Аппаратно-программный комплекс для непрерывного контроля влажности органических жидкостей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Мазур, Владимир Геннадьевич

• Мазур, Владимир Геннадьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Мазур, Владимир Геннадьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 Постановка проблемы контроля влажности органических жидкостей в

АСУТП

1.1 Обзор методов измерения влажности органических жидкостей

1.2 Обоснование выбора исследуемого метода

1.3 Постановка цели и задач исследований

2 Контроль влажности органических жидкостей в широком диапазоне

ее концентраций

2.1 Разработка и исследование сорбционных широкодиапазонных чувствительных элементов

2.2 Математические модели широкодиапазонных чувствительных элементов

2.3 Экспериментальные исследования широкодиапазонных чувствительных элементов

3 Разработка аппаратно-программного комплекса для неразрушающего

контроля влажности органических жидкостей

3.1 Разработка первичного измерительного преобразователя

3.2 Разработка способа приготовления образцов органических жидкостей заданной влажности

3.3 Экспериментальные исследования сорбционно-частотного метода измерения влажности органических жидкостей

3.4 Исследования динамических характеристик чувствительных элементов

3.5 Автоматизация контроля влажности нефтепродуктов макетом аппаратно-программного комплекса

4 Разработка метрологического обеспечения макета аппаратно-

программного комплекса

4.1 Погрешность первичного измерительного преобразователя

4.2 Погрешности за счет использования образцовых средств

4.3 Суммарная погрешность разработанного макета аппаратно-программного комплекса

4.4 Проверка гипотезы о нормальности распределения суммарной погрешности макета измерителя

Заключение

Список литературы

Список сокращений и условных обозначений

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Приложение К

Приложение Л

Приложение М

Приложение Н

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратно-программный комплекс для непрерывного контроля влажности органических жидкостей»

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность развития производства определяется уровнем внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), неотъемлемой частью которой являются информационно-измерительные системы (ИИС). Значительную часть измерений, осуществляемых ИИС, занимают аналитические, среди которых важную роль играют измерения влажности веществ.

В непрерывных технологических процессах нефтехимических производств значительное внимание уделяется режиму динамических измерений, так как своевременная информация о составе исходного сырья служит основанием для принятия решений, влияющих на качество готовой продукции.

Содержание влаги в неводных жидкостях можно условно разделить на следующие виды: свободная, растворенная (связная), диспергированная.

Наибольший интерес представляет контроль растворенной воды, так как именно в этом виде она не видна невооруженным глазом.

К наиболее распространенным методам, позволяющим измерять влажность органических жидкостей можно отнести: химические, кулонометрический, емкостной, оптический, диэлькометрический и метод ядерного магнитного резонанса. Указанные методы позволяют измерять влажность либо в диапазоне микро-, либо в диапазоне макроконцентраций. В связи с чем приборы, работающие на основе этих методов, позволяют производить измерения влажности только в некоторых органических жидкостях, так как различие абсолютного содержания в них влаги может отличаться в 10 раз. Присущие большинству приборов на основе указанных методов недостатки (сложность конструкции, большие массогабаритные показатели, высокая стоимость, необходимость использования специальных реагентов) сдерживают их широкое практическое применение.

Среди широко применяемых методов измерения влажности органических жидкостей можно выделить метод К. Фишера. Он используется для определения микроконцентраций воды в анализируемой пробе. Метод К. Фишера обладает универсальностью и имеет высокую точность анализа. Наряду с этим он обладает и рядом существенных особенностей, одним из которых является большая сложность при его внед-

рении в АСУТП, которая связана с невозможностью давать быстрый и точный результат в динамических производственных процессах. Так же следует отметить и то, что при измерениях анализируемые образцы безвозвратно утрачивают свои физико-химические свойства и не могут быть использованы в дальнейшем.

В отличие от измерений влажности жидкостей, для анализа влагосодержания газов существует большее количество методов, пригодных для использования в АСУТП. Одним из таких методов является сорбционно-частотный (СЧМ).

СЧМ основан на зависимости частоты колебаний пьезокварцевого сорбцион-ного чувствительного элемента от влажности анализируемой среды. Для измерений влажности газов этот метод применяется несколько десятков лет и является хорошо изученным.

Как показали исследования, применительно к газам, СЧМ обладает:

- возможностью автоматизации измерений влажности;

- возможностью измерений в потоках анализируемых сред;

- высокой чувствительностью к концентрациям массовой доли влаги на уровне 0,01 млн-1;

- возможностью измерения различных по химическому составу веществ;

- возможностью измерения влажности в широких диапазонах температур и давлений.

Автором данной работы, совместно с Пудаловым А. Д. и Иващенко В. Е., была выдвинута гипотеза о том, что СЧМ является принципиально пригодными для обеспечения непрерывных измерений влажности органических жидкостей при их неразру-шающем контроле в АСУТП [64, 65]. Исследованию данного вопроса и разработке аппаратно-программного комплекса на основе этого метода и посвящена настоящая работа.

Для проведения исследований использовались образцы только низкополярных насыщаемых влагой органических жидкостей, таких как гексан, бензол и толуол. Выбор образцов обусловлен тем, что:

- гексан наибольшее применение находит как неполярный растворитель для проведения химических реакций, используется как жидкость в низкотемпературных термометрах, а также как добавка к моторному топливу;

- бензол получил распространение при производстве пластмасс, синтетической

резины, красителей, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, инсектицидов и гербицидов;

- толуол применяют в качестве сырья для органического синтеза, высокооктановых добавок к моторным топливам, в качестве растворителя в лакокрасочной промышленности.

При проведении теоретических и экспериментальных исследований получены новые научные результаты:

1. Впервые экспериментально установлено, что сорбционно-частотный метод обеспечивает непрерывные измерения влажности органических жидкостей при их неразрушающем контроле в АСУТП и при этом имеет высокие метрологические характеристики, суммарная погрешность прибора на основе данного метода составляет менее ±2,4 %.

2. Впервые разработаны широкодиапазонные пьезо-сорбционные чувствительные элементы (ПСЧЭ) для непрерывного измерения влажности в диапазоне микро-, средних и макроконцентраций. Предложены и экспериментально подтверждены их статические характеристики (СХ) при одновременном использовании двух сорбентов: силикагеля и поли-е-капроамида.

3. Предложен эффективный способ изготовления широкодиапазонных ПСЧЭ, заключающийся в нанесении различных сорбентов на разные стороны одной пье-зокварцевой пластины. Эффективность данного способа подтверждена исследованием динамических характеристик и анализом чувствительности широкодиапазонных ПСЧЭ.

4. Впервые установлено, что для широкодиапазонного ПСЧЭ оптимальное соотношение сорбентов силикагеля и поли-£-капроамида составляет соответственно 91 % и 9 %, исходя из критерия их максимальной чувствительности в диапазоне относительной влажности от 0 до 1.

5. Впервые предложено применение метода с использованием насыщенных растворов солей для приготовления образцов органических жидкостей известной влажности; создаваемая этими растворами относительная влажность совпадает с той, которую они создают в газах. Экспериментально установлено, что органические жидкости не сольватируют эти растворы.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Сконструирован макет аппаратно-программного комплекса с микропроцессорным управлением, обеспечивающий непрерывные измерения влажности органических жидкостей при контроле в АСУТП с суммарной погрешностью, не превышающей ±2,4 %, временем установления показаний не более 40 секунд и имеющий стандартизированный токовый выход в диапазоне4...20 мА, а также позволяющий передавать информацию о результатах измерений по протоколу 145-485.

2. Впервые спроектирована и изготовлена схема первичного измерительного преобразователя, обеспечивающего контроль влажности органических жидкостей в автоматическом режиме в диапазонах динамической вязкости до 2 мПа-с и частот ПСЧЭ от 5 до 12 МГц.

3. Предложенный в диссертации метод приготовления органических жидкостей с известной влажностью с использованием насыщенных растворов солей может быть применен для калибровки и юстировки влагомеров.

4. Установлено, что сконструированный макет аппаратно-программного комплекса позволяет автоматизировать контроль влажности фракций 30-180 и 130-КК на комбинированной установке ГК-3 НПЗ ОАО «АНХК» блоков АТ и КК цеха №11 линий 91 в и 514.

5. Получено заключение о возможности использования результатов диссертационной работы для осуществления автоматизированного контроля влажности продуктов нефтепереработки на установке ГК-3 НПЗ ОАО «АНХК». Результаты диссертационной работы рекомендованы к внедрению при проведении лабораторных анализов топлив на ФГКУ комбинат «Прибайкалье» Росрезерва, г. Усо-лье-Сибирское, а также в учебном процессе в Ангарской государственной технической академии при изучении следующих дисциплин: «Электрические измерения неэлектрических величин», «Метрология, стандартизация и сертификация», «Эффективность информационно-измерительных систем».

В диссертационной работе использованы методы аналитической алгебры, математического и компьютерного моделирования, анализа функций, схемотехнического моделирования, математической статистики, численные и экспериментальные методы исследования и обработки информации. Положения, выносимые на защиту:

1. Использование СЧМ для измерений влажности органических жидкостей.

2. Применение метода с использованием насыщенных растворов солей для приготовления образцов органических жидкостей известной влажности.

3. Широкодиапазонные ПСЧЭ для непрерывного измерения влажности в диапазоне микро-, средних и макроконцентраций. СХ широкодиапазонных ПСЧЭ при одновременном использовании двух сорбентов: силикагеля и поли-£-капро-амида.

4. Разработанный аппаратно-программный комплекс, позволяющий проводить непрерывные измерения влажности органических жидкостей с суммарной погрешностью, не превышающей ±2,4 % и временем установления показаний не более 40 секунд.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались

- IX-XII Всероссийских научно-технических конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники и связи», г. Иркутск, ИрГТУ, 2010-2013 г.;

- 2-ой школе-семинаре IEEE по фундаментальным проблемам микро/ наноси-стемной техники MNST-2010, г. Новосибирск, НГТУ, 2010 г.;

- научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс», г. Ангарск, АГТА, 2010-2014 г.;

- конкурсах научных и технических работ среди молодых ученых АГТА по направлению «Техническая кибернетика и электроэнергетика», г. Ангарск, АГТА, 20112014 г.;

- XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Волгоград, ВолгГТУ, 2012 г.;

- Международном молодежном конкурсе научно-исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс», г. Таганрог, ЮФУ, 2012 г.;

- Областном конкурсе в сфере науки и техники, г. Иркутск, 2012 г.;

- II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Электронные приборы, системы и технологии», г. Томск, ТПУ, 2012 г;

- XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Ангарск, АГТА, 2013 г.

Далее приведено краткое изложение диссертационной работы по главам.

Первая глава посвящена постановке проблемы контроля влажности органических жидкостей при их неразрушающем контроле в АСУТП. Проведен литературный обзор существующих методов и приборов на их основе для измерений влажности органических жидкостей. Обоснован выбор исследуемого метода, наиболее подходящего для изготовления на его основе аппаратно-программного комплекса, позволяющего обеспечить непрерывные измерения влажности органических жидкостей при их неразрушающем контроле в АСУТП. Поставлена цель и определены задачи исследований.

Во второй главе исследована возможность контроля влажности органических жидкостей в широком диапазоне ее концентраций. Предложен способ расширения диапазона измерения влажности за счет одновременного использования двух сорбентов: поли-е-капроамида и силикагеля. Разработана математическая модель СХ ПСЧЭ с указанными сорбентами. Предложен оптимальный способ нанесения сорбентов на кварцевый резонатор и определены их количественные соотношения для различных диапазонов влажности исходя из критерия максимальной чувствительности. Проведены экспериментальные исследования и построены СХ широкодиапазонных ПСЧЭ.

Третья глава посвящена разработке макета аппаратно-программного комплекса для автоматического непрерывного контроля влажности органических жидкостей. Приведено описание разработки первичного измерительного преобразователя и произведено моделирование его работы, по результатам которого собрано действующее устройство. Предложен способ приготовления образцов органических жидкостей заданной влажности при помощи метода с использованием насыщенных растворов солей. Дано описание экспериментальных исследований по измерению влажности органических жидкостей, произведена обработка результатов опытов. Исследованы динамические характеристики влагочувствительных элементов. По результатам проведенных исследований изготовлен макет аппаратно-программного комплекса с микропроцессорным управлением. Исследована возможность применения результатов экспериментов на комбинированной установке производства нефтепродуктов ГК-3 НПЗ ОАО «АНХК».

В четвертой главе разработано метрологическое обеспечение для макета аппаратно-программного комплекса.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1 ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В АСУТП

Во многих отраслях промышленности и в целом ряде областей научных исследований приходится сталкиваться с решением задач, связанных с измерением влажности органических жидкостей. Информация о содержании пластовой воды в сырой нефти нужна для управления процессами ее откачки; контроль влажности нефти необходим и в процессах ее хранения, транспортировки и переработки [1-3].

Важное место занимает контроль содержания влаги в углеводородных топ-ливах. Их влажность не должна превышать тысячных долей процента во избежание опасностей, связанных с образованием льда в коммуникациях двигателей. Необходимость контроля влажности жидких топлив для ракет, содержащих сильные окислители, вызвана опасностью коррозии деталей, соприкасающихся с топливом [4].

Целый ряд задач, связанных с измерениями низких, средних и высоких концентраций влаги возникает при проведении научных исследований, например, при изучении влияния влаги на свойства диэлектриков, исследовании водных растворов и сорбционных процессов.

В промышленности существует большое количество методов определения влажности жидких органических соединений [5-7]. Наиболее известные из них [8]:

- химические;

- кулонометрический;

- емкостной;

- оптический;

- метод ядерного магнитного резонанса.

В силу присущих влагомерам, работающих на основе этих методов, ограничений (сложность конструкций, большие массогабаритные показатели, высокая стоимость, необходимость специальных реагентов), лишь некоторые методы нашли широкое практическое применение [9].

Методы измерения влажности, и построенные на их основе приборы, можно разделить на две группы, которые непосредственно позволяют измерять абсолютную или относительную влажности [10].

Абсолютная влажность - количество водяного пара в единице объема газа или жидкости. Методы, при помощи которых можно измерять абсолютную влажность - это химические, кулонометрический, ядерного магнитного резонанса. Они позволяют определить, какая масса влаги находится в веществе при его максимальном насыщении, то есть количество грамм воды на единицу объема или массы. В приборостроении в Российской Федерации за единицу измерения абсолютного содержания влаги в веществе принято использовать «млн*1», за рубежом - «ррт» (от англ. parts per million - частей на миллион).

Относительная влажность - отношение содержащегося количества влаги в веществе к максимально возможному содержанию влаги в этом веществе. Весь диапазон измерения относительной влажности от 0 до 1 объемных долей можно условно разбить на 3 части: микро-, средние и макроконцентрации [11, 12]. Диапазон микроконцентраций условно принят до 0,12...0,15, диапазон средних концентраций - от 0,15 до 0,4...0,5, диапазон макроконцентраций - от 0,5 до 1. Методы, при помощи которых можно измерять относительную влажность - это психрометрический и сорбционные. Существующие на рынке приборы, работающие на основе этих методов, позволяют производить измерения либо в диапазоне микро-, либо в диапазоне макроконцентрации. Приборы, которые бы позволяли одновременно измерять влажность во всем диапазоне концентраций, на рынке не представлены.

В приведенных выше примерах, для измерения влажности применяются разнообразные приборы, которые измеряют различные виды влаги.

Из известных классификаций видов и форм связи влаги с веществом чаще всего используется предложенная П. А. Ребиндером [13], которая основана на величине энергии связи. По этой классификации с некоторыми дополнениями М. Ф. Казанского [14] влагу можно разделить на следующие виды и формы (в порядке нарастания энергии связи):

- свободная вода;

- влага капиллярносвязанная;

- влага адсорбционносвязанная;

- вода химически связанная.

Свободная вода - состояние, в котором находится вода, выделяемая при отстаивании жидкости. Она образуется в сосуде в виде капель или отдельного слоя.

Капиллярносвязанная влага формируется в микрокапиллярах посредством поглощения воды из вещества или непосредственно соприкосновением, а в макрокапиллярах - непосредственно соприкосновением. Эта форма связи возникает из-за капиллярного давления, которое обусловлено кривизной их поверхности.

Адсорбционносвязанная вода получается в результате взаимодействия молекулярных сил. При увеличении количества слоев воды, молекулярные силы уменьшаются для каждого последующего слоя и связь молекул ослабевает.

Химически связанная вода наиболее прочно удерживается, так как ее молекулы входят в состав вещества и освобождаются лишь при прокаливании или химическом взаимодействии.

В неводных жидкостях можно выделить следующие виды содержания влаги

[15]:

- свободная;

- растворенная (связная);

- диспергированная.

В этой классификации под свободной водой так же понимается состояние, при которой вода находится в виде капель или отдельного слоя.

Растворенная вода, особенно в жидких углеводородах, находится в небольших количествах. При температуре плюс 20 °С ее массовая доля обычно составляет до 600 млн"1 [16]. При превышении максимальной растворимости влага начинает конденсироваться в емкости в свободном виде, образовывая капли или отдельный слой.

Диспергированная вода образует эмульсию с дисперсной средой. Такая вода, например, может содержаться в нефти и нефтепродуктах.

Приборы, предназначенные для контроля влагосодержания, в основном измеряют либо растворенную, либо диспергированную влагу, так как именно в этих

видах она не видна невооруженным глазом и количественное содержание которой определяет качество продукции [17]. Ниже представлены наиболее используемые методы, которые лежат в основе работы влагомеров и гигрометров.

1.1 Обзор методов измерения влажности органических жидкостей

Среди наиболее распространенных методов, используемых в приборах контроля влажности органических жидкостей, можно выделить: химические, кулоно-метрический, емкостной, сорбционные. Ниже приведены краткие описания работы методов измерения влажности с указанием их достоинств и недостатков, а также приборов, изготовленных на основе этих методов.

Химические методы

В основу этих методов заложено соединение образца органической жидкости, содержащего влагу, с реагентом, вступающим в химическую реакцию только с этой влагой. Количество воды в образце определяется по количеству продукта реакции [18]. К наиболее распространенным химическим методам относятся: карбид кальциевый, гидрид кальциевый и метод К. Фишера [19-21]!

При карбид кальциевом методе образец материала, содержащего влагу, смешивают с карбидом кальция в избыточном количестве. Реакция проходит по следующей схеме:

СаС2 + 2Н20 -> Са(ОН)2 + С2Н2 1"

При гидрид кальциевом методе реакция происходит по следующей схеме:

СаН2 + 2Н20 -> Са(ОН)2 + 2Н2 Т

По количеству выделенного газа (ацетилена или водорода) можно определить количество воды, содержащейся в анализируемом веществе.

Количество выделенного газа определяют измерением его объема или давления в закрытом сосуде, либо путем взвешивания.

Менее распространен химический метод определения влажности по повышению температуры вследствие химической реакции с водой, находящейся в веществе.

Приборы, основанные на карбид кальциевом и гидрид кальциевом методах, применяются для определения влажности почвы, грунта, торфа, гумуса и т.п. Для контроля влажности в жидких органических соединениях такие влагомеры не получили широкого распространения.

Среди химических методов измерения влажности органических жидкостей получило распространение титрование по Карлу Фишеру. Этот метод используется для определения малых концентраций влаги на уровне от нескольких единиц до нескольких сотен млн"1 массовых долей[22].

Определение влажности основано на реакции сернистого ангидрида (Э02) с йодом (¿2), протекающей только в присутствии воды:

Б02 + ¿2 + 2Н20 -> Н28 04 + 2Н 3.

Реактив Фишера представляет собой раствор возогнанного металлического йода, безводного пиридина и сухого сернистого ангидрида в абсолютном метаноле. Йод и сернистый ангидрид, взаимодействуя с водой по приведенной выше реакции, образуют серную и йодистоводородную кислоты, для нейтрализации которых служит пиридин.

Точка эквивалентности определяется биамперометрически или бипотен-циометрически.

Учитывая чувствительность реактивов Фишера к влаге, при его приготовлении применяются тщательно обезвоженные материалы.

На основе химических методов для определения влажности жидких органических соединений выпускаются следующие приборы:

1. «Эксперт-007М» - модельный ряд приборов, для количественного определения воды в нефти, нефтепродуктах, органических растворителях, трансформаторных маслах и др. [23]. Данные титраторы могут работать на реактивах Фишера любого состава (отечественного и импортного производства). Поверка титратора может проводится по дистиллированной воде. Модельный ряд приборов имеет следующие метрологические характеристики: - диапазон измерений относительной влажности: 0... 1;

- погрешность измерений: ±2 %;

- время установления показаний: около 30 минут (на приготовление раствора Фишера необходимо 24 часа).

2. «\/30» - волюмометрический автоматический титратор [24]. Прибор представляет пользователю всю промежуточную информацию об анализах, обеспечивает доступ ко всем текущим задачам. Имеет следующие метрологические характеристики:

- диапазон измерений относительной влажности: 0... 1;

- погрешность измерений: ±2 %;

- время установления показаний: около 30 минут (на приготовление раствора Фишера необходимо 24 часа).

3. «СЗО» - титратор по методу К. Фишера [25]. Кулонометрический титратор постоянно информирует о ходе текущих операций и позволяет запускать все требуемые операции (например, определение образца и дрейфа) нажатием одной кнопки. Он имеет следующие метрологические характеристики:

- диапазон измерений относительной влажности: 0...1;

- погрешность измерений: ±2 %;

- время установления показаний: около 30 минут (на приготовление раствора Фишера необходимо 24 часа).

4. «АТЛ-11-01» - прибор, предназначенный для определения воды методом бипотенциометрического титрования пробы анализируемого раствора реактивом Фишера [26]. Позволяет определить гигроскопическую, сорбированную, окклюдированную и кристаллизационную воду в спиртах, кислотах, фенолах, эфирах, углеводородах (в бензине, керосине, дизельном топливе, антифризе, трансформаторных маслах), перекисях и гидроперекисях, соединениях серы, альдегидах и кетонах, не реагирующих с метанолом, всевозможных тканях, зерне, угле и порошках, продукции лакокрасочной и фармацевтической промышленности. Прибор имеет возможность вывода результатов анализа на принтер, интерфейс (48-232. Имеет следующие метрологические характеристики:

- диапазон измерений относительной влажности: 0...1;

- погрешность измерений: ±3 %;

- время установления показаний: около 30 минут (на приготовление раствора Фишера необходимо 24 часа).

5. «АКВА-901» - прибор, предназначенный для автоматического контроля микроконцентраций гигроскопической, сорбированной и кристаллизационной воды в трансформаторных, турбинных и других маслах методом куло-нометрического титрования реактивом К. Фишера [27]. Анализатор обеспечивает автоматический контроль содержания влаги, запись результатов в память и обмен данными с внешним компьютером. Возможно также и дистанционное управление от компьютера. Результаты анализа по количеству влаги в микрограммах во введенной в ячейку пробе и служебные сообщения отображаются на экране жидкокристаллического дисплея. Имеет следующие метрологические характеристики:

- диапазон измерений относительной влажности: 0... 1;

- погрешность измерений: ±2 %;

- время установления показаний: около 30 минут (на приготовление раствора Фишера необходимо 24 часа).

Все перечисленные приборы обладают общим достоинством - высокая точность анализа содержащийся влаги в жидких органических соединениях. Но они также обладают и недостатками [28, 29]:

- не пригодны для внедрения в автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП);

- для проведения измерений дополнительно необходимы' приготовленные растворы Фишера: раствор оксида серы (IV валентной) в пиридине и раствор йода в метаноле, которые являются токсичными;

- для большого числа приборов растворы Фишера, выпускаемые импортными предприятиями и отечественными, не могут быть взаимозаменяемыми;

- рабочий раствор Фишера пригоден для анализа через 24 часа после его приготовления;

- необходимо большое количество аппаратуры для проведения анализа;

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Мазур, Владимир Геннадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что разработанный аппаратно-программный комплекс на основе СЧМ обеспечивает непрерывные измерения влажности органических жидкостей при их неразрушающем контроле в АСУТП. Для подтверждения этого были решены следующие задачи:

1. Теоретический анализ вопросов измерения влажности органических жидкостей в АСУТП указал на отсутствие методов, позволяющих изготавливать на их основе приборы, обеспечивающие непрерывный неразрушающий контроль влажности органических жидкостей. Экспериментально установлено, что для поставленной задачи подходит СЧМ.

2. Разработаны чувствительные элементы, позволяющие осуществлять измерения влажности в широком диапазоне ее концентраций. Экспериментально подтверждены математические модели широкодиапазонных чувствительных элементов для областей микро- и макроконцентраций влажности, основанные на одновременном использовании сорбентов силикагеля и поли-£-капроамида на одной кварцевой пластине. Исследования динамических характеристик и анализ чувствительности ПСЧЭ показали, что наиболее эффективным способом является нанесение сорбентов по одному на каждую сторону кварцевой пластины. Оптимальное соотношение силикагеля и поли-е-капроамида для диапазона относительной влажности от 0 до 1, исходя из критерия максимальной чувствительности ПСЧЭ, составляет соответственно 91 % и 9 %. Расхождение между экспериментальными данными и предложенной моделью не превысило ±5 %.

3. Разработана лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований. Предложен способ приготовления органических жидкостей с известной влажностью с использованием насыщенных растворов солей, позволяющий осуществлять калибровку и юстировку влагомеров. Осуществлена идентификация параметров СХ ПСЧЭ со средней ошибкой аппроксимации, не превышающей ±2,5 %.

4. Разработан и изготовлен макет аппаратно-программного комплекса с микропроцессорным управлением, обеспечивающий непрерывные измерения влажности органических жидкостей при их неразрушающем контроле в АСУТП при времени установления показаний не более 40 секунд и имеющий стандартизированный токовый выход в диапазоне 4...20 мА. Для макета комплекса написана управляющая программа на языке программирования «С++», позволяющая передавать информацию о результатах измерений в АСУТП по протоколу 148-485. На основе проведенного анализа регламента установки ГК-3 НПЗ ОАО «АНХК» выявлено, что разработанный макет позволяет осуществлять контроль влажности органических жидкостей при непрерывных измерениях на линиях 91 в и 514 цеха №11 установки ГК-3 НПЗ ОАО «АНХК».

5. Разработано метрологическое обеспечение для макета аппаратно-программного комплекса. Проведен анализ составляющих суммарной погрешности разработанного комплекса, которая составила ±2,4 % при температуре измерений плюс (20±0,1) °С, и ±6 % при температуре плюс (20±10) °С. Получено заключение о возможности использования результатов диссертационной работы для осуществления автоматизированного контроля влажности продуктов нефтепереработки на установке ГК-3 НПЗ ОАО «АНХК» (приложение Л). Результаты диссертационной работы рекомендованы к внедрению при проведении лабораторных анализов топлив на ФГКУ комбинат «Прибайкалье» Росре-зерва, г. Усолье-Сибирское (акт о внедрении приведен в приложении М), а также в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия» при изучении следующих дисциплин: «Электрические измерения неэлектрических величин», «Метрология, стандартизация и сертификация», «Эффективность информационно-измерительных систем» (акт о внедрении приведен в приложении Н).

105

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мазур, Владимир Геннадьевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берлинер, М. А. Измерения влажности. - М.: Энергия, 1973. - 400 с.

2. Березутский, В. М. [и др.]. Нефтепереработка и нефтехимия, 1980. - № 2. -С. 25-26.

3. Ничуговский, Г. Ф. Определение влажности химических веществ. - Л. : Химия, 1977.-200 с.

4. Кларк В. Л., Нудо А., Джин П. Определение влагосодержания ракетного топлива. - В кн.: Влажность. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - Т. 4.

5. Мелкумян, В. Е. Измерение и контроль влажности материалов. - М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1970. - 138 с.

6. Sonntag, D. Hygrometrie. Ein Handbuch der Fuechtigkeitsmessung in Luft und anderen Gasen. Lieferungen 1-6. - Berlin, Akademie-Velgar, 1966-1968.

7. Влажность. Измерение и регулирование в научных исследованиях и технике. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - Т. 1. - С. 264-269.

8. Мелкумян, В. Е. Современные методы измерения влажности // Измерительная техника, 1967. - №5. - С. 29-32.

9. Иващенко В. Е., Мазур В. Г. Методы и приборы измерения влажности органических жидкостей, применяемые в настоящее время // Вестник Ангарской Государственной Технической Академии. - Ангарск : Издательство АГТА, 2010.-С. 39-42.

10. Маликов, М. Ф. Основы метрологии. - М.: Комитет по делам мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1949. - С. 34-36.

11. Иващенко В. Е., Мазур В. Г., Пудалов А. Д., Томилин М. А. Измерение влажности газов и жидкостей в широких диапазонах концентраций // Сборник научных трудов: Кибернетика и физико-математические науки. Химия и химическая технология. Строительство. Общественные науки и лингвистика. Экономика. Техника безопасности. Спортивная медицина. Общие вопросы учебно-методической работы. - Ангарск : Издательство АГТА, 2011. -С. 16-20.

12. Иващенко В. Е., Мазур В. Г. Современные приборы и используемые ими методы для измерения влажности органических жидкостей // Современные проблемы радиоэлектроники и связи : материалы IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - Иркутск : Издательство ИрГТУ, 2010. - 280 с.

13. Георгиевский В. П., Конев Ф. А. Технология и стандартизация лекарств. -Харьков : Рирег, 1996. - Т.1. - 784 с.

14. Казанский, М. Ф. Анализ форм связи и состояния влаги поглощенной дисперсным телом с помощью кинетических кривых сушки. - «ДАН СССР», 1960.-№5.-С. 347-350.

15. Берлинер, М. А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. - М.: Энергия, 1965. - 488 с.

16. Воронова Т. С., Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Применение сорбционно-частот-ного метода для измерения влажности неполярных органических жидкостей //Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: Издательство ИрГУПС, 2012.-№ 2.-С. 114-118.

17. Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Постановка задачи исследования сорбционно-частотного метода для определения влажности жидких органических соединений. // Сборник научных трудов: Техническая кибернетика. Химия и химические технологии. Строительство. Общественные науки. Спортивная медицина. - Ангарск: Издательство АГТА, 2012. - С. 39-46.

18. ГОСТ 14870-77. Продукты химические. Методы определения воды. - М. : Стандартинформ, 2005. - 22 с.

19. Гольдинов А. Л. Определения воды с помощью гидрида кальция // Аналитическая химия. 1962. - Т. 17. - № 4. - С. 532-534.

20. ГОСТ 24614-81. Жидкости и газы, не взаимодействующие с реактивом Фишера. Кулонометрический метод определения воды. - М. : Издательство стандартов, 2003. - 10 с.

21. ГОСТ 28326.2-89. Аммиак жидкий технический. Определение массовой доли воды методом Фишера. - М.: Стандартинформ, 2010. - 5 с.

22. МитчелДж., Смит Д. Акваметрия. Перераб. с англ. / Под ред. Ф. Б. Шермана. - М.: Химия, 1980. - 600 с.

23. Научно-производственная фирма «Эконикс-Эксперт» // Титраторы Фишера. 2012. URL: http^/ionomer.ru/component/option.com^tree/task.listcasts/ca^ ¡d,59/ltemid,52/lang,russian/ (дата обращения: 26.01.2013).

24. Компания «Меттлер Толедо» // V30-V20 - Волюмометрическое титрование по методу К. Фишера. 2012. URL: http://www.mtrus.com/lab/titra-tors/fisher/v30_20/ (дата обращения: 26.01.2013).

25. Компания «Меттлер Толедо» // С30-С20 - Кулонометрическое титрование по методу К. Фишера. 2012. URL: http://www.mtrus.com/lab/titra-tors/fisher/сЗ0_20/ (дата обращения: 26.01.2013).

26. Компания «Новолаб» // Титратор АТЛ-11-01 по Карлу Фишеру. 2012. URL: http://www.mtrus.com/lab/titrators/fisher/v30_20/, (дата обращения: 26.01.2013).

27. ООО «Электроприбор» //АКВА-901 - анализатор количества влаги автоматический. 2012. URL: http://www.electronpribor.ru/goods/ 1/3/302.html (дата обращения: 26.01.2013).

28. Иващенко В. Е., Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Сорбционно-частотный метод измерения влажности газов и жидких органических соединений // Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов XXV Междунар. науч. конф. - Волгоград, 2012.-Т. 11.-С. 11-16.

29. ГОСТ 24614-81. Жидкости и газы, не взаимодействующие с реактивом Фишера. Кулонометрический метод определения воды. М., 1981. 12 с.

30. Агасян П. К., Хамракулов Т. К. - Кулонометрический метод анализа. - М. : Химия, 1984. - 168 с.

31. Семчевский, А. К. [и др.]. Опыт совместной разработки кулонометрического гигрометра // Измерительная техника. - М., 2009. - № 9. - С. 59-61.

32. Пинхусович, Р. Л. Исследование и разработка кулонометр'ических влагомеров : дис. ... канд. техн. наук. - М., 1970. - 118 с.

33. Ангарское ОКБА // Влагомер трансформаторного масла ВТМ-МК. 2013. URL: http://www.okba.ru/produce/energy/vtm-mk.php, (дата обращения: 26.01.2013).

34. Мазур, В. Г. Исследование сорбционно-частотного метода при измерении влажности органической жидкости на примере гексана // Сборник трудов

международного молодежного конкурса научно-исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс» - Ростов-на-Дону, 2012. - С. 200203.

35. Drillings, буровой портал // Аумас - Модуль емкостного влагомера и СТИ САФ.КАМА-7 ЕВ+СТИ. 2012. URL: http://www.drillings.ru/safkama-7 (дата обращения: 26.01.2013).

36. ЗАО «Мир диагностики» // EESIFLO EASZ-1 BS&W - поточный влагомер нефтепродуктов. 2012. URL: http://www.eesiflo.ru/eesiflo_ easz_1_bs&w.htm (дата обращения: 26.01.2013).

37. НПП «Спецоборудование» // Влагомер нефти поточный ВНП-100, 2012. URL: http://www.specudm.ru/production/catalog_2/position_23/vlagomer_nefti_ potochnyj_vnp100.html, (дата обращения: 26.01.2013).

38. НПП «Спецоборудование» // Влагомер нефти поточный ВНП-2-СП, 2012. URL: http://www.specudm.ru/production/catalog_2/position_23/vlagomer_nefti_ potochnyj_vsn2sp.html (дата обращения: 26.01.2013).

39. Агеев, О. А. [и др.]. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. - 153 с.

40. Иващенко В. Е., Мазур В. Г., Мамруков И. А., Пудалов А. Д. Исследование возможности применения сорбционно-емкостных датчиков для измерения влажности неполярных органических жидкостей на примере бензола // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. Иркутск : Издательство ИрГУПС, 2013. - № 2 (39). - С. 215-220.

41. Дикевич, А. Я. [и др.]. Исследование характеристик емкостных преобразователей влажности на основе пленок полиамида и силикагеля. //Труды всесоюзной научно-технической конференции «современное состояние и задачи гигрометрии». - Иркутск, 1988. - С. 70.

42. Honeywell International, Inc. // HIH-4000-001. URL: http://sensing.honey-well.com/honeywell-sensing-humidity-sensors-Iine-guide-009034-4-en.pdf (дата обращения: 26.01.2013).

43. Hobeco, Inc. II URL: http://www.hobeco.net/pdf/HMT330%20Series.pdf (дата обращения: 20.04.2013).

44. Каталог продукции I Практик НЦ. - Зеленоград, 2003. - 40 с.

45. Testo AG // Портативные приборы измерения влажности. 2013. URL: http.7/www.testo.ru/online/abaxx-?$part=PORTAL.RUS.SimpleContent Desk&$event=show-from-menu&categoryid=55518008 (дата обращения 20.04.2013).

46. King, W. H. Piezoelectric sorption detector // Anal. Chem. 1964. - Vol. 36. - № 9.-P. 1735-1739.

47. Подгорный, Ю. В. Частотные детекторы на основе кварцевых резонаторов в аналитических приборах // Измерительная техника. - М., 2004. - № 7. - С. 36-41.

48. Ametek Process Instruments // Brands. 2012. URL: http://www.ametekpi.com/brands.aspx (дата обращения 20.04.2013).

49. Ametek Process Instruments // Model 3050 Moisture Analyzer Series. 2012. URL: http://www.ametekpi.com/products/Model-3050.aspx (дата обращения 20.04.2013).

50. Ангарское ОКБА // Гигрометр "Волна-5П". 2013. URL: http://www.okba.ru/pro-duce/hygrometers/volna-5p.php (дата обращения 20.04.2013).

51. ТД ОКБА // ИСТОК-4 гигрометр стационарный. URL: http://www.td-okba.ru/catalog/izmerenie-vlazhnosti/istok-4.htm (дата обращения 20.04.2013).

52. Ivashchenko V.E., Mazur V.G., Tomilin М.А. Application of Sorption-Frequency Method in Comparison with Other Methods for Measurement of Humidity Nano-concentration in Gases and Liquids // IEEE 2nd Russia School and Seminar MNST. - Novosibirsk, 2010. - P. 45-47.

53. Дубинин, M. M. Адсорбция и пористость. - M. : Изд-во Боне. акад. хим. защиты, 1972. -127 с.

54. Young, J. G. A high temperature humidity sensor. - ISA Trans., 1972. - Vol. 11. - № 1.-P. 65-76.

55. Крюков А. В., Куриленок К. В. Измерение влажности при высоких давлениях // Измерительная техника. - М., 2008. № 2. - С. 61-64.

56. Радеке К. X., Буйке Г., Гелбин Д. Кинетика и динамика физической адсорбции. - М. : Наука, 1974. - С. 132-139.

57. Грибова Л. К., Савченко В. Е. Исследования релаксационных явлений с ворбционных покрытиях кварцевых датчиков влажности воздуха // Известия вузов. Технология текстильн. пром-сти. 1980. - № 3. - С. 87-90.

58. Ратхор, Т. С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника. - М. : Техносфера, 2004. - 376 с.

59. А. с. № 241753 (СССР). Способ изготовления электролитических датчиков влажности / Ин-т автоматики. Автор изобр. Грищенко А. 3. [и др.]. - Заявл. 03.02.68. № 1215142/18-10. Опубл. в Б. И., 1969. - № 14.

60. А. с. № 602905 (СССР). Способ изготовления подогревного электролитического датчика влажности / Ин-т автоматики и Опытный завод ин-та автоматики. Авт. изобр. Хохуля Б. В. [и др.]. - Заявл. 07.01.77. № 2439595/18- № 25. Опубл. в Б. И., 1978. - № 14.

61. Пат. № 4328478 (США). Murata М., Okade S. Humidity sensitive device. Заявл. 08.09.80 № 184802. Опубл. 04.05.82. Приор. 11.09.79 № 54/116976, Япония.

62. Грибова Л. Г., Савченко В. Е. Кварцевые датчики влажности газов с полимерным покрытием // Применение кварцевых резонаторов для измерения неэлектрических величин: материалы научн. - техн. совещания. - М. : ВНИИИСПВ, 1976. - С. 12-13.

63. Иващенко В. Е., Мазур В. Г. Пудалов А. Д. Исследование широкодиапазонных пьезокварцевых влагочувствительных элементов // Известия Томского политехнического университета-Томск, 2012.-Т. 321,-№4.-С. 160-165.

64. Пинхусович, Р. Л. [и др.]. Методы и приборы автоматического анализа влажности. - Северодонецк, 1968. - 55 с.

65. Иващенко В. Е., Пинхусович Р. Л., Емельянов П. М. Автоматизация анализа микроконцентрации влаги в жидких углеводородах на базе сорбционно-ча-стотного метода // Вторая Всесоюзн. конфер. по автоматизации анализа хим. состава веществ: тез. докл. - М.: 1980. - С. 109-110.

66. Берлинер, М. А. Влагомеры СВЧ // Приборы и системы управления, 1970. -№11.-С. 19-21.

67. Берлинер, М. А. Состояние и направления развития средств измерения и автоматического регулирования влажности за рубежом. - М. : ЦНИИТ-энефтехим, 1967. - 143 с.

68. Bartec Company // Application Hygrophil F 5673. Moisture measurements in hydrocarbon. Hexane СбН^. 2012. URL: http://www.bartec.de/homep-age/eng/20_produkte/16_messtechnik/s_20_16_60_011 .shtml (дата обращения: 26.01.2013).

69. НПК Микрофор. 2011. URL: http://www.microfor.ru/ (дата обращения: 26.01.2013).

70. Ангарское ОКБА // Гигрометры . 2013. URL: http://www.okba.ru/produce/hyg-rometers.php (дата обращения 20.04.2013).

71. Ангарское ОКБА//Влагомер трансформаторного масла ВТМ-МК. 2013. URL: http://www.okba.ru/produce/energy/vtm-mk.php (дата обращения 20.04.2013).

72. Бутурлин А. И. Крутоверцев С. А., Чистяков Ю. Д. Микроэлектронные датчики влажности // Зарубежная электронная техника, 1984. - №9. - С. 3.

73. Waldschmid, М. Feuchtemessung in Erdgas mit speziell vorbehandelten AI2O3 -Mepfu//Process, eng., 1981. - № 3-4. - S. 71 -77.

74. Кельцев, H. В. Основы адсорбционной техники. - M.: Химия, 1984. - 135 с.

75. Грег С., Синг. К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. - 2-е изд. -М. : Мир, 1984.-310 с.

76. Карнаухов, А. П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. - Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. -470 с.

77. Иващенко, В. Е. Сорбционно-частотные датчики приборов контроля микро-и макроконцентраций влаги в газах : дис. ... канд. техн. наук. - М., 1984. -190 с.

78. Кучменко, Т. А. Метод пьезокварцевого микровзвешивания в газовом органическом анализе : дис.... д. хим. наук. - Воронеж, 2003.-475 с.

79. Батурин В. А., Карпенко А. Ю., Нагорный А. Г., Пустовойтов С. А. Измерение толщины тонких углеводородных фольг методом кварцевого резонатора // Вопросы атомной науки и техники. - 2002. - № 1. - С. 165-68.

80. Рудых, И. А. Широкодиапазонные сорбционно-частотные датчики влажности // Всесоюзная научно-техническая конференция «Современное состояние и задачи гигрометрии». - Иркутск, 1988. - С. 49.

81. Серебрякова 3. Г., Михайлов Н. В. Исследование сорбционных свойств полиамидных волокон в зависимости от из структуры // Высокомолекулярные соединения, 1959. - Т.1. - № 2. - С. 222-228.

82. Липкиид, Б. А. Адсорбенты, их получение, свойства и применение. -М. : Наука, 1971.-С. 51-59.

83. Ширмер, В. Физическая адсорбция из многокомпонентных фаз. - М.: Наука, 1972.-С. 61-63.

84. Luque P., Gavara R., Heredia A. A study of the hydration process of isolated cuticular membranes // New Phytol. - 1995. - № 129. - P. 283-288.

85. Технология пластических масс / Под ред. В. В. Коршака. Изд. 3-е. - М.: Химия, 1985. - 560 с.

86. Слинякова, И. Б. Синтез и свойства кремнийорганических и смешанных сорбентов на их основе //Адсорбция и адсорбенты, 1974. - Вып.2. - С.91-98.

87. Кольцов С. И., Алесковский В. Б. Силикагель, его строение и химические свойства. - Л.: Госхимиздат, 1963. - 96 с.

88. Langmuir, J. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum // Journal of the American Chemical Society., 1918. - V. 40. - № 9. -P. 1361-1403.

89. Серпионова, E. H. Промышленная адсорбция газов и паров - М. : Высшая школа, 1969.-416 с.

90. Радушкевич, Л. В. Попытки статистического описания пористых тел // Основные проблемы теории физической адсорбции под ред. М.М Дубинина и В. В. Серпинского. - М. : Наука, 1970. - С. 270-286.

91. Moravec С. М., Bradford К. J., Laca Е. A Water relations of drumstick tree seed (Moringa oleifera): imbibition, desiccation, and sorption isotherms. // Seed Sci. & Technol., 2008. - № 36. - P. 311-324.

92. Sychev M., Prihod'ko R., Stepanenko A., Rozwadowski M., V.H.J. (San) de Beer, Santen R. Characterisation of the microporosity of chromia- and titania-pillared montmorillonites differing in pillar density II. Adsorption of benzene and water // Microporous and Mesoporous Materials. - 2001. - № 47. - P. 311-321.

93. Шитников Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы. / Под ред. Шитникова Г. Т. - М.: Сов. Радио, 1974. - 376 с.

94. Глюкман, Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. - 3-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1981. - 232 с.

95. Грановская Р. А., Постников И. И., Добычина Е. М., Ельцов А. К. Расчёт кварцевых генераторов : Учебное пособие для дневной и вечерней форм обучения под. ред. проф. Р. А. Грановской. - М.: Изд-во МАИ, 1997. - 114 с.

96. Андросова, В. Г. [и др.]. Справочник по кварцевым резонаторам ; под ред. П. Г. Позднякова. - М.: Связь, 1978. - 288 с.

97. Малов, В. В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.

98. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: справ, пособие. - М.: Радио и связь, 1984. - 232 с.

99. Васильченко М. Е., Дьяков А. В. Радиолюбительская телемеханика. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986. - 88 с.

100. Filler, R. L. е. a. Aging Studies on Quartz Crystal Resonators and Oscillators // 38th Annual Symp. Frequency Control. - 1984. - P. 225.

101. Воронков, Э. H. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах : Учебное пособие для средних специальных учебных заведений / Э. Н. Воронков, Ю. А. Овечкин . - 2-е изд., перераб. и доп . - М.: Машиностроение, 1973 . - 312 с.

102. Альтшуллер, Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. - М. : Связь, 1974. - 272 с.

103. Васильев А. Ф., Глазунов Р. В. Автоматизированный комплекс прецизионного измерения долговременной стабильности частоты кварцевых резонаторов // Измерительная техника. - 2009. - № 6. - С. 58-61.

104. Gwinstek Simply Reliable // Download. 2013. URL: http://www.gwin-stek.com/en/download/downloadfilelist.aspx?id=234 (дата обращения: 26.01.2013).

105. Wexler, A. Humidity and moisture measurement and control in science and industry// United States National Bureau of Standards. - New York: Reinhold Pub. Corp., 1965. -Vol. 1-4.

106. Дозорцев, А. Р. Разработка генератора влажного воздуха и исследование динамических характеристик аэрологических датчиков влажности : дис. ... канд. техн. наук. - Долгопрудный, 1984. - 175 с.

107. Гриднев А. С., Мандрохлебов В. Ф. Солевые генераторы влажного воздуха // Измерительная техника. - М., 1982. - № 9. - С. 59-62.

108. The scale of relative humidity of air certified against saturated salt solution // Organisation internationale de metrologie legale. - France, 1996. - 11 p.

109. Воронова Т. С., Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Измерение относительной влажности гексана сорбционно-частотным методом // Современные проблемы радиоэлектроники и связи: материалы X и XI Всеросс. научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / под ред. А. И. Агарышева, Е. М. Фискина. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2012. - Часть 1. - С. 86-90.

110. Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Применение сорбционно-частотного метода для измерения влажности неполярных органических жидкостей на примере бензола // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения / Материалы Международной научно-технической конференции «INTERMATIC - 2012» / Под ред. академика РАН Сигова А. С. - М. : МГТУ МИРЭА-ИРЭ РАН, 2012.-Ч 1.-С. 138-141.

Ш.Коган В. С., Бреславец К. Г. Адсорбция и пористость. Труды 4 Всесоюз. конф. по теоритич. проблемам адсорбции / под ред. Дубинина М. М. и Сер-пинского В. В. - М.: Наука, 1976. - С. 270-272.

112. Вайсбергер, А. [и др.] Органические растворители. Физические свойства и методы очистки. - М.: Изд-во иностр. лит., 1958. - 520 с.

113. Luck, W. А. P. Water in nonaqueous solvents // Pure & Appl. Chem. - 1987. -Vol. 59. - № 9. - P. 1215-1228.

114. Справочник химика / Б. П. Никольский [и др.]. - Л.: Химия, 1965. - 1008 с.

115. Joris G. G., Taylor Н. S. J. The use of tritium in the determination of the solubility of water in solvents. The solubility of water in benzene // Chem. Phys., 1948. -V. 16.-P. 45-52.

116. A. c. № 1427273 (СССР). Влагомер для измерений влажностей легких органических жидкостей / Автор изобр. Булдаков В. И., Дрянов А. Н., Емельянов

П. М., Иващенко В. Е. - Заявл. 20.09.85. № 3955031/24-25. Опубл. 30.09.88. - № 36.

117. Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Измерение влажности бензола сорбционно-ча-стотным методом. // Электронные приборы, системы и технологии : сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 2012. - С. 52-55.

118. Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. - М. : Высш. Школа, 2003. - 479 с.

119. Грановский В. А., Сирая Т. Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. - СПб : Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

120. Nocedal J., Wright S. J. Numerical Optimization. - New York : Springer, 1999. -636 p.

121. Джоунс У., Трон В. Непрерывные дроби. Аналитическая теория и приложения / под ред. Сафронова И. Д. - М. : Мир, 1985. -414 с.

122. Топливо : пат. 2241736 Рос Федерация. № 2003125940/04, заявл. 26.08.03, опубл. 10.12.04.

123. Furmaniak S., Terzyk A., Gauden P., Rychlicki G. Applicability of the generalised D'Arcy and Watt model to description of water sorption on pineapple and other foodstuffs // Food Engineering, 2007. - № 79. - P. 718-723.

124. D'Arcy R. Т., Watt I. C. Analysis of Sorption Isotherms of non-Homogeneous Sorbents // Trans, of the Faradey Soc., 1970. - № 598. - Vol. 66. - Part. 5. -P. 1236-1245.

125. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. - М. : Стандартинформ, 2008. - 8 с.

Список сокращений и условных обозначений

АСУТП - автоматическая система управления технологическими процессами.

ИИС - информационно-измерительная система.

СЧМ - сорбционно-частотный метод.

СЕМ - сорбционно-емкостной метод.

СЕЧЭ - сорбционно-емкостной чувствительный элемент.

USB - (Universal Serial Bus) универсальная последовательная шина.

RS-232 - (Recommended Standard 232) стандарт физического уровня для

асинхронного интерфейса. RS-485 - (Recommended Standard 485) стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Широко используется в промышленной автоматизации. ПСЧЭ - пьезо-сорбционный чувствительный элемент. СХ - статическая характеристика. ЧЭ - чувствительный элемент. КР - кварцевый резонатор. КГ - кварцевый генератор. СКО - среднеквадратическое отклонение. МО - математическое ожидание.

Оценки математического ожидания (МО) и среднеквадратического отклонения (СКО) абсолютного изменения частоты широкодиапазонных ПСЧЭ при разной влажности азота с различными соотношениями сорбентов поли-£-

капроамид/силикагель

Таблица А.1 - Поли-£-капроамид/силика

гель в соотношении 1/3

Относительная влажность, % ПСЧЭ № 1 ПСЧЭ № 2 ПСЧЭ № 3

Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц

5 2070 4 2053 5 2061 4

15 3162 9 3150 7 3161 5

30 3627 10 3622 9 3620 10

45 4109 12 4098 12 4115 11

60 4504 13 4497 13 4509 14

90 5481 16 5482 17 5471 17

98 5804 18 5807 21 5813 19

Таблица А.2 - Поли-е-капроамид/силикагель в соотношении 1/1

Относительная влажность, % ПСЧЭ № 1 ПСЧЭ № 2 ПСЧЭ № 3

Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц

5 1692 3 1681 5 1686 5

15 2410 6 2423 6 2406 6

30 3103 7 3098 8 3108 10

45 3645 7 3650 9 3647 10

60 4191 13 4193 16 4182 12

90 5379 15 5377 15 5375 14

98 5993 17 6004 18 5997 17

Таблица А.З - Поли-£-капроамид/силикагель в соотношении 3/1

Относительная влажность, % ПСЧЭ № 1 ПСЧЭ № 2 ПСЧЭ № 3

Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц Оценка МО, Гц Оценка СКО, Гц

5 1206 4 1215 5 1213 7

15 1985 4 1993 6 1988 9

30 2688 6 2690 6 2697 9

45 3189 8 3204 7 3202 14

60 3755 11 3767 8 3764 15

90 5290 15 5299 13 5303 17

98 6207 15 6231 16 6230 23

Исходные данные для моделирования работы генератора с ПСЧЭ частотой

9 МГц в программе PSpice

*временной анализ

.tran 0.01 u 350u 290u 0.002u

* программа для просмотра и анализа осциллограмм .probe

Начальное условие возбуждения генератора .ic v(3)=5

*модель источника питания vV1 11 0 de 5 ас 0 0

*модели пассивных элементов схемы

сС7 1 0 0.1 и

сС1 6 0 0.7п

rR1 1 11 5.5k

rR2 1 0 2.1k

rR3 6 0 200

rR4 311 1k

rR5 11 8 800

rR6 7 0 800

*модели транзисторов qQ1 3 1 6 SC945 qQ2 8 3 7 SC945 qQ3 118 2 SC945

*модель ПСЧЭ хХ1 6 7 CRYSTAL .SUBCKT CRYSTAL 1 2 Iqz 1 11 0.008033 cs 11 12 3.859e-014 rqz 12 2 28 cp 1 2 2.0e-011 .ENDS

параметры модели транзистора

.MODEL SC945 NPN(!S=4.130e-014 NF=1.000e+000 ISE=3.964e-016 + NE = 1.043e+000 BF = 3.111e+002 BR = 1.000e+000 + IKF = 1.500e-001 VAF = 8.000e+00 VAR = 2.000e+001 + EG = 1.110e+000 XTI = 3.000e+000 XTB = 0.000e+000 + RB = 1.429e+000 RE = 5.424e-001 + CJE = 2.014e-011 MJE = 5.352e-001 VJE = 1.175e+000 + CJC = 7.972e-012 MJC = 2.554e-001 VJC = 8.500e-001) .end

Результаты моделирования работы схемы генератора с ПСЧЭ в программе

РБрюе 16.5

8С945 ЫРЫ 1_ЕУЕ1.1

1Э 41.300000Е-15

ВР 311.1

NF 1

VAF 8

1КР .15

1БЕ 396.400000Е-18

ЫЕ 1.043

ВР 1

ЫК 1

УАК 20

183 0

ЯШ 1.429

РЕ .5424

РС 0

^Е 20.140000Е-12

УЛЕ 1.175

1\УУЕ .5352

ис 7.972000Е-12

ЧЛС .85

шс .2554

хис 1

сиг 0

.75

KF О

AF 1

CN 2.42

D .87

INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

Напряжение в узлах схемы при анализе по постоянному току (1) 1.3560 (2) 3.7019 (3) 5.0000 (6) .7116 (7) 4.3103 (8) 4.3361 (11) 5.0000 (хХ1.11) .7116 (хХ1.12) 4.3103

VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT "потребляемый ток источника питания vV1 -3.331 Е-03

"потребляемая мощность схемы

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67Е-02 WATTS

JOB CONCLUDED

"время анализа

Total job time (using Solver 1 ) = 8.41

Оценки математического ожидания (МО) и среднеквадратического отклонения (СКО) и доверительный интервал для оценки МО относительного изменения

частот ПСЧЭ

Таблица Г.1 - ПСЧЭ №1 с поли-£-капроамидом в гексане

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х 10"3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

6 5,6 0,2 0,1

33 10,9 0,2 0,1

75 19,9 0,4 0,2

85 22,6 0,3 0,2

98 27 0,2 0,1

Таблица Г.2 - ПСЧЭ №2 с поли-е-капроамидом в гексане

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х 10"3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

6 4,1 0,3 0,2

33 7,7 0,4 0,2

75 15,2 0,7 • 0,4

85 17,4 0,6 0,3

98 21,2 0,5 0,3

Таблица Г.З - ПСЧЭ №3 с поли-£-капроамидом в гексане

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х 10'3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

6 4,3 0,2 0,1

33 8,8 0,4 0,2

75 17,1 0,3 0,2

85 20,0 0,5 0,3

98 24,9 0,4 0,2

Таблица Г.4 - ПСЧЭ №1 с поли-£-капроамидом в бензоле

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10'3 Оценка СКО, отн. ед. х Ю-3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х Ю-3

0 0 0 0

12 8,0 0,7 0,4

33 16,6 1,7 1

59 34,4 1,4 0,8

85 51,8 2 1,1

98 61,5 2,1 1,2

Таблица Г.5 - ПСЧЭ №2 с поли-£-капроамидом в бензоле

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х Ю-3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

12 7,9 1,4 0,8

33 17,4 1,9 1,1

59 35,9 1,9 1,1

85 52,8 2,7 1,5

98 62,3 2,1 1,1

Таблица Г.6 - ПСЧЭ №3 с поли-£-капроамидом в бензоле

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х 10"3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

12 7,6 1,1 0,6

33 16,2 1,1 0,6

59 35,7 1,6 0,9

85 51,5 2,4 1,3

98 60,4 2 1,1

Таблица Г.7 - ПСЧЭ №1 с поли-Е-капроамидом в толуоле

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х Ю-3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

12 7,1 1,2 0,7

33 16,9 1,3 0,7

59 30,8 1,1 0,6

85 50,3 2,3 1,3

98 58,4 2,2 1,2

Таблица Г.8 - ПСЧЭ №2 с поли-£-капроамидом в толуоле

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10'3 Оценка СКО, отн. ед. х 10"3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

12 6,7 0,9 0,5

33 17,0 1,4 0,8

59 29,1 1,2 0,7

85 51,0 1,9 1,0

98 57,3 1,8 1,0

Таблица Г.9 - ПСЧЭ №3 с поли-£-капроамидом в толуоле

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х 10"3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

12 7,5 1,3 0,7

33 17,6 1,4 0,8

59 30,1 1,4 0,8

85 52,4 2,5 1,4

98 59,1 2,2 1,2

Таблица Г. 10 - ПСЧЭ №1 с силикагелем в гексане

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х 10"3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 • 0

6 14,0 1,1 0,6

12 16,2 0,7 0,4

33 20,2 0,9 0,5

59 25,2 0,6 0,3

85 20 0,6 0,3

98 29,7 0,6 0,3

Таблица Г.11 - ПСЧЭ №2 с силикагелем в гексане

Относительная влажность, % Оценка МО, отн. ед. х 10"3 Оценка СКО, отн. ед. х 10"3 Доверительный интервал для оценки МО, отн. ед. х 10"3

0 0 0 0

6 19 1 0,6

12 21,3 0,8 0,4

33 27,3 0,8 • 0,4

59 30,3 0,9 0,5

85 33,9 0,8 0,4

98 34,7 0,7 0,4

Структурная схема аппаратно-программного комплекса

ФНЧ УНЧ

- фильтр низкой частоты;

- усилитель низкой частоты.

Приложение Е (рекомендуемое) Принципиальная схема первичного измерителя

Блок-схема управляющей программы макета аппаратно-программного

комплекса

Остановка программы: по ручному перезапуску возвратиться к месту проявления ошибки и попробовать снова

Остановка программы: по ручному перезапуску начать с начала программы

вычисление

влажности

с учетом

температуры

Проверяется отсутствие резких колебаний температуры измеряемой среды

Частота сравнивается с учетом параметров, вычисленных при юстировке

вывод влажности

Необходимо для лучшего восприятия измеряемой величины наблюдателем

Сборочные чертежи печатных плат макета аппаратно-программного комплекса

• ус 7• •

/л р V

> р 7Л

*

> • •

• УУ - А

•

■ •

• • • •

г и • Б сиг""

•

Г— !-1

• *—» •

• В14 * • • • «-> 1Г* • Щ ^Ч ' > 4 ч-

ф Ф

— Пг д • ¡з • • V О" . — • ,—. Р4Р мСП •

«8Г н • •

• # • • •

к.З * • к4 • О ¡О •

С С ¿- 1 • ст з

а) б)

Рисунок И.1 - Сборочный чертеж измерительного преобразователя:

а) вид сверху, б) вид снизу

ЕГО

, V V V V" V >» > ^ .

п и

I ' ;

} I i 1-

НТТТТТТТ7! си

' V А. А. Л. Л. А Ау Л У ^ ' '

:. ''.11. -П

» И I-1

о

Г • /- • ■ \

V V л

-с?" I I 3 *

т

\

V

!СО

ооэооозз

•__1*_II_(I__¡1__Й_¡МЫ

т-щ 1Г-Щ т -ч ш-ш

' ! ^ п Й п 'I 1! I ! И И й й •« Н ' ¡_и {_!_' 1_11_!_*

О

Рисунок И.2 - Сборочный чертеж блока вычислений

Демонстрация работы макета аппаратно-программного комплекса

Рисунок К.1 — Макет аппаратно-программного комплекса с подключенными датчиками, находящимися в воздухе, а также частотомер, подключенный к выходу измерительного преобразователя

Рисунок К.2 - Макет аппаратно-программного комплекса с подключенными датчиками, находящимися в бензоле, а также частотомер, подключенный к выходу измерительного преобразователя

Рисунок К.З - Подключение ПСЧЭ и кварцевого резонатора к схемам

генераторов

Копия заключения о возможности использования результатов диссертационной

о возможности использования результатов диссертационной работы Мазур В. Г. на тему: «Аппаратно-программный комплекс для непрерывного контроля влажности органических жидкостей».

Представленные в работе результаты исследований позволяют осуществлять автоматизированный контроль влажности органических жидкостей и могут быть использованы на НПЗ ОАО «А.НХК» при проведении анализа влагосодерясания продуктов нефтепереработки на установке ГК-3 блока АТ цеха №11 линии 91.

работы на комбинированной установке ГК-3 НПЗ ОАО «АНХК»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Зверьков И.В.