книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

светового потока. Свет от источника 1 проходит через окно 2

ипопадает в измерительную камеру 5. Часть света проходит через окно 3, а часть отражается взвешенными в потоке частицами

ипроходит через окно 4.

8 IS­ IS 9

14

'ч— 4

Рис. 235. Схема нефелометра, работаю­ щего по принципу измерения интенсив­ ности рессеянного светового потока:

фотоэлемент; 14 — электронный усилитель; 15 — реверсивный дви­ гатель; 16 — компенсационная заслонка

Световой поток, пропущенный исследуемой средой, сравни­ вается со световым потоком, рессеянным взвешенными в среде частицами. Световые потоки поочередно прерываются обтюра­ тором 6, приводимым во вращение электродвигателем. Выравни­ вание световых потоков производится с помощью компенсацион­ ной заслонки 16, которая связана со стрелкой вторичного при­ бора.

Глава XXVIII

Методы измерения концентрации растворов по величине температурной депрессии и давлению насыщенных паров

Метод измерения концентрации растворов по величине темпе­ ратурной депрессии получил распространение для контроля процессов выпаривания. Температурной депрессией называется разность температур кипящего раствора и насыщенного водя­ ного пара при данном давлении. Функциональная зависимость величины температурной депрессии от концентрации кипящего раствора близка к линейной,

320

Для измерения температурной депрессии используются два термометра сопротивления, из которых один контролирует тем­ пературу кипящего раствора, а второй — температуру конден­ сирующего пара. При изменении давления в выпарном аппарате температура кипения раствора и температура конденсации пара изменяются приблизительно на одинаковую величину. Следова­ тельно, разность этих темпаратур характеризует концентрацию раствора независимо от колебаний давления в выпарной установке.

Термометры сопротивления могут быть включены в схему двойного автоматического моста (рис. 236). Термометр Rt, вклю­ чается в мост /, образованный постоянными сопротивлениями R1,

подается на вход электронного усилителя ЭУ, к выходу которого подключен реверсивный двигатель РД. В зависимости от вели­ чины и знака сигнала рассогласования AU реверсивный двига­ тель перемещает движок реохорда до уравновешивания схемы. Положение движка реохорда и связанной с ним стрелки прибора в момент равновесия характеризует концентрацию раствора.

Метод анализа бинарных растворов по давлению насыщенных паров основан на зависимости упругости паров бинарной жидкости от соотношения ее компонентов. При постоянной тем­ пературе упругость паров р над идеальным бинарным раствором определяется уравнением

упругостью паров контролируемого и эталонного растворов Ар, которая при одинаковой температуре равна

Ар = kxa — т,

где k и т — величины постоянные.

Таким образом, величина Ар однозначно определяется содер­ жанием компонента А в анализируемом растворе.

На рис. 237 приведена принципиальная схема автоматического анализатора. Чувствительным элементом преобразователя служит сильфон 1, частично заполненный эталонным раствором, который находится в равновесии со своей

сигнала усилителем 6 он поступает на выход к вторичному при­ бору S и в сильфон обратной связи 7.

Изменение усилия сильфона обратной связи компенсирует воздействие чувствительного элемента на рычажный механизм, вызванное изменением состава контролируемого раствора. (Таким образом, изменение состава раствора преобразуется в пропорцио­ нальное изменение давления сжатого воздуха.

Автоматические анализаторы этого типа применяются при кон­ троле чистоты продуктов, получаемых на ректификационных установках.

Глава XX IX

Радиоизотопный метод анализа

Основное преимущество радиоизотопного метода — бесконтактность измерения. Это облегчает анализ агрессивных и весьма вязких жидкостей, а также жидкостей при высоких темпе­ ратурах и давлениях.

В радиоизотопных анализаторах жидкости обычно используется Р- и мягкое у-излучение. Мягким считается у-излучение с энергией примерно до 100— 150. кэВ.

322

Интенсивность J энергетически однородного пучка у-лучей, прошедшего через слой жидкости толщиной х и плотностью р, описывается следующим соотношением:

ляется суммарным действием фотоэффекта и комптоновского рас­ сеяния. При достаточно малых энергиях излучения основную

k — коэффициент пропорциональности.

Величина коэффициента k скачкообразно изменяется при пере­ ходе Еу через значения, соответствующие энергиям связи электро­ нов на оболочках атома. Зависимость рф от Z весьма резка. Она может быть использована для аналитического различения элемен­ тов с достаточно отличающимися друг от друга атомными номе­ рами. Если анализируемая среда состоит из суммы относительно легких элементов со средним коэффициентом ослабления рфБ и тяжелого контролируемого элемента А, то массовый коэффи­ циент фотоэлектрического поглощения имеет вид

Е ф = Е ф А ^ А + Р ф Б (1 — Са ) = Р ф в + (Р ф А — И 'фв) 0 а >

Зная плостность р и толщину слоя жидкости х и измерив интенсивность J , можно определить искомое СА. Примеры таких задач — определение серы в нефтепродуктах, хлора в хлорорга- -нических жидкостях и др.

На рис. 238 приведена функциональная схема автоматического анализатора жидкости (типа АЖС-1). В приборе реализован ком­ пенсационный метод измерения.

Излучение от двух источников 1 (изотопы Fe55), прерываемое обтюратором 9, проходит попеременно через рабочий и сравни­ тельный каналы прибора. В рабочем канале расположена кю­ вета 2 с проточной контролируемой жидкостью, в сравнительном— компенсационный полиэтиленовый клин 3. Ослабленные в равной степени потоки поступают на один сцинтилляционный детектор 4 —

/ — источник мягкого 7-излучения; 2 — проточная кювета с ана­ лизируемой жидкостью; 3 — компенсационный клин; 4 — сцинтил­ ляционный детектор; 5 — усилительное устройство! 6 — реверсив­ ный двигатель; 7 — вторичный прибор; 8 — заслонка установки

" нуля; 9 — обтюратор

лятором. Импульсы напряжения с выхода ФЭУ поступают на усилительное устройство 5, где они усиливаются по мощности и по амплитуде, декриминируются и интегрируются. Величина и фаза сигнала на выходе усилительного устройства определяются величиной и знаком разности Jpa6 — Jcpав, где / раб и 7срав — интенсивности потоков излучения, прошедших соответственно через рабочий и сравнительный каналы. С усилительного устрой­ ства сигнал поступает на реверсивный двигатель 6, кинематически связанный с компенсационным клином 3 и вторичным прибором 7. В зависимости от фазы сигнала реверсивный двигатель переме­ щает клин в определенном направлении до тех пор, пока интен­ сивности потоков в обоих каналах не уравниваются, после чего сигнал обращается в нуль.

Положение компенсационного клина является мерой концент­ рации контролируемого компонента. Нулевая точка шкалы уста­ навливается заслонкой 8. Диапазон шкалы регулируется вели­ чиной хода компенсационного клина.

При использовании в анализаторах жидкости (3-излучения возможны два способа измерения :— ослабления жидкостью пучка (3-частиц и его отражения. Первый способ основан на измерении

324

интенсивности p-излучения, прошедшего через анализируемую среду, второй — на измерении интенсивности P-излучения, отра­ женного анализируемой средой. При втором способе радиоактив­ ный источник и детектор излучения устанавливаются и экрани­ руются так, чтобы прямое излучение в детектор не попадало.

Ослабление пучка р-частиц при его прохождении через слой веществ описывается зависимостью

о

нент, для которого отношение -j- существенно отличается от ана-

логичных отношений, характеризующих другие компоненты жидкости, то измерив Nx, можно определить содержание этого компонента. Если все компоненты жидкости поглощают р-излу- чение примерно одинаково, то, измерив Nx, можно из уравнения (230) определить плотность жидкости.

Отражение P-излучения элементом с атомным номером Z можно описать уравнением N0TP = N 0kZ, где N 0TP — число р-частиц, отразившихся от жидкости; k — коэффициент пропор­ циональности, постоянный в пределах одного периода периоди­ ческой системы.

Для химических соединений или смесей различных элементов

325

Итак, интенсивность P-излучения, отраженного жидкостью описывается выражением

N о тр N 0kz^.

На основе этого выражения возможен анализ бинарных жидкостей и жидкостей, в которых есть компонент с атомным номером, существенно отличным от мало различающихся атом­ ных номеров остальных компонентов.

Использование р- и у-излучений позволяет также создать анализаторы состава жидкостей, состоящих из трех и более ком­ понентов.

Решение этой задачи можно обеспечить различными спосо­ бами. Для анализа трехкомпонентных жидкостей можно исполь­ зовать, например, совместное измерение ослабления и отражения пучков Р-частиц, так как эти эффекты различно зависят от состава вещества. Можно воспользоваться измерением поглощения двух пучков мягкого у-излучения с достаточно различными энергиями Еу. В обоих этих случаях результаты измерений описываются следующей системой уравнений:

искомые концентрации. Практически важен случай, когда изме­ няющаяся плотность трехкомпонентной жидкости — неоднознач­ ная функция ее состава (например, хлорганические соединения, нефтепродукты с примесью серы). Для полного описания таких сред нужна система из четырех уравнений. Эту систему можно получить, производя совместное измерение ослабления и отра­ жения пучка р-частиц и ослабления пучка мягких у-лучей.

В большинстве задач технологического контроля диапазоны измерения концентраций компонентов малы. Это позволяет линеа­ ризовать уравнения связи измеряемых интенсивностей излуче­ ний с составом среды. В этих условиях решение систем уравнений относительно интересующих компонентов выражается линейной комбинацией измеряемых интенсивностей. Например, решение системы из четырех линейных уравнений относительно Сх можно

326

На рис. 239 предс!авлена схема радиоизотопного анализатора типа «Омега», в котором для анализа жидкостей использованы (3- и у-излучения. Прибор содержит три измерительных канала и один сравнительный. В каждом из измерительных каналов расположены радиоизотопные излучатели, проточные кюветы и ионизационные камеры. В ионизационной камере 3 детектируется |3-излучение источника 1, прошедшее через жидкость в кювете 2; в ионизационной камере 6 — мягкое у-излучение источника 4, прошедшее через жидкость в кювете 5; в ионизационной камере 9

Рис. 239. Функциональная схема анализатора'типа'«Омега»:

1, 4, 7, 13 — источники радиоактивного излучения; 2, 5, 8 — про­ точные кюветы с анализируемой жидкостью; 3, 6, 9, 14 — иониза­ ционные камеры; 10, 11, 12 — регулировочные заслонки для на­ стройки прибора на контролируемый компонент; 15 — усилитель; 16 — вторичный прибор; 17 — заслонка установки нуля

детектируется (3-излучение источника 7, отраженное жидкостью в кювете 8. Настройка прибора на определение контролируемого компонента производится заслонками 10, 11 и 12, регулирующими соотношение между интенсивностями излучения так, чтобы иони­ зационные токи камер стали пропорциональны членам уравнения (231). Знаки при суммировании ионизационных токов в соответ­ ствии с уравнением (231) обеспечиваются определенной поляр­ ностью напряжения на электродах камер.

Сравнительный канал, включенный по отношению к измери­ тельным каналам дифференциально, состоит из источника излу­ чения 13 и ионизационной камеры 14. Его основное назначение —■ снижение зависимости положения начальной точки шкалы при­ бора от влияния внешних условий (т. е. от влияния давления и температуры на камеры) и распада радиоактивных источников. В начальной точке шкалы сигнал в сравнительном канале равен по величине и противоположен по знаку суммарному ионизацион­ ному току измерительных каналов. При этом автоматически учи­

327

тывается свободный член уравнения (231). Суммарный иониза­ ционный ток камер, поступающий в усилитель 15 непосредственно, пропорционален концентрации контролируемого компонента. На­ личие в уравнении (231) коэффициента А при измеряемой концент­ рации С]I учитывается при градуировке прибора.

Глава X X X

Плотномеры для жидкостей

Плотность характеризует качество и однородность вещества. Приборы для автоматического измерения плотности составляют весьма важный элемент в комплексной автоматизации целого ряда процессов в химической промышленности. Так, например, контроль и управление работой выпарных установок, абсорберов, дистилляционных и ректификационных аппаратов и т. п. тре­ буют непрерывного измерения плотности. Иногда плотность про­ изводственных жидкостей измеряется с целью определения кон­ центрации растворенного вещества.

Плотностью называется отношение массы тела к его объему, т. е.

где т и V — соответственно масса и объем тела.

Единицей плотности в Международной системе единиц (СИ) является кг/м3.

Плотность жидкостей зависит от температуры. Температурная зависимость плотности приближенно выражается формулой

р / = р И 1 - Р ( * - Щ ,

где р; — плотность жидкости при рабочей температуре;

рf — плотность жидкости при некоторой температуре, отлич­ ной от рабочей;

Р — средний коэффициент объемного теплового расширения жидкости в интервале температур от t до Г.

Принято указывать плотность жидкостей при нормальной тем­ пературе (20° С). Плотность при нормальной температуре подсчи­

Наибольшее применение из плотномеров для измерения плот­ ности жидкостей получили поплавковые, весовые, гидростати­ ческие и радиоизотопные.

328

§ 82* П оплавковы е плотномеры

В основе работы поплавковых плотномеров лежит закон Архи­ меда. Поплавковые плотномеры бывают с плавающим поплавком и с полностью погруженным поплавком. В приборах первого типа (ареометры постоянного веса) мерой плотности жидкости

материалов и применен для измерения плотности агрессивных жидкостей.

На рис. 241 показана принципиальная схема плотномера с полностью погруженным поплавком, в котором применен пнев­ матический преобразователь. Под действием перепада давления, создаваемого вентилем или другим сужающим устройством, жидкость по трубе 13 поступает через кольцевой распредели­ тель в измерительную камеру У и по отводным патрубкам через трубу 14 в трубопровод. Такое направление движения жидкости устраняет действие скорости потока на поплавок 2. Поплавок насажен на конце коромысла 3, которое проходит через уплотни­ тельный сильфон 10 и установлено в шарикоподшипниках. Ко­ ромысло уравновешивается противовесом 11, отрегулированным

3 2 9