автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Автоматическое измерение электрокинетических свойств гидродисперсных систем

БЕЛОРУСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

/ДК 681.326.7,

РГ б он

/' 4 окт с

ГРИНЮК ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИДРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1999

Работа выполнена в Белорусском государственном технологическом университете

Научный руководитель-

кандидат технических наук, доцент Кузьмицкий И.Ф. кандидат технических наук, доцент Оробей И.О.

Научный консультант -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузнецов А.П.

кандидат технических наук, Зайцев В.М.

Оппонирующая организация - Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов

Защита состоится « 7 » октября 1999 в 16 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.15.01 в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники, 220027г. Минск, ул. П.Бровки,'6, т.239-89-89

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Автореферат разослан

Ученый секретарь ~ совета по защите диссе ртаций доктор технических наук, профессор

404-5-05, О

НЧЫ 204 -5 -05 .0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С каждым годом растет степень воздействия хозяй-венной деятельности чаязвжз на воднье ресурсу увеличивается потребление дык повышаются требование к ее качеству. Текнолотичесше среды процессов доподготонки представляют собой природные и текиическиг даетераяж шс-мы, имеющие большой разброс параметров. Качество счистки вода от гидро киерсных включений определяется зффааивностыо управления процессами агуяяции и флюкупщии

Автоматическое управление этими процессами невозможно без измерения да качественных параметров, среди которых элжтрохинешческкй потенциал >КП)являетсянаиболеешформашвнкм. Эгкюрсживеяическийпотенциал- это раметр, характергоукхций эффективность электросхзшчеаоого взаимодейст-я частиц в щлродишершых системах. В настоящее время отсутствуют прибо-I и системы, способные обеспечить оперативньй контроль по этому гаремег-Необходимость создания приборов контроля агеюрофизичеоких характери-ик для ршхешга пробгкм управления процессами водоочистки определяет ак-алшссзъ темы диссертации

Связь работы с научными темами. Тема диссертационной работы соот-тствует одному из научных направжний кафедры автоматизации прошводст-шшя процессов и элжтротехшки Белорусского государствегаюго техналога-асого университета Часть исслздовзшй проводилась в рамках грантов Безю-•сского республиканского Фонда фуидаменталыплх исследований для молэдых Еепых ФФ95-008 «Разработка теории, методов, алгоритмов и устройств ном-ексной оценки и использования сзтабых эффектов, полей, сигналов для ресур-сберегагсвдтх технологий и производств» и Т98М-117 «Теоретические иссле-«вания периодически нестационарных потоков гцародишерсных сред дли по-роения преобразователей информационных промьпшкнных систем».

Цель я задачи исследования. Ь^лыо работы является исслздование элж-офизичесхях явлений, в частности ажюрокинетичесхих, и построение на их нове измерительных преобразователей ЭКП коллоидных растворов; а также зработка и исследование модожй эляетрокинегичехжих преобразовагежй 'КГ^э), новых методов и структур устройств, обеспечивающих измерение С,-ггенциат

Дня достижения поставленной цели необходимо решить слздукхцие зада-

с

- выполнить анализ методы измерения ЭКПи обосновать выбор наиболее одного по совохупности параметров первичного преобразователи;

- получить зависимости информативного параметра от свойств исслзцу» мой среды и конструктивных особенностей преобразователя;

- разработать новый принцип построения первичных преобраэовагаж ЭКП с умеишгеяным влиянием релаксационных процессов на точность юмер< пия;

- провести анализ влияния геомстричеасих параметров, пщродинамич* ских условий и фнзико-химичеаких свойств дисперсных системна динамичеаа; свойства чувствительных элзстродов;

- разработать структуру первичного преобразователя компяжснсй оцеян элэорсфоичежих свойств д исперсных систем.

Объект и предмет исследования. ГЪрвичнью преобразователи напрерьи ного измфеиия электрофизических характеристик щпродаакрой для сисга контроля и угравжния технологическими процессами водоподготовки.

Методология и методы проведения. Мзгодика теоретических иоследовг ний базировалась на магматическом аппарате решения дифференциальны уравнений элжтрогидродитгамики, гармоническом и статистическом анализ информативных сигналов.

Научная новизна. Цзеядэжена методика наблюдения и теория электрс кинетических явхкний в нестационарном гидродинамическом потоке щахвог капилляра.

№ основе элжтрогидравлическай модели эжктрскинетических процесса разработана методика определения информативного параметра в первичны преобразователях ЭКД на баое которой порчены характеристики преобразовг тежй с под вижным элементом

Цхдоожека измерителыгая схема первичного преобразователя, разработа комплекс мероприятий по оптимизации ало конструкции.

Разработана метод ика оценки динамических свойств чувствительных элз тродов преобразователя.

Обнаружен эффект влияния высокочастотного электрического поля н чувствительные электроды в зависимости от положения подвижного элемента

Лрещюжена структура комбинированного преобразователя эяястрофшь чеосих характеристик щпродисперсий, способного обеспечить одновременно измерение ЭКД электропроводности и вязкости.

Практическая значимость. Цэеджжеяные принципы построения могу быть положены в основу разработки злжтрокинешчеоких преобразователей Разработана метод ика построения первичных преобразователей и структур обеспечивающих возможность автоматической дозировки реагентов в процесса очистки елочных и природных вод Оригинальность разработанной кшструкцг первичного преобразователя защищенаположительным решением от 18.10.98 п

заявке на патент РБ № 960315 24.06.96 «Устройство для измерения эжктроккне-тичожого параметра дисперсной среды».

Результаты работы могут найти применение в отраслях промышленности, связанных с реагеншой стабилизапией и дестебкгавзирей дасгтерсных отстой в частности в процессах фтюкуляши и коагуляции, для построения систем автоматического контроля и управления. Цэоведеиа опышо-промыптазшая апробация прибора измерения элежтрокинешчеосих характеристик дня контроля качества очишремой вода и косвенной оценки жесткости технической воды

Илользование автоматических систем управления процессами реагешнсй стагйгаизации и десгабилюации щародишфсякк систем с применением контроля элеюрокинетических свойств обеспечивает экономию реагентов в среднем до 20-30%. Шадреше приборов контроля ЭКП в процессах водоподготовки позволяет побьешь степень очистки, что приводит к уменьшению влияния остаточных включений в технической воде на работу технологического оборудования и на качество продукции. Цэиматение датчиков контроля ЗКП позволило достичь вькхжого качества реагепной очистки гольевой воды и упростить технолэгаче-«сие схемы дальнейшей водоподготовки (к иримеру, исключить хжрирование).

На защиту выносятся следующие основные положения:

- методика определения информативного параметр« ЭКЦэ, учитывающая геометрические характеристики конструкции, параметры коллоидеюй системы и I гсмерителшой схемы,

- принципы построения первичных элжтрокинегических преобразователей на основе нестационарных электрохинетических явлений в щелевом капилляре;

- структура первичного преобразователя для комплексного кзмеретия электрофизических характеристик щпродаспераий: ЭКП, вязкости, электрической проводимости;

- методика определения параметров схемы замещения чувствителшых электродов первичных преобразователей;

- структура измерительных преобразователей, обешсчивакяцая уменыпе-ние влияния коротшимпупьаазх низкпчзстошых помех.

Личный вклад соискателя. Автор диссертации принимал непосредственное участие в постановке задач исследования, разработки, нящцке первичного преобразователя, изготовлении и наладке измерительных схем, проведении научных экспериментов, обсуждении результатов экспериментальных данных и их научной интерпретации, в подготовке докладов и публикаций, проведении опытно-промышленных испытаний первичного преобразователя.

Апробация результатов диссертация. Основные результаты диссертационной работы докладывались на- республиканской конференции «Автоматический контроль и управление производственными процессами»

(Минск; 1995г.), международной научней конференция «Цроблгмы промьпшш-ной экологии и комплексная утилизация отходов производства» (Витебас 1995г.), международной конференции «Раорабоиса импортозамещающих технологий и материалов в химико-лесном комплжсе» (Минск, 1997г.), всеувраинооой научно - пракшчеасой конференции «Современная техника очистки воды» (Днепропехровск, 1997), меавдунгродаой конференции «Автоматический контроль и управление производственными процессами» (Минск, 199&'.).

Опублнкованность результатов. Основные полэжеяия диссертации опубликованы в 11-ти печатных работах. В их числе три статьи, одао подажи-тепшое решение на патент, семь тезисов. Общее количество страниц опубликованы^ материалов 33.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; общей характеристики работы, 5 глав, основных результатов и выводов, списка используемых источников и приложений

Объеад диссертации - 139 листов машиношшош тосста Диссертация содержит 79 рисунков на 41 странице, 1 таблицу на 1 странице, 286 источников на 24 страницах, 12 пришжений на 78 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуалшость работы, сформулированы основные цели и задачи, решаемые в диссертационной работе.

Глава первая. Анализ методов измерения ЭКПи использования параметра ^-потенциала в системах управления. В данной главе рассмотрены основные методы оценки и измерения электрофизических свойств на границе раздета фаз дисперсных систем. № поверхности раздет локализована эдачитешлая доля молекул и атомов, которые; находятся в несимметричном оптом полз и обуславливают появление избыточной свободной энергии системы Это является причиной устойчивости колгоидных систем и придает им особые свойства в пограничных сдаях. № границах раздела протекают процессы, определяющие характеристики физико-химической системы, состоящей из неосолысих разнородных фаз. В пограничном сше проявляются нелинейные эффекты электрического поля, резкие изменения концентрации и скорости переноса вещества, явления адсорбции, адгезии и разделения зарядов с образованием двойного элаариче-асаго слоя (ДЭС).

Эжктрокинетический потенциал является параметром оценки состояния поверхности раздела фаз на границе раздела твердое телэ-жвдкосль, газ-жидкость. ЭКП, который иногда называют ^-потенциалам, является одной из характеристик ДЭС. Часто он определяется как потенциал плоскости скольжения на

говфхности раздела фаз. Этот параметр в первую очередь зависит от свойств поверхности раздела фаз, количества растворявши конов и лротнвопонов, от ш кзряда температуры и т.д Ся пс-лвержея влиянию элжтрических, акустических, ззетовых, тепловых, ав некоторых случаях магнитных и световых полей.

Анализ литерааурных данных показал, что прямых методов измерения это-"о параметра в настоящее время не существует. Наиболее часто о нем судят с юмощыо наблюдения за классическими эджгроюшегичеосими явлениями: элжтроосмооом, элосгрофорезом, потенциалом течения или седиментации. В тоследнее время появились новые подходы к построению кгвогачесзсих приборов it альтернативные метода ouchígi алектрокинетических свойств дпсттерапкх жстем

В гшве сформулированы основные требования, предъявляемые к преобра-ювателям электрокинетических свойств, дан обзор современных методов оценен и измерения электрокинетических свойств дисперсных систем, a также средств измерения, отменены их недостатки и преимущества Указано на отсут-лвие прямых методов измерения и сложность интерпретации результатов косвенного измерения. Цзедложняа классификация методов и средств измерения

экл

№ всего разнообразия методов измерения наиболге приемжмыми для полроения атсггем технологического контроля являются методы потенциага и тока гечезшя как обдшзкжше наименьшей степенью необратимого воздействия на гцпродисперсии. Основные сложности методов связаны с эжакгродными шума-vci и поляризационными явлениями, возникзесщими на грашще «электрод-жидкость»., т.е. измеряемый сигнал с электродов представляет собой сумму по-жзных и шумовых оосгавлякщих.

E = ESt+EA+EN, (1)

7Est - составляющая потенциала течения; Ел - свободная составляющая по-гешщат асимметрии электродов; Efj - потенциал электрохимических шумов.

Составляющие E¿, Ец не могут бьпь отфильтрованы от полезного a tn rati Est струоурными и атгоритмическими методами из-за сзюжности матемши-lecKoro описания эжктрохимических процессов на поверхностях элжтродов. № icero разнообразия подходов к построению приборов наиболее перспеюивными шляются метод тока течения с переменным информативным олналом, что по-язоляет при определенных требованиях к частоте измеряемого сигнала с помощью схемотехнических решений сводить к минимуму шумовые ахггаелякяцие, хэблкдая условие.

В тоже время, из-за свойств элжтродрв частотный диапазон дли E$t ограничен значением 0.1 -10 Гц.

Получившие наибольшее распространение приборы SOD (Streaming Current Detector) выпускаемых радом фирм в США, Германии и Великобритании работают на частоте 4 Гц. Для реализации усшвия (2) в преобразователях SCD используется Бозвршно-поступнггеишое движение поршня. Эхо решение является наиболее просшм, но в тоже время имеет ряд недостатков. SCD обхвдают плохой проточнослыо, нестабильной шириной щелевого капилляра из-за воз-вратно-послупшельного движения, наличие центрирующих направляющих, снижает точность измерения. Для этих преобразователей характерно существенное влияние на точность показаний постоянно машшщеся динамически свойства электродов и решссационные свойства процессов, приводящих к возникновению синусоидального измерительного сигаада.

Глава вторая. Теоретические основы измерения ЭКП методом потенциала течения в сдвиговом потоке. Цри синтезе приборов измерения эаЕктрокине-таческих эффектов для создания измерительного сигнала предлагается ишсшьзо-вать сдвиговый поток, получаемый с помощью вращающегося ротора определенной формы. Эю вращение приводит к появлению в щелевом капилляре потенциала и тока течения. Расположение на неподвижней поверхности пары измерительных злжтродов при определенной ширине ротора дает возможность формировать переменный сигнал, амплитуда которого прямопропорционалша ЭКП Разработанный принцип построения первичного преобразователи позволяет уменьшить влияние релаксационных эффектов, при этом не требуется наличие центрирующих направляющих и упрощается сопряжение движущихся частей измерительной ячейки и д вигателя.

Для правильной интерпретации результатов измерения необходимо получение теоретических зависимостей информативного параметра от геометрических характеристик конструкции, параметров дисперсной системы на основании описания электрокинешчесхаго преобразования. Это предполагало решение задачи о перераспределении зарядов при наличии в щелевом капишшре сдвигового потока и перепада давления. С использованием законов электрогидродинамики были установлены зависимости информативного «гнала от физических и геометрических параметров измеригелшой ячейки.

Основные формулы; связывающие измеряемую величину с физическими параметрами преобразователя, получены путем совместного решения дифференциальных уравнений №въе-Стокса и Г^вссона Для этого был рассмотрен

щелезюй капилляр с шириной 2h и выэотой Н, формируемый вращающимся с частотой го ротором и неподвижной поверхно<лкю, который заполнен несжимаемой ннотоновашй жидкостью с динамической вязкостью т|, относитешгой диэлектрической щхяпщяемосто б, пштностыо р0 и объемной проводимостью Ъ> Поверхности ка иишяра равномерно заряжены, но имеют различные функщш распределения потенциале® <Pi, Фг и ренличнък значения ЭКП та поверхности скольжатя и Учитывая, что радиус ротора Л0 » 2h, можно рассматривать течение жидкости: между двумя параллельными стенкими. Г|ж расчетах пренебрегали шероховатостью стенок и принимали, что плоскость скольжения жидкости относительно тверд ого теш лежит за предаими плотной адсорбированной части ДЭС и смещена в область диффузной ионной атмосферы Цтофипь скоростей жидкости в щелгвом капилляре обусловлен действием вдоль него постоянного градиента давления АР, движением одной из стенок и наличием возникающего эпжтрического поля (градиентом напряжения А U). Напряжение на э1исгроднх при измерении не влияет ня работу механической чпети, так как элэс-троосмотическим давлением, увеличивающим гидравлическое сопротивление (эляпровязкоешьй эффект), можно пренебречь, Градиент концентрации вдоль капилляра и диффузия униполярных заряженных ионов не влияют на процесс элжтрокинегического преобразования и нн ионный ток, а также сохраняется суммарный повера госгный зерад в капилляре.

Для стационарной задачи получала следующие выражения для количества жидкости q и тока/ через сечение капилляра

q = ддг + —- АР--0 41 2Д--(Z)

П<? Зц Tic • w

Tie i\

с L

где

2

1=7

■П^о

(7)

(8)

^1,2 = 2Й

(9)

=|с/г(ф12(д:1д))г&1д.

(10)

ЬЬ основании формул (3X1°) одедан вывод о там, что природа измерительного оигнага свжина с нестяцио^ирными элжтрокинетичсскими явлениями.

Далее решена нестационарная задача перераспределения зарядов и получено выражшие

/(0=3

4 ее0Шгр0С2

б "

я2 »1=1

/Г

. (11)

позволяющее получить расчетные зависимости для измерения по методу потенциала и тока течения, проанализировать факторы, влияющие на точность изме-ршия, а также обеспечить теоретическую багу для построения алгоритмов компенсации влияния температуры, вязкости.

Глава третья. Оштез и анализ схем замедления элзсгрокинешчесжою преобразователя. Для расчета измеритепшых схем. оценки их влияния на работу первичного элжтрокинешчеасого преобразователя с целью минимизации погрешности разработана схема замещения, основанная на феноменологической линейной термодинамической теории необратимых процессов с использованием

гинешческих уравнений переноса Сказав потоки массы и элеаричеашго згря-гл, получэем выражения для построения и анализа схт замещения разработай-юго ЭКГ (рис. I). Г^оанЕШзкровано влияние геометрических харатсгерисгссс на шжтрофкпическпе процессы в атроггсетровакном преобразователе с лвумя измерительными поверхностями (с двумя источниками сигнала). 1Ълучето выражение для сопротивления между тачками в растворе электролита с искривленной поверхностно. Расчегья показали, что эта величина срашгтма с внутренним хшротивлямем источников, и требуется ее учет при проведении испытаний '.■стрсйства

г^л

>-

2й ~ г

-0(7)

я, с

I ~ 03

Рис. 1. Схема замещения эжктрокинетического преобразователя

Для оценки параметров схемы замещения быт разработана методика и электрическая схема. В качестве аппаратуры регистрации использовалась ЭН\Л, для чего было разработано соответствующее программное и аппаратное обеспе-чезше. ГЬ экатфимектальным данным сделана количественная оценка и олреде-лзты возможнее вариации параметров схем замещения, найден отгшмальный д иапазон частот работы ЭКЦэ. Г£и измерении ажвлрокинешческих харакгери-стик методом потенциала течения требуется обязательный учет объемного сопротивления между источниками. В рспргботапной установке входное сопротивление схемы измерения не должно превышать 200-400 Ом для водных дисперсий.

Глава четвертая. Исследование влияния характеристик информативного сигнала и управляемого ограничителя на схему синхронного детектирования.

Изменяя соотношения между частотой вращения подвижного элемента, его шириной и межэлзародным расстоянием можно варьировать формой информативного сигнала ГЪэтому по критерию максимума энергии, приходящейся на первую гармонику, была найдена оптимальная форма измерительного сиг-иада.

Шличие шумов и простая возможность получения устойчивого опорного сигнала в измерительной схеме предопределили использование схемы синхронного детектирования. Цзеобразователь общдает выоокой чуъствителшостыо к элюромагаишым полям индустриального происхождения. Отектральньк со-сташтакжцие низкочастотных и одиночных импульсных помех в полосе пропускания синхронною детектора сравнимы с амплитудой основной гармоники полезного сигнала Экранировка практически не снижает помехи вследствие щлро-динамичеосой проточности ячейки, что является основным трактом попадания помех на измерительные электрод ы

Для уменыления влияния этих помех на входе синхронного детасюра использован ограничитель с перестраиваемым уровнем ограничения. Величина уровня ограничения настраивается в зависимости от амплшуды информативного параметра Для оценки эффективности применения подобных схемотехнических решений проведен числэшьш расчет с использованием спектрального анализа в системе МАТЪАВ (рис.2 и риаЗ). В качестве помехи был выбран сигнал трапецеидальной формы Расчет проводился для опорного сигнала с различиями характеристиками, с изменяющимися параметрами помехи и при различных уровнях сяраничашя.

Численный анализ показал, что применение подобных схемных решений наиболее эффективно при помехах, имекхцих даителшосгь, сравнимую с периодом опорного сигнала. Для синхронного детектора в качестве опорного сигнала предпочтительнее использовать гармонический или симметричный треугольный. Эффективность подавления помехи определяется как параметрами ФНЧ на вьь

помехи к периоду сигнала помехи к частоте сигнала

Рис.2 Эффективность уменьшения мощности помехи для гармонического сигнатв при уровне ограничения 1 - 3; 2 - 1.5, 3 - 1.05 относительно амплитуды информационного сигнала

Отношение дгог._______

помехи к периоду сигнала

50

0

4

■1

з

1

Отношение частоты помехи к частоте сигнала

Рис.3. Эффективность уменьшения мощности помехи для симметричного меандра при уровне ограничения 1 - 3; 2 - 1.5, 3 - 1.05 относительно амплитуды информационного сигнала

ходе перемножителя, так и уровнем ограничения и может изменяться от нескольких десятков до со та* раз. Равработана схема, оптимизированы ее параметры и осуществлена экспериментальная проверка эффективности синхронного детектирования с ограничителшым каскадом на входе.

Глава пятая. РшрЕботка структур измерительных схем и консгщукщй первичных преобразователей

В этой главе представлена структура (рис.4) и принципиальная электрическая схема зшоорокинетического преобразователя. Для уменьшения влияния со-ставпякщих низкочастотных короткоимпульсных помех на полезных сигнал на выходе осуществляется его перезапись с гомощио двух устройств выборкн-фапешга (УВХ). ГЬрезаписъ прерывается и выходной сигнал подцержжается постоянным в моменты появления составляющих помехи на выходе синхронного детектора Шпичие двух УВХ ухудшает д инамические свойства преобразователя вследствие добавления запаздывания в тракт измерителыюго сигнала, но /меныпаетаг влияния короткоимпульсных помех на показания ЭКЦ>. Гледует отметить, что иопользова1ше енты ашхронного детегсшрования при таличии на входе ограничителя с обратной связью по уровню ограничения отно-зггелыго амплитуды выходного сигнала применимо лишь для датчиков, имоо-дих малую скорость изменения сигнала (например дли ЭКЦз). №ходя из макш-к{алыюй скорости нфастания информативного сигнала выбирается уровень оп-гимального ограничения. Г£и использовании ехала с задержкой информагинно-т> сигнази на один такт время нарастания до уровня ограничения не должно февышать одного триода с учетом инерционности фильтра

б)

Рис.4. Измерительный преобразователь ЭКП

Измерительный преобразователь содержит предварительный усилитель 8 второй уашггельный каскад 9, регулируемый ограничитель 10, оптопару 11

сжму формирования опорного сигнала 12, синхронный детектор 13, блок определения срыва сигнала 14, формирователь импульсов перезаписи для выходного каскада 15, устройство задания уровтш ограничения 16 и выходкой каскад 17. Измеряемый сигнал появляется синхронно с опорным сигналом, формируемым блоком 12. Для вьщелжия сигнала из шума котоль^/сгся синхронный детектор 13. Для уменьшения влияния низкочастотных импульсных помех в измерительную схему введены бшки 14-17.

Г&ц практической проверке теоретических положений были стхроекшро-ваны и изготовлены две лабораторные установки. Одна и них схематично показана на рис. ^ б. Зазор между ротором 1 и стенкой стакана 2 образует пзюскии щелевой капилляр, в котором при вращении ротора создается сдвиговый поток Ротор приводится в движение двигателем 3. Дисперсная среда подается и отводится через штуцера 4. На внутренней поверхности стакана располагаются измерительные элеюродыб, выполненньк из серебряной проволоки диаметром 0.4 мм, покрытой хлэр-серебром. Верхняя часть стакана герметизируется крышкой 6. Для определения моментов формирования щелевого капилляра между измерительными электродами навалу ротора устанавливается стробоскопический диас 7. О иска те влияния проводимости на результаты измерений обеспечивается вы&ором метода тока течения. Ток течения замывается через сопротивление на котором вследствие вращения ротора формируются импульсы напряжения с амплитудой, пропорциональной току течения. Форма импульсов зависит от соотношения расстояния между электродами с и шириной ротора а, а их частота равна удвоенной частоте вращения ротора

Испытания работы преобразователя в зоне действия сильных низкочастотных помех показали эффективность применения регулируемого ограничителя для уменьшения влияния короткоимпульсных помех на входной сигнал Э1\ТТр. Цж ограничении в 25 раза от уровня выходного сигнала отношение сигнала к шуму увеличивается примерно в 40 раз по сравнению со станд артной схемой синхронного д етектора

В первичном преобразователе для создания вращягацего момента использован двигатель ДПР-72-Н1-03. №мершельная ячейка изготовляю из политет-рафторэттсЕнв. Ячейка первичного преобразователя имеет следующие размеры (рис. 4.а): К0 - 15 мм; Н - 40 мм; с = 10 мм. Для оценки теоретических результатов параметры а и к 1сменялись в пределах 84-14 мм и 0.1-^0.025 мм.

КЬнтрольнью испытания первичного преобразователя проводились на фторопластовой поверхности в зависимости от концентраций электролитов. ГЬ экспериментальным зависимостям тока течения с пересчетом по формулам (11), получены зависимости ^-потенциала от концентрации электролитов №А и КО (рис.5), которые согласуются с имеющимися в литературе данными.

Рис.5. Зависимость ЭКП для фторопласта от концентрации 1- 2 - К0

Проводились контрольных измерений электрокинетичеасих свшств кол-жидных ргстворов А1(ОНЬ в диапазоне рН 3.5-8 и при общем содержанию щд-роокоща 1СГ3 г-экв/л. КэЕпроль точности шмершия проводшкя на приборе микроэлектрофореза на кафедры промышленной экошгии БГТУ. Относительная приведенная погрешность измерения не превышала значения 1.41 %.

Схема прибора комплексной оценки электрофизических свойств диотерс-ных сред показана на рис.б. Од ной парой электродов производится непрерывный процесс измерения ЭКП метод ом тока течения, другой - попеременно измеряется потенциал течения и проводимость среды. КЬшроль вязкости производится измерением колебании тока в цени питания электродвигатели.

Цж проведении исследований обнаружени исследован эффект влияния высокочастотного электромагнитного поля на разность потенциалов (тока) между электродами ЭЩ>. Величина тока по сопротивлению, соединяющему иссж-дуемью электрода; прямо пропорциональна напряжению, подаваемому на другую электроды, а также зависит от ширины щелевого капилляра и проводимости раствора Сши тока зависит от частоты и формы подаваезйош напряжения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 В результате анализа современного состояния устройств и приборов измерения ЭКП и областей их применения установлено: эляпрокинетичвасие параметры могут быть использованы при построении систем оптимального управления для большого спектра технологических процессов разделения и стабилизации дисткршых систем. Из всех методов измерения ЭКП по совокупности параметров (лабильность, непрерывность измерения, возможность очистки и т.д.) наиболее подходящим является метод переменного тока течения Сформулированы требования к приборам для измерения ^-потенциала,

Рис. б. Установка для комплексного измерения эакэсгроф) кичеодах характеристик 1- стенка для формирования капилляра; 2 - подвижной элемент, 3 -электроды; 4- корпус; 5 - регулирующие клинья; 6 - регулирующие винты; 7 -штуцер; 8- пружина; 9- упорный винт, 10 - двигатель; 11 - аналоговый блок измерения тока течения; 12 - переключатель режимов работы; 13 - аналоговый блок измерения потенциала течения; 14 - генератор; 15 - аналоговый блок измерения электропроводимости; 16 - стабилизатор частоты вращения электродвигателя; 17 - аналоговый блок измерения вязкости; 18 - цифровой блок расчета поверхностной проводимости; 19- блок инд икации и выводя

2 ГЬ результатам исследований установлено, что для получения информативного сигнала об эластрокинешческих свойствах может быть использован сдвиговый поток, который создается в устройстве с вращающимся ротором. И> пользование при построении сдвигового потока вращающего элемента позволяет увеличить частоту информативного сигнала без увеличения реактивных сопротивлений измерительных электродов и дает возможность одновременно измерял» потенциал, ток течения и проводимости.

3. Пдем совместного радения уравнений ЬЬвье-Стокса, Цгаосона и Ома при определенных граничных условиях получены выражения для стационарного и нестационарного распределения вещества и заряда Эти уравнения позволяют охарактеризовать параметры модели ЭКЦэ, проанализировать факторы, влияющие на точность измерения, а также обеспечить теоретическую базу для построения алгоритмов компенсации влияния температуры, вязкости.

4. С применением феноменологической линейной термодинамической теории необратимых процессов к электрокинетическим процессам в преобразователе; получена его схема замещения и выполнен анализ взаимодействия первичного преобразователя с измерительной схемой. С использованием разработанной методики экспериментально найдены зависимости параметров схемы замещения дня различных электролитов и дисперсных систем, различной сттеныо обработки чувствительных электродов, геометрических характеристик и гидро-динамичесжих условий.

5. С помощью разработанной методики на основании предложенного критерия (с точки зрения максимума мощности первой гармоники) получены оптимальные: значения параметров информативного сигнала. Цхдложено новое схемное решение, позволяющее побьешь отношение сигаапйпум при мощных низкочастотных помехах, в котором для задания уровня ограничения на входе устройства регистрации используется информация об измеряемом сигнале. Установлена эффективность уменьшения мощности помехи на выходе синхронного детектора в зависимости от параметров опорного сигнала, уровня ограничения и полосы пропуоеания фильтра на выходе перемножителя

6. Численное моделирование работы схемы и ее практическая реализация подтвердили эффективность подавления низкочастотных помех. Более устойчивую работу измерительной схемы обеспечивает задание уровня ограничения информации о выходном параметре с запаздыванием. Обнаружен и исследован эффост влияния высокочастотного электромагнитного поля на разность потенциалов между электрод ами первичного преобразователя. Величина этого потенциал, зависит от напряженности и частоты электромагнитного поля, ширины щелевого капилляра

СПИСОК ОПУБЛИКОВАШШХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гринюк ДА Кинетические уравнения переноса для эджтрокинетиче-ких преобраюватегЕЙ с иотользоваштем сдвтппвого потока //Труды ЕГТУ Еьь yac V. Фгсз -мат. науки и информ. Минск 1997. - С.72-77.

2. Гринкж ДА, Кудмтядатй ИФ, Оробей ИО. ТЬвый принцип построе-ия устройств для исследования злззстрокинетических характеристик Vterepiiarm Технологии. Р4клрумеиты - 1998. - №1 - С.96-98.

3. Гринкж ДА, Кузъыицкий ИФ., Сробей ИО. Первичный дреобразсва-ель для измерения элястрокинешческих характеристик /У Приборы и техника котеримента - 1998. - №3. - С. 124-127.

4. Гринкж ДА, Сробей ИО. Цэибор для измерения электрокинетического готенциала И Автоматический контроль и управляйте производствшными про-[ессами: Тез. докл. реот. конф. - Минек; 19-21 сент. 1995 / Бетар. гос. технол. ниверштет. - Минск, 1995. - С. 11.

5. Гринюк ДА Уравнение НЬвье-Сгокса для прибора измерения элжтро-инешчеасого потенциал//Автоматический контроль и управление производст-1€нными процессами: Тез. докл. peat конф. - Минск, 19-21 oeirr. 1995 / Бешр. ос. технол. университет. - Минск, 1995. - С. 19.

6. Марцуль ЕЩ, Грошев ИМ, Гринкж ДА Управление процессами реа-штной очистки на основе контроля элегороккнетического потенциала // Цх>-жмы промышленной экологии и комплексная утилизация отходов производства: Тез. межд. шучк конф., Витебск, 3-4 окг. 1995 / Штебский гос. технол. уни-íepairer. - Ейтебас, 1995. - С. 152

7. Нэвый принцип построения прибора измерения эластрохинетических арактеристик для оптимизации управления процессами очистки сточных вод/ ХА Гринкж, ИФ. Кузьмицкий, RH Марцуль, ИО. Оробей // Современная тех-шка очистки воды Тез. докл. Всеукраинасой науч.- практич. конфер., Днепро-гетровск, 27-29 мая, 1997. - Д[ютропетровос«Пэроги».- 1997. - С.96-98.

8. Оптимизация управления процессами очистки сточных вод с помощью трибора измерения элжтрокинетических характеристик /ДА Гринкж, ИФ. СузтАшцкий, RH КЬрцуль, ИО. Оробей // Разработка импортозамещакщих технологий и материалов в химико-лесном компжксе: Об. докл Между:tap. на-At-TexH. конф., Минск, 27-28 окг. 1997. - С. 286-288.

9. Жарский С.Е, Гринкж ДА ГЬсггроение системы управления освехлите-км с использованием измерения ^-потенциала // Автоматический контроль и ав-гаматзация производственных процессов: Тез. междунар. науч.-техн. конф., vfahck., 22-25 сагг. 1998/ Белор. гос. технол университет. - Минск; 1998. - С. 95.

10. Гринкж ДА Численное исследование эффективности работы зтхрав-ляемого сяраштчителя та работу схемы синхронного детектирования //Автомагический контроль и автоматизация производственных процессов: Тез. междуЕир. науч.-техн. конф., Минск., 22-25 сент. 1998 / Белор. гос. текнол. университет. -Мннж, 1998. - С. 36-37.

11. Устройство для измерения элеюрокинетаческого нврамеггра диотерс-ной средыь /ДА Гринкж, ИФ. Кузшицкий, ВН Марцуль, И О. Оробей. ГЪда-жительное решение от 18.10.98 по заявке на патент РБ № 960315 от 24.06.96.

РЭЗЮМЗ

ГРЫШОК ДЗЬМГГРЫЙ АНАТОДЬЕВГЧ

АУТАМАТЫЧНАЕ ВЫМЯРЭННЕ ЭЛЕЮТАКШЕТЫЧНЬЖ УЛАСЦШАСЦЕЙ ГЩРЛДЫСПЕРСНЫХ С1СТЗМ

АУТ АХоАТЫ ЧНЛЕ РЭГУЛЯВАНЩ ДВАЙНЫ ЭЛЕКТРЫЧНЫ СЛОЙ (ДЭС),

ДЗТЭКГАР ТОКУ ЦЯЧЕННЯ, ВЫМЯРАЛЬНЫ ПЕРА^ТВАРАЛШК; КАЛО! ДНАЯ а<7ГЭМА. КТРУЕМЫ АБМЕЙГАЕАЛЬНПС АЧЫСТКА СГ01СА-ВЫХ ВОДАУ, 11АЛЭНЦЫЯЛ ЦЯЧЕННЯ, СХЕМА ЗАМЯ1ШЗШЯ, ТОКЦЯ-ЧЭННЯ, ХЛОР-СЯРЭБРАНЫЯ ЭЛЕКТРОДЫ, ЭЛЕКТРАЮНЕШЧНЫ ПАТЭН-

ЦЬ1ЯЛ,штэнцыял

Аб'ект даспздавання - вымяральны пераутваралылк электраюнетьишга вхэнцыялу (ЗКЦ).

Мэта праЩ)1 - даследаванне элясхраф^ачных з'я^, асайста электракше-

ычных, 1 пабудова на 1х ашове вымяратьннжау ЭКП ка]хлдиы:< асгемну; а жсама рашрацоука 1 дасследаванне мадэлау электракшешчных пераутвараль-акау 1 даследаванне новых метадау 1 структур устройствау, дазвалягачых вымя-гаць ^-пагэнцыял.

Цэапянавана ювафакацыя метадау 1 сродкну вымярэння ЭКП Прадстау-кны новы метад, устройства 1 схема для непарыунага выэначзння заряду па-1ерхн£од (электракшетычнага патапщшу) з выкарьхгганнем зрухавага патоку для 'твярзння пераменнага пагзнцькщ (тока) цячэння. № аснове элезктрагщрау-пчнай мадш эжктракшеяычных праиэссау раатрацавана методика вьшачэння нфарматыунага параметра нымярапьгакау ЭКП. Для распрацоува 1 разотку вымя->альнай схемы, ацэньвання яе уэдоеяння на працу першаснага эжпраинетыада-а пераутваральнка з мэтай мэгамзацьп х1бнаад, была раслрацавана схема за-.сзшчэння, заснаваная на феяамеиазЕП'лшй лнейиай тэрмадынам1чнай тэорьл гейварошых лрадассау з выкарьютаннем юнетычных ура^насну перзгюсу. 1Ь кзгове праведоенага актыунага эксггерымегпу зроблена колькасная ацэнка 1 яызначаны мзгчымыя варыяцьп параметра^ схем замяшчэння.

Вымяральная схема утрымппвае онхронпы дотсктар з збмежавальикам па ¿зроуню для змяншзння уздоеяння модных кораткнчасовых шпульшых памех 3 ¡ыкарьютаннем метада^ гарматчнага анализу праведаеиа л1чбавая ацэнка эффегс-сь^наад выкарыстання падобных абмежавапьтка^ ва ^мовах уздаеяння шзка-юстотных 1мпупьаяых памех

Вьпначаны эффект уздзеяння вызокачасготнага электрычнага поля на адчувальлыя электроды у залежнаад ад становшчаруяомага элемента

РЕЗЮМЕ

ГРИНЮК ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИДРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ, ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ (ДЭС), ДЕТЕКТОР ТОКА ТЕЧЕНИЯ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, КОЛЛОВДНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЯЕМЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ, ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ШТЕНЦИАЛ ТЕЧЕНИЯ, СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ, ТОК ТЕЧЕНИЯ, ХЛОР-СЕРЕБРЯНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ, ЭЛЕКТЮКИШШЧВСКИЙПОТЕН-

ЦИАД ¿¡-ПОТЕНЦИАЛ

Обьасг исследования - измерительный преобразователь элзорокинегшче-стаэго потенциала (ЭКП).

Цзль работы - иосшдование электрофизических явлений, в частности эяек-тракинехячесжих, и построение на их основе первичных преобразователей ЭКП коллоидных систем; а также разработка и исследование моделей элжтрокинети-чесхих преобразователей, новых методов и структур устройств, обеспечивающих измерение ¿¡-потенциала.

Цэедпюжеяа ювсафжация методов и средств измерения ЭКП Представляется новый метод , устройство и схема для непрерывного определения заряда поверхности (элжтрокинетического потенциала) используя сдвиговый: поток дан создания переменного потенциала (тока) течения. На основе элжтрогцнравличе-ской модели ачяарокинетических процеооов разработана методика определения информативного параметра преобразователей ЭКП Для разработки и расчета измерительных схем, оценки их влияния на работу первичного алзстрокинешче-ского преобразователя с целью минимизации погрешности была разработана схема замещения, основанная на феноменологической линейной термодинамической теории необратимых процессов с использованием кинетических уравнений пертоса № основании проведения активного эксперимента сделана количественная оценка и определены возможные вариации параметров схем замещения.

Измерительная схема содержит синхронный детектор с ограничителем по уровню для уменьшения влияния сильных кратковременных импульсных помех. С использованием методов гармонического анализа проведена численная оценка эффективности использования подобных ограничитежй в условиях действия низкочастотных импульсных помех.

Обнаружен эффект влияния высокочастотного элэсфичесгсого поля на увствительные электрода в зависимости от по-шженик подвижного элемснта

SUMMARY GRINYUK DMITRI АНАТОЛЬЕВИЧ

AUTOMATIC MEASUREMENT ELECTROKINETIC HYDRODISPERSIONAL SYSTEM CHARACTERISTICS

AUTOMATIC REGULATION, ELECTRICAL DOUBLE LAYER (DOUBLE AYER), STREAMING CURRENT DETECTOR, DETERMINING TRANSDUCER,

COLLOIDAL SYSTEM, OPERATED LIMTIEL, CLEAR OF SEWAGES, 5TREAMNG POTENTCAU SCHEME SUBSTITUTION, STREAMING CURRENT, SILVER-SILVER CHLORIDE ELECTRODES, ELECTROKINETIC POTENTIAL,

^-POTENTIAL

Object of study - determining transducer dectrolrinetic potential (EKP)

Purpose of work - dectrophysical phenomena study, in particular deciroki-eric, and binlding on their base of meters EKP colloidal system; as well as develop-lent and modd study dectrokineiic transducer and new method study aid structures f devices, ensuiemeasuiemait {¡-potential.

Offered categorisation of methods and facilities of measurement EKP. Ifcving ippeared a new method, device and scheme for the unceasing determination of Ьаще of surface (dectrokineiic potential) using shear flow for making a variable po-aitial (current) currents. On the base dedrochemical-hydraulic modds of dectroki-.etic process is designed methodics detesminalions informed parameter of meters KP. For the devdopment and calculation of measured schemes, evaluations of its in-iuence upon functioning (working) a primary dectrokineiic converter for the reason mmmislian inaccuracy, was designed scheme of substituting based on phenomenal ingle-line thermodynamic theory of inconvertible processes with use kinetic equa-ons of carrying. On the grounds of an mg an active experiment is made quantitative valuation and determined possible variation parameters of substituting schemes.

Measurement scheme is kept a synchronous detector with the limiter on Иге ivd for reducmg an influence of strong short pulsed hindrances. With using the nefhods of harmonic analysis is conducted numerical evaluation of effidency use irrrilar limiters in conditions of action low frequency pulse hindrances.

Discovered effect of influence of radio-frequency dectrical fidd on sensitive 'ectrodes depending on positions of piston

ГРИНКЗС ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

Автоматическое измерение злектрокинетических свойств пщродисперсньк систем

Оюциалыкхль 05.13.05 - Элементы и устройства вычислителшой техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических нвдж

печать 05.07.99, Формат 60*84 1/16

Бумагаофоепная. ГЬчать сгзогра£:кческа~ Услпеч.л 1,£2.

Уч-щц.^:..1,С. Тираж 90 экз. Зак. 350.

Белорусски:'' государственник университет инЗстаатЕет и радЕОслектг Отпечатано з 5ГГТ7. ЛЬттенззт Лл /"1153.