Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

230

нент, имеющий большую адсорбируемость, и последним (если газ со-

стоит из трех компонентом) через время τ

выходит третий компо-

нент, обладающий наибольшей адсорбционной способностью.

После разделения каждый компонент вместе с газом – носителем

поступает в детектор 5, в котором производится анализ выбранных

компонентов. Применяемые

детекторы хроматогрофов

основаны на использовании

какого-либо физического или

физико-химического свойст-

ва анализируемого компо-

нента газовой смеси. Тип де-

тектора и его характеристики

определяют такие возможно-

сти хроматографа как дли-

тельность анализа, опти-

мальный объем пробы, ре-

жим анализа, и др. Детектор

должен обладать малой

инерционностью, высокой

чувствительностью, стабиль-

ностью метрологических ха-

рактеристик и линейной за-

висимостью выходного сиг-

нала от концентрации анали-

зируемого компонента.

Детектор после анализа

каждого компонента выдает

выходные электрические

сигналы в виде функции

времени и представляющие

собой хроматографические пики, которые записываются на диа-

граммной ленте 6 (или изображаются на дисплее компьютера).

Хроматограмма дает представление о качественном и количест-

венном составе анализируемой газовой смеси. Время выхода каждого

компонента из разделительной колонки или, тоже самое, время появ-

ления сигнала (τ

, τ

) на хроматограме дает информацию о природе

каждого компонента, а площадь или высота пика (Е

, Е

) определя-

ет количественный состав газовой смеси.

1 – баллон с газом–носителем;

2 – регулятор расхода газа–носителя;

3 – дозатор анализируемого газа;

4 – разделительная колонка; 5 – детек-

тор; 6 – участок диаграммной бумаги

с хроматограммой; 7 - ротаметр

Рисунок 7.9 – Принципиальная схема

газового хроматографа

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

231

Перед проведением газового анализа хроматогроф проходит ка-

либровку, которая выполняется по контрольным смесям или по чис-

тым газам. Полученная функциональная зависимость или так называе-

мая градуировочная характеристика прибора может быть представлена

либо графически, либо в виде калибровочных коэффициентов.

В настоящее время выпускаются хроматографы для лабораторно-

го и промышленного использования. Лабораторные характеризуются

повышенной точностью, универсальностью, большим числом анали-

зируемых компонентов, повышенными требованиями к условиям экс-

плуатации и с компьютерной обработкой полученных хроматограмм.

Промышленные хроматографы имеют более узкое назначение, а вы-

рабатываемый ими сигнал используется при оперативном и автомати-

ческом управлении технологическим процессом. Так, например, хро-

матограф из серии «Газохром» (Россия и Украина), относится к числу

специализированных, предназначен для экспрессного определения

концентрации О

, СО

, N

, H

, СО, СН

и углеводородов до бутана

включительно в продуктах горения различных видов топлив, сжигае-

мых в промышленных и стационарных котельных, печах и других те-

плоиспользующих установках. Относительная погрешность измере-

ния составляет ±5%, продолжительность анализа всех компонентов

достигает 10 мин.

Большое распространение получили комбинированные газоана-

лизаторы для промышленного использования при наладке теплового

режима агрегатов и контроля качества сжигания топлива. В этих при-

борах используется портативный оптико-акустический газоанализатор

для определения содержания СО в продуктах сгорания, а содержание

кислорода и оксида азота определяется в отдельном блоке с использо-

ванием электрохимических ячеек (ЭХЯ).

Содержание СО

и определение коэффициента расхода воздуха

производится аналитически в микропроцессорном блоке. На рисунке

7.10 приведена схема переносного комбинированного газоанализато-

ра, состоящего из следующих основных блоков: пробозабоорника 2,

фильтра 4, оптико-акустического анализатора 5 со вспомогательными

элементами, электрохимических ячеек 6, для определения О

и NO

микропроцессорного устройства 8 с преобразователями сигналов дат-

чиков температуры и давления.

Анализируемый газ (продукты сгорания топлива) непрерывно отса-

сывается из представительной точки объекта при помощи заборника 2.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

232

Далее газ проходит через фильтр 4 и направляется в оптико-

акустический анализатор 5, который выдает электрический сигнал

СО

, пропорциональный содержанию СО в продуктах сгорания. Перед

выходом газа в атмосферу он проходит электрохимическую ячейку 6,

где производится анализ на О

при помощи электрохимического сен-

сора гальванического типа с выдачей электрического сигнала Е

О2

Электрические сигналы от датчиков и преобразователей посту-

пают в микропроцессорный блок, который выдает информацию о со-

ставе анализируемого газа (%СО, %СО

, %О

, %NO

) и вычисленное

значение коэффициента расхода воздуха α. Для измерения температу-

ры газа t

в газоходе используется кабельная термопара типа КТМС

хромель – алюмелевой градуировки, которая находится в пробозабор-

нике на входе газового потока. Температура окружающей среды t

из-

меряется цифровым датчиком температуры (микросхема DS1820), ко-

торая также располагается в пробозаборнике. Преобразованные сиг-

налы от датчиков температуры и от датчика абсолютного давления 3

поступают в микропроцессорный блок 8, что позволяет в непрерыв-

ном режиме корректировать показание газоанализатора при измене-

нии температуры газовых сред и абсолютного давления.

выход

газа

объект

вход

газа

СО











NO%

CO%

1, 1' – термопары; 2 – пробозаборник; 3 – датчик абсолютного давления

газа; 4 – фильтр; 5 – оптико-акустический анализатор; 6 – электрохими

ческая ячейка О

; 7 – электрохимическая ячейка NO; 8 - микропроцес

сор

Рисунок 7.10 – Блок-схема газоанализатора для определения качества

сжигания топлива

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

233

Микропроцессор производит вычисление объемной доли диокси-

да углерода по измеренному значению объемной доли кислорода, ис-

пользуя выражение:

920

)O%,(OC%

CO%

−

′

= (7.4)

а также вычисление коэффициента расхода воздуха согласно выражению:

O%9,20

9,20

−

=α

, (7.5)

где

OC%

′

- топливный коэффициент СО

;

%О

– измеренное значение объемной доли О

Основные характеристики газоанализаторов такого типа сле-

дующие:

- погрешность показаний ±5%;

- питание – никель-кадмиевые аккумуляторы для работы в те-

чение 4 часов или сетевое;

- алфавитно-цифровой ЖКИ-индикатор;

- возможность подключения к высшим ЭВМ/принтер;

- вес до 1,5 кг.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

234

8 АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ, ПАРА И КОНДЕНСАТА

8.1 Общие положения

В теплоэнергетических агрегатах, таких как паровые котлы теп-

ловых станций, котлы утилизаторы промышленных печей, системы

испарительного охлаждения металлургических печей и в других, ос-

новным теплоносителем является вода. Это связано с тем, что чистая

вода имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами тепло-

носителей (жидкие металлы, газовые среды, жидкие органические ве-

щества и др.): самая высокая теплоемкость, сравнительно низкая тем-

пература кипения, нетоксичность и, отсюда, безопасные условия экс-

плуатации агрегатов, малая агрессивность к конструктивным элемен-

там установок. Однако, основным недостатком воды является хоро-

шая растворимость в ней различных солей, щелочей, кислот и даже

газообразных сред, таких как кислород, углекислый газ и другие. На-

личие в воде посторонних веществ резко ухудшает ее эксплуатацион-

ные характеристики из-за коррозии конструкционных элементов, от-

ложения солей на внутренних поверхностях труб, что в конечном ито-

ге приводит к ухудшению передачи тепла, пережогу труб и прежде-

временному выходу оборудования из строя.

На предприятиях, где используется вода в качестве теплоносите-

ля, особенно на тепловых электростанциях, производится непрерыв-

ный контроль качества питательной воды, пара и конденсата. Кон-

троль водно – химического режима определяет работу установок по

химводоочистке воды и позволяет обеспечить безопасную и надеж-

ную работу оборудования теплоэнергетического агрегата.

Для осуществления контроля качества воды, пара и конденсата и

работы установок очистки воды и конденсата необходимо измерять

разнообразные показатели качества отличающихся по химическому

составу сред. Эти среды находятся под различным избыточным дав-

лением, имеют различную температуру, отличаются по количеству

механических и других примесей. Вследствие этого применяются раз-

личные методы и средства анализа состава воды, пара и конденсата. К

числу наиболее распространенных методов анализа, применяемых в

промышленных анализаторах, относятся разновидности электрохими-

ческого оптического и теплового методов. Наибольшее применение

получили приборы, основанные на измерении удельной электропро-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

235

водности растворов, в лабораторной практике, при автоматическом

химическом контроле водного режима паросиловых установок, при

определении эффективности работы установок очистки воды, в про-

мышленных теплообменниках и в других установках.

Измерительные приборы, предназначенные для измерения удель-

ной электропроводности, получили название кондуктометрические

анализаторы жидкости. В зависимости от градуировки шкалы вторич-

ного прибора и условий измерений кондуктометрические анализато-

ры жидкости получили такие названия:

- кондуктометры – применяются в основном в лабораторных

условиях и градуируются в единицах «сименс на сантиметр»

(См⋅см

-1

) или «микросименс на сантиметр» (мкСм⋅см

-1

);

- солемеры – применяются в производственных условиях для

измерения показателей качества, характеризующих содержа-

ние солей в паре, конденсате и питательной воде паровых

котлов, и градуируется по NaCl (на условное содержание в

растворе этих солей) в единицах «миллиграмм на килограмм»

(мг/кг), «микрограмм на килограмм» (мкг/кг) или «милли-

грамм на литр» (мг/л) и «микрограмм на литр» (мкг/л);

- концентратомеры – используются для измерения концентра-

ций растворов солей, кислот, щелочей и градуируются в про-

центах значения массовой концентрации.

8.2. Электродные кондуктометрические анализаторы

В кондуктометрических анализаторах воды в качестве чувстви-

тельного элемента используются два электрода, плоских или цилинд-

рических, помещенных в водную среду. В зависимости от места уста-

новки электродов они разделяются на погружные, проточные и маги-

стральные. Погружные преобразователи опускаются в резервуар с

контролируемой жидкостью. Через проточный преобразователь про-

текает проба анализируемой жидкости, прошедшая в большинстве

случаев предварительную подготовку. Магистральные преобразовате-

ли вводятся непосредственно в трубопровод, по которому течет ана-

лизируемая жидкость.

Погружные преобразователи (рисунок 8.1) применяют в лабора-

торных кондуктометрах при выполнении измерений повышенной

точности. К погружным электродам, выполненных из платины, под-

водится переменный ток. При использовании постоянного тока про-

исходит поляризации электродов, т.е. на их поверхности собираются

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

236

ионы противоположного заряда, что

создает внутреннюю противо –ЭДС и

увеличение сопротивления раствора.

Измерение концентраций солей в

воде (растворе) производится по вели-

чине тока I, протекающего через жид-

кость, и измеряется миллиампермет-

ром, имеющего соответствующую гра-

дуировку (%NaCl, мг/л и др.). Ток,

протекающий через электроды, опре-

деляется электропроводностью рас-

твора, геометрическими параметрами

электродов F и расстояния между ни-

ми l. Используя закон Ома, можно связать эти величины функцио-

нальной зависимостью, т.е.:

;

I =

χ⋅

;

⋅

= .

Обозначив соотношение между постоянными величинами через

«k», получим формулу, по которой производится градуировка кондук-

тометра:

⋅

= ; I=k⋅χ.(8.1)

Таким образом, измеряя ток по показанию миллиамперметра,

можно определить концентрацию солей в анализируемой жидкости

(питательная вода, конденсат пара и др.) При малых концентрациях

солей (до 5 %) электропроводность (или удельная электропровод-

ность, См/см) линейно зависит от концентрации этих солей. Так, на-

пример, концентрация растворенных веществ, которую приходится

определять при контроле качества пара, конденсата, питательной и

котловой воды, на несколько порядков меньше 5 %, что способствует

повышению точности измерения при постоянстве других параметров.

Однако, в конденсате пара и в питательной воде энергетических кот-

лов, кроме небольшого количества солей обычно присутствуют рас-

творенные газы (аммиак NH

, углекислый газ СО

) и гидразин N

Наличие газов и гидразина изменяет электропроводность конденсата и

питательной воды, и в показания кондуктометра необходимо вводить

поправки либо предварительно удалять из воды растворенные газы и

гидразин. Для более точного определения концентрации солей в воде

на электростанциях производят дегазацию путем выпаривания части

%NaCl

∼

Рисунок 8.1 – Электродный

первичный преобразователь

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

237

жидкости, а также применяют Н-катионитовые фильтры, которые за-

держивают аммиак и гидразин.

В промышленных условиях для оперативного управления качест-

вом воды чаще применяются проточные и магистральные электрод-

ные преобразователи с непрерывной регистрацией показателей каче-

ства. Первичные преобразователи кондуктометров могут включаться

в различные автоматические измерительные схемы. На рисунке 8.2

представлена наиболее распространенная схема уравновешенного

моста, одно из плеч которого является проточным электродным пре-

образователем кондуктометра. Корпус преобразователя 3 служит од-

ним электродом, вторым электродом являются два изолированных

между собой цилиндра 1,2 различного диаметра и высоты. Подключе-

%NaCl

∆

∼

вода

1 – электрод для больших концентраций солей; 2 – электрод для ма-

лых концентраций солей; 3 – корпус электродного преобразователя

Рисунок 8.2 – Схема соединения проточного электродного преобразо-

вателя с автоматическим мо

том

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

238

ние электродов 1 или 2 осуществляется в зависимости от содержания

солей в воде: при больших концентрациях подключается к электроду

1 (как на рисунке 8.2) и при малых концентрациях производят пере-

ключение электрической схемы на электрод 2. Такая конструкция

электродного преобразователя позволяет расширить диапазон изме-

ряемой концентрации солей и повысить чувствительность прибора.

Внутри цилиндрического электрода 2 находится терморезистор R

который компенсирует изменение сопротивления жидкости при изме-

нении ее температуры и исключает влияние этого фактора на показа-

ние вторичного прибора. Например, при повышении температуры

раствора сопротивление терморезистора возрастает, а раствора, на-

оборот, уменьшается, что и приводит к компенсирующему эффекту.

Анализируемая жидкость непрерывно прокачивается через про-

точный кондуктометр и при изменении концентрации солей пропор-

ционально изменяется сопротивление жидкости R

. При этом, в изме-

рительной диагонали мостовой схемы, питаемой переменным напря-

жением U, появляется разность потенциалов ∆U. Электронный усили-

тель, усиливая сигнал ∆U, питает исполнительный механизм, который

перемешает движок реохорда R

и приводит мост в состояние равно-

весия (∆U=0). Таким образом, каждому положению движка реохорда

соответствует определенное значение электропроводности, т.е. со-

держание солей в жидкости. Стрелка измерительного прибора, меха-

нически связанная с валом исполнительного механизма, укажет на

содержание солей в анализируемой жидкости.

Электродными кондуктометрами погружного типа производят

измерения электропроводности сетевой, питательной воды и конден-

сата в диапазоне от 10

-6

до 1,9 См/см при диапазоне рабочих темпера-

тур 25±15°С с предельной основной погрешностью ±2,5 %.

Недостатками электродных кондуктометров являются поляриза-

ция и загрязнение электродов продуктами электрохимических реак-

ций, протекающих на их поверхности, а также веществами, находя-

щимися в растворах. На практике поверхности электродов подвергают

периодической механической и химической очистке или осуществля-

ют полную замену электродов.

8.3 Безэлектродные кондуктометры

Безэлектродные кондуктометры не контактируют с анализируе-

мой жидкостью и не имеют недостатков, которые имеют электродные

кондуктометры, что повышает надежность их работы и увеличивает

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

239

точность измерения. Такие приборы получили широкое применение в

различных отраслях промышленности для измерения электропровод-

ности водных растворов электролитов. На тепловых и атомных элек-

тростанциях безэлектродные кондуктометры используются для кон-

троля концентраций регенерационных растворов кислоты, щелочи и

соли, а также для измерения электропроводности химически обессо-

леной воды. Однако, безэлектродные кондуктометры не используют

для контроля качества пара, конденсата турбин и питательной воды

паровых котлов из-за меньшей чувствительности по сравнению с

электродными кондуктометрами.

В качестве чувствительных элементов в безэлектродных кондук-

тометрах используют емкостные, индуктивные и трансформаторные

преобразователи. Схема емкостного и индуктивного преобразователя

представлена на рисунке 8.3. Между концентрацией раствора и вы-

ходными величинами преобразователей (С

– емкостью и L

- индук-

тивностью) существует сложная зависимость. Это связано с тем, что

помимо природы раствора на выходные величины преобразователей

оказывают влияние геометрические параметры и материал самих пре-

образователей, частота питания и другие факторы. Поэтому градуиро-

вочные характеристики определяются экспериментально для конкрет-

ного преобразователя и раствора.

В качестве вторич-

ных измерительных при-

боров используются мос-

товые и резонансные

схемы, питаемые от ге-

нераторов высокой час-

тоты. В мостовых схемах

плечами моста являются

конденсаторы, одним из

которых является кон-

денсатор емкостного

преобразователя (рису-

нок 8.3 а). При измене-

нии электропроводности

анализируемой жидкости

изменяется емкость кон-

денсатора С

первичного

преобразователя. Вели-

чина возникающего разбаланса моста, пропорциональная теплопро-

а – емкостные преобразователи;

б – индуктивные преобразователи

Рисунок 8.3 – Безэлектродные первичные пре-

образователи