книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

измерения уровня в этом случае необходимо измерять влажность щепы, которая может колебаться от 20 до 60%. Там, где влажность известна или остается постоянной, весовой принцип оказывается весьма эффективным для контроля уровня.

При небольших емкостях уровень их заполнения щепой могут контролировать тензодатчики в комплекте со стандартными вто­ ричными приборами ГСП (см. гл. 5) [59]. Промышленностью выпу­ скаются тензометрические массоизмерительные устройства типа С-0,5; 1; 5; 10; 50, где цифры маркировки обозначают максималь­ ную измеряемую массу в тоннах.

Хорошо зарекомендовали себя магнитоупругие датчики в ком­ плекте со вторичными приборами (см. гл. 5) [59, 64]. Эти устрой-

Сеть

ства используются для измерения уровня загрузки варочных кот­ лов вертикального типа, при этом магнитоупорные датчики уста­ навливаются под опоры котлов. Принципиальная схема включения магнитоупругого датчика в измерительную цепь представлена на рис. 7-7.

Рабочий магнитоупругий датчик РД включен в одно из плеч моста. В соседнее плечо включен аналогичный компенсационный магнитоупругий датчик КД, который находится в непосредственной близости к рабочему, но не воспринимает измеряемой величины массы Яз и /?4 — плечи моста. Резистор R q с переменным сопротив­ лением служит для подгонки начального равновесия моста. После выпрямителя в измерительной диагонали моста используется стан­ дартный указатель У магнитоэлектрической системы. Такое устрой­ ство позволяет компенсировать погрешности РД от воздействия окружающей среды и изменения режима работы, в первую очередь от изменения температуры и напряжения питания.

Преимуществами этих датчиков являются отсутствие подвиж­ ных частей, простота и надежность. Основная область примене­ ния— измерение больших (ІО5— 10е Н) сил и давлений в трудно­ доступных условиях. Погрешность их составляет ± (3—5)%.

! 04

Вряде случаев необходимо измерять уровень раздела двух сред. Для ЦБП эта задача возникает, например, при измерении уровня осадка в отстойниках при очистке сточных вод целлюлозно-бумаж­ ного производства. Последняя является актуальной проблемой для всей целлюлозно-бумажной промышленности в связи с сильной хи­ мической и механической загрязненностью сточных вод.

Вочистных системах поддержание уровня осадка в заданных пределах является одним из важных требований нормального ве­ дения технологического процесса очистки. Действительно, низкий уровень осадка в отстойниках систем очистки сточных вод целлю­ лозно-бумажного производства снижает эффективность их работы; высокий же уровень увеличивает вынос взвешенных частиц, и в от­ дельных случаях может привести к остановке и даже к поломке клососов или скребков.

ВУкрНИИБ разработан сигнализатор типа СУО-1 для дистан­ ционного контроля уровня осадка стоков в отстойниках очистных сооружений.

Принцип действия измерительных преобразователей для изме­ рения уровня раздела двух сред (осадка и осветленной сточной воды) основан на зависимости интенсивности рассеяния света взве­ шенными частицами. Это рассеяние тем интенсивнее, чем больше плотность среды (т. е. количество твердых частиц в водном рас­ творе), которая отличается у верхнего и нижнего слоя сточной суспензии при очистке. В качестве измерительных преобразовате­ лей здесь используются фоторезисторы, изменяющие под действием света свою выходную характеристику — активное сопротивление.

В сигнализаторе уровня осадка СУО-1 применены два измери­ тельных преобразователя. Один — рабочий преобразователь, уста­ новленный на' уровне, где необходима сигнализация появления осадка, а второй — уравновешивающий преобразователь, установ­ ленный несколько выше и находящийся в осветленной сточной воде. Сигналы с преобразователей включаются (в измерительной цепи) встречно и возникновение разностного сигнала свидетель­ ствует о появлении осадка, где расположен рабочий преобразова­ тель. Например, это обеспечивает малую зависимость работы при­ бора от температуры, окраски среды, обрастания стекол и солнеч­ ной засветки.

Оба преобразователя совместно со вспомогательными элемен­ тами (источниками света) оформлены в единый конструктивный блок, закрытый общим стеклянным колпаком, и образуют датчик.

В качестве измерительной цепи, реализующей метод дифферен­ циально-разностного уравновешивания сигналов двух датчиков, применена мостовая неравновесная цепь, выходной сигнал с кото­ рой поступает в релейную цепь сигнализации и управления.

Схема работы измерительного устройства СУО-1 приведена на рис. 7-8, а. Пучок света от источника / рассеивается в воде осад­ ком 2 и 3 различной плотности и попадает на фоторезисторы 4 и 5, включенные в плечи моста, состоящего из двух фоторезисторов 4 и 5 типа ФСД-1 и двух манганиновых резисторов 6 и 7. Разница

195

освещенности фоторезисторов рассеянным светом от плотного осадка 3 и суспензии 2 измеряется мостом, который управляет транзисторным реле.

Выходной сигнал датчика с ростом концентрации осадка сна­ чала увеличивается, а затем падает, что объясняется поглощением света плотным осадком и изменением эффективного расстояния рассеивающего слоя от датчика. Выбором расстояния между осветителем и фоторезисторами, а также осветителем и стеклом (изменением расстояния до жидкости) и выбором освещенности можно сужать и расширять зону срабатывания сигнализатора или

а

!2

Рис. 7-8

перемещать ее по концентрации. Кроме того, порог срабатывания сигнализатора может регулироваться настройкой моста. Для повы­ шения четкости срабатывания усилитель сигнала разбаланса моста выполнен с релейной характеристикой.

Для сигнализатора уровня осадка, изготовленного институтом,

(рис. 7-8,6). Первый блок 1 является датчиком и устанавливается в отстойник. Во второй блок 2 входят вторичный преобразователь (измерительная цепь), блоки питания, сигнализации и выдачи команд управления, он располагается в непосредственной близости к отстойнику. Третий блок 3 функционально дублирует второй и используется для представления сигнальной информации на цен­ тральном диспетчерском щите.

Сигнализатор уровня осадка типа СУО-1 имеет следующие тех­ нические характеристики:

Срядом других специальных устройств для измерения уровня

вЦБП можно познакомиться в [52].

19G

Глава 8

ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ В ЦБП

§ I. ЗАДАЧИ АНАЛИЗА СОСТАВА И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ В ЦБП

Развитие автоматизации производственных технологических процессов целлюлозно-бумажного производства идет по пути внед­ рения АСУ технологическими процессами и АСУ производством.

Это ставит перед измерительной техникой задачу создания спе­ циализированных промышленных датчиков и приборов, позволяю­ щих получать исходную информацию о качественных и количе­ ственных характеристиках специфичных технологических процессов и производств ЦБП в целом.

Продолжающиеся научные исследования технологических про­ цессов и оборудования с целью статистического изучения, усовер­ шенствования и оптимизации при регулировании и управлении, особенно при применении ЭВМ, вызывают необходимость разра­ ботки специальной научно-исследовательской измерительной аппа­ ратуры. Последняя должна основываться на учете временных и пространственных характеристик свойств объектов и процессов ЦБП и способов получения информации в стохастических полях.

Поэтому развитие специального приборостроения для ЦБП и его метрологической базы является актуальной проблемой в науч­ ном и организационном планах.

В ЦБП встречаются следующие задачи анализа состава и свойств веществ:

измерение концентрации одной жидкости (или газа) в смеси нескольких жидкостей (газов) (концентрациомеры, газоанализа­

торы и др.); измерение концентрации ионов какого-либо вещества или

группы веществ в растворе (или расплаве) (pH-метры, оксред-

метры и др.); измерения концентрации твердых частиц, пузырьков, газа,

капель жидкости (тумана) в жидкости или газе (концентратомеры и др.);

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

измерение плотности, удельного веса, массы определенных объемов или площадей веществ и материалов (плотномеры, весомеры, вес 1 м2 бумажного, картонного полотна и др.);

измерение фракционного состава древесных волокон; измерение качественных и количественных характеристик цел­

люлозных и бумажных масс; измерение качественных показателей бумаг и картонов (меха­

нические характеристики, белизна, просветы, воздухопроницае­ мость, зольность, электроизоляционные свойства и др.).

197

Перечисленные задачи анализа веществ в ЦБП, как и в других производствах, требуют для своего решения создания специальных, подчас уникальных по своим характеристикам и исполнению средств измерения. Каждая из задач качественного и количествен­ ного анализа достаточно сложна в научном, техническом и метро­ логическом аспектах.

Специальные средства измерения должны иметь удовлетвори­ тельные метрологические характеристики, простоту, надежность, невысокую стоимость (что связано с малыми сериями при произ­ водстве специальных средств измерения ЦБП) и т. д. При этом необходимо выполнять средства измерения взрыво- и пожаробезо­ пасными, пыле- и брызгонепроницаемыми, защищенными от воз­ действия агрессивных сред и рассчитанными на жесткие 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 неко­ торых производственных процессов и т. и.

§2. 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.

Ниже перечислены наиболее распространенные принципы ана­ лиза, сгруппированные по используемым для этой цели физико-хи­ мическим явлениям:

1. Электрохимические принципы анализа. Сюда относятся: а) кондуктометрические принципы, основанные на измерении ак­ тивной электрической проводимости электролитической ячейки; б) принципы, базирующиеся на измерении электродных потенциа­ лов (например, pH-метрия); в) полярографические принципы, ос­ нованные на снятии кривых поляризации. Последние являются единственными принципами, позволяющими производить качествен­ ный и количественный анализ сложных растворов без предвари­ тельного разделения их на компоненты [59].

2. Ионизационные принципы анализа используют измерение значения ионного тока и позволяют определять абсолютную кон­ центрацию и состав газовых смесей; применяются, например, в ва­ куумметрах.

К этой группе относятся распространенные принципы анализа — масс-спектральные, позволяющие разделить и идентифицировать положительные ионы анализируемого вещества по их массам.

3. Спектрометрические принципы анализа основаны на избира­ тельной способности различных веществ поглощать, излучать, от­

198

ражать, рассеивать или преломлять различного рода излучения. Сюда относятся многочисленные принципы построения измеритель­ ных средств, использующие широкий частотный диапазон — от зву­ ковых (ІО3 Гц) до гамма-излучений (10)8 Гц). В. зависимости от частотного поддиапазона спектрометрические принципы делятся на следующие группы:

а) электроакустические принципы, в которых используется за­ висимость скорости распространения звука от состава и концентра­ ции исследуемой среды; применяются, например, для измерения влажности;

б) ультразвуковые принципы, основанные на различии в зату­ хании или скорости распространения ультразвуковых колебаний от состава и свойств жидкостей или газов, используются, напри­ мер, в газоанализаторах на ГЬ;

в) радиоспектрометрические принципы, к которым относятся принципы ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного па­ рамагнитного резонанса (ЭПР) и микроволновая спектроскопия, в частности в основе которой лежит взаимодействие электриче­ ского ноля сверхвысокочастотиого поддиапазона с электрическим дипольным моментом молекул газа, а также принципы измерения, основанные па зависимости поглощения или отражения сверхвысокочастотиых электромагнитных колебаний (СВЧ) от свойства и состава вещества (например, его влагосодержапия), используе­ мые для измерения влажности, толщины покрытий, свойств ядер, молекул, кристаллов и др

г) электрооптические принципы анализа, использующие зави­ симости отражения, поглощения, рассеяния или преломления ви­ димых, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей от свойства и состава веществ; к последним относятся: 1) нефелометрический принцип, измеряющий состав по прозрачности вещества; 2) коло­ риметрический, основанный на измерении интенсивности окраски образца в проходящем или отраженном свете; 3) спектральный принцип, в основе которого лежит испускание или поглощение раз­ личными веществами излучений строго определенных длин волн;

4)рефрактометрический, основанный на зависимости коэффи­

циента преломления света от состава и концентрации жидкости; 5) поляриметрический принцип, в котором используется зависи­ мость вращения плоскости поляризации света в исследуемом ве­ ществе от его состава; последние два принципа находят широкое применение при анализе растворов органических веществ [59];

д) радиоактивные принципы, применяемые для анализа ве­ ществ по различию в поглощении и отражении радиоактивного излучения исследуемым веществом [59].

4.Принципы анализа по диэлектрической или магнитной прони­ цаемости удобны для качественного и количественного измерения газов, жидкостей и твердых тел, один из компонентов которых от­ личается по этим свойствам.

5.Тепловые принципы анализа. Сюда относятся: а) термокон­ дуктометрический, основанный на измерении теплопроводности

1QQ

газовых двухкомпонентных смесей; б) термохимический, при кото­ ром измеряется тепловой эффект реакций, происходящих в иссле­ дуемой смеси [62]; в) принцип измерения, основанный на определе­ нии температуры, при которой в исследуемой среде происходят фа­ зовые превращения [59]; г) психрометрический, основанный на измерении эффекта понижения температуры при испарении воды, значение изменения которой зависит от исследуемой влажности окружающей среды [32, 62].

Все перечисленные принципы построения датчиков и приборов для анализа вещества могут применяться как сами по себе и во взаимном сочетании, так и в сочетании с чисто химическими мето­ дами анализа и подготовки веществ. Например, химический метод титрования положен в основу создания лабораторных и автомати­ ческих кондуктометрических титрометров.

цию) одной компоненты в известном по составу двухкомпонентном веществе (вторая компонента может быть сложной, но постоян­ ной по составу, например, вода, воздух).

Для количественного анализа сложных смесей с помощью этих принципов используется предварительное разделение анализируе­ мых смесей на отдельные компоненты, которые затем с известным сопутствующим веществом проходят через измерительные устрой­ ства для анализа двухкомпонентных смесей. Для такого разделе­ ния широко используется хроматография, основанная на явлении сорбции, т. е. поглощения.

Другая возможность анализа сложных веществ заключается в одновременном или последовательном измерении ряда парамет­ ров вещества. Затем путем математической обработки полученных результатов выявляются интересующие свойства или составы ве­ ществ. Последний путь с развитием электронно-вычислительной техники будет находить все более широкое применение для произ­ водственных измерений.

§3. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ЦБП

В ЦБП газоанализаторы используются в двух случаях:

для контроля технологических параметров в содорегенерацион­ ных, известерегенерационных, кислотных отделах и т. д.;

для контроля содержания вредных газов и их смесей в помеще­ ниях, например, отбельных цехов и складов хлора (хлор, двуокись хлора), кислотных, варочных и отбельных цехов (сернистый газ), варочных и выпарных цехов (сероводород, меркаптаны).

По принципу действия газоанализаторы можно классифициро­ вать по следующим группам:

1. Механические газоанализаторы, к которым относятся анали­ заторы состава газов по механическим его характеристикам (плот­ ности, объему, давлению и т. д.).

2. Химические газоанализаторы, связанные со свойствами газов,

200

проявляемыми ими в химических реакциях (при поглощении, сжи­ гании, разложении и т. д.).

3.Электрохимические газоанализаторы, характеризующие смеси газов по электрическим свойствам (по изменению электрод­ ного потенциала, комплексного сопротивления или его состав­ ляющих и т. д.).

4.Ионизационные газоанализаторы, основанные на увеличении или уменьшении ионного тока в зависимости от состава газовых смесей.

5.Магнитные газоанализаторы, использующие парамагнитные свойства ряда газов.

6.Тепловые газоанализаторы, связанные с изменением свойств газовых смесей в температурных полях в зависимости от их со­ става.

7.Звуковые (ультразвуковые) газоанализаторы, основанные на зависимости скорости распространения звука или ультразвуковых колебаний от состава газовой среды.

8.Оптические газоанализаторы, применяемые для анализа со­ става газов, по изменению характеристик монохроматического света в зависимости от состава смеси газов.

Перечисленные принципы построения газоанализаторов имеют различные области применения, степени разработанности и харак­ теристики. Поэтому основное внимание будет сосредоточено на рассмотрении газоанализаторов для тех составляющих газовых смесей, которые находят практическое применение в ЦБП.

Внастоящее время для анализа состава дымовых газов в со­ дорегенерационных и известерегенерационных печах на содержание

вних Ог используются магнитные газоанализаторы. По этим при­ борам судят о полноте сгорания и необходимом количестве избы­

точного воздуха, подаваемого в топку.

Кислород обладает парамагнитными свойствами, в отличие от многих других газов, являющихся диамагнетиками. Магнитная восприимчивость кислорода в относительных единицах на два по­ рядка больше, чем у других газов. Однако само измерение этой характеристики связано со значительными трудностями. Поэтому в магнитных газоанализаторах па кислород пользуются вторич­ ными эффектами:

изменением магнитной восприимчивости и кислорода от тем­ пературы

аРМ

где а — постоянная Кюри; R — газовая постоянная; М — молекулярный вес; Р — давление;

Т — абсолютная температура кислорода; изменением теплопроводности кислорода под влиянием одно­

родного магнитного поля.

201

Кислород через ротаметр 3 и стабилизирующий расход дрос­ сель 1 поступает в кольцевую камеру 5 с перемычкой 4. На пере­ мычке имеются две секции платинового нагревателя с сопротив­ лениями Ri и Rt, включенные в плечо первоначально уравновешен­ ного моста Ru Rz, Rs и Rt, причем первая секция R і располагается между полюсами постоянного магнита 2, создающего на пере­ мычке неоднородное магнитное иоле. Иначе говоря, на перемычке

цепи измеряется указателем неравновесия ИП, шкала которого градуируется в значениях концентрации 0 2.

Переменное сопротивление резистора Ro служит для подгонки

ность такого газоанализатора резко меняется. При концентрациях

с тем снижение температуры наблюдается как у первого актив­ ного плеча Ri, так и у второго, R2- Для измерения различных кон­ центраций 0 2 требуются дополнительные конструктивные измене­ ния (наклон канала, изменение расположения обмоток, другие ха­ рактеристики мостовой цепи и т. п.). Этим объясняется появление различных модификаций магнитных газоанализаторов па кислород.

В последнее время создаются газоанализаторы, работающие па переменном токе (рис. 8-2), построенные но методу уравнове­ шивающего преобразования. Две мостовых цепи, одна из которых измерительная, рабочая I, а вторая, уравновешивающая II, вклю­ чены навстречу друг другу.

Платиновые сопротивления R ( и Ro омываются исследуемой смесью 0 2 + воздух, причем R2 находится в магнитном поле.

202

Плечи R'i и R'2 и з ^платины омываются воздухом, и возле плеча R'2 находится ложный магнит. Последний представляет бруски из латуни, имитирующие условия теплообмена аналогичные для R2. Остальные сопротивления выполнены из манганина для исключе­ ния температурного влияния.

Мостовые цепи / и II первоначально (для Соа~0) уравнове­ шены и скомпенсированы между собой. При появлении кислорода нарушаются равновесие моста I и условие компенсации I и II мо­ стов. Возникающее MJ с помощью электронного пулы-индуктора ЭНИ и реверсивного двигателя РД компенсируется падением на­ пряжения на Rp до тех пор, пока полученная недокомпенсация не

и одинакового воздействия на I w II мостовые цепи. Правда, идентич­ ности последних добиться трудно, поэтому возникает нестабильность пуля. Это обстоятельство особенно существенно проявляется при изме­ рениях малого содержания кисло­ рода.

Для измерения концентрации SO2 в печных газовых смесях сер­ ных и колчеданных печей в преде­ лах до 15—20% используются тер­

мокондуктометрические газоанализаторы (являющиеся разновид­ ностью тепловых). Эти приборы применяются в производственных измерениях чрезвычайно широко для количественного анализа Нг,

значение а.

На основе этой зависимости могут работать газоанализаторы, измеряющие одну составляющую в многокомпонентных газовых смесях, в случае если отношение теплопроводности искомого ком­ понента и эквивалентной теплопроводности остальной смеси остается постоянным во всем диапазоне изменения содержания искомой компоненты.

203