автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Адаптивный высокочастотный бесконтактный микропроцессорный кондуктометр

Список условных сокращений

ВВЕДЕНИЕ

1. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОНДУКТОМЕТРОВ.

1.1. Кондуктометрия как электрохимический метод анализа

1.2. Математические модели многоэлектродных преобразовательных элементов

1.3. Классификация микропроцессорных кондуктометров

1.4. Проектирование МП кондуктометров

2. МОДЕЛИ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1. Многоэлектродный индуктивный преобразовательный элемент

2.2. Многоэлектродный емкостной несимметричный ячейка преобразовательный элемент

2.3. Многоэлектродный емкостной симметричный преобразовательный элемент

3. АРХИТЕКТУРА МП КОНДУКТОМЕТРОВ

3.1. Кондуктометр с программно управляемым ПЭ

3.2. 2-метрический кондуктометр

3.3. Интерфейс вывода информации "Темп

3.4. Обобщенная структура микропроцессорных кондуктометров

4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МП КОНДУКТОМЕТРОВ

4.1. Линеаризация математической модели ПЭ

4.2. Нахождение оптимального образцового раствора

4.3. Построение калибровочной кривой

4.4. Методика контроля электропроводности

4.5.Температурная компенсация результатов измерений

4.6. Оценка инструментальной погрешности ПЭ

4.7. Результаты метрологических испытаний

4.8. Методика проектирование МП кондуктометров

4.9. Результаты апробации диссертационной работы 132 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 134 Список используемой литературы 13 6 Приложение 1 145 Приложение 2 163 Приложение 3 157 Приложение

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АИП - аналого-импульсный преобразователь

АП - аналитические приборы

АС - аппаратные средства

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ВЧБМК - высокочастотный микропроцессорный кондуктометр

Г - генератор

ИАП - импульсно-аналоговый преобразователь

ИВ - интерфейс ввода

ИВВ - интерфейс ввода-вывода

Ивыв - интерфейс вывода

ИПЭ - измерительный преобразовательный элемент <

К - компаратор

МАП - микропроцессорный аналитический прибор

МИП - микропроцессорный измерительный прибор

МИС - микропроцессорные измерительные средства

МО - метрологическое обеспечение

МП - микропроцессор

ОАК - объект аналитического контроля

ОЗУ - оперативно запоминающее устройство

ОПЭ - образцовый преобразовательный элемент

ПЗУ - постоянно запоминающее устройства

ПИП - первичный измерительный преобразователь

ПО - программные средства

ПЭ - преобразовательный элемент

СЧ - счетчик

УГ - управляемый генератор

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ША - шина адреса

ШД - шина данных

ШУ - шина управления

Кондуктометрические методы анализа жидкостей используются для контроля жидких технологических сред, в химической, электронной, микробиологической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Область применения кондуктометрических приборов - большое количество технологических процессов, связанных с растворами электролитов. Растет применение кондуктометрических методов в контроле окружающей среды: контроль качества питьевой воды, анализ сточных вод, концентрации синтетических удобрений в оросительных системах, непрерывный контроль атмосферных загрязнений.

Актуальность работы.

Качество продукции зависит от точности и надежности контроля технологических процессов, в ходе которых определяется концентрация растворов электролитов, солесодержание воды и другие параметры жидкостей, связанных с их удельной электрической проводимостью (УЭП).

В промышленных бесконтактных кондуктометрических анализаторах, построенных в основном по жесткой структуре, используют измерительные преобразовательные элементы (ПЭ), геометрия которых постоянна и не изменяется по диапазону контроля УЭП электролитов, что определяет узкий диапазон контроля этих приборов. Применение микропроцессорный техники (МП) не значительно улучшает метрологические характеристики кондуктометров, т.к. гибкость программных и аппаратных средств МП приборов сдерживается отсутствием у ПЭ программного управления. Математические модели жестких ПЭ отличаются значительной нелинейностью, что отрицательно сказывается на погрешность измерений. При контроле УЭП амплитудными методами из-за наличия детектирующих блоков, производящих нелинейные преобразование сигнала, неизбежно повышение статической и динамической погрешности.

Расширить диапазон контроля бесконтактных методов возможно за счет адаптации геометрии ПЭ к измеряемому значению УЭП и исключения нелинейных преобразований сигнала.

Таким образом, разработка адаптивного высокочастотного бесконтактного микропроцессорного кондуктометра (ВЧБМК) является актуальной задачей.

Предмет исследования.

Физическое и математическое моделирование бесконтактных кондукто-метрических преобразовательных элементов с программно управляемой конфигурацией. Метрологическая оценка математических моделей ПЭ и алгоритмов контроля УЭП. Инженерная методика проектирования бесконтактных микропроцессорных кондуктометров с программно управляемым ПЭ. Разработка аппаратных средств и программного обеспечения микропроцессорных кондуктометров.

Цель работы.

Целью работы является разработка адаптивного высокочастотного бесконтактного микропроцессорного кондуктометра с расширенным диапазоном контроля и нормируемой точностью.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Предложить методику проектирования многоэлектродных кондукто-метрических ПЭ, для чего: а) разработать математические модели многоэлектродных программно управляемых кондуктометрических ПЭ; б) провести анализ математических моделей ПЭ с позиции получения линейной зависимости проводимости ПЭ от кода управления и систематизировать полученные результаты.

2. Разработать методику проектирования архитектуры ВЧБМК на инженерном уровне, для чего: а) рассмотреть существующие архитектуры МП кондуктометров; б) составить обобщенную структуру МП кондуктометров.

3. Спроектировать метрологические средства МП кондуктометра: а) алгоритм введения поправок для линеаризации математических моделей ПЭ; б) провести параметрическую оптимизацию выбора образцового раствора с нормируемым значением УЭП; в) структурная оптимизация нахождения калибровочной кривой.

Методы исследования.

В диссертационной работе использованы развитые для указанных задач методы системного анализа, математического моделирования, технической кибернетики, системотехники и метрологии.

Научная новизна.

Предложена методика проектирования микропроцессорных кондуктометров с программно управляемым ПЭ, позволяющая спроектировать прибор, удовлетворяющий исходным требованиям по диапазону контроля и точности. ? На основании данной методики созданы математические модели многоэлектродных программно управляемых кондуктометрических ПЭ, адекватно описывающие процесс контроля УЭП.

Предложен алгоритм введения поправок, позволяющий линеаризовать математическую модель ПЭ. Показано, что введение поправок с общей и местной обратной связью равноправно.

Предложен способ контроля концентрации электролитов с многоэлектродным ПЭ, позволяющей программно управлять диапазоном контроля с заданной погрешностью.

Разработан способ измерения УЭП растворов электролитов, в котором измерение мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала с кондуктометрических ПЭ без детектирования повышает достоверность измерений и устраняет динамическую погрешность.

Проведена параметрическая оптимизация выбора образцового раствора с нормируемым значением УЭП, позволившая снизить погрешность измерений.

Практическая ценность.

На основании предложенной методики проектирования и математических моделей многоэлектродных программно управляемых кондуктометриче-ских ПЭ разработан микропроцессорный кондуктометр "ТЕМП-078" с расширенным диапазоном контроля УЭП.

Создан микропроцессорный кондуктометр "ТЕМП-081", повышающий достоверность измерений и устраняющий динамическую погрешность.

Разработан интерфейс вывода «ТЕМП-091», повышающий яркость, надежность и равномерность отображения, расширяющий функциональные возможности прибора и автономию периферии.

Для данных приборов разработана архитектура, алгоритм функционирования, аппаратное и программное обеспечение, метрологические средства, позволившие снизить погрешность измерений и расширить диапазон контроля УЭП.

Реализация работы.

Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора нашли применение при создании:

1) МП кондуктометров "ТЕМП-078" и "ТЕМП-081", прошедших апробацию на АО «Пигмент»и ОАО «Тамбовмаш» (г. Тамбов) и используемых в учебном процессе на кафедре "Электрооборудование и Автоматизация" при проведении лабораторных работ по дисциплине "Электроника и микропроцессорная техника" (Тамбовский Государственный Технический Университет);

2) устройства для организации учебного процесса "ТЕМП-090", "ТЕМП-091" (Школа дифференцированного обучения N13, г. Тамбов)

Апробация.

Основные положения диссертации докладывались на Электрохимической школе (Тамбов, 1995), на конференции "Перспективные технологии в высшей 9 школе" (Тамбов, 1995), 3-ей научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996), на конференции "Высокие технологии в радиоэлектронике" (Нижний Новгород, 1996), на конференции Московского Энергетического Института (Москва, 1996), на Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Москва, 1996), на 3-ей Международной теплофизической шко-ле(Тамбов, 1998).

Публикации

Теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, включающих 2 статьи. Практическая ценность работы подтверждена семью изобретениями: новыми способами и устройствами контроля УЭП растворов электролитов, новым интерфейсом вывода информации, защищенных тремя патентами РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 62 наименования, 4 приложений. Основная часть диссертации изложена на 137 страницах машинописного текста. Работа содержит 62 рисунка и 4 таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны математические модели многоэлектродных программно управляемых кондуктометрических ПЭ, адекватно описывающие процесс измерения. Предложена методика проектирования ПЭ, позволяющая проанализировать математические модели ПЭ и выбрать конструкцию многоэлектродного кондуктометрического ПЭ, обладающего линейной зависимостью проводимости ПЭ от кода с заданной степенью точности.

2. Предложена инженерная методика проектирования архитектуры ВЧБМК, в соответствии с которой аппаратное обеспечение любого МП кондуктометра можно представить в виде обобщенной структуры, на основе которой разработчик выбирает лишь типовую архитектуру аппаратных средств с известным программным обеспечением, удовлетворяющие по архитектуре процесс аналитического контроля и определенную метрологическую эффективность. Для данной методики решены следующие задачи:

- Предложен метод контроля концентрации электролитов с многоэлектродным ПЭ, позволяющей программно управлять диапазоном контроля с заданной погрешностью. На основании данного метода создан ВЧБМК "ТЕМП-078" с многоэлектродным ПЭ, диапазоном контроля УЭП электролитов которого расширен в 5 раз.

- Разработан метод измерения УЭП растворов электролитов, реализованный в микропроцессорном кондуктометре "ТЕМП-081", в котором измерение мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала с кондуктометрических ПЭ без детектирования повышает достоверность измерений и снижает динамическую погрешность не менее чем в 2 раза.

- Разработан интерфейс вывода «ТЕМП-091», повышающий яркость, надежность и равномерность отображения, расширяющий функциональные воз

135 можности прибора и автономию периферии за счет разгрузки и децентрализации информационной сети.

3. Предложен алгоритм введения поправок, позволяющий линеаризовать математическую модель ПЭ. Показано, что введение поправок с общей и местной обратной связью равноправно.

Проведена параметрическая оптимизация выбора образцового раствора с нормируемым значением УЭП, позволившая снизить погрешность измерений на 10%. Показано, что в качестве образцового раствора для введения поправок следует выбрать раствор с УЭП, соответствующей середине измеряемого диапазона.

Показано, что применение метода идентификации и кусочной аппроксимации позволяет решить обратную задачу аналитических измерений с требуемой точностью.

Решение данных задач позволило предложить методику проектирования ВЧБМК с адаптацией по диапазону контроля за счет изменения геометрии ПЭ, что позволило расширить диапазон контроля УЭП электролитов.

1. Андреев B.C. Кондуктометрические методы и приборы в биологии и медицине. М.: Медицина, 1973.- С. 336.

2. Букреев Д.В., Глинкин Е.И., Герасимов Б.И. Информационные технологии при обучении микропроцессорным средствам// Перспективные технологии в высшей школе: Тез. докл. ТГТУ.- Тамбов, 1995.- С. 125-126.

3. Букреев Д.В., Глинкин Е.И. Программно управляемые первичные измерительные преобразователи в кондуктометрии.// Вестник ТГУ. Сер. Естественные и технические науки. Тамбов, 1998.- Т.З. вып.4,- С. 124-128.

4. Букреев Д. В., Глинкин Е. И. Программно управляемые первичные измерительные преобразователи// Новое в теплофизических свойствах. Тез. докл. III Международной теплофизической школы/ ТГТУ.- Тамбов, 1998.- С. 64.

5. Букреев Д.В., Глинкин Е.И. Способ измерения электропроводности жидких средств с использованием модулированного сигнала// Тез. докл. 3 научной конференции ТГТУ./ ТГТУ.- Тамбов, 1996.- С. 77-78.

6. Букреев Д.В., Глинкин Е.И. Способ и кондуктометрическое устройство с использованием модулированного сигнала// Сб. тезисов докладов конф. "Международная конференция по электромеханике и электротехнологии" ./МЭИ. М., 1996.- С. 35.

7. Букреев Д.В., Глинкин Е.И. Способ и кондуктометр с программно-управляемым первичным элементом// Электрохимическая школа. Тез. докл./ТГТУ.- Тамбов, 1995.- С. 38-39.

8. Букреев Д. В., Ромашин А. Ю. Способ и устройство для контроля электропроводности растворов электролитов// Новое в теплофизических свойствах. Тез. докл. III Международной теплофизической школы./ТГТУ.- Тамбов, 1998.-С. 72.

9. Букреев Д.В., Калинин В.Ф. Способ измерения концентрации электролитов с использованием модулированного сигнала// Тез. докл. Конференции МЭИ./МЭИ.- М., 1996.- С. 43.

10. Букреев Д.В. Способ и кондуктометрическое устройство с программно управляемым ПИП// Тез. докл. III научной конференции ТГТУ./ТГТУ. -Тамбов, 1996. С. 38.

11. Букреев Д.В. Способ и микропроцессорное устройство для измерения электропроводности жидких сред// Высокие технологии в радиоэлектронике. Тез. докл./ Нижний Новгород, 1996.- С 27.

12. Герасимов Б. И., Глинкин Е. И. Микропроцессорные аналитические приборы. М.: Машиностроение, 1989, - 248с.

13. Герасимов Б. И., Глинкин Е. И. Микропроцессоры в приборостроении. М.: Машиностроение, 1997, - 246с.

14. Герасимов Б.И. Современное состояние и перспективы развития кондукто-метрии в России // Зав. лаборатория 1996.- т.62.- N4.- С. 1-7.

15. Глинкин Е. И. Схемотехника микропроцессорных систем. Измерительно-технические системы. Учебное пособие/ТГТУ. Тамбов, 1998. - 158 с.

16. Делахей Н. Новые приборы и методы в электрохимии. М., Издатинлит, 1957, с. 371-401.1В. Дорохова E.H., Прохорова Г.В., Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа. М.: Высшая школа, 1991.-256с.

17. Ермаков В.И., Загорец П.А., Смирнов Н.И. ЖФХ, 1962, т. 36, N7, с. 14141419.

18. Загорец П. А., Смирнов Н. И., Ермаков В. И. ЖФХ, 1962, т. 36, N12, с. 2743-2748.

19. Заринский В. А., Ермаков В. И. Высокочастотный химический анализ. М., Наука, 1970,200 с.

20. Капцан О. Л., Тепляков В. А.-ЖАХ, 1953, т. 8, N3,0. 131- 139.

21. Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М., Машиностроение, 1983. 464 с.

22. Латышенко К.П. Математическое моделирование кондуктометрических анализаторов жидкостей.//Российская электрохимическая школа «Новейшие достижения в области электрохимических методов анализа»: Тез. докл./ТГТУ.- Тамбов, 1995.- С. 24-25.

23. Лопатин Б.А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. -М: Химия, 1980.

24. Лопатин Б. А. Докт. дис. Новосибирск, Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР, 1967.

25. Лопатин Б. А. Изв. СО АН СССР. Сер. хим., 1967, № 2 , вып. 1, с. 12-21.

26. Лопатин Б. А. Изв. СО АН СССР. Сер. хим., 1967, N4, вып. 2, с. 23-24

27. Лопатин Б.А. Кондуктометрия.- Новосибирск: СО АН СССР, 1964, 280 с.

28. Лопатин Б. А., Лошкарев Г. Л. Деп. ВИНИТИ, N1650 76 Деп. от 11 мая 1976 г.

29. Лопатин Б. А. Теоретические основы методов анализа. М., Высшая школа, 1975,295 с.

30. Матис И.Г. Электро-емкостные преобразователи для неразрушающего контроля. Рига, «Зинатне», 1977. 120 с.

31. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники/ Г. П. Богданов, В. А. Кузнецов, М. А. Лотонов и др. М.: Радио и связь, 1990.240 с.

32. Проектирование микропроцессорных измерительных приборов и систем/ В. Д. Циделко, Н. В. Нагаец, Ю. В. Хохлов и др. Киев: Техшка, 1984. 215с.

33. Рабинович В. А., Хавин 3. Я. Краткий химический справочник: Справ, изд./ Под ред. А. А. Потехина и А. И. Ефимова. Л.: Химия, 1991. - 432 с.

34. Средства автоматизации. Приборы для измерения состава и свойств веществ. Номенклатурный справочник, ИМ 14-18-94 / Составитель Н.В. Кома-рова-М.: «Норма-СА».- 1994. 30с.

35. Усиков С. В. Электрометрия жидкостей, Л., Химия, 1974.- 143 с.

36. Худякова Т.А., Крешков А.П. Теория и практика кондуктометрического и хронокондуктометрического анализа. Л.:Химия, 1976. - 60с.

37. Эванс Д.Ф., Матесинг М.А. Методы измерений в электрохимии .- М.:Мир, 1977, T.2.- 220с.

38. Электроаналитические методы в контроле окружающей Среды/ Р. Кальвода, Я. Зыка, К. Штулик и др. Пер. с англ. Под ред. Е. Я. Неймана. М.: Химия, 1990. - 240 с.

39. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М.:Мир, 1989.-С.383.

40. Яблонский Ф.М., Троицкий Ю.В. Средства отображения информации М: Высш. шк., 1985.-С. 162.

41. Ястремский П. С. ЖСХ, 1961, т. 2, N3.- С.268-278.

42. A.c. N1571645 СССР. Устройство вывода информации/ Антонов Е.В, Козаков H.A. Опубл. 1990, БИ, N22.

43. A.c. N1566404 СССР. Интерфейс вывода для знакографической информации/ Бакулин В.А, Никонов П.В. Опубл. 1990, БИ, N19.

44. Патент N2132550 Россия. Способ определения электропроводности и устройство для его осуществления / Букреев Д. В., Глинкин Е.И., Мищенко С. В., Ромашин А. Ю. Опубл. 1999, БИ, N18.

45. Патент N 2101781 Россия. Устройство для записи и отображения информации/ Букреев Д.В, Бояринов А.Е, Глинкин Е.И. и др. Опубл. 1998, БИ, N1.

46. Патент N2105295 Россия. Способ определения концентрации электролита и устройство для его осуществления/ Букреев Д. В., Власов M. Е., Герасимов Б. И. и др. Опубл. 1998, БИ, N5.

47. Asada Т. J. Electrochem. Soc. Japan, 1953, v. 21, p. 158-163.140

48. Bercik J.Vodivostne a dielektricke merania v chemickej analyze, Bratislava, SVTL, 1962, 396 s.

49. Braunstein J., Robbins G.D. Electrolytic conductance measurement and capactive balance. J.of Chemical Education, 1971, v.48, N 1.

50. Cruse K., Huber R. Hochfrequenztitration. Verlag Chemie, Weinheim, GMBH, 1957,200 s.

51. Farkas F., Klug O., Kovacs F., Gombos M. Messtechnik, 1969, N2, s. 46-51.

52. Geddes L.A., Da Casta L.P. IEEE transaction on Biomedicine, 1978, V.20.

53. Hasted J. B., Ritson D. M., Collie C. H. J. Chem. Phys., 1948, v.16, N1, p. 1-10.

54. Kamura Y.- J. Pharm. Soc. Japan, 1954, v. 74, N 1, p. 1-3.

55. Kraeft W. D., Gerdes E. Z. phys. Chem., 1965, Bd. 228, 5/6, S. 331-342.

56. Klutke F. Arch. Techn. Messen, 1950, V3514-5, S. T98-T100.

57. Lopatin B. A. Mgyar Kemikusok Lapja, 1976, ev. 31, N3, s. 127-132.

58. Pungor E. Oscillometry and Conductometry, Pergamon Press, 1965, 239 p.

59. Richards W.T., Loomis A.L. Proc. Nat. Acad. Sei. USA, 1929, v. 15, p. 587593.

60. Thies K., Cruse K. Z. Instr., 1965, Bd. 73, N5, S, 121-129.