книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

Калибровать шкалу титратора рекомендуется по результатам параллельного лабораторного анализа. В этом случае не тре­ буется знать дозируемый объем исследуемого продукта и его удельный вес при данной температуре, а также точный титр стан­ дартного раствора.

Конструктивно автотитратор АТ-2 состоит из трех блоков: титровального стенда, электронного блока и вторичного прибора. На рис. 186 приведены общие виды двух первых блоков.

Автоматический тптратор подобного типа может быть исполь­ зован для большого числа сходных анализов, которые могут быть сведены к потенциометрическому титрованию.

§ 6. Копцен гратомеры, основанные на измерении электропроводности растворов (кондуктометры)

Для измерения концентрации растворов широкое распростра­ нение получили приборы, основанные на измерении электропро­ водности. При этом используется зависимость электропроводности от концентрации вещества в растворе. На рис. 187 приведена кри­ вая зависимости электропроводности от концентрации водных

кнулю.

Вбольшинстве случаев метод электропроводности применяется

для измерения небольших концентраций, при этом используется восходящая ветвь кривой, характеризующая линейную и одно­ значную зависимость.

Большое преимущество производственных концентратомеров (кондуктометров) по сравнению с автоматическими титраторами — их простота. Кондуктометр состоит из измерительной ячейки, в которой находятся электроды, погружаемые в измеряе­ мый раствор, и вторичного прибора, измеряющего электропро­ водность раствора (сопротивление между электродами). По прин­

391

ципу действия кондуктометры удобны для непрерывных измере­ ний в производственных условиях.

Кондуктометры не имеют дозаторов; датчики (измерительные ячейки) представляют собой простые и прочные конструкции. В качестве вторичных приборов часто используются стандартные приборы (электронные мосты и потенциометры). Обслуживание кондуктометров обычно не вызывает трудностей, проверка и на­ ладка просты.

Вместе с тем кондуктометры значительно уступают титраторам в части универсальности использования и точности показаний. Методика позволяет применять кондуктометры не во всех случаях измерения концентрации. Электропроводность определяется сум­ мой содержащихся в растворе веществ, поэтому судить о со­ держании какого-либо одного вещества при наличии других можно только в том случае, если количество этих веществ посто­ янно и не превосходит значительно количества определяемого вещества. Следовательно, судить о концентрации какого-либо ве­ щества в растворе по электропроводности можно в том случае, если между концентрацией этого вещества и электропровод­ ностью имеется вполне определенная зависимость. Практически это, как правило, ограничивает область применения кондукто­ метров. Они могут быть использованы лишь для определения какого-либо одного вещества и суммарного количества веществ, содержащихся в растворе.

Электропроводность растворов сильно зависит от их темпера­ туры: с повышением температуры возрастает подвижность ионов, что увеличивает электропроводность. Зависимость эта нелиней­ ная и составляет обычно около 2% на 1° С. Такое сильное влия­ ние температуры на электропроводность требует либо стабилиза­ ции температуры в измерительной ячейке, либо применения тем­ пературных компенсаторов различных видов.

При измерении электропроводности растворов, которое сво­ дится к измерению омического сопротивления измерительной электролитической ячейки, возникают трудности, связанные с особенностями прохождения электрического тока через раствор. Избежать же этого нельзя.

Прохождение тока через измерительную ячейку вызывает электролиз раствора и выделение на электродах продуктов раз­ ложения (газов). Это вызывает поляризацию электродов. Чтобы ослабить поляризацию при измерении электропроводности, как правило, пользуются переменным током. Однако значительно ослабить это явление удается только при частоте питающего тока 1000 гц и выше, что в автоматических приборах связано с услож­ нением схемы. Ослаблению поляризации способствуют уменьше­ ние силы тока, пропускаемого через измерительную ячейку, и изготовление электродов из материалов, уменьшающих поляриза­ цию (платинированная платина, уголь).

Вследствие поляризации электродов измерительная ячейка как элемент электрической цепи характеризуется своеобразным

392

свойством: имеет не только активное (омическое) сопротивление, но и реактивное (емкостное). Эквивалентная схема измерительной электролитической ячейки представляет собой омическое сопро­ тивление и два конденсатора, один из которых включен последо­ вательно сопротивлению, а другой — параллельно. Вследствие этого полное сопротивление измерительной ячейки, которое фик­ сируется измерительными приборами, не равно омическому (это в ряде случаев увеличивает нелинейность шкалы) и в цепи, кото­ рая содержит измерительную электролитическую ячейку, про­ исходит сдвиг фаз между током и напряжением, что затрудняет измерение сопротивления ячейки (понижается чувствительность мостовых схем).

В производственных концентратомерах для измерения сопро­ тивления ячейки целесообразно применять стандартные элек­ тронные мосты переменного тока нли аналогичные им приборы. В этом случае измерительная ячейка включается в одно из плеч уравновешенного моста, питаемого переменным напряжением сети (50 гц). Сдвиг фаз в плече с измерительной ячейкой приводит к тому, что переменное напряжение небаланса, снимаемое с диаго­ нали моста и подаваемое на вход электронного усилителя нульиндикатора прибора, также оказывается не в фазе с напряжением сети. Это и вызывает потерю чувствительности электронного нульиндикатора.

Этот недостаток мостовых схем кондуктометров устраняется несколькими способами. Одними из них сводится к минимуму сдвиг фаз между напряжением, питающим мост, и напряжением небаланса и тем самым уменьшается сдвиг фаз между током и на­ пряжением в плече с измерительной ячейкой. Другими способами достигается та же цель, но путем введения реактивной составляю­ щей в плечо моста, смежное с плечом, содержащим измерительную ячейку. Применяются способы, устраняющие чувствительность электронного нуль-индикатора прибора к сдвигу фаз.

Для уменьшения сдвига фаз между током и напряжением в цепи измерительной ячейки уменьшают поляризацию электродов и увеличивают омическое сопротивление ячейки путем уменьше­ ния концентрации измеряемого раствора и увеличения расстояния между электродами. Увеличение омического сопротивления умень­ шает сдвиг фаз, так как реактивная составляющая сопротивления с изменением концентрации и расстояния между электродами изменяется незначительно, сдвиг фаз зависит от отношения вели­ чин активной и реактивной составляющих сопротивления ячейки.

Практически установлено, что при омическом сопротивлении ячейки 1—2 ком сдвиг фаз между током и напряжением не пре­ вышает 5—10°, что не отражается заметно на чувствительности электронных нуль-инднкаторов. Такие величины омического со­ противления ячейки легко достигаются при небольших концен­ трациях измеряемого раствора (приблизительно 1 г/л). Прн более значительных концентрациях подобная задача для производствен­ ных условий сложна. Чтобы получить достаточно большое оми­

393

ческое сопротивление измерительной ячейки при значительной концентрации раствора, датчик должен представлять собой длин­ ную трубку незначительного сечения, выполненную из изоляцион­ ного материала. В этой трубке на расстоянии в несколько десят­ ков сантиметров должны быть расположены электроды небольших размеров. Очевидно, что такой датчик может быть использован лишь в лабораторных условиях.

Датчики производственных концентратомеров конструктивно чаще всего выполняются либо в виде двух коаксиальных цилинд­ ров, либо в виде стержня, являющегося одним из электродов, расположенного по оси цилиндрического корпуса датчика, кото­ рый является вторым электродом, либо в виде двух колец и т. д.

Подобными конструкциями преследуются следующие цели: до­ стижение большой механической прочности, малое сопротивление потоку жидкости и устранение засорения датчика. Однако эти конструкции препятствуют получению больших величин сопро­ тивления измерительной ячейки.

Поэтому производственные кондуктометры, как правило, имеют измерительные схемы или нуль-индикаторы, в которых устра­ няется или ослабляется влияние сдвига фаз в цепи измерительной ячейки на работу прибора.

На рис. 188 приведена схема уравновешенного моста перемен­ ного тока для измерения электропроводности. Нуль-индикатор НИ здесь обычный, но конденсатор С, шунтирующий сопротивление R плеча, смежного с измерительной ячейкой Э, устраняет сдвиг фаз между напряжением, питающим мост, и напряжением не­ баланса. Разумеется, такой схемой устраняется сдвиг фаз только при одном значении сопротивления измерительной ячейки. Ем­ кость конденсатора С выбирают такой, чтобы сдвиг фаз отсутство­ вал при значениях электропроводности, соответствующих сред­ нему участку шкалы кондуктометра.

На рис. 189 приведена схема нуль-индикатора мостовой схемы, который не реагирует (в известных пределах) на фазу переменного напряжения небаланса. Входная часть нуль-индикатора предста­

394

вляет собой конденсаторную схему с вибратором Вб, остальная часть его не отличается от схем электронных усилителей потенцио­ метров и мостов. В основном эта схема повторяет схему конден­ саторного вибропреобразователя; она может работать при пита­ нии моста постоянным напряжением. Однако схема действует ■ при переменном напряжении небаланса, причем фаза этого на­ пряжения не влияет на фазу переменного напряжения сетки I каскада, которая определяется только работой вибратора, как и в схеме преобразования. Правда, фаза переменного напряжения небаланса влияет на степень зарядки рабочего конденсатора, однако это не отражается существенно на чувствительности при­ бора, если сдвиг фаз не превосходит определенной величины (30-40°).

Рис. 190. Схема неуравновешенных мостов для измерения электропровод­ ности.

а — с выпрямителями в измерительной диагонали; б —с выпрямителями в плечах моста.

Часто в кондуктометрах применяют схемы неуравновешенных мостов переменного тока. Несмотря на то, что показания прибора зависят от питающего напряжения, схема неуравновешенного моста удобна тем, что выходное напряжение его выпрямляется и фазочувствительный нуль-индикатор заменяется прибором, измеряющим постоянный ток. Сдвиг фаз в мостовой схеме на чув­ ствительность прибора не влияет.

На рис. 190 приведены две схемы подобного рода. На рис. 190, а в измерительную диагональ неуравновешенного моста включен магнитоэлектрический прибор р,А последовательно с полупровод­ никовым выпрямителем Bi. Цепь с выпрямителем Вг уравнивает нагрузки измерительной диагонали для обоих полупериодов переменного напряжения. Недостаток схемы — малая чувстви­ тельность при небольших разбалансах моста, что является след­ ствием нелинейности характеристики полупроводниковых выпря­ мителей в области малых токов.

Этот недостаток устранен в схеме рис. 190, б. Здесь выпрями­ тели включены непосредственно в плечи моста. В этом случае используется прямолинейный участок характеристики выпрями­ телей, так как они все время пропускают ток большой величины. Каждое плечо с выпрямителями состоит из двух ветвей. В каждую ветвь включен выпрямитель в разных направлениях, чем дости­

395

Г л а в а XII

ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ МАЛЫХ РАСХОДОВ (РОТАМЕТРЫ)

§ 1. Принцип действия

Датчиком электронного регулятора малых расходов (электрон­ ного ротаметра) является ротаметр — прибор, служащий для из­ мерения расхода жидкости или газа.

Ротаметр состоит из конусной трубки, расположенной вер­ тикально узким концом вниз. Внутри трубки находится попла­ вок — ротор (рис. 192). Когда через трубку снизу вверх пропускается поток жидкости или газа, по­ плавок увлекается этим потоком вверх до такой высоты, па которой устанавливается равновесие между весом поплавка п силой, с которой на попла­ вок давит снизу поток. Вес поплавка всегда постоя­ нен, а сила давления потока на поплавок умень­ шается с подъемом поплавка, так как увеличивается зазор между стенками трубки и поплавком. При этом уменьшается перепад давлений до и после по­ плавка. В момент равновесия перепад давлений всегда равен весу поплавка, поделенному па пло­

при наличии потока жидкость, протекая по ним, вращает поплавок и центрирует, вследствие чего поплавок не касается стенок трубки. Благодаря отсутствию трения поплавок реагирует на малейшие изменения величины расхода. Чем выше поднимается поплавок в трубке, тем, следовательно, больше расход жидкости или газа. Когда расход постоянен, поплавок вращается на одном уровне. Трубки ротаметров обычно делаются стеклянными, деления

397

шкалы накосятся прямо на стекле, и расход отсчитывается по тому делению шкалы, против которого установился верхний край поплавка.

В электронных ротаметрах перемещение поплавка передается на вторичный прибор при помощи электрической индукционной системы.

§ 2. Электронный регулятор малых расходов типа ЭР11Р-2

Устройство и принцип работы. Электронный регулятор малых расходов состоит из датчика, вторичного прибора с пневматиче­ ским регулирующим устройством и регулирующего клапана типа ПРИ. Вторичный прибор регулятора показывает и реги­ стрирует лишь отклонение расхода от заданной величины, которая устанавливается на датчике. В этом его особенность. Измеритель­ ная схема регулятора приведена выше (см. рис. 128).

Измерительным элементом регулятора является ротаметр с ко­ нусной трубкой, внутри которой под действием потока жидкости во взвешенном состоянии вращается поплавок. Положение по­ плавка изменяется в зависимости от изменения скорости проте­ кающей жидкости. Пневматическая регулирующая система на­ страивается так, чтобы регулирующий клапан изменял расход и перемещал поплавок ротаметра в середину катушек датчика.

Когда поплавок расположен точно в середине катушек, дви­ жок реохорда i?p находится в среднем положении, а указываю­ щая стрелка и перо регистрирующего устройства стоят на нуле­ вых отметках шкалы и дисковой диаграммы *. В этом положении регулирующая пневматическая система (при нормальном поло­ жении задатчика) не изменяет давления воздуха, подаваемого к регулирующему клапану. Изменение положения поплавка вызывает нарушение баланса измерительной системы, вследствие чего на входе электронного усилителя появляется напряжение небаланса, которое управляет вращением реверсивного двига­ теля. Двигатель перемещает движок в новое положение баланса, чему соответствует другое положение указывающей стрелки и пера. Стрелка и перо в этот момент будут отмечать отклоненпе рас­ хода от заданного значения в процентах от установленной вели­ чины. Смещение пера от нулевого деления вызовет перестановку механизмов регулирующей пневмосистемы, в результате чего изменится давление воздуха к регулирующему клапану и пере­ местится плунжер. Затем расход начнет изменяться так, что по­ плавок ротаметра займет опять среднее положение в катушке датчика.

Следовательно, регулятор приводит расход к определенной величине, соответствующей положению поплавка в середине катушек датчика. При смещепип катушек датчика относительно трубки величина регулируемого расхода будет другой. На дат­ чике укреплена шкала, проградуированная в единицах рас-1

1 Нулевые деления находятся на серединах шкалы и диаграммы.

хода (л/час), по которой передвигается стрелка-указатель, при­ крепленная к корпусу катушки. Величина расхода отсчитывается по шкале против указателя (рис. 193).

Датчик. Общий вид датчика электронного регулятора расхода

В этом случае нужно или найти поправочные коэффициенты, или иеретарировать шкалу по жидкости, расход которой предпола­ гается измерять. Поправочные коэффициенты к шкале прибора, оттарированного по воде, могут быть получены расчетным путем или определены после измерений фактических значений расхода

внескольких точках шкалы.1

1Детали из оргавпческого стекла не могут быть применены в случае концентрированных кислот и щелочей.

399

Датчики электронных регуляторов малых расходов могут быть изготовлены с конусными трубками разных диаметров. Обычно применяются конусные трубки диаметром меньшего (нижнего) отверстия 13, 25 и 38 мм.

Чаще других конусных трубок в электронных регуляторах малых расходов применяются трубки диаметром 25 мм. В этом случае нижний предел шкалы (по воде) может быть получен 60— 200 л/час, верхний 200—700 л/час.

Пределы измерения изменяют путем изменения диаметра и веса поплавка.

При уменьшении диаметра и увеличении веса поплавка уве­ личиваются пределы измерения. Но при уменьшении диаметра кривая характеристики ротаметра перемещается примерно па­ раллельно, т. е. при любом положении поплавка регулируемый расход возрастает примерно на одну и ту же величину. При уве­ личении веса поплавка возрастает угол наклона кривой характе­ ристики ротаметра, т. е. для каждого положения поплавка регулируемый расход возрастает в какое-то определенное число раз.

Например, при увеличении веса поплавка вдвое, регулируе­ мый расход в каждой точке шкалы ротаметра возрастает примерно в 1,4 раза. Следовательно, изменяя вес и диаметр поплавка, можно очень сильно изменять пределы измерения ротаметра.

Увеличив вес и уменьшив диаметр поплавка, можно было бы при помощи конусной трубки диаметром 25 мм измерять расходы свыше 1Q00 л!час. Однако это нецелесообразно. Дело в том, что если в трубке сравнительно небольшого диаметра проходят зна­ чительные количества жидкости, то при этом жидкость в ней про­ текает с большой скоростью. При этом поток жидкости теряет правильную структуру, вокруг поплавка образуются сильные

может строго соответствовать величине расхода, поплавок и при неизменном расходе сильно отклоняется от своего среднего поло­ жения.

В электропном регуляторе малых расходов такой режим особенно нежелателен, так как нарушается работа всей системы. Прп правильном режиме работы поплавок, вращаясь вокруг оси, как бы висит в жидкости, не делая никаких резких движений. Очень малые скорости жидкости в конусной трубке также при­ водят к нежелательным результатам: поплавок перестает вра­ щаться вокруг своей оси, «ложится» на стенку трубки, ротаметр теряет чувствительность.

Прп необходимости изменения пределов шкалы ротаметра обычно изменяют вес поплавка.

Точность измерения расхода жидкости прибором составляет ±1,5% от диапазона шкалы датчика, т. е. от разности верхнего и нижнего пределов шкалы. Такая точность, разумеется, дости­ гается при условии тарировки шкалы датчика по жидкости,

400