автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Измерительные преобразователи концентрации компонентов жидких дисперсных сред для систем управления технологическими процессами и экологического мониторинга

на правах рукописи

ФЕТИСОВ Владимир Станиславович

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа 2005

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Гусев Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Васильев Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор Зак Евгений Аронович,

доктор технических наук,

профессор Надеев Альмансур Измаилович

Ведущее предприятие: Уфимский государственный нефтяной

технический университет

Защита состоится " 3 " 2005 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д-212.288.02 в актовом зале 1 корпуса в Уфимском государственном авиационном техническом университете .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, Ученый совет УГАТУ.

Автореферат разослан О^сгл^у^. 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор {/^ Г.Н. Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Большая часть реальных жидкостей в природе и технике представляет собой жидкие дисперсные среды (ЖДС): эмульсии, суспензии, коллоидные растворы. Информация о концентрации взвешенных частиц (дисперсной фазы -ДФ) часто бывает очень важна для управления многими технологическими процессами и экологического мониторинга. Наиболее типичными примерами областей и объектов, где требуются непрерывные измерения концентрации ДФ в ЖДС, являются:

- контроль качества питьевой воды на всех этапах ее подготовки;

- контроль физико-химических параметров сточных вод;

-измерение параметров водонефтяных эмульсий при добыче и подготовке нефти с целью учета и управления соответствующими технологическими процессами;

- контроль процессов в пищевой промышленности;

- контроль процесса осаждения взвеси в резервуарах-отстойниках цехов химводоочистки ТЭЦ;

- исследования концентрации органических и неорганических взвесей в гидрографии и океанологии и т.д.

Измерения концентрации ЖДС в полевых (промышленных) условиях имеют свою специфику и резко отличаются от лабораторных измерений тем, что первостепенное значение здесь имеют не столько метрологические характеристики, сколько надёжностные и эксплуатационные показатели. Часто полевые измерения проводятся в жестких условиях: в непрерывном потоке с большим расходом жидкости, при больших давлениях, в условиях коррозионной активности среды, абразивной или липкой ДФ и изменяющейся дисперсности частиц, наличии паразитных отложений солей или вязких фракций среды на датчиках. Дисперсная среда может быть и многофазной: например, водонефтяная эмульсия может содержать фазу из пузырьков свободного газа, что дополнительно осложняет измерения. При этом доступ к датчикам часто затруднен или невозможен без остановки технологического процесса. При таких условиях весьма важны высокая надёжность (и, в частности, метрологическая надёжность) средств измерений концентрации, и в первую очередь это относится к первичным измерительным преобразователям. Потребители средств измерения концентрации ЖДС заинтересованы в как можно больших значениях таких их показателей, как период необслуживаемой работы, межповерочный интервал, средняя наработка на отказ, средний срок службы.

Наиболее успешно сегодня используются полевые концентратомеры ЖДС, принцип действия которых основан на рассеянии различных зондирующих излучений, в первую очередь, радиоволновых, оптических и

акустических. Так, например, для измерения концентрации разбавленных эмульсий и суспензий традиционно используют нефелометрический и турбидиметрический методы, входящих в группу фотометрических методов и основанных на взаимодействии оптического излучения с частицами ДФ. Для определения содержания газовой ДФ в жидкостях весьма эффективны акустические методы. Однако известные серийно выпускаемые концентратомеры, как правило, не обладают достаточной стойкостью к действию названных влияющих факторов, а для поддержания необходимого уровня метрологической надежности требуется частое вмешательство обслуживающего технического персонала.

Существуют технические и технологические предпосылки для улучшения надежности средств измерения концентрации ЖДС. Перспективными направлениями в этой области являются: использование мультисенсорных структур, широкое применение встраиваемой микропроцессорной техники, интеллектуализация алгоритмов работы, автоматизация регламентных работ и т.д. Однако до сих пор не созданы измерительные преобразователи для полевых измерений концентрации ЖДС, которые удовлетворяли бы всем современным требованиям. Причина, видимо, заключается в некомплексном применении всего арсенала методов современных информационно-измерительных технологий, в недостаточно развитой теоретической базе решения подобных задач и отсутствии обоснованных и хорошо проработанных методик проектирования. Существует необходимость разработки на основе систематизации мирового опыта общей концепции построения высоконадежных полевых концентратомеров ЖДС, создания и исследования новых измерительных преобразователей концентрации ЖДС различного назначения, имеющих улучшенные надёжностные и эксплуатационные показатели.

Данная работа является изложением научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволяет получить средства измерения концентрации ЖДС с характеристиками, удовлетворяющим современным требованиям, и тем самым внести значительный вклад в развитие многих отраслей экономики.

Особое внимание в работе уделено преобразователям для измерения фазового состава водогазомасляных эмульсий и фотометрическим преобразователям концентрации разбавленных ЖДС.

Работа выполнялась с 1994 г. в течение многих лет на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета. Актуальность работы подтверждается, в частности:

- присуждением гранта Госкомитета РФ по высшему образованию 1995 г. для исследований в области автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики, кибернетики, метрологии, связи;

- заключением хоздоговора на выполнение НИОКР с фирмой "НИРСА" (г.Уфа) в 2001 г.;

- включением в план госбюджетных НИР УГАТУ в 2003-2005 гг.

Цель работы :

Создание, исследование технических возможностей и развитие научной базы проектирования измерительных преобразователей концентрации компонентов ЖДС, предназначенных для использования в системах управления различными технологическими процессами и системах экологического мониторинга, имеющих соответствующие современным требованиям метрологические, надёжностные и эксплуатационные показатели.

Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:

1. Провести анализ существующих технических решений, используемых для построения средств измерения концентрации компонентов ЖДС; выявить основные влияющие факторы, ограничивающие их надёжность; обобщить накопленный мировой опыт разработки и эксплуатации измерителей концентрации ЖДС и выявить перспективные пути их совершенствования.

2. Развить и обосновать на концептуальном уровне подходы к построению высоконадёжных полевых средств измерения концентрации ЖДС.

3. Разработать новые технические решения по построению измерительных преобразователей для полевых средств измерения концентрации компонентов ЖДС и исследовать возможные варианты их конструктивного исполнения.

4. Разработать математические модели предложенных оригинальных измерительных преобразователей, установить с помощью математического моделирования их технические возможности; дать рекомендации для проектирования.

5. Исследовать различные подходы к обработке сигналов предложенных измерительных преобразователей; обосновать целесообразность применения для этого искусственных нейросетей и выявить их оптимальные структуры для различных схем построения преобразователей; разработать адаптивные алгоритмы, обеспечивающие высокую метрологическую надёжность концентратомеров.

6. Экспериментально исследовать свойства, параметры и характеристики предложенных преобразователей и испытать их в реальных условиях эксплуатации; внедрить результаты исследований.

Методы исследований

Поставленные задачи решались путем теоретических исследований с последующей разработкой и изготовлением экспериментальных образцов измерительных преобразователей и проверкой их на стендах и в

производственных условиях. Теоретические исследования базировались на использовании положений и методов теории электромагнитного поля, акустики, теории переноса излучения, теории погрешностей, теории надежности и живучести систем, теории искусственных нейросетей. При обработке экспериментальных данных использовались методы математической статистики. Широко использовалось компьютерное моделирование в среде пакета MAPLE 9. Для исследования нейросетевых решений применялся пакет STATISTICA Neural Networks 4.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается тем, что в теоретических построениях использовались законы и подходы из областей электротехники, акустики, оптики, справедливость которых общепризнана, а также известный и хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат; вводимые допущения и ограничения мотивировались фактами, известными .из практики. Обоснованность методик проведения натурных экспериментов и достоверность их результатов гарантирована применением сертифицированных и аттестованных приборов и выполнением подготовки образцов, градуировки и испытаний в соответствии с действующими российскими и международными стандартами (ГОСТ 29024-91, ISO 7027 и др.). Достоверность математических моделей подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов вычислительных и натурных экспериментов: у зависимостей, для которых было возможно прямое сопоставление результатов вычислительных и натурных экспериментов, расхождение результатов не превышало 20 %. Статистические проверки адекватности аналитических моделей по критерию Фишера показали их * адекватность дисперсиям воспроизводимости опытов. Обоснованность рекомендаций по инженерному проектированию преобразователей, выбору их параметров и организации алгоритмов работы подтверждается положительными результатами их испытаний в реальных условиях эксплуатации.

Научная новизна

1. Предложена оригинальная классификация методов измерения концентрации компонентов ЖДС, учитывающая не только природу взаимодействия ЖДС с телом или полем, но также наличие и характер модификации компонентов ЖДС, особенности организации взаимодействия ЖДС с зондирующей энергией, дифференциальный или интегральный характер оценки концентрации, что в совокупности позволяет лучше оценивать степень пригодности метода для использования в условиях непрерывных полевых измерений.

2. Обоснована общая концепция построения высоконадежных средств измерения концентрации ЖДС, основанная на комплексном применении трех принципов: принципа инвариантности измерений, принципа обеспечения избыточности и принципа непосредственного устранения действия влияющего

фактора.

3. Предложены оригинальные методики выбора комбинаций сенсоров и их геометрических параметров для мультисенсорных преобразователей концентрации компонентов ЖДС в соответствии с различными критериями оптимизации:

- по минимуму числа обусловленности матриц, соответствующих многомерным зависимостям между измеряемыми и определяемыми параметрами в различных областях факторного пространства;

- по максимуму критической толщины паразитных отложений на элементах преобразователя, при которой происходит метрологический отказ;

- по наилучшей характеристике живучести многоэлементного преобразователя, отражающей динамику вероятности сохранения им состояния способности при последовательном удалении элементов.

4. Предложен новый класс датчиков состава многофазных газожидкостных смесей - комбинированные акустоэлектрические датчики (КАЭД), которые основаны на совмещении в единой конструкции чувствительных элементов, предназначенных для измерения составляющих комплексной электрической проводимости, и чувствительных элементов для измерения скорости звука. Разработаны оригинальные конструкции КАЭД и способы обработки их сигналов, защищенные патентами РФ. Разработаны математические модели КАЭД для различных конфигураций элементов, являющиеся основным рас-четно-аналитическим инструментом для исследований датчиков данного типа. Выявлены оптимальные значения рабочих частот электрического и акустического каналов, а также геометрических параметров КАЭД. С помощью математического и натурного моделирования оценены их технические возможности.

5. Научно обоснованы новые структуры и схемы обработки сигналов фотометрических измерительных преобразователей концентрации разбавленных ЖДС на базе четырехлучевой логометрической схемы, которые обеспечивают результат, инвариантный одновременно к двум наиболее вредным факторам, ухудшающим метрологическую надежность: к загрязнению окон приемников/излучателей и изменениям дисперсности. Разработаны математические модели для различных модификаций таких преобразователей, которые позволили произвести оптимизацию размеров и взаиморасположения элементов.

6. Впервые в систематизированном виде представлена информация по бесконтактным фотометрическим концентратомерам. Для основных подклассов — струйных и поверхностных концентратомеров разработаны математические модели. На основе математического и натурного моделирования исследованы и оптимизированы различные модификации таких устройств. Предложен ряд защищенных патентами конструкций, обеспечивающих повышенную метрологическую надежность.

7. Впервые в систематизированном виде представлена информация по фотометрическим концентратомерам с переменной измерительной базой. Для

турбидиметров с переменной измерительной базой разработана модель погрешности, позволяющая оптимизировать диапазон перемещения подвижного элемента. Предложены оригинальные конструкции и адаптивные алгоритмы их работы, обеспечивающие минимальные погрешности определения концентрации в различных диапазонах ее изменения.

Практическую ценность имеют:

- средства расчета всех предложенных средств измерения, реализованные на базе компьютерных программ для математического пакета МАРЬЕ, позволяющие определять основные метрологические характеристики преобразователей и оптимизировать их параметры;

- рекомендации по применению, проектированию и выбору параметров разработанных средств измерения концентрации ЖДС, благодаря которым обеспечивается инвариантность измерений концентрации относительно наиболее существенных влияющих факторов — загрязнения датчиков и нестабильной дисперсности среды;

- техническая документация (в виде принципиальных схем, чертежей, алгоритмов и программ) для изготовления разработанных измерительных преобразователей, а также сами экспериментальные образцы этих преобразователей, надёжностные и эксплуатационные показатели которых в 2-3 и более раз лучше, чем у применяемых аналогов;

- программно-аппаратные средства обработки сигналов и калибровки разработанных средств измерения.

На защиту выносятся:

1. Общая концепция построения высоконадёжных полевых средств измерения концентрации ЖДС.

2. Технические решения, направленные на повышение метрологической надёжности полевых средств измерения концентрации компонентов ЖДС:

- комбинированные акустоэлектрические датчики для многофазных сред;

- инвариантные мультисенсорные фотометрические преобразователи концентрации разбавленных ЖДС;

- новые схемы построения бесконтактных нефелометрических преобразователей концентрации разбавленных ЖДС;

- новые фотометрические преобразователи концентрации ЖДС с переменной измерительной базой.

3. Математические модели предложенных измерительных преобразователей и рекомендации по рациональному проектированию на их основе.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований предложенных устройств и алгоритмов.

Реализация результатов работы

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены на ряде предприятий, проектирующих и эксплуатирующих средства измерений и промышленной автоматики: в НПФ "ИКА", НПФ "Экситон-автоматика", НПФ "ФОТОН", ООО "НИРСА".

Отдельные результаты работы, связанные с нейросетевой обработкой сигналов датчиков и адаптивными алгоритмами работы концентратомеров, использованы в учебном процессе на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета на занятиях по курсу "Интеллектуальные средства измерений", а также на кафедре вычислительной техники и инженерной кибернетики Уфимского государственного нефтяного технического университета на занятиях по курсу "Системы искусственного интеллекта".

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических совещаний и конференций: на X Международном симпозиуме по разработкам цифровых средств измерений - 18ВВМГ98 (Неаполь, Италия, 1998); на XVII Всемирном Конгрессе 1МЕКО (Дубровник, Хорватия, 2003); на X Международном симпозиуме Комитета ТС7 1МЕКО (С.-Петербург, Россия, 2004); на ежегодных Всероссийских конференциях "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф/Судак, 1995-1997, 1999, 2003, 2004); на Всероссийской конференции "Диагностика, информатика, метрология — 95" (С.-Петербург, 1995); на Всероссийской научно-практической конференции "Контрольно-аналитическое аппаратурное обеспечение в различных отраслях промышленного производства и природопользования" (Москва, 1995); на 46-й научно-технической конференции молодых ученых Уфимского гос. нефтяного техн. ун-та (Уфа, 1995); на Всероссийской конференции "Электроника и информатика" (Москва, 1995); на Всероссийской конференции "Информационные и кибернетические системы и их элементы" (Уфа, 1995); на Всероссийской конференции "Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации" (Уфа, 1997); на Всероссийских конференциях "Методы и средства измерений физических величин" ( Н.Новгород, 1998, 2002, 2005); на Всероссийских конференциях "Компьютерные технологии в науке, проектировании, производстве" (Н.Новгород, 1999, 2002); на Всероссийской конференции "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 2001); на российско-германской конференции "Датчики и системы" (С.-Петербург, 2002).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 56 работ, из них: 1 монография, 1 учебное пособие с грифом УМО; 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК; 3 статьи в материалах международных симпозиумов; 15 патентов на изобретения и полезные модели.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав основного текста, заключения, библиографического списка (из 220 наименований) и приложений. Работа изложена на 373 страницах (без приложений), содержит 131 иллюстрацию, 40 таблиц, приложения на 26 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, раскрыты научная новизна работы и ее практическая значимость, приведены результаты апробации и реализации.

В первой главе проанализировано современное состояние техники измерений концентрации ЖДС и сформулированы задачи исследований.

Приведены общие сведения из теории дисперсных систем (сред). Даны терминологические разъяснения и описаны различные дисперсные системы. Показаны особенности полевых измерений концентрации ЖДС.

Сформулированы требования, предъявляемые к полевым средствам измерения концентрации ЖДС. Они составлены на основе различных действующих стандартов и других нормативных документов и носят. обобщающий характер.

Сделан подробный обзор существующих методов определения концентрации компонентов ЖДС. Дана оригинальная классификация таких методов. Обычно основным критерием таких классификаций являются физические эффекты, на которых основаны методы. В данной работе предложена другая схема классификации, в которой учтены также: наличие и характер модификации компонентов ЖДС, особенности организации взаимодействия ЖДС с зондирующей энергией, дифференциальный или интегральный характер оценки концентрации, что в совокупности позволяет лучше оценивать степень пригодности метода для использования в условиях непрерывных полевых измерений.

Приведены результаты анализа мирового рынка концентратом еров ЖДС. Обоснован выбор методов, наиболее пригодных для создания измерительных преобразователей, работающих в полевых условиях: хорошие перспективы по совокупности критериев имеют электрометрические, акустические и фотометрические преобразователи. Выявлены основные влияющие факторы, ограничивающие их надежность и живучесть (рис.1).

Надежность общая

Надежность метрологическая Надежность неметрологическая

Изменения физ.-хим. свойств ДС

Абразивное действие частиц ДФ

Рис. 1. Влияние различных факторов на надежность и живучесть полевых средств измерения концентрации ЖДС

Проанализированы существующие технические решения по повышению надежности и живучести средств измерения концентрации ЖДС. Выяснено, что в любом известном способе повышения надежности измерительных преобразователей концентрации ЖДС реализуется в том или ином виде один из трех принципов: принцип непосредственного устранения действия влияющего фактора, принцип инвариантности измерений; принцип обеспечения избыточности.

Возможными способами непосредственного устранения действия влияющего фактора являются, например: периодическая очистка датчиков от загрязнений (механическая, ультразвуковая, химическая, термическая); перевод измерений из контактных в бесконтактные; дополнительное диспергирование ЖДС перед измерениями (для устранения влияния дисперсности) и т.д.

Принцип инвариантности измерений реализуется обычно путем выполнения других частных принципов: принципа многоканальности или принципа селективной инвариантности. Известными способами, основанными на многоканальности, являются: совместные измерения, логометрические и дифференциальные измерения. Примеры обеспечения селективной инвариантности: использование рабочих частот преобразователя, для которых паразитные отложения на датчике прозрачны; стробирование сигналов.

Принцип обеспечения избыточности реализуется самыми разными способами и на разных уровнях: на уровне запаса прочности отдельных элементов, структуры, измеряемых параметров, алгоритмов, запаса времени восстановления. Типичными способами повышения надежности, реализующими этот принцип, являются, например: резервирование элементов преобразователей (избыточность на уровне структуры); применение развертывающих преобразований с с регистрацией большого количества отсчетов (избыточность на уровне измеряемых параметров); дополнение измерительных алгоритмов алгоритмами самодиагностики и прогнозирования (избыточность на уровне алгоритмов).

Как правило, реализация в отдельности одного из названных принципов не приводит к радикальному повышению надежности преобразователей. Показано, что заметный синергетический эффект может дать комплексное применение этих принципов. Именно в этом и состоит обоснованная общая концепция построения полевых высоконадежных средств измерения концентрации ЖДС. Для конкретных условий наиболее эффективным может оказаться то или иное сочетание способов, реализующих эти принципы. На ряде примеров показана полезность и эффективность такого комплексного подхода. В последующих главах рассмотрены различные технические решения по различным видам преобразователей концентрации ЖДС, которые являются, по сути, реализациями этой общей концепции.

Во второй главе на примере решения конкретной задачи определения концентрации компонентов водогазомасляной эмульсии (ВГМЭ) показаны подходы к разработке средств измерения концентрации компонентов ЖДС, обеспечивающие их повышенную метрологическую надежность.

Коротко задача формулировалась следующим образом: требуется в условиях потока для эмульсии типа "вода в масле" измерять объемное содержание воды Ж и содержание свободного газа С7 с приведенными погрешностями не более 2 %, а также оценивать содержание солей £ водной фазы в диапазоне 1 ..100 г/л при возможных изменениях температуры 0..40 °С. Продолжительность однократного измерения не должна превышать 5 с. Измерительный преобразователь должен иметь минимальную стоимость и максимально возможную метрологическую надежность. Такие задачи типичны для пищевой, фармацевтической, нефтяной, химической отраслей промышленности, где высока потребность длительного непрерывного технологического контроля параметров ЖДС.

Анализ состояния техники измерений названных параметров состава ВГМЭ показал, что точность и метрологическая надежность измерительных преобразователей, предназначенных для определения отдельных параметров \¥, Б или <7, ограничена из-за недостаточной избирательности их чувствительности к интересующему параметру, причем в большинстве случаев на выходные сигналы измерительных преобразователей наибольшее влияние одновре-

менно оказывают именно параметры ТУ, Б, <3. Улучшение метрологических показателей может быть достигнуто путем выполнения совместных измерений на основе так называемого многофункционального датчика состава (МФДС), в котором совмещены несколько чувствительных элементов (ЧЭ) для измерения группы параметров ВГМЭ в одном сечении потока.

Предложено проектирование МФДС осуществлять в 2 этапа. На первом этапе необходимо оптимальным образом выбрать комбинацию ЧЭ (методы измерения). При этом еще не известны структура и математическая модель МФДС. На этом этапе оптимизируемый показатель качества совместных измерений должен обобщенно характеризовать метрологическую надежность устройства. На втором этапе, после разработки структуры и математической модели, осуществляется дальнейшая оптимизация МФДС, связанная с уточнением рабочих частот, геометрических параметров и т.д. При этом оптимизируемый показатель может быть другим, более точно отражающим реальную структуру МФДС и условия эксплуатации.

В работе показано, что в качестве обобщенного оптимизируемого показателя качества многопараметрических измерений на начальном этапе проектирования удобно использовать число обусловленности матрицы частных чувствительностей, соответствующей выполняемым совместным измерениям. Число обусловленности можно рассматривать одновременно и как метрологический, и как надёжностный показатель, т.к. он является оценкой устойчивости получаемых решений. На основе анализа этого показателя для разных областей факторного пространства (^Г.^Сг) был построен выбор наилучшей комбинации ЧЭ (т.е. методов измерения, которые ими реализуются), предназначенных для объединения в МФДС. Для возможности сравнения методов по их чувствительности к параметрам РГДС? использовались не абсолютные, а безразмерные относительные чувствительности. Наилучшая обусловленность оказалась у матриц, соответствующих комбинациям импедансометрических и акустических ЧЭ, в которых реализованы измерения активной ЯеГ и реактивной 1ш7 составляющей проводимости ВГМЭ, а также скорости звука с. Другим аргументом в пользу выбора такой комбинации ЧЭ является простота их конструктивного совмещения.

Предложен новый класс многофункциональных датчиков, предназначенных для измерений состава многофазных газожидкостных смесей и названных комбинированными акустоэлектрическими датчиками (КАЭД), в которых в различных вариантах совмещены ЧЭ, предназначенные для измерения комплексной электрической проводимости жидкой среды, и акустические ЧЭ для измерения скорости звука.

Разработана классификация КАЭД, подразделяющая их по 10-ти-различным критериям, таким как принцип действия ЧЭ, вид их контакта с исследуемой средой, форма и расположение ЧЭ и т.д. При анализе возможных

комбинаций предложены новые конструкции КАЭД и способы обработки их сигналов, что позволяет решить проблему совмещения электрических и акустических ЧЭ в едином МФДС. Отдельные устройства защищены патентами.

Наиболее простыми и технологичными являются КАЭД с плоскими противолежащими пьезоэлеменгами, совмещающими функции электродов измерительного конденсатора и излучателя (приемника) акустических колебаний. КАЭД (рис.2) измеряет параметры из набора (1т 7, ЯеУ,с). Для этого в подцикле работы электрического канала рассматриваемый КАЭД (представляющий собой в это время измерительный конденсатор) подключен к схеме измерения комплексной проводимости. Такой схемой может быть автоматический цифровой мост с уравновешиванием по двум параметрам или схема с фазочувствительными детекторами, выделяющая синфазную и квадратурную составляющие сигнала. В подцикле акустических измерений, когда обкладки пьезоэлементов разомкнуты, производится подключение одного из них к генератору, а другого - к усилителю, после чего определяется задержка г принятого сигнала относительно излученного, пропорциональная скорости звука в ВГМЭ.

Разработаны и исследованы математические модели КАЭД для различных форм и расположений элементов: плоских противолежащих, полуцилиндрических противолежащих, цилиндрических коаксиальных. В любом случае модель представляет собой систему нелинейных уравнений:

1т Г = ^ (IV, Б, О, Т, 3, а, ар,...); КеУ = Р2 (IV, в, Т, 5, а, ар,...); г = (1)

где 5 - площадь электродов, с1 - зазор между электродами, с1Р - толщина паразитных отложений, - некоторые функции. Последнее уравнение в

системе (1) описывает характеристику термопреобразователя, введенного в состав МФДС для учета температурного фактора.

При выводе первых двух уравнений (1) были сделаны следующие допущения: концентрация твердой фазы в эмульсии мала и не оказывает заметного влияния на результаты измерений; частицы дисперсной фазы имеют постоянную форму сферических глобул (пузырьков); поверхностные пленки частиц дисперсной фазы не оказывают заметного влияния на электрические свойства смеси. При выводе выражений для составляющих комплексной проводимости датчика были использованы: известное уравнение Дебая для комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрика с

потерями: ( \

£0О)

вгмэ

Управляемые ключи

Пьезо-элементы

О

Автоматический мост (измеритель КеУ,1тУ)

Интерфейс

_______I

Генератор

Усилитель

Измеритель задержки г

Интерфейс

МкгоРС

485

=>

Рис.2. Структура МФДС ВГМЭ

где е - комплексная диэлектрическая проницаемость (Д11) диэлектрика с потерями;

е' - действительная составляющая комплексной ДП;

е" - мнимая составляющая комплексной ДП, обусловленная чисто диэлектрическими поляризационными потерями; к - активная удельная электропроводность; оо - круговая частота внешнего электрического поля; а также известная из теории эмульсий формула для ДП двухкомпонентных смесей (т.н. формула смешения Винера-Вагнера), которая применялась дважды: сначала для определения ДП водомасляной эмульсии, а затем - для смеси «водомасляная эмульсия - газ». Для последнего случая формула выглядит следующим образом:

2£вм+£г~2в[£вм-£г) £виг ~ £вм' ~ ' Т »

~ - 2евм +£г + (3{£вм ~£г)

£вмг— ДП газа, водомасляной эмульсии и смеси «водомасляная

(3)

где £г, £вм

эмульсия - газ». Было учтено также влияние паразитных импедансов и температуры.

При выводе 3-го уравнения системы (1) (зависимость задержки акустического сигнала г от параметров состава) были сделаны следующие допущения: турбулентные и слоистые нерегулярности плотности потока ВГМЭ не влияют на скорость звука; водомасляную эмульсию можно считать однородной жидкостью с усредненными механическими параметрами (вязкостью, плотностью, сжимаемостью); влияние глобул масла на скорость звука в ВГМЭ пренбрежимо мало по сравнению с влиянием пузырьков свободного газа. При выводе выражения для г было использовано известное уравнение для скорости распространения акустических колебаний в пузырьковых средах:

где свмг, свм ~ скорости звука в водогазомасляной и водомасляной эмульсиях соответственно;

g и а/ - коэффициенты, зависящие от плотности эмульсии, соотношения частот акустической волны и резонанса газовых пузырьков;

\(г) - плотность распределения объема, занимаемого газовыми пузырьками, по их радиусам.

При выводе окончательного выражения для г было учтено влияние реверберации и температуры.

Разработаны программные реализации моделей в среде МАРЬЕ. Вычислительные эксперименты с моделями позволили установить, что :

1. Характеристики Яе V = ^(5) имеют максимумы, которые смещаются в сторону больших 5" при повышении частоты. Для обеспечения однозначности измерений при сохранении достаточно большой крутизны характеристики преобразования необходимо, чтобы указанные максимумы соответствовали

1 г/л — нижней границе возможного диапазона солесодержания водной фазы. Это выполняется на частоте ~ 30 МГц.

2. Установлено, что для обеспечения инвариантности измерений содержания свободного газа к размерам газовых пузырьков рабочая частота акустического канала должна составлять 200..250 Гц.

3. Основные погрешности определения параметров и (7 с помощью КАЭД с плоскими противолежащими элементами могут быть в 1,5-5 раз меньше по сравнению с аналогичными однопараметрическими измерителями влажности и содержания свободного газа, не учитывающими одновременного влияния на сигналы параметров и С.

Расчетные значения основной приведенной погрешности составили:

(4)

а) для IV: 0,2..0,8 % для всех сочетаний

б) для (7: 0,13..0,53 % для всех сочетаний

в) для 5: 0,03..3,5 % в большей части факторного пространства (IV,Я,О); При сочетании РГ<0,15, ¿£>70 г/л; С?>0,05 наблюдается аномально высокая погрешность определения Я, поэтому достоверные измерения солесодержания при таком сочетании параметров состава невозможны.

Поскольку наиболее вредным фактором, ограничивающим метрологическую надежность КАЭД, являются паразитные отложения на электродах (в случае водонефтяных эмульсий это, прежде всего, отложения парафинов), то при оптимизации геометрических параметров КАЭД в качестве параметра оптимизации была выбрана наименьшая по всем варьируемым геометрическим параметрам Я, с1 (Я - радиус элементов, - зазор между ними) и состояниям 1¥,Б,0,Т толщина паразитных отложений с1Р, при которой происходит метрологический отказ, определяемый как превышение предельной погрешности по любому из определяемых параметров. Критерием оптимизации является максимизация указанного параметра:

шт

в, Т

мда)ч(ю>юпр) тах

Выявлены геометрические соотношения для разных типов КАЭД, при которых наблюдается максимальная независимость погрешностей вычисленных результатов от толщины отложений. Наиболее предпочтительными с этой точки зрения оказались конструкции с цилиндрическими коаксиальными элементами, для которых при заданном уровне предельной погрешности по определению Цг 2% допустимая толщина отложений с1Р может составлять до 1 мм, что в 1,5-2 раза больше, чем для других конструкций. При этом существуют оптимальные сочетания радиуса внешнего электрода Я и относительного зазора с1рг (в % от Я) (рис.3).

¿£Ж?Ш= 10 см ЬШвТН^ЪО см ЬЕШТН^50 см

Рис.3. Допустимая толщина паразитных отложений для КАЭД с цилиндрическими коаксиальными элементами при изменении длины датчика

В экспериментально-практической части главы описаны: конструкция КАЭД с дисковыми противолежащими элементами, схема вторичной обработки его сигналов, алгоритм и программное обеспечение для вычислительной части, а также результаты испытаний.

Для акустического измерительного канала экспериментально определен минимальный уровень синусоидального напряжения, прикладываемого к пьезоизлучателю, и соответствующие параметры схемы генератора, при которых погрешности, обусловленные шумовыми помехами, имеют допустимые значения. Также экспериментально определен минимальный временной интервал усреднения результата измерения задержки Г, при котором ошибки от помех различного вида имеют допустимые значения.

Изготовлен экспериментальный образец КАЭД. Проведены его градуировка и испытания на специальном стенде. По результатам градуировочных измерений определены коэффициенты уравнений регрессии, составляющих приближенную модель датчика. Максимальные отклонения вычисляемых значений от задаваемых в ходе эксперимента составили:

по Ж: 1,2 % ; по <7: 0,8 %; по 5 : 10 % (при 5 = 1..50 г/л). Определены дисперсии воспроизводимости опытов и дисперсии адекватности модели по каждому из параметров. Из сравнения рассчитанного и табличного значений критерия Фишера сделаны выводы об адекватности модели.

Проанализированы различные варианты построения многоэлементных КАЭД. Выявлены варианты с 7-8 элементами, обладающими повышенной живучестью, которая обеспечивается благодаря одновременному применению резервирования акустоэлектрических элементов и совмещения их функций.

Третья глава посвящена новым фотометрическим измерительным преобразователям концентрации разбавленных ЖДС на базе т.н. четырехлучевой импульсной логометрической схемы. Такие преобразователи, работая в непосредственном контакте с ЖДС, обеспечивают результат, инвариантный одновременно к двум наиболее вредным факторам, ухудшающим метрологическую надежность: к загрязнению окон приемников /излучателей и изменениям дисперсности.

Принцип работы четырехлучевой импульсной схемы, в которой одновремено реализуются турбидиметрический и нефелометрический методы измерений, заключается в следующем. Имеется 2 излучателя и 2 фотоприемника, расположенных как показано на рис.4. Излучатели включаются последовательно. На выходах каждого из фотоприемников сигналы появляются дважды: и10 ,и2в в моменты действия соответствующих оппозитно расположенных излучателей (турбидиметрические сигналы) и и1$, С/гя в моменты, когда воспринимается рассеянное излучение от боковых излучателей (нефелометрические сигналы). Если к,, к2, к3, к4 - коэффициенты прозрачности окон, зависящие от степени их загрязнения, а 11 и 12 -интенсивности излучателей, то выражения для С/ю, и25 имеют вид:

Рис.4. Четырехлучевая импульсная схема

Uid= Irkj-k3f,(nJ, U2d= Irkrk4-f2(nJ, Uis= hkrkfFjfnJ, U2S= hkrk4-F2(nJ, где nm — массовая концентрация частиц ДФ, fi(nni), f2(nj -

(5)

(6)

(7)

(8)

функции

преобразования для турбидиметрических сигналов, а Р1(пт), Р2(пщ) - для нефелометрических. Отношение — свободно от нестабильных

и го ' У го

составляющих - к4, , 12 , и определяет результат только новая функция концентрации Ь(пт), полученная из (5-8) с помощью операций перемножения и деления:

(9)

fiM-fiM '

Четырехлучевая схема может работать не только при прямых углах 9 между осями пар "приемник / излучатель", но и при любых других углах. Известно, что при реализации нефелометрических измерений на разных углах рассеяния может быть получена информация о концентрации и распределении частиц по размерам. Совмещение двух технических решений — четырехлуче-вой импульсной схемы и нефелометрических измерений на разных углах рассеяния позволило получить новый подкласс фотометрических преобразователей концентрации ЖДС (названных многолучевыми фотометрическими преобразователями), инвариантных как к загрязнениям, так и к дисперсности.

Для теоретических исследований предлагаемых преобразователей были разработаны специальные математические модели и их программные реализации в среде MAPLE. Основой каждой модели является выражение для а(в) - показателя углового рассеяния полидисперсной средой в направлении, составляющим угол в с направлением падающего излучения. Для вывода

выражения для cr(6>) были приняты следующие допущения:

- частицы являются оптически «мягкими» (относительный показатель преломления т= 1-1,2) ;

- форма частиц близка к сферической;

- максимум плотности распределения частиц по их радиусам лежит в диапазоне 0,1..1 мкм;

- интенсивность рассеяния света множеством частиц вычисляется согласно теории переноса излучения, которая, в отличие от строгой аналитической теории, основанной на уравнениях Максвелла или волнового уравнения, оперирует непосредственно с переносом энергии в среде;

- распределение частиц по размерам описывается двухпараметрическим гамма-распределением с параметрами fi и Д которое представляет собой плотность вероятности нахождения размера частицы г в диапазоне r..r+dr :

ДГ)= + ,г>0, р>-1, 0>О. (10)

Построены модели для различных случаев расположения элементов и их диаграмм направленности:

- для измерительных ячеек с круговым и оппозитным линейным расположением элементов;

- для узких и широких диаграмм направленности приемников и излучателей.

Во всех моделях оценивалась относительная принятая мощность X= Лпт> Р)- Х~ Xi + Xs > гДе Xi ~ относительная прямая ослабленная мощность, a Xs — относительная мощность, принятая приемником в виде рассеянного излучения от всех малых объемов пространства dV.

Пример моделирования для случая широких диаграмм направленности приемника и излучателя (см. рис.5 — излучатель находится в точке О, а приемник - в точке N; в точке М находится элементарный переизлучатель ):

= РЮ = Sn -cosa'-Gro -exp(-£rrf)

рт ; (И)

cSn - cosa-<j(0)• GT(<p,y/)• exp(-g(r, + r2)) Ar/ Xs~PT~l (4 Tzf-r^-ri > О2)

где PT — излученная, а Рщ, Prs - принятые мощности;

Sn - площадь фотоприемника;

e - коэффициент экстинкции, который равен сумме коэффициентов рассеяния и поглощения и зависит от массовой концентрации пт и параметров дисперсности ц и /?;

вт(<р,Ч/) - коэффициент направленности излучения, зависящий от направления отклонения от оси 2 (<р, у,) и от угла раскрыва диаграммы направленности;

Суо - тот же коэффициент, вычисленный для направления га.

Рис. 5. Геометрические построения для вычисления мощностей прямого и рассеянного излучения

С помощью вычислительных экспериментов на моделях выявлено, что в широком диапазоне изменения параметров распределения частиц по размерам многолучевые инвариантные преобразователи концентрации предпочтительнее строить на основе нефелометров с узкой диаграммой направленности приемников и излучателей к круговой измерительной ячейкой: при этом достигается хорошая чувствительность к концентрации и есть возможность выбрать независимые каналы для совместных измерений.

Четырехлучевая импульсная схема с круговым расположением элементов и набором различных межосевых углов пар приемников /излучателей показана на рис.6. Одна пара (ИО-ПО) выбирается в качестве опорной. Она работает совместно со всеми другими парами. При работе любых двух пар на выходах фотоприемников формируется четверка сигналов, пропорциональных двум падающим прямым мощностям РП и двум рассеянным под углом О мощностям Ре- Для каждых двух пар можно найти аналогично (9) логометрическое отношение Ьв(пт ц, р) для того, чтобы освободиться от влияния загрязнений на окнах.

ИО0 «

I

шО

И2 ~

---о-

ИЗ

Рис. 6. Четырехлучевая схема с различными межосевыми углами пар приемников /излучателей

Для таких устройств выявлены наиболее выгодные с точки зрения точности и устойчивости результатов комбинации межосевых углов для пар "излучатель-приемник": в - 30°, 45°, 135°, 150°. Исследовано влияние радиуса измерительной ячейки Rc на значения логометрических отношений Lq\ выявлены медленные монотонные уменьшения значений Lg (для всех в) и уменьшение крутизны характеристик L^{nm) при увеличении Rc, причем для сред с более крупными частицами (/?=106) и для углов в— 90° это влияние гораздо заметнее. Вывод: следует применять как можно меньшие радиусы ячеек Rc и избегать использования углов в ~ 90°.

Предложено определение концентрации по результатам измерения логометрических отношений производить с помощью предварительно обученной искусственной нейросети. Показано, что погрешность аппроксимации при таком методе градуировки может быть меньше в 5-12 раз по сравнению с традиционным методом аппроксимации с помощью степенных полиномов и метода наименьших квадратов. Исследованы различные нейросетевые структуры и выявлены те, которые дают минимальную ошибку обучения (на контролирующей выборке). Кроме того, обученные нейросети проверялись на предмет устойчивости вычислений результата при искусственно введенных погрешностях входных данных (5(L0)=0,5%). Среди сетей для обработки четырех входных значений Lq по результатам всех испытаний предпочтение отдано многослойному персептрону с двумя промежуточными слоями, содержащими 5 и 3 нейрона с сигмоидальными функциями активации. Для этой нейросети средняя приведенная (в диапазоне пт 0..100 мг/л) погрешность обучения (на контролирующей выборке) при общем количестве наблюдений 150 составила 2-2,5 %, а погрешность

вычисления результата, обусловленная погрешностью входных данных, составила ~ 0,6 %.

С использованием специально разработанных градуировочного стенда и программного обеспечения был успешно испытан контактный многолучевой фотометрический концентратомер с межосевыми углами пар "приемник-излучатель" 30°,45\135\150°. Экспериментально проверена инвариантность измерений концентрации водомасляных эмульсий относительно дисперсности, которая изменялась во времени путем механического диспергирования. Обработка сигналов с помощью нейросети позволяет получить уровни результирующей погрешности порядка 1-2 %. В то же время градуировка без учета влияния дисперсности может привести к погрешности около 65 %. Экспериментально проверена инвариантность результатов к загрязнению окон приемников и излучателей: 2%-уровень погрешностей сохраняется при уменьшении коэффициента пропускания паразитных пленок до 0,6-0,7.

Предложен адаптивный алгоритм работы многолучевого концентратомера, в котором для поддержания необходимого уровня результирующей погрешности 2% используется комбинация включений механизма очистки окон и регулировка яркости излучателей. На реальном объекте экспериментально установлена необходимая периодичность включений механизма очистки. При этом период необслуживаемой работы концентратомера может составлять 6000 часов и более, что вполне соответствует современным требованиям. Конструкция преобразователя показана на рис.7.

12 3 4

Рис.7. Внешний вид первичного измерительного преобразователя многолучевого концентратомера : 1 — корпус; 2 — окна излучателей / приемников; 3 - луч текущего активного канала; 4 - выдвижной прочищающий поршень

В четвертой главе приведены результаты, являющиеся развитием теории бесконтактных фотометрических концентратомеров ЖДС. Такие устройства позволяют радикально решить проблему загрязнений на окнах

оптических элементов, если существует возможность организовать дренажную систему. Предложена их классификация. Описан ряд оригинальных конструкций, обеспечивающих повышенную метрологическую надежность. Для основных подклассов — струйных и поверхностных концентратомеров (рис.8) представлены разработанные автором математические модели, позволяющие анализировать сигналы преобразователей на предмет влияния дестабилизирующих факторов и решать оптимизационные задачи.

Исследованы и оптимизированы различные модификации таких устройств.

а V

Рис.8. Примеры поверхностного (а) и струйного (б) бесконтактных измерительных преобразователей концентрации ЖДС

Четырехлучевая схема с логометрированием сигналов, применяемая в контактных концентратомерах, применима и в бесконтактных. Предложены конструкции поверхностных бесконтактных концентратомеров на основе такой схемы. Выявлены технические возможности таких устройств. Они применимы для измерения концентраций в диапазоне порядка 1..100 мг/л с погрешностями около 2 % при условии стабильной дисперсности. Показана, в частности, инвариантность результатов к изменению уровня в сосуде-стабилизаторе. Экспериментально доказана инвариантность результатов к изменению прозрачности окон и расходу жидкости через преобразователь. Обоснован подход к оптимизации расстояний между приемниками и излучателями для разных значений параметров дисперсности. Так, при использовании типовых миниатюрных излучателей и приемников для относительно крупнодисперсных сред необходимо сдвигать приемники друг к другу вплоть до расстояний 2-3 мм, а для мелкодисперсных, наоборот, разносить их на расстояние 18-20 мм.

Модельные и натурные исследования струйных концентратомеров с продольным просвечиванием струи показали эффективность применения устройств данного подкласса для измерения малых концентраций взвеси (до 10 мг/л). Но инвариантности относительно дисперсности достичь практически невозможно ни для вариантов с узкими диаграммами направленности, ни для

вариантов с широкими диаграммами. Последние выгодно отличаются более высокими уровнями сигнала.

В отношении данного подкласса концентратомеров выявлено и предложено следующее:

1) Датчики, сигналы которых образуют логометрические отношения, могут быть разнесены по длине струи, либо один из них расположен рядом с ней, а второй - в непосредственной близости с излучателем. Второй вариант оказался предпочтительнее, т.к. световой поток, переизлучаемый струей, очень слабо изменяется по ее длине.

2) Характер зависимости принимаемого сигнала от концентрации определяется уровнем жидкости в сосуде-стабилизаторе. Для мелкодисперсных сред (/?>2-106) ниже определенного значения (-15 см) его понижать нельзя, т.к. зависимость сигнала от концентрации становится немонотонной, - сначала наблюдается ее рост, а затем спад, что неприемлемо для однозначного определения концентрации.

3) Для повышения уровня полезного сигнала и соотношения "сигнал/ шум" целесообразно направлять фотоприемники на струю не перпендикулярно, а под углом —30°, а для независимости результата от колебаний формы и направления струи предложено выполнять фотоприемные устройства в виде кольцевых фотоприемных матриц. Экспериментально доказана повышенная метрологическая надежность таких матриц по сравнению с одиночными фотоприемниками: они обеспечивают заданный уровень приведенной погрешности (2 %) в условиях таких влияющих факторов как забрызгивание излучателей и приемников, нестабильность направления струи и расхода жидкости.

Установлено, что поверхностные концентратомеры и струйные концентратомеры с продольным просвечиванием струи практически непригодны для организации многоканальных измерений с целью реализации совместных измерений нескольких независимых отношений Ь и инвариантного определения концентрации. Поэтому область применения таких преобразователей — измерения концентрации ЖДС со стабильной дисперсностью. Указанное ограничение обусловлено невозможностью проведения многоугловых измерений интенсивности из-за явления полного внутреннего отражения внутри жидкости.

Пригодными для построения инвариантных относительно дисперсности концентратомеров являются струйные с поперечным просвечиванием струи. Они обладают характеристиками и возможностями, сходными с теми, что имеют контактные фотометрические концентратомеры с круговым расположением элементов, выгодно отличаясь от последних длительным периодом необслуживаемой работы, большим ресурсом и ремонтопригодностью.

В пятой главе рассмотрены фотометрические концентратомеры ЖДС, общим признаком которых является переменная измерительная база. Они не выделены в отдельный подкласс; по физической основе функционирования они могут быть турбидиметрами или нефелометрами, по характеру взаимодействия со средой — контактными или бесконтактными, по способу получения результата — с непосредственным измерением или с применением логометрического принципа. Под измерительной базой здесь понимается расстояние между приемником и излучателем для устройств турбидиметрического типа или угол между их осями для устройств нефелометрического типа. Цель введения переменной измерительной базы (два или более ее значений) — обеспечение инвариантности измерений концентрации ДФ относительно загрязнения окон приемника/излучателя и (или) относительно параметров дисперсности.

Предложена классификация переобразователей с переменной измерительной базой, которой охвачены как известные устройства, так и предложенные автором, такие как: турбидиметр с переменной измерительной базой и использованием сильфона, нефелометр с секторным возвратно-периодическим вращением излучателя и поворотным шифратором (патент РФ №42320 на ПМ).

На рис.9 показаны турбидиметры с переменной измерительной базой.

Работа турбидиметра сводится к формированию на выходах контроллера программно-управляемой последовательности инициирующих сигналов для электропривода и излучателя, измерению в соответствующие моменты времени сигнала на выходе фотоприемника и расчету концентрации частиц. Цикл работы выглядит как периодически повторяемая последовательность "сжатие сильфона —> излучение и измерение —► растяжение сильфона —* излучение и измерение —» вычисление концентрации".

Сигналы фотоприемника измеряются при положениях сильфона, соответствующих расстояниям ^ и Ь^ между фотоприемником и излучателем. Эти сигналы подчиняются следующим зависимостям:

у и2=к-10-е-£1гП", где их,и2- сигналы, измеренные на выходе фотоприемника;

пт - искомая массовая концентрация частиц;

е — удельная экстинкция;

/0 - яркость излучения излучателя;

к- коэффициент преобразования, зависящий, в частности, от степени прозрачности (загрязнения) окон фотоприемника и излучателя.

Контроллер вычисляет результат в виде пт = ——-——. Он свободен от

нестабильных составляющих к и /0 •

1 2

drive

3

6

in

outl OU12

□ □□

IJIJIJ

mg/L

9

10 11

a

б

Рис.9. Турбидиметры с переменной измерительной базой: а - общая схема, поясняющая принцип действия; б — пример реальной конструкции; 1 - измерительная камера (может являться частью трубопровода); 2 - окно; 3 - фотоприемник; 4 - излучатель; 5 - сильфон; б - электропривод; 7 - подвижный элемент; 8 - направляющий элемент; 9 - контроллер; 10 - подвижный элемент; 11 - неподвижный элемент

Для турбидиметра с переменной измерительной базой разработана математическая модель результирующей погрешности вычисления концентрации. С ее помощью проведены исследования на предмет оптимизации диапазона перемещения подвижного элемента. Выявлено, что:

1)Для диапазона концентраций 1..100 мг/л существует зона значений Ху^ЗО..40 мм (при Ь2—Ъ мм ), при которых обеспечивается вычисление концентрации с относительной погрешностью не более 5%. В этом случае Ь1 можно сделать постоянным.

2) При необходимости измерений концентрации в указанном диапазоне с меньшей погрешностью (1%) требуется адаптивная перестройка используемой для вычислений базы Ь} в зависимости от пт: от/,/=20 мм при ят=20..100 мг/л идо £у=100мм при ит=1..20 мг/л.

3) Адаптивную базу /,/ можно использовать также для широкодиапазонных (до 500 мг/л) измерений концентрации с погрешностью менее 5%. Для этого база должна изменяться от ¿/=6..7 мм при лт=500 мг/л до ¿/=100 мм при пт—+1 мг/л.

Предложен адаптивный алгоритм работы турбидиметра с переменной измерительной базой, который значительно увеличивает ресурс механизма и одновременно позволяет вычислять концентрацию с приемлемой погрешностью в различных диапазонах ее изменения.

Испытания турбидиметра с переменной измерительной базой показали, что устройства такого типа могут обеспечивать инвариантность результатов относительно загрязнения окон в гораздо более широком диапазоне изменения их прозрачности, чем другие рассмотренные типы концентратомеров. При значениях мутности среды до 500 N111 стабильный уровень погрешности 2-3 % сохраняется даже при десятикратном уменьшении прозрачности. Таким образом, этот тип концентратомеров предпочтителен для применения в средах с липкой ДФ.

Показано, как традиционные средства очистки ЧЭ могут дополнять новые технические решения по повышению показателей надежности концентратомеров, повышая их эффективность. При этом требования к частоте и качеству очистки могут быть значительно снижены благодаря наличию таких технических решений, как конструкции с переменной базой и логометрический принцип получения результата. Предложены технические решения по рациональному построению механических очистителей для фотометрических преобразователей (как турбидиметрического, так и нефелометрического типа) с переменной измерительной базой, которые основаны на самом факте наличия в них подвижных элементов.

В приложениях приведены тексты отдельных программ, фотоиллюстрации, а также документы о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Систематизирована информация о методах и средствах измерения концентрации компонентов ЖДС. Выявлены основные влияющие факторы, ограничивающие надежность полевых концентратомеров: паразитные отложения на чувствительных элементах датчиков и нестабильность дисперсности ЖДС. Определены наиболее перспективные пути обеспечения надежности и живучести измерительных преобразователей концентрации ЖДС.

2. Обоснована концепция построения полевых высоконадежных средств измерения концентрации ЖДС, которая основана на комплексном применении трех принципов: принципа инвариантности измерений, принципа обеспечения избыточности и принципа непосредственного устранения действия влияющего фактора.

3. Разработаны новые технические решения по построению полевых измерительных преобразователей концентрации компонентов ЖДС

отличающихся повышенной надежностью и живучестью, а именно:

- предложен новый класс многофункциональных датчиков для поточных измерений концентрации компонентов многофазных ЖДС (таких, как водога-зомасляные эмульсии) — комбинированные акустоэлектрические датчики (КАЭД), в которых в различных вариантах совмещены элементы, предназначенные для измерения комплексной электрической проводимости ЖДС, и акустические элементы для измерения скорости звука; проанализированы различные варианты построения многоэлементных КАЭД и выявлены структуры с 7-8 элементами, обладающими наибольшей живучестью;

- предложен ряд решений по построению новых фотометрических измерительных преобразователей концентрации разбавленных ЖДС: многолучевые фотометрические преобразователи на базе четырехлучевой импульсной схемы; конструкции на базе четырехлучевой схемы для бесконтактных поверхностных преобразователей; применение кольцевых фотоприемных матриц для струйных преобразователей с продольным просвечиванием струи, многолучевые схемы построения струйных преобразователей с поперечным просвечиванием струи; турбидиметр с перемещаемым излучателем и адаптивным диапазоном перемещения; нефелометр с секторным возвратно-периодическим вращением излучателя; подвижные элементы с дополнительной функцией очистки окон приемников/излучателей.

Большинство предложенных технических решений защищено патентами.

4. Развита научная основа проектирования для перечисленных классов и подклассов преобразователей, а именно: разработаны математические модели, на основе которых возможен анализ результатов при действии различных влияющих факторов; на основе математического моделирования оценены технические возможности преобразователей и даны рекомендации по их проектированию.

Основные результаты и выводы, полученные в ходе вычислительных экспериментов с моделями различных классов преобразователей:

1) КАЭД. Для однозначного определения солесодержания водной фазы £ в диапазоне 1..100 г/л в эмульсиях типа «вода в масле» необходимо задавать рабочую частоту электрического канала КАЭД порядка 30 МГц. Для обеспечения инвариантности измерений содержания свободного газа к размерам газовых пузырьков рабочая частота акустического канала должна составлять 200..250 Гц. Приведенные погрешности определения влагосодержания ¡V и содержания свободного газа <7 с помощью КАЭД в 1,5-5 раз меньше по сравнению с аналогичными однопараметрическими концентратомерами, не учитывающими одновременного влияния на сигналы параметров ТУ, 5", й.

Выявлены геометрические соотношения для разных типов КАЭД, при которых наблюдается максимальная независимость погрешностей вычисленных результатов от толщины паразитных отложений. В наименьшей степени этот фактор влияет на КАЭД с цилиндрическими коаксиальными элементами.

2) Многолучевые фотометрические преобразователи.

При широкодиапазонных изменениях дисперсности такие преобразователи предпочтительнее строить на основе нефелометров с узкой диаграммой направленности приемников и излучателей и круговой измерительной ячейкой: при этом достигается хорошая чувствительность к концентрации и есть возможность выбрать независимые каналы для совместных " измерений. Преобразователи обеспечивают результат, инвариантный одновременно к загрязнению окон приемников/излучателей и изменениям дисперсности ЖДС. Выявлена наиболее выгодная с точки зрения точности и устойчивости результатов комбинация межосевых углов для пар "излучатель-приемник": 30°, 45°, 135°, 150°.

3) Бесконтактные фотометрические преобразователи.

Исследованы поверхностные преобразователи на основе четырехлучевой

схемы. Они применимы для измерения концентраций в диапазоне порядка 1..100 мг/л с погрешностями около 2 % при условии стабильной дисперсности. Показана инвариантность их результатов не только к изменениям прозрачности окон приемников/излучателей, но и к изменению уровня в сосуде-стабилизаторе. Обоснован подход к оптимизации расстояний между приемниками и излучателями для разных значений параметров дисперсности.

Исследования струйных преобразователей с продольным просвечиванием струи показали эффективность их применения для измерения малых концентраций взвеси (до 10 мг/л) при стабильной дисперсности.

Измерения концентрации ЖДС, инвариантные относительно дисперсности, возможны на основе многолучевых струйных преобразователей с поперечным просвечиванием струи.

4) Преобразователи с переменной измерительной базой.

Для широкодиапазонных измерений концентрации ЖДС с заданным верхним уровнем погрешности требуется адаптивная перестройка наибольшей длины базы в зависимости от концентрации. Определены диапазоны ее перестройки для разных уровней погрешности и диапазонов концентрации.

5. Обоснована целесообразность обработки сигналов многолучевых фотометрических преобразователей с помощью искусственных нейросетей, применение которых позволяет относительно просто достичь заданной точности аппроксимации и упростить процесс градуировки. Показано, что погрешность аппроксимации при таком методе градуировки может быть меньше в 5-12 раз по сравнению с традиционными методами. Исследованы различные нейросетевые структуры и выявлены те, которые дают минимальную ошибку обучения на контролирующей выборке.

Для различных классов фотометрических преобразователей разработаны адаптивные алгоритмы работы, обеспечивающие необходимый уровень погрешности вычисления результата при широкодиапазонных изменениях концентрации и значительных загрязнениях окон приемников/излучателей.

6. Большинство из предлагаемых устройств изготовлено в виде экспериментальных образцов, испытано на стендах или на производстве. Предварительные испытания показали преимущества предложенных устройств перед используемыми аналогами по ряду их надежностных, эксплуатационных и метрологических показателей.

Отдельные измерительные преобразователи, алгоритмы и программы, а также методики проектирования преобразователей концентрации ЖДС внедрены в ряде научно-производственных и инженерных фирм. Идет подготовка к серийному производству многолучевых фотометрических концентратомеров. Нейросетевая технология обработки их сигналов и автоматизированной градуировки реализована в специально разработанном программном обеспечении. Отдельные результаты работы использованы также в учебном процессе в технических вузах.

Таким образом, достигнута поставленная цель и решены задачи, связанные с созданием и исследованием гаммы измерительных преобразователей концентрации компонентов жидких дисперсных сред, имеющих метрологические, надежностные и эксплуатационные показатели, отвечающие современным требованиям. Внедрение изложенных в работе научно обоснованных технических решений способно внести значительный вклад в развитие многих отраслей экономики.

Список публикаций по теме диссертации включает 56 наименований. Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Книги:

1. Фетисов B.C. Фотометрические полевые средства измерений концентрации жидких дисперсных систем. - Уфа: УГАТУ, 2005. — 233 с.

2. Фетисов B.C. Интеллектуальные средства измерений и HART-протокол: Учеб. пособие (с грифом УМО). - Уфа: УГАТУ, 2004. - 85 с.

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

3. Фетисов B.C., Нигмаджанов Т.Б., Гусев В.Г. Бесконтактные первичные преобразователи электрических параметров жидкостей // Приборы и системы управления. - 1996. - № 6. — С.46-49.

4. Фетисов B.C. Современное состояние и тенденции разработок датчиков для определения состава водогазонефтяных смесей // Приборы и системы управления. - 1998. - № 1. - С.40-44.

5. Фетисов B.C. Средства измерения влажности нефти: современное состояние, проблемы и перспективы // Датчики и системы. — 1999. — № 3. - С.33-38.

6. Беляков B.JL, Чирков Ю.П., Токарев К.Л., Фетисов B.C., Иванцов С.Ю. О совершенствовании технических средств для промыслового и коммерческого учета нефти на автоматизированных узлах учета // Нефтяное хозяйство. - 2000. -№3. — С.51-52.

7. Фетисов B.C., Валеев В.Т. Логометрический принцип построения поточных мутномеров // Экологические системы и приборы. — 2002. — № 2. - С.6-7.

8. Фетисов B.C. Средства измерения мутности жидких сред: теоретические и практические аспекты // Датчики и системы. - 2003. - № 12. - С.49-57.

9. Фетисов B.C., Засыпкина Н.А., Цих Е.В. Многоэлеменгный волоконно-оптический мутномер с нейросетевой обработкой сигналов // Экологические системы и приборы.-2004,-№4. -С. 9-12. •

10. Фетисов B.C., Цих Е.В. Бесконтактные поточные датчики мутности жидких сред И Датчики и системы. - 2004. - № 7. - С.61-65.

11. Фетисов B.C. Принципы построения концентратомеров для систем контроля параметров эмульсий и суспензий // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2004. — № 11. — С. 42-46.

Статьи в материалах международных конференций:

12. Фетисов B.C. Компьютеризованные измерения содержания компонентов водогазонефтяных смесей с помощью многофункциональных датчиков // Материалы 10-го Международного Симпозиума по цифровой измерительной технике (ISDDMT98), 1998, Неаполь, Италия. - Т.1. - С. 259-264 (на англ. яз.).

13. Фетисов B.C. Логометрические поточные мутномеры: принцип измерений и варианты реализации // Материалы XVII Всемирного Конгресса IMEKO, 2003, Дубровник, Хорватия. - С. 1202-1205 (на англ. яз.).

14. Фетисов B.C. Искусственные нейросети в измерителях концентрации жидких дисперсных сред // Материалы 10-го Международного Симпозиума Комитета ТС7 IMEKO по достижениям в науке об измерениях, 2004, С.-Петербург, Россия. - Т.2. - С. 261-265 (на англ. яз.).

Патенты и авторские свидетельства:

15. Патент РФ № 2085934 на изобр. Автогенераторный анализатор жидкостей / Фетисов B.C., Нигмаджанов Т.Б, Опубл. 1997, Бюл. изобр. №21.

16. Патент РФ № 2109277 на изобр. Способ определения влажности многокомпонентных жидкостей и устройство для его реализации /Фетисов B.C. Опубл. 1998, Бюл. изобр. №11.

17. Заявка № 96105041 на патент РФ на изобр. с полож. реш. Роспатента. Устройство для измерения концентрации жидких сред / Беляков В Л., Гуме-ров А.Г., Кульгильдин С.Г., Фетисов B.C. Опубл. 1998, Бюл. изобр. № 18 (I ч.).

18. Патент РФ № 2175763 на изобр. Измерительная головка для волоконно-оптического капельного анализатора /Фетисов B.C., Свинухов А.С. Опубл. 2001, Бюл. изобр. №31.

19. Свидетельство Роспатента № 28252 на ПМ. Устройство для определения концентрации нефти в воде / Гусев В.Г., Мукаев Р.Ю., Фетисов B.C., Чирко CJVT. Опубл. 2003, Бюл. изобр. № 7.

20. Патент РФ № 2235310 на изобр. Бесконтактный поточный мутномер / Фетисов B.C. Опубл. 2004, Бюл. изобр. № 25.

21. Патент РФ № 2235991 на изобр. Бесконтактный мутномер / Фетисов

B.C. Опубл. 2004, Бюл. изобр. № 24.

22. Патент РФ № 39708 на ПМ. Широкодиапазонный бесконтактный мутномер / Фетисов B.C., Цих Е.В. Опубл. 2004, Бюл. изобр. № 22.

23. Патент РФ № 42320 на ПМ. Поточный измеритель концентрации взвешенной фазы в жидкой среде / Фетисов B.C., Насибуллин A.C. Опубл. 2004, Бюл. изобр. №33.

24. Патент РФ № 2256166 на изобр. Способ определения содержания нефти в потоке воды / Фетисов B.C. Опубл. 2005, Бюл. изобр. № 19.

Сборники трудов:

25. Фетисов B.C., Беляков B.JI. Акусто-диэлъкометрический датчик для систем контроля влагосодержания нефти // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов : Сб. науч. трудов. — Уфа: ИПТЭР, 1995. -

C.132-135.

26. Фетисов B.C. Повышение точности измерений влагосодержания нефта // Диагностика, информатика, метрология-95: Материалы Всеросс. науч.-техн. конф. -С.-Петербург, 1995.- С. 196.

27. Фетисов B.C. Акусто-кондуктометрическая ячейка как датчик для анализаторов состава водонефтяных эмульсий // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : Материалы Всеросс. VII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. — М.: МГИЭМ, 1995. -Т. 1. — С.247.

28. Фетисов B.C. Программно-аппаратный комплекс для контроля параметров водонефтяной эмульсии // Электроника и информатика: Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. с международным участием. — М.: МИЭТ, 1995. — С.256.

29. Фетисов B.C. Акусто-диэлькометрический датчик для измерения влажности многокомпонентных жидкостей // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : Материалы Всеросс. VIII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М.: МГИЭМ, 1996. -Т. 1. —С.165-166.

30. Фетисов B.C. Многофункциональные акусто-диэлькометрические датчики для контроля параметров водонефтяной эмульсии // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Межвуз. науч. сб., вып.1. -Уфа: УГАТУ, 1996. - С. 11 -17.

31. Абдулаев A.A., Беляков B.JL, Фетисов B.C. Измерение акустических параметров гетерогенных жидких сред в трубопроводах малого диаметра // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Межвуз. науч. сб., вып.1. - Уфа: УГАТУ, 1996. - С.165-169.

32. Фетисов B.C. Комбинированные измерительные преобразователи для систем контроля состава водонефтяных эмульсий // Датчики систем измерения, контроля и управления : Межвуз. сб. науч. трудов, вып.16. - Пенза: ПГТУ, 1996. -

С.37-42.

33. Фетисов B.C. Комбинирование датчиков в системах автоматического контроля параметров водонефтяных эмульсий // Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов : Межвуз. сб. науч. трудов. — Уфа: УГАТУ, 1996.-С.62-64.

34. Фетисов B.C. Комбинирование емкостных и акустических чувствительных элементов в датчиках для исследования жидких сред // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Сб. науч. статей. — Уфа: Гилем, 1996. —С.26-37.

35. Фетисов B.C. Современное состояние и тенденции разработок датчиков состава водонефтяных эмульсий И Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : Материалы Всеросс. IX науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М.: МГИЭМ, 1997. - С.17-19.

36. Фетисов B.C., Колегаев Ю.Б. О выборе варианта совокупных измерений // Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации : Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. - Уфа: УГАТУ, 1997.

- С.95-96.

37. Фетисов B.C. Методика выбора оптимальной системы уравнений при многопараметрических измерениях // Методы и средства измерений физических величин : Материалы Til Всероссийской науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 1998. -Ч. VIII.-С.26.

38. Фетисов B.C. Многофункциональный лабораторный анализатор качества сырой нефти // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Межвуз. сб. науч. статей. - Уфа: УГАТУ, 1999. - С.97-100.

39. Фетисов B.C., Гуссв В.Г. Логометрический турбидиметр // Датчики и системы: Материалы международной конференции. - СПб.: СПбГТУ, 2002. - T.I.

- С.192-196.

40. Фетисов B.C. О применении искусственных нейросетей для обработки сигналов поточных, мутномеров // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : Материалы XV Всеросс. науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М.: МГИЭМ, 2003. - С.27-28.

41. Фетисов B.C., Насибуллин A.C., Цих Е.В. Широкодиапазонный бесконтактный мутномер // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : Материалы XVI Всеросс. науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М.: МГИЭМ, 2004- - С.115-116.

42. Цих Е.В., Фетисов B.C. Бесконтактные поточные датчики мутности // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Материалы XVI Всеросс. науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М.: МГИЭМ, 2004. - С.153-154.

43. Фетисов B.C., ГайсинА.В., Новоженин A.A. Бесконтактные фотометрические струйные измерители концентрации взвешенной фазы в жидкостях И Методы и средства измерений: Материалы XII Всеросс. науч.-техн. конф. - ННовгород: МВВО АТН РФ. - 2005. - С.25-26.

ФЕТИСОВ Владимир Станиславович

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 07.10.05. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл.печ.л.2,0. Усл.кр.-отт. 2,0. Уч.-изд.л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ № 450

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул.К.Маркса, 12

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Современное состояние техники измерений концентрации компонентов жидких дисперсных сред.

1.1. Общая характеристика дисперсных сред.

1.2. Актуальность и особенности полевых измерений концентрации жидких дисперсных сред.

1.3. Основные требования, предъявляемые к полевым средствам измерения концентрации ЖДС.

1.3.1. Условия эксплуатации.

1.3.2. Метрологические характеристики.

1.3.3. Показатели надежности.

1.3.4. Другие требования.

1.4.Классификация и обзор методов измерения концентрации ЖДС.

1.4.1. Методы измерения концентрации ЖДС с модификацией компонентов.

1.4.2. Методы измерения концентрации ЖДС без модификации компонентов.

1.4.3. Оценка пригодности и перспективности методов для полевых измерений концентрации ЖДС.

1.5. Основные пути повышения метрологической надежности и живучести полевых средств измерения концентрации ЖДС

1.6. Краткий обзор рынка полевых средств измерения концентрации ЖДС

1.7. Нерешенные проблемы в области разработок полевых средств измерения концентрации ЖДС. Выводы по главе и постановка задачи исследования

Глава 2. Средства измерения параметров состава водогазомасляных эмульсий

2.1. Общая постановка и последовательность решения задачи оптимизации ИИС для измерения концентрации компонентов ЖДС.

Ф 2.2. Задача измерения параметров состава водогазомасляных эмульсий. Оптимальное комплексирование совместных измерений.

2.3. Обоснование выбора методов измерения на примере многофункционального датчика состава ВГМЭ.

2.4. Комплексирование измерений параметров состава ВГМЭ с помощью комбинированных акустоэлектрических датчиков (КАЭД).

2.5. Математическое моделирование КАЭД.

2.5.1. Математическая модель ПИП электрического канала КАЭД.

2.5.2. Уточнение метода измерения по результатам моделирования ПИП электрического канала КАЭД.

2.5.3. Математическая модель ПИП акустического канала КАЭД.

2.5.4. Уточнение конструкции ПИП, схемы включения и алгоритма функционирования акустического канала . 169 Ф 2.5.5. Полная математическая модель КАЭД и ее использование для оптимизации геометрических параметров датчика (для случая дисковых противолежащих элементов).

2.5.6. Исследование технических возможностей КАЭД с дисковыми элементами.

2.5.6.1. Получение расчетных формул для вычислений W,S,G.

2.5.6.2. Анализ погрешностей КАЭД с дисковыми элементами.

2.5.6.3. Описание экспериментального образца КАЭД и выполненных экспериментов.

2.5.7. Моделирование КАЭД для других расположений элементов.

2.6. Дальнейшие возможности повышения метрологической надежности и живучести КАЭД.

Результаты и выводы по главе 2.

Глава 3. Фотометрические полевые средства измерения концентрации ■ разбавленных ЖДС с повышенной метрологической надежностью.

3.1. Модель ЖДС как рассеивателя оптического излучения.

Основные допущения и область применимости

3.2. Четырехлучевая импульсная схема и ее модификации

3.2.1. Моделирование четырехлучевой импульсной схемы для случая узких диаграмм направленности приемников и излучателей.

3.2.2. Влияние радиуса измерительной ячейки на результаты измерений.

3.2.3. Предложения по построению четырехлучевой импульсной схемы с узкими диаграммами направленности излучателей и приемников и обработка ее сигналов с помощью искусственных нейросетей

3.2.4. Четырехлучевая импульсная схема с широкими диаграммами направленности излучателей и приемников и линейным расположением элементов

3.2.5. Модель для изучения фотометрических преобразователей с произвольными углами раскрыва диаграмм направленности излучателей и произвольным расположением элементов. .263 3.3. Практическая реализация многолучевых контактных фотометрических концентратомеров.

3.3.1. Градуировочный стенд.

3.3.2. Программное обеспечение для автоматизированной градуировки и обработки сигналов многолучевых фотометрических концентратомеров.

3.3.3. Результаты стендовых испытаний многолучевого фотометрического концентратомера.

3.3.4. Улучшение показателей надежности многолучевого концентратомера путем интеллектуализации алгоритма его работы.

Результаты и выводы по главе

Глава 4. Фотометрические бесконтактные средства измерения концентрации разбавленных ЖДС.

4.1. Общая характеристика бесконтактных концентратомеров ЖДС. ф 4.2. Поверхностные бесконтактные концентратомеры ЖДС.

4.2.1. Использование четырехлучевой импульсной схемы в поверхностных бесконтактных концентратомерах ЖДС.

4.2.2.Улучшенная четырехлучевая схема поверхностного концентратомера с коллимированным пучком излучателя.

4.3. Струйные бесконтактные концентратомеры ЖДС

4.3.1. Струйные концентратомеры с продольным просвечиванием струи и узкими диаграммами направленности приемников.

4.3.2. Струйные концентратомеры с продольным просвечиванием струи и широкими диаграммами направленности приемников.

4.3.3. Струйные концентратомеры с продольным просвечиванием , струи и кольцевыми матрицами фотоприемников.

4.3.4. Струйные концентратомеры с поперечным просвечиванием струи

4.4. Результаты испытаний бесконтактных концентратомеров.

4.4.1. Результаты испытаний поверхностного бесконтактного концентратомера.

4.4.2. Результаты испытаний струйных концентратомеров с продольным просвечиванием струи.

Результаты и выводы по главе 4.

Глава 5. Фотометрические концентратомеры ЖДС с переменной измерительной базой.

5.1. Концентратомеры ЖДС на основе турбидиметров с переменной измерительной базой.

5.1.1. Принцип действия и особенности конструкций.

5.1.2. Оптимизация диапазона перемещения подвижного элемента.

5.1.3. Алгоритм функционирования турбидиметра с переменной измерительной базой.

5.2. Концентратомеры ЖДС на основе нефелометров gt с переменным углом регистрации рассеяния.

5.2.1. Принцип действия и особенности конструкций.

5.2.2. Нефелометр с секторным возвратно-периодическим вращением излучателя и поворотным шифратором.

5.3. Практическая реализация концентратомеров с переменной измерительной базой.

5.3.1. Результаты испытаний турбидиметра с переменной измерительной базой.

5.3.2. Использование механической очистки окон для повышения метрологической надежности турбидиметров с переменной измерительной базой.

Результаты и выводы по главе 5.

Актуальность проблемы

Большинство жидкостей в природе и технике существует в виде жидких дисперсных сред (ЖДС): эмульсий, суспензий, коллоидных растворов. Информация о концентрации взвешенных частиц (дисперсной фазы - ДФ) часто бывает очень важна для управления многими технологическими процессами и экологического мониторинга. Наиболее типичными примерами областей и объектов, где требуются непрерывные измерения концентрации ДФ в ЖДС, являются:

- контроль качества питьевой воды на всех этапах ее подготовки;

- контроль физико-химических параметров сточных вод;

- контроль состояния различных фильтров;

- измерение параметров водонефтяных эмульсий при добыче и подготовке нефти с целью учета и управления соответствующими технологическими процессами;

- контроль качества подготовки обратной воды, закачиваемой в скважины на нефтепромыслах для поддавливания нефтеносных пластов;

- контроль процессов в пищевой промышленности, в частности, в пивоварении и виноделии;

- контроль качества топлива в авиации;

- контроль процесса осаждения взвеси в резервуарах-отстойниках цехов химводоочистки ТЭЦ;

- измерения и контроль концентрации взвешенных частиц органического и неорганического происхождения в медицине и биологии;

- контроль процессов в моечных и стиральных машинах бытового и промышленного назначения;

- исследования концентрации органических и неорганических взвесей в гидрографии и океанологии и т.д.

Измерения концентрации ДФ ЖДС в полевых (промышленных) условиях имеют свою специфику и резко отличаются от лабораторных измерений. Получаемая при этом текущая информация о концентрации ДФ, наряду с другими параметрами объекта или процесса, используется либо для пассивного наблюдения и накопления (мониторинга), либо (что свойственно различным системам управления и контроля) для формирования целенаправленного воздействия на этот объект или процесс. Целью такого воздействия, которое может выполняться как с участием человека-оператора, так и без него, может быть: оптимизация процесса, предотвращение аварийных ситуаций, отбраковка образцов ЖДС по каким-либо критериям качества, связанным с концентрацией, и др. Требования к метрологическим характеристикам полевых средств измерения концентрации ЖДС, как правило, несколько ниже тех же требований, предъявляемых к лабораторным приборам. Очень часто уровень приведенной погрешности определения концентрации 2-4% оказывается вполне достаточным, тогда как для лабораторных средств этот уровень должен составлять 0,1-1%. Требования к быстродействию концентратомеров для ведения большинства технологических процессов также не являются очень жесткими: обычно продолжительность однократного измерения от десятых долей секунды ло нескольких секунд вполне приемлема. Однако для полевых измерителей концентрации первостепенную важность имеют эксплуатационные и надежностные показатели.

Часто полевые измерения проводятся в жестких условиях: в непрерывном потоке с большим расходом жидкости, при больших давлениях, в условиях коррозионной активности среды, абразивной или липкой ДФ и изменяющейся дисперсности частиц, наличии паразитных отложений солей или вязких фракций среды на датчиках. Дисперсная среда может быть и многофазной: например, водонефтяная эмульсия может содержать фазу из пузырьков свободного газа, что дополнительно осложняет измерения. При этом доступ к датчикам часто затруднен или невозможен без остановки технологического процесса. При таких условиях весьма важны высокая надежность (в частности, метрологическая надежность) средств измерений концентрации, и в первую очередь это относится к первичным измерительным преобразователям.

На рис. В.1 показан типичный пример использования информации о концентрации взвешенной фазы в ЖДС - управление процессом осветления воды в водоотстойнике. Мутная вода периодически закачивается в водоотстойник посредством насоса HI, а осветленная вода откачивается насосом Н2. Периодически выпавший в осадок шлам удаляется шламоудалителем Ш. Управление насосами и шламоудалителем осуществляется посредством контроллеров КН1, КН2, КШ, управляющие сигналы для которых формируются в блоке управления БУ. Первичная информация для него поступает с датчика уровня ДУ, датчиков концентрации ДК1 и ДК2, причем последние установлены на различной глубине и рассчитаны на различные диапазоны концентраций: сигнал высокочувствительного датчика с низким пределом измерений (0.10 мг/л) ДК1 предназначен для формирования управляющих сигналов для насоса Н2, соответствующих разрешению начала откачки осветленной воды (после уменьшения уровня сигнала ниже установленного порога), а сигнал широкодиапазонного датчика (0.10 г/л) ДК2 - для определения момента времени начала шламоудаления. Сигнал датчика уровня ДУ участвует в формировании управляющих сигналов для обоих насосов и шламоудалителя таким образом, чтобы не допускать перелив воды выше верхней предельной отметки и опускание уровня ниже предельной нижней отметки (не ниже ДК1).

Рис. В.1. Типичный пример использования информации о концентрации ДФ -управление процессом осветления воды в водоотстойнике: ДК1, ДК2 - датчики концентрации; ДУ - датчик уровня; HI, Н2 - насосы; КН1, КН2 -контроллеры насосов; Ш - шламоудалитель; КШ - контроллер шламоудалителя;

БУ - блок управления

Поскольку процесс седиментации частиц является довольно длительным, быстродействие датчиков концентрации не является здесь критичным параметром, а устойчивость работы достигается введением достаточно глубокого гистерезиса при формировании управляющих сигналов в БУ и корректно построенного алгоритма. Однако отказ (в т. ч. метрологический) любого из датчиков концентрации может привести к попаданию неосветленной воды в дальнейший технологический цикл, неоправданному замедлению процесса или нарушению шламоудаления. Итогом может стать ухудшение экономической эффективности установки или аварийная ситуация. Для поддержания работоспособности датчиков концентрации или их замены требуется их периодическое извлечение из резервуара, что связано с определенными временными и трудовыми затратами.

Другим примером является длительный мониторинг параметров океанской или речной воды, включая концентрацию взвешенной фазы (мутности) при гидрографических исследованиях. Такая информация важна для экологов, биологов, гидрологов и позволяет правильно оценивать и прогнозировать различные процессы, происходящие в объектах гидросферы. При этом комплекс датчиков, связанный кабелем и тросом с научно-исследовательским судном, обычно непрерывно буксируется по определенному маршруту. Достоверность получаемых данных зависит от метрологической надежности используемых датчиков.

Приведенные примеры позволяет понять, почему потребители заинтересованы в как можно больших значениях таких показателей концентратомеров, как период необслуживаемой работы, межрегламентный и межповерочный интервалы, средняя наработка на отказ, средний срок службы.

Усилия специалистов - разработчиков средств измерения концентрации ЖДС, работающих в тяжелых условиях эксплуатации в составе систем непрерывного контроля и управления, сосредоточены на нескольких разных направлениях: обеспечении инвариантности измерений концентрации относительно основных влияющих факторов, ограничивающих метрологическую надежность, исключении действия самих влияющих факторов или периодическом устранении результата их действия, резервировании датчиков и внедрении интеллектуальных алгоритмов обработки их сигналов, способных повысить живучесть концентратомеров, максимально отдалить или спрогнозировать момент метрологического отказа.

Наиболее эффективно используются те средства измерения концентрации, принцип действия которых основан на рассеянии различных зондирующих излучений, в первую очередь, радиоволновых, оптических и акустических. Так, например, для измерения концентрации разбавленных эмульсий и суспензий традиционно используют нефелометрический и турбидиметрический методы, входящих в группу фотометрических методов и основанных на взаимодействии оптического излучения с частицами ДФ. Для определения содержания газовой ДФ в жидкостях весьма эффективны акустические методы. Вклад в развитие теоретических представлений о взаимодействии ЖДС с такими излучениями внесли многие выдающиеся ученые: А.Эйнштейн, Г.Ми, С.Чандрасекар, Г.С. Ландсберг и многие другие. В систематическом виде эти вопросы изложены в современных монографиях Ф. Шермана, А.Исимару, К.С. Шифрина, Е.С.Кричевского и др. Технические аспекты реализации концентратомеров для ЖДС подробно рассмотрены в работах И.Ю.Клугмана, А.В.Бугрова, Е.Н.Браго, М.В.Кулакова, А.М.Онищенко, В.Л.Белякова и многих других. Однако известные серийно выпускаемые концентратомеры, как правило, не обладают достаточной стойкостью к действию названных влияющих факторов, а для поддержания необходимого уровня метрологической надежности требуется частое вмешательство обслуживающего технического персонала.

Существуют технические и технологические предпосылки для улучшения надежности средств измерения концентрации ЖДС. Перспективными направлениями в этой области являются: использование мультисенсорных структур, широкое применение встраиваемой микропроцессорной техники, интеллектуализация алгоритмов работы, автоматизация регламентных работ и т.д. Однако до сих пор не созданы измерительные преобразователи для полевых измерений концентрации ЖДС, которые удовлетворяли бы всем современным требованиям. Причина, видимо, заключается в некомплексном применении всего арсенала методов современных информационно-измерительных технологий, в недостаточно развитой теоретической базе решения подобных задач, в недостаточно проработанных методиках проектирования средств измерения концентрации ДФ в ЖДС. Существует необходимость разработки на основе систематизации мирового опыта общей концепции построения высоконадежных полевых концентратомеров ЖДС, создания и исследования новых измерительных преобразователей концентрации ЖДС различного назначения, имеющих улучшенные надёжностные и эксплуатационные показатели.

Данная работа является изложением научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволяет получить средства измерения концентрации ЖДС с характеристиками, удовлетворяющим современным требованиям, и тем самым внести значительный вклад в развитие многих отраслей экономики.

Особое внимание в работе уделено преобразователям для измерения фазового состава водогазомасляных эмульсий и фотометрическим преобразователям концентрации разбавленных ЖДС.

Работа выполнялась с 1994 г. в течение многих лет на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета. Актуальность работы подтверждается, в частности:

- присуждением гранта Госкомитета РФ по высшему образованию 1995 г. для исследований в области автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики, кибернетики, метрологии, связи;

- заключением хоздоговора на выполнение НИОКР с фирмой "НИРСА" (г.Уфа) в 2001 г.;

- включением в план госбюджетных НИР УГАТУ в 2003-2005 гг.

Цель работы :

Создание, исследование технических возможностей и развитие научной базы проектирования измерительных преобразователей концентрации компонентов ЖДС, предназначенных для использования в системах управления различными технологическими процессами и системах экологического мониторинга, имеющих соответствующие современным требованиям метрологические, надёжностные и эксплуатационные показатели.

Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели :

1. Провести анализ существующих технических решений, используемых для построения средств измерения концентрации компонентов ЖДС; выявить основные влияющие факторы, ограничивающие их надёжность; обобщить накопленный мировой опыт разработки и эксплуатации измерителей концентрации ЖДС и выявить перспективные пути их совершенствования.

2. Развить и обосновать на концептуальном уровне подходы к построению высоконадёжных полевых средств измерения концентрации ЖДС.

3. Разработать новые технические решения по построению измерительных преобразователей для полевых средств измерения концентрации компонентов ЖДС и исследовать возможные варианты их конструктивного исполнения.

4. Разработать математические модели предложенных оригинальных измерительных преобразователей, установить с помощью математического моделирования их технические возможности; дать рекомендации для проектирования.

5. Исследовать различные подходы к обработке сигналов предложенных измерительных преобразователей; обосновать целесообразность применения для этого искусственных нейросетей и выявить их оптимальные структуры для различных схем построения преобразователей; разработать адаптивные алгоритмы, обеспечивающие высокую метрологическую надёжность концентратомеров.

6. Экспериментально исследовать свойства, параметры и характеристики предложенных преобразователей и испытать их в реальных условиях эксплуатации; внедрить результаты исследований.

Методы исследований

Поставленные задачи решались путем теоретических исследований с последующей разработкой и изготовлением экспериментальных образцов измерительных преобразователей и проверкой их на стендах и в производственных условиях. Теоретические исследования базировались на использовании положений и методов теории электромагнитного поля, акустики, теории переноса излучения, теории погрешностей, теории надежности и живучести систем, теории искусственных нейросетей. При обработке экспериментальных данных использовались методы математической статистики. Широко использовалось компьютерное моделирование в среде пакета MAPLE 9. Для исследования нейросетевых решений применялся пакет STATISTICA Neural Networks 4.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается тем, что в теоретических построениях использовались законы и подходы из областей электротехники, акустики, оптики, справедливость которых общепризнана, а также известный и хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат; вводимые допущения и ограничения мотивировались фактами, известными из практики.

Обоснованность методик проведения натурных экспериментов и достоверность их результатов гарантирована применением сертифицированных и аттестованных приборов и выполнением подготовки образцов, градуировки и испытаний в соответствии с действующими российскими и международными стандартами (ГОСТ 29024-91, ISO 7027 и др.).

Обоснованность и достоверность математических моделей подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов вычислительных и натурных экспериментов: характер поведения исследуемых зависимостей, предсказанный с помощью моделей, и определенный экспериментально на рабочих образцах преобразователей, совпадает. Для тех зависимостей, у которых возможно прямое сопоставление результатов вычислительных и натурных экспериментов, расхождение результатов не превышало 20 %. Статистические проверки адекватности аналитических моделей по критерию Фишера показали их адекватность дисперсиям воспроизводимости опытов.

Обоснованность выбора нейросетевых структур, использовавшихся для аппроксимации исследуемых зависимостей, доказана наименьшим уровнем результирующей погрешности аппроксимации (<2%), которая вычислялась не для обучающей выборки, а для специальной контролирующей выборки, формируемой из исходных данных, что позволяло дополнительно объективизировать оценку погрешности обучения нейросети.

Обоснованность рекомендаций по инженерному проектированию преобразователей, выбору их параметров и организации алгоритмов работы подтверждается положительными результатами их испытаний в производственных условиях.

Научная новизна

1. Предложена оригинальная классификация методов измерения концентрации компонентов ЖДС, учитывающая не только природу взаимодействия ЖДС с телом или полем, но также наличие и характер модификации компонентов ЖДС, особенности организации взаимодействия ЖДС с зондирующей энергией, дифференциальный или интегральный характер оценки концентрации, что в совокупности позволяет лучше оценивать степень пригодности метода для использования в условиях непрерывных полевых измерений.

2. Обоснована общая концепция построения высоконадежных средств измерения концентрации ЖДС, основанная на комплексном применении трех принципов: принципа инвариантности измерений, принципа обеспечения избыточности и принципа непосредственного устранения действия влияющего фактора.

3. Предложены оригинальные методики выбора комбинаций сенсоров и их геометрических параметров для мультисенсорных преобразователей концентрации компонентов ЖДС в соответствии с различными критериями оптимизации:

- по минимуму числа обусловленности матриц, соответствующих многомерным зависимостям между измеряемыми и определяемыми параметрами в различных областях факторного пространства;

- по максимуму критической толщины паразитных отложений на элементах преобразователя, при которой происходит метрологический отказ;

- по наилучшей характеристике живучести многоэлементного преобразователя, отражающей динамику вероятности сохранения им состояния способности при последовательном удалении элементов.

4. Предложен новый класс датчиков состава многофазных газожидкостных смесей - комбинированные акустоэлектрические датчики (КАЭД), которые основаны на совмещении в единой конструкции чувствительных элементов, предназначенных для измерения составляющих комплексной электрической проводимости, и чувствительных элементов для измерения скорости звука. Разработаны оригинальные конструкции КАЭД и способы обработки их сигналов, защищенные патентами РФ. Разработаны математические модели КАЭД для различных конфигураций элементов, являющиеся основным расчетно-аналитическим инструментом для исследований датчиков данного типа. Выявлены оптимальные значения рабочих частот электрического и акустического каналов, а также геометрических параметров КАЭД. С помощью математического и натурного моделирования оценены их технические возможности.

5. Научно обоснованы новые структуры и схемы обработки сигналов фотометрических измерительных преобразователей концентрации разбавленных ЖДС на базе четырехлучевой логометрической схемы, которые обеспечивают результат, инвариантный одновременно к двум наиболее вредным факторам, ухудшающим метрологическую надежность: к загрязнению окон приемников/излучателей и изменениям дисперсности. Разработаны математические модели для различных модификаций таких преобразователей, которые позволили произвести оптимизацию размеров и взаиморасположения элементов.

6. Впервые в систематизированном виде представлена информация по бесконтактным фотометрическим концентратомерам. Для основных подклассов - струйных и поверхностных концентратомеров разработаны математические модели. На основе математического и натурного моделирования исследованы и оптимизированы различные модификации таких устройств. Предложен ряд защищенных патентами конструкций, обеспечивающих повышенную метрологическую надежность.

7. Впервые в систематизированном виде представлена информация по фотометрическим концентратомерам с переменной измерительной базой. Для турбидиметров с переменной измерительной базой разработана модель погрешности, позволяющая оптимизировать диапазон перемещения подвижного элемента. Предложены оригинальные конструкции и адаптивные алгоритмы их работы, обеспечивающие минимальные погрешности определения концентрации в различных диапазонах ее изменения.

Практическую ценность имеют:

- средства расчета всех предложенных средств измерения, реализованные на базе компьютерных программ для математического пакета MAPLE, позволяющие определять основные метрологические характеристики преобразователей и оптимизировать их параметры;

- рекомендации по применению, проектированию и выбору параметров разработанных средств измерения концентрации ЖДС, благодаря которым обеспечивается инвариантность измерений концентрации относительно наиболее существенных влияющих факторов -загрязнения датчиков и нестабильной дисперсности среды;

- техническая документация (в виде принципиальных схем, чертежей, алгоритмов и программ) для изготовления разработанных измерительных преобразователей, а также сами экспериментальные образцы этих преобразователей, надёжностные и эксплуатационные показатели которых в 2-3 и более раз лучше, чем у применяемых аналогов;

- программно-аппаратные средства обработки сигналов и калибровки разработанных средств измерения.

На защиту выносятся:

1. Общая концепция построения высоконадёжных полевых средств измерения концентрации ЖДС.

2. Технические решения, направленные на повышение метрологической надёжности полевых средств измерения концентрации компонентов ЖДС:

- комбинированные акустоэлектрические датчики для многофазных сред;

- инвариантные мультисенсорные фотометрические преобразователи концентрации разбавленных ЖДС;

- новые схемы построения бесконтактных нефелометрических преобразователей концентрации разбавленных ЖДС;

- новые фотометрические преобразователи концентрации ЖДС с переменной измерительной базой.

3. Математические модели предложенных измерительных преобразователей и рекомендации по рациональному проектированию на их основе.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований предложенных устройств и алгоритмов.

Реализация результатов работы

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены на ряде предприятий г.Уфы, проектирующих и эксплуатирующих средства измерений и промышленной автоматики: в НПФ "ИКА", НПФ "Экситон-автоматика", ШФ "ФОТОН", ООО "НИРСА".

Отдельные результаты работы, связанные с нейросетевой обработкой сигналов датчиков и адаптивными алгоритмами работы концентратомеров, использованы в учебном процессе на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета на занятиях по курсу "Интеллектуальные средства измерений", а также на кафедре вычислительной техники и инженерной кибернетики Уфимского государственного нефтяного технического университета на занятиях по курсу "Системы искусственного интеллекта".

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических совещаний и конференций:

- на X Международном симпозиуме по разработкам цифровых средств измерений - ISDDMT98 (Неаполь, Италия, 1998);

- на XVII Всемирном Конгрессе IMEKO (Дубровник, Хорватия, 2003);

- на X Международном симпозиуме Комитета ТС7 IMEKO (С.-Петербург, Россия, 2004);

- на ежегодных Всероссийских конференциях "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф/Судак, 1995-1997, 1999,2003,2004);

- на Всероссийской конференции "Диагностика, информатика, метрология - 95" (С.-Петербург, 1995);

- на Всероссийской научно-практической конференции "Контрольно-аналитическое аппаратурное обеспечение в различных отраслях промышленного производства и природопользования" (Москва, 1995);

- на 46-й научно-технической конференции молодых ученых Уфимского гос. нефтяного техн. ун-та (Уфа, 1995);

- на Всероссийской конференции "Электроника и информатика" (Москва, 1995);

- на Всероссийской конференции "Информационные и кибернетические системы и их элементы" (Уфа, 1995);

- на Всероссийской конференции "Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации" (Уфа, 1997);

- на Всероссийских конференциях "Методы и средства измерений физических величин" (Н.Новгород, 1998, 2002, 2005);

- на Всероссийских конференциях "Компьютерные технологии в науке, проектировании, производстве" (Н.Новгород, 1999, 2002);

- на Всероссийской конференции "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 2001);

- на российско-германской конференции "Датчики и системы" (С.-Петербург, 2002).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 56 работ, из них: 1 монография, 1 учебное пособие с грифом Учебно-методического объединения по университетскому политехническому образованию; 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК; 3 статьи в материалах международных симпозиумов; 15 патентов на изобретения и полезные модели.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав основного текста, заключения, библиографического списка (из 220 наименований) и приложений. Работа изложена на 373 страницах (без приложений), содержит 131 иллюстрацию, 40 таблиц, приложения на 26 страницах.

Основные результаты и выводы, полученные в ходе вычислительных экспериментов с моделями различных классов преобразователей:

1 )КАЭД. Для однозначного определения солесодержания водной фазы S в диапазоне 1. 100 г/л в эмульсиях типа «вода в масле» необходимо задавать рабочую частоту электрического канала КАЭД порядка 30 МГц. Для обеспечения инвариантности измерений содержания свободного газа к размерам газовых пузырьков рабочая частота акустического канала должна составлять 200.250 Гц. Приведенные погрешности определения влагосодержания W и содержания свободного газа G с помощью КАЭД в 1,5-5 раз меньше по сравнению с аналогичными однопараметрическими концентратомерами, не учитывающими одновременного влияния на сигналы параметров W, S, G.

Выявлены геометрические соотношения для разных типов КАЭД, при которых наблюдается максимальная независимость погрешностей вычисленных результатов от толщины паразитных отложений. В наименьшей степени этот фактор влияет на КАЭД с цилиндрическими коаксиальными элементами.

2) Многолучевые фотометрические преобразователи.

При широкодиапазонных изменениях дисперсности такие преобразователи предпочтительнее строить на основе нефелометров с узкой диаграммой направленности приемников и излучателей и круговой измерительной ячейкой: при этом достигается хорошая чувствительность к концентрации и есть возможность выбрать независимые каналы для совместных измерений. Преобразователи обеспечивают результат, инвариантный одновременно к загрязнению окон приемников/излучателей и изменениям дисперсности ЖДС. Выявлена наиболее выгодная с точки зрения точности и устойчивости результатов комбинация межосевых углов для пар "излучатель-приемник": 30°, 45°, 135°, 150°.

3) Бесконтактные фотометрические преобразователи.

Исследованы поверхностные преобразователи на основе четырехлучевой схемы. Они применимы для измерения концентраций в диапазоне порядка 1.100 мг/л с погрешностями около 2% при условии стабильной дисперсности. Показана инвариантность их результатов не только к изменениям прозрачности окон приемников/излучателей, но и к изменению уровня в сосуде-стабилизаторе. Обоснован подход к оптимизации расстояний между приемниками и излучателями для разных значений параметров дисперсности.

Исследования струйных преобразователей с продольным просвечиванием струи показали эффективность их применения для измерения малых концентраций взвеси (до 10 мг/л) при стабильной дисперсности.

Измерения концентрации ЖДС, инвариантные относительно дисперсности, возможны на основе многолучевых струйных преобразователей с поперечным просвечиванием струи.

4) Преобразователи с переменной измерительной базой.

Для широкодиапазонных измерений концентрации ЖДС с заданным верхним уровнем погрешности требуется адаптивная перестройка наибольшей длины базы в зависимости от концентрации. Определены диапазоны ее перестройки для разных уровней погрешности и диапазонов концентрации.

5. Обоснована целесообразность обработки сигналов многолучевых фотометрических преобразователей с помощью искусственных нейросетей, применение которых позволяет относительно просто достичь заданной точности аппроксимации и упростить процесс градуировки. Показано, что погрешность аппроксимации при таком методе градуировки может быть меньше в 5-12 раз по сравнению с традиционными методами. Исследованы различные нейросетевые структуры и выявлены те, которые дают минимальную ошибку обучения на контролирующей выборке.

Для различных классов фотометрических преобразователей разработаны адаптивные алгоритмы работы, обеспечивающие необходимый уровень погрешности вычисления результата при широкодиапазонных изменениях концентрации и значительных загрязнениях окон приемников/излучателей.

6. Большинство из предлагаемых устройств изготовлено в виде экспериментальных образцов, испытано на стендах или на производстве. Предварительные испытания показали преимущества предложенных устройств перед используемыми аналогами по ряду их надежностных, эксплуатационных и метрологических показателей.

Отдельные измерительные преобразователи, алгоритмы и программы, а также методики проектирования преобразователей концентрации ЖДС внедрены в ряде научно-производственных и инженерных фирм. Идет подготовка к серийному производству многолучевых фотометрических концентратомеров. Нейросетевая технология обработки их сигналов и автоматизированной градуировки реализована в специально разработанном программном обеспечении. Отдельные результаты работы использованы также в учебном процессе в технических вузах.

Таким образом, достигнута поставленная цель и решены задачи, связанные с созданием и исследованием гаммы измерительных преобразователей концентрации компонентов жидких дисперсных сред, имеющих метрологические, надежностные и эксплуатационные показатели, отвечающие современным требованиям. Внедрение изложенных в работе научно обоснованных технических решений способно внести значительный вклад в развитие многих отраслей экономики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основное научное и практическое значение данной работы состоит в создании и исследовании методов и средств для инвариантных измерений концентрации компонентов ЖДС, разработке измерительных преобразователей, предназначенных для работы в системах управления технологическими процессами и экологического мониторинга и обладающих повышенной метрологической надежностью.

1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): учебник для вузов. М.: Химия, 1982. - 400 с.

2. Рабинович Ф.М. Кондуктометрический метод дисперсионного анализа JL: Химия, 1970. - 176 с.

3. Усков И.А., Еременко Б.В., Пелишенко С.С., Нижник В.В. Коллоидная химия. Киев: Выща шк., 1988. - 167 с.

4. Клейтон В. Эмульсии, их теория и практическое применение / Пер. с англ. под ред. П.А.Ребиндера. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1950. - 540 с.

5. Перепелкин К.Е., Матвеев B.C. Газовые эмульсии. Л.: Химия, 1979.-200 с.

6. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.-278 с.

7. Фетисов B.C. Современное состояние и тенденции разработок датчиков для определения состава водогазонефтяных смесей // Приборы и системы управления. 1998. - № 1. - С.40-44.

8. Фетисов B.C. Средства измерения влажности нефти: современное состояние, проблемы и перспективы (обзор) // Датчики и системы. 1999. -№ 3. - С.33-38.

9. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Под ред. Е.С.Кричевского. -М.: Энергия, 1980. 318 с.

10. Jamieson A.W. The need for an in-line oil-in-water monitor // http://www. iceweb. com. au/Analyzer/AnalyzerWeb. htm

11. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учеб. пособие для вузов. -М.: Логос, 2001.-408 с.

12. Беляков В.Л. Автоматический контроль параметров нефтяных эмульсий.- М.: Недра, 1992. 204 с.

13. Rogner A. Turbidity measurement in drinking water applications new requirements and approaches // International Environmental Technology. - Vol. 8, 6. - 1998. - Pp. 9-10. // http://www.photometer.com

14. Фетисов B.C. Интеллектуальные средства измерений и HART-протокол: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ. - 2004. - 85 с.

15. Агейкин Д.И. Систематизация методов анализа состава веществ //

16. Приборы и системы управления. 1975. - №8. - С. 17-21.

17. Кулаков М.В., Жуков Ю.Г. Измерители концентрации дисперсных систем (обзор) // Приборы и системы управления. 1975. - №8. - С.21-24.

18. Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. Л.: Машиностроение, 1981. - 312 с.

19. Онищенко A.M. Оптимизация приборов для контроля состава веществ. М.: Машиностроение, 1990. - 304 с.

20. Фетисов B.C. Многофункциональные датчики состава водогазонефтяной смеси для систем управления процессами промысловой подготовки нефти: Канд. дисс. по спец. 05.13.05 (Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления). Уфа: УГАТУ, 1998.

21. Бенин О.Д., Клугман И.Ю., Романько К.С., Соколов И.Л. Частотно-диэлькометрический метод определения солесодержания в нефти и нефтепродуктах // Измерительная техника, 1974. № 10. - С. 70-72.

22. Перри Дж. Справочник инженера-химика. В 2-х томах. Пер. с англ. под ред. Жаворонкова Н.М. и Романкова П.Г. Л.:Химия, 1969. - Т.1 -640 с., Т.2-504 с.

23. Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. М.: Недра, 1988. -232 с.

24. Зайцев Л.А., Панарин В.В. Системы сбора и обработки информации для резервуарных парков, М., Недра, 1984,- 210 с.

25. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения / Д.Н.Левченко, Н.В.Бергштейн, А.Д.Худякова, Н.М.Николаева. М.: Химия, 1967.-200 с.

26. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа, ч.1: Учебник для вузов. М.: Химия, 1972. - 360 с.

27. Фетисов B.C. Многофункциональный лабораторный анализатор качества сырой нефти // Измерительные преобразователи и информационные технологии: Межвуз. сб. науч. статей. Уфа: УГАТУ, 1999. - С.97-100.

28. Беляков В.Л., Чирков Ю.П., Токарев К.Л., Фетисов B.C., Иванцов С.Ю. О совершенствовании технических средств для промыслового и коммерческого учета нефти на автоматизированных узлах учета // Нефтяное хозяйство. 2000. - №3. - С.51 -52.

29. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия: 2-еизд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1992. 414 с.

30. Карпищеико А.И. Медицинские лабораторные технологии. СПб.: Интермедика, 1998. 608 с.

31. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. -М.:Энергоатомиздат, 1986.-144 с.

32. Агамалов Ю.Р., Кнеллер В.Ю., Курчавов В.И. Преобразователь емкости и проводимости, работающий в непрерывном диапазоне частот // Приборы и системы управления. 1978, № 1, с.21-23.

33. Скрипник Ю.А., Глазков Л.А. Частотные методы контроля параметров технологических процессов: Учеб.пособие. Киев: УМК ВО, 1991.- 176 с.

34. Железцов А.В., Попов Ю.И. Экспрессный метод определения состава многокомпонентных плохопроводящих растворов // Измерительная техника. 1992. - № 12, с.53-54.

35. Архипов Д.Б., Беленький Б.Г. Анализ тенденций развития инструментальных методов разделения за 1952-1993 гг // Журнал аналитической химии, 1995, т.50, № 8, с.806-817.

36. Логинов В.И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. М.: Химия, 1979.-216с.

37. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980. - 279 с.

38. Платонов В.В., Лобанов Н.В. Акустические анализаторы состава жидких сред. Л.: ЛДНТП, 1987. - 24 с.

39. А.с.№ 95655 (СССР) / Попов Р.Б. 1957, Бюл. № 8.

40. Глыбин И.П. Автоматические плотномеры. Киев: TexHika, 1965.

41. Справочник по прикладной измерительной технике. Под ред. Д. Консидайна и С. Росса. Пер. с англ. под ред. Д.И. Агейкина, Е.Н. Костиной и Н.Н. Кузнецовой. М.: Энергия, 1968. - 624 с.

42. Кулаков М.В., Жуков Ю.П. и др. Методы и приборы для измерения концентрации суспензий в очистных сооружениях. М.: ГОСИНТИ, 1971.

43. Патент РФ № 2175763 на нзобр. Измерительная головка для волоконно-оптического капельного анализатора /Фетисов B.C., Свинухов А.С. Опубл. 2001, Бюл. №31.

44. McMillan N.D. et al. The fibre drop analyzer: a new multianalyzer analytical instrument with applications in sugar processing and for the analysis of pure liquids // Measurement Science & Technology, № 3, 1992. Pp. 746-764.

45. Красильников B.A., Крылов B.B. Введение в физическую акустику: учеб. пособие. М.: Наука, 1984. - 400 с.

46. Бергман JI. Ультразвук / Пер. с нем. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1957. - 726 с.

47. Ультразвук, маленькая энциклопедия / Под ред. И.П.Голяминой. -М.: Сов.энциклопедия, 1979. 221 с.

48. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайнонеоднородных средах, в 2-х т. Т.1- Однократное рассеяние и теория переноса. - М.: Мир, 1981. - 280 с.

49. Ультразвуковые анализаторы качественных параметров нефти /В.Л.Беляков, В.В.Панарин, А.А.Абдулаев, А.Ю.Алексеев, З.Г.Ахмерова.--М.: Изд. ВНИИОЭНГ, 1987. -168 с.

50. Гаврилов Г.Р., Кузнецов Г.М., Матусевич J1.H. Непрерывный контроль концентрации и размера кристаллов в суспензии // Химическая промышленность, 1971, № 8, с.627-630.

51. Алексеев В.Н., Рыбак С.А. Распространение стационарных звуковых волн в пузырьковых средах // Акустический журнал, 1995, том 41, №5, с. 690-698.

52. Потехин Ю.Г., Чистяков Е.С. Акустический метод экспресс-анализа концентрации свободного газа в жидкостях // Акустический журнал, 1978, том 24, вып.2, с. 243-248.

53. Усиков С.В. Электрометрия жидкостей.- JL: Химия, 1974.-144 с.

54. Бугров А.В. Высокочастотные емкостные преобразователи иприборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982. - 94 с.

55. Железцов А.В. Неразрушающий метод контроля параметров технологических растворов // Метрология. -1990, № 3, с.51-60.

56. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ // Измерительная техника, 1996, №6, с.56-60.

57. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Виртуальные измерители-анализаторы параметров импеданса // Датчики и системы, 2004, №5, с.14-18.

58. Ицкович Э.Л. Современные интеллектуальные датчики общепромыш-ленного назначения, их особенности и достоинства // Датчики и системы, 2002, № 2, с. 42-47.

59. Корнова Т.Д. HART-протокол и другие коммуникационные технологии, применяемые в России // Датчики и системы, 2004, № 6, с. 41-48.

60. Уикзер Дж. Соединяемость: интеллектуальные датчики или интеллектуальные интерфейсы // Датчики и системы, 2002, № 10, с. 50-54.

61. Трейн Р. "Полевые системы" и развитая диагностика // Датчики и системы, 2002, № 4, с. 53-56.

62. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа.-М.: Высшая школа, 1975. 340 с.

63. Фетисов B.C., Нигмаджанов Т.Б., Гусев В.Г. Бесконтактные первичные преобразователи электрических параметров жидкостей // Приборы и системы управления. 1996, № 6, с.46-49.

64. Пчельников Ю.Н. и др. Применение замедляющих систем для экологического контроля промышленных стоков // Измерительная техника. 1994. № 6. с.57-60.

65. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Применение замедляющих систем для ралиоволнового контроля влажности материалов // Измерительная техника. 1995. № 7 . с.61-63.

66. Грилихес М.С., Филановский Б.К. Контактная кондуктометрия: Теория и практика метода. Л.: Химия, 1980.- 176 с.

67. Фрелих Г. Теория диэлектриков / Пер. с англ. Г.И.Сканави.- М.: Изд-во иностр.лит., I960.- 316 с.

68. Эме Ф. Диэлектрические измерения / Пер. с нем. под ред. И.И.Заславского. М.: Химия, 1967.- 276 с.

69. Надь Ш.Б. Диэлектрометрия.- М.: Энергия, 1971,- 287 с.

70. Браго Е.Н., Мартынов Д.В., Великанов Д.Н. Комбинированный измерительный преобразователь для определения влагосодержания в нефтепродуктах // Приборы и системы управления, 1996, №1, с.27-28.

71. Логинов В.И., Бугров А.В., Осетров С.А. Измеритель влажности водонефтяных эмульсий // Приборы и системы управления, 1997, №4, с.39-41.

72. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976.-392 с.

73. Эмульсии / Под ред. Ф. Шермана, пер. с англ. под ред. А.А.Абрамзона. Л.: Химия, 1972. - 448 с.

74. Патент РФ № 2105969 на изобр. Устройство для измерения электрической проводимости жидких сред / Гусев В.Г., Нигмаджанов Т.Б., Фетисов B.C. Опубл. 1998, Бюл. № 6.

75. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб.пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

76. Андреев B.C., Пьянкова Т.И., Сосновский В.Н. Бесконтактный датчик электрических параметров жидких сред // Заводская лаборатория, 1970, N 5, с.623-624.

77. Фетисов B.C. Комбинирование емкостных и акустических чувствительных элементов в датчиках для исследования жидких сред // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Сб. науч. статей. Уфа: Гилем, 1996. - с.26-37.

78. Sheppard N.F., Tucker R.C., Wu С. Electrical Conductivity Measurements Using Microfabricated Interdigitated Electrodes // Analytical Chemistry, 1993, v.65, p. 1199-1202.

79. A.c. № 1677665 (СССР) Устройство для измерения электропроводности морской воды. Б.И. 1991, № 34.

80. Нилакантасвами П.С., Гнанапракасам С. Электронный метод определения содержания дисперсной фазы в золях // Приборы для научныхисследований: Ж-л Американского ин-та физики (русский перевод). т.52, 1981, № 11, с.163-169.

81. Измерения в электронике: Справочник/ Под ред. В.А.Кузнецова. -М.: Энергоатомиздат,1987. 512 с.

82. Ахобадзе Г.Н. Возможности микроволнового и инфракрасного диапазонов волн для измерения влагосодержания в нефтепродуктах // Датчики и системы, 2004, № 4, с. 19-23.

83. Браго Е.Н., Демьянов А.А. Использование сверхвысоких частот для измерения содержания компонентов в водонефтяных и газожидкостных потоках (Обзор, информ. Сер. "Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности").- М.: ВНИИОЭНГ, 1989 . 36 с.

84. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989.- 197 с.

85. Измерения в промышленности: Справочник в 3-х кн. Кн.З. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990. - С. 106-107.

86. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.И. Рождествина. -М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. 528 с.

87. Измерение флюоресцентности воды, выкачиваемой из нефтяных скважин, в ультрафиолетовом диапазоне // Рекламный проспект фирмы FMA (Великобритания), 1994.

88. Электронное оборудование фирмы FMA Могег ( по материалам фирмы) // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 1996, № 2, с. 13-18.

89. Фетисов B.C., ВалеевВ.Т. Логометрический принцип построения поточных мутномеров // Экологические системы и приборы. 2002. - № 2. -С.6-7.

90. ЛАСКА-техно: Лазерный анализатор микрочастиц // Рекламный проспект фирмы НПФ " ЛЮМЭКС" (Россия), 2001 // http://www. lumex. ru.

91. Kazovsky L.G. Particle analysis using forward scattering data. //Applied Optics, 1984. 23(3). -Pp.448-454.

92. Патент РФ на ПМ № 42320. Поточный измеритель концентрациивзвешенной фазы в жидкой среде / Фетисов B.C., Насибуллин А.С. Опубл. 2004, Бюл. № 33.

93. Turbidity Sensor TurbiMax W CUS31 // Endress+Hauser Technical Information, TI 176C/07/en., 2001 // http://www.endress.com

94. OptiQuant Suspended Solids and Turbidity Analyzer // Рекламный проспект компании HACH (США), 2001 // http://www.hach.com.

95. On-line Turbidity and Solid Matter Measurement // Рекламный проспект фирмы WTW (Германия), 2003 // http://www.wtw.com.

96. Johnson M., Stacker D. A non-fouling optical interface for environmental measurements // Measurement Science & Technology, № 9, 1998. Pp. 399-408.

97. US Patent 3309956. Extended range turbidimeter. US.CL: 88-14. Publ.: 21.03.67.

98. US Patent 5400137. Photometric means for monitoring solids and fluorescent material in waste water using a stabilized pool water sampler. US.CL: 356-318. Publ.: 11.08.93.

99. Патент РФ на изобр. № 2235310 Бесконтактный поточный мутномер / Фетисов B.C. Опубл. 2004, Бюл. № 25.

100. Патент РФ на изобр. № 2235991 Бесконтактный мутномер / Фетисов B.C. Опубл. 2004, Бюл. № 24.102. http://www.photometer.com103. http://www.gliint.com

101. Петров Б.Н., Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Принцип инвариантности в измерительной технике. М.: Наука, 1976.

102. Фетисов B.C. Средства измерения мутности жидких сред: теоретические и практические аспекты // Датчики и системы. 2003. -№ 12. - С.49-57.

103. Фетисов B.C. Принципы построения концентратомеров для систем контроля параметров эмульсий и суспензий // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. - № 11. - С. 42-46.

104. The Book of Photon Tools/ Catalog of Oriel Instruments, Stratford, CT, USA, 2000.

105. Зубков А.И., Левин A.O. Волоконно-оптические датчики и системы в нефтяной отрасли // Датчики и системы. 2004. - № 6. - С. 56-60.

106. Barwicz A. Functional and technological integration of measurement Microsystems // IEEE instrumentation & measurement magazine. June 2004. -Vol. 7.-№2.-Pp. 14-19.

107. Koteles E.S., He J.-J. Waveguide grating-based spectrometric transducers // IEEE instrumentation & measurement magazine. June 2004. -Vol. 7.-№2.-Pp. 33-42.

108. СкворцовБ.В. Электрофизические устройства контроля качества углеводородных топлив. Самара: СГАУ, 2000. - С.73.

109. Hendriks В., Kuiper S. Through a lens sharply // IEEE Spectrum. -2004, № 12.-Pp. 20-24.113. http://www.micromemanalytical.com/ATRKen/ATR.htm

110. Берлинер M.A. Электрические методы и приборы для измерения и регулирования влажности. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 310 с.

111. Попл Дж., Шнейдер В., Бернстейн Г. Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения / Пер. с англ. М.: Иностр. литра, 1962.

112. Идиятуллин З.Ш., Темников А.Н., Рыбаков О.В., Кашаев Р.С. Автоматизированный малогабаритный протонный релаксометр ядерного магнитного резонанса // Приборы и техника эксперимента, 1992, № 5, с.237.

113. Джонс С. Определение компонент в эмульсиях "масло/вода" импульсным ЯМР // Minispec: заметки по применению. Bruker Analytik GmbH, 2000. - С. 23-24 // http://www.brukeroptics.com118. http://www.minispec.com

114. Уразаев В.Г. Использование импульсного метода ЯМР для измерения состава скважинной жидкости в нефтедобыче // Экономика и производство: электронный журнал депонированных рукописей, 2002, № 5 // http://www.mte.ru

115. Насибуллин Р.С., Гусев В.Г. Методы и технические средства медицинской визуализации. Уфа: УГАТУ, 2003. - 160 с.

116. Industrial Process Tomography: special issue // Measurement Science and Technology.-V. 15 (2004).-Pp. 1355-1439.

117. Потапов Д.А., Терещенко С.А. Томографическая реконструкция оптических характеристик биологических объектов в приближении пропорциональной среды // Медицинская техника. 2004. - № 3. - С.6-8.

118. Мяздриков О.А. Электрические способы объемной гранулометрии. Л.: Энергия, 1968.-136с.

119. Мельников В.И., Усынин Г.Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат, 1987.-160 с.

120. Элементарный учебник физики. В 3 т. / Под ред. Г.С. Ландсберга -13-е изд. М.: Физматлит, 2003.

121. Современные методы и средства контроля дисперсного состава многофазных нефтяных систем / Р.Б. Хусаинов, В.Л.Беляков, Н.А. Кондратьев и др. Изд. ВНИИОЭНГ, 1984.

122. Стекольников Ю.И. Живучесть систем. СПб.: Политехника, 2002.- 155 с.

123. US Patent 4981362. Particle concentration measuring method and device. Int.Cl.: G01N 21/00. Publ.: 01.01.91.

124. Fetisov V. Ratiometric in-line turbidimeters: principle of measurement and variants of realization // Proceedings of XVII IMEKO World Congress, June 22-27, 2003, Dubrovnik, Croatia. P. 1202-1205.

125. Optical Measurement of in-process fluids: Handbook, M21417. -McNab Inc., Vernon, NY, 2003 // http://www.themcnab.com

126. TurbiMax W CUS41 Solids Content Sensor // TI 177C/07/en/01.98 Endress+Hauser GmbH // http://www.endress.com

127. UK Patent Application 2251682. Turbidimeter. Int.Cl.: G01N 21/49. Publ.: 15.07.92.

128. Свидетельство Роспатента № 28252 на ПМ. Устройство для определения концентрации нефти в воде / Гусев В.Г., Мукаев Р.Ю., Фетисов B.C., Чирко С.М. Опубл. 2003, Бюл. № 7.134. http://www. epa.gov

129. Turbidity and Solids Content Sensor TurbiMax P CUS61 // Endress+Hauser Technical Information, TI 228C/07/en., 2001 // http://www.endress.com .

130. Фетисов B.C., Засыпкина H.A., Цих E.B. Многоэлементный волоконно-оптический мутномер с нейросетевой обработкой сигналов // Экологические системы и приборы. 2004. - № 4. - С. 9-12.

131. US Patent 3652850. Measurement of optical density. Int.Cl.: G01N 21/26. Publ.: 06.03.70.

132. US Patent 4037973. Light sensitive device for measuring particles in a liquid. Int.Cl.: G01N 21/26. Publ: 26.07.77.

133. US Patent 4017193. Apparatus for measuring the transmittance or opacity of a gaseous medium carrying particulate matter through aconduit. US CL: 356/435. Publ.: 02.03.76.

134. Форсайт Дж., Молер К. Численное решение систем линейных алгебраических уравнений / Пер. с англ. М.: Мир, 1969. - 163 с.

135. Кулебакин B.C. Теория инвариантности автоматических регулируемых и управляемых систем // Труды I Международного Конгресса IF АС. -М.: Изд-во АН СССР, 1961, с.447-455.

136. Свистунов Б.Л. Разработка и исследование инвариантных преобразователей параметров электрических цепей в унифицированные сигналы: Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. Пенза, 1978. - 20 с.

137. Острейковский В.А. Теория надежности: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 2003.-463 с.

138. ISO 7027 "Water quality Determination of turbidity", Edition 3, 1999. - 10 p. // http://www.iso.ch.

139. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Method 2130B. // Standard Methods. 1992. Eighteenth Edition, pp.2-9. APHA, A WW A and WEF. Port City Press, Baltimore, MD.

140. Berthold Industrial Systems: In-Line Density Meter LB 379 // http://www. berthold. com. au

141. Плотномер радиоизотопный ПР-1026 // http://iftp.ru

142. Электронный каталог анализаторов импеданса фирмы Hewlett

143. Packard// http://www.tmo.hp.com/tmo/datasheets

144. Электронный каталог ферритовых магнитопроводов фирмы Ferronics// http://www.ferronics.com

145. Электронный каталог аналоговых микросхем фирмы Analog Devices // http://www.analog.com

146. Электронный каталог компонентов фирмы "Платан" // http: //www.platan, ru

147. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология: учебник для вузов.-М.: Изд-во стандартов, 1991.- 492 с.

148. Музалевский В.И. Комбинированные способы измерения влажности древесины // Измерительная техника, 1972, N 11, с.69-70.

149. Музалевский В.И. Минимизация статической погрешности комбинированных методов измерения влажности // Измерительная техника, 1974, N10, с.66-67.

150. Pechstein Т. Messverfahren zur prozessgekoppelten Konzentrations-Bestimmung in flussigen Mehrstoffgemischen // Technisches Messen. 1993. -60, N 2, c. 68-72.

151. Гусак А.А., Гусак Г.М. Справочник по высшей математике. -Минск: Навука i тэхшка, 1991. 480 с.

152. Арш Э.И. Автогенераторные измерения .- М.: Энергия, 1976.136 с.

153. Флоров А.К. Автоматизация обработки информации при высокочастотных измерениях. Киев: Техшка, 1975. - 144 с.

154. А.с. 1548718 (СССР), G 01 N 21/59. Устройство для измерения концентрации жидких сред / В.Л.Беляков, А.А.Абдулаев, В.В.Панарин,

155. A.Ю.Алексеев. Б.И № 9 - 1990.

156. А.с. 1770852, G 01 N 21/59, Устройство для измерения концентрации жидких сред / В.Л.Беляков, А.В.Беляков.- Б.И. № 39 1992.

157. А.с. 1810811, G 01 N 29/02, Устройство для измерения концентрации компонент жидких сред / В.Л.Беляков, А.В.Беляков. Б.И. № 15 - 1993.

158. А.с. 1057833, G 01 N 27/02, Устройство для измерения содержания солей в жидких средах / В.Л.Беляков, А.Б.Муравьева,

159. B.П.Свиридов, Н.А.Кондратьев, В.П.Фосс. Б.И. № 44 - 1983.

160. А.с. 1659821, G 01 N27/02, Кондуктометр / М.Г.Рубцов, Е.В.Лузина. Б.И. № 24 - 1991.

161. Джабраилов А.Д. Двухчастотный метод контроля за влажностью нефтяных эмульсий // Нефтяное хозяйство.-1967.-N 7. с. 46-47.

162. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. 2-е изд.,перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.

163. Kanazawa К.К., Melroy O.R. The quartz resonator: Electrochemical applications // IBM Journal of Research Development, 1993, v.31, N 2, p.157-171.

164. Lin Z., Yip C.M., Joseph I.S., Ward M.D. Operation of an Ultrasensitive 30-MHz Quartz Crystal Microbalance in Liquids // Analytical Chemistry, 1993, v.65, p.1546-1551.

165. Zhu W.H., Wei W.Z., Mo Z.H., Nie L.H., Yao S.Z. Piezoelectric Detection of Water with a Separated Electrodes // Analytical Chemistry, 1993, v.65, p.2568-2571.

166. Stone D.C., Thompson M. Interdigital Capacitance and Surface Acoustic Wave Sensors // Analytical Chemistry, 1993, v.65, p.352-362.

167. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. -М.: Наука. 1981.

168. Фетисов B.C. Многофункциональные акусто-диэлькометрические датчики для контроля параметров водонефтяной эмульсии // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Межвуз. науч. сб., вып. 1. Уфа: УГАТУ, 1996. - с.11-17.

169. Патент РФ № 2085934, МПК G 01 N 29/02. Акусто-кондуктометрический анализатор состава жидкостей / Фетисов B.C., Нигмаджанов Т.Б. // Опубл. 27.07.97, Бюл. №21.

170. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационно-измерительной техники. М.: Энергия, 1971. -424 с.

171. Свидетельство Роспатента № 4168 на полезную модель; МПК G 01 N 27/22. Влагометрический датчик для жидкостей / Фетисов B.C. Заявл. 3.01.96. Опубл.16.05.97. Бюл. № 5.

172. Фетисов B.C. Акусто-кондуктометрическая ячейка как датчик для анализаторов состава ВНЭ // Тез. докл. 7-ой Всеросс. н/т конф."Датчик-95".1. Гурзуф, 1995, т.1, с.247.

173. Фетисов B.C., Беляков В.JI. Акусто-диэлькометрический датчик для систем контроля влагосодержания нефти // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов : Сб. науч. трудов. Уфа: ИПТЭР, 1995. - с. 132-135.

174. Фетисов B.C. Повышение точности измерений влагосодержания нефти // Тез.докл. н/т конф."Диагностика, информатика, метрология 95". -С-Пб., 1995, с.196.

175. Фетисов B.C. Акусто-диэлькометрический датчик для измерения влажности многокомпонентных жидкостей // Тез. докл. 8-ой н/т конференции "Датчик-96", Гурзуф, 1996, т.1, с.165-166.

176. Фетисов B.C. Комбинирование емкостных и акустических чувствительных элементов в датчиках для исследования жидких сред // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Сб. науч. статей. Уфа: Гилем, 1996. - с.26-37.

177. Hammer Е.А. Three-Component Flow Measurement in Oil/Gas/Water Mixtures Using Capacitance Transdusers // Ph.D.thesis, University of Manchester, 1983, CMI-No.831251-2.

178. Hammer E.A., Thorn R. Capacitance transducers for non-intrusive measurement of water in crude oil // Proceedings of the International conference on the metering of petroleum and its products. 1985, London Press Centre, London, ECA.

179. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. ред. И.Н.Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. -280 с.

180. Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. М.:Энергия, 1968. - 272 с.

181. Патент РФ № 2109277 на изобр. Способ определения влажности многокомпонентных жидкостей и устройство для его реализации /Фетисов B.C. Опубл. 1998, Бюл. № 11.

182. Анисимов А.С., Толстиков А.С. О влиянии внешних воздействий на параметры емкостных первичных измерительных преобразователей // Автометрия, 1971, №3, с.31.

183. Ротинян А.Л., Тихонов К.И., Шошина И.А. Теоретическаяэлектрохимия. Л.:Химия, 1981. - 424 с.

184. Справочник по электрохимии / Под ред. А.М.Сухотина. Л.: Химия, 1981.- 488с.

185. Бахрах П.Л., Быкова З.Я., Клугман И.Ю., Овчинников Ю.В. О погрешности емкостной ячейки при измерении диэлектрической проницаемости//Измерительная техника, 1979, №1, с. 59-61.

186. Иоссель Ю.Я. и др. Расчет электрической емкости. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 288 с.

187. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ // Измерительная техника, 1996, №6, с.56-60.

188. Саяхов Ф.Л., Сафин С.Г., Гафиуллин М.Г. Электрофизические методы контроля и управления свойствами технологических жидкостей в нефтедобыче. М.: ВНИИОЭНГ, 1995. - 68 с.

189. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат. -1985.-248с.

190. Зедгинидзе И .Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. -М.: Наука, 1976. 390 с.

191. Справочник по электротехническим материалам : В 3-х томах. Т. 2 / Под. ред. Ю.В. Корицкого. 3-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1990. - 496 с.

192. Общетехнический справочник / Под. ред. Е.А.Скороходова. 4-е изд., испр. -М.: Машиностроение, 1990. - 496 с.

193. Каталог фирмы Octagon Systems, 2000.

194. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC / Под общ. ред. Ю.В.Новикова. М.: ЭКОМ, 1997. - 224 с.

195. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радайкин B.C. Источники и приемники излучения. М.: Машиностроение, 1982. - 222 с.

196. Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. М.: Горячая линия-Телеком, 2001. - 382 с.

197. Kartalopoulos S.V. Understanding neural networks and fuzzy logic: basic concepts and applications. New York: IEEE Press, 1996. - 205 p.

198. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации. М.:

199. Финансы и статистика, 2004. 344 с.

200. Нейронные сети. STATISTICA Neural Networks: Пер. с англ. М.: Горячая линия-Телеком, 2000. - 130 с.

201. Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. Изд.2-е, перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1977. - 320 с.

202. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения. Л.: Энергоатомиздат, 1983.-320 с.

203. Жданкин В.К. Поворотные шифраторы фирмы Pepperl+Fuchs // Современные технологии автоматизации. -2001. -№3. С.6-24.

204. ГОСТ 29024-91. Анализаторы жидкости турбидиметрические и нефелометрические. Общие технические требования и методы испытаний. -М.: Изд-во стандартов, 1991. 17 с.

205. Патент РФ № 2256166 на изобр. Способ определения содержания нефти в потоке воды / Фетисов B.C. Опубл. 2005, Бюл. № 19.220. http://www.wedgewood.tech. сот