ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Разработка и организация выпуска автоматического поточного СВЧ-влагомера неводных жидкостей»

Рекомендуемая область пременения

Предлагаемый к разработке автоматический поточный СВЧ-влагомер неводных жидкостей, с различными диапазонами измерений предназначен для использования в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства: при переработке сельхозпродукции, в пищевой и ликеро-водочной промышленности, в химической, на предприятиях топливно-энергетического комплекса и многих других.

Назначение, цели и задачи проекта

Для многих технологических процессов в различных отраслях промышленности необходима информация о величине влагосодержания разнообразных жидкостей, образующих с водой бинарные и псевдобинарные растворы.

Современные автоматические системы управления технологическими процессами (АСУТП) нуждаются в приборах, дающих надежные и достоверные данные о контролируемых параметрах, как, например, о влажности.

Одним из таких методов, обеспечивающих выполнение высоких эксплуатационных и метрологических параметров, являются сверхвысокочастотные методы измерения влажности.

Достижения такой развитой области радиоэлектроники как техника сверхвысоких частот (СВЧ), локомотивом которой была и есть оборонная тематика, позволяет создавать и реализовывать высокотехнологичные и наукоемкие разработки, такие как СВЧ-влагомеры, радиолокационные измерители уровня.  Использование микроминиатюрных устройств СВЧ позволяет создать очень компактные и надежные приборы, реализующие автоматические бесконтактные методы измерений, сопрягающие с любыми модификациями АСУ ТП. Надежность и общий ресурс таких приборов позволяют эксплуатировать эти средства измерения десятилетиями (20 – 50 лет).

Целью настоящего проекта является разработка и организация выпуска современного средства измерения, соответствующего мировому уровню по своим технико-эксплуатационным характеристикам и востребованным на рынке средств измерения. Научная сторона проекта заключается в использовании при разработке наукоемких и высокотехнологических технических решений, определяющих качественные характеристики прибора и его конкурентоспособность среди импортных аналогов.

Решение такой задачи основывается и может быть достигнуто на использовании как отечественных, так и зарубежных достижений в области радиофизики, радиотехники, техники сверхвысоких частот.

С 90^х годов по настоящее время из-за прекращения деятельности многих предприятий, выпускающих аналогичные средства измерения, ряда других причин, а также хлынувший на российский рынок поток импортных средств измерения, отсутствуют отечественные разработки влагомеров неводных жидкостей.

Аналогами разрабатываемого прибора являются СВЧ- влагомеры «ТЕСТ-100» и «ТЕСТ-200В», разработанные и выпускаемые ООО «ВолгоУралНИПИгаз». Эти разработки относятся к началу 90^х годов прошлого столетия и, не смотря на высокую их надежность и другие положительные эксплуатационные качества, их метрологические параметры (диапазон измерения, погрешность) не удовлетворяют современным требованиям. Близких аналогов среди зарубежных приборов не обнаружено.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Основной научно-технической целью данного проекта является разработка автоматического поточного СВЧ-влагомера неводных жидкостей. Разработка должна осуществляться на основе последних достижений радиоэлектроники СВЧ-техники. Для обеспечения высокой надежности прибора основная измерительная часть – СВЧ-тракт выполняется в виде микрополоскового модуля, представляющего полностью герметичную конструкцию (размеры, примерно 8х30х80 мм), к которой подключается измерительная ячейка с пробой, также являющаяся частью СВЧ- тракта.

Микрополосковый СВЧ-модуль представляет собой высокотехнологичное, наукоемкое изделие и будет изготавливаться на ФГУП «НПП «Исток» по техническому заданию исполнителей данного проекта, после разработки схемы СВЧ-тракта и конструкции измерительной ячейки на основе проведенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

В качестве измерительной ячейки планируется использование  технических решений, которые защищены авторскими свидетельствами, приведенными выше.

Измерительная ячейка функционально является первичным измерительным преобразователем СВЧ-влагомера и ее параметры, главным образом, определяют метрологические характеристики прибора.

Поэтому при проведении НИОКР одной из основных задач исполнителей проекта является создание такой конструкции измерительной ячейки, которая могла бы работать в различных диапазонах влагосодержания и обеспечивала при этом необходимую точность измерения.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

1. Автоматический поточный СВЧ-влагомер неводных жидкостей предназначен для определения влагосодержания в бинарных и псевдобинарных растворах спиртов, гликолей, кетонов и др. веществ. Кроме того, прибор может использоваться как  концентратомер сахара или соли в сиропах и рассолах.

2. Разрабатывается СВЧ-влагомер, способный надежно работать в жестких климатических условиях (IР54, IР64), в условиях агрессивной и пожаро-взрывоопасной среды.

Создаются несколько вариантов прибора (или один): на различные диапазоны влагосодержания (которые определяются конструкцией измерительной ячейки) с целью расширения потребительских и функциональных показателей и внедрения в различных отраслях промышленности.

Прибор должен обеспечить высокую точность измерений, как малых влагосодержаний, W=0 – 3% (0 – 10%,  0 – 40%), так и больших - W= 0 – 100%, что обеспечит ему широкое применение на различных технологических процессах. Подача проб через байпасную линию при давлении Р ? 0,01 МПа. Приведенная погрешность измерения не более (1-5%) в зависимости от диапазона измерений.

Выходные сигналы прибора должны соответствовать требованиям государственных и международных  стандартов и иметь, как минимум, два вида выходных сигналов: аналоговый и цифровой, для передачи сигнала, например, по HART-протоколу,  - I вых.= 4-20 мА.

По этим параметрам разработка превышает метрологические характеристики отечественного аналога-автоматического поточного СВЧ-влагомера неводных жидкостей "ТЕСТ-200В".

Прибор должен обеспечивать непрерывный режим измерений при температурах окружающей среды от  минус 40?С  до + 40?С.

3. Совместимость   с имеющейся у потребителя техникой и технологиями.

Питание прибора осуществляется от сети 220В, 50Гц. Выходные сигналы соответствуют отечественным и мировым общепринятым стандартам: цифровой выходной сигнал и аналоговый, токовый, - I= 4…20 мА, допускающие передачу сигналов, например по HART – протоколу, широко применяющийся  как в России, так и зарубежом.

Исполнение прибора: обычное и взрывозащищенное, вида 1ExedIIBT3.

Рис. 1.  Структурная схема СВЧ-влагомера  «ТЭСТ-201В»

Рис. 2.  Структурная схема процессорной системы влагомера

                                                 Вид спереди                                                                                                                           Вид сбоку

Рис. 3. Общий вид автоматического поточного СВЧ-влагомера неводных жидкостей

Рис. 4.  Вид прибора в разрезе

Принцип работы СВЧ – влагомера «ТЕСТ-201В»  в основном режиме состоит в следующем: волна с частотой 9,6 ГГц, вырабатываемая генератором, проходит  в первый pin –аттенюатор,   затем  на вентиль, оттуда в измерительную ячейку. В измерительной ячейке протекает исследуемая жидкость, которая вносит затухание.  Ослабленная жидкостью электромагнитная СВЧ - волна идет  во второй pin –аттенюатор, оттуда в детекторную секцию и на микроконтроллер. Первый pin– аттенюатор управляется электрически. Второй pin –аттенюатор служит для установки нуля. Микроконтроллер анализирует сигнал, сравнивает с опорным, вычисляет, а затем принимает решение об ослаблении СВЧ – волны или выдачи результата на индикатор.

Рис. 5.  Функциональная схема СВЧ- влагомера  «ТЭСТ-201В»

                               с микроконтроллером

На рисунке 5  А5 и А3 схема автоматического и ручного управления pin- аттенюатором. По функциональной схеме видно как микроконтроллер формирует сигнал  управления и отсылает его ЦАП, где затем сигнал преобразуется в напряжение.

Сигнал  с установленным значением и заданным шагом с помощью ЦАП  подается на  схему автоматического управления pin –аттенюатором  для ослабления СВЧ- излучения  до тех пор, пока  не получим опорное напряжение равное или очень близкое по  величине напряжению, полученному при  калибровки  СВЧ – влагомера.  Когда   произойдет равенство или приближенное сходство,  микроконтроллер снимает сигнал с pin –аттенюатора, преобразует его в соответствующий цифровой код с помощью АЦП.  Находится величина I по формуле, определяется интервал, вычисляется влагосодержание с калибровочными коэффициентами.  Затем результат отправляется на индикатор, который высвечивает влагосодержание в процентах. Результат соответствует влагосодержанию жидкости, находящейся  в измерительной ячейке. Алгоритм работы микроконтроллера представлен  на рисунке 6.

Рис. 6.  Алгоритм работы прибора

Правовая охрана результатов научно-технической деятельности, имеющих отношение к проекту и составляющих основу коммерческого потенциала объекта для возможной коммерциализации.

Научной новизной в предлагаемой разработке могут являться следующие технические решения:

- гибридный СВЧ-тракт влагомера, основная часть выполнена в микрополосковом исполнении (высокотехнологичный узел) и волноводная измерительная ячейка, в виде полого и коаксиального волновода, такая композиция СВЧ-тракта позволит повысить технические характеристики  влагомера;

- конструкция измерительной волноводной ячейки, позволяющей изменять диапазон измерений влагосодержания;

- применение волноводных измерительных ячеек по А.с. №№ 1242783, 1291855, 1355917, 1419301, 1528128, авторами которых являются исполнители данного проекта (заявитель ООО «ВолгоУралНИПИгаз»).

Технические решения, по которым в ходе выполнения НИОКР будет выявлена новизна, предполагается патентовать.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Специальные маркетинговые исследования и реклама продукции не проводилась.

Учитывая опыт внедрения аналогичных приборов, можно предположить, что СВЧ-влагомеры найдут применение, в первую очередь, в пищевой, химической, нефтегазовой отраслях промышленности.

 Положительным фактором для внедрения СВЧ-влагомера является отсутствие зарубежных аналогов.

Внедрение готовой продукции предполагается проводить на объектах пищевой промышленности (заводы по выпуску консервированной пищевой продукции, ликеро-водочные заводы), предприятиях химической и нефтегазовой промышленности (контроль влагосодержания жидких реагентов и др.).

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность. Производительность прибора при контроле технологических процессов повысится в 3-5 раз за счет использования прибора на разных диапазонах измерения.

Экологическая безопасность. Уменьшится сброс промстоков за счет применения прибора в системах регенерации реагентов в безотходных и ресурсосберегающих технологиях.

Снижение себестоимости.  За счет оптимизации конструкции взрывозащиты и СВЧ-тракта влагомера уменьшится металлоемкость, габариты, вес. Затраты на изготовление корпусных комплектующих детелей уменьшатся.

Новые потребительские свойства продукции

- расширение сферы применения за счет более широкого диапазона измерения влагосодержания (имеются узкие поддиапазоны) и других высоких метрологических характеристик;
- улучшение эксплуатационных, эргономических характеристик;
- снижение стоимости прибора при повышении метрологических характеристик.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Разработка автоматического поточного СВЧ-влагомера неводных жидкостей полностью базируется на отечественных электрорадиоэлементах, элементах и узлах СВЧ.

Стадия и уровень разработки

Этапы работ по проекту.
- Проведение патентного поиска по тематике НИОКР.
- Выполнение НИР по исследованию на основе матричной теории СВЧ-цепей и создание измерительных ячеек, способных обеспечивать необходимые диапазон и точность измерения.
- Выполнение НИР по выбору оптимального волноводного метода многодиапазонного измерения влагосодержания. Разработка ТЗ на проектирование.
- Проведение ОКР по созданию автоматического поточного СВЧ-влагомера неводных жидкостей.
- Разработка эскизов деталей и узлов СВЧ-тракта, электронных блоков.
- Изготовление разработанных узлов.
- Климатические, механические и др. испытания разработанных узлов.
- Отработка КД по выявленным замечаниям.
- Разработка КД взрывозащиты СВЧ-влагомера.
- Проведение экспертизы КД взрывозащиты СВЧ-влагомера.
- Отработка КД взрывозащиты по результатам экспертизы.
- Изготовление опытного образца автоматического поточного СВЧ-влагомера.
Проведение эксплуатационных испытаний СВЧ-влагомера.
- Подготовка документации и проведение экспертизы промышленной безопасности.
- Климатические и механические испытания.
- Испытания на взрывозащищенность.
- Согласование и утверждение плана эксплуатационных испытаний с Госгортехнадзором России.
- Проведение эксплуатационных испытаний.
Проведение испытаний СВЧ-влагомера на соответствие утвержденному типу С.И.
- Подготовка документации и заявки на проведение испытаний в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.
- Испытания на соответствие и утвержденному типу С.И.
- Проведение рекламы и маркетинга.
- Организация выпуска СВЧ-влагомеров.
По каждому этапу составляется информационный отчет с приложением результатов экспертиз.
Разработка должна иметь патентную чистоту и обладать патентнозащищенностью на новые технические решения, появившиеся в процессе выполнения НИОКР.
Метрологические и эксплуатационные характеристики СВЧ-влагомера должны быть выше, чем у отечественного аналога – автоматического поточного СВЧ-влагомера «ТЕСТ-200В». (Зарубежные аналоги не обнаружены на момент составления заявки).
Соответствие международным стандартам качества.
В ООО "ВолгоУралНИПИгаз" функционирует система менеджмента качества, соответствующая требованиям ISO 9001:2000 L сертифицированной независимым органом BVQI (Burean Ueritas Quality International).

Предлагаемые инвестиции

2,5 млн. руб.
2007-2008 год

Рынки сбыта

СВЧ-влагомеры найдут (находят) применение, в первую очередь, на предприятиях нефтегазовой промышленности (например, установки гликолевой осушки природного газа, установки регенерации метанола, контроль влажности аминов и др.), на предприятиях пищевой и химической промышленностей (например, контроль концентрации этилового спирта в напитках, качества различных спиртов, кетонов, аминов, гликолей и других жидкостей в химическом производстве), по всей территории России.

Возможность и эффективность импортозамещения

Зарубежные аналоги не обнаружены.

Возможность выхода на мировой рынок

Отечественный аналог – СВЧ-влагомер «ТЕСТ-200В» поставляется в страны ближнего зарубежья.

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

11.12.2006