CC BY
48
ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 544.6.076;556.5.01; 577.356 ББК 24.57; 28.08 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРОВОДИМОСТИ ВОДНОГО РАСТВОРА, СОДЕРЖАЩЕГО МНОГОКОМПОНЕНТНУЮ СМЕСЬ
А.П. Матвеенко1, А.Г. Лепеш2
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики, 192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, дом 55/1
Разработан способ измерения активной составляющей проводимости водного раствора, содержащего многокомпонентную смесь ионов тяжелых металлов, выбрана схема высокочастотного 2Т-образного мостового информационно-измерительного преобразователя. Разработана методика выбора средств аналитического (инструментального) контроля производственных процессов по косвенным параметрам.
Ключевые слова: электропроводность, электрохимическая Ь-ячейка, управление технологическими процессами.
Для измерения ВЧ-электропро-водности традиционно применяют мостовые измерительные схемы с калибровкой по величине подстроечных элементов в плечах уравновешивания [1]. Пример измерения ВЧ-электропровод-ности электрохимической Ь-ячейки, заполненной коллоидным ассоциатом нитропиридона (предшественника витамина В6) при управлении технологическими процессами очистки воды с применением блока индуктивного мостового преобразователя приведен в [2].
Проведены специальные эксперименты, которые показали (рис. 1,2), что в области частот 1§/= 3,3...3,5 КГц наблюдается сдвиг максимума поглощения внешнего поля, что характеризует изменение емкостной составляющей Ь-ячейки, зависящей от концентрации дисперсной взвеси коллоидного ассо-циата. При этом для контроля концентрации протогенного электролитического раствора, определяющего потери энергии внешнего поля (понижение добротности колебательного ВЧ-конту-ра), предпочтительно применять частоты 1^ = 3,8.. .3,9 КГц.
Рис. 1 — Функции электропроводности Ь-ячейки по стадиям реакции нитрирования коллоидного ассоциата нитропири-дона в смеси уксусного ангидрида и уксусной кислоты К1 =1,6 и К2 = 2,0 моль/моль.
Известно, что потери в резонансных колебательных контурах с емкостными Ь-ячейками преимущественно зависят от концентрации переменных (тяжелых) металлов. Частотные характеристики проводимости Ь-ячеек показывают уменьшение постоянной составляющей электропроводности электролитов. Это предопределяет возможность ВЧ-осциллометрии для определения концентрации переменных метал-
лов по активным потерям в двойном электрическом поле (ДЭС), окружающем заряженные частицы. С ростом частоты внешнего поля определяются сольватированные катионы в диапазоне от лития до радионуклидов [1,5].
Рис. 2 — Частотно-фазовые и Амплитудно-частотные характеристики Ь-ячеек, заполненных реакционной массой на стадии реакции К1=1,6 и К2=2,0 моль/моль.
При разработке способа измерения активной составляющей проводимости водного раствора, содержащего многокомпонентную смесь ионов тяжелых металлов, выбрана схема высокочастотного 2Т-образного мостового информационно-измерительного преобразователя. При этом осциллометрия колебательных спектров проводимости ионов при частоте ЭМ поля 10 - 90 МГц селективно обеспечивает анализ проводимости ионов, имеющих различные величины массы атомного ядра.
Для системы контроля химикотехнологического процесса по составу реакционной смеси, исследованы способы увеличения разрешающей способности канала информации путем согласования параметров осциллирующего поля в двухэлектродном датчике проводимости с электрофизическими свойствами анализируемой массы. Исследование проводимости электродной Ь-ячейки проведены по амплитудно-
частотным и фазо-частотным характеристикам в зоне частот (0,1-32) МГц и плотностей рабочего тока I =(40-0,04) мА/мм . Максимальная разрешающая способность прибора получена при частоте /і=7,75 МГц и плотности тока I =0,6 мкА/см2 в зоне резонанса токов проводимости реакционной массы, а также при частотах /2 = 11,4 и при /3 = 17,2 МГц в зоне резонанса напряжений.
С целью упрощения передаточных и усилительных блоков, разработана 2Т-образная схема моста, обеспечивающая выходной сигнал по активной составляющей Ь-ячейки датчика (рис.
3).
Рис. 3— Схема 2Т-образного моста с Ь-ячейкой.
Расчет электроповодности Ях электрохимической Ь -ячейки производится по формуле:
Я = -
Я
с.
(1)
где:
питания; Л1, С5
® - круговая частота источника !6- активное сопротивление, емкость и индуктивность плеча измерительного моста соответственно. При этом обеспечивается раздельное уравновешивание путем регулирования емкости конденсаторов в диагонали и в выходном плече моста.
Метрологическая оценка разработанного канала информации дана с учетом энтропии контролируемого параметра. В качестве критерия технической минимизации средств контроля химико-технологических процессов по косвенным параметрам, использовано информационное к.п.д. преобразователя
1
Устройство для измерения активной составляющей проводимости водного раствора,
содержащего многокомпонентную смесь
П, выражающее относительную потерю количества информации, обусловленную дисперсией контролируемого параметра:
1%1ЧРп + Рк)]
!§( 4 Вк ) ,
где: Б„ - дисперсия преобразователя; Бк - дисперсия параметра.
При контроле химико-технологических процессов по составу реакционной массы обычно используются методы аналитической кондуктометрии, позволяющие измерять проводимость электрических ячеек, заполненных анализируемой жидкостью [1].
Измерения активной и емкостной составляющих импеданса электродной 2-ячейки (рис. 1) на частоте 0,1 МГц по стадиям реакции нитрирования пиридо-на в уксусном ангидриде К=(0-2,2) моль кислоты
--------------- показали, что электромоль пиридина
форезная подвижность исследуемой суспензии обладает хорошей разрешающей способностью к изменению состава дисперсной фазы [2] пиридон-нитропиридон при К=1,4-1,8 (рис.1).
В завершающей стадии технологического процесса получения нитропи-ридона при накоплении регламентного избытка нитрирующей кислоты происходит резкое снижение чувствительности осциллирующего поля в исследуемой 2-ячейке, что обусловлено снижением электрофорезной подвижности дисперсий в результате увеличения толщины ДЭС, приводящего к увеличению эффекта структурирования дисперсной системы во внешнем поле [3].
Путем сравнения амплитудночастотных и фазо-частотных характеристик 2-ячейки, снятых на стадиях реакции К=1,6 и К=2,0 (рис. 2), определена резонансная частота токов проводимости, обусловленных взаимодействием магнитных моментов ионных ассоциа-тов с диэлектрическими адсорбционными комплексами у полярных групп дисперсий пиридона. При этом на частоте резонанса ./=7,75 МГц разрешающая
способность проводимости 2-ячейки
„ .. ГГ1 мкв
а=157----------- при плотности рабоче-
0,01 моль
го тока I = 0,25.25 мкА/см и константе 2-ячейки А=0,008 см-1.
Из полученных результатов следует, что для автоматического ВЧ-кондуктометрического анализа с биполярным выходным сигналом первичного преобразователя наиболее приемлемы 2Т-образные мосты, высокая помехоустойчивость которых обусловлена общим заземлением двухполюсников источника питания и индикатора разбаланса. При этом Ь-ячейки датчиков включаются в выходные плечи моста, что обеспечивает заземление наружных экранирующих электродов (рис.4).
Рис. 4 — Устройство Ь-ячейки датчика электропроводности
Путем сравнительного анализа уравнений резонансного уравновешивания 2Т-образного преобразователя [4] для различных комбинаций активных, реактивных и комплексных сопротивлений плеч и диагонали моста, построена измерительная схема (рис.3) с системой уравновешивания. При введении ряда ограничений на отдельные номиналы схемы и допущений на погрешности раздельного уравновешивания, получена упрощенная система уравновешивания:
1 - Штуцеры для проточной подачи контролируемого водного раствора
2 - Экранирующих корпус датчика электропроводности 3,4 - Коаксиальные электроды электрохимической 1-ячейки
5 - Экранируемые разъёмы электроизмерительной схемы датчика.
R . =
я
С и2/
L 5 ^6
ю 2Ь =
я
с4 r, + r2
(2)
с раздельным уравновешиванием по реактивной составляющей - конденсатором С5, по активной - конденсатором С4. Биполярный разбаланс выходного сигнала обратно пропорционален активной составляющей (±АЯХ) импеданса 2-ячейки.
Погрешность канала информации [5] определена по результатам модельных экспериментов в условиях лабораторного реактора путем поочередного введения граничных возмущений на режимы реакции, на дозировку компонентов реакционной смеси и на установки элементов уравновешивания при замене датчика на эквивалентную электросхему замещения. Получены статические характеристики [6] распределения погрешностей и рассчитана дисперсия канала информации Dn=3,35 10- , состоящая в первом приближении из дисперсии измерительного преобразователя Dn=1,38 10- и дисперсии контро-3
лируемого параметра Dk=1.97 10- .
Модуль точности канала 1^=0,075 рассчитан на условия нормального распределения погрешностей
/ Ж
1/----— . Сравнение энтропийных ха-
/й 0,707
рактеристик общего количества получаемой информации с количеством информации, содержащейся в контролируемом параметре:
определяет информационное к.п.д. (г| = 0,92) разработанного преобразователя, что является критерием технической минимизации применяемых средств автоматизации в соответствии с информационной энтропией контролируемого объекта.
Предлагаемая методика оптимизации разрешающей способности канала информации в сочетании со сравнительными характеристиками потерь информации в объекте контроля и в измерительном преобразователе рекомендуется при выборе или разработке средств аналитического (инструментального) контроля производственных процессов по косвенным параметрам.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Лопатин Б.А. Кондуктометрия. АН СССР, Новосибирск, 1964 г.
2. Злочевская Р.И., Зиангиров Р.С., Сергеев Е.М., Рыбачук А.Н. Исследование свойств связанной воды и двойного электрического слоя системы “глина-раствор”. В кн. Связанная вода в дисперсных системах. Изд. МГУ, 1970 г.
3. Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры. АН СССР, Москва, 1972 г.
4. Нестеренко А.А. Основы расчета электроизмерительных схем уравновешивания. АН УССР, Киев, 1960 г.
5. Новицкий П.В. Использование кибернетических понятий в теории электроизмерительных устройств. “Измерительная техника”, № 1, 1962 г.
6. Новицкий П. В. Понятие энтропийного значения погрешности. «Измерительная техника», 1966, №1.
1
1
1 Матвенко Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовой техники». Тел.: +7 911 1443927, Е-mail: a/matveenko@bk.rn
2 Лепеш Алексей Григорьевич, ассистент кафедры «Сервиса торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ, тел: (812)362-33-27, Email:gregoryl@yandex.ru
