Разработка системы анализа физико-химических свойств сложных технологических сред для контроля количественного состава многокомпонентных растворов, в том числе электролитов, в металлургической и химической промышленности
Основная проблема при разработке подобных приборов контроля заключается в сложной взаимосвязи между измеряемыми параметрами, усугубляющаяся не постоянным химическим составом и примесями, что требует проведения исследований и разработки математических моделей, способных адаптировать передаточную характеристику по малому объему калибровочных данных.
Решением проблемы является разработка физически обоснованных математических зависимостей, полностью отражающих эффективные взаимные связи между измеряемыми параметрами, что позволит, в том числе, реализовать корректную адаптацию передаточной характеристики вычислительной модели по малому объему калибровочных данных. Кроме того, необходимо разработать приборы для контроля плотности и вязкости химически агрессивных жидких сред, что реализуется применением герметичных конструкций, чувствительный элемент в которых взаимодействует с измерительной цепью посредством магнитного поля.
Создаваемая система поможет клиентам повысить эффективность производства и качество выпускаемой продукции. Целевые сегменты: Черная и цветная металлургия (получение меди электролизным методом, травление, очищение изделий черной металлургии от окалины). Химическая промышленность (производство искусственных волокон, контроль процесса полимеризации при поучении органических пластмасс).
Производимая нами продукция позволит сократить удельный расход энергии и трудозатраты на единицу продукции в размере 15%, автоматизировать технологический процесс для поддержания оптимального состава в сложных многокомпонентных растворах.
Прибор контроля удельной электрической проводимости представляет собой электронный блок и соединенный с ним бесконтактный индукционный штыревой первичный измерительный преобразователь погружного типа во фторопластовой оболочке. Прибор разработан ранее авторами заявки, и предназначен для эксплуатации в условиях высокой химической агрессивности, загрязненности и высокой температуры жидкости.
Прибор для контроля плотности поплавкового типа, при этом силометрический элемент, воспринимающий вес поплавка, отделен глухой герметичной оболочкой от жидкости, а взаимодействие с поплавком, оболочка которого выполнена из фторопласта, осуществляется через магнитное поле. Подобная конструкция позволяет полностью исключить агрессивное воздействие жидкости на измерительную и электрическую часть прибора.
Термометр конструктивно объединен с первичным измерительным преобразователем прибора.
Функция измерения вязкости реализуется за счет анализ переходных процессов передвижения поплавка между устойчивыми состояниями.
Выходные сигналы приборов подключаются к блоку обработки результатов, построенному на основе высокопроизводительного микроконтроллера, и реализующего, посредством разрабатываемой вычислительной модели, преобразования измеренных значений в значения контролируемых параметров.
При разработке ПО используется IDE Eclipse.
Потенциальный объем рынка приборов на территории РФ и стран СНГ составляет 400 млн. руб.
Темпы развития рынка многопараметрических установок диктуются темпами развития отраслей, в которых они используются. Представленные отрасли показывают уверенный рост в размере от 3 до 7% в год.
1. В первый год будут разработаны первичные измерительные преобразователи анализа физико-химических свойств растворов, разработана математическая модель расчета концентрации электролитов по температуре, плотности, электропроводности жидкости, изготовлен и испытан экспериментальный макет системы анализа состава сложных технологических сред, подана заявка на изобретение Устройства для измерения плотности.
2. Во второй год будет разработана рабочая документация, изготовлена установочная партия и проведены необходимые испытания с целью внесения в государственный реестр средств измерений прибора анализа плотности жидкости, изготовлена системы анализа физико-химических свойств, подана заявка на расширение функциональной возможности Устройства для измерения плотности.
3. В третий год будет разработана рабочая документация, изготовлена установочная партия и проведены необходимые испытания с целью внесения в государственный реестр средств измерений прибора анализа вязкости жидкости, разработана математическая модель и система анализа для расчета физико-химических свойств сложных многокомпонентных растворов, такие как температура, плотность, электропроводность и вязкость.
На предыдущем этапе получены первичные математические модели зависимости, отображающие взаимосвязь удельной электрической проводимости от концентраций двух электролитов в водном растворе, при помощи стохастического метода попарного подбора коэффициентов.
Результаты проделанной работы опубликованы в научных журналах:
1) Соловьёв В.А., Кривобоков Д.Е. Анализ методик построения функциональных преобразований в кондуктометрических концентратомерах//Измерительная техника.2017.№10.С.62-66.
2) Анализ методик построения функций преобразования на основе экспериментальных данных в приборах контроля//Ползуновский альманах.2014.№1.
3) V. A. Solov’ev, D. E. Krivobokov Analysis of methods for constructing functional transformations in conductometric concentrometers // Measurement Techniques. 2018, Volume 60, Issue 10, pp. 1058–1063. (DOI 10.1007/s11018-018-1318-4).
Выполнен макет магнитного подвеса для ПИП плотномера и проведены его испытания, показавшие возможность его применения в конструкции разрабатываемого датчика.
Разрабатываемая система позволит:
1) проводить одновременный контроль 4 параметров (электропроводности, плотности, вязкости и температуры), а также анализ состава многокомпонентных растворов;
2) автоматизировать процесс получения, обработки и анализа контролируемых параметров в непрерывном режиме;
3) уменьшить погрешность измерения параметров за счет применения методики получения физически обоснованной вычислительной модели, что одновременно позволит корректировать её передаточную характеристику по малому объему калибровочных данных;
4) повысить воспроизводимость результатов измерений за счет отсутствия влияния загрязнения.
5) снизить энергозатраты предприятия. К примеру, для производства чистой меди использование разрабатываемого прибора позволит уменьшить затраты электроэнергии на 100 млн. руб. при объемы выпуска 400 тыс. тонн в год.
