автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Бесконтактная кондуктометрия. Теория и эксперимент

РГ6 од

На правах рукописи

~ 6 Д В Г Ш8

Колесников Сергей Александрович

БЕСКОНТАКТНАЯ КОНДУКТОМЕТРИЯ. ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

Специальность 05.13.07. Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском Государственном Институте Электронной Техники (Техническом Университете).

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Никулин В.Б.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Бондаревский A.C.

кандидат технических наук, Облонский Л.В.

Ведущее предприятие: АО "АНГСТРЕМ"

Защита состоится "_" _ 1998 года на заседании

диссертационного совета Д.053.02.04 Московского Государственного Института Электронной Техники (Технического Университета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Отзывы на автореферат просьба отправлять по адресу: 103498, Москва, К-489, МИЭТ.

Автореферат разослан "_"_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Погалов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям емкостных бесконтактных кондуктометров и разработке методов их проектирования.

Актуальность проблемы

Измерители удельной электропроводности жидких сред применяются в качестве источника информации для оперативного контроля физико-химического состояния различных жидкостей в системе управления технологическими процессами в микроэлектронике, в частности при контроле удельной электропроводности деионизованной воды, используемой в производстве полупроводниковых пластин.

В настоящее время контроль удельной электропроводности жидких сред, используемых в производстве полупроводниковых пластин, производится с помощью контактных кондуктометров, опыт работы с которыми показывает наличие у них целого ряда недостатков, среди которых наиболее существенными являются следующие:

• невысокая точность измерения, вызванная загрязнением электродов в процессе эксплуатации измерителя;

• низкая надежность, обусловленная наличием гальванического контакта «жидкая среда - электрод»;

• отсутствие возможности измерения удельной электропроводности агрессивных сред из-за химических реакций протекающих в этом случае на поверхности электродов;

• необходимость регулярной отмывки электродов измерителя;

• сложность отмывки измерителя из-за наличия труднодоступных участков.

Кардинально решить все вышеперечисленные проблемы возможно лишь с помощью применения бесконтактных кондуктометров, которые несмотря на меньшую чувствительность по сравнению с контактными измерителями, превосходят их в точности и эксплуатационной надежности.

Кроме того, бесконтактные кондуктометры обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными контактными датчиками, а именно:

• возможностью бесконтактного контроля электропроводности агрессивных и токсичных жидких сред;

• полным исключением загрязнения датчика контролируемой жидкостью;

• исключением воздействия контролируемых сред на детали измерителя, и следовательно, изменения его характеристик;

• возможностью работы измерителя в широком диапазоне электропроводности, температур и давлений жидкости.

Несмотря на очевидные преимущества бесконтактных кондуктометров, до настоящего времени их применение было ограничено, глубокие научные исследования в этой области не проводились, отсутствовали методики оптимального проектирования таких измерителей.

Все вышеперечисленные причины ставят проблему разработки методов проектирования емкостных бесконтактных кондуктометров в ряд актуальных и своевременных.

В связи с изложенным представляется возможным сформулировать цель представленной работы.

Цель работы

Теоретические и экспериментальные исследования базовых конструкций емкостных бесконтактных кондуктометров и на их основе теоретическое построение функции преобразования бесконтактного кондуктометра, позволяющее создать методику его оптимального проектирования по критерию максимальной чувствительности.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов работы в целом обосновывается достаточным совпадением расчетных и экспериментальных данных, зафиксированных в протоколах испытаний бесконтактных кондуктометров ИУП-1 и ИУП-2т, проведенных в ОАО «Ангстрем».

На защиту выносятся:

• уравнение комплексной проводимости кондуктометрической ячейки, полученное на основе анализа эквивалентных электрических схем;

• уравнение функции преобразования емкостных бесконтактных кондуктометров с двумя и тремя электродами;

• оценка влияния конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра на функцию преобразования;

• алгоритм построения функции преобразования бесконтактного кондуктометра;

• методика оптимизации конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра по критерию максимальной чувствительности измерителя в данном диапазоне удельной электропроводности исследуемой жидкости.

Научная новизна

В работе впервые:

• проведено теоретическое построение функции преобразования емкостных бесконтактных кондуктометров с двумя и тремя электродами;

• определено влияние основных конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра на его функцию преобразования;

• разработана методика оптимизации конструктивно-технологических параметров кондуктометра по критерию максимальной чувствительности измерителя в данном диапазоне удельной электропроводности исследуемой жидкости.

Практическая значимость

• Инженерная методика оптимизации конструктивно-технологических параметров кондуктометра, доведенная до расчетных алгоритмов и программ, существенно сокращает объем экспериментальных и вычислительных работ.

• Созданная методика позволяет обосновать требования и рекомендации, реализованные в конкретных технических решениях, использование которых обеспечивает повышение чувствительности бесконтактного кондуктометра в данном диапазоне удельной электропроводности исследуемой жидкости.

• Разработанные в результате научных исследований расчетные методики и компьютерная программа построения функции преобразования и определения оптимальных конструктивно-технологических. параметров емкостных бесконтактных кондуктометров могут использоваться при проектировании и разработке измерителей удельной электропроводности жидких сред, используемых в производстве полупроводниковых пластин.

• Выявлены основные конструктивные параметры для емкостных бесконтактных кондуктометров, определяющие свойства создаваемого прибора.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 96» (Москва, 1996) и «Микроэлектроника и информатика - 98» (Москва, 1998).

Публикации

Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 3 статьях и 2 тезисах научных докладов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 98 страниц, текст иллюстрируется 34 рисунками и имеет 33 библиографические ссылки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приведен литературный обзор измерителей электрических параметров жидких сред и дана их классификация. Особое внимание уделено бесконтактным измерителям, которые подразделяются на импедансометрические, кондукгометрические и диэлькометрические. Отдельно рассмотрены трансформаторные, индуктивные, СВЧ, емкостные и комбинированные измерители.

Литературный обзор как отечественных, так и зарубежных источников показал, что до сегодняшнего дня в литературе мало внимания уделялось бесконтактным методам измерения электрических параметров жидких сред, в частности бесконтактному измерению удельной электропроводности жидкостей. В связи с этим, было проведено сравнение контактных и бесконтактных методов измерения удельной электропроводности жидкостей, которое показало преимущества последних.

Проведенный анализ тенденции развития бесконтактных средств контроля электрических параметров жидких сред показал:

• необходимость поиска новых материалов и технологий для высокостабильных покрытий электродов, в том числе тех, которые позволяют проводить измерения в экстремальных условиях;

• необходимость освоения СВЧ диапазона, и одновременное развитие измерителей (и соответствующих средств обработки информации) для многочастотного контроля состава многокомпонентных жидкостей;

• необходимость разработки комбинированных бесконтактных измерителей, совмещающих в себе два и более чувствительных элемента, воспринимающих различные электрические или неэлектрические (например, оптические, акустические) параметры исследуемой жидкости для получения более полной информации.

На основе проведенного анализа поставлены следующие задачи исследования:

1. построить эквивалентные электрические схемы замещения для двух- и трехэлектродных конструкций емкостного бесконтактного кондуктометра;

2. вывести уравнение комплексной проводимости бесконтактного кондуктометра на основе анализа эквивалентных схем;

3. вывести уравнение функции преобразования измерителя на основе анализа уравнения комплексной проводимости;

4. теоретически исследовать полученное уравнение функции преобразования бесконтактного кондуктометра;

5. определить влияние, • которое оказывают . основные конструктивно-технологические параметры кондуктометра на функцию преобразования;

6. разработать методику определения оптимальных конструктивно-технологических параметров бесконтактных кондуктометров по критерию максимальной чувствительности измерителя в данном диапазоне удельной электропроводности исследуемой жидкости;

7. экспериментально подтвердить теоретически полученные результаты.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию двух- и трехэлектродных конструкций бесконтактного кондуктометра емкостного типа (рис. 1), с целью теоретического построения функции преобразования, что дает возможность оптимизировать конструкционно-технологические параметры кондуктометра по критерию максимальной чувствительности.

С целью определения аналитических выражений, связывающих электрические параметры бесконтактного кондуктометра с удельной электропроводностью исследуемой жидкости, были построены эквивалентные электрические схемы для двух- и трехэлектродных конструкций, приведенные на рис. 2. Условные обозначения здесь имеют следующий смысл: С\ - емкость

Рис. 1. Конструкции бесконтактных кондуктометров: а) — с двумя электродами; б) — с тремя электродами

между двумя соседними электродами кондуктометра; С2 - емкость между

электродом и проводящей жидкостью; Я = — - активное сопротивление

а

исследуемой жидкости.

0-

,С2

Ю2 МС2

'С2

ч:

>

Ш пС >

-0

Рис. 2. Эквивалентные электрические схемы кондуктометров: а) - с двумя электродами; б) - с тремя электродами На основании анализа вышеприведенных эквивалентных схем выведено общее для двух- и трехэлектродных конструкций уравнение комплексного сопротивления кондуктометра, активная и реактивная составляющие которого связаны с удельной электропроводностью исследуемой жидкости:

Г=0+]В

а0*((и-1)соС2)2 (ла0*)2+((«-1)соС2У

+ /С0

+ -

п(п-\)(а0к)2С2

(/ю0к)2 +((и-1)соС2)

(1)

где а0 - удельная электропроводность исследуемой жидкости; п - число электродов (п = 2; 3); к - постоянная кондуктометра, равная отношению площади его поперечного сечения к длине активной зоны (зоны расположения электродов); со - круговая частота переменного напряжения, подающегося на электроды;

Из анализа формулы (1) были сделаны следующие выводы:

• величина активной составляющей проводимости О не зависит от С\ - емкости между двумя электродами кондуктометра;

• при уменьшении частоты питающего напряжения значение С уменьшается и в пределе при со -> 0 стремится к нулю;

• при увеличении частоты значение б увеличивается и в пределе при ш— стремится к значению электропроводности исследуемой жидкости а; Следовательно, активная составляющая проводимости емкостного кондуктометра всегда меньше электропроводности исследуемой жидкости, измеренной на низкой частоте контактным способом;

• зависимость О = / (а0) имеет экстремальный характер. Действительно, при ст0 -> 0 и при ст0 —> со активная составляющая О стремиться к нулю.

Для емкостных бесконтактных кондуктометров функцией преобразования является зависимость эквивалентной емкости измерительной ячейки от удельной электропроводности исследуемой жидкости.

Исходя из того, что эквивалентная емкость электрической схемы равна отношению модуля реактивной составляющей проводимости схемы к круговой частоте питающего напряжения, общее выражение для функции преобразования двух- и трехэлсктродных кондуктометров записывается в виде:

п(п-\)(а0к)2С2

(иаД)2+((«-1)соС2)2

(2)

Функция преобразования смкостпого бесконтактного кондуктометра

14

12

в 10

С

4

2

0,00 0,03 0,05 0,08 0,10 0,13 0,15 0,18 0,20 0,23 0,25

Удельная электропроводность жидкости, См/м

Из анализа формулы (2) и построенной на ее основе графической зависимости (рис. 3) были сделаны следующие выводы:

• при удельной электропроводности жидкой среды стремящейся к нулю (кондуктометр заполнен диэлектриком) эквивалентная емкость кондуктометра

• при удельной электропроводности жидкой среды стремящейся к бесконечности (кондуктометр заполнен электролитом) Сэ(ст0) стремиться к значению

• при увеличении частоты питающего напряжения кривая зависимости Сэ(а0) становится более пологой, т.е. при использовании Сэ(а0) в качестве функции преобразования кондуктометра, увеличение частоты приводит к расширению диапазона измерения удельной электропроводности исследуемой жидкости.

Емкость С| определяется по формуле, полученной методом конформных преобразований с использованием зеркальных отражений пластин относительно границ разнородных сред:

где е0 = 8,854187817-Ю"'2 пФ/м, 8| - относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей кондуктометр (материал корпуса), а б2 - относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого изготовлены стенки кондуктометра.

К и К' - полные эллиптические интегралы первого рода с модулями:

Сэ(а0) стремиться к значению (п - 1)С[;

К'

(3)

где а - ширина электрода; х - расстояние между соседними электродами.

Емкость С2 определяется по формуле:

где с/ - толщина стенок кондуктометра; г - внутренний радиус.

Максимальная чувствительность измерения удельной электропроводности исследуемой жидкости наблюдается в точке перегиба функции Сэ( ст0), определяемой по формуле:

Далее во второй главе был проведен анализ влияния конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра на функцию преобразования измерителя, на основе которого были сделаны следующие выводы:

• при увеличении расстояния между электродами форма функции преобразования не меняется, но смещается вниз параллельно оси ординат;

• на расширение диапазона и повышение чувствительности измерения, обусловленных тем, что кривая Сэ(аа) становиться более пологой и увеличивается разница между предельными значениями функции С,(сг0) при о0 —> 0 и при а0 -> аз, оказывают влияние следующие факторы:

=> увеличение ширины электродов кондуктометра; => увеличение внутреннего радиуса кондуктометра; => уменьшение толщины стенок кондуктометра; => увеличение диэлектрической проницаемости материала стенок.

Результаты исследований влияния конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра на функцию преобразования измерителя приведены па рис. 4, 5, 6, 7.

(6)

Функция преобразования кондуктометра при изменении расстояния меяеду электродами

Рис. 4

Функция преобразования кондуктометра при изменении ширины электродов

Функция преобразования кондуктометра при изменении толщины стенок ячейки

стенок, мм

Рис. б

Функция преобразования кондуктометра при изменении диэлектрической проницаемости материала стенок ячейки

Сэкв.

Диэлектрическая проницаемость

материала стенок ячейки

СУ 0, См/м

Проведено два вида сравнения функций преобразования двух- и трехэлектродных кондуктометров: 1) при одинаковой ширине активной зоны (зоны расположения электродов) и 2) при одинаковой ширине электродов и расстоянии между ними. На основе чего были сделаны следующие выводы: в первом случае большую чувствительность измерения имеют двухэлектродные конструкции, а во втором случае - трехэлектродные.

Третья глава посвящена автоматизации разработки конструкции емкостного бесконтактного кондуктометра, которая включает в себя алгоритм теоретического построения функции преобразования кондуктометра и методику определения его оптимальных конструктивно-технологических параметров по критерию максимальной чувствительности измерения удельной электропроводности исследуемой жидкости в заданном диапазоне.

Алгоритм построения функции преобразования кондуктометра приведен на

рис. 8.

Пример построения функции преобразования бесконтактного кондуктометра приведен на рис. 9.

Для достижения максимальной чувствительности измерения необходимо, чтобы точка перегиба функции преобразования находилась в середине заданного диапазона измерения. Для этого необходимо преобразовать формулу (6) к виду:

Полученное выражение используется в программе расчета оптимальных конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра.

Пример определения оптимального значения частоты напряжения, подающегося на электроды кондуктометра приведен на рис. 10.

Программа оптимизации конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра реализована в системе Excel, являющейся на сегодняшний день самой распространенной системой электронных таблиц.

с

3

Ввод исходных данных: ст„ - нижняя граница предполагаемого диапазона измерения, См/м ; ст„ - верхняя граница предполагаемого диапазона измерения, См/м ; п - число электродов кондуктометра; а - ширина каждого из электродов, м; х - расстояние между электродами, м\ (1 - толщина стенок кондуктометра, м; 6) - отп. днэл. проницаемость материала корпуса; £2 - отн. диэл. проницаемость материала стенок кондуктометра; /- частота напряжения, подающегося на электроды,' Гц.

I

к =

(а+х)

Т

Определение значения полного эллиптического интеграла К

к' = л/1-к2

1

Определение значения полного эллиптического интеграла К'

о.-а^

10

К'

С| = Е0(Е ,+Б2)—2П(г + <*) К.

п - 1)д

С, = 2я -

1п 1 + -

{па0к)2 +((п-\)2ъ/Сг) I

Построение графической зависимости Сэ(ст„)

нет

/ Вывод результатов ~1

С

конец

3

па +

Рис. 8. Алгоритм построения функции преобразования кондуктометра

Построснне функции преобразования бесконтактного кондуктометра

Исходные данные:

Нижняя граница предполагаемого диапазона измерения 0 См/м

Верхняя граница предполагаемого диапазона измерения 0,03 См/м

Число электродов измерительной ячейки 3

Ширина первого (крайнего) электрода, А 0,025 м

Ширина второго (центрального) электрода, В 0,05 м

Расстояние между электродами, х 0,02 м

Внутренний радиус измерительной ячейки, г 0,009 м

Толщина стенок измерительной ячейки, <1 0,003 м

Отн. диэл. проницаемость материала корпуса, Е1 1,2

Отн. диэл. проницаемость материала стенок ячейки, Е2 3

Константа, Ео 8,9Е-12 Ф/м

Частота напряжения, подающегося на электроды 600 000 Гц

Результат:

Функция преобразования кондуктометра

Уд. электропроводность измеряемой жидкости, См/м

Определение оптимального значения частоты напряжения, подающегося на электроды бесконтактного кондуктометра

Исходные данные:

Нижняя граница предполагаемого диапазона измерения 0 См/м

Верхняя граница предполагаемого диапазона измерения 0,03 См/м

Число электродов измерительной ячейки (2 или 3) ■ 3

Ширина каждого из электродов 0,025 м

Расстояние между электродами 0,02 м

Внутренний радиус измерительной ячейки 0,009 м

Толщина стенок измерительной ячейки 0,002 м

Отн. диэл. проницаемость материала стенок ячейки 3

¡Электрическая постоянная 8.854Е-12 Ф/м

Результат: Д 660 077 | Гц

Рис. 10.

Четвертая глава посвящена экспериментальному подтверждению данных, теоретически полученных во второй и третьей главах диссертационной работы. Проведено описание аппаратного и программного обеспечения экспериментальных исследований, проведенных экспериментов, полученных результатов и их сравнение с теоретически полученными данными.

Экспериментальные исследования проводились с использованием двухэлектродного бесконтактного кондуктометра емкостного типа ИУП-1, разработанного на кафедре САУиК МИЭТ.

Для экспериментальных исследований в качестве стандартных растворов, воспроизводящих удельную электропроводность, согласно международным рекомендациям МР-56, были выбраны растворы хлористого калия.

Экспериментально была построена функция преобразования бесконтактного кондуктометра и проведено ее сравнение с теоретически полученной характеристикой (рис. 11). Расхождение составило не более 5%.

1.2Е-11 1Е-11 8Е-12 6Е-12 4Е-12 2Е-12 О

Функция преобразования кондуктометра, построенная экспериментально и теоретически

1

; I—о—расчет !

;-Эксперимент;;

1 ! ' '

Уд. электропроводность измеряемой жидкости, См/,м Рис. 11.

Были проведены эксперименты по оценке влияния на величину эквивалентной емкости бесконтактного кондуктометра его конструктивно-технологических параметров, в частности, расстояния между электродами.

Результаты такого исследования и сравнение их с теоретически полученными данными приведены на рис. 12. Как можно убедиться из графика, расхождение между ними составило не более 5%.

Зависимость Сэкв. от расстояния меяеду электродами

1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

6 8 10 12 14 16 Расстояние между электродами, мм

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) выведено уравнение комплексной проводимости емкостных бесконтактных кондуктометров с двумя и тремя электродами на основе анализа эквивалентных электрических схем;

2) выведено уравнение функции преобразования емкостных бесконтактных кондуктометров с двумя и тремя электродами на основе анализа уравнения комплексной проводимости;

3) проведен анализ влияния конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра на функцию преобразования измерителя;

4) получено математическое выражение, используемое для определения оптимальных конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра по критерию максимальной чувствительности измерителя;

5) разработан алгоритм теоретического построения функции преобразования емкостного бесконтактного кондуктометра;

6) разработана методика оптимизации конструктивно-технологических параметров емкостного бесконтактного кондуктометра по критерию максимальной чувствительности измерителя в данном диапазоне удельной электропроводности исследуемой жидкости.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Никулин В.Б., Демкин В.И., Колесников С.А. Двухканальныи бесконтактным кондуктометр

М: «Электроника - наука, технология, бизнес» 1996г. № 5-6. стр. 30-32

2. Никулин В.Б., Колесников С.А.

Математическое моделирование при разработке датчиков бесконтактной высокочастотной кондуктометрии

М: «Приборы и системы управления» 1998г. № 2. стр. 43-44

3. Колесников С.А.

Совершенствование информационно-управляющей системы технологических процессов

М: «КомпьЛог» 1998г. № 2. стр. 25-27

4. Колесников С.А.

Решение проблемных вопросов разработки систем бесконтактной кондуктометрии

Тезисы доклада на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 96». МИЭТ 1996. стр. 138.

5. Колесников С.А.

Построение метрологической характеристики и определение оптимальных параметров бесконтактного кондуктометра

Тезисы доклада на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 98». МГИЭТ 1998. стр. 129