Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

261

щих ее качество, рассматриваемая применительно к определенным условиям

создания, эксплуатации или потребления продукции.

Значение показателей качества продукции определяют измерительным

(экспериментальным), расчетным и экспертным методами.

Измерительный метод базируется на выполнении измерений. Расчетным

методом значения показателей качества определяются с помощью вычислений

с использованием параметров, найденных другими методами. Если показатели

качества не поддаются на настоящем этапе развития науки и техники

измерениям, то используется экспертный метод, в соответствии с которым

оценка показателя качества осуществляется в баллах. Экспертным является так-

же органолептический метод, основанный на анализе непосредственно

восприятия органами чувств экспертов свойств продукции.

Качество продукции предприятий нефтеперерабатывающей,

нефтехимической и химической отраслей промышленности в настоящее время

определяется в основном путем лабораторных определений комплексов

показателей качества, базирующихся, как правило, на измерительном методе.

Непосредственно на химико-технологических процессах качество

продукции определяется путем автоматических измерений физико-химических

свойств, концентрации определяемого компонента (компонентов) или полного

состава продукции, которые служат в данном случае показателями ее качества.

В процессах, связанных с переработкой нефти, осуществляются измерения ряда

характеристик сырья, промежуточных и конечных продуктов по существу

полностью соответствующим понятию «показатель качества».

Все эти измерения относятся к физико-химическим измерениям (см. гл. 1) и

осуществляются с помощью автоматических средств аналитической техники,

являющейся отдельной отраслью измерительной техники.

Рассмотрим некоторые важные понятия, связанные с перечисленными

показателями качества продукции. В результате проведения химико-

технологических процессов вырабатываются жидкие, газообразные и твердые

продукты. Их называют веществами, средами или материалами.

В общем случае веществом называют различные виды материи. В химии

часто под веществом понимают так называемое «чистое вещество». Строго это

представление относится к идеально чистым веществам. Все реальные

вещества содержат примеси в больших или малых количествах.

В аналитической технике используется понятие анализируемое вещество,

под которым понимают смесь нескольких веществ, подвергаемую анализу.

Каждому веществу присущи физические и химические свойства.

Физическое свойство вещества — это физическая величина, а химическое

свойство вещества — это способность данного вещества участвовать в

химических реакциях. Два этих свойства обычно для веществ объединяют

понятием физико-химические свойства. К фи-

262

зико-химическим относят такие свойства, как плотность, вязкость,

коэффициент преломления, давление насыщенных паров, теплота сгорания и

др.

Физико-химическое свойство какого-либо вещества зависит от его

природы и, будучи определенным с помощью различных методов и средств

измерений с точностью до погрешности измерений, имеет одно и то же

значение.

В отличие от физико-химических свойств упомянутые выше показатели

качества, используемые для оценки качества нефтей и нефтепродуктов, имеют

различные значения при их измерении различными методами и средствами

измерений. Поэтому методы и средства измерений показателей качества строго

стандартизируются. К показателям качества нефтепродуктов относятся

фракционный состав, октановое число, температура вспышки и др.

Как следует из приведенного определения, анализируемое вещество

представляет собой смесь. Поэтому при решении задачи определения состава

анализируемого вещества его называют анализируемой смесью.

Каждая смесь состоит из двух и более составных частей, называемых

компонентами.

Различают качественный и количественный состав смеси. Первый

представляет собой информацию о том, какие компоненты входят в смесь,

второй, кроме того, дает информацию о количестве этих компонентов в смеси.

Количественный состав характеризуется концентрацией (содержанием)

отдельных компонентов.

Концентрация — отношение количества компонента к количеству всей

смеси, взятой на анализ, т. е. относительное количество компонента в смеси.

Различают массовую с

, объемную с и молярную (мольную) с

концентрации, определяемые как отношение массы, объема или количества

вещества данного компонента соответственно к массе, объему или количеству

вещества всей смеси. Концентрации выражают в долях или процентах

(соответственно в процентах массовых — % мас., в процентах объемных — %

об. и в процентах молярных— % мол.).

Связь между перечисленными концентрациями описывается выражением

imi

ccc ,

(9.1)

где ρ

и μ

— плотность и молекулярная масса i-го компонента; ρ и μ —

плотность и молекулярная масса анализируемой смеси.

Массовую концентрацию выражают также отношением













объема ед.

массы ед.

(например, кг/м

, г/см

и т. д.), а молярную — отношением:













объема ед.

вещества количества ед.

(например, моль/м

; моль/см

и т. д.).

263

Анализируемые смеси принято подразделять на бинарные, мно-

гокомпонентные и псевдобинарные.

Бинарная смесь — смесь, состоящая из двух компонентов.

Многокомпонентная смесь — смесь, состоящая из трех и более

компонентов.

Псевдобинарная смесь — многокомпонентная смесь, которая при

определенных условиях по некоторому физико-химическому свойству может

рассматриваться как бинарная.

Компоненты, составляющие смеси, подразделяют на определяемые и

неопределяемые.

Определяемый компонент — компонент смеси, подлежащий ко-

личественному определению. Часто этот компонент (или компоненты)

называют ключевым, так как информация о его концентрации используется для

управления технологическими процессами.

Неопределяемый компонент — компонент смеси, не подлежащий

количественному определению.

§ 9.2. Значение автоматического контроля качества сырья и

продукции химико-технологических процессов

Характерной чертой развития современных технологических процессов

является ориентация на производство продукции повышенного качества.

Особая роль в решении задачи повышения качества продукции и

эффективности управления в отраслях промышленности, базирующихся на

использовании химико-технологических процессов, наряду с внедрением новых

процессов, комбинированных и укрупненных технологических установок

отводится автоматизированным системам управления технологическими

процессами (АСУ ТП).

Современные АСУ ТП, как правило, включают в свой состав в качестве

одной из подсистем систему автоматического контроля качества сырья

промежуточных и конечных продуктов, Работа этой подсистемы во многом

определяет эффективность всей АСУ ТП, так как обеспечивает возможное

проведение технологического процесса не по косвенным (давление,

температура, расход, уровень и т. д.) параметрам, а по целевым параметрам —

показателям качества, что упрощает проведение процесса и повышает качество

продукции. Кроме того, автоматический контроль качества продукции химико-

технологических процессов в настоящее время приобретает решающее

значение в связи с непрерывным ростом мощностей технологических

установок. Промахи при управлении такими установками недопустимы, так как

могут привести к большим потерям для народного хозяйства.

В настоящее время для автоматического контроля качества продукции

химико-технологических процессов используются средства измерений

названных выше показателей качества, принцип действия которых основан на

различных физических явлениях и химических реакциях. Эти средства

измерений позволяют в прин-

264

ципе решать многие задачи автоматического контроля качества, однако

непрерывно развивающаяся технология процессов постоянно порождает все

новые и новые задачи контроля качества. Это определяет необходимость

постоянных исследований и разработок, направленных на совершенствование

известных и создание новых средств аналитической техники. Общими

задачами, решаемыми при этом, являются: увеличение быстродействия,

точности и надежности средств аналитической техники. Это связано с тем, что

указанные характеристики современных средств аналитической техники еще во

многих случаях не отвечают требованиям автоматизированного управления

технологическими процессами. Отмеченными обстоятельствами объясняется

существующее в настоящее время противоречие между огромными

возможностями электронных вычислительных машин в части обработки

информации и управления и весьма ограниченными возможностями получения

исходной информации о качестве сырья и продукции химико-технологических

процессов.

§ 9.3. Общие сведения о методах и средствах автоматического контроля

качества продукции химико-технологических процессов

В основе автоматического контроля качества продукции химико-

технологических процессов лежит химический анализ, поэтому его часто

называют автоматическим аналитическим контролем.

Химический анализ (от греч. analysis — разложение, расчленение, разбор)

— совокупность операций, цель которых установить, из каких веществ состоит

исследуемый объект (качественный анализ) или в каких количествах в него

входят те или иные вещества (количественный анализ).

Различают три группы методов анализа: физические, физико-химические и

химические.

Физические методы анализа основаны на измерении физических величин,

присущих анализируемому веществу, например измерение плотности, вязкости

анализируемого вещества и др.

Физико-химические методы анализа основаны на химических

превращениях анализируемого вещества и измерении физических величин,

сопровождающих эти превращения, например температуры или излучения в

процессе окисления анализируемого вещества.

Химические методы анализа основаны на химических превращениях и

измерении количества продуктов этих превращений.

Используемое в научной и технической литературе подразделение методов

анализа на физико-химические и химические весьма условно.

В зависимости от наличия предварительного воздействия на

анализируемое вещество различают: методы анализа без преобразования

анализируемого вещества (непосредственное измерение

265

физических свойств) и методы с предварительным преобразованием

анализируемого вещества. При реализации последних используются

физические и химические методы преобразования анализируемого вещества.

Физическими называют преобразования, при которых изменяются

физические свойства анализируемого вещества, а состав остается неизменным

(например, изменение агрегатного состояния вещества).

Химическими называют преобразования, при которых изменяется состав

анализируемого вещества.

Методы анализа состава веществ подразделяют на избирательные и

интегральные.

Избирательными (селективными) называют методы анализа состава,

базирующиеся на использовании физического явления или химической

реакции, избирательно (однозначно) зависящей от концентрации в смеси

определенного компонента или группы компонентов одного класса.

Интегральными (неизбирательными) называют методы анализа состава,

базирующиеся на различии в физико-химических свойствах компонентов

смеси.

Анализ сырья и продукции химико-технологических процессов

осуществляется с помощью средств аналитической техники, а именно

автоматических и полуавтоматических анализаторов, а также индикаторов. Эти

средства называют анализаторами качества или аналитическими приборами.

Анализатор — измерительный прибор, измерительные установки или

измерительные системы, предназначенные для анализа состава или свойств

анализируемого вещества.

Автоматический анализатор — анализатор, в котором все операции

осуществляются автоматически.

Полуавтоматический анализатор — анализатор, в котором автоматически

осуществляется большая часть операций (обычно не автоматизированы

операции ввода и вывода пробы анализируемого вещества).

Индикатор (определитель, сигнализатор) — анализатор, выра-

батывающий информацию о качественном составе анализируемого вещества

(например, о наличии или отсутствии какого-либо компонента).

Анализаторы подразделяют на лабораторные и промышленные. На рис.

9.1 приведена классификация промышленных анализаторов по наиболее

важным признакам.

В дополнение к приведенной классификации следует добавить следующее:

анализатором непрерывного действия называют анализатор, предназначенный

для непрерывного анализа потока анализируемого вещества, анализатором

циклического действия — анализатор, предназначенный для непрерывного

анализа проб анализируемого вещества, сменяющихся в полном объеме с

определенной цикличностью.

266

267

Анализаторы, предназначенные для анализа газообразных сред, называют

газоанализаторами.

Классификация автоматических анализаторов по принципу действия,

учитывающая используемый метод анализа, приведена в табл. 9.1. Подробное

описание большинства приведенных в табл. 9.1 принципов действия

автоматических анализаторов дано в гл. 10—.

Таблица 9.1

Классификация автоматических анализаторов по

принципу действия

Метод анализа

Принципы действия

Физический Механический

Диффузионный

Акустический

Тепловой

Аэрозольный

Сорбционный

Магнитный

Радиоизотопный

(радиоактивный)

Радиоспектрометрический

Рентгеноспектральный

Спектральный оптический

Оптический

Физико-

химический

Электрохимический

Термохимический

Эмиссионный

Ионизационный

Хемилюминесцентный

Химический

Титрометрический

Объемный

(волюметрический)

13. Автоматические анализаторы, как и средства государственной системы

приборов (см. § 2.9), классифицируются по исполнению, что определяет

возможность их применения на химико-технологических процессах.

Автоматические анализаторы с позиций метрологии в зависимости от

структуры рассматриваются как измерительные приборы, измерительные

установки или измерительные системы, поэтому их метрологические

характеристики определяются и нормируются в

268

соответствии с общими положениями, изложенными в § 2.6, 2.9. Для

автоматических анализаторов качества принято также нормировать

стабильность показаний (время сохранения постоянства показаний) и время

прогрева [19], определяющее интервал времени, необходимый для

приведения анализатора в рабочее состояние.

§ 9.4- Структурные схемы и сигналы автоматических анализаторов

Автоматические анализаторы являются сложными измерительными

системами, включающими в свой состав помимо различных измерительных

устройств разнообразные вспомогательные устройства.

Упрощенные структурные схемы автоматических анализаторов

непрерывного и циклического действия показаны на рис. 9.2, а, б.

Анализируемое вещество поступает в первичный измерительный

преобразователь 3 автоматических

анализаторов; через устройства отбора

1 и подготовки 2 анализируемого

вещества (или, как говорят, пробы

анализируемого вещества). Зачастую

они представляют собой сложные

технические устройства,

включающие в себя, как правило,

различные побудители расхода,

теплообменники,

устройства очистки и стабилизации

параметров анализируемого вещества.

Конструкция и характеристики этих

устройств во многом определяют

работоспособность автоматических анализаторов, оказывают влияние на их

статические и динамические характеристики. Первичные измерительные

преобразователи, или аналитические устройства * анализаторов не-

прерывного и циклического действия, по структуре различны.

Аналитическое устройство 3 анализатора непрерывного действия (рис. 9.2,

а) состоит из устройства воздействия на анализируемое вещество 4 и

чувствительного элемента 5.

Устройство 4 обеспечивает воздействие на анализируемое вещество

соответствующим видом энергии или веществом с целью пре-

* Использование термина «аналитическое устройство» предпочтительнее,

так как в большинстве случаев рассматриваемое устройство само содержит в

качестве одной из частей один или несколько различных первичных

измерительных преобразователей.

Рис. 9.2. Структурные схемы

автоматических анализаторов

269

образования его физико-химических свойств или формирования условий,

обеспечивающих протекание физических процессов или химических реакций.

Чувствительный элемент 5 (в некоторых анализаторах первичный

измерительный преобразователь) воспринимает физико-химическое свойство

или параметр, сопровождающие физический процесс или химическую

реакцию, и преобразует их в выходной сигнал (обычно электрический или

пневматический), который через масштабирующий измерительный

преобразователь 6 поступает на показывающий или самопишущий

измерительный прибор 7.

Чувствительный элемент 5 в некоторых анализаторах называют

детекторами.

Если используемый принцип действия не требует каких-либо

преобразований анализируемого вещества, то устройство 4 в составе

анализатора отсутствует. Выходной сигнал автоматических анализаторов

непрерывного действия имеет вид, показанный на рис. 9.3, а.

В состав автоматических анализаторов циклического действия, помимо

уже названных устройств, входит дозирующее устройство (дозатор) 8 (рис. 9.2,

б), расположенное в аналитическом устройстве 3. Дозатором из потока

анализируемого вещества, поступающего из устройства 2, отбирается

постоянная по объему (реже по массе) проба. Эта проба подвергается

соответствующему воздействию в устройстве 4, после чего чувствительный

элемент осуществляет преобразование физико-химического свойства пробы

или параметра, сопровождающего указанное воздействие, в выходной сигнал.

Формы сигналов чувствительных элементов автоматических анализаторов

циклического действия разнообразны и зависят от используемого в работе

анализатора принципа действия. Наиболее распространенные формы этих

сигналов показаны на рис. 9.3, б—з.

Простейшими по форме являются сигналы в виде кривой нормального

распределения (рис. 9.3, б) или трапеции (рис. 9.3, в). В первом случае в

качестве информативного параметра сигнала используется амплитуда U

max

или

площадь S сигнала, во втором — высота. Такие формы сигналов характерны

для анализаторов физико-химических свойств веществ и концентрации

отдельных компонентов в бинарных и многокомпонентных смесях. Сигнал в

виде спектра импульсов (пиков), показанный на рис. 9.3, г, характерен для

анализаторов состава многокомпонентных смесей. Здесь каждому пику

соответствует определенный компонент или фрагменты этого компонента (см.

гл. 12).

Сигналы сложной формы (рис. 9.3, д, е) характерны для анализаторов

показателей качества (см. гл. 13). Практически во всех случаях сигналы

анализаторов циклического действия требуют специальной обработки, что

выполняется с помощью различных вычислительных и запоминающих

устройств, которые обычно включаются между масштабирующим

преобразователем 6 и измерительным

270

прибором 7 (см. рис. 9.2). Выходной сигнал вычислительных устройств имеет

обычно формы, показанные на рис. 9.3, ж, з. Результат измерения в каждом

цикле (рис. 9.3, ж) представляется отдельным пиком или штрихом (при малой

скорости диаграммной ленты самопишущего прибора). Огибающая амплитуд

этих пиков позволит получить информацию об изменениях измеряемого

параметра

Рис. 9.3. Формы сигналов автоматических анализаторов

во времени. Если вычислительное устройство снабжено запоминающим

устройством, то его выходной сигнал представляется ступенчатой кривой (рис.

9.3, з), так как информация о результатах измерений, полученных в

предыдущем цикле работы анализатора, запоминается на один цикл. Такая

форма выходного сигнала анализатора циклического действия удобна для

дальнейшего использования в системах автоматического регулирования и

управления.

§ 9.5. Способы подключения автоматических анализаторов к

технологическим потокам

В общем случае способ подключения автоматического анализатора к

технологическому потоку определяется рядом факторов, среди которых

наиболее важными являются: принцип действия анализатора, конструкция

устройства отбора анализируемого вещества, требования к скорости анализа,

характеристики потока анализируемого вещества.

Наиболее часто используемые способы подключения автоматических

анализаторов к технологическим потокам схематично изображены на рис. 9.4.

Простым и удобным для приборостроителей и эксплуатацион-