Теплотехнические измерения и приборы лабораторный практикум. Учебное пособие

где Q0 – объемный расход среды.

Измерение наведенной ЭДС осуществлено измерительным при­ бором НП. Для обеспечения малого влияния внутренних сопротив­ лений электромагнитного преобразователя Zn необходимо выполне­ ние соотношения

где Zп – полное сопротивление преобразователя; Zж – сопротивле­ ние жидкости.

Внутренние сопротивления преобразователя растут с уменьше­ нием электропроводности жидкости и увеличением D, что вызывает необходимость увеличения Zп, чему препятствует емкостное сопро­ тивление соединительных проводов. Поэтому необходимость вы­ полнения условий (12.4) накладывает ограничения на минимальную электропроводность измеряемой жидкости.

Основным недостатком использования электромагнитных рас­ ходомеров с постоянным магнитным полем является поляризация элект­ родов: концентрация у положительного электрода отрицательных ­токов, а у отрицательного – положительных. На поверхности электродов создаются потенциалы, образуется ЭДС поляризации, направленная против основной измеряемой ЭДС, что изменяет градуировочную характеристику прибора. Поэтому электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем не применяются для жидкостей с ионной проводимостью. Они получили широкое распространение для измерения расхода сред с электронной проводимостью. Для из­ мерения расхода сред с ионной проводимостью используются рас­ ходомеры с переменным магнитным полем (рис. 12.2).

Здесь ЭДС снимается с электродов и определяется как

При достаточно высокой частоте w поляризация электродов прак­ тически отсутствует, однако использование переменного магнитного поля имеет свои недостатки: основной – дополнительная погрешность,

81

­вызванная паразитной трансформаторной ЭДС. В современных рас­ ходомерах для ее полного устранения используется сдвиг по фазе на 90 °. В этом случае измерительная схема содержит два канала, один из которых предназначен для измерения полезного сигнала, а вто­ рой – для компенсации трансформаторной ЭДС.

Электромагнитные расходомеры работают в диапазоне скоростей потока 0,1–1 м/с, предел основной относительной погрешности ле­ жит в диапазоне ±(0,5–1)%.

82

Порядок выполнения работы. Обработка полученных результатов

1.Включить установку.

2.С помощью клапана 3 установить расход через магнитный рас­ ходомер 1 1 м3/ч, а с помощью мерной емкости 4 и секундомера определить действительный расход воды.

3.Аналогично провести измерения и с остальными точками по­ верки.

4.Полученные данные занести в табл. 12.1.

Таблица 12.1. Результаты измерений

Диапазон измерения ЭМР составляет 0,05–20 м3/ч.

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений и расчетов (см. табл. 12.1).

4.Выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

Изучение принципа действия и конструкции емкостного уровнемера

Цель: изучить принцип действия и конструкции емкостного уров­ немера.

83

Общие сведения

Емкостные уровнемеры относятся к электрическим средствам из­ мерения уровня. В уровнемерах этого типа используется зависимость электрической емкости чувствительного элемента первичного изме­ рительного преобразователя от изменения уровня контролируемой среды вдоль оси датчика. Изменение электрической емкости основано на различии диэлектрической проницаемости воздуха. Выделяют ­емкостные уровнемеры для непроводящих (проводимость < 10–7 см/м)

ипроводящих (проводимость < 10–5 см/м) сред.

Вемкостном уровнемере для непроводящих сред изменение

­емкости датчика будет обусловлено разностью емкостей (С3 – С2), где С2 – емкость между стенками сосуда и наружной поверхностью датчика на участке воздушной среды; С3 – емкость между стенками сосуда и наружной поверхностью датчика на участке жидкой среды (С3 меняется интенсивнее, чем С2 с изменением уровня жидкости).

Вемкостном уровнемере для проводящих сред изменение емкос­ ти датчика будет обусловлено в основном изменением емкости изо­ лирующего покрытия датчика на участке жидкой среды С4.

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 13.1.

1

2

5

Рис. 13.1. Схема установки для снятия характеристик емкостного датчика:

1 – жидкокристаллическое табло; 2 – емкостный уровнемер; 3 – бак с водой; 4 – уровнемер сте­ клянный; 5 – клапан; 6 – защитное покрытие

84

Порядок выполнения работы

1.Налить воду в бак 3, предварительно закрыть клапан 5.

2.Подключить уровнемер к сети 220 В.

3.Изменять уровень воды в баке клапаном 5, контролируя уро­ вень в баке по стеклянному уровнемеру 4 с заданной дискретностью. Дискретность задает преподаватель.

4.Снять 5–6 точек зависимости Cд = f(h), где Cд – емкость датчи­ ка Cд, пФ; f – частота; h – значение уровня в уровнемере, мм.

5.Данные эксперимента занести в табл. 13.1.

Таблица 13.1. Данные эксперимента

h, мм

Cд, пФ

Обработка полученных результатов

По результатам измерений построить график зависимости Cд от изменения уровня h.

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Краткий порядок проведения измерений.

3.Результаты измерений (см. табл. 13.1).

4.График зависимости Cд = f(h).

5.Выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

Изучение конструкции и принципа действия электрохимических газоанализаторов

на твердом электролите

Цель: изучить конструкцию и принцип действия электрохимиче­ ских газоанализаторов на твердом электролите.

85

Общие сведения

Для измерения концентрации О2 в газовых смесях применяются приборы газового анализа (газоанализаторы). Наиболее перспектив­ ными для измерения О2 приборами в настоящее время являются газо­ анализаторы, основанные на электрохимических методах измерения. Газоанализаторы, как правило, состоят из устройства пробоподготов­ ки, первичного преобразователя и измерительного преобразователя. Устройство пробоподготовки предназначено для отбора пробы анали­ зируемой газовой смеси от объекта, очистки пробы от агрессивных и механических примесей, приведения ее параметров (температуры, дав­ ления и т.д.) к значениям, нормированным для параметров пробы на входе в сенсор газоанализатора.

Преобразователь первичный предназначен для формирования вторичного электрического сигнала, значение которого эквивалент­ но концентрации измеряемого компонента в газовой смеси. Изме­ рительный преобразователь служит для индикации или регистрации содержания данного компонента в анализируемой газовой смеси с формированием выходных унифицированных сигналов.

Принцип метода основан на использовании зависимости ЭДС концентрационной (по кислороду) электрохимической цепи с твер­ дым электролитом и газовыми электродами от концентрации кис­ лорода в газовых смесях, подаваемых на электроды.

Схема гальванического элемента (рис. 14.1) состоит из твердого электролита, находящегося между металлическими электродами 1 и 2, которые омываются газовыми смесями с различными парциальны­ ми давлениями кислорода (Р1 > Р2). Если электроды пористые и ­могут достаточно легко пропускать кислород, то вследствие разли­

P2 P1

Рис. 14.1. Схема электрохимического сенсора с твердым электролитом

86

чия между Р1 и Р2 на обеих границах твердого электролита с электро­ дами установится различный химический потенциал U1 и U2 кисло­ рода, под действием которого ионы кислорода будут диффундиро­ вать с электрода с большим Р2 на электрод с меньшим Р1. При этом на первом электроде электроны забираются, на втором – освобож­ даются. В результате между границами электрод – твердый электро­ лит возникает электрическое поле, причем омываемый газ с боль­ шим парциальным давлением кислорода будет заряжен положитель­ но, а второй – отрицательно. С помощью металлических электродов и соединенных с ними металлических токоотводов разность потен­ циалов (U1–U2) передается во внешнюю цепь. При подаче на один из электродов газа с известным парциальным давлением кислорода (эталонного газа) значение ЭДС датчика при заданной температуре однозначно определяется парциальным давлением кислорода в ана­ лизируемом газе, подаваемом на другой электрод, подчиняясь тер­ модинамическому соотношению Нернста

где R – газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К); Т – темпера­ тура электродов и электролита, К; F – константа Фарадея; РО2эт и РО2ан – парциальные давления кислорода в эталонном и анализиру­ емом газах соответственно.

При переходе к концентрациям кислорода, выраженным в объ­ емных процентах, соотношение (14.1) принимает вид

где CО2эт и СО2ан – процентное отношение кислорода в эталонном и анализируемом газах соответственно.

Объемная концентрация Сi и парциальное давление Pi связаны соотношением

Сi = Pi / P,

где P – абсолютное давление газовой смеси.

При равенстве давления анализируемого и эталонного газов урав­ нения (14.1) и (14.2) идентичны.

При использовании атмосферного воздуха в качестве эталонного газа с парциальным давлением О2: PО = 0,21 ЭДС, развиваемая дат­ чиком, подсчитывается по формуле 2

87

Основой электрохимического газоанализатора на О2 является твердоэлектролитный сенсор.

Твердоэлектролитный сенсор изготовлен на основе двуокиси цир­ кония, стабилизированного окисью натрия. Такой электролит обла­ дает практически чистой кислородионной проводимостью, т.е. в ши­ роком интервале температур и в кислородсодержащей среде число переноса ионов кислорода равно единице.

Твердоэлектролитный сенсор обычно выполняется в виде про­ бирки либо таблетки. Наиболее распространена (из-за простоты и дешевизны технологии изготовления) твердоэлектролитная про­ бирка.

На рис. 14.2 приведена конструкция вышеуказанного сенсора. Стандартная пробирка имеет длину 160–170 мм, диаметр – 10 мм и толщину стенки – 0,4–0,8 мм. На закрытый конец пробирки сна­ ружи и внутри нанесены электроды из легкодисперсного платино­ вого порошка либо порошка редкоземельных элементов. Для съема потенциала с электродов имеются внутренний и наружный токо­ отводы, изготовленные либо из платиновой (платинородиевой) проволоки диаметром 0,5 мм, либо из нихрома диаметром 0,25– 0,35 мм. Наружный токоотвод жестко связан с наружным электро­ дом с помощью специальной обмазки, припекаемой при высокой температуре.

Внутренний токоотвод выполнен в виде плоскопереплетенной проволоки, прижатой к внутреннему электроду торцом керами­ ческой трубки, расположенной внутри пробирки. Надежность контакта обеспечивается за счет усиления прижатия, создаваемо­ го пружиной, которая расположена на противоположенной сто­ роне трубки. Для электрической изоляции внутреннего и наруж­ ного токоотводов применяется керамическая трубка. Термоэлек­ трический ТХА, контролирующий температуру электродов, расположен внутри прижимающей трубки. ЭДС, снимаемая с то­ коотводов твердоэлектролитного сенсора, зависит от температуры в зоне сенсора, т.е. Е = f(T). Данную зависимость легко устано­ вить, изменяя температуру Т и фиксируя изменения ЭДС.

Для оптимизации процесса сжигания топлива, характеризуемого коэффициентом избытка воздуха α, применение датчика особенно эффективно, так как крутизна его выходного сигнала при малых зна­ чениях кислорода увеличивается.

88

Рис. 14.2. Чувствительный элемент в сборе:

1 – внутренний токоотвод; 2 – наружный токоотвод; 3 – чувствительный элемент; 4 – прижи­ мающая керамическая трубка; 5 – термоэлектрический термометр; 6 – керамическая трубка диаметром 2 мм; 7 – хомут

89

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 14.3. Газ, пода­ ваемый в зону сенсора, – эталонная смесь N2 + O2.

4

6

3

2

1

Рис. 14.3. Схема установки для определения характеристик чувствительного элемента:

1 – баллон с эталонным газом; 2 – ротаметр; 3 – электрохимический датчик (ЭХД); 4 – изме­ рительный преобразователь; 5 – цифровой вольтметр; 6 – измерительный кабель

Порядок проведения работы. Обработка полученных результатов

1.Установить ЭХД с углом наклона 15–20° (от горизонтали).

2.Собрать газовую схему установки согласно рис. 14.3.

3.Включить измерительный преобразователь 4.

4.Выдержать 0,5 ч для стабилизации характеристик сенсора.

5.Подать эталонный газ в электрохимический датчик 3, контро­ лируя его расход по ротаметру 2 (не более 40 л/ч).

6.Измерить концентрацию кислорода О2ан и ЭДС сенсора Е. Затем рассчитать температуру в зоне сенсора по следующему выражению:

Т = E / (0,0496 lg 20,86 / O2ан).

90