CC BY
16
логии. Системный анализ. Моделирование. 2008. № 4. С. 68-72.
19. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С. Моделирование электромагнитных влияний контактной сети железных дорог на смежные линии электропередачи // Электротехн. комплексы и системы управления. 2009. № 1. С. 2-7.
20. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование несинусоидальных режимов в системах электроснабжения железных дорог // Вестн. Ростов. гос. ун-та путей сообщения. 2008. № 3. С. 93-99.
ш
21. Кодолов Н.Г., Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование трансформаторов тока на основе фазных координат // Энергоэксперт. 2011. № 5(28). С. 49-52.
22. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Кодолов Н.Г. Использование моделей измерительных трансформаторов для анализа работы устройств релейной защиты // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 4 (40). С. 133-140.
23. Федотов С.П. Погрешности трансформаторов тока // Электро. 2006. № 1. С. 24-26.
УДК 621.3.082 Липнин Юрий Анатольевич,
к. т. н., доцент каф. ПЭ и ИИТ, Ангарская государственная техническая академия, тел. 8(3955)51-22-15
Мазур Владимир Геннадьевич,
ассистент каф. ПЭ и ИИТ, Ангарская государственная техническая академия, тел. 8(3955)51-22-15
Пудалов Алексей Дмитриевич, к. т. н., доцент каф. ПЭ и ИИТ, Ангарская государственная техническая академия,
тел. 8(3955)51-22-15, e-mail: [email protected]
АНАЛИЗ СУММАРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ СОРБЦИОННО-ЧАСТОТНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
U. A. Lipnin, V. G. Mazur, A. D. Poudalov
ORGANIC LIQUIDS MOISTURE METER SORPTION-FREQUENCY
TOTAL ERRORS ANALYSIS
Аннотация. В статье проводится анализ суммарной погрешности измерителя влажности органических жидкостей, информация о котором представлялась в предыдущих публикациях.
Суммарная погрешность измерителя влажности включает в себя следующие составляющие: погрешность сорбционно-частотного метода, инструментальную погрешность самого измерителя, погрешности от наличия факторов, влияющих на работу пьезо-сорбционного чувствительного элемента и автогенератора, а также составляющие, определяемые при нормальных условиях эксплуатации.
В статье подробно рассмотрено влияние температуры на работу чувствительного элемента и автогенератора. Исходя из уравнений статических характеристик применяемых сорбентов представлены модели этих погрешностей, возникающих от влияния температуры. Как следует из полученных моделей, зная параметры уравнений статических характеристик, можно определить величину погрешности при любой температуре в области ее рабочих значений. Помимо этого, в статье рассмотрено влияние температуры на образцовые средства измерений.
Также определено значение минимальной влажности, при которой обеспечивается требуемая чувствительность датчика. Показано, что эту величину можно уменьшить за счет увеличения массы пленки сорбента, а также за счет уменьшения нестабильности колебаний автогенератора.
В статье также приведен анализ составляющих суммарной погрешности, к которым относятся точность определения частоты микропроцессором и вклад за счет аппроксимации статической характеристики.
В результате проведенного анализа показано, что погрешность измерителя влажности органических жидкостей в нормальных условиях не превышает ±2,2 %. Уменьшить данную погрешность позволяют предложенные схемотехнические решения.
Ключевые слова: погрешность, сорбционно-частотный метод, пьезо-сорбционный чувствительный элемент, измерение влажности, органические жидкости, макет измерителя влажности.
Abstract. The article analyzes the overall accuracy of the organic liquids moisture meter presented in previous publications.
The total error of the moisture meter includes the following components: sorption-frequency method error, the instrumental error of the meter itself, the error on the presence offactors affecting the performance of the piezoelectric sorption sensor and oscillator, as well as components determined under normal operating conditions.
The article closely discusses the temperature effect on the sensor and oscillator. On the base of the used sorbents equations of static characteristics, models of these errors arising from the influence of temperature are represented. As follows from the above models, knowing the parameters of equations of static characteristics, we can determine the error at
иркутским государственный университет путей сообщения
any temperature in the region of its operating values. In addition, the paper considers the influence of temperature on the measuring units.
In addition to the effects of temperature, humidity minimum value is defined, which provides a desired sensitivity of the sensor. It is shown that this value can be reduced by increasing the mass of the sorbent membrane, as well as by reducing the oscillation of the oscillator instability.
The article also provides an analysis of the components of total error, which include determining the frequency accuracy of the microprocessor, and the contribution due to the approximation of the static characteristic.
The analysis shows that the organic liquids moisture meter error under normal conditions does not exceed ±2,2 %. Some circuit solutions to reduce this error are proposed.
Keywords: error, sorption-frequency method, piezoelectric sorption sensor, humidity measurement, organic liquids, the layout of the moisture meter.
В [1-5] исследованы возможности сорбци-онно-частотного метода (СЧМ) для измерения влажности органических жидкостей. На основе проведенных исследований был разработан макет влагомера [6-9]. В настоящей статье производится анализ составляющих суммарной погрешности измерителя.
Погрешность разработанного сорбционно-частотного измерителя влажности определяется двумя составляющими: погрешностью СЧМ и инструментальной погрешностью самого измерителя.
Суммарная погрешность СЧМ определяется наличием факторов, влияющих на работу пьезо-сорбционного чувствительного элемента (ПСЧЭ) и автогенератора, а также определяемыми при нормальных условиях составляющими, к которым относятся:
1) погрешность за счет отклонений параметров кварцевых резонаторов и сорбционных покрытий от их номинальных значений;
2) погрешность за счет нестабильности частоты автогенератора с ПСЧЭ при отклонении его параметров от номинальных значений;
3) погрешность образцовых средств, используемых для задания и контроля влажности при определении статической характеристики (СХ) ПСЧЭ (погрешность градуировки);
4) погрешность измерения частоты автогенератора с ПСЧЭ.
Вопрос о погрешности за счет отклонений параметров кварцевых резонаторов и сорбцион-ных покрытий от их номинальных значений подробно рассмотрен в [10]. В связи с тем, что при использовании СЧМ для определения влажности органических жидкостей использованы те же механизмы нанесения сорбционных покрытий на кварцевые резонаторы, что и в [10], в данной работе этот вид погрешности не рассматривается.
Так как в [6-9] рассматривается вновь спроектированная схема автогенератора для ПСЧЭ, а также учитывая что измеряемой средой служат органические жидкости, то ниже производится анализ составляющих суммарной погрешности, перечисленных выше в пунктах 2-4, а также погрешность от влияющих факторов, которая будет в основном определяться изменением температуры окружающей среды.
1. Погрешность ПСЧЭ от влияния температуры
При использовании ПСЧЭ в рабочих условиях одной из основных составляющих суммарной дополнительной погрешности СЧМ является погрешность, вызванная температурной нестабильностью работы кварцевого генератора. Вопросы по ее уменьшению рассмотрены в [11].
Вопросы по определению зависимости частоты колебаний автогенератора с ПСЧЭ от температуры за счет изменения параметров сорбци-онных покрытий частично рассмотрены в [10].
СХ ПСЧЭ с силикагелем и поли-е-капроамидом рассмотрены в [12, 13]. СХ для си-ликагеля можно представить составным уравнением сорбции для неоднородных сорбентов [14]:
AF
HO
AF
i k' кф ^ —
1 + кф
(1)
где - изменение частоты ПСЧЭ от массы
нанесенного силикагеля;
k' - коэффициент, характеризующий емкость монослоя молекул воды, покрывающего поверхность сорбента;
k - коэффициент, характеризующий чистую мольную теплоту адсорбции;
С] - кинетическая константа, характеризующая адсорбцию на вторичных площадках по типу Дубинина - Серпинского. Имеет вес в области больших концентраций влажности.
При ^ = 4,7110-2, k = 47,18 и C1 = 1,97-10-2 максимальное расхождение между расчетной и экспериментальной статическими характеристиками, при значениях относительной влажности ф от 0 до 1, не превышает ±1 %.
СХ ПСЧЭ с поли-е-капроамидом может быть описана уравнением Рунсли [15, 16]:
AF
HO
ВСф
(
AFK 1 + (С - 1)ф
1 -ф' 1 -ф
Л
(2)
где А^К - изменение частоты ПСЧЭ от массы нанесенного поли-е-капроамида;
B - коэффициент, характеризующий емкость монослоя молекул воды, покрывающего поверхность сорбента;
C - коэффициент, характеризующий чистую мольную теплоту адсорбции;
п - максимальное число адсорбционных
слоев.
При B = 0,022, C = 4,7, п = 3,5, максимальное расхождение между расчетной и экспериментальной статическими характеристиками при изменении относительной влажности ф от 0,05 до 0,98 не превышает ±5 %.
Исходя из СХ ПСЧЭ (1) и (2), параметрами, которые могут изменяться от температуры, являются соответственно K', ^ С1 для силикагеля и B, C, п для поли-е-капроамида.
Параметры B, п и ^ изменяются при тепловом расширении самого сорбента с ростом температуры. Однако при изменениях температуры на несколько десятков градусов от номинального изменениями этих параметров можно пренебречь. Что касается величин С и ^ то они с ростом температуры изменяются экспоненциально:
С = ехрГ 1, к = ехрГ
Я КГ ) л КГ
где E1 - средняя теплота адсорбции воды в монослое, Дж/моль;
E2 - теплота конденсации молекул воды, Дж/моль;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/мольК;
T - температура, К.
Параметры El и E2 почти не зависят от температуры. Учитывая это, можно считать, что величина адсорбции воды за счет изменения температуры будет определяться зависимостью С и K от температуры по уравнениям [17, 18]:
dC = -С • In С • I,
dT T
dK = -к.щ к •—.
dT T
(3)
(4)
d
(AF Л
AF и п
kAFFL
dT
ВСф( -ф" )• 1п С 1 (ф + Сф 1п С 1п Г -1)2 Г ' Аналогичными образом, с учетом зависимостей (1 ) и (4), получаем выражение для температурной погрешности ПСЧЭ с пленкой силикагеля:
d
(AF Л
AF и п
kAFCL
dT
к '.к .ф. ln к
(K .ф. ln K • ln T -1)2 T
(6)
Подставляя в уравнения (5) и (6) экспериментальные значения параметров С, п, K' и ^ определенные при одной температуре, можно рас-
ш
считать СХ ПСЧЭ с пленками поли-е-капроамида и силикагеля при любой температуре в области ее рабочих значений и определить величину погрешности за счет изменения температуры. Знак «минус» в уравнениях (5) и (6) показывает, что увеличение температуры приводит к уменьшению крутизны СХ ПСЧЭ.
2. Погрешность за счет нестабильности частоты автогенератора с ПСЧЭ
Одной из основных составляющих погрешности ПСЧЭ является нестабильность частоты колебаний автогенератора. Для конкретной схемы автогенератора и при заданных внешних условиях она характеризуется постоянной относительной нестабильностью, определяемой как
^ (7)
е=-
F
■ = const,
где А^К - абсолютное изменение частоты автогенератора с ПСЧЭ за счет нестабильности; F - частота автогенератора. Погрешность измерений за счет величины 9 определяется следующим уравнением:
5н =
е. f
AF
HO
AF
(8)
HO
Для вывода зависимости, показывающей связь между ЪН и 9, эти уравнения могут быть заменены линейным уравнением
AFH2O = Scp
AFc -ф,
(9)
где Sep - средняя чувствительность ПСЧЭ на участке диапазона измерений от 0 до ф, определяемая для поли-е-капроамида и силикагеля соответственно как производная их СХ:
S™, = ср dф
(AFhq^ AFr
Подставляя (9) в (8), получим:
е
Для того чтобы найти температурную погрешность ПСЧЭ с поли-е-капроамидом, продифференцируем уравнение СХ (2) по температуре Т с учетом (3):
5 н =
Sср
(10)
1 AFc где Л = - С
F
- относительное изменение частоты
резонатора за счет нанесенной массы сорбционной пленки А^с .
Уравнение (10) показывает связь между инерционностью ПСЧЭ и погрешностью измерений за счет нестабильности автогенератора.
Необходимо отметить, что параметр 5Я может быть уменьшен за счет увеличения частоты кварцевых резонаторов, которые применяются при изготовлении ПСЧЭ, а также за счет использования сорбентов с большей влагоемкостью. Также этот параметр можно снизить за счет уменьшения 9. Но это приведет к значительному усложнению схем и конструкций измерителей влажности, а следовательно, и к их удорожанию. Все перечис-
2
иркутским государственный университет путей сообщения
ленное говорит о том, что при проектировании приборов должно приниматься оптимальное решение, учитывающее как технические, так и экономические показатели.
В [10] рассмотрены возможности СЧМ с позиции обеспечиваемого им нижнего предела определения влажности, при измерениях на предельных частотах и максимально возможными массами нанесенных сорбентов.
Определение значения минимальной влажности фтт с нормируемой погрешностью 5Я возможно при выполнении следующего неравенства: |5|<|5я|.
Тогда с учетом (10) получаем: 0
Фтт ^
8ср ' ^'5 н
(11)
Из уравнения (11) видно, что снижения фт1П можно добиться увеличением чувствительности и массы сорбционной пленки , а также уменьшением нестабильности частоты колебаний автогенератора. Учитывая, что чувствительность для конкретного сорбента является величиной постоянной, остаются две возможности снижения фт1П. Но следует учитывать, что увеличение массы сорбента приводит к ухудшению динамических характеристик, а уменьшение нестабильности частоты колебаний автогенератора - к удорожанию измерителя.
3. Погрешности образцовых средств, используемых для задания и контроля влажности при определении СХ ПСЧЭ
Для задания контрольных значений влажности органических жидкостей использовался метод насыщенных растворов солей. Этот метод в основном используется для контроля анализируемой среды при калибровке и настройке измерительной аппаратуры, т. к. имеет сравнительно невысокую погрешность при условии термостатирования исследуемых образцов.
Контроль температуры осуществлялся термометрами термостата «ТС-16» и лабораторным «ТЛ-4 № 2».
Измерение частоты осуществлялось при помощи частотомера «Gwinstek ОРС-8010Н».
Контроль влагосодержания выполнялся анализатором количества влаги «АКВА-901».
4. Погрешность образцовых средств от нестабильности температуры термостата
Одной из составляющих суммарной погрешности, определяемой образцовыми средствами измерений, является погрешность за счет нестабильности температуры термостата «ТС-16», в котором установлена камера с ПСЧЭ. Эта температура поддерживается равной плюс 20±0,1 °С. Максимальная относительная погрешность для данной температуры составляет
8П = -100% = 0,5%.
Т1 20
Эта погрешность является случайной, и ее закон распределения заранее неизвестен. Если принять, что закон ее распределения нормальный (а = 2) [19], то оценка среднеквадратического отклонения (СКО) относительной погрешности, вносимой термостатом «ТС-16» за счет нестабильности температуры:
- 0,5% 0,5%
ст1 =-=-= 0,25 %.
а 2
Контроль температуры осуществлялся лабораторным термометром «ТЛ-4 № 2», предназначенным для точного измерения температуры от 0 до плюс 55 оС в лабораторных условиях, а также для поверки в термостатах других термометров с ценой деления шкалы не менее ±0,1 оС. В связи с тем, что погрешность данного термометра точно такая же, как и у термостата «ТС-16», их относи-
тельные погрешности 5П и 6Г2 и их СКО с
>Т 1
и ст 2 совпадают.
Оценка СКО максимальной относительной погрешности, вносимой образцовыми средствами измерений при изменении температуры окружающей среды, будет складываться из погрешностей влагомера и частотомера.
Максимальная относительная погрешность влагомера «АКВА-901» за счет колебаний температуры на ±0,1 °С для всех диапазонов измерений составляет 5ГЗ = 0,05 %.
Эта погрешность является случайной, и ее закон распределения заранее неизвестен. Если принять, что закон ее распределения нормальный (а = 2) [19], то оценка СКО относительной погрешности, вносимой влагомером «АКВА-901» за счет нестабильности температуры: 0,05%
л
Ст 3 =-
2
■ = 2,5 -10-2 % .
Максимальная относительная погрешность частотомера «GFC-8010H» за счет колебаний температуры на ±0,1 °С для всех диапазонов измерений составляет 6Г4 = 0,2 -10 3 %.
Эта погрешность является случайной, и ее закон распределения заранее неизвестен. Если принять, что закон ее распределения нормальный (а = 2) [19], то оценка СКО относительной погрешности за счет нестабильности температуры:
С Т 4 = =ю-4.%.
2
Максимальная относительная погрешность метода насыщенных растворов солей за счет колебаний температуры на ±0,1 °С для всех диапазонов измерений составляет 5Т5 = 0,03 %.
л
л
ш
Эта погрешность является случайной, и ее закон распределения заранее неизвестен. Если принять, что закон ее распределения нормальный (а = 2) [19], то оценка СКО относительной погрешности за счет нестабильности температуры:
Л 0,03 % 1Л_20.
СТ5 = —-= 1,5-10 2 % .
2
Суммарная максимальная относительная погрешность за счет нестабильности температуры термостата, при условии статистической независимости ее составляющих, равна:
= ^ +5Г22 + 5ГЗ2 + 2 + 5Г52 » 0,71 % .
Суммарная оценка СКО относительной погрешности за счет нестабильности температуры термостата, при условии статистической независимости ее составляющих, равна:
5 F1 =
10
-6
-100% »1,4 -10-7 %.
30 - 24
Эта погрешность является случайной, и ее закон распределения заранее неизвестен. Если принять, что закон ее распределения нормальный (а = 2) [19], то оценка СКО относительной погрешности за счет нестабильности опорного генератора:
Л 1,4 -10-7% 1Л-7п.
СF1 = --= 0,7 -10 7 %.
2
Максимальная относительная погрешность частотомера, определяемая точностью его измерений, зависит от частоты схемы генератора с ПСЧЭ, которая составляет примерно 9,040 МГц. Таким образом, эта погрешность равна:
8,2 = 9,04 -106 - 5 -10-6 +1 -100% » 5,1 -10-4%.
9,04 -106
Эта погрешность является случайной, и ее закон распределения заранее неизвестен. Если принять, что закон ее распределения нормальный (а = 2) [19], то оценка СКО относительной погрешности за счет точности частотомера:
Л
СF2 =
5,1 -10 -4% 2 '
<2,6 -10 -4%.
СТЕ = ^СТ12 + СТ22 + СТ32 + СТ42 + СТ52 » 0,36 % .
Суммарная относительная погрешность и ее СКО характеризуются изменением температуры термостата на величину ±0,1 °С для всех диапазонов измерений.
5. Погрешность измерения частоты частотомером
Частотомер <^РС-8010Н» предназначен для измерения частоты и периода электрических сигналов в диапазоне частот от 0,1 Гц до 120 МГц.
Составляющими суммарной относительной погрешности измерительной схемы частотомера являются:
- нестабильность опорного генератора, которая составляет в месяц ±10-6 от измеряемой величины;
- точность измерения, которая равна ±(5-10-6+1 ед. мл. разряда).
Время измерений во всех анализируемых образцах органических жидкостей в среднем составляет около 20 минут. Помимо этого, согласно «Руководства по эксплуатации» [20], частотомер перед началом измерений должен находится во включенном состоянии не менее 40 минут. Таким образом, полное время работы частотомера составляло 1 час. Если считать, что в месяце 30 дней, то максимальная относительная погрешность частотомера от нестабильности опорного генератора равна:
Вносимая частотомером в результат измерений суммарная максимальная относительная погрешность, при условии статистической независимости ее составляющих, равна:
5га = » 5,1 -10-4 %.
Вносимая частотомером в результат измерений суммарная оценка СКО относительной погрешности, при условии статистической независимости ее составляющих, равна:
л /л 2 л 2
СFЕ = \СF1 + СF2 » 2,6 - 10-4 % .
Суммарная относительная погрешность и ее СКО характеризуются нестабильностью частоты опорного генератора и точностью самого частотомера для всех диапазонов измерений.
6. Погрешность измерения влажности влагомером «АКВА-901»
Анализатор количества влаги «АКВА-901» имеет следующие метрологические характеристики:
- предел измерений от 2 до 1000 млн-1;
- относительная погрешность ±2 % от измеряемой величины;
- предел среднеквадратического отклонения случайной составляющей относительной погрешности ±5 %.
Для анализа были выбраны следующие органические жидкости: гексан, бензол, толуол.
Учитывая метрологические характеристики анализатора «АКВА-901», в диапазоне влажности от 0 до 100 % были приготовлены 7 образцов органических жидкостей со следующим содержанием влаги:
- гексана: 0,1-0,2 млн-1 (предположительно); 7±1 млн-1; 13±1 млн-1; 37±1 млн-1; 64±1 млн-1; 95±2 млн-1; 111±2 млн-1;
- бензола: 0,1-0,2 млн-1 (предположительно); 36±1 млн-1; 65±1 млн-1; 178±4 млн-1; 311±6 млн-1; 459±9 млн-1; 540±11 млн-1;
- толуола: 0,1-0,2 млн-1 (предположительно); 28±1 млн-1; 50±1 млн-1; 139±3 млн-1; 242±5 млн-1; 357±7 млн-1; 420±9 млн-1.
В связи с тем, что оценка влагосодержания в осушенных образцах жидкостей контрольным прибором не представлялась возможной, для них влажность указана предположительно.
7. Суммарная погрешность макета измерителя влажности
Суммарная относительная погрешность макета измерителя влажности определяется всеми составляющими, которые были перечислены выше, а также:
- погрешностью, вызванной нестабильностью работы генераторов первичного преобразователя: опорного и с ПСЧЭ;
- погрешностью ПСЧЭ от влияния температуры;
- погрешностью измерения частоты микроконтроллером;
- погрешностью аппроксимации статической характеристики.
Составляющие погрешности, вызванные нестабильностью работ генераторов - опорного и с ПСЧЭ, а также за счет влияния температуры на сам ПСЧЭ, будут такими же, как те, что представлены в пунктах 1 и 2 настоящей статьи.
Максимальная относительная погрешность измерения частоты микроконтроллером зависит от:
- нестабильности работы его тактового генератора, которая составляет ±10-6 Гц в месяц;
- от частоты сигнала на его входе, наибольшая величина которой составляет около 4 кГц.
Таким образом, эта погрешность равна:
5 КН1 —
4 • 103 • 10-б 4 • 103
100% = 10-4 %.
мерителя осуществляется аппроксимация полиномом пятой степени следующего вида:
АН
НО
АН
= Уф +1*2 ф4 + Гзф3 + 1>2 + + У6, (12)
где Y1... Y6 - коэффициенты, определяемые экспериментально.
В результате аппроксимации СХ уравнением (12) максимальная относительная погрешность составила ±10-5 %.
Эта погрешность является случайной, и ее закон распределения заранее неизвестен. Если принять, что закон ее распределения нормальный (а = 2) [19], то оценка СКО относительной погрешности за счет аппроксимации СХ составляет:
Оян 2 —-
10 -5%
2
— 0,5 • 10-5 %.
Эта погрешность является случайной, и ее закон распределения заранее неизвестен. Если принять, что закон ее распределения нормальный (а = 2) [19], то оценка СКО относительной погрешности за счет измерения частоты микроконтроллером:
о н — 1°:!%—0,5 -10-4%.
2
Погрешность аппроксимации статической характеристики 5КН 2 определяется расчетным путем по результатам экспериментальных данных. При аппроксимации СХ уравнениями (1 ) и (2) максимальная относительная погрешность составила ±1,6 % и ±2,5 % соответственно. Полученные значения достаточно велики и не удовлетворяют требованию о том, что вклад каждой из составляющих суммарной погрешности измерителя не должен превышать ±30 % от максимальной погрешности, т. е. не должен быть больше ±1,5 %. К тому же из уравнения (2) влажность ф не может быть явно выражена. В связи с этим в макете из-
Таким образом, суммарная погрешность разработанного макета измерителя влажности органических жидкостей и оценка ее СКО будут определяться следующими составляющими:
- температурной нестабильностью термостата «ТС-16» и метода насыщенных растворов
Л
солей: 5Г1 »±0,71 %, оп » 0,36 %;
- нестабильностью работы генератора частотомера «0РС-801» и его точностью:
Л
5н1 » ±5,1 • 10-4 %, он2 » 2,6 • 10-4 %;
- нестабильностью работы генератора частотомера микроконтроллера:
Л
2 »±10-4 %, он2 — 0,5 •Ю-4 %;
- точностью прибора «АКВА-901», осуществляющего контроль влагосодержания в обЛ
разцах жидкостей: 5С — ±2 %, ос — 5 % ;
- погрешностью аппроксимации статической характеристики полиномом пятой степени:
Л
5КН »±10-5 %, орн » 0,5 •Ю-5 %;
- температурной зависимостью сорбционно-го покрытия чувствительного элемента при изменении температуры на ±0,1° С [10]:
Л
5Г2 — ±0,01 %, от2 — 5 • 10-3 %; - невоспроизводимостью статических характеристик чувствительного элемента [10]:
Л
5СХ — ±0,5 %, осх — 0,25 %.
При условии статистической независимости всех перечисленных составляющих суммарная погрешность разработанного макета измерителя влажности органических жидкостей при температуре измерений плюс 20±0,1 0С будет равна:
52—А/5 + 2 + + 5г2 + 5с + 5КН + 5
)2
'СХ
■ ±2,2 %.
Л
m
При температуре плюс 20±10 0С погрешность составит 5 Е » ±6 %.
Суммарная оценка СКО относительной погрешности разработанного макета измерителя влажности органических жидкостей, при условии статистической независимости ее составляющих, равна:
, 2 , 2 , 2 , 2 , 2 , 2 2 Cs = -F1 + CF 2 +СГ1 +СГ1 +CC + C ДЯ + CCX
» ±5 %.
Величины погрешностей, вызванные нестабильностью работы генераторов, могут быть уменьшены за счет усовершенствований технологических процессов изготовления самих генераторов и ПСЧЭ. Это может быть обеспечено повышением качества поддержания режимов отдельных технологических операций, применением более чистых материалов и ужесточением требований к контролю параметров ПСЧЭ.
Минимизировать погрешности, вызванные влияющими факторами, стало возможным благодаря тому, что:
1) в процессе измерений кварцевый резонатор опорного генератора помещается в ту же среду, что и ПСЧЭ;
2) в макете реализовано измерение разностного сигнала между генераторами - опорного и с ПСЧЭ;
3) применены качественные, быстродействующие электронные схемы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Воронова Т. С., Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Применение сорбционно-частотного метода для измерения влажности неполярных органических жидкостей // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 2. С. 114-118.
2. Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Постановка задачи исследования сорбционно-частотного метода для определения влажности жидких органических соединений // Техническая кибернетика. Химия и химические технологии. Строительство. Общественные науки. Спортивная медицина : сб. науч. тр. / Ангарск. гос. техн. акад. Ангарск, 2012. С. 39-46.
3. 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. тр. XXV Междунар. науч. конф. Волгоград, 2012. Т. 11. С. 11-16.
4. Иващенко В. Е., Мазур В. Г. Пудалов А. Д. Исследование широкодиапазонных пьезокварце-вых влагочувствительных элементов // Изв.
Томск. политехн. ун-та. 2012. Т. 321, № 4. С.160-165.
5. Мазур В. Г., Пудалов А. Д. Применение сорб-ционно-частотного метода для измерения влажности неполярных органических жидкостей на примере бензола // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения // INTERMATIC-2012 : материалы Междунар. науч.-техн. конф. Москва, 3-7 дек. 2012 г. М., 2012. Ч 1. С. 138-141.
6. Емельяненко С.С., Мазур В.Г., Пудалов А.Д., Ренчиков Д.В. Сорбционно-частотный измеритель влажности органических жидкостей // Техническая кибернетика. Химия и химические технологии. Строительство. Общественные науки. Спортивная медицина : сб. науч. тр. / Ангарск. гос. техн. акад. Ангарск, 2013. С.37-47.
7. Емельяненко С.С., Пудалов А.Д. Автоматизированный сорбционно-частотный измеритель влажности органических жидкостей // Электронные приборы, системы и технологии : сб. науч. тр. III Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Томск. по-литехн. ун-т. Томск, 2013. С. 107-111.
8. Пудалов А.Д. Унифицированная измерительная схема приборов аналитического контроля // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 3 (31). С. 220-223.
9. Емельяненко С.С., Пудалов А.Д. Сорбционно-частотный измеритель влажности органических жидкостей на микроконтроллере // Электронные приборы, системы и технологии : сб. науч. тр. II Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Томск. политехн. ун-т. Томск, 2012. С. 38-41.
10. Иващенко В. Е. Сорбционно-частотные датчики приборов контроля микро-и макроконцентраций влаги в газах : дисс. ... канд. техн. наук : 05.11.13 / В.Е. Иващенко. Москва, 1984. 190 с.
11. Справочник по кварцевым резонаторам / Андросова В.Г. и др.; под ред. П. Г. Позднякова. М. : Связь, 1978. 288 с.
12. Технология пластических масс / под ред. В. В. Коршака. М. : Химия, 1985. 560 с.
13. Слинякова И. Б. Синтез и свойства кремнийор-ганических и смешанных сорбентов на их основе // Адсорбция и адсорбенты. 1974. Вып. 2. С.91-98.
14. Кольцов С. И., Алесковский В. Б. Силикагель, его строение и химические свойства. Л. : Гос-химиздат, 1963. 96 с.
15. Moravec C.M., Bradford K.J., Laca E.A Water Relations of Drumstick Tree Seed (Moringa oleifera): Imbibition, Desiccation, and Sorption Iso-
иркутский государственный университет путей сообщения
therms. // Seed Sci. & Technol., 2008. № 36. P. 311-324.
16. Characterisation of the Microporosity of Chromia-and Titania-pillared Montmorillonites Differing in Pillar Density II. Adsorption of Benzene and Water / Sychev M. etc // Microporous and Mesoporous Materials. 2001. № 47. P. 311-321.
17. 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.
18. D'Arcy R. T., 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.
19. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. Введ. 1976-03-15. 76. М.: Стандартин-форм, 2008. - 8 с.
20. Download [electronic resource] // Gwinstek Simply Reliable : site // URL: http: //www .gwinstek.com/en/download/ down-loadfilelist.aspx?id=234 (дата обращения: 26.01.2013).
УДК 681.5.017 Ларченко Анастасия Геннадьевна,
аспирант каф. ТРТСиМ, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел.: 638395-149, e-mail: [email protected]
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ПОЛИАМИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
A. G. Larchenko
AUTOMATIC DETECTION OF DEFECTS IN THE PRODUCT OF A POLYAMIDE MATERIALS BY A METHOD OF HIGH RADIATION
Аннотация. Представленная статья посвящена совершенно новому и актуальному направлению - выявлению дефектов в изделиях из полиамидных материалов методом высокочастотного излучения. Актуальность данной статьи не вызывает сомнения, поскольку в ряде случаев диагностика - последняя и единственно возможная технологическая операция, позволяющая выявлять недопустимые дефекты в технических объектах и тем самым предотвращать возникновение чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте. В статье представлены наиболее распространённые методы и устройства диагностики изделий из полиамидных материалов, отмечены недостатки приведенных методов, четко выражена задача разработки автоматизированной системы высокочастотной диагностики. Статья дает представление о проделанной работе по определению информативного показателя состояния полиамида, который позволяет оценивать качество и состояние изделий. Немаловажным является и то, что в статье приводится программное обеспечение по выявлению дефектов в полиамидных изделиях, которое позволяет реализовать процесс управления контролем состояния изделий в автоматизированном режиме. Программа была апробирована на реальном запатентованном устройстве высокочастотной диагностики полиамидных изделий сложной конфигурации. Устройство диагностики изделий из полиамидных материалов методом высокочастотного излучения, и программа организации управления позволяет произвести контроль состояния изделий в автоматизированном режиме. Кроме того, устройство и высокочастотный метод позволяют проводить диагностику без механического воздействия на объект контроля, а также снизить время и затраты на испытание.
Ключевые слова: диагностика, дефектоскопия, дефекты, воздушные включения, электромагнитное поле, автоматизированная система диагностики, полиамид, полимерные материалы, высокочастотное излучение, высокочастотное оборудование, анодный ток.
Abstract. The presented paper is devoted to an entirely new and topical direction - detection of defects in products made ofpolyamide materials by high-frequency radiation. The relevance of this article is not in doubt, since in some cases the diagnosis is the latest and the only possible process step that allows to detect unacceptable defects in technical objects and, thereby, prevent the occurrence of emergency situations on the railways. The article presents the most common methods and devices for diagnosis of polyamide materials, marks disadvantages of the above methods, clearly expresses the task of developing an automated high frequency diagnostic system. The article gives an idea about the work done by the definition of an informative indicator status polyamide which allows evaluates the quality and condition of the products. Lot - it is also important that the article gives the software to identify defects in polyamide products, which allows for the management of state control products in an automated mode. The program was tested on the real reserves tilt device high
