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

Подождите немного. Документ загружается.

271

ников является бесконтактный способ (рис. 9.4, а), при котором анализируемое

вещество не вводится в анализатор, а анализ проводится через стенку

технологического аппарата 1 или специальную вставку в ней, около которой

располагается автоматический анализатор 2.

Другим, также относительно простым является метод подключения

анализаторов (рис. 9.4, б), при котором чувствительный элемент 3 анализатора

2 расположен непосредственно в технологическом

Рис. 9.4. Способы подключения автоматических анализаторов к тех-

нологическим потокам

аппарате или потоке 1. Как первый, так и второй способ исключают

необходимость использования сложных устройств отбора и подготовки

анализируемого вещества. Однако лишь незначительное число принципов

измерений физико-химических свойств и состава позволяют реализовать такие

способы подключения автоматических анализаторов к технологическим

потокам.

В большинстве случаев используются способы подключения,

представленные на рис. 9.4, в — е. Замкнутый способ подключения

анализатора (рис. 9.4, в, г), при котором анализатор 2 устанавливается на

байпасной линии 4, реализуется либо за счет наличия гидравлического

сопротивления 5 между точками отбора и возврата анализируемого вещества в

технологический поток или аппарат 1, либо за счет включения

последовательно с анализатором 2 в линию 4 побудителя расхода 6 (рис. 9.4, г).

Замкнутый способ отбора обеспечивает возврат всего отобранного

анализируемого вещества в технологический поток, что обусловливает

достаточно большой расход этого вещества через байпасную линию и, следо-

272

вательно, малое время транспортного запаздывания в системе отбора

анализируемого вещества.

Однако не все автоматические анализаторы могут быть подключены к

потоку данным способом. На рис. 9.4, д представлен способ подключения

анализатора со сбросом анализируемого вещества, что предполагает

возможность сброса последнего после выхода из анализатора 2 в атмосферу,

канализацию или специальную емкость. Для уменьшения значения времени

транспортного запаздывания длина линии 7, соединяющей технологический

аппарат или поток 1 с анализатором, должна быть минимальной. Данным спо-

собом можно подключить к технологическому потоку практически все

автоматические анализаторы. Компромиссным и наиболее часто применяемым

является способ подключения анализатора (рис. 9.4, е), который представляет

собой комбинацию двух предыдущих и сочетает их положительные

возможности.

Для отбора проб анализируемого вещества в специальных случаях находят

применение роботы, действующие по жесткой или гибкой программе. Робот 8

(рис. 9.4, ж) с помощью специального захватного устройства 9 обеспечивает

доставку пробы анализируемого вещества из технологического потока 1 в

автоматический анализатор 2.

§ 9.6. Агрегатный комплекс средств аналитической техники

В настоящее время автоматические анализаторы качества выпускаются в

рамках государственной системы приборов (см. гл. 2) в виде отдельных средств

измерений и в составе агрегатного комплекса средств аналитической техники

(АСАТ). Последний представляет собой систему агрегатных комплексов

(называемых подкомплексами АСАТ) средств измерений хи-

Рис. 9.5. Состав подкомплексов агрегатных средств аналитической техники

мического состава, построенных на основе определенного для каждого

подкомплекса принципа измерений. Для анализа жидкостей определены

следующие подкомплексы ACAT [12]: фотометрический,

кондуктометрический, по-

273

тенциометрический, полярографический, хроматографический, акустический,

диэлектрический, а для анализа газов — следующие подкомплексы АСАТ:

хроматографический, рентгеновский, акустический, диэлектрический,

тепловой, магнитный. Примерный состав подкомплексов АСАТ показан на

рис. 9.5.

Функциональное назначение устройств, входящих в подкомплексы АСАТ,

следующее. Устройство формирования пробы служит для отбора

анализируемого вещества, его предварительной подготовки (очистки,

охлаждения или нагревания и т. п.), принудительной подачи со

стабилизированными параметрами (давлением и расходом) в последующее

устройство.

Устройство воздействия служит для подвода к анализируемому веществу

энергии (тепловой, магнитной, электрической и т. д.) и для стабилизации или

изменения значения этой энергии во времени.

Устройство получения информации служит для выполнения измерений по

принятому принципу и формирования сигнала измерительной информации.

Назначение остальных устройств следует из их названий, приведенных на рис.

9.5.

Устройства формирования пробы, устройства воздействия и устройства

получения информации являются устройствами, специфическими для средств

измерений химического состава, и полностью разрабатываются в составе

АСАТ. Остальные устройства подкомплексов АСАТ заимствуются, как

правило, из других агрегатных комплексов ГСП. Изделия подкомплексов

АСАТ помимо прямого назначения могут совместно использоваться для

построения многопараметрических (см. гл. 12) измерительных систем.

274

ГЛАВА 10

ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ

И ГАЗОВ

§ 10.1. Общие сведения

К числу физико-химических свойств, автоматический контроль которых

осуществляется в химико-технологических процессах, относятся плотность,

вязкость, коэффициент преломления, давление насыщенных паров, теплота

сгорания.

Измерение плотности жидкостей и газов осуществляется для целей

управления химико-технологическими процессами и выполнения операций

учета количества сырья, топлива, реагентов и готовой продукции.

Для химико-технологических процессов, связанных с производством

нефтяных масел, консистентных смазок, полимеров, растворителей, вязкость

является показателем, однозначно определяющим качество продукции.

Поэтому ее автоматическое измерение позволяет создавать очень

эффективные системы автоматического управления названными выше

процессами.

Для некоторых видов продукции химико-технологических процессов

требуется измерение коэффициента преломления как одной из величин,

определяющих качество.

Для светлых нефтепродуктов (особенно для авиационных и ав-

томобильных бензинов) одним из важных свойств является давление

насыщенных паров (упругость паров), характеризующее склонность

нефтепродуктов к образованию паровых пробок в топливных системах

двигателей.

Для жидких однокомпонентных веществ значение давления насыщенных

паров может использоваться в качестве характеристики их чистоты.

Теплоценность жидких и газообразных топлив, используемых в огневых

нагревательных и реакционных аппаратах химико-технологических процессов,

определяется теплотой их сгорания. Автоматическое измерение этого физико-

химического свойства в настоящее время приобретает чрезвычайно важное

значение в связи с проводимыми мероприятиями по экономии топливно-

энергетических ресурсов.

275

§ 10.2. Средства измерений плотности жидкостей и газов

Плотностью ρ вещества называют физическую величину, определяемую

отношением массы m вещества к занимаемому им объему V:

p = m/V, [ед. массы]/[ед. объема]. (10.1)

Удельным весом γ вещества называют физическую величину,

определяемую отношением веса G вещества к занимаемому им объему V:

γ = G/V, [ед. силы]/[ед. объема]. (10.2)

Удельный вес и плотность связаны соотношением

V = ρg = mg/V, (10.3)

где g — местное ускорение свободного падения.

В то время как плотность тела не зависит от его местонахождения на

поверхности Земли, удельный вес изменяется в зависимости от расположения

тела на земном шаре (в пределах нашей страны более чем на 0,3%). Поэтому

справочные данные составляют по плотности.

В некоторых случаях используется понятие относительной плотности,

определяемое как отношение плотности данного вещества к плотности другого

(условного) вещества при определенных физических условиях.

Относительную плотность жидкого вещества принято выражать

отношением его плотности, взятой при нормальной температуре (20 °С), к

плотности дистиллированной воды при температуре 4°С и обозначить ρ

Относительную плотность газа принято выражать отношением его

плотности к плотности сухого воздуха, взятых при нормальных условиях

(нормальная температура — 293,15 К, нормальное давление— 101 325 Па = 760

мм рт. ст.).

Плотность жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры.

Плотность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жидкости

практически от давления не зависит. Во многих важных для практики случаях

плотность можно рассматривать как аддитивное физическое свойство (см. гл.

11).

Средства измерений плотности часто называют плотномерами или

денсиметрами (денситометрами) (от лат. densus — плотный, густой и от греч.

metreo — измеряю),

Для измерения плотности в настоящее время применяются плотномеры

весовые, поплавковые, гидроаэростатические, гидрогазодинамические,

рздиоизотопные, акустические, вибрационные и др. [20].

Далее рассмотрены наиболее широко применяемые автоматические

плотномеры жидкостей и газов.

276

Весовые, или пикнометрические (от греч. pyknos — плотный),

плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров (см. табл.

9.1) состоит в непрерывном взвешивании постоянного объема анализируемого

вещества в некоторой емкости или трубопроводе, т. е. в соответствии с

выражениями (10.1) — (10.3) плотность определяется через удельный вес.

Наиболее распространен плотномер жидкостей, схема которого показана

на рис. 10.1, а.

Чувствительным элементом плотномера служит U-образная трубка 7,

изготовленная из нержавеющей стали, соединенная через тягу 3 с рычагом 4.

Концы трубки 7 через сильфоны 2

Рис. 10.1. Схемы весовых и поплавковых плотномеров жидкостей

соединены с неподвижными патрубками 1, через которые подается анализи-

руемая жидкость. Наличие сильфонов 2 позволяет трубке 7 поворачиваться

вокруг оси О — О. При увеличении плотности жидкости увеличивается масса

трубки с жидкостью, что через рычаг 4 передается к механоэлектрическому или

механопневматическому преобразователю 5, построенному по принципу

компенсации сил (см. гл. 5), выходной сигнал С

вых

которого пропорционален

изменению плотности анализируемой жидкости. Противовес 6, укрепленный на

рычаге 4, служит для уравновешивания момента сил, создаваемого трубкой 7 с

жидкостью при выбранном нижнем пределе измерения плотности. Устройство

8 служит для автоматического введения поправки к сигналу плотномера в

зависимости от температуры анализируемой жидкости, которую это устройство

непрерывно измеряет.

277

Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность в

интервале 0,5—2,5 г/см

. При этом может быть установлен диапазон измерений

0,05-—0,3 г/см

в любой части указанного интервала. Максимальная

температура анализируемой жидкости 100 °С, классы точности 1— 1,5.

Поплавковые, или ареометрические (от греч. — araios жидкий и metreo

измеряю), плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров

основан на непрерывном измерении выталкивающей (подъемной) силы,

действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в

анализируемое вещество.

На рис. 10.1, б показана схема поплавкового плотномера жидкостей с

частично погруженным поплавком 2, который размещен в емкости 1. Через эту

емкость непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. За счет перелива

в емкости поддерживается постоянный уровень. Анализируемая жидкость

удаляется из плотномера через сборник 3. При изменении плотности жидкости

изменяется степень погружения поплавка 2 в емкость. Достижение положения

равновесия сил N и G

обеспечивается при этом изменением длины 1 стержня

4, погруженного в жидкость. Перемещение поплавка 2 преобразуется в

электрический сигнал с помощью дифференциального трансформатора 5.

Вес поплавка 2 со стержнем 4 (в воздухе) G

и выталкивающая сила N,

действующая на поплавок, описываются выражениями

= mg, (10.4)

N = (V + lS)ρg, (10.5)

где т — масса поплавка и стержня; V — объем поплавка; I — длина участка

стержня, погруженного в жидкость; S — площадь поперечного сечения

стержня.

При равенстве сил G

и N из выражений (10.4) и (10.5) с учетом действия на

стержень на поверхности раздела фаз сил поверхностного натяжения

l = (m - Vρ + A)/Sρ, (10.6)

где А — постоянная для данной жидкости величина, учитывающая

поверхностное натяжение.

Как видно из (10.6), длина I, а следовательно, и сигнал дифференциального

трансформатора 5 однозначно связаны с плотностью жидкости. Массу т

подбирают в зависимости от диапазона измерений.

Существует много различных конструкций плотномеров с частично

погруженным поплавком [20, 21]. Они обладают высокой чувствительностью,

что позволяет осуществлять измерение плотности в узком диапазоне (всего

0,005—0,01 г/см

) с погрешностью ±(1,5—3)% от диапазона измерений. На рис.

10.1, в показана схема поплавкового плотномера жидкостей с полностью погру-

женным поплавком 2. Последний размещен в камере 1, через кото-

278

рую прокачивается анализируемая жидкость. Изменение выталкивающей силы,

действующей на поплавок, при прочих постоянных условиях пропорционально

изменению плотности жидкости. Поплавок укреплен на рычаге 3,

герметичность вывода которого из камеры 1 обеспечивается сильфоном 4.

Момент на рычаге 3, создаваемый выталкивающей силой при значении

плотности, соответствующем нижнему пределу измерений, уравновешивается

моментом, создаваемым противовесом 5. Изменение выталкивающей силы

преобразуется преобразователем силы 6 в унифицированный пневматический

или электрический сигнал С

Вых

. Плотномеры данной конструкции позволяют

измерять плотность от 0,5 до 1,2 г/см

. Диапазон измерений может быть

установлен от 0,05 до 0,2 г/см

в любой части указанного интервала.

Температура анализируемой жидкости может составлять -5

+ 110°С. Класс

точности 1.

Гидро- и аэростатические плотномеры. Принцип действия этих

механических плотномеров основан на зависимости давления Р столба

анализируемой жидкости или газа от плотности ρ этих сред:

P = ρgH, (10.7)

где H — высота столба жидкости или газа.

Если значение H принять постоянным, то давление Р однозначно

определяется плотностью среды:

P = kρ, (10.8)

где k = gH — постоянный коэффициент.

На рис. 10.2, а приведена схема гидростатического плотномера жидкости.

В данном измерительном устройстве анализируемая жидкость непрерывно

прокачивается через камеру 1, в которой на опорной плате 9 размещены

измерительные сильфоны 2 и 4. Расстояние между этими сильфонами по

высоте составляет H, поэтому на сильфон 2 действует большее

гидростатическое давление, чем на сильфон 4. Указанные сильфоны и сильфон

3 заполнены вспомогательной жидкостью. Сильфон 3 служит для

температурной компенсации и по существу представляет собой жидкостный

манометрический термометр. Разность усилий на сильфонах 2 и 4, возникающая

за счет разности гидростатических давлений на них, создает на измерительном

рычаге 8 вращающий момент, который через рычаг 7 передается в

преобразователь 5 силы в унифицированный электрический или

пневматический сигнал. Мембрана 6 обеспечивает герметичный вывод рычага

7. Основные технические характеристики: диапазон измерений от 0—0,05 до

0—0,5 г/см

; максимальная температура жидкости 200°С; класс точности 1.

Схема гидростатического плотномера, принцип действия которого

основан на измерении гидростатического давления путем продувки сжатого

газа, показана на рис. 10.2, б. Такие плотномеры используются в химико-

технологических процессах для измерения плотности непосредственно в

технологических аппаратах. В аппа-

279

рате 7 установлены трубки 1 и 2 с различной глубиной погружения. Газ

(обычно воздух) от регулятора расхода 5 поступает к пневматическим

дросселям 3 и 4, а затем к трубкам 2 и 1. Через открытые торцы трубок газ

барботирует через жидкость. Давление газа в трубках 1 и 2 определяется

гидростатическим давлением столба

Рис. 10.2. Схемы гидро- и газостатических плотномеров жидкостей и газов

жидкостей высотой Н

и Н

(см. гл. 8). Разность давлений в трубках измеряется

дифманометром 6 с пневматическим или электрическим выходным сигналом.

Этот перепад определяется выражением

ΔP = P

- P

= ρgH

- ρgH

= (H

- H

) ρg = Hρg.

(10.

Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на результат измерений

возможных изменений уровня жидкости в аппарате.

Схема широко распространенного аэростатического плотномера газов

показана на рис. 10.2, в. В этом плотномере анализируемый газ и воздух

прокачиваются при постоянных давлениях соответст-

280

венно через вертикальные трубки 1 и 2, внутренние полости которых образуют

столбы анализируемого газа и воздуха одинаковой высоты. Разность

аэростатических давлений этих столбов измеряется с помощью

высокочувствительного колокольного дифманометра 3, работающего по

принципу уравновешивания за счет изменения выталкивающей силой (см. гл.

4). Перемещение колокола 4 дифманометра с помощью преобразователя 5

преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

Плотномер обеспечивает измерение плотности от 0 до 3 кг/м

с диапазоном

измерений от 0,2 до 1 кг/м

и с погрешностью ±0,01 кг/м

Одним из наиболее совершенных и чувствительных является плотномер

(рис. 10.2, г), в котором используется комбинация механического и теплового

эффектов. Анализируемый газ с постоянным объемным расходом поступает в

трубку 2, а в трубку 3 при постоянном давлении поступает вспомогательный

газ (обычно воздух). Газовые потоки выводятся через трубку 1. Трубки 1, 2 и 3

расположены вертикально. При изменении плотности анализируемого газа

изменяется аэростатическое давление столба газа в трубке 2, а следовательно, и

давление в точке А. Поэтому изменяется расход воздуха, омывающего

резисторный измерительный термоанемометр R

(см. § 7.8), в результате чего

изменяется его сопротивление. Сопротивление сравнительного

термоанемометра R

сp

остается постоянным, так как омывающий его поток

воздуха практически не изменяется. Изменение сопротивления

термоанемометра R

вызывает разбаланс U неравновесного моста 4. Этот

разбаланс описывается выражением [22]:

U = K(ρ – ρ

(10.

10)

где К — коэффициент преобразования плотномера; ρ

— плотность воздуха.

Плотномер термостатируется при температуре 40 или 45°С, обеспечивает

измерение плотности в пределах 0—3 кг/см

с диапазоном измерений,

отсчитанным от значения плотности воздуха при 20°С, ± (0,01

1,5) кг/м

классами точности 2—5 (в зависимости от диапазона измерений).

Гидро-газо(аэро)динамические плотномеры. Принцип действия этих

механических плотномеров основан на сообщении потоку анализируемого

вещества дополнительной кинетической энергии и на измерении параметров,

характеризующих эффекты, возникающие при этом воздействии. В основном

указанные плотномеры применяются для измерения малой по значению

плотности газов.

На рис. 10.3 показаны упрощенные схемы газодинамических плотномеров

газов. В плотномере (рис. 10.3, а) потоку анализируемого газа, протекающего

через камеру 2, сообщается кинетическая энергия турбинкой 3, приводимой во

вращательное движение синхронным двигателем 1. Поток газа поступает к

турбинке 4 и соз-