книги из ГПНТБ / Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности учебник

который замыкается при достижении его контролируемым про­ дуктом. При этом срабатывает электромагнитное реле, включа­ ющее соответствующие сигнальные или регулирующие контакты.

Один из типов датчиков представляет собой металлический стержень 2, электрически изолированный с помощью втулки / от корпуса 3. Провода выводятся к клемме 4 через сальниковое уплотнение. Электроды изготовляются из нержавеющей стали, угля, графита, луженой меди и т. п.

Приборы обеспечивают сигнализацию уровня с погрешно­ стью ± 1 0 мм при температуре рабочей среды до 200°С. Воз­ можное удаление вторичных приборов от места установки дат­ чиков до 100 м.

Контактный кондуктометрический сигнализатор может быть использован и для непрерывного измерения уровня, для чего его датчики должны быть снабжены специальной системой ав­ томатического слежения, которая обеспечивает нахождение их на уровне измеряемой среды. Однако подобные приборы не по­ лучили распространения из-за громоздкости и невысокой на­ дежности.

ЕМКОСТНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

Для непрерывного измерения уровня различных материалов и сигнализации о его предельных значениях широко использу­ ются емкостные уровнемеры, представляющие собой электроды,

тродном пространстве датчика, что вызывает изменение его ем­ кости.

Для неэлектропроводных материалов применяются голые электроды в виде стержней, двух коаксиальных цилиндров или параллельных пластин. Для электропроводных материалов эле­ ктроды покрываются слоем изоляции, чаще всего фторопластом.

немера, которая состоит из датчика 1, опускаемого в измеряе­

чатого типа.

Емкостные сигнализаторы уровня по устройству значительно проще емкостных измерителей и представляют собой емкостные реле, срабатывающие при изменении емкости датчика или ем­ кости между Датчиком и поверхностью (уровнем) материала.

Рис. 106. Структурная схема и датчик емкостного уровне­ мера.

срыв генерации генератора высокой частоты, увеличение анод­ ного тока и включение соответствующего реле, связанного с сиг­ нальными устройствами (лампами, сиреной и т.п.).

Выпускается большая номенклатура электрических уровне­ меров-измерителей и сигнализаторов омического и емкостного типов, предназначенных для различных условий эксплуатации и пределов настройки. Большинство из них с успехом эксплуа­ тируются во многих отраслях пищевой промышленности.

§ 5. РАДИОИЗОТОПНЫЕ УРОВНЕМЕРЫ

Радиоизотопные уровнемеры по сравнению с другими типа­ ми приборов являются наиболее универсальными. Они обеспе­ чивают осуществление как дискретного, так и непрерывного контроля уровня; могут использоваться в открытых и закрытых емкостях для любых жидких и сыпучих сред; являются бескон­ тактными, а следовательно, нечувствительными к агрессивности контролируемой или окружающей среды. Точность и стабиль­ ность их показаний не зависит от изменения состояния среды

(температуры, влажности, электропроводности, плотности и дру­ гих физических свойств).

В основу работы радиоизотопных уровнемеров положен прин­ цип регистрации радиоактивного излучения, проходящего через две среды с различными поглощающими свойствами и меняю­ щего интенсивность при перемещении границы раздела этих сред.

Чаще всего используется различие в поглощении ионизирующего излуче­ ния воздухом и измеряемой жид­ костью или сыпучим (кусковым, по­ рошкообразным) материалом.

Основными узлами любых радио­ изотопных уровнемеров являются ис­ точники и приемники излучения. В ка­

Вкачестве приемников — счетчики

цы раздела двух сред и заданному значению. Прибор состоит из источника радиоактивного излучения А и блока счетчиков Б, который представляет собой кожух со смонтированными в нем счетчиками. Счетчики / фиксируют изменение количества Y-KBaH- тов, если граница раздела сред находится ниже или выше за­ данного значения уровня. Импульсы радиоактивного излучения фиксируются при помощи мультивибратора 2 и поступают на измеритель скорости счета 3. Напряжение, вырабатываемое им, усиливается электронным усилителем 4, который управляет сиг­ нальным устройством 5.

Выпускается ряд радиоизотопных индикаторов уровня, обес­ печивающих точность сигнализации в пределах +20 мм при рас­ стоянии между источником излучения и детектором до 6 м.

Радиоизотопные уравномеры, предназначенные для непре­ рывного измерения уровня жидких или сыпучих материалов, представляют собой следящую систему, в которой источник и приемник излучения автоматически перемещаются вслед за из-

менением уровня. Приборы, работающие по такой схеме, пред­ назначены для измерения уровня в диапазоне от 0—2 м до О— 10 м, при этом основная погрешность не превышает ± 0 , 5 — 1 % .

§6. РАДИОВОЛНОВЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

Внастоящее время получили некоторое распространение ра­ диоволновые и акустические (ультразвуковые) уровнемеры, об­ ладающие рядом преимуществ перед другими приборами: бес­ контактностью, высокой точностью, малой инерционностью, воз­ можностью использования в широком диапазоне температур и при наличии агрессивных сред и др. Но из-за сложности измери­ тельных схем и обслуживания, а также недостаточно высокой надежности указанные приборы исполь­ зуются лишь в тех случаях, когда другие устройства для измерения уровня непри­ менимы.

РАДИОВОЛНОВЫЕ

УРОВНЕМЕРЫ

После усиления с помощью усилителя 4 измерительный импульс поступает на показывающий или записывающий прибор 5. При отклонении уровня изменяется расположение стоячих волн отно­ сительно волновода и на введенных в волновод фидерах появля­ ется разность потенциалов, соответствующая изменению уровня.

фазы радиосигнала сверхвысокой частоты, отраженного от из­ меряемой поверхности. Фаза отраженного сигнала

где К— длина волны в свободном пространстве, м; х — измеряемое расстояние, м.

На рис. 109 приведена структурная схема радиоинтерферен­ ционного уровнемера, в котором используется изменение резо­ нансной частоты колебаний электромагнитных волн в сосуде при заполнении его жидкостью, т. е. полым резонатором является сам сосуд. Внутренняя полость сосуда, в котором производится измерение уровня, подключается к измерительному устройству через специальную антенну 1, изготовляемую в виде металличе­ ского штыря или незамкнутого витка, и выполняет роль задаю­ щего контура генератора синусоидальных колебаний 2. Индика­ торная часть 3 представляет собой супергетеродинный приемникусилитель с автоматической настройкой, на выходе которого устанавливается измерительный прибор 4. При изменении уровня происходит разбаланс схемы и появляется сигнал рассогласова­ ния, фаза и амплитуда которого зависят от знака и величины изменения уровня. Этот сигнал управляет вращением электро­ двигателя, связанного с осью переменного конденсатора настрой­ ки и со стрелкой измерительного прибора 4. Конденсатор на­ стройки входит в состав индикаторного устройства 3.

Выпускаются радиоволновые высокочастотные следящие уровнемеры (тип РСУ-60), предназначенные для работы в очень агрессивных средах и обеспечивающие измерение уровня до 8 м при температуре до 100° С и выше. Основная допустимая погреш­ ность измерения ± 2 , 5 % .

АКУСТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ

Акустические, в том числе и ультразвуковые, уровнемеры по­ лучают в настоящее время определенное распространение бла­ годаря высокой точности, не достижимой в других промышлен­ ных приборах. Действие ультразвукового уровнемера (рис. ПО) основано на измерении времени прохождения ультразвукового импульса от дна (или от верхней крышки) сосуда до поверхно­ сти уровня и обратно. Отражение ультразвукового импульса от поверхности раздела воздушной и измеряемой сред происходит вследствие резкого различия величин их акустического сопро­ тивления. Работа схемы протекает следующим образом: ультра­ звуковой измерительный импульс от генератора ультразвуковых колебаний / через излучатель 2 подается в емкость, где произ­ водится измерение уровня. Упругие колебания, распространяясь

в измеряемой среде, доходят до границы раздела сред и отра­ жаются от нее. Отраженная волна проходит среду в обратном направлении, попадает на приемник ультразвуковых колебаний 3, аналогичный излучателю 2, откуда электрический импульс попадает на усилитель 4, счетное устройство интервалов времени

5 и измерительное устройство

6. Таким образом, уровень раз­ дела сред определяется по вре­ мени от момента посылки из­ мерительного импульса до по­ лучения обратного импульса ультразвуковых колебаний.

Часто излучателем и при­ емником ультразвуковых колебаний служит одно и то же устройство, в начале цикла из­ мерения работающее как из­

лучатель, а затем, после посылки импульса, переключающееся на работу как приемник. В качестве излучателей применяются эле­ менты из титаната бария, пьезокварцевые, магнитострикционные и др.

Ультразвуковые уровнемеры имеют очень широкий диапазон измерения — от 45 мм (от дна сосуда) до нескольких десятков метров. Температура контролируемой среды от —50 до +200° С.

§7. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УРОВНЕМЕРОВ

ВПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Впищевой промышленности для измерения уровней широко используются общепромышленные приборы, при выборе которых

следует исходить из конкретных требований, предъявляемых к ним со стороны технологических процессов, в первую очередь по точности, надежности, удобству обслуживания и условиям эксплуатации. Поплавковые и буйковые уровнемеры, например, не могут использоваться для контроля быстрокристаллизующихся жидкостей, липких и вязких продуктов. При необходимости применения таких приборов следует предусматривать возмож­ ность их быстрой безразборной мойки, а иногда и автоматической

риодически удалять отлагающийся винный камень. В ряде слу­ чаев, когда контроль уровня не может быть осуществлен с по­ мощью общепромышленных приборов, разрабатываются и изготовляются специальные уровнемеры, предназначенные для конкретных условий измерения и эксплуатации.

Весьма эффективными в пищевых производствах являются электронные сигнализаторы уровня, которые с успехом исполь­ зуются для сигнализации предельных уровней (максимальных и минимальных) различных продуктов, в том числе и штучных, таких, как нарезанные кабачки, баклажаны, перец, лук, кабач­ ковая и баклажанная икра, соко-стружечная смесь в сахарном производстве, паста Д Н С в производстве синтетических моющих средств и т. п.

В ряде случаев поплавки для механических уровнемеров из­ готовляются из пластмасс.

Весьма эффективными для измерения уровня быстрокристаллизующихся жидкостей (сахарные растворы, виноматериалы и т. п.) являются пьезометрические пневматические уровнемеры, для использования которых, однако, требуется чистый сжатый воздух низкого давления (до 20 к П а ) . В хлебопекарной про­ мышленности достаточно хорошо зарекомендовали себя мем­ бранные сигнализаторы уровня, применяемые для контроля уровня муки, опары, теста и др., но для чистки чувствительной

.мембраны к ней должен быть обеспечен быстрый и легкий до­ ступ.

Перспективными для пищевой промышленности являются бес­ контактные уровнемеры — радиоволновые, ультразвуковые и радиоизотопные. Во многих случаях только они могут обеспечить надежное измерение уровня в закрытых емкостях, находящихся под высоким давлением, например в крупных железобетонных емкостях для хранения виноматериалов и т. п. Следует ожидать, что бесконтактные приборы и устройства для контроля уровня будут находить все более широкое применение.

ГЛАВА V I I I

ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

§ 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Газоаналитические приборы представляют собой измеритель­ ные устройства, предназначенные для получения информации о значении концентрации измеряемого компонента или суммы компонентов в анализируемой газовой смеси. Комплект, состоя­ щий из датчика состава газа и измерителя выходного сигнала датчика (вторичного прибора), называется г а з о а н а л и з а т о ­ р о м .

Газоаналитические приборы широко используются практиче­ ски во всех отраслях промышленности и научных исследованиях. В пищевой промышленности газоанализаторы применяются для анализа топочных газов при сжигании топлива, для контроля

состава газовых сред в пекарных и сушильных камерах, концен­ трации сернистого, углекислого и других газов, подаваемых в хо­ де многих технологических процессов виноделия, сахарного, кукурузокрахмального производства и др., а также для контроля концентрации предельных значений в пожаро- и взрывоопасных производствах и в помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья обслуживающего персонала. Например, содержание SO2 в газе, используемом в кукурузокрахмальном производстве, должно быть не ниже 12—14%, а в отходящих газах — не выше 0,25%.

Процесс брожения хлебного теста может контролироваться по объему образовавшегося углекислого газа из пробы продукта

вляться контроль за созреванием пива, процессом шампаниза­

вследствие многообразия анализируемых газовых смесей и раз­ личных требований, предъявляемых к избирательности, чувстви­ тельности, точности и воспроизводимости измерений. В совре­ менных газоанализаторах широко используются самые разно­ образные методы анализа (включая простейшие химические

реакции поглощения), а также новейшие достижения в области оптики, электроники, ультразвука, ядерного магнитного резо­ нанса и т. п.

В комплект газоаналитических приборов, кроме датчика и из­ мерителя выходных сигналов входит, как правило, ряд вспомо­ гательных узлов, обеспечивающих нормальную работу устройст­ ва в целом. Основными вспомогательными узлами являются приспособления для отбора, очистки, транспортирования и под­ готовки к анализу проб газовой смеси.

По функциональному назначению автоматические и полуав­ томатические газоанализаторы подразделяются на две большие группы: лабораторные и промышленные; по режиму работы — на непрерывные и циклические (эпизодические). Кроме того, газоанализаторы различаются по количеству анализируемых компонентов. В зависимости от принципа действия (метода ана­ лиза) газоанализаторы подразделяются на механические, теп­ ловые, магнитные, электрохимические, оптические, звуковые и ультразвуковые, ионизационные.

Как правило, шкалы газоаналитических приборов градуиру­ ются в объемных процентах концентрации анализируемого ком­ понента в газовой смеси, а также в объемных или массовых долях определяемого компонента в анализируемой смеси. Вы­ пускаются приборы классов точности от 1 до 10. Приборы, пред­ назначенные для анализа микро- и ультрамикроконцентраций, могут также выпускаться классов 15 и 20.

§2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Кэтой группе относятся газоанализаторы, основанные на ис­ пользовании химических реакций, центробежные, диффузионные

инекоторые другие. Наибольшее распространение получили газо­ анализаторы, в которых используются различные химические реакции и связанные с ними изменения объема или давления ана­ лизируемой газовой смеси. Эти газоанализаторы достаточно ши­ роко применяются в пищевой промышленности, где чаще всего используются как переносные для разовых эпизодических изме­ рений при наладке и пуске технологических агрегатов, контроль­ ных замерах и т. п.

Сущность метода с использованием химических реакций за­ ключается в том, что из определенной порции газовой смеси удаляется анализируемый компонент и его содержание опреде­ ляется по уменьшению объема анализируемой порции газовой смеси. При этом обычно применяется один из трех методов:

1.Метод поглощения (абсорбции), основанный на уменьше­ нии объема при избирательном поглощении анализируемого компонента химическими реактивами. Так, например, при про­ пускании газа через раствор едкого кали последний полностью поглощает углекислый газ, согласно реакции

С 0 2 -+ 2 К 0 Н = К 2 С 0 3 + И 2 0 .

2. Метод дожигания, основанный на уменьшении объема при сжигании горючих компонентов. Этим методом может быть оп­ ределено содержание кислорода, пропускаемого через печь в сме­ си с водородом,

0 2 + 2 Н 2 = 2 Н 2 0 .

Образовавшиеся при сгорании водяные пары конденсируются, а уменьшение объема равно трехкратному содержанию кисло­ рода в анализируемой газовой смеси.

3. Комбинированный метод, представляющий собой совокуп­ ность метода дожигания с последующим избирательным погло­ щением. Например, определение окиси углерода в газовой смеси состоит в дожигании ее в печи с температурой около 300° С в при­ сутствии катализатора

2 С О + 0 2 = = 2 С 0 2 .

После дожигания газ пропускается через раствор едкого ка­ ли, который поглощает образовавшуюся углекислоту. В этом случае уменьшение объема равно полуторному содержанию СО.

Имеется ряд конструкций переносных химических газоанали­ заторов, предназначенных для анализа определенных компонен­ тов газовых смесей. Кроме того, выпускаются и используются автоматические газоанализаторы, в которых операции отбора проб, пропускания их через поглощающие реактивы, измерения уменьшения их объема и т. п. осуществляются автоматически.

При определении содержания горючих компонентов, для которых отсутствуют соответствующие поглотители (Нг, СН4 , СО и др.), к отмеренному в измерительном .сосуде объему газа до­ бавляется определенный объем кислорода или воздуха. Смесь пропускается через дожигательную печь, где горючие компонен­ ты сгорают. Образовавшиеся при сгорании углекислота и водя­ ной пар поглощаются в поглотительном или конденсационном сосуде. Потеря объема после поглощения определяет содержа­ ние горючего компонента.

§ 3. ТЕПЛОВЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Тепловые газоанализаторы получили весьма широкое распро­ странение для промышленного газового анализа благодаря тому, что обеспечивают непрерывность измерения, не требуют боль­ шого количества газовой пробы, точность их практически не за­ висит от давления анализируемой газовой смеси. В пищевой про­ мышленности эта группа приборов является наиболее распрост­ раненной и применяется как для контроля за сжиганием топлива, так и для контроля состава газовых технологических сред (в са­ харном производстве, виноделии, пивоварении и других от­ раслях).