Глава 7

ИЗМЕРЕНИЕ СВОЙСТВ И СОСТАВОВ ВЕЩЕСТВ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Увеличения производительности труда, улучшения качества продукции и снижения ее себестоимости невозможно достичь без внедрения комплексной автоматизации управления техноло­гическими процессами и производствами. При создании автома­тических систем управления важнейшей проблемой является обеспечение отраслей народного хозяйства информационно-изме­рительной техникой. В первую очередь это касается средств измерения для контре/ля качественных и количественных спе­циальных технологических параметров, в том числе для целлю­лозно-бумажной промышленности. Общепромышленные и узко­отраслевые анализаторы качества позволяют получить инфор­мацию о характеристиках технологических процессов для их оптимального управления и дальнейшей интенсификации.

Отраслевые научные исследования технологических процес­сов и оборудования с целью их изучения и совершенствования также нуждаются в специальных измерительных устройствах.

Эти устройства должны учитывать специфические свойства цел­люлозно-бумажных процессов, а также обладать комплексом метрологических характеристик, обеспечивающих их качествен­ное функционирование в исследовательском режиме. Например, изучение временных и пространственных характеристик пара­метров объектов и процессов в ЦБП требует создания измери­тельной аппаратуры для измерения величин в стохастических полях.

Кроме того, в настоящее время актуальным вопросом стано­вится метрологическое обеспечение не только измерительной техники, но и всей отрасли в целом. Для этого необходима раз­работка высокоточных рабочих и лабораторных измерительных устройств, предназначенных для анализа специальных техно­логических параметров целлюлозно-бумажного производства.

7.1. Общие сведения

При анализе свойств и составов веществ в целлюлозно-бу­мажном производстве производят измерения:

концентрации одной жидкости (или газа) в смеси несколь­ких жидкостей (газов) (концентратомеры химических смесей, газоанализаторы и др.);

концентрации ионов какого-либо вещества или группы ве­ществ в растворе (или расплаве) (pH-метры, оксредметры и др.);

концентрации твердых частиц, пузырьков газа, капель жидкости (тумана) в жидкости или газе (концентратомеры ме­ханических смесей и др.);

количества влаги в газе, жидкости или твердом теле (влаго­меры) ;

плотности массы определенных объемов или площадей ве­ществ и материалов (плотномеры, массомеры, измерители массы 1 м² бумажного, картонного полотна и др.);

фракционного состава древесных волокон;

качественных и количественных характеристик целлюлозных и бумажных масс;

качественных показателей бумаги и картона (механические характеристики, белизна, просвет, воздухопроницаемость, золь­ность, электроизоляционные свойства и др.).

Осуществление таких измерений достаточно сложно в науч­ном, техническом и метрологическом аспектах.

Для анализа веществ в ЦБП, как и в других производствах, требуется создание специальных, иногда уникальных по своим характеристикам и исполнению средств измерений.

Специальные измерительные устройства должны иметь удов­летворительные метрологические характеристики, простоту, на­дежность, невысокую стоимость (что связано с малыми сериями при производстве специальных средств измерения ЦБП) и т. д. При этом необходимо выполнять средства измерения взрыво­и пожаробезопасными, пыле- и брызгонепроницаемыми, защи­щенными от воздействия агрессивных сред и рассчитанными на тяжелые условия эксплуатации по температурным и механиче­ским воздействиям.

При использовании приборов в АСУ к ряду специальных средств измерения предъявляются специфические требования, например максимальное быстродействие в связи с большой ско­ростью некоторых производственных процессов, повышенная на­дежность для обеспечения достоверной информации и т. п.

Классификация принципов анализа состава и свойств ве­ществ. Разнообразие принципов построения технических прибо­ров и датчиков для качественного и количественного анализа веществ в ЦБП диктуется необходимостью измерения сложных физико-химических величин в условиях эксплуатации, характе­ризующихся повышенным количеством сопровождающих деста­билизирующих факторов.

Наиболее распространенные принципы анализа веществ сгруппированы по физико-химическим явлениям.

1. Электрохимические принципы анализа, к которым относятся:

а) кондуктометрические, основанные на измерении электри- ческой проводимости или сопротивления электролитических ячеек;

б) принципы, базирующиеся на измерении электродных по- тенциалов (например, рН-метрия);

в) полярографические, в которых осуществляется снятие кривых поляризации.

Последние являются единственными принципами, позволяю­щими производить качественный анализ сложных растворов без предварительного разделения их на компоненты [46].

2. Ионизационные принципы анализа используют изме­рение значения ионного тока и позволяют определять абсолют­ную концентрацию и состав газовых смесей. К этой группе анализа относятся широко распространенные масс-спектромет-рическне, позволяющие разделить и идентифицировать положи­тельные ионы анализируемого вещества по их массам.

3. Спектрометрические принципы анализа основаны на избирательной способности различных веществ поглощать, излучать, отражать, рассеивать или преломлять различного рода излучения. Сюда относятся многочисленные принципы построе­ния измерительных средств, использующие широкий частотный диапазон — от звуковых (10³ Гц) до гамма-излучений (10¹⁸ Гц). В зависимости от частотного поддиапазона эти принципы ана­лиза делятся на следующие группы:

а) электроакустические, в которых используется зависимость скорости распространения звука от состава и концентрации исследуемой среды; применяются, например, для измерения влажности, концентрации газовых смесей;

б) ультразвуковые, основанные на различии затухания или скорости распространения ультразвуковых колебаний от состава и свойств жидкостей или газов; используются, например, в газо- анализаторах на Н₂;

в) радиоспектрометрические, к которым относятся принципы ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамаг- нитного резонанса (ЭПР) и микроволновая спектроскопия, в частности, в основе которой лежит взаимодействие электриче- ского поля сверхвысокочастотного поддиапазона с электриче- ским дипольным моментом молекул газа, а также принципы из- мерения, основанные на зависимости поглощения или отражения сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний (СВЧ) от свойства и состава вещества (например, его влагосодержания), используемые для измерения влажности, толщины покрытий, свойств ядер, молекул, кристаллов и др.;

г) электрооптические, использующие зависимости отраже- нии, поглощения, рассеяния или преломления, видимых, инфра- красных и ультрафиолетовых лучей от свойств и состава ве- ществ; к ним относятся: 1) нефелометрический, измеряющий состав по прозрачности вещества; 2) колориметрический, осно- ванный на измерении интенсивности окраски образца в прохо- дящем или отраженном свете; 3) спектральный, в основе которого лежит испускание или поглощение различными веще- ствами излучений строго определенных длин волн; 4) рефракто- метрический, основанный на зависимости коэффициента прелом- ления света от состава и концентрации жидкости; 5) поляри- метрический, в котором используется зависимость вращения плоскости поляризации света в исследуемом веществе от его со- става; последние два находят широкое применение при анализе растворов органических веществ [46];

д) радиоизотопные, применяемые для анализа веществ по различному поглощению или отражению радиоактивного излу- чения исследуемым веществом [46].

4. Принципы анализа, основанные на измерении диэлек­трической или магнитной проницаемости, удобны Для качественного и количественного измерения газов, жидко­стей и твердых тел, один из компонентов которых отличается от других по этим свойствам.

5. Тепловые принципы анализа, к которым относятся: а) термокондуктометрический, основанный на измерении тепло­проводности газовых двухкомпонентных смесей; б) термохими­ческий, при котором измеряется тепловой эффект реакций, про­исходящий в исследуемой смеси [43]; в) принцип измерения, основанный на определении температуры, при которой в иссле­дуемой среде происходят фазовые превращения [46]; г) психро­метрический, основанный на измерении эффекта понижения тем­пературы при испарении воды, значение которой зависит от ис­следуемой влажности окружающей среды [1, 43].

Все перечисленные принципы построения датчиков и прибо­ров для анализа веществ могут применяться как сами по себе и во взаимном сочетании, так и в сочетании с чисто хими­ческими и физическими методами анализа и подготовки ве­ществ.

Иначе говоря в анализаторах свойства и состава веществ используются, с одной стороны, различные по принципу работы измерительные преобразователи, а с другой стороны, различные методы (устройства) для химического или физического преоб­разования пробы вещества.

В настоящее время наиболее часто для анализа сложных ве­ществ применяют подготовку проб. Действительно, большинство принципов, за исключением поляриграфических и спектральных, позволяет анализировать содержание (концентрацию) одного компонента в известном по составу двухкомпонентном веществе (второй компонент может быть сложным, но постоянным по со­ставу, например вода, воздух).

Для количественного анализа сложных смесей с помощью этих принципов используется предварительное разделение ана­лизируемых смесей на отдельные компоненты, которые затем с известным сопутствующим веществом проходят через измери­тельные устройства для анализа двухкомпонентных смесей. Для такого разделения широко используется хроматография, осно­ванная на явлении сорбции, т. е. поглощения. Хроматография не является единственным примером подготовки проб. Сюда от­носятся также термохимический, фотоколориметрический и дру­гие анализы, где предусматривается специальная обработка исследуемого вещества.

Другие анализы сложных веществ заключаются в одновре­менном или последовательном измерении ряда параметров исследуемого вещества. Затем путем математической обработки полученных результатов, решая, как правило, уравнения сов­местных или совокупных измерений, выявляют интересующие свойства или составы веществ. Эта возможность создания много­параметрических измерительных устройств с развитием элек­тронно-вычислительной техники будет находить все более широ­кое применение для производственных измерений.

Вариант построения концентратомера для определения од­ного интересующего компонента (например, в двухкомпонент-ной смеси) по измерению' одного параметра анализируемого вещества можно рассматривать как частный случай многопа­раметрических измерительных устройств.

Обобщенная структурная схема анализаторов качественных и количественных характеристик веществ представлена на рис. 7-1.

От исследуемого вещества X отбирается проба, состоящая из k частей, каждая из которых подвергается различной обра­ботке в j(j=lm) устройствах подготовки пробы (УПП). Каж-198

ту—

hi

т

i-я часть подготовленного вещества поступает на свой i-й ^Деовичный измерительный преобразователь ПИП_{> принципы "боты которых могут быть одинаковыми или разными в зави­симости от того одинаковые или различные параметры веще­ства необходимо определять в анализаторе. При одном ПИП части пробы вещества могут поступать на ПИП последова­тельно, как правило, после соответствующей химической или физической подготовки ПИП (например, после продувки, про­мывки). Это может быть предусмотрено в структурной схеме наличием лишних от 1 до I устройств подготовки ПИП УПП

Will,

Укст

Рис. 7-1

(тогда устройства подготовки для ПИП и пробы в структур­ной схеме могут быть включены параллельно). С помощью од-ного или нескольких ПИП получают выходные сигналы У И= 1, k), характеризующие концентрации одного или i компо­нентов или одного или i параметров вещества.

Далее сигналы поступают на измерительные устройства ИУи которые могут иметь отсчетное устройство для представ­ления показаний а» и (или) преобразуют сигналы У, в стан­дартные У,ст для подачи их в информационно-вычислительные комплексы ИВК, содержащие микропроцессоры. Последние поз­воляют произвести обработку, вычисление и представление ин­формации в удобной для операторов форме, например в виде заключения, какое вещество X поступило на анализ.

Как первичные измерительные преобразователи, так и из­мерительные устройства могут быть построены по методу пря­мого или уравновешивающего преобразования. Кроме того,

^ана_<^лизаторах качества часто предусматривают поверочные Устройства, состоящие из веществ с известными составами, аналогичными исследуемым веществам. Эти устройства позво­ляют осуществлять периодическую, часто автоматическую по­верку анализаторов, что обеспечивает их требуемую метрологи­ческую надежность (см. гл. 2 и [19]).