автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и средства автоматизированного измерения проводимости деионизированной воды

Введение.

Глава 1. Обзор методов и средств автоматизированного измерения электрических параметров жидкостей.

§1.1. Основные положения.

§ 1.2. Контактные измерители проводимости растворов.

§ 1.3. Бесконтакшые измерители.

§ 1.4. Оценка влагосодержания материалов и сыпучих сред.

§ 1.5. Выводы:.

Глава 2. Теоретическое основание разработки бесконтактного кондуктометра.

§2.1 Физические модели бесконтактных кондуктометров. Эквивалентные электронные модели. Связь влаги сыпучего материала с частотой.

§ 2.2. Аналитические модели датчиков с внешним продольным полем.

§ 2.3. Расчет емкости кондуктометра.

Глава 3 Разработка (синтез) бесконтактного кондуктометра.

§3.1. Алгоритм построения функции преобразования кондуктометра.

§ 3.2. Технические характеристики кондуктометра.

Глава 4. Экспериментальное основание разработки бесконтактного кондуктометра.

§4.1. Анализ связи влаги и материалов по экспериментальным данным.

§ 4.2. Экспериментальное исследование физических моделей и критериальная оценка адекватности результатов.

§ 4.3. Анализ проводимости материалов.

§ 4.4. Проверка датчика на температурные режимы.

§ 4.5. Контроль органических примесей в деионизованной воде.

Глава 5. Практическое применение бесконтактного кондуктометра.

§5.1. АСУ ТП на линии Лада - 2М для деионизованной воды.

Результаты и выводы работы.

Список научных трудов по теме диссертации.

Современные особочистые, биологические, химико-технологические процессы требуют нового подхода к разработке контролирующих систем. Возникает крайняя необходимость создания систем с абсолютно чистой средой. Необходим мониторинг процессов, основанный на использовании надежных средств измерений. В особочистых технологических процессах необходимо исключить систему контактирования с исследуемой средой. Особенно это касается биологических систем, особочистых реактивов, которые контактируют с измерительным устройством, с металлическими электродами. Так как происходит ионизация электродов, которая должна быть исключена в таких системах. Таким образом, предлагается использовать абсолютно инертный материал, в котором нет ионов, из-за чего происходит насыщение, и ионизация реактивов и особочистых сред, которая должна быть исключена.

Основным элементом систем контроля особочистых реактивов, объектов, является контролирующий датчик, эффективная работа которого, в конечном счете, определят работоспособность работы АСУ ТП в целом. Кроме того, использование существующих методов контроля, такая как автоматизированная система управления технологическим процессом на линии фотолитографии Лада - 2М для контроля проводимости сверхчистой воды, для осуществления того же процесса, но на другом, имеющем лучшие технологические и эксплуатационные свойства без учета взаимовлияния процессов переноса ионов не возможен.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые разработана конструкция датчика с внешним продольным полем для контроля проводимости электролитов и деионизированной воды в технологических процессах.

На данный момент бесконтактные кондуктометры обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными контактными методами измерений, а именно:

• Осуществлена возможность бесконтактного контроля электропроводности агрессивных, жидких технологических сред;

• Исключено загрязнение рабочей поверхности датчика, вследствие этого исключено воздействие на контролируемую среду;

• Возможность работы в широком диапазоне электропроводности от электролитов до деионизированной воды, температур и давления жидкости.

• Исключено влияние окружающей среды на бесконтактный кондуктометр при измерении электропроводности жидких технологических сред.

Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям емкостных бесконтактных кондуктометров с внешним продольным полем и разработке методов их проектирования для автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), которые требуют создания системы защиты от внешнего влияния на контролируемую среду.

Основа диссертационной работы: Анализ математических моделей бесконтактных кондуктометров. Теоретическое и экспериментальное исследование конструкции бесконтактного емкостного кондуктометра и разработка принципиально новой модели датчика.

Личный вклад автора в разработке диссертационной работы: 1. Выведена зависимость влагосодержания от основных параметров емкостного зонда и материала. Получено общее уравнение комплексной проводимости кондуктометрической ячейки и проведен ее анализ на основе я - теоремы или второй теореме подобия физических величин.

2. Экспериментально исследованы физические модели датчиков и дана критериальная оценка адекватности результатов исследования по критерию правдоподобия.

3. Выведено уравнение функции расчета эквивалентной емкости зонда, в зависимости от конструктивных параметров.

4. Разработан алгоритм теоретического построения функции преобразования бесконтактного кондуктометра.

5. Предложена структура автоматизации (мониторинга) технологического процесса на линии фотолитографии с учетом конструкции зонда.

6. Разработана конструкция датчика с внешним продольным электрическим полем и с продольным расположением электродов.

Апробация и внедрение новых научных результатов, полученных в диссертационной работе. Основные результаты апробированы на следующих научно - технических конференциях:

1. Ларичев С.С. Модель емкостного зондирования. Микроэлектроника и информатика 2001. Восьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МГИЭТ 2001.

2. Ларичев С.С., Никулин В.Б. Бесконтактное емкостное зондирование. Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Москва. Издательство МЭИ 2002.

3. Ларичев С.С. Контроль проводимости жидких технологических сред. Микроэлектроника и информатика 2003. Десятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МГИЭТ 2003.

4. Получен акт внедрения и протокол испытаний на заводе ОАО «Ангстрем».

Публикации. По тему диссертационной работы опубликованы 2 (две) научные работы в журнале «Известия вузов. Электроника» и Журнал «Датчики и системы».

В ведении представлено смысловое структурирование диссертационной работы, дана общая характеристика работы, обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. В первой главе на основе проведенного литературного анализа были сделаны выводы об актуальности проведения теоретических и экспериментальных исследований бесконтактных емкостных кондуктометров. То есть, необходимость методики проектирования, и создания кондуктометров с внешним продольным электрическим полем. Сравнение контактных и бесконтактных кондуктометров измерения удельной проводимости деионизированной воды, в технологических процессах, показало преимущество последних.

Во второй главе представлено теоретическое основание разработки бесконтактных кондуктометров. Показан анализ принципиально новой конструкции датчика, который в отличие от известных - универсален. Решена проблема поперечных кольцевых полей с недостаточной системой экранирования, высокая помехоустойчивость внешнего воздействия от окружающей среды. Исключены краевые эффекты неустойчивых кольцевых полей. Он может служить в качестве погружного устройства в стационарных и технологических процессах и обтекаемого в гидродинамике. Так как необходимость полного исключения загрязнения или наложения осадка на контактирующих элементах с технологической средой предъявляет особые требования к материалам, применяемым для изготовления датчика. Кроме того, датчик может быть использован для контроля влажности сыпучих сред в пределах от 0 до 100% относительной влажности.

На основе этого были получены физические модели бесконтактных кондуктометров. Выведена зависимость влагосодержания от основных параметров емкостного зонда и материала или W - критерий, определяющий влагосодержание любого материала, в том числе и насыпного и технологических сред.

Представлены модели датчиков с внешним продольным электрическим полем и представлена электрическая модель с максимальным показателем правдоподобия. Предложенный метод идентификации полезен для исследований как совершенно новых объектов, так и для детального изучения известных объектов с использованием электрических измерений. Выбранная физическая модель датчика может быть положена в основу разработки прибора для широкодиапазонного контроля влажности любых материалов и технологических сред. Зонд с распределенными параметрами, т.е. погонной емкостью характеризуется стабильным электростатическим полем. Необходимо отметить, что краевые эффекты, т.е. искажение силовых линий электростатического поля при этом минимальны

В третьей главе представлена разработка (синтез) бесконтактного кондуктометра. В четвертой главе приведено экспериментально основание разработки бесконтактных кондуктометров. Рассчитана эквивалентная емкость кондуктометра. По итогам расчета емкости кондуктометра предложен алгоритм построения функции преобразования кондуктометра.

Обработка результатов проводилась с помощью однофакторного планирования эксперимента и регрессионно-корелляционным методом.

Диапазон частот при планировании факторного эксперимента для определения влагосодержания, измерения удельной проводимости деионизированной воды и электролитов был получен в пределах от 0.1 до

3 МГц. Измеритель удельной проводимости прошел калибровку эталоном проводимости.

В пятой главе дано практическое применение бесконтактного кондуктометра.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и основных результатов, списка литературы из 40 наименований и трех приложений. Основная часть диссертации содержит 108 страниц, включая 32 рисунка и 11 таблиц.

Вывод:

Экспериментальная оценка влагосодержания адекватна модели, представленной формулой комплексной проводимости и W - критерием. Датчик используется при контроле удельной проводимости электролитических и диэлектрических жидкостей, включая деионизованную воду; а так же влажности вязких и сыпучих материалов. Измеритель удельной электрической проводимости прошел калибровку на основе государственного эталона проводимости ГЭТ - 132 ВНИИФТРИ комитета стандартов.

Диапазон частот при планировании факторного эксперимента принят от 10 до 2000 кГц. Результат эксперимента с оценкой чувствительности зонда позволил окончательно получить значение оптимальной частоты в пределах от 10 кГц до 500 кГц. Очевидно, значение частоты, согласно критерию W, зависит от емкости и магнитной проводимости зонда, и относительной влажности материала.

§ 4.2. Экспериментальное исследование физических моделей и критериальная оценка адекватности результатов.

Виды идентификационных моделей приведены во второй главе. Методика расчета основана на измерении емкости CLR мостом и дополнительного тестового элемента в предполагаемую электрическую модель. Отсутствие исходной информации об объекте и его параметров (объект - эквивалентная схема) требует экспериментальной оценки при поиске оптимальной электрической модели. Все три модели, имеющие указанные параметры, с одинаковой точностью аппроксимируют иммитанс исследуемого объекта. Из трех представленных эквивалентных схем предстоит выбрать схему, которая отвечает признакам базовой электрической схемы. К исследуемой модели был подключен тестовый конденсатор. Были сняты экспериментальные зависимости и проведена идентификация, которая показала тот же порядок значений параметров и ту же группу моделей, как и до подключения конденсатора. Далее были синтезированы исследуемые модели и получены новые параметры. Для каждого из вариантов эквивалентных схем был рассчитан коэффициент максимального правдоподобия, который приведен в таблице 3.2.1.

1. Бегунов А.А. Теоретические основы и технические средства пирометрии

2. М: Издательство стандартов . 1988 г.

3. Кричевский Е.С. Волченко А.Г. Галушкин С.С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов. М: Энергоатомиздат, 1987 г.

4. Веников В.А. Теория подобия и моделирование. М.: Высшая школа 1976г.

5. Берлинер М.А. Измерения влажности. М.: Энергия 1973 г.

6. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Ленинград Энергоиздат 1981 г.

7. Якубовский С.В., Барканов Н.А. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. М.: Радиосвязь 1984 г.

8. Балтянский С.Ш., Карпанин О.В., Чернецов К.Н. Измерительная техника. 1995г.

9. Электрохимический импеданс М.: Наука, 1991 г.

10. Никулин В.Б., Ларичев С.С., Модель емкостного зондирования. Известия вузов. Электроника №3, 2001г.

11. Ю.Никулин В.Б., Ларичев С.С., Бесконтактный емкостной зонд для контроля влажности материалов. Журнал Датчики и системы №6, 2001 г.

12. Ларичев С.С. Модель емкостного зондирования. Микроэлектроника и информатика 2001. Восьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МГИЭТ 2001.

13. Ларичев С.С., Никулин В.Б. Бесконтактное емкостное зондирование. Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Москва. Издательство МЭИ 2002.

14. И.Д. Пупышев, И.А. Зарубин //Открытия. Изобретения. 1992 - №30

15. Marioli D., Sardini E.: Measurement of small capacitance variation, IEEE Trans. Instrum. Meas. 40

16. Стойнов З.Б. Электрохимический эмпиданс. -M.: Наука, 1991

17. Торнуев Ю.В. Электрический эмпиданс биологических тканей. М: Издательство ВЗПИ, 1990.

18. Советский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия 1992.

19. Гиллемин Э.А. Синтез пассивных цепей: Пер. с англ. / Под редакцией М.М. Айзинова. М.: Связь, 1980.

20. Балтянский С.Ш., Карпанин О.В., Чернецов К.Н. // Измерительная техника. -1995.

21. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В., Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М. Наука, 1976

22. Д. Химмельблау, Анализ статическими методами. М. "Мир" 1973.

23. X. Хартман, Э.Луцкий, Ф. Шеффер, планирование эксперимента в исследованиях технологических процессов. М. "Мир", 1977.

24. Хикс С. Основные принципы планирования эксперимента. М., "Мир", 1967.

25. Ю.С. Мальцев Конструирование и технология производства микроэлектронных цифровых измерительных приборов. М. Энергоиздат 1991

26. Каминский Ю.Д., Каменда Э.И. Индикаторные и регистрирующие устройства для систем автоматического контроля. М. Энергия 1996г.

27. Шляндин В.М. Цифровые электроизмерительные приборы. М. Энергия, 1982г.

28. Смолова В.Б. Микроэлектронные цифро аналоговые преобразователи информации. - JI. Энергия 1986г.

29. Попов B.C. Измерительные преобразователи параметров электрических цепей в частоту. -М. Энергия 1977г.

30. Новицкий П.В., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. JI. Энергия 1970г.

31. Усольцев В.А. Приборы для измерения влажности воздуха на метрологических станциях. Приборы и системы управления 1970 г. №1.

32. Муза Р., Шнейбл Г. Полиэлектрические датчики влажности. JI. Метиогидроиздат 1987г.

33. Биргер Г., Калашников В.И. Автоматические измерители малых влагосодержаний воздуха и газов. Измерение влажности твердых материалов и газов. М. ЦИНТИэлектропром. 1990г.

34. Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация и комплексная механизация химико-технологических процессов». 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1983.

35. Отчеты по НИОКР из фондов ОАО НПФ «Геофизика». 1983г.

36. Шауб Ю.Б. Кондуктометрия. Владивосток: Дальнаука, 1996.

37. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. М. Высшая школа, 1985.

38. Дмитриев Д.А., Кораблев И.В., Герасимов Б.И. СВЧ методы и устройства в кондуктометрии жидких сред.

39. Бирюков С. Цифровой частотомер. Радио. 1981

40. Хлюпин Н. Цифровой частотомер. Радиолюби-тель.- 1994.

41. Сташин В.В. Проектирование цифровых устройств. 1990.