автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование высокотемпературных тензорезисторных датчиков давления фторнеорганических сред для автоматизации и управления технологическими процессами

Для служебного пользования Экз. № 8

На правах рукописи

Бороздин Сергей Геннадьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ФТОРНЕОРГАНИЧЕСКИХ СРЕД ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

05.13.06- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тоиск- 2001

Работа выполнена в Научно-исследовательском и конструкторском институте Федерального Государственного Унитарного Предприятия «Сибирский химический комбинат».

Научный руководитель доктор технических наук, Малый Е.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Москалев В.А.

доктор технических наук, Костюченко С.В.

Ведущая организация: Российский научный центр

«Курчатовский институт».

Защита состоится «02» йЮ/>Я 2001г. в «i О » часов на заседании диссертационного совета ДС212.025.03 при Томском политехническом университете по адресу: 634034, г.Томск, пр. Ленина, 2, корпус №10 Томского политехнического университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан «Q¡ » {¿ЮНА 2001г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор, Гузеев В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Широкое распространение в настоящее время нашли технологические процессы по производству фторнеорганических соединений.

Обеспечение эффективности и безопасности проведения таких технологических процессов невозможно без надежных, устойчивых к внешним дестабилизирующим воздействиям датчиков, используемых для автоматизации и управления процессами.

Фторидные технологические процессы во многих случаях протекают при значительных температурах (до 450°С) и давлениях (до 25 МПа). Их отличает высокая коррозионная активность обращающихся реагентов, склонность фтор-неорганических соединений к конденсации, что приводит к забивке технологических коммуникаций и осложняет контроль технологических параметров при проведении этих процессов.

В таких тяжелых условиях эксплуатации достоверность и стабильность показаний датчиков является необходимым условием безопасного осуществления самого технологического процесса и получения продукта с заданными параметрами.

Известные российские и зарубежные предприятия выпускают широкую номенклатуру датчиков давления и среди них для работы в агрессивных средах при повышенных температурах. Вместе с тем на сегодняшний день не выпускаются средства измерения давления на фторсодержащие среды с диапазоном рабочих температур от минус 20°С до 450°С. При этом, в случаях забивки коммуникаций, отходящих от технологических аппаратов, обычные традиционные средства измерения, устанавливаемые на коммуникациях, становятся непригодными для контроля давления в технологических аппаратах, так как нарушается технологическая связь с датчиками и полностью теряется контроль над технологическими процессами, протекающими в аппаратах.

Актуальность диссертационной работы обусловлена тем, что, используя известные средства измерения, не представляется возможным обеспечить достаточно надежный и достоверный контроль давления в реакторах-фтораторах

автоклавного типа, используемых при производстве фторнеорганических соединений.

Целью диссертационной работы явилось решение научно-технической задачи по обеспечению контроля давления в реакторах-фтораторах автоклавного типа и на коммуникациях при производстве фторнеорганических соединений с температурой рабочей среды в автоклавах от минус 20°С до 450°С. Решение осуществлялось путем создания высокотемпературных средств измерения давления, которые, обладая стабильными метрологическими характеристиками, позволили бы:

во-первых, обеспечить достаточно высокую точность измерения и поддержания давления в автоклавах;

во-вторых, обеспечить и в случае забивки коммуникаций фторсодержащими реагентами высокую степень надежности контроля давления в реакторах-фтораторах для безопасного проведения технологических операций, в том числе операций вскрытия и разгрузки автоклавов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Изучены средства и методы измерения давления агрессивных сред в условиях высоких (до 450°С) температур и: выбран приемлемый метод.

2. Создан высокотемпературный датчик давления для размещения его вблизи с автоклавами на технологических коммуникациях.

3. Создан высокотемпературный датчик, обеспечивающий и в случае забивки коммуникаций надежный контроль давления в реакторах-фтораторах автоклавного типа посредством измерения деформаций корпуса автоклавов.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.

Создана методика расчета чувствительности и выходного сигнала нового класса датчиков: тензорезисторных мембранно-стоечных датчиков давления.

Впервые разработаны математические модели для различных модификаций нового класса датчиков:

• датчик без штока с тензомостом на прямоугольной,пластине,

• датчик без штока с тензомостом на упруго-деформируемых стойках,

• датчик со штоком и тензомостом на прямоугольной пластине,

• датчик со штоком и тензомостом на упруго-деформируемых стойках.

Эти модели позволяют определить с достаточной для практики точностью влияние основных параметров тензорезисторных мембранно-стоечных датчиков на их чувствительность и выходной сигнал.

Впервые определено влияние всего спектра параметров мембранно-стоечного датчика на его чувствительность и выходной сигнал.

Впервые разработана конструкция автоклавного датчика со встроенной в технологический аппарат чувствительной частью для контроля давления непосредственно в технологическом аппарате путем измерения деформаций его корпусных элементов. Это является новым направлением при разработке средств измерения давления.

Выработаны новые рекомендации, найдены новые конструктивные и схемные решения по уменьшению температурной зависимости выходного сигнала тензорезисторных датчиков в широком диапазоне от 0°С до 450°С нестационарных температур при сильно выраженной нелинейности температурных зависимостей.

Научно-техническая новизна результатов диссертационной работы подтверждается тем, что основные результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли отражение в 4х статьях, опубликованных в журналах «Измерительная техника», «Приборы и системы управления», «Межотраслевой сборник научно-технических достижений», в докладе на секции ВИМИ «Измерение механических, линейно-угловых, теплотехнических величин», в отчете, и в ряде информационных материалов.

Техническая новизна результатов диссертационной работы подтверждается четырьмя авторскими свидетельствами на изобретения, полученными на разработанные высокотемпературные средства измерения нового класса.

Практическая ценность работы состоит в создании высокотемпературных тензорезисторных датчиков давления фторнеорганических сред для автоматизации и управления технологическими процессами.

Разработанные датчики могут быть интегрированы в любые системы автоматизации.

Практическая ценность результатов выполненной работы подтверждается тем, что созданные высокотемпературные средства измерения давления после их метрологической аттестации были переданы в постоянную эксплуатацию.

Созданные высокотемпературные датчики внедрены на промышленных и опытно-промышленных производствах Сибирского химического комбината и в Российском научном центре «Курчатовский институт». Это подтверждается имеющимися актами о приемки в постоянную эксплуатацию и актами об использовании. Использование новых высокотемпературных датчиков позволило решить задачу по обеспечению контроля давления в реакторах-фтораторах автоклавного типа и на коммуникациях при производстве фторнеорганических соединений с температурой рабочей среды в автоклавах от минус 20°С до 450°С.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Методика расчета и математические выражения для чувствительности и выходного сигнала тензорезисторных мембранно-стоечных датчиков давления без штока и со штоком в различных исполнениях.

2. Конструкция высокотемпературных мембранно-стоечных датчиков давления.

3. Конструкция высокотемпературного тензорезисторного автоклавного датчика давления, схемные и методические решения по компенсации температурных погрешностей тензорезисторных датчиков в широком диапазоне нестационарных температур (от 0°С до 450°С) при сильно выраженной нелинейности температурных зависимостей.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, обсуждались на семинаре секции ВИМИ «Измерение механических, линейно-угловых, теплотехнических величин».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 185 машинописных страницах, содержит 44 рисунка, 5 таблиц и список литературы, включающий 138 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность диссертационной работы, сделана постановка научно-технической задачи, показаны основные пути ее решения, научная значимость и практическая ценность результатов работы, сформулированы основные результаты и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе содержится обзор существующих средств и методов измерения давления агрессивных сред в условиях повышенных температур.

Показано, что ведущие российские и зарубежные предприятия и компании производят широкую номенклатуру датчиков давления, использующих различные методы (физические принципы действия), и среди них для работы в агрессивных средах при повышенных температурах. Показано также, что, используя известные средства измерения, не представляется возможным обеспечить достаточно надежный и достоверный контроль давления в реакторах-фтораторах автоклавного типа при производстве фторнеорганических соединений. Особенно это проявляется при забивках технологических коммуникаций, когда нарушается связь с обычными средствами измерения и теряется контроль над технологическими процессами, протекающими в автоклавах.

Обоснован выбор тензорезисторного метода для создания новых высокотемпературных датчиков давления.

Вторая глава посвящена разработке тензорезисторного датчика давления высокотемпературных фторнеорганических сред в технологических коммуникациях.

Дан обзор известных конструкций тензорезисторных датчиков давления и показано, что для создания датчика давления на повышенные рабочие температуры наиболее подходящей является тензометрическая упругая система (ТУС), в которой тензорезисторы, закрепленные на консольной пружине, не подвергаются непосредственному тепловому воздействию измеряемой среды и находятся в зоне пониженных температур.

При создании высокотемпературного датчика давления на фторидные среды необходимо дополнительно выполнить следующие требования. Уровень чувствительности ТУС должен быть достаточно высоким и обеспечить возможность

использования манометрического упругого элемента с наибольшей толщиной и наименьшим диаметром. И вместе с тем, необходимо обеспечить существенное превышение жесткости второй части упругой системы (консоль с тензоре-зисторами) над жесткостью манометрического упругого элемента.

Известные ТУС с различными консольными пружинами не удовлетворяет всему ряду указанных выше требований.

В связи с этим была предложена и исследована усовершенствованная конструкция ТУС, защищенная авторским свидетельством на изобретение - тензо-резисторный мембранно-стоечный датчик в двух исполнениях: без штока и со штоком. Тензорезисторы вынесены в зону пониженных температур, за счет чего уменьшена температурная составляющая выходного сигнала и тензорезисторы работают в более благоприятных температурных условиях, а соотношение жесткостей прямоугольной пластины и мембраны позволяет удовлетворить описанным выше требованиям при достаточном уровне чувствительности датчика.

На рис.1 схематично представлен тензорезисторный мембранно-стоечный датчик давления (ТМСДЦ) без штока в напряженно-деформированном состоянии под воздействием давления Р, а на рис.2 геометрия его напряженно-деформированного состояния.

5 4 3

Рис. 1. Схема ТМСДЦ без штока Здесь 1 - круглая пластина, 2 - элемент круглой пластины (ЭКП), 3 - упруго-деформируемая стойка, 4 - прямоугольная пластина, 5 - тензорезисторы.

Рис. 2. Геометрия напряженно-деформированного состояния ТМСДД без штока

На рис.3 и рис.4 соответственно показана схема ТМСДД со штоком в его напряженно-деформированном состоянии при воздействии на датчик давления Р и геометрия напряженно-деформированного состояния ТМСДД со штоком.

Рис. 3. Схема ТМСДД со штоком Здесь 1 - круглая пластина, 2 - упруго-деформируемые стойки, 3 - прямоугольная пластина, 4 - шток, взаимодействующий с прямоугольной пластиной 3. На поверхности прямоугольной пластины 3 закреплены тензорезисторы 5.

Рис. 4. Геометрия напряженно-деформированного состояния ТМСДД со штоком

Используя обобщенную теорию расчета параметров ТУС, системный подход к анализу ее напряженного состояния, а также теорию расчета круглых пластин, изложенных в известных работах, рассматривая конструкцию ТМСДД, как электромеханическую упругую измерительную систему, как совокупность кинематически связанных и взаимодействущих упругих тел, на поверхности одного из которых закреплены тензорезисторы, - было исследовано напряженно-деформированное состояние прямоугольной пластины и упруго-деформируемых стоек новой ТУС. Исследования проведены для двух вариантов исполнения ТУС - без штока и со штоком, в зависимости от воздействующего давления и параметров всех составляющих электромеханической упругой измерительной системы.

Вместе с тем, созданы методики расчета чувствительности и выходного сигнала для ТМСДД без штока с тензомостом на прямоугольной пластине и в исполнении с тензомостом на упруго-деформируемых стойках. Также разработаны методики расчета чувствительности и выходного сигнала ТМСДД со штоком, взаимодействующим с прямоугольной пластиной, в исполнении с тензомостом как на стойках, так и на прямоугольной пластине.

Широкое распространение в практике конструирования тензометрических манометров получили круглые сплошные и круглые кольцевые пластины с ос-

лабленным креплением по наружному краю, представленные на рис.5 и рис.б, благодаря простоте их конструкции, высокой степени линейности градуиро-вочной характеристики и, вместе с тем, повышенной чувствительности.

Рис. 5. Круглая сплошная пластина с ослабленным креплением по наружному краю

22^

Л.

Рис. 6. Круглая кольцевая пластина с ослабленным креплением по наружному краю На основании выполненных исследований и разработанных методик для случая применения в ТМСДД без штока круглой сплошной пластины: рис.5 -созданы математические модели, позволяющие рассчитать выходной сигнал (чувствительность) датчика. Выражения для выходного сигнала ипс„г и чувствительности г)" датчика без штока в исполнении с тензомостом на прямоугольной пластине имеют вид:

ип „ 0.087ипи1КтАР9(гН + Ь,)ЕсЬс(ги-г.)д[5К'(г'-гв;](1 + ц)-^-г,')(3^ц)1 (1)

С"Г б(1-ц!Х2Н + ЬкУьпЬпЕпЕс1,с(г)(-г„)1 + АЕ^^8(1пЕсЬс(г„-г1)1 + «Н\11пЕ„]

0.087КтАе(2Н<-Ьк)ЕсЬсСн-^)2[^!(^-г,!)(Ь^-(гн-г,'](Зн-ц)] (2)

б(1-ц1Х2Н + Ь^ЬпЬ„ЕпЕсЬс(гн-гв)3 + АЕкН^е[|пЕсЬс(г„-г1),4-8Н1ЬпЬпЕг,]

В исполнении с тензомостом на упруго-деформируемых стойках выходной сигнал иссиг и чувствительность г>с ТМСДД без штока представляются выражениями:

1.044ЦПВГКТЛР9(2Н 4- Цн - ■' (г; - г.')(И- и)- - г.')(3 ♦ ц)] >

б(1 - ц1 Х2Н + )! ЕсЬс(гн-г,)Ч АЕКЬ>

'пЕсЬс ЬпЕпЬ

Чгк-г.^Ж1

Г.044К,А9(2Н4ЬЛгн-г.)'[Н- —^[Я*^ -+ ц)-(г,' -г.'ъ + и)]

б(| - Ц!)(2Н + Ьк)' ЕсЬс(гн -ГцУ + АЕ„Ь^9[-|4^1.(Гн - Г„ )' + 8Н>

(3)

При использовании в ТМСДД со штоком круглой кольцевой пластины: рис.6 - также разработаны математические модели для расчета выходного сигнала и чувствительности. Датчик с тензомостом на прямоугольной пластине описывается выражениями:

и?„г - и™тК,ет /2

е . Р ,'гР-Г>и,Ьп[Ь„ЬпЕп(21п-1,)-|п(ЬпЬпЕп->-Р)] т Ь„ЬПЕ„ 16ЕгпЬ|,ь;+К.11||(ЬпЬлЕ|,+ЗР)

М^, -12(1-ц')(2Н^Ьк)ь,,ЬлЕпЕсЬс(гя -гв)'

"б(|-ц,Х2Н + Ь11)'ЬпЬпЕпЕсЬ(;(г„-г.)1+А-Е,ь1мв|„ЕсЬс(гр,-г,),+8Н,ЬпЬ„Е11 ... 0,0284АеРа! ,, гн / , , гн ,, г.)

" 0,2172г„ 1(1 - р; + 0,54(3! (3,08 - 21п (3, >20? 1п Р, ] Р _ 0,7882гя' (ир.54р?(к + Р?)+(|С; -8Р| )|пЦ, * К.,] *** " (1-3;Х2.54 + 0.54Р!)-»-(3,08- 21п р, ^р,11пр,

(5)

-»"=11" /и Р

i и сиг ' ^пит а

(6)

В исполнениии с тензомостом на упруго-деформируемых стойках выражения для выходного сигнала и чувствительности ТМСДД со штоком имеют вид:

С №[Н-(к + к)/21

сиг - ипитК.т—^-ту—'

Ьс^н - Га) с

М^м,-12(1-ц'ХДН4-Ьк)ьпЬ„ЕпЕ(:Ьс(г„-г.)'

' 6(1 -р'рН +Ьк/ьлЬ„ЕпЕсЬс(гн -г,)" + А -ЕХМ^ПЕСМгн -'»1 + 8Н'Ь^лЕ^ 0,0284А9РЯ1 (К^Я1 / ь г„ „„,. / ,, гн ,, гЛ

к„ _ 13.2Рд-6.6 + 1,4Р'(И-41пР). . _ 4Рд(э.З - 3,3(3* + 5.2311п(з) '* 13 + 0.7Р1 ' 1,3 + 0,7р!

(7)

Пс = кт

6р[н-(к + н)/2] м:

12(|-ц'Х2Н + Нк)ЬпЬпЕпЕ?Ьс(г„-г,,)'

___._тэкп '*У ** Л^'^'ЧЛ'п"^^^^^ 'а/_

«(1 - ц'Х2Н + Ьк)*ЬПКпЕпЕсЬс(гн -г,У + А • ЕХ^пМсК + 8Н'Ь„Ь„Е„

0,0284А9РЯ1 [КЛ2

- Щ (и.мф-г^-^-г,

13.2р'-6,6-И.4р'(1 + 41п(1), „ ж 4Р'(3.3-5.33'*5,2Р'|ПР)

' I 2 11 ^.П ТП1

1.3+0.7Р'

1,3 + ОЖ

Математические модели ТМСДД без штока и со штоком получены в рамках линейной теории упругости и представляют собой линейные зависимости от давления Р. В связи с этим они используются в линейном диапазоне измерительной характеристики ТМСДД. При этом, выходной сигнал, чувствительность и давление есть приращения соответственно выходного сигнала, чувствительности и давления.

Выполненные экспериментальные исследования большой партии: в количестве 30 штук, опытных образцов ТМСДД без штока и со штоком подтвердили достоверность полученных аналитических выражений и возможность использования их при конструировании ТМСДД.

С использованием полученных выражений проведены исследования влияния на чувствительность датчиков электрических, механических, геометрических параметров. Чувствительность ТМСДД без штока с круглой сплошной пластиной при ослабленном креплении ее по наружному краю зависит в общей сложности от 15 его параметров. От таких параметров, как коэффициент тензо-чувствительности тензорезисторов кт, модуль упругости материала стойки Ес, ширина стойки Ьс, коэффициент Пуассона ц, радиус круглой пластины Я зависимость чувствительности носит монотонно возрастающий характер. От таких, как толщина Ьк и модуль упругости материала Ек круглой пластины, наружный г„ и внутренний г„ радиусы стоек, ширина Ьп, толщина Ьп, длина 1„ и модуль упругости материала Еп прямоугольной пластины - монотонно убывающий. Зависимость чувствительности г)" от толщины ^ и высоты Н стоек имеет экстремум. Влияние отдельных параметров на чувствительность т|п ТМСДД без штока иллюстрируется графиками, представленными на рис.7.

После выполненых аналитических исследований были выработаны рекомендации по применению конструкций ТМСДД со штоком и без штока.

Полученные математические выражения были использованы для расчета и конструирования высокотемпературных датчиков давления для коммуникаций.

Выполнен полный цикл опытно-конструкторских работ, начиная от разработки технического задания, конструкторской документации и проведения исследовательских испытаний опытных образцов до их метрологического

освидетельствования и передачи в эксплуатацию на промышленную установку с полным комплектом эксплуатационной документации.

п", мВ/В МПа

Г|", мВ/ВМПа

П\ мВ/ВМПа

г„ - 2.25 см

1.95 см

0,17 0,165 0,16 0,153 0,15 0.145

Пп, мВ/ВМПа

„Л

0,35 • 0,3 • 0^5 ■ ОД ' 0,15 '

0,1

Ес10"5, 0,05 -• МПа 0 -

11; = 3 мм

0 1

Пп„мВ/В-МПа 0,17

Гн , • см

Е,' 10, МПа

Рис.7. Влияние отдельных параметров на чувствительность г|" ТМСДЦ без штока

4

В результате выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ была создана серия ТМСДД типа ДДА и типа ДДВ-200. Датчики ДДВ-200 с диапазоном рабочих температур измеряемой и окружающей среды от минус 70°С до 200°С и датчики ДДА с диапазоном температур от минус 70°С до 100°С. Датчики обладают достаточной точностью измерения и стабильностью показаний в условиях фторидных сред, имеют сухую конструкцию: в них отсутствует органика и влага, что повышает безопасность ведения фторидных технологических процессов.

В датчиках ДДВ-200 используется круглая пластина из сплава 36КХТЮ или 44НХТЮ, а в датчиках ДДА - из алюминиевого сплава Д16 или В-95.

Датчики из ряда ДДА и ДДВ-200 эксплуатируются на промышленных и опытно-промышленных производствах Сибирского химического комбината и на опытно-промышленных установках в Российском научном центре «Курчатовский институт», что подтверждено имеющимися актами.

Третья глава посвящена разработке высокотемпературного тензорезистор-ного датчика давления в реакторах-фтораторах автоклавного типа (автоклавах).

Контроль давления в автоклавах осуществлялся путем измерения упругих деформаций корпусных элементов непосредственно самих автоклавов с помощью высокотемпературных тензорезисторов. При таком способе контроля давления исключалось влияние конденсирующихся и вязких сред на показания датчика. Это обеспечило безопасность ведения технологических процессов, операций разгрузки автоклавов в случае забивок технологических коммуникаций, когда исчезала связь с другими средствами контроля давления.

Конструкция разработанного высокотемпературного автоклавного датчика давления (ВАДД) защищена тремя авторскими свидетельствами на изобретения. ВАДД представлен на рис.8.

Датчик ВАДД выполняется в комплекте с автоклавом. Он состоит из чувствительной части (ЧЧ), встроенной в реактор-фторатор автоклавного типа 1, фрагмент которого показан на рис.8, соединительной коробки (КС), блока измерения и автоматической компенсации погрешности (БИАК), блока контроля параметров датчика (БКП).

Рис.8. Высокотемпературный автоклавный датчик давления ЧЧ предназначена для преобразования давления среды в автоклаве в изменение сопротивления тензорезисторов, а также содержит элементы схемы температурной компенсации. БИАК преобразует приращение сопротивления тензорезисторов в электрический сигнал, обеспечивает нормирование выходного сигнала и компенсацию температурной погрешности ВАДЦ. БКП позволяет определять изменение начального значения выходного сигнала ВАДД, не прерывая технологического процесса в автоклаве, вносить соответствующую коррекцию в показания.

ЧЧ включает в себя рабочие 2 и компенсационные 3 тензорезисторы типа НМТ-450. Рабочие тензорезисторы 2 приварены непосредственно к площадке корпуса автоклава 1 и воспринимают деформацию ее поверхности, а компенсационные 3 установлены на пластинке 4, закрепленной на площадке. Там же расположена термопара 5 и терморезистор 6, используемые для компенсации температурной погрешности автоклавного датчика.

Поверх корпуса автоклава установлен нагреватель для создания необходимого температурного режима в аппарате. В связи с этим элементы ЧЧ находятся в зоне нестационарных температур, меняющихся в диапазоне от минус 20°С до 450°С.

Вследствии этого возникла проблема компенсации значительных температурных погрешностей, существенно искажающих показания автоклавного датчика. Первоначальное значение температурной составляющей выходного сигнала ВАДД составляло (40-н50)мВ при уровне полезного сигнала З.ЗмВ.

Были найдены схемные и конструктивные решения по уменьшению, стабилизации и компенсации значительных температурных погрешностей.

Для минимизации температуркой составляющей выходного сигнала автоклавного датчика была обеспечена идентичность параметров активного и компенсационного плеч тензомоста и созданы одинаковые температурные условия функционирования обоих плеч. Последнее особенно важно в условиях высоких нестационарных температурных полей.

Анализируя составляющие нестабильности метрологических характеристик автоклавного датчика, были выработаны рекомендации по уменьшению и устранению дестабилизирующих факторов, повышению стабильности метрологических характеристик ВАДД.

Для компенсации остаточной температурной составляющей выходного сигнала были предложены и использованы специальный термочувствительный проводник и схема автоматической коррекции выходного сигнала.

Расчет параметров компенсационного термопроводника выполнялся по формуле, полученной с учетом распределения температурных полей вокруг встроенной в автоклав ЧЧ автоклавного датчика, параметров тензомоста и конструктивных особенностей автоклава.

Температурные зависимости выходного сигнала ВАДД носят сильно выраженный нелинейный характер, в связи с чем компенсация с помощью термопроводника оказалась недостаточной.

Разработана схема компенсации температурной погрешности, приведенная на рис.9, в основу которой положена автоматическая коррекция выходного сигнала ВАДД с помощью дополнительного температурозависимого сигнала.

Схема позволяет скомпенсировать в достаточной мере погрешность автоклавного датчика для различных температурных режимов работы автоклава в любом диапазоне температур при резко выраженной нелинейности температурных характеристик. При этом, была выработана методика и получены математические выражения для расчета и выбора параметров компенсационной схемы.

№

ДТ

БУ

. Ч7Г 118, 1

' <Н__!——!М>

и,

!у

РП

Рис. 9. Схема температурной компенсации ВАДЦ На рис.10 приведены температурные зависимости ВАДЦ. Диапазон изменения температуры разбит на 12 интервалов, в каждом из которых зависимость от температуры выходного сигнала тензомоста исиг и его чувствительности Б до компенсации, представленные графиками 1 и 2 соответственно, близки к линейной. Графиком 3 представлен дополнительный температурозависимый сигнал ияоп.сиг • Температурные изменения чувствительности и начального значения выходного сигнала автоклавного датчика ивых после введения коррекции представлены зависимостями 4 и 5.

Принятые схемные и конструктивные решения, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения, обеспечили снижение до допустимого уровня температурной погрешности автоклавного датчика. Его температурная погрешность не превысила 2% от полезного сигнала в диапазоне от минус 20°С до 450°С нестационарных температур при сильно выраженной нелинейности температурных зависимостей.

и, мВ А

Рис. 10. Температурные зависимости ВАДЦ Как показывает практика метрологические характеристики датчиков в процессе их эксплуатации под воздействием различных дестабилизирующих факторов претерпевают изменения. В связи с этим целесообразно выполнять проверку основных метрологических характеристик ВАДД и вводить соответствующие поправки в его показания.

Были проведены исследования мостовых схем и установлены закономерности между изменениями параметров плеч мостовой схемы и откликом вторичного прибора на шунтирование плеч моста контрольными резисторами. На основании полученных результатов разработан блок контроля, который позволил осуществлять проверку основных параметров автоклавного датчика, не прерывая технологического процесса и процесса измерения давления в автоклаве, и вносить соответствующие коррективы в показания.

По завершении полного цикла опытно-конструкторских работ и метрологического освидетельствования разработанные ВАДД нашли применение в опытно-промышленном производстве на Сибирском химическом комбинате. Это подтверждено имеющимися актами. При этом, показания ВАДД не зависили от состояния коммуникаций, связывающих автоклавы с другими средствами контроля давления, что позволило обеспечить безопасность проведения технологических процессов, операций вскрытия и разгрузки аппаратов.

выводы

1. Ведущие российские и зарубежные предприятия и компании и на сегодняшний день не выпускают средства измерения, позволяющие обеспечить контроль и поддержание давления во фторидных технологических процессах, протекающих при значительных температурах (до 450°С) и высоких давлениях.

Кроме того, в связи с возможными забивками технологических коммуникаций вязкими, конденсирующимися фторнеорганическими соединениями, обычные традиционные средства контроля, устанавливаемые на коммуникациях, отходящих от технологических аппаратов, становятся непригодными для контроля давления в аппаратах и полностью теряется контроль над технологическими процессами, протекающими в них.

2. Созданы высокотемпературные тензорезисторные датчики давления на фторнеорганические среды для установки на технологические коммуникации.

Разработана новая конструкция датчика, защищенная авторским свидетельством на изобретение, - тензорезисторный мембранно-стоечный датчик давления.

Получены математические модели для различных модификаций нового класса датчиков: без штока и со штоком, с тензомостом на прямоугольной пластине и на упруго-деформируемых стойках.

После подтверждения достоверности моделей в экпериментальных исследованиях на большой партии датчиков разработанные математические модели были использованы для расчета и конструирования высокотемпературных тензорезисторных мембранно-стоечных датчиков давления.

Результаты теоретических исследований и выполненных опытно-конструкторских работ позволили создать серию тензорезисторных датчиков давления на фторидные среды: типа ДЦА и ДЦВ-200.

Фотография датчика ДЦВ-200 с диапазоном рабочих температур измеряемой и окружающей среды от минус 70°С до 200°С представлена на рис. 11.

3. Создан новый высокотемпературный тензорезисторный датчик со встроенной в реактор - фторатор автоклавного типа чувствительной частью для конт-

Рис.11 Датчик давления высокотемпературный Д ДВ-200

Рис.12 Реактор-фторатор автоклавного типа с высокотемпературным тензорезисторным автоклавным датчиком давления 1 - реактор-фторатор автоклавного типа со встроенной в него чувствительной частью датчика; 2 - соединительная коробка; 3 - блок измерения и автоматической компенсации погрешности.

роля давления непосредственно в автоклаве путем измерения упругих деформаций его корпуса с помощью высокотемпературных тензорезисторов.

Такое конструктивное решение полностью исключило влияние конденсации фторнеорганических соединений, вызывающей забивки технологических коммуникаций, на показания высокотемпературного датчика и обеспечило безопасность ведения технологических процессов. Конструкция датчика защищена тремя авторскими свидетельствами на изобретение.

Выработаны рекомендации по уменьшению температурной составляющей выходного сигнала автоклавного датчика и стабилизации его метрологических характеристик в диапазоне рабочих температур от минус 20°С до 450°С и достигнуто значительное (на порядок) уменьшение температурной составляющей выходного сигнала.

Схемные и конструктивные решения обеспечили компенсацию остаточной температурной погрешности до допустимого уровня.

На рис.12 представлена фотография реактора-фторатора автоклавного типа, оснащенного высокотемпературным тензорезисторным автоклавным датчиком давления.

4. Разработанные высокотемпературные тензорезисторные датчики давления на фторнеорганические среды могут быть интегрированы в любые системы автоматизации и управления технологическими процесами, успешно применяются на Сибирском химическом комбинате и в Российском научном центре «Курчатовский институт». Их использование позволило решить задачу по обеспечению контроля давления в реакторах-фтораторах автоклавного типа и на коммуникациях при производстве фторнеорганических соединений с температурой рабочей среды в автоклавах от минус 20°С до 450°С.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Малый E.H., Бороздин С.Г. Высокотемпературное измерительное устройство. - Приборы и системы у правления. 1992, №2, с.29-30.

2. Малый E.H., Бороздин С.Г. Компенсация погрешности высокотемпературного измерительного устройства давления. - Измерительная техника. 1990, №12, с.24.

3. Малый E.H., Бороздин С.Г. Высокотемпературный датчик давления ДДВ. - Межотраслевой сборник «Научно-технические достижения» М., 1991, №2, с.66-68.

4. Малый E.H., Бороздин С.Г. Датчик давления ДЦА. - Межотраслевой сборник «Научно-технические достижения». М., 1991, №2, с.68-69.

5. Бороздин С.Г., Малый E.H. Тензорезисторный датчик давления. Авторское свидетельство СССР №1433169.

6. Малый E.H., Бороздин С.Г. и др. Гензопреобразователь. Авторское свидетельство СССР №1473472.

7. Бороздин С.Г., Малый E.H. Тензомегрическое устройство. Авторское свидетельство СССР №1205645.

8. Малый E.H., Бороздин С.Г., Кулешов С.Э. Датчик давления. Авторское свидетельство РФ №1729197.

9. Коробцев В.П., Мамонов А.Н., Малый E.H., Бороздин С.Г. и др. Отчет о НИР по спецтеме. Инв.№ 8/2072. Сибирский химический комбинат, 1987.

И'штсльская лаборатория СТИ ТПУ. 2(11)1 г. Лицензия ИД № (104(17 от (12.11.1)9 г. Подписано к печати 30.05.1) Ir. Заказ № 35. Формат 60x84/8. Бумага ксероксная. Печать RISO. Тираж 6() эю. объем 1п.л..

Бороздин 2-65-21 СБ 4 15.05.2001