Средства измерений 40 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 УДК 621:53.08 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД Воробей Р.И.1, Гусев О.К.1, Жарин А.Л.1, Кузьминский Ю.Г.2, Свистун А.И.1, Тявловский А.К.1, Тявловский К.Л.1, Шилько С.В.2 1 Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь 2 Институт механики металлополимерных систем НАН Беларуси, г. Гомель, Республика Беларусь Для разработки многофункционального измерительного преобразователя концентрации и типа раствора в технологическом трубопроводе использована методология измерений параметров объектов в неопределенных состояниях. Показано, что режимы измерений концентрации и типа раствора могут быть реализованы в одном одноэлементном кон- дуктометрическом преобразователе при условии адаптивного управления режимами возбуждения электродной системы. Разработаны алгоритмы многопараметрических измерений и конструкция многофункционального измерительного преобразователя па- раметров жидких технологических сред, реализующего адаптационную методику изме- рений параметров объектов в неопределенных состояниях. (E-mail: nil_pt@bntu.by) Ключевые слова: многопараметрические измерения, одноэлементный преобразователь, кондук- тометрия, концентрация раствора, тип раствора. Введение Управление рядом технологических про- цессов предприятий перерабатывающей про- мышленности связано с определением пара- метров состава жидких технологических сред в заданных точках технологического маршрута в реальном масштабе времени [1]. К таким пара- метрам в первую очередь относят концентра- цию и тип растворенного вещества в водном растворе. В качестве растворенных веществ могут выступать электролиты (кислоты, ще- лочи, соли), а также основной продукт произ- водства, проталкиваемый по трубопроводу порцией воды. При этом объект технологиче- ского контроля представляет собой последова- тельность несмешиваемых доз растворов раз- личного типа. Объект движется по длинному разветвленному трубопроводу и в априорно неизвестной очередности омывает электроды чувствительного элемента. В этих случаях из- мерение концентрации без знания типа рас- твора может сопровождаться грубыми погреш- ностями, связанными с различием градуиро- вочной характеристики преобразователя для различных типов электролитов. Величина этой погрешности при ошибочном определении типа раствора может превышать допускаемые зна- чения в два и более раз [2]. Корректное опреде- ление типа и концентрации технологического раствора является необходимым условием для организации процесса мойки технологического оборудования, определения возможности сбро- са нейтрализованных стоков в канализацию, разделения сред при приемке продукта и дру- гих технологических операций. Постановка задачи Для контроля параметров жидких техноло- гических сред традиционно используются кон- дуктометрические методы измерения, как наи- более простые в реализации [2]. В качестве входного измерительного сиг- нала первичного измерительного преобразова- теля X(j) используется импеданс z(j) между из- мерительными электродами кондуктометриче- ской ячейки, погруженными в электролит. Кондуктометрические измерения концентрации раствора электролита основаны на использова- нии функциональной зависимости тока актив- ной проводимости iR и концентрации С: Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 41 ),()(1 СfСUki RR   (1) где iR – активная составляющая электрического тока через два электрода, образующих электри- ческий контакт с объектом измерений, k – пос- тоянная ячейки, UR – падение напряжения на активном сопротивлении между электродами,  – удельная электрическая проводимость (УЭП) раствора. Задание функции f(С) осуществляется по- средством установления градуировочной ха- рактеристики, определяемой типом раствора, подлежащего измерениям. Для определения типа раствора (параметра j) с использованием кондуктометрической ячейки применяется анализ динамических вольт- амперных характеристик (потенциодинамичес- ких кривых), реализуемых при подаче на элек- троды ячейки линейно возрастающего напря- жения [3]. Потенциодинамическая кривая в общем случае включает три четко разграничен- ных участка: I – участок ионизации водорода, характеризующийся быстрым ростом поляриза- ционного тока; II – участок идеальной поляри- зуемости, в пределах которого основная доля перенесенного заряда идет на заряжение двой- ного электрического слоя, что приводит к ста- билизации уровня тока; III – участок электро- лиза воды, характеризующийся резким ростом тока (рисунок 1). Определение типа раствора осуществляется путем измерения мгновенного значения тока динамической поляризации при характеристическом напряжении Uх. Рисунок 1 – Вид потенциодинамической кривой двух различных растворов при скорости развертки напряжения 0,05 В/с: I – участок ионизации водорода; II – участок идеальной поляризуемости; III – участок электролиза воды При практической реализации анализа по- тенциодинамических кривых следует учиты- вать, что характеристики двойного электриче- ского слоя зависят от предыстории («биогра- фии») электродов датчика, которая определяют состояния их поверхности. Для исключения влияния предыстории измерений в измеритель- ном преобразователе используется запомина- ние значения поляризационного тока воды [4]. При традиционной реализации контроля параметров жидких технологических сред ука- занными методами требуется наличие отдель- ных преобразователей типа и концентрации раствора, устанавливаемых на некотором рас- стоянии друг от друга с целью исключения вза- имного влияния [1, 2, 4]. Помимо усложнения конструкции измерительной системы (необхо- димость двух раздельных измерительных кана- лов, двух врезок в технологический трубопро- вод), это приводит к возникновению дополни- тельной погрешности, связанной с неоднород- ностью состава перекачиваемой по трубопро- воду среды, вследствие чего концентрация и тип раствора в месте установки измерительных преобразователей могут отличаться. Решение данной проблемы может основываться на ис- пользовании универсального измерительного преобразователя, обеспечивающего определе- ние как концентрации, так и типа раствора. Од- нако до настоящего времени сведения о таких преобразователях в литературе отсутствуют. Целью данной работы являлась разработка многофункционального измерительного преоб- разователя параметров жидких технологиче- ских сред, обеспечивающего предварительное определение типа раствора и последующее из- мерение его концентрации. Многофункциональный измерительный преобразователь В наиболее распространенных задачах тех- нологического контроля [1, 3] реализуется дос- таточно простой случай, когда объект изме- рений может находиться в одном из трех мет- рологических состояний X(j): когда чувстви- тельный элемент взаимодействует с электроли- том первого типа (j = 1), второго типа (j = 2) и водой (j = 3). Измеряемой физической величи- ной является концентрация электролита x(j) = C(j) в j-м состоянии объекта измерений. Информативным параметром входного из- мерительного сигнала a0[C (j)], содержащим ин Средства измерений 42 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 формацию об измеряемой физической вели- чине – концентрации электролита – является активная составляющая импеданса измери- тельной ячейки R. Информативным параметром входного сигнала aS[ (j)], содержащим инфор- мацию о состоянии объекта измерений (j), яв- ляется емкостная составляющая импеданса, обусловленная динамической поляризацией измерительных электродов сg [3]. Отметим, что емкостная составляющая тока кондуктометри- ческой ячейки при низких (менее порога раз- ложения электролита) напряжениях в классиче- ских базовых методах измерений является вли- яющей величиной, ограничивающей точность измерений концентрации. В результате влияние емкостной составляющей импеданса в тради- ционных методах измерений концентрации, как правило, минимизируют конструктивными ме- тодами. Выходным измерительным сигналом базо- вого метода кондуктометрических измерений для гармонического измерительного воздей- ствия U(t) является ток кондуктометрической ячейки i(t): .)(][)( )()()( 1 ztUCFFtiY jjj (2) Выходной измерительный сигнал тока Y(j) содержит два информативных параметра. Пер- вый информативный параметр b0 (j)[X(j)] = i(j)R представляет собой активную составляющую тока, несущую информацию о размере измеря- емой физической величины C(j):     ).()(Ф )()(1)()()()()(0 jjjjjRjj CCtUkCFFiCb   (3) Второй параметр, являющийся неинформа- тивным в базовом методе измерений, представ- ляет собой составляющую тока динамической поляризации в заданный момент времени t* развертки напряжения и содержит информацию о типе электролита в трубопроводе [5]:   .)(),(,),()( )(0*)(*)()(     tdttS dt dU titib jjp j p j S (4) Данный параметр является непосред- ственно измеряемой величиной и выбран в ка- честве параметра состояния S:    )()()( Ф jjjS CFFbS  . (5) Измеренное значение параметра состояния позволяет определить индекс состояния объ- екта посредством функционала : )(Ф Sj  . (6) В случае нескольких (ограниченного коли- чества) возможных состояний объекта доста- точно установить диапазоны пороговых значе- ний Sj = iр пор(t*), нахождение в которых является критерием принадлежности объекта к соответ- ствующему состоянию [6, 7]. Измерение значе- ния концентрации электролита в идентифици- рованном состоянии осуществляется с исполь- зованием обратного преобразования (градуиро- вочной характеристики)    )(1)()( Ф jRjj iFFC  . (7) Таким образом, анализ входного сигнала одноэлементного кондуктометрического пре- образователя на основе методологии многопа- раметрических измерений и односигнальной адаптационной модели взаимодействия элек- тролита априорно неизвестного (из конечного перечня заранее заданных) состава с чувстви- тельными элементами кондуктометрического преобразователя позволяет разделять пара- метры сигнала, несущие информацию о типе и концентрации раствора. Критерием разделения служит режим возбуждения электродной си- стемы кондуктометрического преобразователя [7, 8]. Для оценки практической применимости полученных результатов было выполнено ма- тематическое моделирование контактной кон- дуктометрической ячейки, работающей в ре- жимах измерения тока проводимости и тока динамической поляризации. Результаты моде- лирования показали, что оба режима могут быть реализованы при одном и том же значе- нии геометрической постоянной кондуктомет- рической ячейки, т.е. при одной и той же кон- струкции электродной системы преобразова- теля. Экспериментальные исследования макет- ных образцов измерительных преобразовате- лей, построенных с учетом результатов матема- тического моделирования, подтвердили воз- можность использования одного одноэлемент- ного измерительного преобразователя для определения как типа, так и концентрации рас- твора электролита при изменении режима воз- буждения электродной системы. Таким обра Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 43 зом, создание многофункционального измери- тельного преобразователя сводится к задаче изменения режимов возбуждения электродов кондуктометрической ячейки и переключению режимов работы входного усилителя в зависи- мости от метрологического состояния объекта и метрологической задачи. Рисунок 2 – Алгоритм работы одноэлементного многофукционального измерительного преобразова- теля параметров жидких технологических сред Алгоритм измерения параметров жидких технологических сред с использованием одно- элементного многопараметрического преобра- зователя и односигнальной адаптационной мо- дели взаимодействия объекта и средств изме- рений будет иметь структурную схему, пред- ставленную на рисунке 2. Отличительной осо- бенностью алгоритма является осуществление части операций моделирования объекта на эта- пе измерительного эксперимента с использова- нием измерительной информации, содержа- щейся в единственном сигнале базового метода измерений. Следует отметить, что примени- мость данной методологии ограничена требо- ванием к числу состояний, в которых может находиться объект измерений в процессе реше- ния измерительной задачи [8]. В данном случае число состояний определяется числом типов растворов с различающимися видами характе- ристик динамической поляризации. Практическая реализация алгоритма, при- веденного на рисунке 2, требует использования микроконтроллера для адаптационного управ- ления режимами работы измерительного пре- образователя и анализа многопараметрического измерительного сигнала. Учитывая зависи- мость величин z в выражении (2) и ε(t) в выра- жении (4) от температуры раствора, управляю- щий контроллер дополнительно осуществляет измерение температуры для внесения необхо- димых коррекций в результаты измерений. Схема одноэлементного многопараметри- ческого преобразователя концентрации и типа раствора, реализующего приведенный на ри- сунке 2 алгоритм, показана на рисунке 3. В ка- честве управляющего контроллера использован микроконтроллер типа AVR (ATMega 16) со встроенным модулем аналого-цифрового пре- образователя (АЦП). Генерация напряжения динамической поляризации электродов в начальном режиме определения типа раствора выполняется в контроллере ATtiny методом цифрового табличного синтеза формы генери- руемого напряжения (DDS) [9] при скорости развертки до 0,05 В/с. Работа анализатора типа раствора координируется выходным сигналом информационного канала измерения концен- трации в предыдущем цикле измерения. После определения типа раствора на малой концен- трации С0 при изменении типа электролита от состояния «вода» к типу j происходит переклю- чение генератора DDS из режима формирова- ния пилообразного напряжения в режим фор Средства измерений 44 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 мирования синусоидального напряжения с ча- стотой порядка 8 кГц, что соответствует пере- ходу от режима анализа тока динамической по- ляризации к анализу тока проводимости. При концентрации раствора в технологическом тру- бопроводе ниже уровня С0 (задается програм- мно и не должно быть меньше 0,005 % по усло- виям разделения параметров сигнала) произво- дится запоминание уровня поляризации «во- ды». Длительность процесса определения типа раствора не превышает 0,5 с. Для большей надежности повторное определение типа рас- твора может производиться на протяжении не- скольких циклов. Затем работа анализатора типа раствора блокируется до следующего па- дения концентрации ниже С0 с тем, чтобы ис- ключить влияние на результаты анализа про- цессов специфической адсорбции поверх- ностно-активных ионов из раствора [5], а изме- рительный преобразователь переходит в режим измерения концентрации (рисунок 4) с под- ключением функциональной зависимости про- водимости от концентрации, реализуемой в ви- де табличной функции, для определённого типа электролита. Температурная компенсация осуществля- ется табличным методом, причем использова- ние адаптационной односигнальной модели взаимодействия объекта и средств измерений позволило повысить точность компенсации по сравнению с базовым методом измерения [4] за счет использования различных таблиц в зави- симости от типа раствора и диапазона измере- ния. Непосредственно регулирование темпера- турной зависимости сигнала проводимости осу- ществляется изменением глубины обратной связи преобразователя ток – напряжение. В ка- честве регулирующего элемента используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), что обеспечивает высокую точность компенсации, ограниченную шумами квантования ЦАП и по- грешностью определения функции температур- ной зависимости (погрешностью составления таблицы коррекции температурной зависимо- сти), хранящейся в запоминающем устройстве (ЗУ) контроллера. Рисунок 3 – Функциональная схема одноэлементного многопараметрического измерительного преобразователя концентрации и типа раствора Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 45 Рисунок 4 – Алгоритм измерения концентрации раствора Использование цифровых методов в кон- турах регулирования характеристик способ- ствовало повышению стабильности выходных параметров прибора. Незначительная нелиней- ность характеристики преобразования датчика автоматически компенсируется цифровым таб- личным методом. Для компенсации концентра- ционной зависимости используются различные таблицы коррекции кода результата в зависи- мости от диапазона измерения и типа раствора. При этом на диапазоне измерения малых зна- чений концентрации учитывается проводи- мость чистой воды. Выбор необходимых таб- лиц температурной и концентрационной ком- пенсации осуществляется контроллерами дат- чика и измерителя концентрации на основе анализа состояния дешифратора сигналов упра- вления и предела измерения. Измерительный преобразователь обеспечи- вает возможность подключения к базовому блоку исполнительных устройств, срабатыва- ние которых должно происходить при дости- жении концентрацией раствора заранее уста- новленных пороговых значений, для каждого типа раствора раздельно. При необходимости перехода на другую совокупность типов раствора и/или первичного измерительного преобразователя проводимости не требуется изменения электрической схемы прибора. Измерительный преобразователь обе- спечивает совместимость с большим числом типов датчиков температуры, гибкую перена- стройку и модификацию функциональных ха- рактеристик применительно к особенностям конкретного технологического процесса. Заключение 1. Применение методологии измерений параметров объектов в неопределенных состо- яниях к измерениям типа и концентрации рас- творов электролитов в технологических трубо- проводах позволило установить возможность разделения параметров сигнала кондуктомет- рического измерительного преобразователя в схеме односигнальных многопараметрических измерений. Разделение параметров сигнала, оп- ределяемых типом раствора и его концентра- цией, возможно за счет использования различ- ных режимов возбуждения электродной си- стемы кондуктометрической ячейки, а именно возбуждения линейно изменяющимся напря- жением со скоростью развертки порядка 0,05 В/с при определении типа раствора и воз- буждения переменным синусоидальным напря- жением с частотой порядка 8 кГц при изме- рениях концентрации. 2. На основе результатов математического моделирования и экспериментальных иссле- дований определено, что обоснованные с по- мощью использованной методологии режимы измерения токов активной проводимости и ди- намической поляризации могут быть реализо- ваны в одной конструкции кондуктометричес- кой ячейки, что позволяет создать одноэлемен- тный многофункциональный измерительный преобразователь типа и концентрации раствора, заменяющий два раздельных преобразователя в базовой методике измерений. 3. Реализация односигнальных многопара- метрических измерений параметров жидких технологических сред потребовала разработки нового адаптационного алгоритма измерений типа и концентрации раствора, отличительной особенностью которого является осуществле- ние части операций моделирования объекта на этапе измерительного эксперимента с исполь- зованием измерительной информации, содер Аналого-цифровое преобразование Средства измерений 46 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 жащейся в единственном сигнале базового ме- тода измерений. 4. Алгоритм и методика многопараметри- ческих измерений параметров жидких техноло- гических сред реализованы в конструкции из- мерительного преобразователя, работающего под управлением микроконтроллера семейства AVR. Использование цифрового метода генера- ции сигналов возбуждения электродной систе- мы чувствительного элемента и программной обработки измерительного сигнала на основе адаптационного алгоритма обеспечивают уни- версальность разработанного измерительного преобразователя, и возможность его сравни- тельно простой адаптации для решения других сходных измерительных задач. Список использованных источников 1. Брусиловский, Л.П. Приборы технологичес- кого контроля в молочной промышленности : справочник / Л.П. Брусиловский, А.Я. Вайн- берг. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Аг- ропромиздат, 1990. – 288 с. 2. Грилихес, М.С. Контактная кондуктометрия: Теория и практика метода / М.С. Грилихес, Б.К. Филановский. – Л. : Химия, 1980. – 176 с. 3. Гусев, О.К. Идентификация растворов в тех- нологических трубопроводах на основе яв- ления динамической поляризации / О.К. Гу- сев // Измерительная техника. – 2004. – № 7. – С. 60–62. 4. Гусев, О.К. Система метрологического обес- печения технических измерений параметров состава электролитов / О. К. Гусев. – Минск : БНТУ, 2004. – 199 с. 5. Воробей, Р.И. Определение типа и концен- трации растворов электролитов на основе ана- лиза потенциодинамических кривых / Р.И. Во- робей, О.К. Гусев, В.П. Киреенко [и др.] // Вестник БНТУ. – 2003. – № 2. – С. 48–53. 6. Гусев, О.К. Методология и средства измере- ний параметров объектов с неопределенными состояниями / О.К. Гусев [и др.]; под общ. ред. О.К. Гусева. – Минск : БНТУ, 2010. – 582 с. 7. Гусев, О.К. Моделирование методов и средств многопараметрических измерений на основе одноэлементных первичных преобразовате- лей / О.К. Гусев, Р.И. Воробей, А.И. Свистун [и др.] // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2009. – № 7. – С. 33– 37. 8. Воробей, Р.И. Алгоритм неразрушающего кон- троля изделий с прецизионными поверхнос- тями на основе методологии измерения па- раметров объектов с неопределёнными сос- тояниями / Р.И. Воробей, О.К. Гусев, А.В. Ду- баневич [и др.] // Метрология и приборо- строение. – 2012. – № 2. – С. 29–36. 9. Волович, А. Генератор сигналов произвольной формы / А. Волович // Схемотехника. – 2001. – № 3. – С. 2–3. Vorobey R.I., Gusev O.K., Zharin A.L., Kuzminsky Yu.G., Svistun A.I., Tyavlovsky A.K., Tyavlovsky K.L., Shilko S.V. The multifunction measuring converter for monitoring of liquid technological media The multifunctional sensor of solution type and concentration in a technological pipeline is developed on a basis of the methodology of measurements of parameters of objects with indefinite states. Theoretical and experimental results demonstrate that both concentration measurement and solution type definition modes can be realized in a single one-element sensor. Adaptive control of excitation regimes of sensor’s electrodes is needed to ensure single-signal measurements. Algorithms of measurements and construction of a measuring device for multiparameter measurements of liquid media properties utilizing adaptive technique of measurements of parameters of objects with indefinite states are developed. (E-mail: nil_pt@bntu.by) Key words: multiparameter measurements, one-element sensor, conductance measurements, solution concentration, solution type. Поступила в редакцию 15.10.2012.