книги из ГПНТБ / Смирнов, Д. Н. Автоматическое регулирование процессов очистки сточных и природных вод

них температурах около 58 мв на единицу рН. Измере­ ние такой э.д.с. не представляло бы трудностей для обычных промышленных потенциометров, если бы цепь стеклянного электрода (стеклянная мембрана) не об-

в — непроточный вспомогательный типа 5268: / — резиновые мембраны; 2— кри­

ладала чрезвычайно высоким сопротивлением, достига­

Схемы современных автоматических рН-метров стро­ ятся на принципе компенсации измеряемой э. д. с. Оте­ чественные рН-метры чаще базируются на схемах ста­ тической компенсации. Усилители электронных блоков рН-метров имеют, как правило, весьма высокий коэффи­ циент усиления и работают поэтому на переменном то­ ке. Постоянное напряжение электродной системы прё-

10

образуется в переменное вибропреобразователями или динамическими конденсаторами. Входное сопротивление приборов с динамическим конденсатором достигает

10м —101 6 ом.

На очистных сооружениях наибольшее распростране­ ние получили рН-метры типа рН-261 (рис. 3) (или ста* рая модификация ПВУ-5256), выпускаемые Гомельским заводом измерительных приборов. В комплект рН-метра входят датчик и высокоомный преобразователь с ука­ зывающим прибором.

Электродная система датчика состоит из стеклянного и вспомогательного хлорсеребряного электродов. Стек­ лянные электроды типа ЭСП различных модификаций предназначены для измерения значений рН от 1 до 14 при колебаниях температуры от —5 до +150° С. Арма­ тура датчиков обеспечивает закрепление электродов на технологических агрегатах и магистралях, защиту от ме­ ханических и электрических воздействий, осуществляет контакт электродов с контролируемой жидкостью и пе­ редачу сигнала на измерительный прибор.

Гомельский завод измерительных приборов постав­ ляет датчики двух основных типов: погружной ДПг-4М, проточный ДМ-5М (он же магистральный). На очист­ ных сооружениях чаще всего применяют погружные дат­ чики, так как они в меньшей степени подвержены засо-

11

рению содержащимися в стоках взвешенными вещест­ вами и волокнистыми включениями. Погружные датчики

липропилен) .

Все перечисленные датчики предназначены для рабо­

рез штуцер с сосудом вспомогательного электрода, под­ держивает в сосуде необходимый избыточный напор, обеспечивающий проток раствора хлористого калия че­ рез электролитический ключ, при возможных колебани­ ях давления измеряемой среды.

В настоящее время разработана конструкция датчи­ ка для работы в пленко- и осадкообразующих средах, часто встречающихся в практике очистки промышлен­ ных сточных вод. Мембрана стеклянного электрода та­ кого датчика имеет цилиндрическую форму. В датчике предусмотрено устройство, очищающее поверхность ци­ линдрической стеклянной мембраны с помощью резино­ вого кольца, совершающего возвратно-поступательное движение. Такую конструкцию имеют проточный дат­ чик ДМО-01 (с пневматическим приводом механизма щеток) рН-метра и погружной датчик ЭЧПг-2 (с элек­ трическим приводом механизма щеток) прибора СХ-1. Эти датчики выпускаются Гомельским заводом измери­ тельных приборов.

Электродвижущую силу электродных систем измеря­ ют высокоомным преобразователем рН-261, изготовля­ емым тем же заводом, или выпускавшимся ранее прибо­ ром ПВУ-5256. Действие этих приборов основано на принципе статической компенсации измеряемого сигна­ ла. Преобразователь рН-261 рассчитан на работу с дат­ чиками всех перечисленных типов. Показания прибора при колебаниях температуры измеряемой среды корректи­ руются автоматическим или ручным термокомпенсато­ ром, поставляемым в комплекте рН-метра. Прибор рН261 изготовляется во взрывобезопасном исполнении.

Преобразователь снабжается набором сменных шкалвставок с диапазонами измерения величин рН, равных

12

потенциометры типов ЭПД, ЭПП, КСП-4 и др. Выход­ ные параметры прибора рН-261: по току 0—5 ма, по на­ пряжению от 0 до 20—50 мв (при любом диапазоне из­ мерения рН) . Основная допустимая погрешность прибо­ ра по выходному напряжению не превышает ± 1 % верх­ него предела на любом диапазоне измерения.

Рассмотренные выше датчики для измерения вели­ чины рН могут работать в комплекте с измерительным, регистрирующим и регулирующим прибором ЭППВ-28. Применяются также рН-метры, в которых в качестве из­ мерительного элемента используются металлооксидные электроды. Наибольшее распространение получил сурь­ мяный электрод. Его применение возможно в тех случа­ ях, когда стеклянному электроду противопоказан состав контролируемых вод (например, при наличии в измеря­ емой среде соединений фтора в количестве более 30 мг/л или сильноабразивных частиц). Электронный ав­ томатический рН-метр типа ПМ-С работает на базе сурь­ мяного электрода.

Почти во всех конструкциях промышленных рН-мет- ров, выпускаемых в нашей стране, а также за рубежом, предусматривается возможность автоматической ком­ пенсации влияния на показания прибора изменений тем­ пературы контролируемой жидкости. Поправки на тем­ пературу вносятся в схему рН-метров термометрами сопротивления или полупроводниковыми элементами, по­ гружаемыми в измерительную среду рядом с электродами. С точки зрения надежности рН-метра и удобства его обслуживания наличие дополнительных деталей в дат­ чике, соединительных линий и цепи в измерительной схеме преобразователя нежелательно. Поэтому при кон­ троле растворов, у которых величина рН близка к изопотенциальной точке используемой электродной систе­ мы, а также в случае незначительных или медленных изменений температуры автоматическую компенсацию применять не следует. В системах контроля процессов очистки сточных вод, когда с помощью рН-метра опре­ деляется весовое содержание кислоты или щелочи в ра­ створе, автоматическая температурная компенсация не нужна.

Промышленные рН-метры рассматриваются как од-

13

и конструирования такой САР необходимо иметь данные

)

•

>

0,1 н. раствором соляной кислоты

важнейшими свойствами звеньев системы являются их статические и динамические характеристики. Статичес­ кая характеристика рН-метра и в то же время процесса, регулируемого по этому параметру, — это зависимость концентрации кислоты или щелочи в растворе от вели­ чины его рН при постепенном добавлении нейтрализую­ щего реагента, т. е. кривая потенциометрического титро­ вания (рис.4). При нейтрализации сильных кислот сильными основаниями (и наоборот) кривые титрования (нейтрализации) имеют четко выраженную S-образную форму, вследствие того что фактор рН есть показатель логарифмический. Эта существенная нелинейность ста­ тической характеристики является важнейшей особенно­ стью величины рН как параметра регулирования. Она приводит к тому, что при одном и том же приращении концентрации загрязнений в сточной воде изменения по-

14

тенциала, измеренного на разных диапазонах шкалы рН-метра, могут отличаться друг от друга во много раз.

рН в широком диапазоне для построения системы регу­

тов, обладающих буферными свойствами, и многокомпо­ нентных растворов. Из рис. 4 видно, как кривая 2 откло­ няется от кривой /. Еще более выровненную кривую титрования дают многоосновные кислоты и соли слабых кислот. Диссоциируют они по ступеням, и соответствен­ но получается несколько точек эквивалентности.

Существенно искажает форму кривых титрования присутствие в растворе кислоты катионов металлов (см. рис. 13). Подобный двухкомпонентный состав ха­ рактерен для многих производственных сточных вод, в частности травильных (кислота+железо) и вискозных (кислота+цинк), а также сточных вод заводов цветных металлов (например, кислота+медь, кислота+щгак и

понентных загрязнений. Нейтрализация таких сточных вод дает не одну, а множество кривых титрования, каж­ дая из которых соответствует определенному соотноше­ нию концентраций компонентов (см. рис. 13 и 18).

Устойчивость САР величины рН определяется харак­ тером переходных процессов, протекающих в ее звень­ ях и в том числе в рН-метрах. Представление об этих процессах можно получить как аналитическим, так и экспериментальным путем. Однако если составление дифференциального уравнения измерительной части рНметра по его схеме вполне осуществимо, то математиче-

15

ское описание переходных процессов на электродных системах из-за их сложности и малоизученности весьма затруднительно.

Рядом исследователей [20, 43] проведены работы по изучению динамических характеристик стеклянных элек­ тродов. Скорость установ­

сти. Последний фактор в значительной степени опре­ деляется условиями перемешивания измеряемой среды.

На рис. 5 показаны усредненные переходные харак­ теристики (кривые разгона) отдельно преобразователя ПВУ-5256 и всего рН-метра в целом. Характеристики сняты при скачкообразном изменении концентрации во­ дородных ионов потока жидкости в камере малого объ­ ема. Из рисунка видно, что колебательный характер пе­ реходного процесса в преобразователе демпфируется инерционностью стеклянного электрода. В целом систе­ ма может быть аппроксимирована апериодическим зве­ ном первого порядка:

где х — входной и выходной параметры, в данном слу­ чае э. д. с , пропорциональная концентрации водородных ионов.

Ее передаточная функция имеет вид:

Величина Т составляет 3—5 сек. Это время меньше постоянных времени технологических объектов, однако при автоматизации малоемкостных (лотковых) реакто­ ров с ним приходится считаться.

16

3. Регулирующие устройства для систем автоматического регулирования

Станции нейтрализации сточных вод непрерывного действия в наибольшей степени нуждаются в автомати­ зации процесса дозирования реагентов, так как состав и расход сточных вод, как правило, резко колеблются. При обработке воды на установках периодического дей­ ствия эти колебания играют значительно меньшую роль.

Трудности, связанные с интенсивными внешними воз­ мущениями процесса непрерывной нейтрализации сточ­ ных вод, усугубляются существенной нелинейностью па­

Поэтому разработка системы автоматического регу­ лирования процессов нейтрализации сточных вод, обес­ печивающей устойчивое качественное регулирование в указанных условиях, представляет собой сложную тех­ ническую задачу, которая решается путем тщательного исследования статических и динамических свойств про­ цесса с последующей обработкой результатов теорети­ ческими методами автоматического регулирования. В ряде систем используются отдельные узлы, сконструи­ рованные для специфических условий очистных станций.

Методы экспериментального и аналитического изуче­ ния и описания объектов автоматического регулирова­ ния изложены в главе П. Здесь рассмотрены только не­ которые промышленные регулирующие устройства.

Простейшим двухили трехпозиционным регулято­ ром является контактная система, которой снабжаются промышленные вторичные приборы. В позиционном ре­ жиме могут работать также и различные пневматические, электрические и гидравлические непрерывные регулято­ ры. Кроме контактной системы позиционная САР может иметь промежуточные реле и пускатель, а также испол­ нительный механизм с электродвигателем поршневого, мембранного или соленоидного типа.

В настоящее время разработаны бесконтактные двухпозиционные регуляторы, использующие унифицирован­ ные сигналы постоянного тока или постоянного напря­ жения. Эти регуляторы входят в общий комплекс прибо-

ров центральной части электрической аналоговой ветви Государственной системы приборов (ГСП). Действие двухпозиционного регулятора Р-321 основано на после­ довательном усилении входного сигнала высокоомным усилителем постоянного тока, который выполнен по ав­ тогенераторному принципу. На выходе из регулятора ис­ пользуется магнитотиристорный релейный усилитель. Входное сопротивление регулятора для сигнала напря­ жением от 0 до 2,5 в — не менее 3-106 ом. Выходное уп­ равляющее напряжение постоянного тока 24+2 в при мощности 8 вт. Прибор имеет регулируемую зону возв­ рата от 0,05 до 2%. Для регулирования параметров, подверженных пульсации, прибор снабжен демпфирую­ щим устройством с постоянной времени 0,1—9 сек.

Аналогичные характеристики имеет двухпозиционный регулирующий прибор 2РП-2, сконструированный по блочно-модульному принципу. Высокоомный усилитель этого регулятора охвачен инерционной связью, осуществ­ ляемой RC-цепочкой. Выходная мощность регулятора не менее 7 вт при сопротивлении нагрузки 80+2 ом.

С помощью контактного трехпозиционного устройст­ ва можно осуществить и простейшее импульсное регули­ рование, для чего в схему вводится прерыватель. Таш­ кентский завод «Ташсчетмаш» выпускает импульсный прерыватель СИП-01, представляющий собой электроме­ ханическое реле времени со ступенчатой настройкой продолжительности импульса и паузы между последова­ тельными включениями. Длительность цикла может ре­ гулироваться в пределах от 15 до 120 сек. Имеются две группы настроек продолжительности импульсов: от 1 до 7 и от 14 до 113 сек. Более гибкое импульсное регулиро­ вание с автоматическим изменением длительности пауз или импульсов в зависимости от величины разбаланса на входе реализуется ПИ-регулятором при соответству­ ющем его включении и настройке. К регуляторам им­ пульсного действия относится также дозирующее уст­ ройство ЦК Б Цветметавтоматики.

На объектах с запаздыванием и частыми возмущаю­ щими воздействиями при необходимости точного под­ держания регулируемого параметра применяют регуля­ торы непрерывного действия.

18