Метод снижения динамической погрешности кулонометрического гигрометра циклического действия

УДК 519.876.5

О.А. Урюпина, И.Л. Ильина, Д.К. Бородкин, Б.Ф. Кузнецов

МЕТОД СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОГО ГИГРОМЕТРА ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Рассмотрен метод снижения динамической погрешности кулонометрического гигрометра циклического действия на примере преобразователя «Енисей», разработанного Ангарским ОКБА. Приведена аппроксимация экспериментальных данных теоретической зависимостью тока электролиза от времени.

Измерительный преобразователь циклического действия; измерения влаги

O.A. Urupina, I.L. Ilyina, D.K. Borodkin, B.F. Kuznetsov

METHOD OF REDUCING THE DYNAMIC ERROR COULOMETRIC HYGROMETER CYCLIC ACTION

The paper presents a method of reducing the dynamic error coulometric hygrometer cyclic action on the example converter «Yenisey», developed Angarsk OKBA. Shows the approximation of experimental data the theoretical dependence of the current electrolysis of time.

The transmitter of cyclic action; moisture measurement

Увеличение доли аналитических измерений в химической и в нефтехимической промышленности вызвано необходимостью перехода управления по параметрам состава и качества веществ, участвующих в технологическом процессе.

Аналитические измерения, как правило, явились прерогативой лабораторного анализа, однако современные требования к эффективности управления технологическими процессами приводят к необходимости включения аналитических проборов непосредственно в контур регулирования. Такое применение аналитического прибора в значительной степени изменяет требования к его метрологическим характеристикам. В частности, динамическая погрешность измерения практически не имеет смысла при лабораторном анализе, но при использовании прибора непосредственно для измерения технологического параметра в режиме реального времени этот параметр приобретает первостепенное значение.

Примером преобразователя может служить гигрометр «Енисей», разработанный Ангарским ОКБА. Необходимость этого прибора вызвана тем, что кулонометрический метод измерения влажности газов, имеющий уникальные возможности, не может быть использован для измерения влажности тех газов, которые химически реагируют с продуктами электролиза воды. К числу этих газов можно отнести сероводород, фосфины, моносилан и их смеси с водородом и инертными газами. Дело в том, что указанные газы легко вступают во взаимодействие c кислородом, образующимся при электролизе воды в чувствительном элементе. В результате этого взаимодействия образуется «вторичная вода», что приводит к неопределенности измерения влаги. Кроме того, продукты реакции гидрида загрязняют сорбент и тем самым сокращают срок службы чувствительного элемента.

Был предложен способ измерения влаги в гидридах на основе кулонометрического метода, реализованный в гигрометре «Енисей». Сущность метода заключается в том, что измерение влаги производится циклами. Каждый цикл измерения включает следующие процессы [1]:

1. Продувка чувствительного элемента инертным газом для удаления газообразного кислорода.

2. Продувка чувствительного элемента заданным объемом анализируемого газа. Влага, содержащаяся в анализируемом газе, поглощается пленкой частично гидратированного Р2О5, не подвергаясь электролизу, так как напряжение на электродах отсутствует (процесс накопления).

3. Вымывание инертным газом анализируемого газа из канала чувствительного элемента.

4. Подключение напряжения к электродам чувствительного элемента и электролиз накопленной влаги (процесс преобразования).

Далее цикл повторяется. Последовательность процессов в цикле исключает взаимодействие анализируемого газа с продуктами электролиза воды.

Цикличность процесса измерения приводит к появлению динамической погрешности преобразователя, вызванной тем, что дискретный процесс лишь приближенно повторяет непрерывный процесс на входе в преобразователь. Эта погрешность тем больше, чем длительнее цикл работы прибора, включающий время накопления и время измерения (рис. 1) [2]. Длительность процесса накопления зависит в основном от допустимой статической погрешности измерения. Уменьшение времени измерения (процесса электролиза накопленной влаги) также резко увеличивает статическую погрешность.

Измеряемая

измерения

Рис. 1. Временная диаграмма работы измерительного преобразователя циклического действия

Для получения экспериментальной зависимости тока электролиза от времени (статической характеристики преобразователя) была собрана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 2. Сухой газ из баллона 1 проходит через стабилизатор расхода 2 и делится на два потока. Один поток подается на образцовый генератор влажности «Родник» 3, принцип работы которого заключается в насыщении газа влагой при повышенном давлении и стабильной температуре с последующим понижением давления до рабочего давления преобразователей влажности. Другой поток проходит через осушитель 4 и смешивается с увлажненным газом. Давление влажного воздуха контролируется манометром, а влажность - кулонометрическим гигрометром «Байкал» 11. Затем анализируемый газ поступает на два последовательно включенных кулонометрических чувствительных элемента. Первый кулонометрический чувствительный 5 элемент является измерительным. Питание к нему подается через ключ. В цепь питания включены микроамперметр 8 и шунт, напряжение с которого может подаваться на автоматический потенциометр типа КСП 7. Второй кулонометрический чувствительный 6 элемент является контрольным и служит для контроля полного поглощения влаги первым чувствительным элементом. В цепь ее питания включены также микроамперметр 8 и шунт с подключенным к нему автоматическим потенциометром 7. Пневмотумблер 9 позволяет перекрывать поток расход газа. Ротаметр 10 служит для контроля расхода газа.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

Эксперимент проводился следующим образом. Генератором влажности «Родник» задавалась требуемая влажность газа. После того как режим стабилизировался, фиксировалось значение тока первого чувствительного элемента. После этого поток анализируемого газа прерывался пневмотумблером. Напряжение питания к кулонометрическому чувствительному элементу оставалось подключенным и происходил процесс разложения накопленной влаги в сорбенте до величины тока электролиза Imin, не превышающей 20^50 мкА, что составляет не более 1,5% от первоначального значения тока и соответствует концентрации влаги в сорбенте а0=6,8 ppm. Затем одновременно открывался поток газа, отключалось напряжение от первого кулонометрического чувствительного элемента и включался секундомер. При этом необходимо наблюдение за током второго чувствительного элемента, чтобы исключить проскок влаги через первый чувствительный элемент.

По истечении заданного времени накопления подключался источник питания к первому чувствительному элементу и ток процесса электролиза регистрировался автоматическим потенциометром. Время электролиза выбиралось таким, чтобы ток чувствительного элемента достиг значения Imn, установленного до начала процесса накопления. После этого цикл измерения повторялся для второго, а затем и третьего значения времени накопления. Эксперимент проводился при различных значениях влажности анализируемого газа.

На рис. 3 в качестве примера результатов эксперимента приведены зависимости тока электролиза от времени измерения.

Тн= 2 мин

,

Тн=3 мин

Рис. 3. Результаты эксперимента зависимости тока электролиза от времени измерения

Можно выделить три основные составляющие погрешности преобразователя циклического действия [2]:

— составляющая, обусловленная усреднением;

— составляющая, обусловленная задержкой выходного сигнала;

— составляющая, обусловленная наличием времени, когда происходит электролиз воды и преобразователь не воспринимает входной сигнал (время преобразования, «мертвое время»).

Авторами предлагается следующий способ уменьшения динамической погрешности. Из указанных трех составляющих можно уменьшить только вторую составляющую. Задержка выходного сигнала складывается из времени накопления и времени преобразования. Поскольку уменьшение времени накопления (времени поглощения влаги сорбентом) из-за роста статической погрешности недопустимо, остается только пытаться уменьшить время извлечения влаги (время преобразования). Простое уменьшение времени преобразования также недопустимо, т.к. не вся вода успеет подвергнуться электролизу и результат измерения нельзя считать достоверным.

В [3] показано, что зависимость тока электролиза от времени подчиняется зависимости

ч 2

I=^4т,

I М

где т - время, через которое амплитуда тока уменьшится в четыре раза по сравнению с начальным значением !(,.

Было сделано предположение, что если определить параметры зависимости (1) не после окончания электролиза, а во время его протекания, и путем интегрирования выражения (1) определить суммарный заряд q и, соответственно, содержание влаги в газе раньше, можно сократить тем самым время преобразования и уменьшить динамическую погрешность.

Из экспериментальных значений выбирались первые 2, 3, 4 и т.д. отсчета и осуществлялись указанные выше расчеты.

Рис. 4. Погрешность определения заряда по результатам эксперимента

С каждым новым значением силы тока будут уточняться коэффициенты (1) и содержание влаги.

Для получения более полной картины была проведена серия численных экспериментов. На кривую тока электролиза (1) накладывалась аддитивная помеха, распределенная по нормальному закону. Рассчитывались коэффициенты (1) по первым 2, 3 и т.д. отсчетам и также проводились расчеты. Эксперименты проводились при различных дисперсиях сигнала помехи от 0,001 до 0,03 от значения 10. Число параллельных опытов 1000. На рис. 5 приведены результаты одного из численных экспериментов.

Из рисунка видно, что результат измерения практически без потери точности можно получить по истечении половины времени преобразования.

Рис. 5. Погрешность определения заряда по результатам численного эксперимента

Точный анализ динамической погрешности и анализ уменьшения за счет снижения времени измерения выполнить достаточно сложно. Для решения этой задачи в первом приближении воспользуемся выражением динамической погрешности для непрерывной модели, приведенным в [2]:

Б? + 2В1 ехрГ — В + 3В'] — 2В1 ехрГ — В В'] + 2 ехр(— В1)+ 2В1 — 2

Д2НН

Б12

где В1 = аТ и В2 = аТ2 - безразмерные коэффициенты.

Выражение (2) получено исходя из предположения, что передаточная функция всей модели будет определяться выражением [4]:

W (ja) =

[1 - exp

jaTl

а на входе действует стационарный случайный процесс, нормированная функция спектральной плотностью мощности которого имеет вид

2а

Sx («) =

2 2 а +а

где а - параметр входного случайного процесса.

Влияние уменьшения времени запаздывания на суммарную динамическую погрешность, рассчитанное на основании выражения (2), приведено на рис. 6. Однако следует учитывать, что такой подход строится на ряде допущений [2], и более строгий анализ требует разработки точной имитационной модели.

Рис. 6. Суммарная динамическая погрешность

Таким образом, предлагаемый метод уменьшения динамической погрешности кулонометрического гигрометра позволяет повысить метрологические характеристики измерительного преобразователя за счет введения дополнительных вычислительных процедур в программное обеспечение микропроцессорного управляющего устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Циклический кулонометрический метод измерения микроконцентраций влажности в газах / Б.Ф. Кузнецов, Р. Л. Пинхусович, И. Л. Ильина, А.К. Семчевский // Приборы. 2001. № 5. С. 32-35.

2. Кузнецов Б.Ф. Метод расчета динамической погрешности измерительных каналов АСУТП с преобразователями циклического действия / Б.Ф. Кузнецов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005. № 7. С. 48-50.

3. Кузнецов Б.Ф. Математическая модель динамической погрешности измерительного преобразователя циклического действия / Б.Ф. Кузнецов, Р.Л. Пинхусович, И.Л. Ильина // Известия Восточно-Сибирского отделения метрологической академии. Вып. 2. Иркутск, 2001. С. 5-9.

4. Вашны В. Динамика измерительных цепей / В. Вашны; пер. с нем. Р.Я. Сыропятовой; под.ред. Р.Р. Харченко. М.: Энергия, 1969. 285 с.

Урюпина Оксана Анатольевна -

старший преподаватель кафедры «Вычислительные машины и комплексы» Ангарской государственной технической академии

Ильина Ирина Львовна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизация и электроснабжение

Oksana A. Urupina -

Senior Lecturer

Department of Computers and Systems Angarsk State Technical Academy

Irina L. Ilyina -

Ph.D., Associated Professor

Department of Automation and electricity industries

промышленных предприятий»

Ангарской государственной технической академии

Бородкин Дмитрий Константинович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная электроника и информационно-измерительная техника» Ангарской государственной технической академии

Кузнецов Борис Федорович -

доктор технических наук, профессор, декан факультета технической кибернетики, Ангарской государственной технической академии

Angarsk State Technical Academy

Dmitry K. Borodkin -

Ph.D., Associated Professor The Department of Industrial Electronics and Instrumentation Engineer Angarsk State Technical Academy

Boris F. Kuznetsov -

Dr., Professor,

Dean of the Faculty of Technical Cybernetics, Angarsk State Technical Academy

Статья поступила в редакцию 12.01.12, принята к опубликованию 04.06.12