автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Фазовая кондуктометрия в элементах и устройствах управления технологическими процессами нанесения гальванических покрытий

УДК 543.55

На правах рукописи

Липчанский Анатолий Алексеевич

ФАЗОВАЯ КОНДУКТОМЕТРИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ И УСТРОЙСТВАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ

ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05. 13. 05. - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Петропавловск 2004 год

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Северо-Казахстанского Государственного университета м. М. Козыбаева.

доктор технических наук, профессор Свинцов В.Я.' доктор технических наук, академик РАЕН, профессор Есауленко В.Н кандидат технических наук Свечников Ю.К.

Ведущая организация - ФГУП Омский

приборостроительный завод им. Н. Г. Козицкого.

Защита состоится « 25 » июня 2004 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д-307. 001.01 при Астраханском государственном техническом университете по адресу 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу в 1 экземпляре.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

АГТУ.

Автореферат разослан « 24 » мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф. г.а. Попов

Научный руководитель: -Официальные оппоненты: -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективная работа систем управления технологическими процессами существенным образом зависит от количества и степени совершенства первичных преобразователей, используемых в системах. По данным исследования «Автоматизация процессов 2006» проведенного швейцарской фирмой Intechno-Consulting (г. Базель), следует ожидать увеличение объема рынка первичных преобразователей с 73,7 млрд. марок в 1996 г. до 112 млрд. марок в 2006 г. Столь существенное увеличение объема продаж этого сектора рынка прогнозируется в первую очередь за счет увеличения производства новых, более совершенных элементов систем управления, а так же возросшего интереса ученых и инженерно - технических работников производственного сектора к проблеме разработки и производства высокоточных, быстродействующих и высокочувствительных первичных преобразователей.

Особую остроту эта проблема имеет, в частности, для гальванического производства, отличительной особенностью которого является то, что гальваническим работам подвергаются 100% деталей конструкций механизмов и машин, а так же до 80% деталей инструмента и оснастки, предназначенных для изготовления деталей. Все это привело к тому, что контрольно - измерительные операции оценки качества нанесения гальванических покрытий стали сегодня одними из основных и составляют более 40% от трудоемкости гальванических работ. Одним из методов их уменьшения является автоматизация контрольных операций. В связи с вышеизложенным, проблема разработки первичных преобразователей для систем управления гальванического производства и повышения на этой основе эффективности контроля качества и управления качеством нанесения гальванических покрытий является актуальной.

В результате анализа известных методов установлено, что решение проблемы может быть найдено на основе совершенствования и дальнейшего развития электрических методов анализа, в частности - на базе разработки нового фазового кондуктометрического метода.

Работа выполнялась в рамках:

-Договора «Разработка фазового метода анализа концентрации пищевых продуктов и биосырья» между академией наук Каз. ССР и Семипалатинским технологическим институтом мясной и молочной промышленности с 1992 по 1994 г.г.;

- Республиканской программы-«Качество» на 2000-2005 годы, утвержденной постановлением Правительства Республики Казахстан от 2 мая 2001 года № 590;

- Договора, о техническом сотрудничестве между ОАО «ПЗТМ» и СКГУ с 1998 по 2002 г.г.

- Генерального соглашения о научном и научно-техническом сотрудничестве между АкиматОхМ СевероКазахстанской области, Национальной академией наук Республики Казахстан, Северо-Казахстанским Государственным университетом и Министерством образования и науки Республики Казахстан;

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка первичного преобразователя анализатора изменения концентрации веществ, на основе дальнейшего развития теории электрических методов анализа,- для систем управления технологическим процессом нанесения гальванических покрытий. Поставленная цель была достигнута путем анализа и обобщения научно-технических источников по методам и средствам контроля физических характеристик веществ; экспериментального исследования механизма процесса взаимодействия электрического поля измерительной ячейки с веществом; разработки теоретических основ нового фазового метода контроля концентрации веществ; аналитического и экспериментального исследования электрического поля измерительной ячейки первичного преобразователя; разработки

конструкции и электрической схемы фазометрического анализатора изменения концентрации технологических растворов; определения норм предельно допустимых значений изменения концентрации растворов, при которых обеспечивается заданный уровень качества нанесения гальванических покрытий.

Научная новизна работы. Разработаны теоретические основы кондуктометрического фазового метода экспресс-анализа концентрации веществ, обеспечивающего высокую чувствительность, объективность и достоверность оценки. Предложен графо - аналитический, метод определения электрофизических свойств веществ, позволяющий учесть влияние поляризационных эффектов. Разработана математическая модель электрического поля измерительной ячейки первичного преобразователя со сложной электродной системой, позволяющая определить оптимальные размеры ячейки. Получены экспериментальные данные по электрофизическим свойствам технологических растворов, используемым в гальваническом производстве. Определены рациональные, предельно - допустимые нормы уменьшения концентрации технологических растворов, при которых обеспечивается заданный уровень качества нанесения гальванических покрытий.

Методы исследования. При разработке теории фазометрического метода анализа концентрации веществ использованы фундаментальные законы теории электромагнитного поля. Теоретические исследования распределения электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов проводились методом математического моделирования. Аналитические расчеты электрического поля межэлектродного объема измерительной ячейки со сложной системой электродов осуществлены методом, основанном на использовании интеграла Кристоффеля-Шварца. Для оценки результатов теоретических исследований использован метод физического моделирования электрического поля в электролитической ванне. При обработке

экспериментальных данных и разработке конструкции использованы методы математической статистики, а так же пакеты готовых программ.

Практическая значимость. Практическая значимость выполненной работы заключается:

- в разработке теоретических основ кондуктометрического фазового метода экспресс-анализа концентрации веществ;

- в определении предельно-допустимых норм изменения концентрации технологических растворов;

- предложен графо-аналитический метод определения электрофизических характеристик веществ;

- в практической реализации проведенных исследований;

- в разработке первичного преобразователя фазового анализатора концентрации, обладающего повышенной фазовой чувствительностью, высокой точностью и быстродействием;

- в разработке и изготовлении фазового анализатора изменения концентрации технологических растворов для гальванического производства;

в разработке схемы активного контроля технологического процесса нанесения гальванических покрытий.

Разработанные и изготовленные измерительная ячейка и фазовый анализатор изменения концентрации внедрены на Петропавловском заводе тяжелого машиностроения, экономический эффект от внедрения составляет 288,0 т. рублей, что соответствует уменьшению затрат гальванических покрытий 1 м2 толщиной 9 мкм на 6,5 рублей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель электрического поля измерительной ячейки первичного преобразователя, с многоэлектродной системой;

2. Результаты физического моделирования в электролитической ванне распределения электрического поля межэлектродного объема кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов;

3. Теоретические основы фазометрического метода анализа концентрации веществ;

4. Сравнительная оценка чувствительности фазометрического и амплитудного методов анализа концентрации веществ;

5. Графоаналитический метод определения электрофизических характеристик веществ;

6. Рациональные, с точки зрения обеспечения заданного уровня качества гальванических покрытий, предельно -допустимые нормы изменения концентрации технологических растворов;

Апробация работы. Основные положения и результаты работы изложены и обсуждены на Международной, конференции «Процессы и аппараты химической технологии -«ПАХАТ - 2001» (Шимкент,2001); Международной научной конференции «10-летие суверенного Казахстана: история и перспективы развития » (Петропавловск, 2002); Молодежной международной конференции «Молодежь XXI веку» (Петропавловск,2003); Макет фазового анализатора изменения концентрации демонстрировался на национальной выставке, посвященной году Казахстана в России (Москва,2003).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах. По результатам работы оформлена заявка на изобретение (№2003/0893.1).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений, содержит 132 страницы основного текста, в том числе 18 рисунков, 32 таблицы и 13 графиков. Список использованных источников включает 132 наименования работ.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цели и методы исследования, доказаны научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные положения теории и техники электрических методов, анализа, основанных на зависимостях изменения характеристик электромагнитного поля измерительной, ячейки первичного преобразователя анализатора от структуры, состава и физических свойств веществ. Исследование свойств электромагнитного поля и процессов его взаимодействия с. веществом базируется на использовании универсальных уравнений Максвелла, которые дополняются следующими соотношениями между векторами

(1) (2)

(3)

- плотность тока напряженность Б -относительная

где Н -проводимости; электрического

напряженность магнитного поля; Б - _ электрическая индукция ;Е поля; В - магнитная индукция;

диэлектрическая постоянная; Ц магнитная постоянная;

диэлектрическая проницаемость;

относительная магнитная проницаемость; 110 удельная проводимость.

В результате проведенных исследований установлено, что наибольшее распространение получили электрические методы, среди которых преобладают кондуктометрические методы анализа (таблица 1). Несмотря на простоту и достаточную точность, кондуктометрические методы анализа обладают рядом существенных недостатков, главным из которых является необходимость определения с помощью эталонных растворов, электрофизические характеристики которых известны, константы измерительной ячейки:

11=А/5э, (4)

где Я — измеренное сопротивление ячейки с веществом; 5Э — удельная проводимость; А — константа ячейки.

А=Ш=5э11

(5)

Необходимость определения константы ячейки делает невозможным применение существующих кондуктомеров для проведения непрерывного экспресс - аннализа и, следовательно, невозможным их использование в управлении технологическим процессом.

Таблица 1

Классификация электрических методов анализа веществ

Из таблицы 1 также следует, что расширение возможностей электрических методов анализа веществ невозможно без использования и других характеристик электрического поля кондуктометрической ячейки, например фазы

электромагнитного колебания. С учетом-изложенного, а так же из-за недостаточности сведений о теории электрического фазового метода анализа веществ и механизмов взаимодействия электрического поля с веществом, определены цели и задачи настоящих исследований.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с основами теории кондуктометрических методов анализа веществ. Доказано,. что задача конструирования идеальной кондуктометрической ячейки не может быть решена простым уменьшением геометрических размеров и межэлектродного расстояния, так как. в этом случае, возрастает влияние на результаты измерений паразитных факторов. Предложен вариант применения дополнительных, так называемых защитных электродов, от схемы включения которых, зависит равномерность поля внутри кондуктометрической ячейки (рисунок 1), где на основные электроды подается напряжение Ш, а на защитные, независимо от основных, Ц2.

Рисунок 1 Кондуктометрическая ячейка с основными и защитными электродами

В связи с отсутствием работ, посвященных исследованию характеристик электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов, была выполнена задача нахождения теоретического решения данной проблемы.

В результате математических вычислений и. преобразований были получены расчетные формулы для потенциала и напряженности электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов (6-8)

им = иг Z + ^j^J,

sin •« " j (7)

[Я .Я . TlL V >n , 2 л

cos — ych —x + ch — +■ sin —у -sh' —x h h 2h) h h

£«2 Sln г J ysh' ^ X + ^m • sh + Em I " + Em cos ~ych ^ * Jcos • ch + c/i j (8)

' ( л f 11 . V 2 Я . 2 *

cos—y-ch—x + ch— +sin —ysh —x { h h 2 h) h' h

Используя данные выражения были проведены аналитические исследования характеристик, электрического поля кондуктометрической измерительной ячейки со сложной системой электродов, как при синфазном питании основных и защитных электродов, так и при-заземлении последних, так как в этом случае можно значительно упростить измерительную схему анализатора. Результаты исследований представлены на рисунках 2 и рисунке 3.

Исследования показали, что условие однородности электрического поля измерительного объема

кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов может быть выполнено как при синфазности питания основных и защитных электродов, так и при заземлении последних.

Для оценки достоверности теоретических исследований было проведено моделирование электрического поля в электролитической ванне.

Схема установки изображена на рисунке 4.

1 - электролитическая ванна;

2 - основные электроды;

3 - защитные электроды;

4 - зонд;

5 - генератор;

6 - магазины сопротивлений;

7 - вольтметр.

Рисунок 4 Установка для моделирования электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов

Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических выводов (рисунок 5).

Рисунок 5 Теоретические (сплошная линия) и экспериментальные значения эквипотенциалей электрического поля межэлектродного объема

Полученные теоретические и экспериментально подтвержденные результаты позволили сделать вывод о том, что эффекта, подобного применению защитных электродов, можно добиться, если ограничить размеры электродной системы кондуктометрической ячейки диэлектрическими стенками.

Конструкция такой ячейки изображена на рисунке 6.

1. Корпус из диэлектрика;

2. Подвижный- электрод;

3. Распределение поля " внутри ячейки;

4. Отрезание краевых эффектов;

5. Неподвижный электрод.

Рисунок 6 Распределение электромагнитного поля в предлагаемой кондуктометрической ячейке.

Результаты исследований показали, что предлагаемая конструкция кондуктометрической ячейки обеспечивает измерение эффективной площади ячейки, а через нее и постоянную ячейки с точностью не хуже 3% (рисунок 7).

0,25 0,5 ■ 0,75 1,0

Рисунок 7 Изменение Бэф от величины концентрации при L=10мм для KCl

Основная задача проведенных исследований заключалась в оценке эффективности использования фазы гармонического колебания в качестве носителя информации о величине концентрации исследуемого вещества. В результате

математической проработки были получены следующие выражения:

(9)

(10) (И) (12)

из которых следует, что фазометрический метод анализа веществ обеспечивает оценку величины концентрации исследуемого вещества одновременно по трем параметрам: электропроводности, диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь, что значительно повышает достоверность и объективность оценки.

Кроме того, как показывает фазовые характеристики фазометрического метода анализа (рис. 8) крутизна фазовых характеристик, а, следовательно, и чувствительность мостовой измерительной схемы может быть очень большой, что подтверждено сравнительной оценкой амплитудной и фазовой чувствительности.

Рисунок 8 Фазовые характеристики неравновесного моста переменного тока

15

С этой целью были получены следующие выражения для последовательной схемы замещения (13-15) и параллельной (1618):

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

Результаты анализа амплитудной и фазовой чувствительности представлены на рисунке 9.

Как видно из графика рисунка 9 чувствительность по напряжению имеет ограничение по верхнему пределу и весьма невысока, в то время как чувствительность по фазовому сдвигу может быть значительно увеличена путем изменения величины реактивного сопротивления или рациональным конструированием кондуктометрической ячейки.

В третьей главе рассмотрены результаты аналитических и экспериментальных, исследований' фазометрического метода анализа веществ, для чего была собрана измерительная установка (рисунок. 10), в основу которой положена мостовая измерительная схема с повышенной фазовой чувствительностью.

В качестве модельных растворов были использованы растворы хлористого калия различной концентрации.

1. Генератор;

2. Блок индикации;

3. Осциллограф;

4. Мостовая измерительная схема;

5. Вольтметр:

Рисунок 10 Блок-схема измерительной установки для

экспериментальных исследований фазометрического метода анализа веществ

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем: раствор хлористого калия заливался в

кондуктометрическую ячейку, осуществлялась балансировка мостовой измерительной схемы, фиксировалась величина.

подстроечного сопротивления R2 и величина фазового сдвига. Все последующие измерения проводились при увеличении межэлектродного расстояния на 5 мм, при этом каждый раз схема приводилась в состояние равновесия. Результаты экспериментальных исследований» приведены в таблице 2. Используя экспериментальные данные величины фазового сдвига подстроечного сопротивления определялись

расчетные значения величины активной и реактивной составляющей комплексного сопротивления

кондуктометрической ячейки с веществом и величина угла диэлектрических потерь по формулам:

(19)

(20)

(21) (22)

(23)

Результаты расчета также приведены в таблице 2.

График функциональной зависимости активной и реактивной составляющих от межэлектродного расстояния приведен на рисункеИ.

Оценка результатов экспериментальных исследований подтверждает теоретические, выкладки и правильность представлений и допущений, принятых при разработке фазометрического метода анализа веществ.

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований электрических характеристик кондуктометрической ячейки с раствором хлористого калия фазометрическим методом

Концентрация, моль/л Длина ячейки, 10'2 м Сопротивление, Я2, Ом Напряжение и2 Фазовый сдвиг, <р, Град. Расчетные значения характеристик

Схемы замещения вещества

Параллельная Последовательная

Я, Ом х« Ом без попр. с попр я, Ом х« Ом

1,0 0,5 3,0 0,29 84 3,2 10,9 3,37 11,98 2,96 0,87

1,0 0,71 164 6,2 27,7 4,46 8,77 5,91 1,32

2,0 1,2 174 12,0 61,4 5,13 7,32 11,5 2,25

3,0 14,0 0,26 146 17,5 118,6 6,76 8,27 17,2 2,54

4,0 23,0 0,14 84 23,6 168,4 7,15 8,27 23,1 3,23

5,0 0,29 153 30,0 223,5 7,45 8,33 29,5 3,97

0,1 0,5 27 0,17 88 27,5 60,0 2,17 21,61 26,7 3,70

1,0 0,63 172 51,6 530,8 10,3 20,59 51,2 4,49

2,0 103 0,07 83 104,1 1496,8 14,4 19,46 103,6 7,21

3,0 0.39 171 152,4 2402,0 15.8 19,23 151,8 9,63

4,0 0,15 157 204,7 3472,0 17,0 19,55 204.0 12,0

5,0 0,36 171 255,3 4386,7 17,2 19,25 254,5 14,8

Хс, Ом Я, Ом

750

Рисунок 11 График зависимости Я = и Хс = Д1) для 0,1-молярного раствора КС1 (СО = 46,0 кГц)

В четвертой главе представлены результаты

конструкторской проработки фазометрического анализатора

изменения концентрации веществ с учетом специфики гальванического производства.

Так как технологический процесс нанесения гальванических покрытий определяется только видом покрытия и не зависит от покрываемой поверхности деталей и их назначения, а состав технологических растворов для каждого вида покрытия постоянен, сделан вывод, что задача управления качеством нанесения гальванических покрытий сводится к оценке и поддержанию концентрации технологических растворов в состоянии, близком к исходному или обеспечению отклонения величины концентрации не превышающей заданных пределов.

С учетом изложенного, разработаны структурная и

электрическая схемы макета фазового анализатора изменения концентрации веществ, на их основе изготовлен и испытан макет. По результатам испытания макета фазового анализатора изменения концентрации веществ установлены пределы изменения концентрации технологических растворов,

обеспечивающие гарантированный уровень качества нанесения гальванических покрытий (рисунок 12), которые для технологических растворов подготовки поверхности составляют 25-27%, а для технологических растворов нанесения цинкового покрытия 17-19% от исходного значения, предусмотренного типовым технологическим процессом.

Рисунок 12 Графики зависимости изменения качества подготовки поверхности и нанесения покрытия от изменения концентрации

Экспериментально полученные рациональные, с точки зрения обеспечения заданного уровня качества, предельно допустимые нормы изменения концентрации технологических растворов могут служить хорошей базой для разработки автоматизированных систем управления технологическим процессом нанесения гальванических покрытий.

Принимая во внимание алгоритм процесса управления качеством подготовки поверхности и нанесения гальванических покрытий предложено, как один из вариантов, следующая схема управления (рисунок 13).

1

Щ) Блок принятия решений Объект управления (технологический процесс) Хф(»)

а;

Блок оценки А Эталонная модель Хэ(1) |

Рисунок 13 Схема сравнения с эталрнной моделью

Предлагаемая схема относится к системам управления с эталонной моделью.

В качестве эталонной модели может использоваться как первоначальное значение величины концентрации, так и «эталонный» раствор. Предлагаемый вариант управления качеством нанесения гальванических покрытий можно рассматривать как вариант активного контроля. Схема использования активного контроля в технологическом процессе нанесения гальванических покрытий представлена на рисунке 14.

Алгоритм технологического процесса по базовому варианту

1 - Удаление недоброкачественного покрытия

2- Обезжиривание химическое

3- Травление химическое

4- Нейтрализация

5- Активация

6- Цинкование электрохимическое

7- Операционный контроль

8- Лабораторный анализ концентрации раствора

Алгоритм технологического процесса по новому варианту

1- Активный контроль концентрации раствора

2- Обезжиривание химическое

3- Травление химическое

4- Нейтрализация

5- Активация

6- Цинкование электрохимическое

Рисунок 14 Схема использования активного контроля в технологическом процессе нанесения гальванических покрытий

В приложениях приведены: схема электрическая принципиальная и перечень элементов, конструктивное исполнение макета фазового анализатора изменения концентрации веществ, протоколы и акт испытаний макета

фазового анализатора изменения концентрации, расчет экономической эффективности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные, научные выводы и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Проведены аналитические исследования однородности электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов;

2. Разработана математическая модель электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов;

3. Разработан графоаналитический метод определения электрофизических свойств веществ;

4. Разработаны теоретические основы кондуктометрического фазового метода анализа веществ;.

5. Получены экспериментальные данные электрофизических свойств технологических растворов нанесения гальванических покрытий;

6. Определены рациональные, с точки зрения обеспечения заданного уровня качества гальванических покрытий, предельно - допустимые нормы изменения концентрации технологических растворов;

Разработанные и изготовленные измерительная ячейка и, фазовый анализатор изменения концентрации внедрены на Петропавловском заводе тяжелого машиностроения.

Основные идеи и содержание диссертации изложены в следующих работах:

1. Svintzov V.Y., Lipchanskiy A.A. Study of electrical metod of atomizing food products //38 The icomst, France, cerat 1992. - 8 с

2. Свинцов В.Я., Липчанский А.А. Разработка автоматизированных экспресс методов анализа количественных и качественных характеристик пищевых продуктов.// Отчет СТИММП по НИР. Алма-Ата, 1993. - 98 с.

3. Липчанский А. А. Аналитические исследования модернизированного первичного преобразователя анализатора

» 12 8 4 5

веществ. Караганда, Автоматика - информатика. - 2000 -№1, 2 -С.117-121.

4. Липчанский А.А., Свинцов В.Я., Липчанский А.А., Тукачев А.А. Теоретические основы электрохимического фазового метода анализа концентрации многокомпонентных веществ // Международная молодежная конференция «Молодежь XXI веку» Петропавловск, 2003. - С. 84 - 87.

5. Свинцов В. Я., Липчанский А. А., Тукачев А. А. Фазовая кондуктометрия в системах автоматического управления технологическими процессами подготовки поверхности и нанесения. покрытий Северо-Казахстанский ЦНТИ. Петропавловск, 2003. - 2 с.

6. Липчанский А. А. Основные теоретические положения расчета электрического поля кондуктометрической измерительной ячейки. Алматы, сборник статей Каз. НТУ, -2003.-С. 256-260.

7. Липчанский А. А. Основные теоретические положения аналитического расчета потенциала и напряженности электрического поля кондуктометрической измерительной ячейки. Барнаул, Вестник АГАУ. - 2003. - №4 - С. 168 - 172.

8. Липчанский А. А. Экспериментальные исследования нового кондуктометрического метода анализа веществ. Павлодар, Наука и техника Казахстана - 2004. - №1 - С. 71 - 76.

9. Свинцов В.Я., Липчанский А.А., Тукачев А.А. Оценка чувствительности фазового анализатора концентрации веществ. Москва, Датчики и системы. - 2004. - №3 - С. 34 - 35

10. Свинцов В. Я., Липчанский А. А., Тукачев А. А. Теоретические основы электрохимического фазового метода анализа веществ. Екатеринбург, Вестник - УГТУ - УПИ. - 2004. -№5-С. 219-224.

Введение

Основная часть

1 Основные положения теории и техники электрических методов анализа веществ

1.1 Физические основы электрических методов анализа веществ

1.2 Классификация электрических методов анализа веществ

1.2.1 Классификация кондуктометрических методов анализа веществ

1.2.2 Основы моделирования электрических свойств веществ

2 Основы теории кондуктометрических методов анализа веществ

2.1 Некоторые проблемные вопросы контактной кондуктометрии

2.2 Основные теоретические положения аналитического расчета потенциала и напряженности электрического поля кондуктометрической измерительной ячейки

2.3 Исследование характеристик электрического поля кондуктометрической измерительной ячейки со сложной системой электродов

2.4 Моделирование электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов

2.5 Теоретические основы электрохимического фазового метода анализа концентрации вещества

2.6 Расчет чувствительности фазометрического метода анализа веществ

2.7 Аналитический расчет и модельные экспериментальные исследования определения электрофизических характеристик веществ по фазометрическим методом

3 Экспериментальные исследования фазометрического метода анализа веществ

3.1 Экспериментальные исследования модернизированной кондуктометрической ячейки анализатора веществ

3.2 Экспериментальные исследования механизма процессов взаимодействия электрического поля с веществом фазометрическим методом анализа

4 Разработка схемы и конструкции фазового анализатора изменения концентрации

4.1 Разработка структурной схемы фазового анализатора изменения концентрации

4.1.1 Выбор структурной и электрической схемой блоки генератора

4.1.2 Выбор структурной и электрической схемы блока датчика

4.1.3 Выбор структурной и электрической схемы блока оценки изменения фазы

4.1.4 Выбор структурной и электрической схемы блока отображения информации

4.1.5 Выбор структурной и электрической схемы блока питания

4.2 Разработка конструкции фазового анализатора изменения концентрации

4.3 Правила пользования прибором

4.4 Методика и результаты эксперимента

4.5 Управление качеством нанесения гальванических покрытий 121 Заключение 124 Список использованных источников 126 Приложения

А Схема электрическая - принципиальная фазового анализатора изменения концентрации

Б Конструктивное исполнение фазового анализатора изменения концентрации

В Результаты заводских испытаний фазового анализатора изменения концентрации

Программа проведения заводских испытаний макета фазового анализатора изменения концентрации

Протокол испытаний фазового анализатора изменения концентрации растворов для установления допустимых норм изменения концентрации растворов при подготовке поверхности деталей под гальваническое покрытие

Протокол испытаний фазового анализатора изменения концентрации растворов для установления допустимых норм изменения концентрации растворов при нанесении гальванического покрытия (цинк - 9 мкм)

АКТ заводских испытаний фазового анализатора изменения концентрации

Г Оценка экономической эффективности применения фазового анализатора изменения концентрации

Г1 Оценка трудоемкости гальванических покрытий

Г2 Расчет экономической эффективности от внедрения фазового анализатора изменения концентрации при нанесении цинкового покрытия

Наметившаяся в последние годы тенденция увеличения производства промышленной продукции позволяет сделать вывод о том, что в самое ближайшее время перед товаропроизводителями встанут реальные задачи продвижения их продукции на рынки стран ближнего и дальнего зарубежья. Однако уже сегодня решение этой задачи сопряжено с определенными трудностями, заключающимися в первую очередь, в их низком качестве. Для решения проблемы конкурентоспособности и улучшения качества продукции необходимо повышение технического уровня разработок при создании продукции, а так же внедрение передовых технологий и совершенствование методов испытаний и контроля продукции при ее изготовлении [1].

Согласно [2.3] качество - это комплексное понятие, характеризующее все стороны деятельности предприятия, где важнейшей ее составной частью является качество готовой продукции, при этом конечный результат определяется качеством работы на предыдущих этапах. Исходя из сказанного следует, что решение проблемы качества в конечном итоге сводится к повышению эффективности технологических процессов, при этом проблемы качества заложены на самых ранних стадиях технологической цепочки изготовления продукции.

Проанализировав работу ведущих предприятий г. Петропавловска, нами были выбраны (таблица № 1) десять видов работ, наиболее полно характеризующих готовую продукцию этих предприятий.

Таблица 1 - Основные виды работ, выполняемые при изготовлении продукции п/п Вид работ Доля в общем объеме

1 Заготовительные работы 3%

2 Штамповочные работы 5%

3 Механическая обработка 8%

4 Гальванические работы 12%

5 Литье 2%

6 Переработка пластмасс 10%

7 Лакокрасочные работы 5%

8 Сборочно-монтажные работы 20%

9 Сборочные работы 20%

10 Регулировочные работы 15%

Итого 100%

Из представленных в таблице 1 видов работ наибольший интерес, с точки зрения проблемы качества, представляют гальванические работы или гальваническое производство. Гальваническому производству, в силу его специфики, присущи особые признаки, которые выделяют его среди других видов работ [4-10]. Гальваническим работам подвергается 100% наименований деталей, входящих в готовую продукцию и 80% деталей инструмента и оснастки (штампы, формы, пресс-формы), используемых при изготовлении продукции.

Объем производства гальванических покрытий, в зависимости от специфики выпускаемой продукции, составляет от сотен тысяч до десятков миллионов м 2 покрытий в год.

Число вариантов технологических процессов, определяемых видом и толщиной покрытий, а также способами подготовительных и заключительных операций достигает нескольких десятков.

Гальваническое производство, как ни какое другое, отличается насыщенностью применения различных видов энергии: постоянный и переменный ток, горячая и холодная вода, пар и сжатый воздух. Особенно энергоёмкими являются операции подготовки поверхности и операции нанесения покрытий.

Так, интенсивность водопотребления в гальваническом производстве доходит до 4м3 на 1м2 обрабатываемой поверхности. Расход воды составляет сотни тысяч м3 в год. Высокая агрессивность используемых технологических растворов требует применения специальных мер защиты, как оборудования, так и обслуживаемого персонала. Гальваническое производство включает в себя сложные технологические процессы с большим количеством факторов, влияющих на конечный результат, многие из которых не поддаются прямому автоматическому экспресс - измерению и автоматическому регулированию во время выполнения технологического процесса. Гальваническое производство относится к категории работ с непрерывным технологическим циклом, нарушение которого приводит к появлению явного или скрытого брака. Скрытый брак влечет за собой сбой производственного процесса, снижение эксплутационной надежности, а также может стать причиной аварий машин и оборудования. Главной специфической особенностью гальванического производства является применение сугубо химических технологий на предприятиях машиностроения, приборостроения и радиоэлектроники. При этом, объем гальванического производства ежегодно увеличивается на 15-20%. Учитывая вышеизложенное, нетрудно убедиться, что решение вопросов автоматизации и повышения эффективности контроля качества подготовки поверхности материалов перед нанесением гальванических покрытий, а также автоматизация и повышение эффективности оценки качества нанесения гальванических покрытий задача актуальна и своевременна. Целью данной работы является поиск путей решения перечисленных проблем.

Адгезия гальванических покрытий к металлам, их защитные и функциональные свойства, в значительной мере зависит от степени и качества подготовки поверхности [11 — 13]. В результате механической, химической и термической обработки, воздействия атмосферы и активной технологической среды (технологического процесса) на поверхности металлов (заготовок деталей) накапливаются различные загрязнения, представленные в таблице 2, которые удаляют в процессах обезжиривания и травления.

Обезжиривание металлов, как правило, осуществляют в органических растворителях, эмульсиях и водных моющих растворах (BMP). Основным критерием применяемости того или иного обезжиривающего средства является его способность обеспечивать надежную адгезию гальванических покрытий к основному металлу и устранять возможность загрязнения гальванических ванн.

В связи с тем, что требования к состоянию покрываемой поверхности зависит от вида наносимого покрытия и используемого электролита под чистой поверхностью следует понимать состояние, при котором осталось допустимое для конкретной обработки количество загрязнений. Так, для того чтобы обеспечить надежную адгезию к стали цинковых, кадмиевых или хромовых покрытий степень очистки основного металла должна быть не хуже 95-96%, что составляет 45-60 мг/м2 остаточных загрязнений, а при осуществлении процесса блестящего никелирования, при меднении, оловянировании, и особенно при нанесении драгоценных металлов количество допустимых остаточных загрязнений не должно превышать 10-25 мг/ м2 поверхности [14], что соответствует степени очистки 99%. В этих случаях возможность оперативной оценки состояния растворов и электролитов, степень оценки, величины изменения их концентрации имеют первостепенное значение и представляют собой одну из актуальнейших проблем гальванического производства. Процессы оценки степени очистки поверхности подготовленной для нанесения покрытия, как и процессы оценки качества нанесения покрытия, являются одними из главных, так как от их вида, метода и способа проведения зависит конечный результат и эффективность гальванических работ. Известен ряд качественных и количественных методов определения степени очистки поверхности под покрытия [15-19], основными из которых являются следующие: протирание, смачивание путем погружения в чистую воду, напыление чистой воды или воды с пигментом, гравиметрические, фотоколометрические и электрохимические методы, измерение краевого угла смачивания, определение адгезии гальванопокрытия. Выше перечисленные методы не являются совершенными и не дают достоверной информации состояния подготовленной для нанесения покрытия поверхности. Средняя чувствительность допустимых остаточных загрязнений (мг/м2) приведена в таблице 3.

К недостаткам перечисленных методов следует отнести то, что все они оценивают конечный результат технологического процесса подготовки поверхности под покрытие и, следовательно, не позволяют осуществлять управление процессом степени подготовки поверхности. В этой связи особый интерес представляют автоматические методы оценки степени подготовки поверхности, которые могут быть использованы в автоматических и автоматизированных гальванических линиях. Наибольший интерес представляют два метода [20-24]. Первый заключается в измерении ёмкости двойного электрического слоя, возникающего на границе раздела поверхность

Таблица 2 - Характеристика остаточных загрязнений п.п. Вид остаточных загрязнений Происхождение Способ удаления

1 Продукты абразивного изнашивания основного металла (сталь, медь, латунь, алюминий, цинк) Механическая обработка (прокатка, волочение, фрезерование, резание) Растворимы в сильных кислотах, щелочах

2 Металлоподобные вещества (графит) Применение смазочных антифрикционных материалов при обработке металлов давлением. Разрушаются при воздействии сильных окислителей

3 Окислы или гидроксиды металлов Fe304,Fe(0H)3, AL (ОН)3 Термическая обработка, атмосферная коррозия Растворимы в кислотах

4 Низкомолекулярные органические кислоты Захват руками Удаляются щелочами

5 Углероды повышенной молекулярной массы (масла, парафины) Смазывание перед обработкой металлов давлением, резанием. Удаляются растворителями

6 Атмосферный углерод Коксование органических веществ при термообработке Обрабатывается сильными окислителями

7 Средне- и высокомолекулярные алифатические кислоты, глицерины и эфиры жирных кислот Остатки шлифовальных и полировочных паст, консервационные и смазочные материалы Удаляются кислотами

8 Прочие вещества (пыль, соли, волокна) Механическая обработка, воздействие атмосферы Растворяются в щелочах металла - раствор электролита, которая зависит от степени очистки поверхности и имеет максимальное значение для полностью обезжиренного металла (эталонная ёмкость). Очистку прекращают, когда измеряемое значение ёмкости достигает эталонного значения. Второй метод основан на оценке электропроводности растворов в зависимости от их концентрации, которая зависит от изменения активной технологической среды, в результате химического взаимодействия растворов с очищаемой и покрываемой поверхностью, и выносом раствора с деталями и приспособлениями.

Таблица 3 - Чувствительность методов определения степени очистки

Метод определения Чувствительность п.п. мг/м2

1 Смачивание водой (нанесение чистой воды) 50-100

2 Распыление воды с пигментом 30-100

3 Фотоколометрический 30-50

4 Гравиметрический 20-30

5 Электрохимический 10-20

6 Определение адгезии гальванопокрытия 1-10

Однако учитывая, что реализация первого метода сложна технически и невозможна при очистке (подготовке) поверхности мелких деталей в ваннах типа «Колокол», наиболее перспективен второй метод, единственным недостатком которого является отсутствие справочных данных о величине электропроводности растворов в зависимости от их концентрации практически на все виды растворов, применяемых при подготовке поверхности к нанесению гальванических покрытий и отсутствием предельно допустимых норм изменения концентрации. Решению этой проблемы посвящена данная работа, что так же делает ее актуальной и своевременной. Актуальность подтверждается и тем, что работа производилась в соответствии: - Разработка фазового метода анализа концентрации пищевых продуктов и биосырья» между академией наук Каз. ССР и Семипоалатинским технологическим институтом мясной и молочной промышленности с 1992 по 1994 г.г.;

Генерального соглашения о научном и научно-техническом сотрудничестве между Акиматом Северо-Казахстанской области, Национальной академией наук Республики Казахстан, Северо-Казахстанским Государственным университетом и Министерством образования и науки Республики Казахстан;

Республиканской программы «Качество» на 2000-2005 годы, утвержденной постановлением Правительства Республики Казахстан от 2 мая 2001 года № 590;

Договора о техническом сотрудничестве между ОАО «ПЗТМ» и СКГУ. Подготовка поверхности для нанесения гальванических покрытий и нанесение самих покрытий - процесс, зависящий от многих факторов: вида материала под покрытие, материала покрытия, его толщина, состояния растворов и электролитов и т.д.

На рисунках 1-3 представлены варианты технологического процесса подготовки поверхности и нанесения цинкового покрытия, причины и виды брака, средства и методы измерения параметров технологического процесса [25-29]. Используемые в настоящее время методы и средства анализа и контроля пригодны в основном только для контроля готовой продукции или завершенного технологического процесса, что не позволяет использовать их в управлении этими процессами. Эта проблема относится к числу актуальнейших задач сегодняшнего дня. В частности, для определения концентрации растворов, используемых при подготовке поверхности для нанесения гальванических покрытий, как правило, используются лабораторные методы химического анализа [30 — 42]. Определение важнейших показателей качества растворов с помощью лабораторных методов дает приближенную оценку о состоянии и ходе выполнения технологического процесса подготовки поверхности для нанесения гальванических покрытий в промежутках между измерениями. Очевидно, что ни какое усовершенствование или модернизация выше перечисленных методов не в состоянии решить проблемы автоматизации проведения экспресс анализов изменения концентрации веществ. Так как качество подготовки поверхности для нанесения гальванических покрытий, а также и нанесение самих покрытий, всецело зависит от состава и концентрации используемых для этих целей растворов, то весьма перспективным является направление разработки физических методов контроля изменения концентрации веществ. В этом случае появляется реальная возможность через оценку изменения концентрации растворов оценивать (контролировать) ход технологического процесса. Анализ результатов имеющихся в этой области достижений показал, что из известных физических методов наибольшие потенциальные возможности имеют электрические методы анализа концентрации веществ, обладающие такими достоинствами, как быстродействие, безопасность, безинерционность, возможность использования в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами. Однако, реализация этой возможности в настоящее время весьма проблематична в связи с объективными причинами, связанными как с недостаточным уровнем развития электрических методов контроля, так и с отсутствием в необходимом объёме сведений о электрофизических свойствах растворов, используемых при нанесении гальванических покрытий.

Характеризуя современное состояние развития электрических методов анализа веществ следует отметить, что основные достижения в разработке теории следует оценивать уровнем 1975 года, когда вышла в свет работа Б.А. Лопатина [43] по электрохимическим методам анализа веществ. Изложенные в данной работе основы теории и методики проведения исследований не всегда применимы для анализа растворов используемых при подготовке поверхности и нанесении гальванических покрытий. Острая необходимость в современных электрических экспресс анализаторах обусловила проведение

Средство моющее

ТМС-31 60-80 г/л

Кислота солялая 150-350 г/Л

Ангидрид хромовый 200 - 300 Г/Л

Вола проточная

Вода проточная

VporpiiniiH 40-50rt.il

Кислота серная 3-5 г/л

Темперлгфа раствиpiто - so с Н

ПрйЯОЛжнтелыи СМ; Рперишн 5 - М ^. ~~

05с глнрнванис химическое

Темгкратур! волы

S-3S с h

Температура волы

40-50 С -1

Температура растло-pili-M С

Температура par™* pa 15-30 С

Сода кальцинирован. 10-70 г/л

Температура раствора 15-30 С ЗдодйлиПггсЛ шоегь.

Прамьшка I npoaM»*rrc,ii.ti0cti.

ПрОДОЛММ ПШМ1 LlCtL I

ПрйЛОЛЖ1ГГСЛЫ|С>С11. ormpiuim мин —

ПIX) дол *:нтсл Ukven.

Промывка

Травление MiM ическое

Снятие травильного

Нейтрали iauiffi шлама

Промывка

Температура растя орч JS-J5 С

Прмю.икительо.ч-п \ enepaiiiriiO.S-1 ими

Вода проточная

Стекло натриевое жидкое 3 - 5 г/л

ОГМКИрИВЙН! 1С

•и-кгтрп

ХПМНЧССКОС

Промывка

Температуря .

15-35 С

Прололиилмиюстг W10JH«IIHU;S - I МИН

Вода проточная

Промывка

Температуря м

15-J5 С oriepuimHS.-1 чип

Вода проточная

Промывка

Температура волы

IS-35 С

IMiryiill'. 0.5 - 1 4HIF

Вода проточная 1

Активация

ЦЩщ&Й^с wicKipo

I1MI14CCK'V

Промывка

Температура волы

15-35 С

ПЬДыж'П f-HHKT>

ЧТСрАиПоО.З ■ 1 МТШ

Вода проточная

Промывка

Температура волы

15-55 С "ЩШЙч, I (тел Ш-rtt 0nifu i»:i ft,5"- I vim

Вола проточная

Соза клльпнкнриван 20 - 30 г л

Натр едкий 10-20 г/л

ТрннатриЯфосфат 30 - 50 г/л

Рисунок 1 Типовой технологический процесс нанесения цинка

Пятна на поверхности

Пригары

Повышение плотности тока

Вздутие покрытия

Плотность тока

Темное покрытие

Понижение плотности тока

Кристалл i>i и деидриты

Загрязнение электролита

Нарушен химический состав электролита

11 [ероховатос локрытие

Электролит загрязнен взвешенными частицами

Состав электролита

Загрязнение электролита некачественными

Питтинп покрытия

Загрязнение электролита примесями свинца И олова

Пятнистое покрытие

В электролите недостаток щелочи

Хрупкое покрытие

Понижен не температуры электрол ита

Температура электролига

Непокрытые V участки

Повышение температуры электрол ита

Крупные кристаллы

Производственно-технические

Другие причины

Субъективные причины

Рисунок 2. Причины и виды брака

Температура электрол1гта

Шм

•.МЛ бдо о лад ты u до* > wwpauiiH

К&шеетрйШп

Температура раствора

Температура раствора t1 ро №Т*ПТС»ЪНрСТ и s>rrcpiuim

Температура

Температура ■оды

Ksmi^TpatutrerAi поиентиь раж. reopi

11 ми'J иг «велик* |Г Upuwrcril

ПрОЛОЛЖИТГП WKoCI к tmepaiJHM

Проиоллитсльноа к oiTcpaiJiM

Обезжиривание химическое

- Промывка

Загрузка деталей

Промывка

Наличие врсамм\

Травление химическое

Температура раствора

Температура раствора

Температура раствора ttftL'plliltl1

Ироло.-т*-|гте,ты11-«сть огвмшш

Имнчио ft|vr.'iMWJf

ПРИМОЧИ

Снятие травильного шлама

Наличие вредндо ^Н^ , npliuct

Нейтрализация

11 tw Д1ЛТ*ше.1 i JfK^t. имении г шттж*

ОДЩшЗ Ш

Наличие арешнл npHUCOtii Активация

K'ttuiu'irrpaiiitii uiUi тше»ггеи растмра I ■ 1- : 'Т и с Bpcnnut TipimtCHll

Цинкование электрохимическое Промывка

Температура раствора

ПриЖ»Л ь trTe iMK-.'тf-imepamrn вш-^-I-ь

KOHliCHTlWllHt помситои раотаори Я

Нал ичиг вредпрс прнмсссГ»

Обсзжирпван tie электрохимическое г Промывка I

Промывка г Промывка I г Промывка

Температура раствора ПрОДЛЛЖПТСЛ WtiKTTV и»ершил

Температура раствора

Температура раствора

Температура раствора

Температура

Промывка

Температура раствора tripoZM-i операции

Пpoдйя*^^rcfl^n.^■, 1i, терапии

П рО .70 j t *TTtC Л U* lrKTt операинн оперкшп* операции шшвт явят

Рисунок 3 Средства и методы измерения параметров ТП работ по созданию новых типов анализаторов и усовершенствование существующих. Кроме того, практическая непригодность известных типов электрических анализаторов для контроля изменения концентрации веществ динамических условиях непрерывного технологического процесса [44-50] является причиной использования этих приборов в основном для лабораторных исследований.

Отмеченные выше недостатки теории электрических методов анализа веществ объясняются сложностью и недостаточной изученностью процессов сопутствующих проведению исследований. Раскрытие потенциальных возможностей и дальнейшее развитие электрических методов анализа изменения концентрации веществ возможно только на основе углубления исследований и анализа процессов, протекающих в ячейке с анализируемым веществом при его взаимодействии с электрическим полем в момент измерения.

Очевидно, что наилучшие результаты при этом будут достигнуты в случае расширения возможностей электрических методов анализа концентрации веществ за счет разработки новых, более прогрессивных* решений. Кроме того, разработка новых перспективных электрических методов анализа концентрации веществ должна сочетаться с задачей совершенствования и создания, новых средств измерений основанных на использовании микропроцессорной и цифровой техники, применение которой решает задачу автоматической обработки и хранения полученной информации.

Перечисленные выше задачи составляют концепцию решения проблем нанесения гальванических покрытий на основе непрерывного контроля изменения концентрации растворов, и в зависимости от величины этого изменения осуществлять управление нанесения гальванических покрытий. Таким образом решение перечисленных проблем заключается в следующем: дальнейшем совершенствовании электрических методов анализа веществ на основе углубленного исследования процессов взаимодействия электрического поля с веществом измерительной ячейки. оценке возможности использования в качестве информационного параметра, характеризующего измеряемую величину, не только амплитуду и частоту, но и других характеристик электромагнитного колебания.

- разработке принципов и методов проведения исследований и практической реализации их результатов. Решению этих и сопутствующих им вопросам посвящены следующие главы данной работы.

Выход

1 L

Рисунок 4.3 Опорный генератор

СБ

R6 Н Н

RS

R1 И

С7 X |> м и

-и

NC

Вы х о 3 -©

Рисунок 4.4 Схема фильтра

DD2

ВхоЗ

С0 СГ2 CTd Q0 С L QL

Q2 Q3

R

- 1

- 2

10

12 [д. 8 5 ф+Un

Выход —о а)

DD3

DM х—О

С0

Вхад

-<>С1

ScR 1 2

СТ2 CTd

Q0 QL Q2 Q3 4 9 a.

X—О

C0

-<>CL R 1 2

CT2 CTd

Q0 QL Q2 Q3 4

8,

Выход —©

10

N/

Un

6)

Рисунок 4.5 Делители частоты а) делитель частоты по 12; б) делитель частоты по 9.

Un

С2 BQI

Рисунок 4.6 Схема электрическая блока генератора

4.1.2 Выбор структурной и электрической схемы блока датчика

Блок датчика предназначен для преобразования изменения концентрации анализируемого вещества в значение фазы напряжения сигнала с опорного генератора, проходящего через кондуктометрическую ячейку первичного преобразователя. Для эффективного выполнения этих функций в состав блока датчика должны входить следующие структурные элементы:

1. кондуктометрический первичный преобразователь;

2. мостовая измерительная схема с повышенной фазовой чувствительностью;

3. фазовращатель, обеспечивающий сдвиг фазы сигнала опорного генератора.

Структурная схема блока датчика, соответствующая вышеперечисленным условиям, представлена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 Структурная схема блока датчика где: МКД - модернизированный кондуктометрический датчик;

МИС - мостовая измерительная схема;

ФВ - фазооврацатель.

Как было сказано во второй главе, добиться равномерности распределения электрического поля межэлектродного пространства кондуктометрической ячейки можно с помощью ограничения электродной части ячейки диэлектрическими стенками. Для реализации условия однородности электрического поля нами был разработан кондуктометрический датчик простой в изготовлении и эффективный в применении, использование которого в научно-технической практике неизвестно.

Датчик (рисунок 4.8) представляет собой цилиндрический сосуд, выполненный из диэлектрического материала, внутри которого находится два электрода из нержавеющей стали, причем один из них имеет возможность плавно перемещаться внутри цилиндра. Такая конструкция позволяет выбрать оптимальное расстояние между пластинами в зависимости от исследуемого вещества, его электропроводности и исходного значения концентрации.

Применение такого типа датчика преследует так же и другую цель, которая заключается в следующем: для методик анализа известными методами свойственно определение постоянной прибора. В кондуктометрическом методе анализа веществ это выполняется следующим образом: сосуд, выполненный в виде сферической колбы (рисунок 4.9), с находящейся в нем квадратными платиновыми электродами, или покрытыми платиновой чернью, заполняют стандартным 0,1 Н раствором хлористого калия и подключают его к мостовой измерительной схеме, измеряют сопротивление плеча сравнения и по полученным данным определяют электропроводность объекта анализа. Определяют сначала удельную электропроводность, а затем по формуле:

R = pA,

4.1) где: R - общее сопротивление кондуктометрической ячейки; р - сопротивление объекта анализа; А — постоянная кондуктометрической ячейки, находят постоянную кондуктометрической ячейки. Так как:

4.2) можно определить величину эффективной площади ячейки: s = EL

4.3) R с

0 15

-> 2

1 — устройство перемещения подвижного электрода;

2 — корпусные датчики;

3 — подвижный электрод;

4 — неподвижный электрод.

Рисунок 4.8 Кондуктометрический датчик новой конструкции

1 - сферическая колба;

2 - электроды;

3 — краевые эффекты.

Рисунок 4.9 Схема обычной кондуктометрической ячейки

Результаты оценки эффективной площади в зависимости от концентрации стандартного раствора приведены в таблице 4.1.

Заключение

Основные научные выводы и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Проведена классификация электрических методов анализа веществ;

2. Проведены аналитические исследования однородности электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов;

3. Разработана математическая модель электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов;

4. Проведено моделирование в электролитической ванне электрического поля кондуктометрической ячейки со сложной системой электродов;

5. Разработан графоаналитический метод определения электрофизических характеристик веществ;

6. Разработаны теоретические основы кондуктометрического фазового метода анализа веществ;

7. Разработан и изготовлен первичный преобразователь фазового анализатора концентрации, обладающий повышенной фазовой чувствительностью;

8. Разработан и изготовлен фазовый анализатор изменения концентрации технологических растворов нанесения гальванических покрытий;

9. Получены экспериментальные данные электрофизических свойств технологических растворов нанесения гальванических покрытий;

10. Определены рациональные, с точки зрения обеспечения заданного уровня качества гальванических покрытий, предельно - допустимые нормы изменения концентрации технологических растворов;

Разработанные и изготовленные измерительная ячейка и фазовый анализатор изменения концентрации внедрены на Петропавловском заводе тяжелого машиностроения.

Таким образом, в результате проделанной работе нами установлено, что применение фазовой кондуктометрии открывает большие перспективы использования ее в системах управления технологическими процессами и системах управления качеством. Теоретические расчеты убедительно доказывают, а экспериментальные исследования подтверждают многоцелевое направление применения фазовой кондуктометрии. Применение фазовой кондуктометрии открывает большие возможности многопараметрического анализа концентрации веществ, что, несомненно, значительно повышает достоверность и объективность исследований и оценки. Еще более значительное достижение фазовой кондуктометрии заключается в том, что многопараметрический анализ открывает перспективы его использования при оценке многокомпонентных веществ, что, несомненно, делает этот метод определяющим в теории и практике многопараметрического анализа многокомпонентных веществ. Данная работа является своего рода фундаментом для проведения большого количества работ в направлении широкого эффективного использования фазовой кондуктометрии в различных областях науки и техники. Приведенные в приложении Г расчеты экономической эффективности внедрения фазовой кондуктометрии в гальваническом производстве показывают, что от внедрения фазовой кондуктометрии получается не только значительный экономический эффект, но и решаются такие важнейшие проблемы как проблема экономии и сбережения материальных и топливно-энергетических ресурсов.

1. Республиканская программа «Качество». Постановление Правительства Республики Казахстан от 2 мая 2001 года №590. «Казахстанская правда»5 мая 2001 года.

2. Швандер В.А. и др. «Стандартизация и управление качеством продукции». М. ЮНИТА-ДАНА 2000. 487 стр.

3. Иленкова С.Д. и др. «Управление качеством». М.ЮНИТА 1998 г. 199 стр.

4. Гальванические покрытия в машиностроении справочник в 2-х томах под редакцией Шлугера М.А. М. Машиностроение 1985 г. 240 с. Т2.247 с.

5. Грилихес С.Я. Обезжиривание травление и полирование металлов. JL Машиностроение 1983. 101 стр.

6. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М. Металлургия 1976 г. 477 стр.

7. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений справочник в 2х томах под редакцией Герасименко А.А. М. Машиностроения 1987 г. 688 стр.

8. Квонова И.М., Зубченко B.J1. Теория коррозийных процессов, создание коррозийно-стойких материалов и методов защиты металлов от коррозии. М. Металлургия. 1977 г. 119 стр.

9. Костецкий Б.И. и др. Надежность и долговечность машин. Киев. Техника. 1975 г. 408 стр

10. Юхневич и др. перевод с польского. Техника борьбы с коррозией. JI. Химия 1989 г. 224 стр.

11. Спринг С. Очистка поверхности металлов. М. Мир. 1966 г. 346 стр.

12. Смирнов Н.С. и др. Очистка поверхности стали. М. Металлургия 1978. 232 стр

13. Кабанов В.Н. Механизм электрохимического обезжиривания металлов. Журнал физическая химия. т,4 №5 стр. 549-553

14. Зубченко В.А., Захаров В.И., Рогов В.М., и др. Гибкие автоматизированные гальванические линии. Справочник. М. Машиностроение 1989 г. 677 стр.

15. Вячеславов П.М., Шмелева Н.М., Контроль электролитов и покрытий. J1. Машиностроения 1985 г. 86 стр.

16. Ямпольский A.M. Контроль качества защитных покрытий. М. Машиностроения 1966 г. 300 стр.

17. Круглова Е.Г., Вячеславов П.М. Контроль гальванических ванн и покрытий. М. Машигиз 1968г. 550 стр.

18. Мельников П.С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. 1961 г. 330 стр.

19. Ямпольский A.M. Гальванические покрытия. JI. Машиностроение 1978 г. 190 стр.

20. Иванов В.Т., Гусев В.Г., Фокин А.Н., Оптимизация электрических полей, контроль и автоматизация гальванообработки. Машиностроение 1986 г. 131 стр

21. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических производств. М. Химия 1988 г. 288 стр.

22. Погодин А.Б. Ельяшкевич И.В. Каилан Б.М. Гибкая автоматизация производства гальванических покрытий. JI. ЛДНТП 1985 г. 27 стр.

23. Прохоров В.А. Основы автоматизации аналитического контроля химических производств. М. Химия 1984 г. 320 стр.

24. Решетникова И.А. Баталина Г.П. Коновалова А.В. Автоматизация технологических процессов очистки и гальванопокрытий в производстве изделий электронной техники. М. ЦНИИ «Электроника» 1981 г. 42 стр.

25. ИЛ 58027100010 Типовой технологический процесс подготовки поверхности под покрытия. Петропавловск АО ПО з-д им. Кирова 1993 г. 43 стр.

26. МИИТ 0137100 008 Типовой технологический процесс кадмирования в цианистом электролите. Петропавловск АО ЗИКСТО 1996 г. 60 стр.

27. ТЕИЯ 5537100009 Типовой технологический процесс нанесения цинкового покрытия. Петропавловск АО ПО з-д им. С.М.Кирова 1993 г. 43 стр.

28. ИЛ 5027100015 Типовой технологический процесс никелирования Петропавловск АО ПО з-д им. С.М. Кирова 1992 г. 37 стр.

29. ИЛ 5027100018 Типовой технологический процесс хромирования Петропавловск АО ПО з-д им СМ. Кирова 1994 г. 37 стр.

30. Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. М. Химия 1974 г. 534 стр

31. Барковский Б.Ф. Физико-химические методы анализа. М. Химия 1972 г. 279 стр.

32. Ван Я.Я. Анализаторы газов и жидкостей. М. энергия 1970 552 стр.

33. Евигижиев Н.Н. Купершмидт Я.А. Егоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. М. Энергии 1990 г. 417 стр.

34. Степин С.Г. Определение концентрации для мономеров. W W W. в f.v.s.u. в y/scienre schem htm 2002 г.

35. Иванов и др. Метод количественной оценки состава и концентрации исходного раствора. WWW. nature, ru. 200 год.

36. Пролетов М.Л. Метод вычисления концентрации растворов по косвенным измерениям. WWW. pereplet. ru.

37. Юнг Г.В. Инструментальные методы химического анализа. М. Госхимиздат 1960 г. 150 стр

38. Викторов В.А., Лункин Б.В. Измерение количества и плотности различных сред. М. Энергия 1973 г. 11 стр.

39. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М. Машиностроение 1983 г. 424 стр

40. Гуревия C.JI. , Кипнис А.Б., Строженко Ю.Н. Технические измерения и контрольно-измерительные приборы в легкой промышленности. М. Легкая индустрия 1968. 298 стр.

41. Сухотин А.Ж. Справочник по электрохимии. Л. Химия 1981 г. 486 стр.

42. Герасимов Б.И. , Глинкин Е.И., Кораблев И.В. Измерительно-вычислительная система для определения состава и свойств электролитов. М. Приборы и техники эксперимента 1985 В4. стр 69-71

43. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. М. Высшая школа 1975г.-344 стр.

44. Сутормин В.И. Суворов В.А. Сычев В.И. Кондуктомер, авторское свидетельство № 879429. Бюллетень изобретений 1981 г. №41

45. Кивилис С.С. Плотномеры. М. Энергия 1980 г. 279стр.

46. Казанов А.В., Каптере В.М., Галкин Л.Г. Титромеры. М. Машиностроение 1973 г. 222 стр

47. А.С. Свинцов В.Я. Иванов Б.Н. Способ определения концентрации веществ в смеси. Авторское свидетельство № 1718090

48. Свинцов В.Я. Иванов Б.Н. Устройство для определения концентрации веществ. Авторское свидетельство № 165 9822

49. Свинцов В.Я. Порозов В.А., Андреев С.Н. Устройство для непрерывного измерения концентрации твердых частиц. Авторское свидетельство № 642642

50. Филко Г.М. Способ измерения концентрации серной кислоты Авторское свидетельство №129866

51. Никольский В.В. Теория электромагнитного поля. М. Высшая школа 1965 г.437 стр.

52. Вольман В.И. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М. Связь 1971 г. 371 стр.

53. Гольдман Л.Д., ЗерновН.В. Электромагнитные поля и волны. М. Советское радио 1971 г. 501 стр.

54. Химическая энциклопедия Даффа-Меди М. Сов. энциклопедия 1990г. 671 стр.

55. Корицкий Ю.В. Пасынкова В.В. и др. Справочник по электротехническим материалам. М. Энергия 1974 г. 584 стр.

56. Берлинер М.А. Измерение влажности. М. Энергия 1973 г. 399 стр

57. Эме. Ф Диэлектрические измерения. М. Химия 1967 г. 302 стр.

58. Бриндли К. Измерительные преобразования. М. Энергоиздат 1991 г. 144 стр.

59. Поливанов К.М. Теория электромагнитного поля. М. Энергия 1975 г. 208 стр.бО.Одлевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем ИТФ-1951 г. Т21. В 6 стр 378-389

60. Хиппель А.Р. Диэлектрики и их применение М. Госэнергоиздат 1959 г. 336 стр.

61. Усиков С.В. Электрометрия жидкостей JI. Химия 1974 г. 143 стр.

62. Рабинович Ф.М. Кондуктометрический метод дисперсного анализа. Л. Химия 1970 г. 176 стр

63. Коузов П.А. Скребина JI.A. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. JI. Химия 1967 г. 302 стр.

64. Берлинер М.А. Электрические методы и приборы для измерения и регулирования влажности. М. Госэнергоиздат 1960 г. 310 стр.

65. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М. Энергия 1973 231 стр.

66. Петров И.К. Технологические изменения и приборы в пищевой промышленности. М. Агропромиздат. 185 г. 344 стр.

67. Петров И.Л. Солошенко М.М, Изарыков В.А. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности. М. Легкая и пищевая промышленность 1981 г. 416 стр

68. Гоноровский И.Т. и др. Краткий справочник по химии. Киев. Наукова думка 1974 г. 991 стр.

69. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения. Л. Энергоиздат 1983г. 319 стр.

70. Худякова Т.А. Кондуктометрический метод анализа. М. Высшая школа 1975 г. 207 стр

71. Надь Ш.Б. Диэлектрометрия. М. Энергия 1976 г. 200 стр.

72. Барковский В.Ф. Основы физико-химических методов анализа. М. Высшая школа 1983 г. 248 стр.

73. Кузнецов В.В. Новые приборы для молочной промышленности. Обзорная информация М. ЦНИИТЭИММП 1984 г. 42 стр.

74. Лаптин А.А. Основы комплексной автоматизации технологических процессов мясной и молочной промышленности. М. Пищевая промышленность 1969 г. 296 стр.

75. Курочкин Б.В. О перспективах лабораторных кондуктомерах высокого класса точности. М. Измерительная техника 1988 г. № 1 стр 3-8

76. Дикий Б.Ф. Автоматический контроль состава пищевых продуктов. М. пищевая промышленность 1968 г. 275 стр

77. Алиев Т.М. Тер-Хагатуров А.А. Измерительная техника. М. Высшая школа 1991 г. 384 стр.

78. Орнатский п.П. Автоматические измерения и приборы. Киль. Высшая школа 1986 г. 220 стр.

79. Шлядин В.М. Цифровые измерительные устройства. М. Высшая школа 1981 г. 241 стр81 .Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин. М. Энергоиздат 1987 г. 296 стр

80. Мелик Шахназаров A.M. Маркатун М.Г. Цифровые измерительные системы корреляционного типа. М. Энергоиздат 1985 г. 289 стр.

81. Куликовский В. Я., Купер В.Я. Методы и средства измерений. М. Энергоатомиздат. 1986 г. 198 стр

82. Алесковский Б.В. Бардин В.В. Булатов М.И. Физико-химические методы анализа. JI. Химия 1988 г. 372 стр.

83. Фремке А.В., Душин Е.Н., Электрические измерения. JI. Энергия 1980 г.

84. Бурштейн А.И. Методы исследования пищевых продуктов. Киев. Госмедиздат УССР- 1963 г. 643 стр

85. Астапин И. Н. Расчет электромагнитных полей

86. Балабуха JI. И. Математический расчет некоторых полей электростатики. Теоретическая и экспериментальная электротехника. №1, стр. 3-24

87. Бинак, Лауренсен. Анализ и расчет электромагнитных полей. М. Энергия 1970. 326 стр

88. Бухгольц Г. Расчет электрических и магнитных полей. М. Издат. иностр. литературы 1961.712 стр

89. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. М. Госэнергоиздат 1960. 463 стр

90. Иоссель Ю. Я. Вопросы моделирования электрохимической антикоррозионной защиты изделий. JI. Судостроение 1965. 272 стр

91. Иоссель Ю. Я. Расчет электрической емкости. JI. Энергия 1969. 240 стр

92. Миролюбов Н. Н. И др. Методы расчета электростатических полей. М. Высшая школа 1963. 415 стр

93. Соколов А. А. Физико-химические и биохимические основы технологии мяса и мясопродуктов. М. Пищевая промышленность 1965. 490 стр

94. Соболева JI. П. Квазистационарные электрические поля в неоднородных реальных средах. М. МЭИ 1975. 28 стр

95. Хег Б. Электромагнитные расчеты. М. Госэнергоиздат 1934. 306 стр

96. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М. Наука 1976. 616 стр

97. Круг К. JL, Дарьевский JI. И. Основы электротехники. М. Госэнергоиздат 1952. 432 стр

98. Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. М. Изд. технико теоретической литературы 1951. 606 стр

99. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М. Высшая школа 1961.792 стр

100. Поливанов К. М. Теоретические основы электротехники. М. Энергия 1975.207 стр

101. Тетельбаум И. М. Электрическое моделирование. М. Физматгиз 1959. 319 стр

102. Галахова О.Г. Основы фазометрии. JI. Энергия 1976 г. 256 стр

103. Семенов А.А. Теория электромагнитных волн. М. МГУ 1962 г. 231 стр

104. Руман Г.И Применение радиоинтерференционной фазометрической схемы для целей измерений. Измерительная техника 1957 г. стр 32-37

105. Шадрин В.Н. Фазовое управление от магнитной ленты. М. Энергия 1969 г. 202 стр

106. Волков В.М. Иванько А. А. Нестационарные процессы в элементах фазометрических систем. Киев. Техника 1977 г. 234 стр

107. Конфорд С.Д. Цифровые методы измерения сдвига физ. Новосибирск Наука 1979 г. -88 стр

108. Смирнов П.Т. Цифровые Фазометры. JI. Энергия 1974 г. 164 стр

109. Банк М.У. Аналоговые интегральные схемы в радиоаппаратуре. М. Радио и связь 1981 г. 186 стр

110. Тыжко К.К. Тыжко Н.К. Многофункциональные измерительные приборы. М. Радио и связь 1981 г. 88 стр

111. Рего К.Г. О некоторых схемах неуравновешенных мостов переменного тока. Методы и аппаратура для измерения и контроля электрических и неэлектрических величин. Новосибирск. Наука 1967 г.-76 стр

112. Карандеев К.В. Мостовые методы измерения. Киев. Гостехиздат 1913 г. 345 стр

113. Нестеренко А.Д. Основы расчета электроизмерительных схем уравновешивания Киев. Изд. АН УССР 1960 г.

114. Левцов В.И. Чешкин Ю.Д. Оценка пороговой чувствительности контактного преобразования электропроводимости. Измерительная техника 1974 г. № 4 стр 34-37

115. Свинцов В.Я., Липчанский А.А. Тукачев А.А. Теоретические основы электрохимического метода анализа концентрации веществ

116. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М. Энергия 1973-328 стр

117. Свинцов В.Я., Липчанский А.А. Тукачев А.А. Оценка чувствительности фазометрического анализатора концентрации веществ

118. Федоткин И.М. Крючков В.П. Физико-технические основы влагометрии. Киев. Техника 1974 г. 308 стр

119. Краткий справочник физико-химических величин. Л. Химия 1983 г. 231 стр

120. Левишна Е.С. Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Л. Энергоатомиздат 1983 г. 320 стр.

121. Хиппенко А.Р. Диэлектрики и волны. М. Иностранная литература 1960 438стр.

122. Фридихс Д.А. Курс колоидной химии. Л. Химия 1984 г. 368 стр.

123. Фролов Ю.Т. Курс колоидной химии. М. Химия 1982 г. 400 стр.

124. Кузнецов В.В. Физическая и коллоидная химия. М. Высшая школа 1968 г. 386 стр

125. Шило В. А. Популярные цифровые микросхемы и их применение. М. Радио и связь 1987 г. 214 стр

126. Вениаминов В. Н., Лебедев Д. Н. Микросхемы и их применение в радиоаппаратуре. М. Радио и связь 1989 г. 331 стр

127. Новиченко И. В., Блудов И. П. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. М. Радио и связь 1989 г. 119 стр

128. Общестроительные нормативы времени на гальванические покрытия и подготовку поверхности. М. Машиностроение 1993 г. 122 стр

129. Вячиславова Л. Н. Оборудование цехов электрохимических покрытий. М. Машиностроение 1994 г. 310 стр

130. Инструкция по оценке экономической эффективности создания и использования автоматических производств. М. НИиМАШ 1989 г. 75 стр