Главная » 2014 » Август » 27 » Скачать Автоматический диэлькометрический анализатор жидких смесей с изменяющейся проводимостью. Бородкин, Дмитрий Константинович бесплатно
09:35
Скачать Автоматический диэлькометрический анализатор жидких смесей с изменяющейся проводимостью. Бородкин, Дмитрий Константинович бесплатно
Автоматический диэлькометрический анализатор жидких смесей с изменяющейся проводимостью
Диссертация
Автор: Бородкин, Дмитрий Константинович
Название: Автоматический диэлькометрический анализатор жидких смесей с изменяющейся проводимостью
Справка: Бородкин, Дмитрий Константинович. Автоматический диэлькометрический анализатор жидких смесей с изменяющейся проводимостью : диссертация кандидата технических наук : 05.13.06 Ангарск, 2003 210 c. : 61 04-5/1033-1
Объем: 210 стр.
Информация: Ангарск, 2003
Содержание:
Список сокращений
Введение
Глава 1 Выбор метода измерения диэлькометрического анализатора жидкостей с большими потерями
11 Общая классификация методов 2 Схемные решения
121 Схемы, реагирующие на комплексную проводимость
122 Мостовые схемы
123 Резонансные схемы
13 Математические модели диэлектрической проницаемости смесей
14 Конструкции промышленных емкостных датчиков
15 Выводы
Глава 2 Исследование метода измерения Уменьшение влияния проводимости, ограниченной чувствительности, температуры
21 Классификация и сравнительный анализ структурных схем промышленных диэлькометрических анализаторов жидкостей
22 Анализ влияния паразитных параметров и импеданса контактов коммутатора в анализаторах с периодическим вводом при традиционной схеме ПКК
23 Минимизация влияния ограниченной чувствительности системы настройки ПКК
231 Принцип работы анализатора с повышенной точностью определения емкости резонанса
232 Вывод номинальной статической характеристики анализаф тора по проводимости
233 Анализ погрешности аппроксимации и выбор номинальной статической характеристики по проводимости
234 Методика калибровки анализатора по проводимости
235 Особенности номинальной статической характеристики анализатора с «малой» модулирующей емкостью
236 Анализ погрешности измерения проводимости
24Исследование нового схемотехнического решения, минимизирующего влияние импеданса коммутирующих контактов
241 Схема измерительного контура, минимизирующая влияние импеданса коммутирующих контактов 242 Анализ влияния активной составляющей импеданса контактов реле, подключающих новый ПКК к генератору
243 Анализ влияния шунтирования заземляющих контактов реле емкостью и проводимостью датчика
25 Анализ и учет температурной погрешности
26 Выводы
Глава 3 Экспериментальные исследования составляющих импеданса контактов реле в диапазоне 0,1+10 МГц и влияния проводимости на погрешность измерения емкости
31 Экспериментальные исследования составляющих импеданса контактов реле в диапазоне 0,1+10 МГц
311 Методика и установки
312 Результаты
313 Рекомендации по выбору типа реле
32 Экспериментальные исследования влияния проводимости на погрешность измерения емкости
33 Выводы
Глава 4 Функциональная схема и основные узлы диэлькометрического анализатора
41 Структурная схема и алгоритм функционирования анализатора
42 Модулятор и фазочувствительный пороговый детектор
421 Исключение влияния переходных процессов в ПКК
422 Принципиальная схема ФПД и модулятора
43 Рекомендации по выбору типа варикапов для диэлькометрических 4 анализаторов Методика расчета диапазонов перестройки и количества компенсирующих и модулирующих варикапов в измерительном контуре
431 Функции варикапов в диэлькометрических анализаторах
432 Требования к варикапам, используемым для согласованного изменения ёмкости в измерительном контуре и в контуре отсчетного генератора
433 Рекомендации по выбору типа варикапов для диэлькометрических анализаторов
434 Методика расчета диапазонов перестройки и количества компенсирующих и модулирующих варикапов в измерительном контуре
44 Основные расчетные формулы
45 Перечень формул рекомендуемых для оценки составляющих погрешностей диэлькометрического анализатора
46 Выводы
Введение:
Актуальность работы
Многие области химических производств (в частности нефтегазовая) нуждаются в современных приборах измерений, которые, с одной стороны, обеспечивают проведение быстрых и надежных серийных анализов на лабораторном уровне, а с другой стороны, будучи включенными в производственный процесс, выдают электрический сигнал, характеризующий качественный и количественный состав вырабатываемого продукта. Этот сигнал используется для дальнейшего регулирования, управления или автоматизации процесса.
Преимущества приборов, основанных на диэлькометрическом методе, при решении данных задач объясняется тем, что они одинаково удовлетворяют указанным требованиям и на лабораторном уровне и на уровне контроля над производством, а также обладают высокими надежностными и метрологическими характеристиками при относительно невысокой стоимости.
Ангарским ОКБА в период с 1976 по 1988 г.г. было выпущено 130 промышленных диэлькометрических анализаторов (ДА) состава жидких смесей «ДК-1», «ДК-1М», «ДК-2».
Приборы предназначены для измерения для измерения концентрации широкого класса жидких продуктов химических производств, контроля содержания различных примесей в чистых средах, организации контуров автоматического управления технологическими процессами. Приборы были внедрены на различных предприятиях, в частности:
• НПО «Полимерсинтез»,
• ВНИИСС (Всесоюзный научно-исследовательский институт синтетических смол),
• ПО «Оргсинтез»,
• «Надымгазпром»,
• ПО «Каустик».
Основное применение данных концентратомеров - получение непрерывной измерительной информации о качестве технологических процессов, оптимизации этих процессов на предприятиях по производству синтетических смол, спиртов, анилиновых красителей, продуктов нефтепереработки.
В качестве примера в приложении А {табл. А) приведен перечень измерительных задач ВНИИСС.
Важной измерительной задачей является контроль влагосодержания в диэти-ленгликоле (ДЭГ) в диапазоне от 0 до 0,4 % при его регенерации. Это позволяет достичь максимальной экономии этого достаточно дорогого абсорбента, применяемого при осушке природного и попутного нефтяного газа.
К сожалению, неисключенная составляющая погрешности, обусловленная проводимостью, шунтирующей датчик, у перечисленных анализаторов не позволяет их применять как для измерения влажности ДЭГа в указанном диапазоне, так и для проведения анализа других смесей с малой концентрацией (до 1 %) контролируемой компоненты при больших (порядка 1 мСм) проводимостях.
Например, при измерении серийным анализатором «ДК-2» концентрации воды в ДЭГе в диапазоне от 0 до 0,4 % соответствующая дополнительная погрешность может составлять 30 %+40 % от диапазона измерения, так как эквивалентная шунтирующая датчик проводимость при этом может достигать 1,25 мСм.
В связи с этим представляется целесообразным модернизация существующих диэлькометрических анализаторов.
Целью диссертации является теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение, предлагаемых технические решения, позволяющие создать во взры-вобезопасном исполнении анализатор состава жидких смесей с малой концентрацией контролируемой компоненты и большой неконтролируемой проводимостью на основе модифицированного диэлькометрического метода.
Обзор методов измерения диэлектрических характеристик, сделанный в первой главе, показал, что всем существующим на данный момент методам присущи недостатки, которые можно обобщить и выделить в несколько групп:
• Сложность конструкции (наличие механических связей, трансформаторов с отводами от средней точки и так далее).
• Затруднено выполнение измерений в автоматическом режиме, управление требует вмешательства человека.
• Невозможность измерений влажности жидкостей с высоким уровнем активных потерь.
• Недостаточная точность измерений.
• Сложность создания анализатора в промышленном взрывобезопасном исполнении.
Наиболее перспективными являются анализаторы с параметрической модуляцией измерительного резонансного контура, среди которых следует отметить приборы с емкостной модуляцией. Принцип их действия лег в основу разработанного метода измерений влажности жидких продуктов с большой и изменяющейся проводимостью. Этот метод теоретически (при условии, что нет ограничений по чувствительности системы настройки) свободен от влияния проводимости.
Один из разделов посвящен кратким теоретическим сведениям о математических моделях ДП смесей, необходимых для определения номинальной статической характеристики диэлькометрического анализатора. Дан краткий обзор формул смешения и областей их применения.
Вторая глава посвящена анализу и учету влияния проводимости и уменьшению влияния ограниченной чувствительности системы настройки и температуры. В разделе 2.1 приводится классификация и сравнительный анализ структурных схем промышленных ДА жидкостей.
Проанализированы недостатки серийных диэлькометров «ДК-1М» и «ДК-2». Общим недостатком структурных схем этих анализаторов является наличие конденсаторов переменной емкости с электромеханической системой настройки, что снижает надежность и ухудшает массогабаритные характеристики.
Для устранения этих недостатков предложена усовершенствованная структурная схема анализатора с одним конденсатором переменной емкости, в качестве которого использованы варикапы во встречно-последовательном включении.
В разделе 2.2 приводится анализ влияния паразитных параметров и импеданса контактов коммутатора в анализаторах с периодическим вводом при традиционной схеме ПКК.
Показано, что одним из источников погрешности, препятствующим использованию указанных анализаторов для контроля малых изменений концентрации проводящих жидкостей, являются переходные сопротивления контактов реле, коммутирующих в измерительный контур рабочий и опорный датчики.
Для оценки данной составляющей погрешности получено достаточно простое аналитическое выражение. Минимизация данной составляющей погрешности может быть достигнута тремя путями: введением поправки в соответствии с полученным выражением, для чего необходимо наличие в анализаторе дополнительного канала измерения проводимости. использованием для коммутации реле с малым импедансом контактов.
• разработкой новой схемы коммутации датчиков в контур.
В разделе 2.3 описана минимизация влияния ограниченной чувствительности системы настройки измерительного контура в резонанс.
Всем ДА с настраиваемым в резонанс измерительным контуром присущ общий недостаток: в них не исключается погрешность, обусловленная остаточной расстройкой контура. Величина остаточной расстройки, а значит и погрешности зависит от добротности измерительного контура, которая в свою очередь зависит от диэлектрических потерь в исследуемом веществе.
Для минимизации составляющей погрешности, обусловленной ограниченной чувствительностью системы настройки при больших проводимостях анализируемой смеси, предложено использовать «маятниковый» (автоколебательный) способ настройки измерительного контура с использованием синхронного порогового детектора для переключения направления настройки контура.
Данный способ настройки позволяет без аппаратных усложнений определять проводимость анализируемой смеси по ширине резонансной характеристики, измеренной либо на уровне заданной крутизны, либо на уровне заданного порога срабатывания детектора. Для каждого из этих случаев установлены аналитические зависимости соответствующей емкостной ширины резонансной характеристики от шунтирующей датчик проводимости.
Раздел 2.4 посвящен новой схеме коммутации датчиков в контур, позволяющей в 20+30 уменьшить влияние переходного сопротивления коммутирующих контактов.
Главное отличие новой схемы контура состоит в том, что емкостные датчики, рабочий Ср и опорный Соп, постоянно подключены к противоположным полюсам катушки индуктивности ПКК, которые в противофазном режиме подключаются к выходу генератора (сопротивлению связи) и к общему проводу с помощью реле.
Следует отметить, что создание новой схемы контура стало возможным благодаря тому, что варикап является симметричным конденсатором, то есть значение его емкости не зависит от способа подключения.
В разделе 2.5 проведен анализ и учет температурной погрешности.
Изменение температуры анализируемой среды является одним из важнейших факторов, порождающих погрешность ДА. С изменением температуры изменяется ДП вещества, поэтому емкость датчика оказывается зависящей не только от концентрации контролируемой компоненты, но и от колебаний температуры.
В общем случае с целью уменьшения температурной погрешности в схему вводится опорный датчик, заполняемый анализируемой смесью с известной концентрацией контролируемой компоненты. Конструктивно датчики должны быть выполнены так, чтобы обеспечивался хороший теплообмен между их содержимым. Например, контролируемое вещество протекает через рубашку опорного датчика. Такое решение позволяет практически полностью исключить температурную погрешность в одной точке диапазона контролируемых концентраций, где концентрации компонентов в опорном и рабочем датчике равны, так как в этом случае температурные коэффициенты содержимого обоих датчиков равны. В остальных точках диапазона температурная погрешность исключается лишь частично.
Разработанная методика позволяет для малых диапазонов измеряемых концентраций получать модели температурно-концентрационных зависимостей диэлектрических постоянных с целью компенсации остаточной температурной погрешности.
В разделе 3.1 третьей главы описаны методика и схемы установок для определения составляющих импеданса контактов реле, даны соответствующие расчетные формулы, приводятся результаты экспериментальных исследований и даны рекомендации по выбору типа реле для высокочастотных диэлькометрических анализаторов.
В разделе 3.2 описаны методика и схема установки для определения влияния проводимости на точность измерения емкости, приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающие как адекватность полученного аналитического выражения, так и корректность разработанных методик по определению составляющих импеданса контактов реле.
Четвертая глава посвящена функциональной схеме анализатора и рекомендуемым схемам основных узлов прибора. Даны рекомендации по выбору микроконтроллера и типа варикапов для высокочастотных диэлькометрических анализаторов.
Приводятся функциональная и принципиальная схемы фазочувствительного порогового детектора, в котором исключено влияние переходных процессов, обусловленных параметрической модуляцией, и влияние фазовых сдвигов; основные расчетные формулы для определения состава смеси, проводимости и поправок, компенсирующих влияние проводимости и температуры; методика расчета диапазонов перестройки и количества компенсирующих и модулирующих варикапов в измерительном контуре.
В заключении приводятся основные выводы в целом по диссертационной работе. В приложениях приводятся необходимые справочные данные, принципиальные схемы, блок-схемы.
