Способ дистанционного измерения толщины слоя органической фазы на поверхности водных растворов в технологических аппаратах химической промышленности и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической промышленности и предназначено для дистанционного определения толщины органической фазы на поверхности технологических растворов. Техническим результатом является расширение диапазона измерений, повышение помехозащищенности. Результат достигается тем, что в каждый полупериод одной полярности напряжения определяют среднее значение сигнала, запоминают полученное значение и в следующий полупериод сравнивают его с результатом предыдущего измерения того же параметра, определяя момент перехода границ фаз по его величине приращения, причем переменное напряжение имеет частоту f_n, кратную с частотой сетевого напряжения f_c и равную f_n=f_c/2n, где n≥1 - цельное число, равное n ≈ 6·f_c·R·C_л, где C_л - собственная емкость линии связи, R - резистор, через который переменное напряжение подают на электрод. Устройство содержит синхронный детектор, его вход подключен к электроду, а выход - к интегратору, у которого параллельно с интегрирующей емкостью подключен первый электронный ключ, подсоединенный по выходу через второй электронный ключ к ячейке памяти, выход которой соединен с входом дифференцирующей ячейки, выход которой подключен к входу порогового ждущего мультивибратора, один из выходов формирователя импульсов соединен с управляющим входом синхронного детектора и входом источника переменного напряжения, второй - с управляющим входом первого электронного ключа, третий - с управляющим входом второго электронного ключа. Сканирующий электрод имеет ступенчатую форму с площадью сечения нижнего торца в 10 - 15 раз меньшей, чем в средней, с плоскими торцевыми поверхностями, обращенными вниз, перпендикулярными оси электрода, причем боковая поверхность нижней части электрода имеет слой электрической изоляции. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для дистанционного контроля технологических процессов в химической промышленности, а именно для определения толщины слоя жидкой органической фазы на поверхности водных технологических растворов по электропроводности контролируемой среды.

Известно, что электропроводность органической и водной фаз технологических растворов существенно (на несколько десятичных порядков) различаются. Поэтому дистанционное определение толщины органической фазы на поверхности водных растворов возможно путем измерения распределения электропроводности по высоте технологического аппарата с помощью сканирующего электрода, перемещающегося вертикально с заданной скоростью V. Измеряя падение напряжения на этом электроде, включенном последовательно через резистор R к источнику переменного (для предотвращения поляризации электрода) напряжения, регистрируют моменты скачкообразного изменения его величины, соответствующие моментам пересечения каждой из границ раздела фаз контролируемой среды. Толщина слоя органики l_o в этом случае может быть определена из соотношения l_o=V·t_u, где t_u временной интервал между моментами перехода границ раздела фаз воздух-органика и органика-водный раствор.

Величина падения переменного напряжения может быть измерена с помощью измерительного преобразователя известным способом, заключающимся в его выпрямлении одно- или двухполупериодным выпрямителем и последующим преобразованием в сигнал, пропорциональный среднему значению напряжения за период измерения путем интегрирования импульсов выпрямленного напряжения с соответствующим значением постоянной времени интегрирования [1] Этот способ реализован во всех известных устройствах, основанных на измерении электропроводности контролируемой среды, например в сигнализаторе предельных сопротивлений СПРС2И [2] Момент перехода границ раздела фаз определяют с помощью пороговых устройств, настроенных на величину, соответствующую граничному значению электропроводности каждой фазы.

Электрод известных устройств, измеряющих электропроводность жидких сред, представляет собой цилиндрическую насадку из материала с высокой электропроводностью, размещаемую на конце линии связи, соединяющей электрод с измерительным преобразователем.

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что он неприменим в случаях, когда сопротивление органики выше определенного значения (сотни килоом). Кроме того, устройства, реализующие этот способ, имеют ограниченный диапазон измерения электропроводности, в связи с чем при контроле толщины слоя органики в технологическом аппарате требуется установка нескольких таких устройств. Их устойчивость к действию электромагнитных индустриальных помех недостаточна в реальных производственных условиях.

Перечисленные недостатки обусловлены следующими причинами. При реализации известного способа на выбор параметров измерительной схемы и схемы измерительного преобразователя налагаются следующие ограничения: величина сопротивления R по порядку величины должна соответствовать удельному сопротивлению контролируемой среды и не должна отличаться более чем в несколько раз от его предельных значений. Это требование следует из условия получения максимально возможного отношения сигнал/шум и определяет помехозащищенность существующих устройств. Из тех же соображений входное сопротивление измерительного преобразователя должно быть примерно на порядок выше, чем сопротивление.

Поскольку длина линий связи, соединяющих электрод с измерительным преобразователем, в приборах, предназначенных для дистанционного контроля, обычно измеряется сотнями метров, чем и обусловлена их большая собственная емкость, частота переменного напряжения, подаваемого на электрод, не может превышать нескольких десятков герц. На этих частотах экранирование линий связи малоэффективно и уровень наводимых на них электромагнитных помех становится недопустимо высоким при большом входном сопротивлении измерительного преобразователя.

По указанным причинам при измерении электропроводности в известных устройствах, специально разработанных для дистанционного технологического контроля, например в сигнализаторе предельных сопротивлений СПРС2И [2] диапазон допустимых изменений верхнего значения сопротивления контролируемой среды не превышает 5 кОм для каждой модификации прибора (весь измеряемый диапазон предельных значений сопротивления составляет 2-220 кОм и перекрывается четырьмя модификациями прибора).

Поскольку электропроводность органической и водной фаз отличается более чем на десятичный порядок, для определения толщины слоя органики рассматриваемым методом требуется не менее двух устройств с соответствующими диапазонами измерения, электроды которых в этом случае располагаются на одном уровне. Одно из них контролирует момент перехода воздух органика, другое - органика водная фаза.

Конструкция сканирующего устройства довольно сложна. Поэтому в тех случаях, когда в технологических аппаратах на время определения толщины слоя органики возможно изменять уровень контролируемой среды с постоянной скоростью, но задание ее величины с требуемой точностью по тем или иным причинам проблематично, можно воспользоваться третьим сигнализатором, регистрирующим один из фазовых переходов, электрод которого как и у двух других, установлен стационарно, но смещен по отношению к ним по высоте на расстояние l_э. В этом случае скорость изменения уровня определяется из соотношения V= l_c/t_c, где t_c временный промежуток между срабатываниями пороговых устройств, контролирующих одну и ту же фазу.

Техническая задача, решаемая изобретением в части способа, заключается в расширении диапазона измерения до предельных значений, соответствующих максимально возможному значению удельного сопротивления органической фазы, а в части устройства увеличении помехозащищенности, сокращения объема оборудования, упрощения его эксплуатации.

Решение этой задачи обеспечивается тем, что в предложенном способе, предусматривающем определение границ раздела фаз путем измерения распределения по высоте аппарата падения напряжения на сканирующем электроде и определение по его величине моментов перехода границ раздела фаз, в каждой полупериодной полярности этого напряжения определяют среднее значение сигнала, запоминают полученное значение и в следующий полупериод сравнивают его с результатом предыдущего измерения того же параметра. Момент перехода границы раздела фаз определяют по величине приращения сигнала.

Источник переменного напряжения при этом имеет частоту f_n, с частотой сетевого напряжения f_c и равную , где n ≥ целое число, величина которого определяется из соотношения n ≈ 6f_cRC_л, где C_л собственная емкость линии связи, соединяющей электрод с измерительным устройством, R резистор, через который переменное напряжение подают на электрод.

Устройство, реализующее указанный способ, включающее сканирующий электрод, пороговое устройств и измерительный преобразователь, содержащий детектор сигнала и интегрирующее устройство, в качестве детектора сигнала содержит синхронный детектор, вход которого подключен к электроду, а его выход к интегратору, у которого параллельно с интегрирующей емкостью подключен первый электронный ключ, соединенный по выходу через второй электронный ключ к ячейке памяти, выход которой соединен с входом дифференцирующей ячейки, выход которой подключен к входу порогового ждущего мультивибратора, причем вход формирователя импульсов подключен к сетевому напряжению, а один из его выходов соединен с управляющим входом синхронного детектора и входом источника переменного напряжения, второй с управляющим входом первого электронного ключа, третий с управляющими входом второго ключа.

При этом электрод выполнен ступенчатой формы с площадью сечения нижнего торца в 10-15 раз меньшей, чем в средней, с плоскими торцевыми поверхностями, обращенными вниз, перпендикулярными оси электрода, причем боковая поверхность нижней части электрода, длина которой больше ожидаемой толщины слоя органики, имеет слой электрической изоляции.

На фиг.1 показана функциональная схема, реализующая рассматриваемый способ; на фиг.2 диаграмма напряжений в основных узлах функциональной схемы; на фиг.3 предлагаемая конструкция сканирующего электрода; на фиг. 4 пример осуществления способа.

Рассматриваемый способ измерения толщины слоя органики заключается в следующем: Выбор частоты переменного напряжения, подаваемого на измерительную схему, синфазной частоте сетевого напряжения и меньшей по частоте в 2 n раз, где n ≥ 1 целое число, обеспечивающее полное исключение влияния сигнала помехи на величину его среднего значения, измеренного за полупериод. Действительно, при соблюдении указанного условия, вклад переменной составляющей, обусловленной знакопеременным сигналом наведенной электромагнитной помехи как сетевой частоты, так и высоких частот, свойственных коммутационным помехам, равен нулю.

При сравнении результатов этого измерения со значением того же параметра, измеренного в предыдущем цикле и хранившемся в запоминающем устройстве, выполняемом в другой полупериод переменного напряжения, когда процесс измерения уже не ведется, обеспечивается полное исключение влияния помех на результаты сравнения. Благодаря этому можно различить даже незначительные приращения падения напряжения на электроде при фазовом переходе воздух - органика; отпадает необходимость в согласовании величины сопротивления R с величиной проводимости контролируемой среды. Практически, величина сопротивления R может быть взята равной среднему значению всего диапазона изменений предельных сопротивлений контролируемой среды от сотен Ом до сотен мегоОм. Поскольку в существующих устройствах, предназначенных для дистанционного контроля технологических процессов, последовательно с электродом из условия искрозащиты включен резистор порядка 10 кОм, реальный диапазон измерения предельных сопротивлений составляет 10 кОм 100 МОм и величина среднего значения сопротивления R может быть взята равной, примерно, 1 МОм.

Собственная емкость линии связи C_л и резистор R образуют линию задержки с постоянной времени τ_з R·C_л. Эта задержка приводит к уменьшению среднего значения напряжения за полупериод при увеличении частоты переменного напряжения.

Установлено, что при n ≈ 6·f_o·τ_з это уменьшение составляет, примерно 15% от номинального значения, что можно считать приемлемым и указанное значение n может рекомендоваться для выбора частоты переменного напряжения, подаваемого на измерительную схему.

Поскольку рассматриваемый способ измерения переменного напряжения обладает высоким быстродействием (цикл измерения не превышает 1/f_n), пороговое устройство при определении момента фазового перехода должно быть настроено на величину соответствующего этому переходу приращения сигнала, а не его абсолютное значение. Благодаря этому одно устройство, в основу которого положен описанный выше способ, может определять толщину слоя органики с высокой точностью во всем диапазоне возможных значений электропроводности любой из фаз контролируемой среды, обладая при этом высокой устойчивостью к действию индустриальных электромагнитных помех.

Для такого устройства требуется только один сканирующий электрод.

Устройство для определения толщины слоя органики содержит синхронный детектор 1, вход которого подключен к сканирующему электроду, а выход к интегратору 2, интегрирующая емкость которого шунтирована первым электронным ключом 3. Выход интегратора через второй электронный ключ 4 подключен к ячейке памяти 5, выход которой через дифференцирующее звено 6 подсоединн к входу порогового ждущего мультивибратора 7. Формирователь импульсов 8, управляющий работой устройства, подключен по входу к сетевому напряжению. Импульсное напряжение с его выходов подается на источник переменного напряжения 9, на выход которого включено сопротивление нагрузки 10, на синхронный детектор 1 и электронные ключи 3 и 4. Линия связи 11 соединена с электродом 12, выполненным из материала с высокой электропроводностью. Электрод 12 состоит из 2-х частей, нижняя часть 13 которого имеет слой электрической изоляции 14. Торцевые поверхности этих частей перпендикулярны оси электрода, причем площадь торцевой поверхности 15 средней части электрода больше в 10-15 раз площади торцевой поверхности 16 его нижней части.

Устройство работает следующим образом.

Сетевое напряжение а преобразуется в формирователе импульсов 8 в последовательность управляющих импульсов "б", "в" и "г", показанную на диафрагме фиг.3, кратную сетевому напряжению.

На диаграмме "д" показано переменное напряжение, поступающее с электрода 12 на синхронный детектор 1. Это напряжение, кроме полезного сигнала (показан пунктирной линией), содержит переменную составляющую с частотой сетевого питания и высокочастотные электромагнитные помехи. Синхронный детектор 1 выдает на интегратор 2 только один сигнал (выделяет одну полярность) "е", который на выходе из интегратора 2 уже не содержит погрешности от переменной составляющей, что видно на диаграмме "ж". Управляющий импульс "в" формирователя импульсов 8 открывает второй электронный ключ 4 и сигнал из интегратора 2 поступает в ячейку памяти 5, заменяя прежнее значение хранившегося в ней сигнала на новое, после чего формирователь 8 выдает управляющий сигнал "г", открывающий первый электронный ключ 3, который поступает в интегратор 2 и стирает накопленную там информацию. Таким образом, интегратор 2 приводится в исходное состояние для выполнения следующего цикла измерений.

Величина же сигнала (импульса) изменяется в зависимости от взаимодействия органики или водной фазы контролируемой среды с разными частями электрода.

Так в момент касания слоя органики нижней торцевой поверхности 16 электрода напряжение на нем скачкообразно уменьшается.

Из диаграммы "з" видно, что при отличии нового сигнала от предыдущего, сигнал на выходе ячейки памяти 5 скачкообразно изменяется. Дифференцирующее звено 6 выделяет приращение сигнала и в виде короткого импульса "и" подает его на вход порогового ждущего мультивибратора 7, который преобразует этот импульс в импульс прямоугольной формы "к", пригодный для приема регистрирующим устройством. Это будет первый сигнал, выданный пороговым ждущим мультивибратором 7.

Благодаря тому, что боковая поверхность этой части электрода защищена слоем электрической изоляции, дальнейшее повышение уровня не вызывает существенного снижения сопротивления растекания и изменение падения напряжения на электроде будет незначительным.

В момент касания торцевой поверхности 16 электрода водной фазой раствора падение напряжения резко уменьшается и пороговый ждущий мультивибратор 7 выдает второй сигнал, позволяющий измерить временный интервал при прохождении слоя органики.

Дальнейшее повышение уровня раствора приводит к тому, что слой органики коснется большой торцевой поверхности 15 электрода. Но поскольку электрод уже контактирует со средой, обладающей значительно более высокой электропроводностью, ощутимого изменения падения напряжения не произойдет. В момент соприкосновения растекания существенно уменьшится и падение напряжения на электроде тоже уменьшится, что приведет к выдаче третьего сигнала.

Экспериментально установлено, что для получения приращения напряжения, поддающегося регистрации, достаточна разница в площадях торцевых поверхностей электрода в 10-15 раз и ее дальнейшее увеличение нецелесообразно.

Скорость погружения электрода в контролируемую среду определяется при этом из соотношения Vl_э/t_э, где l_э длина части электрода с меньшим сечением, t_э временной интервал между вторым и третьим импульсами.

Для предотвращения выдачи сигнала в момент соприкосновения слоя органики с большей торцевой поверхностью величина l_э должна быть большей, чем ожидаемая толщина слоя органики.

Применение электрода указанной выше конструкции позволит при всех возможных способах задания вертикального перемещения контролируемой среды по отношению к электроду ограничиться только одним этим электродом.

На фиг.4 в качестве примера реализации рассматриваемого способа показано устройство, выполненное на аналоговых и цифровых микросхемах и полевых транзисторах. Цифры в выделенных пунктиром участкам схемы соответствуют перечисленным на фиг.1 элементам функциональной схемы.

Это устройство, позволяющее с высокой точностью определить временной интервал t_u, и тем самым толщину слоя органики обладает высокой помехозащищенностью, прост в эксплуатации, обеспечивает измерение толщины слоя органики во всех известных технологических аппаратах химических производств.

Источники информации: 1. Э. Г. Атамалян. Приборы и методы измерения электрических величин. М. Высшая школа, 1982.

2. Сигнализаторы предельных сопротивлений СПРС2И. Техническое описание и инструкция по эксплуатации еФ2.838.001.ТО (прототип).

Формула изобретения

1. Способ дистанционного измерения толщины слоя органической фазы на поверхности водных растворов в технологических аппаратах химической промышленности, заключающийся в том, что на электрод подают питающее переменное напряжение, осуществляют сканирование исследуемой среды путем погружения электрода в исследуемую среду, фиксируют распределение изменения напряжения на резисторе электрода в зависимости от глубины его погружения, по изменениям величины напряжения фиксируют моменты перехода границ раздела фаз среды и используют зафиксированные результаты при определении толщины слоя органической фазы, отличающийся тем, что при сканировании электрода фиксируют среднее значение напряжения в каждый полупериод одной полярности переменного напряжения, сравнивают его в следующий полупериод с результатом заполненного значения предыдущего измерения в предшествующем периоде, а за величину изменения напряжения принимают найденную величину приращения, при этом переменное напряжение имеет частоту f_n, кратную с частотой сетевого напряжения f_c и равную f_n f_c/2n, где n ≥ 1 - целое число, определяемое из соотношения n ≈ 6 · f_c · R · C_л, где C_л собственная емкость линии связи, применяемой при дистанционном измерении, R величина сопротивления резистора электрода.

2. Устройство для дистанционного измерения толщины слоя органической фазы, содержащее электрод, подключенный через резистор к источнику переменного напряжения, и предназначенный для сканирования исследуемой среды, пороговое устройство, измерительный преобразователь, выполненный в виде детектора сигнала, подключенного через резистор к источнику напряжения и интегратора, отличающееся тем, что оно снабжено формирователем импульсов первым электронным ключом, подключенным параллельно интегрирующей емкости генератора, вторым электронным ключом, подключенным к выходу интегратора, соединенными последовательно ячейкой памяти и дифференцирующей ячейкой, выход которой подключен к входу порогового устройства в виде ждущего мультивибратора, выход которого является выходом устройства, вход формирователя импульсов предназначен для подключения к сетевому напряжению, один его выход соединен с управляющим входом синхронного детектора и входом источника переменного напряжения, второй выход с управляющим входом первого электронного ключа, третий выход с управляющим входом второго электронного ключа, а детектор сигнала выполнен в виде синхронного детектора.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электрод выполнен ступенчатым и образован из двух частей, расположенных вдоль оси электрода, площадь поперечного сечения одной части в 10 15 раз больше, чем площадь поперечного сечения другой части, предназначенной для контактирования с исследуемой средой, длина этой части больше ожидаемой толщины слоя органической фазы исследуемой среды, а боковая поверхность имеет слой электрической изоляции, торцевые поверхности частей перпендикулярны оси электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4