Соловцов В.К., Контрольно-измерительные приборы

Подождите немного. Документ загружается.

газоанализатора с таким датчиком (рис. 126) обычно выполняют

в виде потенциометра переменного тока.

Датчики со сдвоенной камерой применяются, в частности, в

газоанализаторах типа МН.

За последние годы получили значительное распространение

новые методы и приборы для анализа газов. К таким приборам

Рис. 126. Схема магнитного газоанализатора на пере-

менном токе с двумя измерительными мостами в сдвоен-

ной камере

относятся оптико-акустические газоанализаторы и хромато-

графы.

Оптико-акустические газоанализаторы представляют собой

стационарные, автоматические самопишущие приборы для изме-

рения любых концентраций окиси углерода, двуокиси углерода,

метана, азота, кислорода и водорода.

Действие оптико-акустических газоанализаторов основано на

различной степени поглощения газами излучения в инфракрас-

ной области спектра с длиной волн от 2 до 15 мк. Если газ, за-

ключенный в замкнутом объеме, подвергнуть действию инфра-

красного излучения, то за определенный промежуток времени он

нагреется до некоторой температуры.

Одновременно происходит повышение давления газа. Преры-

вистое действие излучения создает соответствующую пульсацию

температуры и давления.

Чем больше концентрация газа, тем больше амплитуда коле-

баний давления.

161

Практическая схема оптико-акустического газоанализатора

типа ОА (рис. 127) основана на методе сравнения действия двух

потоков излучения. Источниками излучения служат два нихро-

мовых нагревателя с отражателями в виде металлических вогну-

тых зеркал. Потоки излучения поступают в оптические каналы

Рис. 127. Схема оптико-акустического газоанализатора:

1 - источник инфракрасного излучения, 2 — синхронный электродвигатель, 3 — лампа

осветителя, 4 — фотосопротивление, 5 — диск обтюратора, 6 — фильтровая камера,

7 — рабочая камера, 8 — отражатель, 9 — лучеприемник, 10 — компенсирующая камера,

11 — реверсивный электродвигатель, 12 — реохорд, 13 — источник питания, 14 — микро-

фонный каскад усилителя, /5 — синхронный выпрямитель, 16 — усилитель мощности.

17 — вторичный прибор

через обтюратор (диск с отверстиями), который непрерывно

вращается и прерывает поток радиации с частотой 5 раз в се-

кунду.

В правом (рабочем) канале поток излучения проходит после-

довательно фильтровую и рабочую камеры, падает на отражаю-

щую пластину и поступает в лучеприемник. В рабочей камере не-

162

прерывно проходит анализируемая смесь, поглощающая часть

потока излучения.

В левом (сравнительном) канале поток излучения проходит

сравнительную камеру, заполненную азотом, компенсирующую

камеру и также поступает в лучеприемник.

Элементом, сравнивающим два потока излучения, служит

мембрана, которая разделяет лучеприемник на две камеры. В ре-

зультате частичного поглощения потока в рабочем канале каме-

ры лучеприемника получают разное количество энергии и газ,

находящийся в них, нагревается неодинаково. Это приводит к

возникновению разности давления, действующего на раздели-

тельную мембрану. В связи с тем что оба потока излучения пери-

одически прерываются обтюратором, разность давления на мем-

бране также имеет пульсирующий характер.

Мембрана является одной из обкладок конденсатора и поэто-

му при изменениях перепада давления меняется его емкость.

Пульсация емкости преобразуется усилителем в изменение

тока в цепи реверсивного двигателя, связанного с компенсирую-

щей камерой в сравнительном канале. Электродвигатель повора-

чивает компенсационную камеру до тех пор, пока не сравняются

потоки энергии, поступающие в обе камеры лучеприемника, и

не прекратится пульсация мембраны. Одновременно поворачива-

ется реохорд, изменяющий показание измерительного прибора.

Шкала прибора отградуирована в единицах концентрации изме-

ряемого компонента в анализируемой газовой смеси.

Согласование направления вращения реверсивного двигателя

с фазой управляющего сигнала от конденсаторного микрофона

выполняется синхронным выпрямителем с поляризованным реле.

В цепь обмотки реле включено фотосопротивление, периодически

освещаемое лампой нака-

ливания через отверстие

в обтюраторе.

Пределы измерения

для различных видов га-

зов можно изменять путем

замены рабочей фильтро-

вой камеры в рабочем ка-

нале, отличающейся раз-

мером и составом смесей

для заполнения. Длина

фильтровой камеры в

сравнительном канале

одинакова для всех преде-

лов измерения.

Хроматографы отлича-

ются от рассмотренных

видов газоанализаторов

Рис. 128. Газовая схема хроматографа:

/ — пробоотборник, 2 — газовоздушные краны,

3 — датчик электрического газоанализатора,

4 — реометр, 5 — сорбционные колонки, 6 —

фильтр

163

тем, что они выполняют последовательный анализ разных компо-

нентов газовых смесей.

Действие хроматографа (рис. 128) состоит в том, что анали-

зируемая газовая смесь с помощью воздуха продвигается через

слой сорбента (поглотителя) и в результате многократного про-

цесса сорбции (поглощения) и десорбции (выделения) распре-

деляется по тракту движения на отдельные составляющие. Опре-

деление процентного состава каждой составляющей газовой сме-

си происходит в датчике электрического газоанализатора по

методу сравнения теплопроводностей или дожигания газов. Ре-

зультат анализа автоматически записывается на диаграмме реги-

стрирующего вторичного прибора в виде кривой, на которой от-

дельные отклонения соответствуют в масштабе процентному со-

отношению составляющих газовой смеси.

§ 30. КОНЦЕНТРАТОМЕРЫ

Концентратомерами называют приборы для измерения кон-

центрации раствора какого-либо вещества в воде. Концентра-

ция—это процентное или весовое содержание вещества в еди-

нице объема воды. В зависимости от конкретного назначения и

группы измеряемых веществ концентратомеры имеют специфи-

ческие названия: солемеры, кислотомеры, щелочемеры, кремне-

меры и т. д.

Приборы, измеряющие концентрацию растворов солей, при-

меняют во многих отраслях промышленности, в частности для

контроля качества воды и пара в паровых коглах.

Через котлы непрерывно проходит, превращаясь в пар, боль-

шое количество воды. Присутствие в воде даже сравнительно не-

больших примесей солей приводит к образованию накипи на

стенках кипятильных труб. Это вызывает ухудшение теплопере-

дачи, излишний расход топлива и повреждения труб из-за мест-

ных перегревов. Для создания условий надежной эксплуатации

котлов производится химическая очистка воды, в процессе кото-

рой из нее удаляются примеси солей и других веществ. На раз-

ных стадиях очистки требуется ряд контрольных приборов, отли-

чающихся как по пределам измерения, так и по характеру изме-

ряемого вещества (соли, щелочи, кислоты и т. д.).

Лабораторные химические методы измерения концентрации

наиболее точные, но они пригодны только для периодического

анализа отдельных проб растворов. Заданный объем пробы вы-

паривают, и сухой остаток взвешивают на лабораторных весах.

Если в сухом остатке содержатся разные вещества, то их про-

центное содержание определяют с помощью соответствующих

реактивов.

Другой лабораторный способ измерения концентрации заклю-

чается в обработке раствора специальными химическими индика-

164

торами, в результате чего раствор приобретает окраску. Интен-

сивность окраски зависит от концентрации раствора и оценива-

ется по степени поглощения луча света, проходящего через слой

раствора. Для выполнения таких измерений применяют прибо-

ры, которые называют фотоколориметрами (рис. 129).

Работа фотоколориметра основана на уравнивании интенсив-

ности двух световых лучей, один из которых проходит через слой

раствора, а другой — через щелевую диафрагму. Оба световых

луча исходят от одного источника, поэтому абсолютная величина

светового потока не оказывает

существенного влияния на ре-

зультаты измерений. Прибор

снабжен светофильтрами и так

называемым фотометрическим

клином для регулировки преде-

лов измерения в зависимости от

цвета и густоты окраски ра-

створа. Интенсивность свето-

вых лучей сравнивают при по-

мощи электрической схемы, со-

держащей фотоэлементы и

гальванометр.

Лабораторные методы изме-

рения концентрации растворов

неудобны для использования в

приборах непрерывного контро-

ля. Поэтому большинство ви-

дов технических концентрато-

меров основано на косвенном

способе измерения концентрации по электрическому сопротивле-

нию растворов. Удельное сопротивление раствора соли при ма-

лых концентрациях почти не зависит от того, какая соль раство-

рена, а определяется концентрацией раствора, поэтому солемеры

градуируют по условному сопротивлению растворов поварен-

ной соли. Это сопротивление измеряют при питании схемы пере-

менным током, так как постоянный ток вызывает ускоренную

поляризацию раствора с выделением на электродах газообразных

продуктов разложения вещества.

Датчик концентратомера представляет собой сосуд, через ко-

торый непрерывно протекает измеряемый раствор. В сосуде раз-

мещается два электрода. В некоторых конструкциях одним из

электродов служит металлический корпус самого датчика.

Протекающий между электродами раствор является провод-

ником электрического тока. Чем больше концентрация, тем мень-

ше электрическое сопротивление раствора. Датчик включается в

одно из плеч моста. Мост питается от электросети через понижа-

ющий трансформатор. Измерительным прибором служит милли-

165

Рис. 129. Схема фотоколориметра

ФЭК:

— фотоэлемент, К — фотометрический

клин. А

— кюветы с раствором и водой,

, С

— светофильтры, 3

, З

— зеркала,

Л — лампа осветителя, Д — щелевая диаф-

рагма

вольтметр выпрямительной системы или ферродинамический ло-

гометр (рис. 130).

Электрическое сопротивление растворов зависит от темпера-

туры. С целью уменьшения температурной погрешности преду-

Рис. 130. Схемы включения датчика концентратомера:

а —с милливольтметром, б —с ферродинамическим логометром;

, R

, К

— плечи моста, Д — датчик, тА — миллиамперметр,

— действующая рамка логометра, Р

пр

— противодействую-

щая рамка, ОВ — обмотка возбуждения, Др — дроссель, Rg -

регулировочное сопротивление, Тр — трансформатор питания

сматривается температурная компенсация, которая осуществля-

ется с помощью сопротивления из материала с малым темпера-

турным коэффициентом включаемого параллельно электродам

датчика и медного сопротивления, включаемого последователь-

но с датчиком (рис. 131). Медное сопротивление располагают

внутри датчика таким образом, чтобы протекающий раствор

обогревал это сопротивление и его температура была бы равна

температуре раствора.

При повышении температуры сопротив-

ление раствора уменьшается, а величина

медного сопротивления увеличивается. Пу-

Рис. 131. Схема датчика концентратомера:

Э — электроды, Rш — шунт, Rg — медное сопротивление

температурной компенсации

тем расчета подбирают значения манганинового и медного сопро-

тивлений так, чтобы при изменении температуры в определенных

пределах сопротивление всей цепи, состоящей из датчика с ра-

створом и компенсационных сопротивлений, почти не изменялось.

Полной компенсации в широких пределах изменения темпе-

ратуры с помощью такой схемы добиться не удается, так как тем-

пературные коэффициенты сопротивлений меди и растворов из-

меняются по разным законам.

В датчике концентратомера ЦЛЭМ (рис. 132) сопротивления

температурной компенсации расположены на трубке, по которой

непрерывно протекает измеряемый раствор. Отличительной осо-

бенностью этого датчика является форма внутреннего объема ка-

меры с электродами. Части камеры, где расположены электроды,

имеют значительно большее сечение по сравнению с сечением из-

меряемого столба раствора. Этим достигается уменьшение плот-

ности тока на электродах и предупреждение явления поляриза-

ции, заключающегося в отложении на электродах пузырьков

газа в результате электролитического разложения раствора. Пу-

зырьки газа, покрывая поверхность электродов, увеличивают пе-

реходное сопротивление между раствором и электродом. Это

приводит к увеличению погрешности измерения проводимости

раствора, которая характеризует его концентрацию.

Электроды датчика концентратомера ЦЛЭМ выполнены в ви-

де дисков из нержавеющей стали с секторными лопастями, вы-

гнутыми по винтовой линии. Такая форма лопастей способствует

перемешиванию раствора при протекании и очищению поверхно-

сти электродов от пузырьков воздуха и шлама.

В датчике солемера РС-25 (рис. 133) вместо устройства тем-

пературной компенсации применяют устройство, поддерживаю-

щее температуру раствора на уровне 100°С; кроме того, при та-

кой температуре из раствора удаляются газы, сильно влияющие

на точность измерения.

Насыщенный пар давлением до 100 кгс/см

через парозабор-

ное устройство поступает в холодильник с расширителем. Сверху

холодильника имеется дроссель для удаления газов. Из расши-

рителя смесь пара и конденсата поступает в датчик. При этом

конденсат заполняет пространство между электродами, а пар

распределяется за внешним электродом. Этим создаются условия

поддержания температуры измеряемого конденсата, близкой к

100°

С.

Солемеры, применяемые для котельных установок, рассчита-

ны на три основных диапазона измерения: 0—10 мг/л (для кон-

денсата пара), 0—100 мг/л (для питательной воды) и 0—

1000 мг/л (для котловой воды). Состав растворенных в воде со-

лей может быть различным. Удельная электропроводность каж-

дого компонента при одинаковой концентрации несколько отли-

чается от электропроводности других составляющих. Среднее

167

значение удельной электропроводности имеет раствор поварен-

ной соли NaCl. Поэтому промышленные солемеры градуируются

по условной концентрации растворов NaCl. Применяют также

единицу измерения концентрации растворов, называемую граду-

сом Брандта. Размер этой единицы— 10 мг/л NaCl.

Солемеры, основанные на из-

мерении электропроводности ра-

створов, не могут обеспечить удо-

влетворительную точность и на-

дежность работы из-за несовер-

шенства самого метода измере-

Рис 133. Схема датчика солеме-

ра РС-25:

1 — холодильник, 2 — датчик, 3 — элект-

роды датчика

Рис. 132. Схема датчика ков-

центратомера ЦЛЭМ:

1 — корпус, S — электроды; R

—

шунт, R

— медное сопротивление,

И — выход в измерительному при-

бору

ния. На показания прибора существенное влияние оказывает по-

явление в растворе даже незначительных случайных примесей ки-

слот, щелочей, аммиака и других веществ с удельной электропро-

водностью, резко отличающейся от электропроводности хлористо-

го натрия NaCl. Погрешность возникает также при загрязнении

и поляризации электродов.

Компоновка солемера для котловой воды показана на

рис. 134. В качестве вторичных приборов для большинства типов

солемеров используют автоматические мосты на одну

или несколько точек измерения. Так, например, для солемера

РЭС-106 применяют автоматические мосты ЭМП-62М., для соле-

меров СЭМС — мосты ЭМВ2-220, для солемеров СВЭ — мосты

МПР-12С На рис. 135 показаны элементы, составляющие комп-

лект солемера СВЭ.

168

Серьезным недостатком существующих датчиков солемеров

является непрерывный расход измеряемой среды, особенно в слу-

чае измерения солесодержания конденсата пара и питательной

воды. В современных мощных котлоагрегатах подготовка пита-

тельной воды и пара составляет весьма сложный и дорогостоя-

щий процесс, поэтому утечка конденсата и химически очищенной

воды всегда нежелательна.

В настоящее время изыски-

вают методы измерения кон-

центрации растворов непо-

средственно в трубопроводах

без отбора пробы и слива ее

в дренажную систему.

Метод измерения концен-

трации, применяемый для

многих видов солей, кислот и

Щелочей, непригоден для из-

мерения концентрации ра-

створов газов в воде.

На практике часто при-

ходится измерять содержа-

ние растворенного в воде

кислорода. Действие кисло-

родомера основано на свой-

стве газов переходить из ра-

створа в замкнутое прост-

ранство над поверхностью

воды. Концентрация раство-

ренных в воде кислорода,

азота и других газов пропор-

циональна содержанию их

в смеси газов, находящихся

над раствором при отсутст-

вии связи с атмосферой.

Электрическая схема кислородомера представляет собой не-

равновесный мост. Одно из плеч моста выполнено из платиновой

проволоки, которая помещается в запаянную стеклянную тру-

бочку, заполненную чистым водородом. Это плечо служит эта-

лонным сопротивлением. Другое (рабочее) плечо из платиновой

проволоки помещается в закрытой камере над исследуемым ра-

створом (рис. 136).

Камера непрерывно пополняется чистым водородом из специ-

ального электролизера, где вода под действием тока разлагается

на водород и кислород. Если бы в камере находился только один

водород, то мост был бы уравновешен, так как эталонное плечо

и рабочее плечо одинаковы по геометрическим размерам и сопро-

тивлению Однако рабочая камера сообщается с измеряемым ра-

169

Рис. 134 Схема компоновки солеме-

ра КСКВ:

1 — трубопровод, 2 — шламоуловнтель, 3 —

дроссель, 4 — расширитель, 5 — вторичный

прибор, б — датчик; ОК — охлаждение вы-

пара, ОП — охлаждение пробы, В — удале-

ние воздуха

Рис. 135. Общий вид основных узлов солемера СВЭ:

а — фильтр, б — охладитель, в — датчик

Рис. 136. Водная схема кислородомера:

1 — электролизер, 2 — кольцевая камера, 3 — эталонное плечо моста, 4— изме-

рительное плечо моста, 5 — трехходовой кран, δ — спираль контактной трубки,

7 — напорный бачок, 8 — холодильник, 9 — Дроссель