Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Применение кондуктометрических анализаторов для контроля природной среды и технологических процессов 14
1.1. Применение кондуктометрических анализаторов в промышленности охране природы и научных исследованиях 15
1.2. Кондуктометрия как метод физико-химического анализа 18
1.3. Состояние и перспективы развития кондуктометрии 28
1.4. Анализ измерительных структур кондуктометрических анализаторов 33
Выводы 39
Глава 2. Способы определения параметров первичных преобразователей с жидкостью, влияющих на результат измерения удельной электрической проводимости 40
2.1. Определение параметров первичных измерительных преобразователей
контактных кондуктометров на переменном напряжении синусоидальной формы 41
2.2. Определение параметров первичных измерительных преобразователей контактных кондуктометров на переменном напряжении прямоугольной формы 55
2.3. Определение параметров емкостных первичных преобразователей кондуктометров..60
2.4. Параметры индуктивных ПИП 66
Выводы 68
Глава 3. Способы измерения активных потерь в жидкости 70
3.1. Анализ измерительных схем кондуктометров при питании измерительных цепей переменным синусоидальным напряжением 71
3.2. Анализ измерительных схем кондуктометров использующих индуктивные трансформаторные ПИП 87
3.3. Анализ измерительных схем кондуктометров использующих частотные методы 92
3.4. Анализ измерительных схем кондуктометров при питании их переменным несинусоидальным напряжением 97
Выводы 115
Глава 4. Разработка кондуктометров и кондуктометрических концентратомеров для контроля технологических процессов 117
4.1 .Математические модели зависимостей УЭП и концентрации растворов 118
4.2. Разработка контактных кондуктометров для контроля технологических процессов.. 123
4.3. Разработка бесконтактных кондуктометров для контроля технологических процессов 137
Глава 5. Разработка лабораторных кондуктометров 143
5.1. Разработка лабораторных кондуктометров реализующих способ сравнения напряжений 144
5.2. Разработка лабораторных кондуктометров реализующих схему сравнения токов ... 152
Глава 6. Разработка средств метрологического обеспечения кондуктометров
6.1. Разработка поверочной установки кондуктометров на диапазон от 1 мкСм/м до 100 См/м 168
6.2. Возможность расширения диапазона воспроизведения УЭП жидкостей первичной
эталонной базой 175
Заключение 179
Список литературы
- Состояние и перспективы развития кондуктометрии
- Определение параметров первичных измерительных преобразователей контактных кондуктометров на переменном напряжении прямоугольной формы
- Анализ измерительных схем кондуктометров использующих индуктивные трансформаторные ПИП
- Разработка лабораторных кондуктометров реализующих схему сравнения токов
Введение к работе
Актуальность. Развитие промышленности, появление новой продукции, повышение требований к её качеству, интенсификация технологических процессов определяет рост потребности в средствах контроля качества продукции и хода технологических процессов с улучшенными характеристиками.
Кондуктометрия относится к электрохимическим методам анализа. Её информативным параметром является удельная электрическая проводимость (УЭП). Кондуктометры являются одними из наиболее широко применяемых приборов технологического контроля в различных отраслях промышленности (энергетике, химической и нефтегазовой, цветной и черной металлургии и др.), контроля качества продукции, мониторинга питьевой, природной и сточных вод, в научных исследованиях.
Большой вклад в развитие отечественной кондуктометрии внесли: Бугров А.В., Герасимов Б.И., Грилихес М.С., Ермаков В.И., Жуков Ю.П., Заринский В.А, Идзиковский А.И., Захаров М.М., Крешков А.П., Кулаков М.В., Лопатин Б.А., Латышенко К.П., Филановский Б.К., Стальнов П.И., Худякова Е.А. и другие учёные.
За рубежом выпускают различные модели кондуктометров, патентуются технические решения, направленные не только на совершенствование традиционных решений, но и на разработку новых технических решений. В РФ также ведутся аналогичные работы и выпускаются кондуктометры различного назначения. Однако методы проектирования кондуктометров недостаточно разработаны, что затрудняет установление взаимосвязи между конструктивными параметрами приборов и их метрологическими характеристиками. На метрологические характеристики кондуктометров и кондуктометрических анализаторов влияет ряд факторов: разнообразие физических и физико-химических свойств объектов контроля, наличие большого количества неинформативных параметров, сложный состав анализируемых сред, применённого способа преобразования. При разработке кондуктометров зачастую не учитывают источники погрешности, которые связаны с первичным измерительным преобразователем (ПИП). Такими источниками погрешности в контактных кондуктометрах являются процессы, происходящие на электродах ПИП УЭП. Методы их определения и оценки их влияния на результат измерения УЭП не разработаны.
Кроме этого, развитие кондуктометрии тормозит состояние эталонной базы. До последнего времени в качестве эталонов использовались стандартные образцы, приготавливаемые объёмно-весовым методом. Приготовление таких эталонов трудоёмко и требует применения высокоточного весового оборудования, термостатов с абсолютной погрешностью ±0,01 С, средств измерений объёма высокого класса и очень чистых реактивов. Диапазон воспроизводимых такими эталонами УЭП от 1 мСм/м до 80 См/м. В 2000 г. создан государственный первичный эталон на основе ПИП УЭП. Он позволяет проводить поверку приборов методом непосредственного сличения в диапазоне УЭП от 1 мС/м до 50 См/м. Вместе с тем до 50 % кондуктометров используют для контроля технологических процессов и качества продуктов в диапазоне от 1 мкСм/м до 1 мСм/м (контроль качества пара и конденсата в энергетике, технического этилового спирта, качества авиационного топлива и др.).
Таким образом, существующие методы проектирования кондуктометров не обеспечивают учет источников систематической погрешностей, а средства метрологического обеспечения не позволяют поверять приборы во всем требуемом диапазоне измерений, что сдерживает развитие этого метода анализа.
Работа выполнялась в соответствии с постановлением СМ СССР № 344-107 от 13.03.86 г. «Приборы для научных исследований» и приказом МХП СССР № 226-35 от 17.04.86, выпущенным в развитие этого постановления, координационным планом АН СССР «Электохимиче- ские приборы», координационным планом АН СССР на 1979 - 1990 гг. по проблеме «Разработка и использование комплекса автоматизированных приборов для определения химического состава веществ, материалов как показатель качества продукции» и приказом Мин- промторга России от « 17 » июня 2009 г. № 529«Стратегия обеспечения единства измерений в России до 2015 года».
Целью работы является развитие научно-методических основ проектирования кондуктометрических приборов для контроля параметров окружающей среды и технологических процессов, разработка на этой основе и внедрение кондуктометров с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и разработка технических средств их метрологического обеспечения.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
разработка научно-методических основ проектирования кондукто- метрических приборов контроля при заданной систематической погрешности в требуемом диапазоне измерений;
разработка методик определения параметров ПИП, влияющих на погрешность определения УЭП кондуктометрами;
получение аналитических выражений статических характеристик кондуктометров, использующих различные способы измерения и учитывающих источники погрешности, возникающие в ПИП УЭП;
теоретические и экспериментальные исследования метрологических характеристик кондуктометров;
разработка методик проектирования кондуктометров на основе метрологических показателей;
исследование электрофизических свойств ряда веществ и материалов химической технологии и металлургической промышленности;
создание универсальных программируемых кондуктометрических приборов контроля физико-химических параметров: УЭП и состава технологических растворов и природной среды с улучшенными метрологическими характеристиками и внедрение их в промышленность.
разработать поверочную установку для поверки кондуктометриче- ских приборов контроля с расширенным диапазоном измерения УЭП, используя методику проектирования кондуктометров на основе метрологических показателей и ее внедрение;
предложить пути совершенствования первичных эталонов для расширения диапазона воспроизведения единицы УЭП жидкостей.
Объект исследования. Способы и устройства измерения УЭП, использующие контактные и бесконтактные ПИП УЭП.
Методы исследования и достоверность результатов. В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования и экспериментального исследования метрологических характеристик кондуктометров и свойств контролируемых сред.
Достоверность полученных результатов подтверждена государственными испытаниями с целью утверждения типа спроектированных средств контроля и получением сертификатов о занесении их в государственный реестр средств измерений. Научная новизна:
разработаны научно-методические основы проектирования кондук- тометрических приборов контроля технологических процессов, позволяющие создавать с минимальными затратами приборы с заданной систематической погрешностью в требуемом диапазоне измерений и с первичными измерительными преобразователями, удобно встраиваемыми в технологическое оборудование, и создавать рабочие эталоны первого и второго разрядов для поверки этих приборов;
впервые предложены и обоснованы методики определения неинформативных параметров контактных и бесконтактных емкостных ПИП, позволяющие учесть их при проектировании кондуктометров;
разработаны математические модели статических характеристик кондуктометров, которые учитывают влияние на результат измерения неинформативных параметров ПИП и контролируемого раствора;
на основе статических характеристик впервые получены аналитические выражения для количественной оценки методической погрешности кондуктометров при различных способах измерения и видов питания измерительной цепи;
разработан и исследован метод проектирования низкочастотных контактных кондуктометров на основе критерия достижения заданного значения систематической погрешности в требуемом диапазоне изменения контролируемого параметра раствора;
исследованы электрофизические свойства ряда веществ и материалов, используемых в различных отраслях промышленности, и определена математическая модель зависимости УЭП растворов от их концентрации и температуры, необходимая для создания универсальных кондуктометрических анализаторов жидкости.
Практическая ценность работы. Использование результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет разрабатывать кондуктометрические средства контроля, обладающих улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, что расширяет круг решаемых задач аналитического контроля.
Разработанные методики позволяют оценить влияние неинформативных параметров контактных ПИП на метрологические характеристики и учесть их влияние при выборе измерительной цепи и вида напряжения питания.
Полученные статические характеристики позволяют выбрать параметры измерительной цепи, которые обеспечивают необходимую чувствительность к измеряемому параметру и снижение чувствительности к факторам, влияющим на результат измерения до заданной величины.
Полученные аналитические выражения систематической составляющей погрешности позволяют осуществить выбор параметров питания измерительной цепи и способ измерения, обеспечивающие заданную величину этой погрешности.
Разработанные средства метрологического обеспечения позволяют достоверно определять погрешность используемых в промышленности кондуктометров в более широкой области значений УЭП от 1 мкСм/м до 100 См/м.
Разработаны предложения для совершенствования первичной эталонной базы с целью расширения диапазона воспроизведения УЭП до 10 нСм/м.
Реализация научно-технических результатов. При непосредственном участии автора созданы следующие серийно выпускаемые приборы: первый отечественный лабораторный прецизионный кондуктометр КЛ-2; лабораторные кондуктометры КЛ-3, КЛ-4 и КЛ-С-1; переносной кондуктометр КП-1; кондуктометры для контроля технологических процессов КС-1 и кондуктометрические концентратомеры КС-1К; универсальные кондуктометрические анализаторы типа КС- 1М; кондуктометрическая поверочная установка КПУ-1, используемая в качестве рабочего эталона первого и второго разрядов.
В учебно-методическом плане материалы диссертации используют в учебных курсах, бакалаврских, дипломных работах и магистерских диссертациях студентов Московского государственного университета инженерной экологии, Алтайского государственного технического университета, в учебном пособии и двух методических указаниях.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 10 международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях и семинарах, в том числе: Всес. конф. «Приборы для экологии - 90» (Ужгород, 1990), Х Всес. теплотехн. школе (Тамбов, 1990), Всес. конф. «Аналитическое приборостроение и приборы для анализа жидких сред» (Тбилиси, 1989), Всес. конф. «Совершенствование аналитического контроля на предприятиях химической промышленности» (Новомосковск, 1987), «Аналитическое приборостроение» (Тбилиси, 1986), III Фрумкинский межд. симпозиуме по электрохимии «Автоматизация электрохимических и электроаналитических исследований» (Москва, 1985), Всес. конф. «Роботизация и автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1983), Всес. н.-тех. совещании «Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред» (Тбилиси, 1980), Всес. конф. «Проблемы повышения качества химических волокон» (Калинин, 1979), Всес. конф. «Создание прогрессивного оборудования для производства синтетических волокон» (Чернигов, 1979).
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликована 31 работа, включая 8 реферируемых журналов, входящих в перечень ВАК, 5 авторских свидетельств и патентов РФ, а также учебно-методическое пособие с грифом УМО по политехническому университетскому образованию.
Личный вклад:
В публикациях, подготовленных в соавторстве, основные идеи, основы теоретических и практических разработок принадлежат диссертанту. Единолично автором по теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 204 страниц, в том числе 96 рисунка и 13 таблиц. Список литературы включает в себя 164 наименований.
В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных соискателем в период с 1976 по 2011 год.
Состояние и перспективы развития кондуктометрии
Кондуктометрический метод измерения основан на измерении электрических характеристик вещества (диэлектрической проницаемости е, магнитной проницаемости /J. И удельной электрической проводимости х), которые в свою очередь зависят от его физико-химических свойств [1, 3, 9, 11, 13, 15, 21, 35, 36, 37, 38, 39].
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 диэлько-метрию. С помощью диэлькометров измеряют в основном реактивную (емкостную) составляющую полного сопротивления датчика с исследуемым веществом, что позволяет определить диэлектрическую проницаемость вещества є, тангенс угла диэлектрических потерь tg ё, дипольный момент и т.п. С помощью кондуктометров измеряют преимущественно активную составляющую импеданса ПИП.
Методы кондуктометрии делят на следующие группы [1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 21, 40, 41] (рис. 1.1): амплитудные, амплитудно-фазовые, частотные. В первом случае ин формативный параметр (УЭП раствора) преобразуется в измерение амплитуды, во втором - амплитуды и фазы, в третьем - частоты сигнала.
Кроме того, кондуктометрию разделяют на контактную и бесконтактную [1, 2, 3, 9, 11 ] 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 кон-дуктометрический метод получил широкое распространение в промышленности и практике лабораторных исследований.
В дальнейшем был развит метод бесконтактной ВЧ кондуктометрии и диэлько-метрии, которую чаще применяют для относительных измерений [1, 3, 5, 6, 9, 10, 11, 18, 40, 41, 43, 44, 45]. 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[2, 13]. Диэл ькометрия
По типу напряжения, питающего измерительную цепь, различают кондуктомет-рию 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 [1, 3, 5, 6, 9, 10, 11, 21, 25, 35, 40, 41, 43, 44, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 55]. Все конструкции ПИП являются различными вариантами двух, трёх и четырёхэлектродных 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 А = 5-Ю"4 - 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 резистивно-емкостной RC и рези-стивно-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.
Определение параметров первичных измерительных преобразователей контактных кондуктометров на переменном напряжении прямоугольной формы
На рис 2.3.2 и рис 2.3.3 приведены зависимости этих составляющих от УЭП водных растворов для следующих условий: частота напряжения питания измерительной цепи 100000 Гц; постоянная первичного преобразователя 10 м"1; емкость связи 1,328хЮ"У Ф. Как видно из этих рисунков зависимость активного сопротивления не только нелинейная, но и не однозначна. Максимум зависимости активного сопротивления от УЭП анализируемого раствора, при котором происходит уравновешивание измерительной цепи при последовательной схеме соединения компенсирующего элемента, не зависит от постоянной первичного преобразователя и определяется условием % - тзтєє0. Максимум активной проводимости, при которой происходит уравновешивание измерительной цепи при параллельной схеме соединения компенсирующего элемента, не зависит от диэлектрических свойств анализируемого раствора и определяется условием % = А тСс. В случае выполнения условия х2много больше, чем т2єє0(СсА + єє0), то С, = Сс. и С2 = Сс. Это позволяет определить величину емкости связи Сс из результатов, полученных при уравновешивании измерительной цепи, по величине емкости компенсирующего элемента при любой схеме его соединения. Если принять за величину, содержащую интересующую информацию, активную составляющую сопротивления или проводимости компенсирующего элемента, то мешающим фактором являются их реактивные составляющие. Наименьшее влияние реактивной составляющей на чувствительность к активной составляющей наблюдается при последовательной схеме соединения компенсирующего элемента в области УЭП, где активная составляющая импеданса первичного преобразователя сравнима, с его реактивной составляющей. Следует заметить, что в этой же области изменения УЭП находится экстремум зависимости активной составляющей проводимости компенсирующего элемента при его параллельной схеме соединения, т. е. зависимость результата измерения от УЭП измеряемого раствора очень слабая и неоднозначная. Критерием выбора диапазона УЭП, необходимого для определения постоянной ПИП, является наличие в этой области экстремума зависимости активной составляющей проводимости компенсирующего элемента при его параллельной схеме соединения.
Постоянную ПИП можно определить из результатов измерения его активной составляющей при последовательной схеме соединения компенсирующего элемента. Эта посто янная связанна с активным сопротивлением и параметрами контрольного раствора следующим образом
Из этой зависимости видно, что УЭП контрольного раствора находится в области экстремума и, следовательно, результаты уравновешивания по последовательной схеме соединения компенсирующего элемента можно использовать для определения постоянной первичного преобразователя УЭП. На рис. 2.3.5 приведены результаты аппроксимации результатов уравновешивания измерительной цепи при последовательной схеме компен сирующего элемента в выбранном диапазоне УЭП контрольного раствора. При аппроксимации функцией вида R% = А + Ьр получили следующий результат
Как видно из рис 2.3.5 последняя функция наилучшим образов совпадает с экспериментальными результатами. Это объясняется тем, что R, зависит от УЭП в квадрате. Поэтому для определения постоянной ПИП УЭП с емкостной связью с анализируемым раствором необходимо аппроксимировать результаты уравновешивания измерительной цепи при последовательной схеме соединения компенсирующего элемента функцией Rx = А + Ьр2.
УЭП: без магнитных сердечников; с замкнутым магнитным сердечником; с разомкнутым магнитным сердечником. В общем случае индуктивные первичные преобразователи характеризуются постоянной первичного преобразователя и параметрами, являющимися не информативными и влияющими на результат измерения. К этим параметрам относятся: индуктивность обмоток; их активные сопротивления; емкости связи обмоток с анализируемым раствором; взаимные индуктивности. На рис 2.4.1 приведены схемы различных индуктивных первичных преобразователей с замкнутым магнитным сердечником. В этих схемах не учтена емкостная связь обмоток с анализируемой жидкостью т. к. для ее исключения всегда применяют экранирование сердечника с обмоткой. При этом емкостная связь не влияет на результат измерения УЭП с помощью таких первичных преобразователей.
Первичный преобразователь нарис. 2.4.1а характеризуется [20, 128, 129] постоянной, индуктивностью первичной обмотки Li, индуктивностью жидкостного витка L2 и взаимной индуктивностью Mi;2. Первичный преобразователь рис. 2.4.16 характеризуется кроме его постоянной и индуктивностей обмоток взаимными индуктивностями Мід и Мз,4- Первичный преобразователь рис.2.4.1в дополнительно характеризуется взаимными индуктивностями Мід, Мз,4, Мз,б, и М4,6. Соответственно система параметров первичного преобразо вателя приведенного на рис. 2.4.1г состоит из [130] постоянной, индуктивностей Lb L2, L3, L4, Ьб, и взаимных индуктивностей Мід, Мі;5, N12,5, Мз,4, Мз,б, Мз,б- Определение этих параметров первичных преобразователе можно провести известными стандартными методами.
Выбранные параметры первичных индуктивных преобразователей позволяют вести анализ структурных схем кондуктометров с индуктивными первичными преобразователями. Выводы
Относительное влияние диэлектрических свойств раствора на импеданс раствора в первичном преобразователе первичного зависит только от соотношения УЭП раствора и его относительной диэлектрической проницаемости и не засвистит от постоянной первичного преобразователя для различных исполнений первичных преобразователей.
Критерием отсутствие влияния электродного импеданса на результат измерения активного сопротивления контактного первичного преобразователя с анализируемым раствором является равенство результатов измерения этой составляющей импеданса при параллельной и последовательной схемах соединения компенсирующего элемента.
Разработана методика определения постоянной контактных ПИП и оценки величин, влияющих на результат измерение УЭП, емкости двойного электрического слоя, поляризационного сопротивления электродов ПИП и сопротивления подводящих проводов.
Обоснован критерий выбора диапазона проводимостей контрольных растворов для определения постоянной бесконтактного емкостного ПИП. Этот критерий заключается в том, что УЭП этих растворов должна находится в области экстремума зависимости активной составляющей проводимости компенсирующего элемента при параллельной схеме соединения от УЭП раствора.
Анализ измерительных схем кондуктометров использующих индуктивные трансформаторные ПИП
На рис. 3.4.12 приведена зависимость относительной систематической погрешности от УЭП структуры рис. 3.1.1а при питании измерительной цепи-переменным напряжением типа меандр и использовании для оценки УЭП способа «Б». Значения параметра ПИП, которые влияют на результат измерение УЭП, те же что и при питании такой измерительной цепи синусоидальным переменным напряжением. Частота этого напряжения принята равной 1 кГц. На рис. 3.4.13 приведены зависимости относительной погрешности этой структуры при тех же условиях. Длительность импульса напряжения питания в долях л а=0,5.
Из зависимостей, приведенных на рис. 3.4.12 и рис. 3.4.13, видно, что при уменьшении интервала определения среднего значения при постоянном значении начала интервала погрешность измерения в области больших значений УЭП уменьшается, а в области малых значений УЭП она увеличивается. Необходимо отметить, что при питании измерительной цепи напряжением типа «меандр» в области больших значений УЭП с приближением интервала определения среднего значения к переднему фронту импульса относительная систематическая погрешность меняет знак. В случае питания измерительной цепи переменным напряжением вида рис. 2.2.1 этого не происходит. Аналогичные результаты получены при анализе этой структуры с применением переходной функции по току. Этот факт связан с тем, что при питании измерительной цепи переменим напряжением вида «меандр» при изменении полярности напряжения к току, вызванному этим напряжением, добавляется ток перезаряда емкостных составляющих ПИП. В случае питания измерительной цепи напряжением вида рис. 2.2.1 емкостные составляющие ПИП успевают разрядится в интервале времени межу импульсами.
Как видно из проведенного анализа в качестве параметров, изменением которых можно достичь заданной величины систематической погрешности может быть использована частота напряжения питания и интервал определения среднего значения выходного сигнала измерительной цепи.
Выводы
Получены аналитические выражения реальных статических характеристик кондуктометров, использующих контактные и бесконтактные емкостных ПИП, при питании измерительных цепей переменным синусоидальным и не синусоидальным напряжением для различных способов оценки УЭП анализируемой жидкости. Эти аналитические выражения позволяют оценить чувствительность выходного сигнала к УЭП анализируемой жидкости и к параметрам ПИП влияющим на ее определение.
Получены аналитические выражения для статических характеристик кондуктометров измерительные цепи, которых используют индуктивные трансформаторные ПИП. Сформулированы требования к параметрам измерительной цепи и ПИП при выполнении которых PCX не будет отличатся от их НСХ.
Получены аналитические выражения относительной систематической погрешности для различных структур и способов оценки УЭП. Полученные выражения позволяют использовать их при проектировании приборов контроля. Для этого целесообразно использовать критерий достижения заданной систематической погрешности в требуемом диапазоне измерения.
Процесс проектирования кондуктометра при использовании критерия достижение заданного значения систематической погрешности в требуемом диапазоне измерения состоит из следующих этапов: - выбор конструкции ПИП, которая наиболее удобно встраивается в технологическое оборудование; - экспериментальное определение параметров ПИП влияющих на систематическую погрешность; - выбор измерительной цепи, обеспечивающий измерение УЭП с выбранной кон струкцией ПИП; - выбор формы напряжения питания измерительной цепи; - выбрать частоту напряжения питания измерительной цепи или интервал определения среднего значения выходного сигнала измерительной цепи обеспечивающую заданное значение систематической погрешности.
Измерение УЭП используется для контроля качества продукции и контроля технологических процессов. Контролируемые среды различны от [94, 144, 145] крепких кислот до чистых органических жидкостей. Кондуктометры используются не только по прямому назначению, но и в качестве приборов контроля концентрации. Разнообразие контролируемых жидкостей обуславливает разнообразие зависимостей УЭП от их температуры концентрации компонентов. Зависимости УЭП от концентрации характеризуется не только не только нелинейностью, но иногда и неоднозначностью. Создание универсальных кондуктометров позволяющих учесть эти требования существенно сократят затраты при создании систем контроля конкретного технологического процесса.
Требования к конструкции ПИП в зависимости от контролируемого технологического процесса так же различны. Применяются погружные, проточные, поверхностные (не создающие застойных зон) ПИП. Различие конструкций может привести к перераспределению токов по поверхности электродов по отношению к плоскопараллельному их размещению и тем самым к изменению их параметров.
Разработка лабораторных кондуктометров реализующих схему сравнения токов
Блок-схема алгоритма работы кондуктометра приведена на рис. 5.2.5. 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. 5.2.6). Блоки алгоритма ТІМ и KLAV осуществляют обработку прерываний от таймера, ввод данных с клавиатуры и, в зависимости от введённого кода, переход на новый режим. Блоки F1 (рис. 5.2.7), F2 (рис. 5.2.8) и F3 (рис. 5.2.9) обеспечивают измерение приведённой УЭП, расчёт коэффициентов температурной зависимости УЭП и ПИП температуры, тест-мониторной системы.
Рассмотрим для примера работу кондуктометра в режиме измерения УЭП (блок F0 - рис. 5.2.6). 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 10"6 - 0,1 См/м (постоянная ячейки А = 10 м"1) - из гладкой платины.
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.
Кондуктометр КЛ-4 (рис. П.5.2.1) имеет следующие метрологические характеристики: - диапазон измерений 1 10 6 до 150 См/м; - предел допускаемой основной приведённой погрешности канала измерения УЭП в интервале 1-Ю"6- 1-Ю"4 См/м составляет ± 1 % от ближайшего верхнего значения десятичного разряда интервала измерения; - предел допускаемой основной приведённой погрешности канала измерения УЭП в интервале 1-Ю"4 - 150 См/м S = ± [0,25 ± 0,01(ду )] %, где Хк - ближайшее верхнее значение десятичного разряда интервала измерения; х - измеренное значение УЭП раствора; - предел допускаемой основной приведённой погрешности канала приведения измеренной УЭП к её значению при заданной температуре равен ± 0,6 % от ближайшего верхнего значения десятичного разряда интервала измерения; Кондуктометр «КЛ-4 Импульс» занесён в Госреестр РФ под номером 12048-04 (приложение П5.10).
Дальнейшим развитием прецизионных лабораторных кондуктометров является модель КЛ-С-1. Отличием этого кондуктометра от лабораторного кондуктометра КЛ-4 в части выполняемых им функций следующие: дополнительно введена функция измерения температуры анализируемой жидкости; определение концентрации бинарных растворов. Измерительная цепь аналогична примененной в лабораторном кондуктометре КЛ-4. Измерительная цепь так же питается переменным напряжением прямоугольной формы. От 162 личие заключается в критерии, по которому судят о том, что токи через ПИП и канал сравнения равны. В качестве критерия выбрано равенство нулю среднего значения разницы этих токов в интервал времени меньший, чем половина периода напряжения питания. Методическая относительная погрешность при использовании такого критерия будет равна
В качества критерия выбрано достижение относительной систематической методической погрешности значения не более 0,06%. В качестве изменяемых параметров использованы частота напряжения питания измерительной цепи и интервал определения разницы токов. В результате выбора получены следующие значения изменяемых параметров: частота напряжения питания -1000 Гц во всем диапазоне измерения от 1 мкСм/м до 100 См/м; интервал определения состояния равновесия измерительной цепи для диапазона измерения от 10 мкСм/м до 100 См/м от — до —; интервал определения состояния рав новесия измерительной цепи для диапазона измерения от 1 мкСм/м до 10 мкСм/м от
Структурная схем кондуктометра КЛ-С-1 где: 1 - генератор; 2 -делитель напряжения; 3 - коммутатор первичных преобразователей; 4 - коммутатор электрических проводимостей сравнения; 5 - сумматор токов; 6 - синхронный детектор; 7 - микроконтроллер; 8 - формирователь синхронизирующего напряжения; 9 - формирователь сигналов интерфейса; 10 - блок клавиатуры и индикации; Rx - ПИП УЭП анализируемой жидкости; R1.. .R5 - проводимости сравнения; Rt - ПИП температуры анализируемой жидкости.
Как уже отмечалось Государственный первичный эталон единицы УЭП жидкостей [61] обеспечивает поверку кондуктометров в диапазоне от 1 мСм/м до 50 См/м. Значительное количество кондуктометров используется в тепловой энергетике для контроля качества пара поступающего на турбины. Контроль качества пара осуществляется измерением УЭП конденсата, который получается при его охлаждении. УЭП конденсата находится в пределах от 0,01мС/м до 0,1мСм/м. Некоторое количество кондуктометров используется для контроля сред имеющих более низкую чем у конденсата УЭП вплоть до 1 нСм/м. К таким средам относятся технический спирт, авиационный керосин и ряд продуктов нефтехимии и органического синтеза.
В предыдущей главе показаны результаты разработки лабораторных кондуктометров КЛ-4 и КЛ-С, которые часто используются в качестве рабочих эталонов 2-го разряда. Для поверки этих кондуктометров необходимо разработать и поставить на производство рабочие эталоны 1-го разряда.
Похожие диссертации на Развитие научно-методических основ проектирования кондуктометрических приборов контроля жидкостей и разработка технических средств их метрологического обеспечения.
