Министерство образования Российской Федерации

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Автоматическое управление

концентрацией и составом

жидких и газообразных веществ

при переработке полимерных материалов

Учебное пособие

Тамбов 2003

© А.А.Букин, 2003 © О.В.Ефремов, веб-дизайн, 2003

В пособии изложены основные принципы контроля и автоматического управления составом (концентрацией) жидких и газообразных веществ, описаны основные классы приборов, применяемых в промышленности в цепях автоматического и полуавтоматического управления концентрацией жидких и составом газообразных веществ, типовые конструкции датчиков и приборов контроля концентрации и состава, приведены примеры промышленных приборов контроля концентрации с техническими характеристиками. Указаны достоинства и недостатки различных типовых схем контроля и автоматического управления концентрацией жидких и составом газообразных веществ.

Методические указания

Измерение концентрации жидкости и газа может относится к числу вспомогательных контрольных операций (если контролируемая величина не является конечной целью процесса), либо может быть определяющей технологический процесс (если концентрация конечного продукта строго регламентируется и от неё зависит ход процесса). Приборы, предназначенные для этой цели, могут называться концентратомерами, либо иметь специфическое название в зависимости от используемого принципа измерения. Кроме того, приборы для контроля концентрации можно подразделить на следующие группы: датчики - преобразователи с дистанционной передачей данных на контролирующий прибор и датчики-реле контроля какого-либо параметра. Ещё один принцип классификации приборов для контроля концентрации - по контролируемой среде: а)для измерения и контроля физических свойств и химического состава газов; б) для измерения и контроля физических свойств и химического состава жидкостей.

В общем виде схему управления концентрацией можно представить рисунком 1, где 1 - датчик-преобразователь, 2 - измерительный преобразователь, 3 - контролирующий прибор, 4 - преобразователь сигнала, 5 - исполнительный механизм.

Рис. 1. Общая схема автоматизации процесса управления концентрацией.

Конкретным примером такой цепочки может служить следующий набор приборов: (1) измерительный и сравнительный электроды концентрации Н+; (2) измерительный преобразователь П-201И с выходным сигналом 0 - 5 мА; (3) Диск-250 со входным сигналом 0 - 5 мА, с выходным сигналом 0 - 5 мА и с одним установом; электропневматический преобразователь ЭПП-М; пневматический исполнительный механизм МИМ1. Описанная цепочка может значительно короче. Например, датчик-реле --- исполнительный механизм (сигнализатор наличия агрессивных растворов МСН-5 --- двухпозиционная трубопроводная арматура с электромагнитом 13с803р.

Конкретная комплектация автоматического контура управления зависит от конкретных условий задачи: параметров контролируемой среды, поставленной цели, диапазона варьирования контролируемого параметра, требуемого закона регулирования и т.д.

Ниже описаны общие принципы работы приборов и приведены примеры конкретных приборов, используемых в промышленности.

1. Приборы газоаналитические для измерения и контроля химического состава промышленных технологических газов.

Промышленные автоматические газоаналитические приборы предназначены для определения содержания контролируемых компонентов в газовых смесях технологических процессов, в окружающей воздушной среде, в производственных помещениях и на рабочих местах. Действие приборов основано на различных методах: магнитном, тепловом, оптическом и д.р. Газоанализаторы имеют разное конструктивное исполнение и условия эксплуатации.

Магнитные газоанализаторы на о2 .

Действие газоанализаторов основано на парамагнитных свойствах кислорода, который обладает наибольшей магнитной восприимчивостью по сравнению с другими газами, входящими в газовую смесь. В газоанализаторах использовано явление термомагнитной конвекции, которая возникает в неравномерном магнитном поле около нагретого тела, окруженного парамагнитным газом. Движение газа влияет на теплоотдачу нагревательного элемента, что приводит к изменению его температуры и сопротивления. Изменение сопротивления пропорционально содержанию контролируемого компонента.

Газоанализаторы типа ГТМК являются показывающими, регистрирующими приборами. В газоанализаторах предусмотрено возможность проверки контрольных точек бесконтрольной смеси. Чувствительность газоанализатора определяется пропуском через первичный преобразователь воздуха. Газоанализаторы калибруются для одной из газовых смесей, состав которой указывается в паспорте. В комплект газоанализатора входит преобразователь первичный ПП-16 или ПП-16В, преобразователь промежуточный ПРП-16, блок подготовки газа БПГ-16 и блок цифровой индикации БЦИ-16.

Таблица 1. Технические характеристики магнитных газоанализаторов на кислород.

Тип	Пределы измерения объёмных долей %	Состав анализируемой газовой смеси	Основная погрешность, % от диапазона измерения
ГТМК-16 ГТМК-16.1	0-1; 0-2	Двухкомпонентные смеси: О2-N2 (допускается второй не измеряемый компонент – Н2 или СО2 или СН4 ); О2 –Ar ; O2 –H2 ; O2-CO2; O2-CH4 Механические примеси 0.1г/м³	±4
	0-5; 0-10; 0-20; 0-50; 0-100; 15-25; 20-80; 50-100; 80-100; 90-100		±2
	95-100		±4
ГТМК-16В ГТМК-16В.1	0-1; 0-2; 0-5; 0-10; 0-20 (21)		±4 ±2
МН 5130М	90-100	Многокомпонентная смесь:О2,Ar, N2. Пыль и смолы 0.001г/м³; агрессивные примеси 0.01г/м³ влага 80%	±2,5
	98-100		±5
МН 5130-1	0-0.5	Двух и трёх компонентные смеси : О2 и N2-100 или Н2-1.2 или СН4-1.2 , или СО2-15%	±10
	0-1; 0-2		±5
	0-5; 0-10; 0-21; 0-50; 0-80; 50-100		±2
	80-100		±2,5
Примечание. Процентное содержание компонентов в многокомпонентных смесях дано в объёмных долях.

Таблица 2. Технические характеристики газоанализаторов на кислород

Тип

Пределы измерения объёмных долей, %

Анализируемая газовая смесь

Напряжение питания В(50Гц); Потребляе- мая мощно- сть, В*А

Основная погреш- ность, % от диапа- зона изме- рения

Запазды- вание, с

Время прогрева, мин

Состав

Темпе- ратура ºС

Давле- ние кПа

Расход л/ч

ГТМК-16 ГТМК-16В

См. табл.1

См. табл.1

(-10)- (+50)

25-200

50-200

220; 35**

См. табл.1

45

120

МН 5106-2

0-1; 0-2

Топочный газ. Содержание, %; СО2-2;H2 и SO2-0.5 SO3-0.02;CH4-0.1; механические примеси – 60 г/м³;

600

1-5

47

220; 60

±5

90

60

0-5; 0-10

±2

МН 5130М; МН 5131-1

См. табл.1

См. табл. 1

5-50

10-50

42

220; 50

См. табл.1

90

120

“Оскар”

0-1; 0-2; 0-4; 0-5

CO2-20% , Н2, СН4, СО, N2

10-10

10-100

15-45

220; 250

±4

6

210

0-10; 0-20; 0-40

±2,5

ГДРП-3

0-0.1; 0-0.2 0-0.5; 0-1

Газовые смеси, не содержащие электро- химически активных газов (H2S,Cl и др.)

10-35

4-10

30

220,100

±10

20

-

0-2

±5

ГЛ 5108

0-0.0001; 0-0.0005; 0-0.001; 0-0.005; 0-0.01; 0-0.05

N2, Ar ,H2,He, этилен пропилен. Агресси- вные примеси 0,01 г/м³, влага 95%

10-35

4-5

220 ***; 300 (400 при активации)

±10

60

-

“Флюорит”

1*10-6-100

Инертные газы. Механические Примеси 2 мг/см³

(-10)- (+50)

4-600

-

220

См. табл. 3

См. табл. 3

-

Примечание . Процентное содержание компонентов в многокомпонентных смесях дано в объёмных долях.. Возможно получение дополнительных диапазонов, кратных 2 и 5 в пределах 0-100% В режиме разогрева 350 В*А Допускается питание от сети переменного тока с частотой 60 Гц

Газоанализаторы типа МН предназначены для определения содержания кислорода в газовых смесях различного состава. Измерительные схемы газоанализаторов выполнены по принципу компенсационно-мостовых схем, состоящих из одного рабочего и одного сравнительного мостов, исключающих влияние измеряемых компонентов на достоверность показаний прибора. Технические характеристики см. втабл. 1 и 2. Газоанализатор МН 5106-2 предназначен для контроля содержания кислорода в газовой смеси из топочного газохода парогенератора на объектах теплоэнергетики. Выходной сигнал 0-5 мА. Вторичный прибор типа КСМ2. Отбор анализируемой газовой смеси производит из шпунтового устройства или из газохода в прямом потоке отходящих газов. Газоанализаторы МН 5130М и МН 5130-1 предназначены для анализа взрывобезопасных газовых смесей. Состав газовой смеси приведен в таблице 1. Газоанализатор МН 5130-1 может быть применён для измерения содержания кислорода поочерёдно в четырёх точках, для этой цели его оснащают блоком пробоотбора БП-4. Для работы газоанализаторов требуется сравнительная газовая смесь, содержащая 80% кислорода в азоте. Расход смеси 12 л/ч. Применение сравнительного газа компенсирует влияние измерения температуры окружающего воздуха и атмосферного давления. Вторичный прибор типа КСМ2.

Рис. 2. Функциональная схема основного газоанализатора”Оскар”:

1 - гаситель акустического удара; 2-измерительные трубки; 3- электромагнит; 4- нагревательные элементы; 5- конденсаторный микрофон; 6- блок электронный.

Газоанализатор “Оскар” не чувствителен к окислительно – восстановительным процессам и диамагнитным газам. Для определения содержания кислорода создаётся асимметрия магнитной проницаемости за счет подогрева трубок двумя нагревательными обмотками, расположенными на разных сторонах электро магнита (рис. 2). В трубах появляется давление, модулированное частотой магнитного поля электромагнита, которое измеряется конденсаторным микрофоном. По методу измерения газоанализатор выпускается в основном непосредственно измерения и дифференциальном вариантах. Газоанализатор основного варианта предназначен для определения соджержания кислорода в газовой смеси, в которой содержание компонентов - Н2, СН4, СО исключает образование взрывоопасных смесей. Газоанализатор дифференциального варианта предназначен для определения содержания кислорода в измеряемой и сравнительной газовых смесях. При равных содержаниях кислорода выходной сигнал равен нулю. Технические характеристики приведены в таблице 2. Диапазоны измерения 0-4 и 0-40 % объёмных долей относится только к дифференциальному варианту. Выходные сигналы: 0-5, 0-20, 4-20 мА. Запаздывание 10 с для дифференциального варианта.