автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование приборов бесконтактного контроля удельной электропроводности жидких сред на основе использования бифуркационного режима связанных колебаний

Содержание.

Введение.

1 Классификация и сравнительный анализ существующих приборов контроля удельной электропроводности жидких сред.

1.1 Контактные кондуктометры.

1.2 Бесконтактные кондуктометры.

1.2.1 Низкочастотные бесконтактные трансформаторные кондуктометры.

1.2.2 Высокочастотные бесконтактные кондуктометры.

1.2.2.1 Индукционные высокочастотные бесконтактные кондуктометры.

1.2.2.2 Ёмкостные высокочастотные бесконтактные кондуктометры.

1.2 Определение основных путей совершенствования приборов контроля электропроводности жидких сред.

1.3 Способы повышения чувствительности первичных измерительных преобразователей (ПИП) на основе применения нелинейных режимов измерительных преобразований.

2 Теоретическое исследование ПИП электропроводности жидких сред на основе использования режимов системы связанных колебаний.

2.1 Колебательная система с одной степенью свободы.

2.1.1 Свободные автоколебания в колебательной системе кондуктометрического ПИП.

2.2 Колебательная система с двумя степенями свободы в кондуктометрическом ПИП.

2.2.1 Автоколебательная система при внешнем гармоническом воздействии в кондуктометрическом ПИП.

2.2.1.1 Асинхронный режим колебаний.

2.2.1.2 Режим синхронных колебаний.

2.3 Сравнение относительной чувствительности стационарных режимов системы связанных колебаний.

2.4 Переходные режимы системы связанных колебаний кондуктометрического ПИП.

2.4.1 Схема замещения автогенератора, синхронизированного внешним генератором.

2.4.2 Выход из режима синхронизации.

2.4.3 Сравнение теоретических результатов с численными экспериментами.

2.4.4 Модель автогенератора ПИП с последовательным колебательным контуром.

2.5 Модель трансформаторного штыревого ПИП удельной электропроводности жидких сред.

3 Экспериментальное исследование ПИП электропроводности жидких сред.

3.1 Исследование штыревого трансформаторного варианта ПИП удельной электропроводности жидких сред.

3.2 Исследование поведения колебательной системы вблизи границы синхронизации.

3.3 Исследование бифуркационного режима системы связанных колебаний. Время выхода из режима синхронизации.

4 Практическая реализация прибора контроля на основе ПИП с использованием бифуркационного режима системы связанных колебаний.

4.1 Разработанный вариант прибора бесконтактного контроля удельной электропроводности жидких сред на основе бифуркационного режима связанных колебаний.

4.2 Расчёт параметров конструкции ПИП.

5 Внедрение разработанного варианта прибора контроля удельной электропроводности жидких сред на основе ПИП с использованием бифуркационного режима системы связанных колебаний.

Актуальность работы

Кондуктометрические приборы широко используются при контроле технологических процессов химических производств для определения концентрации растворов электролитов, для контроля чистоты технологической воды и т.д. За последние годы заметно снизилось количество отечественных разработок по созданию новых типов кондуктометров, в том числе предназначенных для контроля электропроводности агрессивных жидких сред, а также жидких сред, отличающихся сильным загрязнением, повышенной вязкостью. Одной из основных причин этого является отсутствие теоретических и экспериментальных исследований улучшения метрологических характеристик подобных кондуктометров.

На многих предприятиях химической промышленности кондуктометры применяются, в частности, для контроля концентрации водных растворов электролитов, являющихся как основной продукцией предприятий (к примеру раствор Н2804 массовой концентрацией 96%), так и использующихся в промежуточных технологических операциях (при производстве минеральных удобрений, капролактама и т.д.). На современных предприятиях приборы контроля, как правило, используются в системах автоматического регулирования. Очевидно, что уменьшение погрешности измерений прибора обусловливает повышение эффективности контроля технологического процесса. Последнее, в свою очередь, влияет на качество выпускаемой продукции. Поэтому, в настоящее время существует потребность химической промышленности в таких приборах, которая частично удовлетворяется за счёт импорта аналогичных, что, однако, не может полностью решить данную проблему.

Таким образом, задача улучшения метрологических характеристик приборов контроля удельной электропроводности жидких сред за счёт применения принципиально новых подходов к увеличению чувствительности механизма измерительных преобразований является актуальной и обусловливает повышение как надёжности и эффективности контроля производственных процессов, так, соответственно, и качества выпускаемой продукции.

Целью работы является уменьшение погрешности и увеличение диапазона измерений приборов контроля удельной электропроводности агрессивных, сильнозагрязнённых, вязких жидких сред путём увеличения чувствительности механизма измерительного преобразования.

Задачи исследований:

• Разработка методов усиления измерительного сигнала на стадии первичного измерительного преобразования.

• Анализ математической модели системы связанных колебаний первичного измерительного преобразователя (ПИП).

• Анализ высокочувствительных переходных режимов системы связанных колебаний.

• Оптимизация колебательной системы ПИП.

• Разработка приборов контроля удельной электропроводности жидких сред на основе использования высокочувствительных режимов системы связанных колебаний.

Объектом исследования является механизм измерительных преобразований приборов бесконтактного контроля удельной электропроводности агрессивных, сильнозагрязнённых, вязких жидких сред, основанный на использовании высокочувствительных режимов системы связанных колебаний.

Научную новизну составляет следующее:

• Анализ и синтез математической модели первичного измерительного преобразователя электропроводности жидких сред на основе использования режимов системы связанных колебаний.

• Впервые предложен бифуркационный режим системы связанных колебаний с целью создания прибора контроля удельной электропроводности жидких сред.

• Впервые реализован бифуркационный режим системы связанных колебаний, использующийся в качестве индикатора равновесия в компенсационной схеме измерений прибора контроля удельной электропроводности жидких сред.

Методы исследований

При выполнении работы применялись как теоретические так и экспериментальные методы исследования, которые способствовали решению поставленных задач. Исследования проводились путём построения математических моделей, допускающие аналитические или численные решения. На всех этапах проводилось сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.

Практическая ценность

Использование бифуркационного режима системы связанных колебаний позволило повысить чувствительность механизма измерительных преобразований ПИП, уменьшить погрешность и увеличить диапазон измерений прибора контроля.

Значительное улучшение метрологических характеристик позволяет расширить область применения подобных приборов контроля, и делает их вполне конкурентно способными по отношению к зарубежным аналогам.

Реализация и внедрение

Разработанный прибор контроля удельной электропроводности жидких сред внедрён на ОАО "АЗОТ" г. Кемерово, а также используется в учебном процессе АлтГТУ по дисциплине "Физические основы измерений".

К защите представлены:

• Способ повышения метрологических характеристик приборов, предназначенных для контроля удельной электропроводности жидких агрессивных сред, основанных на использовании бифуркационного режима связанных колебаний.

• Аналитические зависимости, описывающие бифуркационный режим системы связанных колебаний, используемых в приборах контроля удельной электропроводности жидких сред.

• Оптимальные режимы работы колебательной системы ПИП и конструктивные решения для бесконтактных индукционных приборов контроля удельной электропроводности сильнозагрязнённых, вязких жидких сред.

Публикации

По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 8 печатных работ, получен патент.

Апробация работы

Материалы работы обсуждались на семинарах кафедры информационных технологий АлтГТУ, а также на конференциях: «Измерение, контроль и автоматизация производственных процессов» (ИКАПП - 97), г. Барнаул, 1997г.; на пятой всесоюзной научно - технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений», г. Москва 1998 г.; всероссийской научно - технической конференции "Методы и средства измерения в системах контроля и управления", г. Пенза, 2001 г.; всероссийской научно практической конференции "Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследований", г. Бийск, 2000г.; международной научно - технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (ИКИ 2001), г. Барнаул, 2001г.

Личный вклад

Автору принадлежат основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработка прибора контроля удельной электропроводности агрессивных жидких сред на основе использования бифуркационного режима системы связанных колебаний.

Структура и объём работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения, изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 50 наименований.

Краткое содержание работы:

В первой главе выполнен обзор, проведена классификация и сравнительный анализ принципов построения существующих приборов контроля удельной электропроводности жидких сред,. Обоснован выбор оптимального варианта ПИП приборов контроля удельной электропроводности агрессивных, сильнозагрязнённых, вязких жидких сред.

Во второй главе проведены теоретические исследования повышения чувствительности приборов контроля на основе применения режимов связанных колебаний. Получены основные зависимости для бифуркационного режима системы связанных колебаний, позволяющие определять оптимальные параметры взаимодействия.

В третьей главе представлены наиболее важные результаты экспериментальных исследований ПИП электропроводности жидких сред, и режимов связанных колебаний в системе с двумя степенями свободы.

Подтверждены аналитически полученные зависимости как для асинхронного, так и для синхронного режимов колебаний. Исследовано поведение системы связанных колебаний вблизи границы синхронизации с целью определения наиболее высокочувствительного режима.

В четвёртой главе рассмотрен вариант реализации прибора контроля удельной электропроводности жидких сред. Получены зависимости, позволяющие определить конструктивные параметры ПИП прибора и основных узлов электронной схемы измерений.

В пятой главе представлен разработанный и внедрённый вариант прибора контроля электропроводности жидких сред. Также приведены результаты испытаний и сравнительная характеристика разработанного и реализованного варианта прибора контроля с приборами - аналогами.

Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность Павлу Иннокентьевичу Госькову, Виктору Николаевичу Седалищеву, Патрушеву Егору Михайловичу, Мациевскому Владимиру Алексеевичу, и особенно благодарит Первухина Бориса Семёновича за полезные замечания и консультации, поддержку и помощь в работе.

Работа выполнена на кафедре информационных технологий Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова /г. Барнаул/.

Основные результаты диссертационных исследований заключаются в следующем:

1. На основе анализа математической модели предложенного ПИП:

• получены функциональные зависимости выходных параметров от входных;

• разработан метод повышения чувствительности с использованием режима связанных колебаний;

• определены факторы, позволяющие оптимизировать конструкцию ПИП;

• определены способы повышения температурной и временной стабильности для данного варианта ПИП.

2. Экспериментально подтверждены результаты теоретических исследований.

3. Разработан прибор контроля удельной электропроводности жидких сред на основе ПИП, реализующего бифуркационный режим связанных колебаний с рабочим диапазоном от 0.05 до 100 См/м и погрешностью измерений не более 0.5%.

4. Разработанный вариант прибора контроля внедрён на предприятии химической промышленности г. Кемерово.

Наиболее перспективным вариантом использования нелинейных высокочувствительных систем является реализация на их основе индикаторов равновесия или нуль индикаторов. Причём для дальнейшего повышения чувствительности и устойчивости работы возможно увеличить число степеней свободы [44], [45]. Так применение нелинейных колебательных систем с тремя степенями свободы теоретически создаст возможность использовать систему как компаратор внешнего воздействия, причём режимы взаимодействия будут однозначно определять состояние системы. Однако данный вопрос требует дальнейшего исследования.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы в целом разработана теоретическая база для создания приборов бесконтактного контроля удельной электропроводности жидких сред на основе использования высокочувствительных режимов связанных колебаний в системах с двумя степенями свободы в качестве индикатора равновесия в цепи уравновешивания компенсационной схемы. Предложены варианты реализации кон-дуктометрических приборов контроля, значительно расширяющие область применения бесконтактного трансформаторного ПИП.

1. Проектирование датчиков для измерения механических величин/Е. П. Осадчий, А. И. Тихонов, В. И. Карпов и др... Под общей редакцией Е. П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1976. - 480 с

2. Подлепецкий Б. И. Состояние разработок датчиков а Европе./ Измерительная техника. 1991. -№5. с.65-70.

3. Скорчеллетти В. В. Теоретическая электрохимия. Изд. 3-е, стереотипное. Изд. "Химия", 1969, стр. 608.

4. Арутюнов О. С., Цеймах Б. М. Датчики состава и свойства веществ. Комбинированные методы. М., "Энергия", 1969, 136 с.

5. Кораблёв И. В., Тем В. В. и др. Математическое моделирование высокочастотных бесконтактных кондуктометров с ёмкостно индуктивными преобразователями. -М.: НИИ ТЭХИМ, 1984. -(Автоматизация химических производств, экспресс - информация. Вып. 10).

6. Клименко В. Т., Михайлов Ю. А., Рабинский М. Е. Линейные бесконтактные преобразователи удельной электрической проводимости растворов в электрический сигнал. М.: НИИ ТЭХИМ, 1894. — (Автоматизация химических производств, экспресс - информация. Вып.9).

7. A.C. 1383184 4G 01 N 27/02 (СССР). Кондуктометр. Клименко В.Т., Михайлов Ю.А., Бюл. №11, 1988г.

8. A.C. 1260807 4G 01 N 27/02 (СССР). Бесконтактный кондуктометриче-ский преобразователь. Леонидов Е.Л., Гусев В.Г., Торгашев А.П., Луговой О.В., Бюл. №36, 1986г.

9. A.C. 1543326 5G 01 N 27/02 (СССР). Погружной трансформаторный датчик. Хныкин А.Н. Бюл. №.6, 1990г.

10. A.C. 1032390 G 01 N 27/02 (СССР). Кондуктометр. Клименко В.Т., Михайлов В.А, Бысов В.В., Бюл №28, 1983 г.

11. Рекомендации по выбору автоматических кондуктометрических кон-центратомеров анализаторов. - Тбилиси, изд. СКБ АП. 1978 - 60 с.

12. Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. Изд. «Машиностроение», 1966, 500 с.

13. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, переработанное и дополненное. Под ред. Новицкого П. В. Л. «Энергия», 1975, 576 с.

14. Ротинян А. Л., Тихонов К. И., Шошина И. А. Теоретическая электрохимия/ Под. Ред. А. Л. Ротиняна. Л.: Химия, 1981,- 424 с.

15. Седалищев В. Н. Нелинейные пьезорезонансные датчики. Учебное пособие/ АлтГТУ им И. И. Ползунова Барнаул: изд. АлтГТУ, 1999 - 85 с.

16. Блехман И. И. Синхронизация в природе и технике. М.: Наука, Главная редакция физико - математической литературы, 1981. - 352 с.

17. Болознев В. В. Функциональные преобразователи на основе связанных колебаний., «Радио и связь». 1982 г.

18. Полулях К. С. Резонансные методы измерений. М.: Энергия, 1980. -120 е., ил.

19. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин. Теория колебаний. Изд. 2- е., переработанное и дополненное М.: Гос. Изд. Физико - математической литературы, 1959г., 916 с.

20. Ланда П. С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. М.: Наука, 1980г.

21. Патент РФ 2140062 МКИ 6 в 01 Ь 1/16 Устройство для измерений усилий. Кривобоков Д.Е., Госьков П.И., Седалищев В.Н., Ахмед Абид Аль-Аббас Керим, Бюл. №29, 1999 г.

22. Бабаков И. М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. 560 с.

23. Забродин Н. X. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982.-496 с.

24. Кривобоков Д. Е. Применение связанныых колебаний для повышения чувствительности измерительных преобразователей. Методы и средства измерения в системах контроля и управления. Материалы Всероссийской научно технической конференции. Пенза, изд: ПГУ, 2001.

25. Кривобоков Д. Е. «Релаксационный режим МСК датчика». Тезисы докладов // Международная научно - техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация», г. Барнаул: изд. АлтЕТУ, 2001 г.- С. 190.

26. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учебник для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей ВУЗов. 7-е изд., перераб, и доп. М.: Высшая школа, 1978. - 528 е., ил.

27. Ерадштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ФИЗМАТЕИЗ, 1963г., 1100 е., ил.

28. Фильчаков П. Ф. Справочник по высшей математике. Изд-во «Наукова думка», Киев, 1975 г., 744 с.

29. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред, 2-е изд., пререраб. И доп. М.: Наука, 1982. - 620 с.

30. Мигулин В. В., Медведев В. В., Мустель Е. Р., Парыгин В. Н. Основы теории колебаний. М.: Наука, 1988. - 329 с.

31. Кривобоков Д.Е «Применение пьезорезонансных МСК датчиков для исследования свойств растворов». 5 -я всесоюзная научно - техничеекая конференция «Состояние и проблемы технических измерений», 24-26 ноября 1998г., Москва., стр. 225.

32. Гриневич Ф. Б., Сурду М. Н. Высокочастотные вариационные измерительные системы переменного тока.: отв. Ред. С. Г. Таранов; АН УССР, Институт электродинамики. Киев: Наук. Думка, 1989. - 192 с.

33. Демьянченко А. Г. Синхронизация генераторов гармонических колебаний. М.: Энергия, 1976. - 240 с.

34. Спектор С. А. Электрические измерения физических величин.: Методы измерения: учеб. Пособие для ВУЗов. Л.: Энергоатомиздат. Ленинград, отд - е, 1987. - 320 е., ил.

35. Аш Ж. и соавт. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с франц. М.: Мир, 1992. - 480 е., ил.

36. Хакен Г. Синергетика: Иерархии неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах: Пер. с. англ. М.: Мир, 1985. - 423 е., ил.

37. Зильберман Г. Е. Электричество и магнетизм. М., 1970г., 384 е., ил.

38. Иродов И. Е. Основные законы электромагнетизма. Изд-е второе, стереотипное, М.: «Высшая школа», 1991 г., 285 с.

39. Терлецкий Я. П., Рыбаков Ю. П. Электродинамика: Учебное пособие для студентов университетов М.: Высш. Школа, 1980. - 335 е.: ил.

40. Андре Анго Математика для электро- и радиоинженеров М.: Изд. "Наука", 1967 г., 780 стр. с илл.

41. Кривобоков Д.Е «Применение МСК датчиков для измерения концентраций электролитов». ИКАПП - 97, Том №4, стр. 197.

42. Рабинович М. И., Трубецков Д. И. Введение в теорию колебаний и волн: Учебное пособие: М.: Наука. Главная редакция физико - математической литературы, 1984. - 432 с.

43. Концентратомеры кондуктометрические бесконтактные КНЧ -1М, 5Ж2.840.023 ТО-ЛУ.

44. Концентратомер кондуктометрический КАЦ-021, ТУ 4215-10242732639-97.1. АКТ1. УТВЕРЖДАЮ"

45. Главный приборист овского ОАО 'АЗОТ"

46. Ю. И. Гончаров) /¿7 " 2001 г.

47. Диссертационная работа обладает практической полезностью и значительно расширяет область кондуктометрического приборостроения.

48. Зам. главного прибориста КОАО ''АЗОТ"1. АО "Сибпромприбор"1. АО "Сибпромприбор"1. С. П. Орлов1. В. А. Мациевский1. С. Первухин