книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

ность потенциалов, пропорциональная содержанию кислорода в анализируемой смеси. Двумя другими плечами моста яв­ ляются манганиновые резисторы Д3 и расположенные вне термоанемометра.

Питание измерительного моста осуществляется стабилизиро­ ванным постоянным током.

Для обеспечения постоянства температуры измерительного пре­ образователя имеются нагреватели, включаемые контактным ртут­ ным стеклянным термометром (точность стабилизации темпера­ туры ±1°С ). Запаздывание показаний самого прибора не более 90 с, а с учетом времени прохождения газом подводящих трубок может значительно возрасти. Основная погрешность газоанализа­ тора не превышает ±2,5% от диапазона шкалы.

Измерители концентрации всего SO2 в сырой сульфитной кис­ лоте и активной щелочи в сульфатном варочном щелоке. Для не­ прерывного измерения и записи концентрации всего SO2 в сырой сульфитной кислоте и сигнализации в случае нарушения задан­ ного предела концентрации могут использоваться кондуктометри­ ческие измерители, основанные на зависимости электропроводно­ сти кислоты или щелока от концентрации соответственно S 0 2 или активной щелочи. При слабых концентрациях кислых растворов между электропроводностью и концентрацией существует линейная зависимость (электропроводность раствора увеличивается в прямой зависимости от концентрации кислоты). При достижении опреде­ ленной концентрации линейная зависимость нарушается и электро­ проводность начинает уменьшаться. Следовательно, один и тот же размер электропроводности характеризует разные степени концент­ рации кислоты. Во избежание двузначности результата исследо­ вания ведутся лишь в границах прямолинейной зависимости ме­ жду электропроводностью и концентрацией.

При наличии в электролите нескольких растворенных веществ электропроводность раствора получается неопределенной и зави­ сит в основном от содержания вещества, обладающего наиболь­ шей электропроводностью по отношению к электропроводности других растворенных веществ. В сырой сульфитной кислоте, по­ мимо S 02, содержится также СаО. Результат измерения содержа­ ния S 0 2 будет зависеть от степени стабильности кислоты по со­ держанию в ней СаО.

Электропроводность жидкостей зависит не только от их хими­ ческого состава, но и в значительной степени от температуры, причем с повышением температуры жидкостей их сопротивление падает (электропроводность повышается).

Температурный коэффициент сырой сульфитной кислоты мало зависит от степени разбавления раствора и равен примерно 0,0208. Влияние температурного коэффициента электролита на показания измерителя SO2 настолько велико, что приходится применять спе­ циальное компенсирующее устройство в виде медного термометра сопротивления. Колебание температуры электролита на большин­ стве целлюлозно-бумажных предприятий вследствие использова­

217

ния для орошения кислотных башен воды из артезианских колод­ цев или охлажденной речной воды не превышает 15° С. Поскольку колебание температуры электролита является незначительным, до­ стигается хорошая температурная компенсация.

На рис. 86 представлена принципиальная электрическая схема автоматического высокочастотного концентратомера всего S 02

всырой сульфитной кислоте.

Вкомплект концентратомера входят первичный измеритель­ ный индуктивный преобразователь проточного типа, блок электри­ ческого питания и первичный измерительный прибор — автомати­ ческий потенциометр. Принцип действия концентратомера основы­ вается на измерении потерь высокочастотной электрической энер­ гии в сердечнике катушки самоиндукции, роль которого выполняет

контролируемая кислота. Потери являются функцией концентра­ ции— электропроводности кислоты.

Изменение рассеивания энергии катушкой L x вызывает изме­ нение добротности колебательного контура, а отсюда — измене­ ние режима работы генератора. Вследствие этого изменяется раз­ мер катодного тока, являющегося в определенных пределах линейной функцией концентрации кислоты.

Действие • автоматической температурной компенсации осуще­ ствляется следующим образом. При возрастании температуры контролируемой кислоты повышается электропроводность рас­ твора при сохранении концентрации, в результате чего возрастает размер катодного тока. Это должно было бы привести к наруше­ нию показаний концентратомера. Однако одновременно возрастает сопротивление медного компенсационного термометра Rs, вслед­

218

ствие чего понижается сила тока в плече с этим термометром, равновесие моста не нарушается и показания кондентратомера не искажаются.

Первичный измерительный преобразователь выполняется в виде фторопластовой трубы диаметром 30 мм.

Резисторы R I и /?2 подключаются переключателем Пі вместо первичного преобразователя для контроля верхнего и ниж­ него пределов измерения. Диапазон измерений кондентратомера

а сырая сульфитная кислота является сернистой, то необходима соответствующая корректировка размеров сопротивлений измери­ тельного моста, а также значений резисторов Ri и Д2.

Лучшие результаты может дать дифференциальное измерение электропроводности с использованием двух проточных первичных измерительных индуктивных преобразователей, включенных после­ довательно, и устройства для нейтрализации электролита, распо­ ложенного между ними. В этом приборе измеряемой величиной, характеризующей концентрацию всего S 02 в сырой сульфитной кислоте, является разность электропроводностей электролита в со­ стоянии до и после нейтрализации. На этом принципе может дей­ ствовать концентратомер активной щелочи в сульфатном варочном щелоке, нейтрализация которого производится пропусканием через электролит углекислого газа.

Измерители плотности жидкостей. Для автоматического изме­ рения плотности белых, черных и зеленых щелоков, а также раз­ личных суспензий применяются чаще гидростатические и реже радиоизотопные плотномеры.

На рис. 87 представлены схемы гидростатических плотномеров. Принцип действия гидростатических плотномеров основан на из­ мерении давления столба жидкости постоянной высоты. Справед­ ливо написать:

где Р — давление, Па; Н — высота столба жидкости, м;

g— ускорение силы тяжести, м/с2;

р— плотность жидкости, кг/м3. Из уравнения (104) следует, что

219

откуда

ДР 1

(107)

Из уравнения (106) следует, что шкала плотномера будет'од­ носторонней с нижним пределом, равным нулю, и верхним пределом, соответствующим максимальной плотности жидкости. Тогда изменения плотности по размеру оказываются соизмери-

мыми с размером нечувствительности дифманометра и осуществ­ ление измерения по такой схеме оказывается невозможным.

Необходимо подавить нуль, т. е. сделать шкалу дифманометра безнулевой, начинающейся со значения минимально возможной плотности данной жидкости. Для этого в плотномер устанавлива­ ется сосуд 4 (рис. 87,6), в который до определенного уровня за­ лита измеряемая жидкость с минимальной плотностью.

220

При условии постоянства высоты уровня в первичном измери­ тельном преобразователе плотномера и отсутствии короткой пье­

Температурная компенсация достигается погружением сосуда 4 в жидкость, плотность которой измеряется. Однако при резких изменениях температуры исследуемой жидкости температурная компенсация оказывается недостаточной, так как жидкость в со­ суде 4 не успевает принимать температуру исследуемой жидкости.

Плотномер не может применяться для измерения плотности легко осаждающихся суспензий, например известкового молока. Плотномеры рассчитаны на установку в емкостях, находящихся под атмосферным давлением или в безнапорных трубопроводах, что ограничивает их применение.

Погрешность измерения не превышает ±4% от диапазона из­ мерения.

На рис. 87, в представлена система измерения плотности жид­ кости или суспензии непосредственно на вертикальном участке тру­ бопровода. Для исключения влияния на показания плотномера потери напора, образующейся при движении исследуемого веще­ ства на участке h, скорость движения вещества снижается посред­ ством расширения трубопровода.

манометров используются мембранные уровнемеры с противодав­ лением.

221

Принцип действия радиоизотопных плотномеров основан на зависимости ослабления гамма-излучения от плотности просвечи­ ваемого вещества при условии постоянства толщины его контро­ лируемого слоя (полное заполнение трубопровода, отсутствие зара­ стания или истирания его стенок в месте измерения, отсутствие пузырей воздуха, однородность измеряемого вещества и т. д.). Применение радиоизотопных уровнемеров оправдано лишь в слу­ чае, когда другие методы измерения плотности не могут быть при­ менены, например для контроля плотности шлама белого щелока, плотности отбеливающих растворов (гипохлорита кальция, гипо­ хлорита натрия), плотности раствора сернокислого глинозема и канифольного клея при приготовлении растворов для проклейки бумаг и картонов, плотности суспензии каолина, плотности раз­ личных кроющих суспензий, дисперсий и других жидкостей.

pH-метры и оксредметры. Активная кислотность всякой среды выражается показателем концентрации водородных ионов pH. Концентрация ионов водорода определяет характер среды: чем меньше показатель pH (в пределах до 7), тем кислотность рас­ твора больше, и, наоборот, чем больше показатель pH (в пределах от 7 до 14), тем более щелочным является раствор.

Известно, что кислоты [НА] при растворении в воде диссоци­ ируют на положительно заряженные ионы водорода [Н+] и отри­ цательно заряженные ионы кислотного остатка [А-]:

[Н А ]^[Н +] + [А-].

Щелочи [ВОН] при их растворении в воде диссоциируют на от­ рицательно заряженные ионы гидроксила [ОН-] и на положи­ тельно заряженные ионы металла [В+]:

[ВОН]г=[В+] + [ОН-].

В результате реакции между кислотой и щелочью раствор может оказаться нейтральным, кислым или щелочным. Во всех этих случаях произведение концентрации ионов водорода [Н+] на концентрацию ионов гидроксила [ОН-], выраженное в граммах ионов на литр, есть величина постоянная и при температуре 22° С составляет

[Н+] • [ОН-] = 1СГ14 г/л.

В нейтральном растворе количество тех или других ионов оди­ наково и равно

[Н+] = [ОН- ] = Ю~7 г/л.

При избытке кислоты, участвующей в реакции, в растворе оказывается избыток ионов водорода [Н+] и концентрация их ста­ новится выше ІО'7, а концентрация ионов гидроксила [ОН-] соот­ ветственно меньше ІО'7, вследствие чего раствор получается

к и с л ы м .

2 2 2

При избытке щелочи в растворе будет избыток ионов гидро­ ксила {ОН-], т. е. концентрация их будет больше ІО-7, а концентра­ ция ионов водорода [Н+] соответственно меньше ІО-7, и раствор оказывается щ е л о ч н ы м .

Показатель pH связан с концентрацией водородных ионов [Н+]

т. е. показатель pH является логарифмом величины, обратной кон­ центрации ионов водорода.

Изменение показателя pH выражается следующими величи­

Для определения величины показателя pH используется э л е к ­ т р о м е т р и ч е с к и й ме т о д , который заключается в измере­ нии э. д. с. двух специальных электродов, погружаемых в исследу­ емый раствор. Величина э. д. с. при этом зависит от концентрации водородных ионов в растворе. Потенциал одного из электродов зависит от pH раствора, вследствие чего электрод называется основным электродом, а по конструкции — стеклянным. Другой электрод называется сравнительным (а по конструкции — кало­ мельным)-, его потенциал не изменяется и не зависит от pH рас­ твора. Получающуюся между основным и сравнительным элек­ тродами разность потенциалов измеряют электронным потенцио­ метром с высокоомным входом.

Разность потенциалов, развиваемая подобным гальваническим элементом при 20° С, определяется уравнением

Из этого уравнения следует, что напряжение электродной цепи линейно зависит от показателя pH и что при 20° С напряжение на каждую единицу pH изменяется на 58 мВ.

Измерительные приборы, которые служат для определения концентрации водородных ионов в растворах, называют рН-мет- рами.

В целлюлозном производстве важнейшим различием сульфит­ ных варок с использованием растворимых оснований является ве­ личина pH, при которой проводится варка. Качество целлюлозного волокна, получаемого при варке древесины, зависит от активной кислотности варочного щелока, т. е. от показателя pH. Этот пока­ затель является важным, но не единственным, так как нельзя исключить влияние температуры варки, качества и степени уплот­ нения щепы, состава и количества кислоты, режима пропитки щепы варочным раствором и других переменных величин.

223

Несмотря на важность измерения pH варочного щелока в про­ цессе сульфитной варки целлюлозы, лишь в последнее время пре­ одоление конструктивных и метрологических трудностей позво­ лило осуществить это измерение. Основные трудности при созда­ нии первичного измерительного преобразователя были связаны с необходимостью измерений pH с высокой точностью (±0,05 pH) при температуре контролируемого раствора от 70 до 150° С и дав­ лении до 1200 кПа, так как охлаждение варочного раствора и понижение его давления приводят к изменению размеров pH и еН (окислительно-восстановительный потенциал). Заметим, что изме­ нение pH в процессе варки на размер 0,1 pH уже существенно сказывается на качестве получаемой целлюлозы.

При сульфатной варке pH-метры используются в системах до­ зировки белого щелока для контроля активной щелочности и сульфидности щелока при выработке обычной сульфатной целлю­ лозы, а также в системах предварительного водного гидролиза для контроля степени гидролиза при выработке сульфатной цел­ люлозы для сверхпрочного корда.

pH-метры применяются также для контроля pH хлорированной массы в ваннах после башен хлорирования, pH промытой в ваку­ ум-фильтрах облагороженной массы, pH отбельного щелока, pH массы при ее кисловке и отмывке, pH подсеточных вод бумагоде­ лательных машин и во многих других случаях. Однако надежность pH-метров оставляет желать лучшего.

тельно-восстановительного потенциала в растворе электролита. Потенциал, характеризующий окислительно-восстановительное равновесие, выражается математически таким же образом, как и для обычного электродного потенциала, а измеряется платиновым электродом, инертным относительно окислительно-восстановитель­ ной электролитной среды.

На надежность pH-метров и оксредметров в значительной сте­ пени влияют специфические особенности процессов целлюлознобумажного производства, а также агрессивность окружающей среды в помещениях варочного, отбельного и некоторых других цехов. Часто возникает обрастание электродов минеральным осад­ ком при контроле процессов нейтрализации кислых растворов из­ вестковым молоком, обрастание электродов клеем после подкис­ ления сильно проклеенной бумажной массы глиноземом, биологи­ ческое обрастание электродов на установках биологической очистки сточных вод и т. д. Наблюдается засмоление электродов при контроле процесса хлорирования целлюлозной массы в от­ бельном отделе, покрытие электродов тонкой пленкой масла при производстве таллового масла, покрытие их пеной, образующейся в ходе реакции или при перемешивании растворов, и т. п. В ре­ зультате ухудшается электролитический контакт электродов с рас­ творами и искажаются данные измерения. Не исключены случаи отравления электродов агрессивными средами.

224

Измерители и регуляторы влажности бумаги, картона и цел­ люлозы. При работе бумагоделательной машины очень важно со­ хранить определенную постоянную влажность бумажного полотна, выходящего из сушильной части. То же относится и к процессам производства картона и целлюлозы. Так, при выработке бумаги повышенной влажности резко возрастают обрывы бумажного по­ лотна, в результате чего увеличиваются простои оборудования и снижается производительность бумагоделательных машин. При пересушке бумаги перерасходуются пар и волокнистые материалы. Потребители, получающие бумагу с нестандартной влажностью, или вовсе не могут ее использовать, или выпускают неполноцен­ ную продукцию. Поэтому аппаратура для непрерывного измере­ ния и поддержания постоянной, заранее заданной влажности бу­ мажного или картонного полотна или целлюлозной папки по вы­ ходе из сушильного устройства имеет большое значение.

Для автоматического измерения влажности бумаги, картона или целлюлозы используются косвенные методы, основанные на существовании определенной взаимосвязи между влажностью по­ лотна и другими его физическими свойствами.

В известных влагомерах используются следующие зависимости: а) зависимость диэлектрической постоянной полотна от его

влажности; б) зависимость электрического сопротивления полотна от его

влажности; в) зависимость равновесной влажности полотна от относитель­

ной влажности окружающего воздуха; г) зависимость перепада температур на поверхности бумаж­

ного полотна в зоне сушильного цилиндра от влажности полотна; д) зависимость влажности полотна от расхода пара, потреб­

ляемого контрольным сушильным цилиндром.

Автоматическое регулирование влажности вырабатываемых бумаги, картона или целлюлозы осуществляется посредством из­ менения расхода пара, подаваемого в сушильное устройство.

Измерители массы квадратного метра бумаги, картона, целлю­ лозы. Масса квадратного метра является одним из основных показателей вырабатываемой бумаги, картона или целлюлозы. Автоматическое измерение и регулирование этого параметра осуще­ ствляется, например, бесконтактными радиоизотопными регулято­ рами. Наличие в комплекте регулятора самопишущего электрон­ ного потенциометра позволяет записывать на дисковой диаграмме

лотна положено известное свойство листовых материалов ослаб­ лять поток ß-частиц, проходящий через них, пропорционально их массе. Поток, проходя через листовой материал и попадая в ра­ бочий объем ионизационной камеры, вызывает образование

ионизационного тока, величина которого обратно пропорциональна изменению массы 1 м2 или толщины контролируемого листового материала.

В качестве типового источника радиоактивного излучения ис­ пользован радиоактивный изотоп таллий-204 со сроком годности 4,26 года. При этом диапазон измерения массы составляет 40— 1000 г/м2. Типовой регулятор может быть настроен на следующие пределы измерения: 40—100, 100—250, 250—500 и 500—1000 г/м2.

Общая погрешность измерений при изменении температуры окру­ жающего воздуха в пределах 15—50° С не превышает ±1% от

верхнего предела измерения. Погрешность записи не превышает

± 1,5%.

Все изменения массы листового материала, отнесенные к еди­ нице площади, не зависят от количественного соотношения компо­ нентов (воды, целлюлозы, древесной массы, наполнителей и др.)

изаписываются прибором лишь как общее изменение массы 1 м2.

Вкомплект регулятора (рис. 88) входят первичный измери­ тельный преобразователь с приводом, шкаф электронных блоков, исполнительный механизм и регулирующий орган. Для вывода первичного преобразователя из зоны измерения при обрывах бу­ маги и последующего его ввода в эту зону, а также для отключе­ ния на время простоя генератора импульсов служит соответствую­ щее устройство автоматического управления.

Устройство ввода и вывода первичного преобразователя из зоны измерения представляет собой двутавровую балку 2, по ко­ торой на двух тележках 3 первичный измерительный преобразо­ ватель может перемещаться. Первичный измерительный преобразо-

226