Разработка и исследование микропроцессорного трансформаторного кондуктометра, работающего по принципу жидкостного витка
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
На правах рукописи
ФАТЕЕВ ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО
ТРАНСФОРМАТОРНОГО КОНДУКТОМЕТРА, РАБОТАЮЩЕГО
ПО ПРИНЦИПУ ЖИДКОСТНОГО ВИТКА
05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва 2010
Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии.
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Латышенко Константин Павлович.
Научный консультант – кандидат технических наук, доцент Первухин Борис Семёнович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шаталов Александр Леонидович;
кандидат технических наук, доцент
Вепренцева Ольга Николаевна.
Ведущая организация – ОАО НПО «Химавтоматика», г. Москва.
Защита диссертации состоится 22 апреля 2010 года в 14.00 в аудитории В-23 на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 в Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.
Автореферат разослан 19 марта 2010 года.
Учёный секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент Н.В. Мокрова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие современных производств, повышение технологического уровня и улучшение качества выпускаемой продукции напрямую связаны с совершенствованием методов контроля, в том числе и кондуктометрического метода измерения.
Востребованность кондуктометрического метода можно объяснить высокой точностью, широким диапазоном измерений, простотой аппаратурного оформления, возможностью непрерывного контроля в технологическом потоке, достаточно низкой стоимостью по сравнению с другой аналитической техникой.
Совершенствование и развитие кондуктометрического метода активно ведётся как за границей, так и в России и связано с такими известными фирмами, как Hanna (Германия), WTW (Щвеция) и НПО «АльфаБассенс», ООО «Взор», НПП «Техноприбор», ООО «Сибпромприбор-аналит» и т.д.
За время существования кондуктометрии было написано множество книг, статей и диссертаций такими известными авторами, как Лопатин Б.А., Грилихес М.С, Бугров А.В., Первухин Б.С., Кулаков М.В., Шауб Ю.Б. и другими учёными.
Диссертационная работа посвящена разработке методов проектирования, созданию математических моделей, оптимизации бесконтактных трансформаторных кондуктометров и построению на этой основе микропроцессорного трансформаторного кондуктометра.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование микропроцессорного трансформаторного кондуктометра, работающего по принципу жидкостного витка с улучшенными метрологическими характеристиками.
Основные задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
– обзор состояния бесконтактной кондуктометрии и выбор перспективных структурных (базовых) схем трансформаторных кондуктометров;
– получение и исследование математических моделей статических характеристик (СХ) базовых схем трансформаторных кондуктометров, анализ активных и реактивных составляющих СХ;
– вывод математических моделей погрешностей рассмотренных структур и определение на их основе оптимальных параметров кондуктометра, обеспечивающих минимальную погрешность;
– разработка и создание на основе проведённых исследований микропроцессорного трансформаторного кондуктометра, работающего по принципу жидкостного витка, экспериментальное исследование его метрологических характеристик и внедрение в промышленность.
Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования, линейной алгебры и экспериментального исследования метрологических характеристик трансформаторных кондуктометров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– предложены и обоснованы перспективные структурные схемы трансформаторных кондуктометров и на их основе разработан микропроцессорный трансформаторный кондуктометр с улучшенными метрологическими характеристиками;
– получены математические модели СХ базовых структурных схем, проведён сравнительный анализ и выбраны, на основе разработанной методики, для дальнейшего исследования наиболее перспективные схемы бесконтактных трансформаторных кондуктометров;
– получены математические модели погрешностей представленных структур: абсолютная, относительная и среднеквадратическая (СКП);
– найдены оптимальные параметры математических моделей СХ, обеспечивающих минимальную погрешность во всём диапазоне измерений бесконтактного трансформаторного кондуктометра;
– на основе полученного критерия СКП разработана методика оптимального проектирования трансформаторных кондуктометров.
Практическая ценность работы. Полученные математические модели СХ и погрешностей могут быть использованы для проведения структурной и параметрической оптимизации кондуктометров, основанных на рассмотренных структурных схемах.
Предложен способ целенаправленного выбора оптимальных структур бесконтактных трансформаторных кондуктометров, заключающийся в рассмотрении конкурентоспособных структур, получении математических моделей СХ этих структур и дальнейшем их сравнительном анализе. Разработана методика оптимального проектирования бесконтактных трансформаторных кондуктометров на основе критерия минимального значения СКП с дальнейшей параметрической оптимизацией.
На основе этого подхода и с использование разработанных математических моделей в ООО «Сибпромприбор-аналит» при участии автора создан бесконтактный трансформаторный кондуктометр КС1М3К с улучшенными метрологическими характеристиками.
В учебно-методическом плане материалы диссертации используются в методическом указании «Расчёт измерительных каналов микропроцессорного кондуктометрического анализатора жидкости серии КС–1М», и внедрены в учебный процесс для студентов, обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», о чём в диссертации имеются соответствующие акты.
Результаты проведённой работы могут быть использованы предприятиями и организациями, ведущие разработки аналитических приборов для экологического мониторинга водных сред, а также для нефтяной, газовой, химической, фармацевтической и других отраслей промышленности, в частности НПП “Техноприбор”, ООО “Взор”, ООО “Аналитик” и д.р.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на межинститутской н. конф. (Москва 2006), XIX межд. н. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (Ростов-на-Дону 2006), IV межд. н.-практ. конф. «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (Москва 2007), межд. н.-практ. конф. «Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке» (Шымкент 2008), н. конф. студентов и молодых учёных МГУИЭ (Москва 2009).
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 167 страниц, в том числе 62 рисунка и 9 таблиц. Список литературы включает в себя 104 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы и практическая значимость работы, приведены цель и задачи, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, а также результаты реализации и апробации.
В первой главе проведён анализ работ и состояние современной кондуктометрии, показана значимость данного метода для различных отраслей промышленности, научных исследований и охраны окружающей среды. Рассмотрены контактные, бесконтактные первичные измерительные преобразователи (ПИП) и измерительные схемы, используемые при кондуктометрическом методе анализа, отмечены их отличительные особенности, достоинства и недостатки. Определены наиболее перспективные области применения кондуктометров и тенденции их дальнейшего развития.
Во второй главе проведён обзор существующих схем бесконтактных трансформаторных кондуктометров, из которого следует, что почти всё многообразие схем, реализующих данный метод, сводится к схемам непосредственной оценки и компенсационным (рис. 1): L1 – индуктивность обмотки первого трансформатора; L2 и L3 – индуктивность жидкостного витка на первом трансформаторе; L4 – индуктивность выходной обмотки второго трансформатора; zp – импеданс анализируемой жидкости, имеющей активную Rx и реактивную Х составляющие; Rs – измерительный резистор с известным сопротивлением; Сp – ёмкость жидкостного витка; M1,2, M1,5, M2,5, M3,4, M3,5, M3,6, M4,5, M4,6, взаимоиндуктивность между индуктивностями L1 и L2, L1 и L5, L2 и L5, L3 и L4, L3 и L5, L3 и L6, L4 и L5, L4 и L6; ПР – преобразователь сигнала.
Используя основные методы теоретической электротехники, были получены СХ базовых структурных схем трансформаторных кондуктометров (см. табл. 1). При этом были приняты следующие обозначения: – УЭП анализируемой жидкости; A – постоянная ячейки; Uг – напряжение в первичной обмотке первого трансформатора; – частота напряжения питания; I1, I4, I5 – токи в обмотках трансформатора; Ix – ток в жидкостном витке; Iн, Rн – ток и сопротивление нагрузки выходной обмотки второго трансформатора; R1, R2, R3 – сопротивления в соответствующих обмотках многообмоточного трансформатора; Lx = L1 + L2 – индуктивность жидкостного витка; Uвых, Iвых – выходные значения напряжения и тока, снимаемые с обмотки многообмоточного трансформатора; k – коэффициент передачи компенсирующего устройства.
На рис. 3 представлены СХ трансформаторных кондуктометров.
Исходя из полученных математических моделей кондуктометров можно сделать следующие выводы:
однотрансформаторные схемы с прямым методом измерения (рис. 1 а, б) из-за своей простоты и надёжности желательно использовать в качестве датчиков-сигнализаторов. Из графика СХ (рис. 3 а) видно, что диапазон измерений, в котором СХ прибора линейна, небольшой и составляет от 0,1 до 10 См/м;
двухтрансформаторные кондуктометры (рис. 1 в, г) могут применяться в
более широком диапазоне измерений от 0,1 до 100 См/м. Однако, линейно-
стью обладает реактивная составляющая по напряжению и активная составляющая по току. При более подробном анализе математической модели желательно использовать активную составляющую по току (рис. 3 б), так как при этом отсутствует зависимость от частоты напряжения питания.
многообмоточные трансформаторные схемы (рис. 1 д з) получили наибольшее распространение при создании микропроцессорных трансформаторных кондуктометров, так как при компенсационном методе измерения их
СХ линейны, как для тока, так и для напряжения. Схемы, представленные на
рис. 1 е, з, не имеют зависимости чувствительности в точке равновесия от
Рис. 1. Базовые структурные схемы трансформаторных кондуктометров
Таблица 1
Математические модели СХ базовых структурных схем
бесконтактных трансформаторных кондуктометров
| Схема | Математическая модель статической характеристики |
| Рис. 1 а |  |
| Рис. 1 б |  |
| Рис. 1 в |  |
| Рис. 1 г |  |
| Рис. 1 д |   |
| Рис. 1 е |   |
| Рис. 1 ж |   |
| Рис. 1 з |   |
частоты напряжения питания, и являются более предпочтительными в отличие от схем, приведённых на рис. 1 д, ж, которые требуют введения дополнительных устройств для определения разбаланса. СХ для активной составляющей многообмоточного кондуктометра представлена на рис. 3 б.
В третьей главе для всех базовых структур (рис. 1) построены математические модели чувствительностей, абсолютной погрешности, относительной погрешности и СКП, которые представлены в табл. 2.
Исходя из анализа чувствительности и СКП трансформаторных кондуктометров, можно сделать следующие выводы:
у однотрансформаторных схем кондуктометров с прямым методом измерения (рис. 1 а, б), у которых измерительная обмотка является одновременно и питающей, чувствительность по диапазону измерений непостоянна (рис. 4 а), а погрешность измерения значительно выше (рис. 5 а) из-за создаваемых наводок, нестабильности напряжения питании и т.д., что не позволяет использовать данные схемы для проведения точных измерений УЭП с основной приведённой погрешностью менее 10 %. Кроме того, погрешность не постоянна по диапазону измерений, поэтому при создании прибора необходимо знать конкретные требования заказчика;
двухтрансформаторные кондуктометры (рис. 1 в, г), связаны между собой через анализируемый раствор. Подобные схемы избавлены от наводок и дополнительных погрешностей, характерных для однотрансформаторных кондуктометров, однако из всех схем наилучшей чувствительностью обладает схема, у которой измерение проводится по активной составляющей математической модели, а информативным параметром является ток (рис. 4 б), либо реактивная составляющая напряжения. Прямые методы измерения не позволяют достичь погрешности менее 10 %, однако в отличие от однотрансформаторных погрешность измерения линейна и постоянно возрастает во всём диапазоне измерений (рис. 5 б);
многообмоточные трансформаторные кондуктометры, использующие компенсационный метод измерения, показывают наилучшие характеристики: постоянную чувствительность по всему диапазону измерений (рис. 4 б) и линейную зависимость СКП от УЭП (рис. 5 б) с погрешностью измерения менее 2 % по всему диапазону измерений.
Из проведённых исследований следует, что из всех рассмотренных схем наилучшей по критерию минимальной погрешности и линейности СХ, является схема многообмоточного трансформаторного кондуктометра с информативным параметром по току. Именно эта схема была использована при создании кондуктометрического анализатора КС1М3К.
Проведённая параметрическая оптимизация базовых структур трансформаторных кондуктометров, позволила достичь погрешности измерения не превышающей ±2,0 % во всём диапазоне измерений прибора.
На кондуктометрической установке (рис. 2), экспериментально проверены математические модели разрабо-
| Рис. 2. Внешний вид экспериментальной установки |
танных схем и доказана их адекватность.
Разработана методика оптимального проектирования трансформаторных кондуктометров, алгоритм которой представлен на рис. 7.
В четвёртой главе приведены технические характеристики и конструкция разработанного бесконтактного микропроцессорного трансформаторного кондуктометра КС1М3К, результаты экспериментальной проверки их
Таблица 2
Модели погрешностей СХ базовых структурных схем бесконтактных трансформаторных кондуктометров
| Рис. 1 а (для активной составляющей) |
  |
| Рис. 1 а (для реактивной составляющей) |
  |
| Рис. 1 б (для активной составляющей) |
  |
| Рис. 1 б (для реактивной составляющей) |
  |
| Рис. 1 в (для активной составляющей) |
  |
| Рис. 1 в (для реактивной составляющей) |
  |
| Рис. 1 г (для активной составляющей) |
  |
| Рис. 1 г (для реактивной составляющей) |
  |
| Рис. 1 д (для активной и реактивной составляющих) |
  |
| Рис. 1 е (для активной и реактивной составляющих) |
  |
| Рис. 1 ж (для активной и реактивной составляющих) |
  |
| Рис. 1 з (для активной и реактивной составляющих) |
  |
Рис. 3. СХ кондуктометра для активной составляющей: по напряжению для однотрансформаторного кондуктометра (а); по току (б): 1 двухтрансформаторного кондуктометра; 2 многообмоточного кондуктометра
Рис. 4. Чувствительность кондуктометра: по активной составляющей
однотрансформаторного кондуктометра по напряжению (а); зависимость (б): 1 активной составляющей двухтрансформаторного кондуктометра по току; 2 реактивной составляющей многообмоточного трансформаторного кондуктометра по напряжению
Рис. 5. Зависимость СКП кондуктометра от УЭП:
(а) для активной составляющей однотрансформаторного кондуктометра по напряжению (б) для: 1 реактивной составляющей двухтрансформаторного кондуктометра по току; 2 реактивной составляющей многообмоточного трансформаторного кондуктометра по напряжению
метрологических характеристик. Описаны методы и средства определения этих характеристик, в том числе образцовая поверочная установка КПУ1,
на которой проводились эксперименты по определению погрешностей кондуктометрического прибора КС1М3К. Полученные результаты подтвердили адекватность разработанных математических моделей.
Внешний вид разработанного бесконтактного трансформаторного кондуктометра КС1М3К представлен на рис. 6 а, а структурная схема измерительного преобразователя рис. 6 б.
Кондуктометр выполняет следующие функции:
измеряет УЭП анализируемой жидкости при действующей температуре (без термокомпенсации) в диапазоне измерений от 0,1 до 100 См/м;
измеряет УЭП анализируемой жидкости с термокомпенсацией, т.е. приводит УЭП анализируемой жидкости к заданной температуре;
измеряет температуру анализируемой среды в диапазоне от 0 до 100 oС;
имеет функцию сигнализации при превышении заданного значения температуры или УЭП;
определяет температурные коэффициенты УЭП анализируемой жидкости;
Рис. 6. Кондуктометр КС1М3К: а внешний вид ПИП и программируемого блока; б структурная
схема: 1 генератор; 2 – преобразователь; 3 – формирователь синхронизирующего напряжения;
4 усилитель напряжения; 5 –делитель напряжения; 6 компаратор токов; 7 коммутатор;
8 – синхронный детектор; 9 микропроцессор; 10 формирователь аналогового выходного сигнала;
11 коммутатор; 12 микропроцессор; 13 – клавиатура и индикация; 14 формирователь сигналов
интерфейса; R1, R2, R3, R4 – резисторы; Rt – ПИП температуры; R – сопротивление жидкостного витка
Рис. 7. Блок-схема алгоритма оптимального проектирования
трансформаторных кондуктометров
прибор имеет цифровой интерфейс передачи данных RS 232 или RS 485.
Экспериментальное определение метрологических характеристик разработанного кондуктометра показало, что предел допускаемой основной приведённой погрешности УЭП не превышает ±2,0 %.
Кондуктометр КС1М3К прошёл государственную метрологическую аттестацию, производственные испытания, занесён в Государственный реестр под номером 210651, и выпускается в различных модификациях серийно.
В заключении диссертации сформулированы основные научные положения и результаты диссертационной работы:
1. Получены математические модели СХ базовых структурных схем трансформаторных кондуктометров.
2. На основе анализа полученных СХ показано, что наиболее перспективными для реализации являются трансформаторные кондуктометры, основанные на компенсационных методах, использование которых даёт постоянную чувствительность.
3. Получены математические модели погрешностей базовых структур
трансформаторных кондуктометров.
4. Доказана эффективность использования критерия СКП при проектировании трансформаторных кондуктометров и на основе этого критерия выбрана схема для реализации.
5. Проведена структурная и параметрическая оптимизация схем многообмоточных трансформаторных кондуктометров.
6. Разработана методика оптимального проектирования трансформаторных кондуктометров.
7. Создан бесконтактный микропроцессорный трансформаторный кондуктометр КС1М3К, позволяющий измерять УЭП в диапазоне от 0,1 до 100 См/м с пределом основной приведённой погрешности ±2,0 %.
Список опубликованных работ по теме диссертации. Результаты диссертации изложены в работах:
1. Латышенко К.П., Первухин Б.С., Фатеев Д.Е. Моделирование трансформаторных кондуктометров, основанных на методе прямого измерения //Приборы, 2009, № 6 (108). – с. 38 – 42.
2. Латышенко К.П., Первухин Б.С., Фатеев Д.Е. Моделирование многообмоточных трансформаторных кондуктометров //Приборы, 2010, № 1 (115). – с. 49 – 53.
3. Фатеев Д.Е., Латышенко К.П. Совершенствование водно-химического режима тепловых электростанций// Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: Труды IV межд. н.-практ. конф. – М.: МГУИЭ, 2007. – с. 100 – 101.
4. Фатеев Д.Е., Латышенко К.П. Разработка математических моделей трансформаторных кондуктометров// Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке: Труды межд. н.-практ. конф. – Том 4. – Шымкент.: ЮКГУ им. М. Ауезова, 2008. – с. 296 – 297.
5. Фатеев Д.Е., Латышенко К.П. Математическое моделирование трансформаторных кондуктометров// Н. конф. МГУИЭ: Тез. докл.. – М.: МГУИЭ, 2009. – с. 90 – 91.
6. Фатеев Д.Е. Применение ближней инфракрасной спектроскопии для определения фальсификата в сухом обезжиренном молоке// Тез. докл. – М.: МГУИЭ, 2006. – с. 26.
7. Фатеев Д.Е. Автоматизация процесса определения фальсификата в молочной продукции// Математические методы в технике и технологиях: XIX межд. н. конф. – Том 11. – Ростов-на-Дону, 2006. – с. 181 – 182.
8. Гайтова Т.Б., Первухин Б.С., Фатеев Д.Е. Расчёт измерительных каналов микропроцессорного кондуктометрического анализатора жидкости серии КС–1М. – М.: МГУИЭ, 2009. – 28 с.
