и параметрической оптимизации кондуктометров, основанных на рассмотренных структурных схемах. Предложен способ целенаправленного выбора оптимальных структур бесконтактных трансформаторных кондуктометров, заключающийся в рассмотрении конкурентоспособных структур, получении математических моделей СХ этих структур и дальнейшем их сравнительном анализе. Разработана методика оптимального проектирования бесконтактных трансформаторных кондуктометров на основе критерия минимального значения СКП с дальнейшей параметрической оптимизацией. На основе этого подхода и с использование разработанных математических моделей в ООО «Сибпромприбор-аналит» при участии автора создан бесконтактный трансформаторный кондуктометр КС—1М—ЗК с улучшенными эксплуатационными характеристиками. В учебно-методическом плане материалы диссертации используются в методическом указании «Расчёт измерительных каналов микропроцессорного кондуктометрического анализатора жидкости серии КС-1М», и внедрены в учебный процесс для студентов, обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», о чём в диссертации имеются соответствующие акты. Результаты проведённой работы могут быть использованы предприятиями и организациями, ведущие разработки аналитических приборов для экологического мониторинга водных сред, а также для нефтяной, газовой, химической, фармацевтической и других отраслей промышленности, в частности НЛП «Техноприбор», ООО «Взор», ООО «Аналитик» и д.р. Внедрение разработанного кондуктометра позволит проводить неразру- шающий контроль, что существенно сократит время анализа, по сравнению с периодическим лабораторным контролем качества, избавит от дорогостоящего ручного труда и повысит эффективность производства за счёт получения высококачественной продукции. На защиту выносятся следующие положения: 1. Результаты математического моделирования основных базовых схем бесконтактных трансформаторных кондуктометров. 2. Математические модели СХ, чувствительности и погрешности базовых структурных схем бесконтактных трансформаторных кондуктометров. 3. Результаты сравнительного анализа СХ базовых схем трансформаторных кондуктометров схем. 4. Результаты использования критерия СКП при проектировании трансформаторных кондуктометров. 5. Результаты проведенной структурной и параметрической оптимизации схем многообмоточных трансформаторных кондуктометров. 6. Результаты экспериментальных исследований разработанных математических моделей на экспериментальной кондуктометрической установке. 7. Результаты исследования оптимального диапазона частот для базовых схем трансформаторных кондуктометров. 8. Методика оптимального проектирования трансформаторных кондуктометров. 9. Разработанный в результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований микропроцессорный трансформаторный кондуктомет- рический концентратомер КС—1М—ЗК с бесконтактным трансформаторным ПИП, для бесконтактного, проточного анализа вязких, агрессивных и плохо промываемых растворов и суспензий. 10. Результаты исследования влияние внешних факторов на выходной сигнал кондуктометрического концентратомера КС—1М—ЗК. 11. Результаты экспериментальных исследований метрологических характеристик разработанного кондуктометрического концентратомер КС— 1М—ЗК с помощью образцовой поверочной установки КПУ—1. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на межинститутской н. конф. (Москва 2006), XIX межд. н. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (Ростов-на-Дону 2006), IV межд. н.-практ. конф. «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (Москва 2007), межд. н.-практ. конф. «Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке» (Шымкент 2008), н. конф. студентов и молодых учёных МГУИЭ (Москва 2009). Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи опубликованы в журнале, рекомендованном ВАК. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 167 страниц, в том числе 62 рисунка и 9 таблиц. Список литературы включает в себя 104 наименования. Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Латышенко Константин Павлович. Научный консультант — кандидат технических наук, доцент Первухин Борис Семёнович.
Построение статических характеристик базовых схем трансформаторных кондуктометров
При конструировании С-ячейки основное внимание уделяют увеличению ёмкости СцР, поскольку чувствительность ПИП пропорциональна величине этой ёмкости. Повысить ёмкость Снр можно за счёт увеличения площади электродов, диэлектрической проницаемости материала сосуда и уменьшения толщины стенок сосуда. В качестве материала сосуда обычно применяют стекло, диэлектрическая проницаемость которого находится в пределах 5 — 7. Так же увеличить чувствительность измерения можно применением сосудов из керамики, диэлектрическая проницаемость которой доходит до 100. Однако применение керамики связано с трудностями изготовления сосудов необходимой формы.
Для электродов может использоваться любой металл: медь, латунь, алюминий или серебро. Толщина материала не имеет значения. Если в процессе измерения не требуется производить перемещения электродов, то можно применять электроды из фольги, которые крепятся при помощи клея. На керамических сосудах электроды (например, серебряные) обычно наносят электролитически в виде тонкого слоя. Для получения стабильных результатов измерения электроды должны плотно охватывать сосуд и не иметь воздушных зазоров между прилегающими поверхностями.
Питание датчиков, имеющих небольшую ёмкость, осуществляется, как правило, от источников напряжения высокой частоты. Это вызвано тем, что только при использовании для питания этих датчиков токов высокой частоты реализуется их высокая чувствительность и обеспечивается стабильная работа связанных с ними измерительных схем [4, 12, 23, 26].
При питании емкостных датчиков током низкой частоты их внутреннее сопротивление становится весьма большим. Поэтому для обеспечения достаточной чувствительности и стабильности измерений сопротивление изоляции элементов датчика и входных цепей измерительных схем должно быть чрезвычайно высоким. Обеспечить такое сопротивление изоляции без специальных мероприятий чрезвычайно трудно, так как на величине этого сопротивления существенно сказываются изменение сопротивления изоляции при изменениях влажности и температуры внешней среды, непостоянство сопротивлений сеточных цепей ламп и другие причины.
Повышать частоту тока, питающего емкостные датчики, в некоторых случаях приходится и потому, что для измерения быстро протекающих процессов необходимо осуществлять модуляцию несущей частоты, т.е. частоты питающего датчик тока [29, 34, 42].
При выборе величины напряжения питания емкостных датчиков необходимо учитывать возможность пробоя воздушного промежутка или диэлектрика, находящихся между его электродами. Для воздушного промежутка, как показывает опыт, не следует использовать электрическую напряжённость больше В/мм. При наличии диэлектрика между обкладками, например слюды, эта напряжённость может быть повышена в несколько раз.
Прокладка диэлектрика между электродами датчика не только уменьшает возможность пробоя, но и увеличивает относительное изменение ёмкости датчика при одном и том же изменении зазора между его электродами или действующей площади этих электродов.
При относительно небольших изменениях внешних условий характеристики емкостных датчиков достаточно стабильны. Однако если эти условия изменяются значительно, стабильность их характеристик существенно падает. Так при колебаниях температуры внешней среды на 20 — 30 С, характеристики емкостных датчиков в большинстве случаев можно считать неизменными. При колебаниях температуры в больших пределах, с их влиянием нельзя не считаться, так как изменение зазора между электродами датчика, а также изменение диэлектрической проницаемости его диэлектриков или материала контролируемого изделия могут существенно исказить результаты измерений.
Для исключения погрешностей, связанных с изменением температуры внешней среды, детали датчика изготовляют из инвара (сплава с малым коэффициентом линейного расширения) или применяют детали из различных металлов в таком сочетании, чтобы был равен нулю общий эквивалентный температурный коэффициент расширения участка между обкладками. Этот коэффициент может быть вычислен по размерам деталей датчика и коэффициентам линейного расширения их материалов [45].
Для обеспечения высокой точности измерений с помощью емкостных датчиков необходимо исключить возможность попадания между электродами влаги, масла и других веществ. Также важно, чтобы на поверхности изделий, диэлектрические параметры которых контролируют посредством емкостных датчиков, не было проводников или диэлектриков искажающих результаты измерений. Во многих случаях емкостные датчики выполняют герметичными, что исключает попадание между обкладками каких-либо веществ, влияющих на результат измерения.
Благодаря своим достоинствам, отмеченным выше, емкостные датчики нашли применение во многих областях измерительной технике и производстве, поэтому описать все области применения в рамках данной работы невозможно, но можно выделить основные из них. Наиболее часто рассмотренные датчики используют для контроля различных неэлектрических величин. Можно выделить два основных метода их использования: Изменение площади, либо зазора рабочей площади обкладок осуществляется преобразованием контролируемой неэлектрической величины в ёмкость. Этот способ применяют для: — измерения давления в трубопроводе; — определения вибраций; — контроля диаметров валов в процессе его шлифования; — измерения усилий валков на прокатываемый металл; — измерения толщины масляной плёнки в подшипниках и т.д. 2. Изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика, его применяют для: — измерения толщины ленты из диэлектрика; — измерения уровня жидкости в баке; — определения влажности сыпучих материалов; — высокочастотного титрования.
Сравнительный анализ, структурная и параметрическая оптимизация наиболее перспективных схем трансформаторных кондуктометров
Схемные решения по принципу непосредственной оценки реализуются несколькими вариантами: - измеряют падение напряжения на известном резисторе, включённым последовательно с двухэлектродным ПИП, или измеряют падение напряжение на ПИП, включённым последовательно с известным резистором. Достоинством подобных схем является их простота и надёжность [2, 17]; - измеряют ток через ПИП. Для измерения тока через ПИП используется преобразователь тока в напряжение, с помощью которого по амплитуде тока и судят о проводимости анализируемого раствора. Из-за отсутствия в схеме резистора сравнения шкала прибора линейна, что является основным достоинством кондуктометров, реализующих эту схему, кроме этого у него меньшая зависимость от амплитуды напряжения генератора. Недостатками подобной схемы является то, что на точность результата измерения влияет стабильность опорного напряжения и зависимость от коэффициентов передачи каналов измерения; - измеряют падение напряжения на известном резисторе, поддерживая падение напряжения на двухэлектродном ПИП или потенциальных электродах четырёх- электродного, ПИП равным опорному. Применение управляемых генераторов переменного напряжения или тока в контактных кондуктометрах позволяет уменьшить влияние ёмкости двойного электрического слоя на результат измерения. Это достигается за счёт того, что выходное напряжение или ток этих генераторов поддерживается таким, что падение напряжения остаётся постоянным и равным опорному напряжению. Стоит отметить, что зависимость результата измерения от величины опорного напряжения является недостатком данной схемы, кроме этого можно отметить необходимость применения регулируемого фазовращателя сравниваемых напряжений [16]; — синхронно с напряжением питания измеряют выпрямленное падение напряжения на двухэлектродном ПИП. Синхронный метод реализуется последовательно включёнными ПИП активного сопротивления, питаемых переменным напряжением, синхронно питающим и устройство, выпрямляющее падение напряжения на ПИП. Достоинством подобной схемы является исключение влияния реактивной составляющей импеданса ПИП на результат измерения. Из недостатков можно выделить зависимость результатов измерения от амплитуды напряжения питания и влияние величины сопротивления резистора, включённого последовательно ПИП [16, 20]. В Z-мeтpe, реагирующем на изменения модуля комплексного сопротивления, на делитель, состоящий из резистора и резонансного контура, ВЧ напряжение подаётся от генератора через буферный усилитель и усилитель мощности. В контур включён ПИП. Сигнал в виде ВЧ напряжения на контуре усиливается, затем детектируется и после усиления по току подаётся на отсчётно- регистрирующее устройство [26, 39]. В О-метре, реагирующем на изменение активной составляющей сопротивления, ВЧ напряжение подаётся от генератора через усилитель на резонансный контур, в который включён ПИП. Реактивная составляющая комплексного сопротивления ПИП компенсируется настройкой контура в резонанс. Сигнал, пропорциональный изменению добротности контура, после усиления и детектирования подаётся на усилитель тока и затем на отсчётно-регистрирующее устройство [37]. Т -метр реагирует на изменения реактивной составляющей комплексного сопротивления. Выходной сигнал возникает в результате биений двух высокочастотных колебаний, создаваемых генератором переменной частоты, в контур которого включён измерительный датчик, и генератор фиксированной частоты. Эта совокупность сигналов подаётся на смеситель и на его выходе возникает спектр комбинационных составляющих, среди которых имеется и полезный сигнал, выделяемый фильтром низкой частот. После усиления этот сигнал подаётся на импульсный преобразователь-ограничитель, а затем на частотомер [26,37-39]. выводы 1. Проведён обзор существующих методов кондуктометрического анализа, рассмотрены контактные, бесконтактные индуктивные и ёмкостные ПИП, а так же области их применения. 2. Проанализировано применение кондуктометров в различных областях промышленности и производствах, а также для контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. 3. Рассмотрены наиболее распространённые кондуктометрические ПИП, выявлены их достоинства, недостатки и показано, что индуктивные ПИП благодаря своей простоте, надёжности, чувствительности и возможности их применения в непрерывном технологическом процессе, делает их незаменимыми в различных отраслях производствах, где требуется измерения УЭП хорошо проводящих веществ, солей и электролитов. 4. Отмечено, что при разработке индуктивных кондуктометров особую роль уделяют оптимальному выбору частоты питания ПИП, от которого зависят глубина распределения вихревых токов в анализируемом веществе, чувствительность и линейность шкалы прибора. 5. Отмечено, что в то время как индуктивный метод активно развивается, трансформаторной кондуктометрии, как разновидности индуктивного метода, не уделялось достаточного внимания, не описаны базовые схемы, используемые в трансформаторной кондуктометрии, не созданы математические модели СХ, чувствительностей и погрешностей. Всё это, не могло благоприятно сказаться на развитии данного метода, потому как при разработке трансформаторных кондуктометров многие параметры выбирались интуитивно. 6. Показано, что для разработки бесконтактного трансформаторного кондуктометрического анализатора необходимо создать математические модели для базовых схем трансформаторных кондуктометров, на основе этих моделей получить математические модели СХ, чувствительностей и погрешностей, провести сравнительный анализ и параметрическую оптимизацию для этих схем и выбрать схему наиболее подходящею для приборной реализации. 7. Проведён анализ основных измерительных схем используемых в кондукто- метрии, из которых наиболее востребованными из-за своей простоты и надёжности выделяют метод сравнения, наиболее часто используется в современной кондуктометрии, и метод прямого измерения, который прост в реализации и надёжен для непрерывного контроля технологических процессов и производств.
Методы, средства и результаты испытаний разработанного трансформаторного кондуктометра
Ток в обмотке компаратора токов сравнения L6 определяется выходным напряжение делителя и величиной сопротивления резисторов сравнения. Трансформатор с обмотками L3, L4 и L6 выполняет функцию компаратора токов, протекающих в жидкостном витке и обмотке сравнения L6. Выходное напряжение компаратора токов пропорционально разнице тока жидкостного витка и тока в обмотке сравнения. Ток с выходной обмотки L4 поступает на преобразователь тока в напряжение 2. Входное сопротивление этого преобразователя должно обеспечить выполнение условия Rex « coL4. Напряжение с преобразователя 2, поступает на коммутатор 7 и далее на вход синхронного детектора 8. Синхронизирующее напряжение формируется из выходного усилителя напряжения 4 формирователем 3. Синхронный детектор определяет фазу выходного напряжения компаратора токов и формирует выходной сигнал в виде логической единицы, если фаза выходного напряжения преобразователя 2 совпадает с фазой синхронизирующего напряжения, и логического нуля, если их фазы противоположны. В зависимости от этого сигнала изменяется выходной сигнал, управляющий делителем напряжения. Это изменение продолжается до тех пор, пока при изменении младшего разряда делителя напряжения, фаза выходного тока, преобразователя тока в напряжение 2 не изменится на противоположную. На этом процесс измерения проводимости жидкости в преобразователе заканчивается, результат уравновешивания запоминается в памяти микропроцессора Р. В качестве усилителя напряжения применён инвертирующий усилитель, имеющий входное сопротивление R1 и сопротивление в цепи обратной отрица тельной связи Я2. Коэффициент преобразования тока в цепи опорной обмотки Ь5 равен к = , при этом номинальная СХ канала измерения УЭП будет Число ТУ, закодированное в выходном сигнале микропроцессора, изменяется до тех пор, пока не выполнится условие щ = 0. Величина сопротивлений резисторов Я0, Я\, Я2 и Я3 выбрана таким образом, что выполняется условие ЯоЯ\ 1Я2 1 = Яз \ Статическая характеристика при выполнении этого условия будет иметь вид:
Полученная информация по температуре, проводимости анализируемой жидкости и концентрации, передаётся на удалённую часть измерительного преобразователя, связь между которыми осуществляется через интерфейс RS 485.
Программируемый блок, состоит из микропроцессора 12, клавиатуры и индикации 13, формирователь сигналов интерфейса 14 и формирователь аналогового выходного сигнала 10 является отдельным элементом, и размещается в удобном для технолога месте на расстоянии не более 150 метров от ПИП. Основные функции программируемого блока заключаются в выборе режима работы прибора (измерения текущего значения УЭП; измерения УЭП, приведённого к заданной температуре; измерение концентрации анализируемого раствора; измерения солёности; измерения температуры) и программировании таких значений, как постоянная ячейки ПИП УЭП, сопротивление датчика температуры жидкости, коэффициенты полинома для расчёта значения концентрации. Кроме этого по любому из каналов измерения с программируемого блока вводятся значения уставки, при превышении которых срабатывает звуковая сигнализация. Внешний вид программируемого блока представлен на рис. 4.6.
Данный прибор разрабатывался с непосредственным участием автора, кроме того результаты диссертационной работы использованы в методическом указании Гайтова Т.Б., Первухин Б.С., Фатеев Д.Е. «Расчёт измерительных каналов микропроцессорного кондуктометрического анализатора жидкости серии КС-1М» для студентов обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», о чём в работе имеются соответствующие акты (Приложение 7,8).
Кондуктометр КС—1М-ЗК прошёл государственную метрологическую аттестацию, производственные испытания, занесён в Государственный реестр под номером 21065-1, и выпускается в различных модификациях серийно. Основными метрологическими характеристиками, требующими экспериментальной проверки и являющиеся общими для кондуктометров, являются диапазон измерений, основная погрешность измерения УЭП, дополнительная погрешность от измерения температуры окружающего воздуха, дополнительная погрешность от измерения напряжения питания.
Для обеспечения единства измерений в кондуктометрии создан государственный эталон и поверочная схема УЭП растворов [99, 93]. Разработаны методы поверки лабораторных кондуктометров, являющихся средствами поверки второго разряда [95]. Государственная поверочная схема для средств измерений УЭП растворов электролитов в диапазоне 1-10-4 — Г102 См/м приведена на рис. 4.7.
Основная погрешность, согласно "Государственной поверочной схеме средств измерения удельной электрической проводимости общепромышленных анализаторов жидкости", определяется методом непосредственного сличения показаний испытуемого прибора с показаниями образцовой кондуктометриче- ской установки второго разряда.
Определение основной погрешности концентратомера КС-1М-ЗК проводилось при нормальных условиях, исключающих влияние факторов, вызывающих дополнительные погрешности, на результат измерения. Нормальными условиями при определении основной погрешности кондуктометров являются: - температура окружающего воздуха (20 ± 2) С; - относительная влажность окружающего воздуха от 30 до 80 % при температуре плюс 20 С [95]; - атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа; - относительное отклонение напряжения электрического питания от номинального значения ± 2 %; - частота переменного тока (50 ± 1) Гц; - температура анализируемой жидкости (25 ± 5) С; - вибрации в месте установки прибора не должны превышать по амплитуде 0,1 мм, а по частоте - 25 Гц; Для определения основной погрешности пробора используется два метода: с помощью эталонных растворов и с использованием образцовой кондуктомет- рической установки. В качестве эталонных растворов используются H2SO4 или раствор КС1 в воде, УЭП которых были изучены Кольраушем и уточнены Джонсом и Бред- шоу. Эти данные с поправками на изменение единицы Ома и температурной шкалы утверждены как стандартные. Методика с использованием стандартных растворов трудно воспроизводима [99] из-за необходимости использования хлористого калия высокой степени чистоты (99,99 %) и нет гарантии того, что компоненты имеют необходимую концентрацию.
