автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Радиоионизационный измерительный преобразователь потенциала поверхности

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ПРИНЦИПОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПОТЕНЦИАЛА

ПОВЕРХНОСТИ.

1.1.Контактная разность потенциалов и потенциал поверхности в физических исследованиях и измерительной технике.

1.2.Термоэлектронные принципы измерений контактной разности потенциалов.

1.3.Фотоэлектрические принципы измерений контактной разности потенциалов.

1.4.Конденсаторные принципы измерений контактной разности потенциалов.

1.5.Радиоионизационные принципы измерений контактной разности потенциалов.

1.6.Постановка задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ РАДИОИОНИЗАЦИОННОГО

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОТЕНЦИАЛА

ПОВЕРХНОСТИ.

2.1.Принцип действия радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

2.2.Анализ математических моделей ионизационных камер с плоско -параллельной геометрией электродов.

2.3.Математическая модель статической характеристики радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ

РАДИОИОНИЗАЦИОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОВЕРХНОСТИ.

3.1.Общая концепция экспериментальных исследований.

3.2.Экспериментальное определение зависимости величины В от расстояния между электродами.

3.3.Проверка математической модели статической характеристики.

3.4.Исследование флюктуаций сигнала радиоионизационного измерительного преобразователя разности потенциалов.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И

ПРИМЕНЕНИЯ РАДИОИОНИЗАЦИОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОВЕРХНОСТИ.

4.1.Информационные параметры сигнала радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

4.2.Информационные возможности радиоионизационных измерительных преобразователей потенциала поверхности при постоянном значении контактной разности потенциалов.

4.3.Информационные возможности радиоионизационных измерительных преобразователей потенциала поверхности при переменном значении контактной разности потенциалов.

4.4.Применение радиоионизационного измерительного преобразователя для контроля металлов и сплавов.

4.5.Применение радиоионизационного измерительного преобразователя для контроля содержания серы в нефтепродуктах.

4.6.Применение радиоионизационного измерительного преобразователя для анализа жидких сред.

4.7.Методика расчета параметров и сигнала радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОИОНИЗАЦИОННОГО

ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОТЕНЦИАЛА

ПОВЕРХНОСТИ.

5.1.Исследование влияния давления, температуры и влажности воздуха на работу радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

5.2.Определение дрейфа нулевого сигнала радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

5.3.Оценка погрешности радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

5.4.Оценка инерционности радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

5.5.Метрологические характеристики радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. В современном мире технический прогресс в различных отраслях промышленности определяется совершенствованием известных и созданием новых технологий. Громадные усилия затрачивают научные работники и инженеры на создание новых средств и методов обработки информации и телекоммуникации. Значительно меньше внимания уделяется исследованиям и разработкам средств получения измерительной информации о параметрах технологических процессов и показателях качества веществ, материалов и изделий. В этой области, в основном, совершенствуются средства получения измерительной информации, использующие традиционные принципы измерения, а количество средств измерения, базирующихся на новых принципах весьма незначительно. В то же время для управления новыми технологическими процессами требуется получение значительного количества измерительной информации, часто о новых показателях качества, а к средствам контроля предъявляется все более высокие требования по быстродействию и точности получения измерительной информации. Все это определяет целесообразность привлечения к решению задач получения измерительной информации о технологических параметрах, особенно, о показателях качества, все более широкого спектра физических явлений.

К числу физических явлений, находящих применение в последнее время для контроля качества, относится явление возникновения разности потенциалов (контактной разности потенциалов) между двумя электродами из различных материалов. Это явление в 30-60 годы подробно исследовалось при разработках электронных ламп и рассматривалось как вредное [1]. Однако, оно получило применение, хотя и не очень широкое, при решении задач моделирования обоняния [2], детектирования компонентов в газовой хроматографии [3], измерения концентраций поверхностно-активных веществ [4], концентраций водорода [5]. В Тверском государственном техническом университете в период с 1995 по 1996 годы был выполнен комплекс исследований [6], направленный на создание радиоионизационного генераторного детектора (РИГД), в работе которого также использовалось явление возникновения контактной разности потенциалов, и были созданы детекторы для капиллярной газовой хроматографии. Перечисленные работы свидетельствуют о том, что в настоящее время данное явление получило применение для решения задач аналитического контроля.

Само явление возникновения потенциала поверхности жидкостей, металлов и сплавов является очень сложным и чувствительным ко многим влияющим величинам. Это достаточно убедительно продемонстрировано в работах [4], [6] на примерах наиболее простых в реализации радиоионизационных устройств для измерения потенциала поверхности. В этих же работах получены математические модели для конкретных конструкций радиоионизационных преобразователей концентраций веществ.

Зависимость сигнала радиоионизационных устройств для измерения потенциала поверхности от влияющих величин свидетельствует об их существенных информационных возможностях. Автором в работах [8], [9] сделан вывод о том, что радиоионизационные устройства для измерения потенциала поверхности следует рассматривать как средства контроля веществ, материалов и изделий широкого назначения. В то же время, отсутствие общего математического описания физических процессов формирования сигнала измерительной информации этих устройств в определенной степени сдерживает их развитие и применение.

Все приведенное выше, определяет актуальность проведения исследований и разработок, направленных на совершенствование средств контроля, основанных на измерении потенциала поверхности.

Цель работы. Создание теоретических основ радиоионизационного потенциометрического контроля веществ, материалов и изделий, разработка радиоионизационных измерительных преобразователей потенциала поверхности (РИППП) твердых тел и жидкостей, а также решение актуальных задач контроля металлов, сплавов, жидкостей и катализаторов.

Научная новизна. Обоснована теоретически и проверена экспериментально возможность радиоионизационного потенциометрического контроля показателей качества жидких и твердых веществ и материалов.

Создана математическая модель статической характеристики РИППП, работающего в режиме тока проводимости, возникающего под действием контактной разности потенциалов между электродом, снабженным излучателем (3 - частиц, и поверхностью контролируемого объекта, служащей вторым электродом, на основе решения уравнения, описывающего работу ионизационной камеры с плоско - параллельной геометрией электродов, при условии, что расстояние между электродами не превышает длины пробега |3 - частиц в воздухе, а ионизация воздуха в промежутке между электродами является неоднородной.

Исследованы информационные возможности РИППП и предложены схемные и конструктивные решения, обеспечивающие применение РИППП для контроля металлов, сплавов, жидкостей и катализаторов.

Установлена возможность селективного и экспрессного измерения с помощью РИППП в сочетании с химическими реакциями микроконцентраций серы в нефтяных топливах.

Разработана методика расчета РИППП, основанная на созданной математической модели его статической характеристики.

Результаты разработок защищены двумя свидетельствами на полезную модель.

Практическая значимость работы. Выполненные в диссертации разработки позволяют ввести в практику неразрушающего контроля новое техническое средство - РИГТПП, обеспечивающее экспрессность и простоту контроля и обладающее широкими информационными возможностями. Разработанный РИППП позволяет решить ряд актуальных задач экспрессного контроля металлов, сплавов, катализаторов и жидкостей, в том числе нефтяных топлив, поверхностно-активных и биологически-активных веществ.

Полученные математические модели обеспечивают возможность расчета и конструирования средств измерительной техники, включающих в свой состав РИППП, с точностью достаточной для современного приборостроения.

Использование РИППП позволяет повысить технический уровень средств контроля металлов, сплавов, катализаторов, жидкостей, нефтяных топлив.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированы известные результаты исследований явления возникновения контактной разности потенциалов и применения этого явления для получения измерительной информации. Обоснована возможность существенного расширения спектра задач контроля качества веществ, материалов и изделий на основе этого явления

2. На основе решения уравнения, описывающего работу ионизационной камеры с плоско - параллельной геометрией электродов, при условии, что расстояние между электродами не превышает длины пробега (3 -частиц в воздухе, а ионизация воздуха в промежутке между электродами является неоднородной, создана математическая модель статической характеристики РИППП, работающего в режиме тока проводимости, возникающего под действием контактной разности потенциалов между электродом, снабженным излучателем Р - частиц, и поверхностью контролируемого объекта, служащей вторым электродом,

3. Установлено, что сигнал РИППП при прочих постоянных условиях (активности источника, давлении, температуре) зависит от расстояния между электродами, контактной разности потенциалов и геометрических размеров электродов.

4. Создана математическая модель РИППП для случая, когда одним из электродов является тритиевый ионизатор, а вторым - жидкость. И на основе этой модели доказана возможность определения состава бинарных жидких сред.

5. Экспериментальными исследованиями, выполненными на специально разработанных стендах, установлена адекватность полученных математических моделей.

6. Разработана методика расчета РИППП, основанная на полученных математических моделях, обеспечивающая возможность проектирования РИППП и предсказания его метрологических характеристик.

- 1477. Разработана универсальная конструкция РИППП, обеспечивающая простоту его адаптации в средства контроля веществ, материалов и изделий.

8. Исследованы информационные возможности РИППП и показано, что с его помощью можно решать помимо известных задач контроля, также задачи тестирования металлов и сплавов, концентраций активного вещества катализаторов, концентраций серы в нефтяных топливах и анализа состава бинарных жидких сред, поверхностно-активных и биологически-активных веществ. Причем эти решения характеризуются экс-прессностью контроля и малыми экономическими затратами.

9. Экспериментальным путем определены основные метрологические характеристики РИППП.

1. Царев Б.М Контактная разность потенциалов. М.:ГИТТЛ, 1955 -280с.

2. Мазитова P.M., Охотская В.Н., Пучкин Б.И. Обоняние и его моделирование. Новосибирск: Наука, 1965 - 120 с

3. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Исследование возможности применения ядерной батареи для детектирования газов в хроматографии. Изв. вузов. Нефть и газ, 1972, № 11, с. 93-97.

4. Исаев Ю.В. Сорбционно-потенциометрические измерительные преобразователи концентрации жидкостей и газов . Дисс. . канд. техн. наук. Баку, Азербайджанский институт нефти и газа им. М. Азимбекова, 1989. - 183 с.

5. Clein СТ., Thoma Р.Е. Electret and rhodium gas sensors. Sensors and Acuators - 1989. - V. 16.+ -p. 325-334.

6. Анкудинова O.B. Радиоионизационный генераторный детектор газов. Дис.канд. техн. наук. Тверь, 1997. - 192 с.

7. Адамсон А Физическая химия поверхностей, /под. ред. З.М. Зорина, В.М. Myллера. М.:Мир, 1979-568 с.

8. Анкудинова О.В., Рехов А.С. Устройство для сортировки металлов и сплавов. // Материалы всероссийской заочной конференции «Перспективы развития волжского региона». Тверской государственный технический университет. -Тверь. 1999.-с. 101 103.

9. Лущейкин Г.А. Полимерные электреты. М.: Химия, 1984 - 184 с.

10. A.R.F. lavs groundwork for synthetic nose. Chemical and engineering news, April 3, 1961

11. Измеритель электростатических зарядов переносной ИЭЗ-П. Паспорт. -Кишинев: Тимпул, 1990 24 с.

12. Царев Б.М Расчет и конструирование электронных электровакуумных ламп. М.: Энергия, 1967. - 670с.

13. Моргулис Н.Д., Корчевой Ю.П., Чутов Ю.И. Некоторые физические особенности термоэлектронного преобразования энергии. ЖТФ. -1961. - Т.31, вып. 7.-с. 845 - 853.

14. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий . Справочник. В 2 книгах. / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1986. - 488, 352с

15. Горловой Г.Н., Степаненко В.А. Тритиевые излучатели. М.: Атомиз-дат, 1965.- 116 с.

16. Штейнбок Н.И. Применение радиоактивных излучений в измерительной технике. М. -Л.: Машгиз, 1960. - 287 с.

17. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах. / Под ред. Н.А. Капцова: пер. с англ. М. -Л.: Гостехиздат, 1950. - 672 с.

18. Энгель Л. Ионизованные газы. Под ред. М.С. Иоффе: пер. с англ., М.:Физмитгиз, 1959.-332с.

19. Росси Б. Штауб Г. Ионизационные камеры и счетчики. М.: ИЛ, 1951. - 240 с.

20. Баранов В.А. Радиометрия. М.: Изд-во АН СССР, 1956. - 343 с.

21. Англинцев К.К. Дозиметрия ионизирующих излучений. М.: ГИТТЛ, 1957.- 503 с.

22. Seeleger R. Einfuhring in die Physik der Gasentaladungen. Leipzig, 1934. - 500 s.

23. Штейнбок Н.И. Основные характеристики ионизационных камер. -ЖЭТФ. 1954. - т. 27, вып. 5(11). - с. 615-624.

24. Ротин В. А. Радиоионизационное детектирование в газовой хроматографии. М.: Атомиздат, 1974. - 190 с.

25. Новак Й Количественный анализ методом газовой хроматографии. М.: Мир, 1978. 179 с,

26. Руководство по газовой хроматографии. / Под ред. А.А. Жуховицкого: пер. с нем. М.: Мир, 1969. - 503 с.

27. Эмирджанов Р.Г. Основы технологических расчетов в нефтепереработке. М. -Л.: Химия, 1965. - 544с.

28. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и паров. Л.: Химия, 1971. - 704с.

29. Бретшнайдер С.Т. Свойства газов и жидкостей (инженерные методы расчета) М.-Л.: Химия, 1966.-536с.

30. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и ) чащихся ВТУЗОВ. М.-Л.: ОГИЗ, 1948. - 556с.

31. Трубопроводный транспорт нефти и газа. / Под общ. ред. В.А.Юдина. -М: Недра, 1978.-407с.- 151

32. Грег С. и др. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984.-310с.

33. Рыбак Б.ML Анализ нефти и нефтепродуктов. М.: Гостопиздат, 1961. -888с.

34. Белянин Б.В., Эрих В.Н. Технический анализ нефтепродуктов и газа -Л.: Химия, 1970.-344с.

35. Каталог фирмы "Petrotest Instrumments GmbH&Co. KG"

36. Айвазов Б.В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции. М.: Высшая школа, 1973. - 208с.

37. Авторское свидетельство № 241085, Бюлл. изобр. №13, 1969. / «Импульсный датчик плотности газов». Фарзане Н.Г., Илясов Л.В.

38. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. М.: Энергоатом из дат, 1983. - 96с.

39. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978. - ???с.

40. Дианов В.Г., Мееров М.В. Теория автоматического регулирования и ав-торегуля горы. М.: Гостоптехиздат, 1963. - 416с.

41. Артемьек Б.Г., Голубев С.Н. Справочное пособие для работников метрологических служб- М.: Изд. стандартов, 1982. 280с.1. Утверждаю»

42. Директор ОАО ской экскаваторный завод»1. А.Ю. Медведев 2000 г.1. АКТиспытаний радиоионизационного измерительного преобразователя потенциала поверхности

43. Радиоионизационный измерительный преобразователь потенциала поверхности (РИППП) является новым средством для контроля металлов, сплавов и жидкостей.

44. Испытанный РИППП имеет простую конструкцию, не требует дополнительных источников энергии и обеспечивает высокую скорость контроля.

45. Начальник ЦЗЛ, к.х н. Ю.Е. Автушенко