Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410

Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

Файл:

Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 1613 14 15 16 > Следующая >>>

x(t)

Объект

y(t)

управления

Рис. 6.1. Общая схема автоматизации процесса управления концентрацией:

1 – датчик-преобразователь; 2 – измерительный преобразователь;

3 – контролирующий прибор; 4 – преобразователь сигнала;

5 – исполнительный механизм

Конкретная комплектация автоматического контура управления зависит от конкретных условий задачи: параметров контролируемой среды, поставленной цели, диапазона варьирования контролируемого параметра, требуемого закона регулирования и т.д.

Ниже описаны общие принципы работы приборов и приведены примеры конкретных приборов, используемых в промышленности.

6.1. ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ

Промышленные автоматические газоаналитические приборы предназначены для определения содержания контролируемых компонентов в газовых смесях технологических процессов, в окружающей воздушной среде, в производственных помещениях и на рабочих местах. Действие приборов основано на различных методах: магнитном, тепловом, оптическом и др. Газоанализаторы имеют разное конструктивное исполнение и условия эксплуатации.

Магнитные газоанализаторы на О

. Действие газоанализаторов

основано на парамагнитных свойствах кислорода, который обладает наибольшей магнитной восприимчивостью по сравнению с другими газами, входящими в газовую смесь. В газоанализаторах использовано явление термомагнитной конвекции, которая возникает в неравномер-

121

ном магнитном поле около нагретого тела, окруженного парамагнитным газом. Движение газа влияет на теплоотдачу нагревательного элемента, что приводит к изменению его температуры и сопротивления. Изменение сопротивления пропорционально содержанию контролируемого компонента.

Газоанализаторы типа МН предназначены для определения со-

держания кислорода в газовых смесях различного состава. Измерительные схемы газоанализаторов выполн

ены по принципу компенсационно-мостовых схем, состоящих из одного рабочего и одного сравнительного мостов, исключающих влияние измеряемых компонентов на достоверность показаний прибора. Газоанализатор МН 5106-2 предназначен для контроля содержания кислорода в газовой смеси из топочного газохода парогенератора на объектах теплоэнергетики. Выходной сигнал 0…5 мА. Отбор анализируемой газовой смеси производят из шпунто

вого устройства или из газохода в прямом потоке отходящих газов. Газоанализаторы МН 5130М и МН 5130-1 предназначены для анализа взрывобезопасных газовых смесей. Газоанализатор МН 5130-1 может быть применён для измерения содержания кислорода поочерёдно в четырёх точках, для этой цели его оснащают блоком пробоотбора БП-4. Для работы газоанализаторов требуется срав

нительная газовая смесь, содержащая 80% кислорода в азоте. Расход смеси 12 л/ч. Применение сравнительного газа компенсирует влияние измерения температуры окружающего воздуха и атмосферного давления.

Газоанализатор «Оскар» не чувствителен к окислительно-

восстановительным процессам и диамагнитным газам. Для определения содержания кислорода создаётся асимметрия магнитной проницаемости за счёт подогрева трубок дву

мя нагревательными обмотками, расположенными на разных сторонах электромагнита (рис. 6.2). В трубах появляется давление, модулированное частотой магнитного поля электромагнита, которое измеряется конденсаторным микрофоном. По методу измерения газоанализатор выпускается в основном и дифференциальном вариантах. Газоанализатор основного варианта предназначен для определения содержания кислорода в газовой смеси, в которой содержание компонентов – Н

, СН4, СО исключает образо-

вание взрывоопасных смесей.

Газоанализатор дифференциального варианта предназначен для определения содержания кислорода в измеряемой и сравнительной газовых смесях. При равных содержаниях кислорода выходной сигнал равен нулю. Диапазоны измерения 0…4 и 0...40% объёмных долей относятся только к дифференциальному варианту. Выходные сигналы: 0…5, 0…20, 4…20 мА. Запаздывание 10 с для дифференциального варианта.

122

Рис. 6.2. Функциональная схема основного газоанализатора «Оскар»:

1 – гаситель акустического удара; 2 – измерительные трубки;

3 – электромагнит; 4 – нагревательные элементы;

5 – конденсаторный микрофон; 6 – блок электронный

Электрохимические газоанализаторы на кислород. Действие

газоанализаторов основано на электрохимической реакции, вызывающей образование тока в электролите при взаимодействии кислорода с электродом. Ток, протекающий по внешней цепи электролита, пропорционален содержанию кислорода в газовой смеси. В составе газовой смеси не должно быть электрохимически активных газов (хлора, сероводорода и др.).

Деполяризационный газоанализатор ГДРП-3 предназначен для определения соде содержащих электрохимически активных газов. Первичный преобразователь газоанализатора имеет электрохимическую ячейку с двумя золотыми электродами, поляризованными приложенным напряжением. Кислород, растворённый в циркулирующем электролите, частично деполяризует катод, в результате чего по цепи протекает электрический ток, сила которого пропорциональна содержанию кислорода в анализируемом газе. Элект тролита в адсорбере поддерживается в пределах 40±2 °С. В качестве электролита применяется КОН. В тех случаях, когда в газовой смеси содержится СО и СО няется бикарбонат калия. В состав газоанализатора входит преобразователь первичный, электронный вторичный прибор, стабилизатор газа.

ржания кислорода в различных газовых смесях, не

ролит термостатируется, температура элек-

и электролит должен быть нейтральным, приме-

123

Рис. 6.3. Газоанализатор ГЛ 5108:

1 – баллон с водородом; 2 – реометр; 3 – кран-переключатель; 4 – реактор;

5 – теплообменник со сборником конденсата; 6 – контрольный электролизёр;

7 – первичный преобразователь; 8 – увлажнитель; 9 – электролизёр;

10 – реакционная камера с измерительным патроном и анодом;

11 – гидрозатвор; 12 – бак с дистиллированной водой

Схема газоанализатора ГЛ 5108 приведена на рис. 6.3. К первичному преобразователю подведены линии анализируемого газа и контрольной смеси, состоящей из водорода и кислорода для проверки газоанализатора. Водород подаётся из стандартного баллона. Выделение кислорода происходит при электролизе КОН в процессе разложения воды. Увлажнитель предназначен для сокращения постоянного содержания электролита в р

еакционной камере. В реакционной камере, заполненой электролитом (24% КОН), находится измерительный патрон с электродами – серебряным катодом и свинцовым анодом, с которыми взаимодействует кислород в газовой смеси.

Тепловые (термохимические) газоанализаторы на кислород и

водород. Действие термохимических газоанализаторов основано на

измерении теплового эффекта реакции окислителя, протекающей в присутствии катализатора. Повышение температуры чувствительного элемента вызывает изменение его со

противления пропорционально количеству содержащегося в смеси анализируемого газа при постоянном расходе смеси. Газоанализатор ГТХ-1 предназначен для измерения содержания кислорода в электролитическом водороде (ГТХ-1-11)

124

и водород в электролитическом кислороде (ГТХ-1-21). Измерение количества теплоты производят при помощи термопреобразователей сопротивления, расположенных в рабочей и сравнительных камерах, включённых в схему электрического моста. Рабочая камера заполнена катализатором, в котором сгорает анализируемый компонент, в сравнительной камере находится неактивная масса. С диагонали моста снимается выходной сигнал, который пропорционален содержанию кислорода ил

и водорода. Пределы измерения 0…1% объёмных долей кислорода и 0…2% объёмных долей водорода. В приборе обеспечивается сигнализация двух значений содержания кислорода или водорода в пределах 10…90% шкалы. Основная погрешность ±4% от диапазона измерения. Время прогрева 1 ч, запаздывание 15 с. Температура контролируемой среды 5…35 °С; относительная влажность 100%, давление 0,3…1,0 МПа. Объёмный расход газовой смеси 23 л/ч для измер

ения содержания кислорода, 36 л/ч – для водорода. Газовая смесь, поступающая в газоанализатор, не должна содержать хлора, сероводорода, сераорганических соединений, паров щёлочей кислот и других веществ – ядов для платинового катализатора. Допускается содержание тумана щёлочи в кислороде 10…30 мг/м³, в водороде 2…5 мг/м³. Питание газоанализатора переменным током нап

ряжением 220 В, частотой 50 Гц, потребляемая мощность 100 В⋅А. Газоанализатор предназначен для работы при температуре окружающего воздуха 5…35 °С и относительной влажности до 80%. В комплект газоанализатора входят потенциометр КСП1 и вспомогательные устройства (стабилизатор давления, индикатор расхода и др.).

Тепловые (термокондуктометрические) газоанализаторы на

, CO2, CH4, He, Ar, NH3, SO2. Действия термокондуктометрических

газоанализаторов основано на измерении теплопроводности газовой смеси, которая практически однозначно определяется содержанием в ней анализируемого компонента. Обязательным условием измерения является постоянное соотношение между содержанием неизмеряемых компонентов в пределах всей шкалы или постоянство заданного среднего значения содержания неизмеряемых компонентов. Измерения теплопроводности производятся косвенно по изменению электрического сопротивления чувствительного элемента, помещённо

го в анализируемую газовую смесь. В газоанализаторах применяются прямая и дифференциальная измерительные газовые схемы. По схеме прямого измерения (рис. 6.4, а) анализируемая газовая смесь проходит через две рабочие камеры с чувствительными элементами; в двух сравнительных камерах чувствительные элементы герметично закрыты и заполнены газом постоянного состава.

125

Газ

авнительный

газ

Рис. 6.4. Измерительные схемы термокондуктометрических

газоанализаторов:

а – прямого измерения; б – дифференциальная; 1 – рабочая камера;

2 – сравнительная камера; 3 – вторичный прибор;

4 – чувствительный элемент; 5 – поглотитель

По дифференциальной схеме измерения (рис. 6.4, б) анализируемая газовая смесь проходит через рабочие камеры, а затем после предварительного удаления из него контролируемого компонента в печи дожигания или поглотителя за пределами газоанализатора поступает в сравнительные камеры и выполняет функции сравнительного газа, в качестве чувствительных элементов применены платиновые сопротивления, которые включены в плечи измер

ительного моста.

При измерении содержания контролируемого компонента в измерительной диагонали моста появляется напряжение разбаланса, пропорционально его содержанию.

Газоанализаторы типа ТП. Электрическая измерительная схема

выполнена на компенсационном принципе и состоит из двух мостов – рабочего и сравнительного. В газоанализаторе типа ТП 5501-1 применены газовая схема прямого измерения, в газоанализаторе ТП 22

21М –

дифференциальная схема.

Газоанализатор ТП 5501-1 предназначен для измерения содержания Н

, СО2, СН4 в двухкомпонентных газовых смесях. Содержание

пыли, смоли других механических примесей допускается до 0,001 г/м³, аммиака и сероводорода до 0,01 г/м³. Газоанализатор может быть использован для контроля в четырёх точках (или помещениях) поочерёдно, для этой цели его оснащают блоком пробоотбора БП-4. Выходной сигнал 0…5 мА, 0…100 мВ, 0…10 В. В комплекте газоанализатора вторичный ко

нтрольно-измерительный прибор с самописцем.

126

На базе указанного анализатора построена система ВХЛ1. Система включает в себя первичный преобразователь (ДИСК), электронный блок, вторичный электронный прибор и щит с элементами газовой схемы.

Преобразователь ДИСК выпускают в десяти модификациях. Сравнительный газ для ДИСК-301 и ДИСК-302 состоит из смеси

– 0…0,15, H2 – 50…80% объёмных долей, N2 – остальное. Выход-

ной сигнал 0…5 мА, 0…10 В. Время прогрева 45 мин. Объёмный расход анализируемой газовой смеси 10 л/ч, давление 90,0…105,3 кПа.

Оптические абсорбционные (оптико-акустические) газоанализаторы на СО, СО

, СН4, С2Н2в инфракрасной области спектра.

Действие оптико-акустических газоанализаторов основано на способности определяемого газа поглощать инфракрасные лучи. Этой способностью обладают все газы, за исключением одноатомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора. Каждый газ поглощает инфракрасные излучения только в своих, свойственных ему участках спектра. Измерение содержания газа производят на о

сновании оптикоакустического эффекта, который заключается в том, что газ, способный поглощать инфракрасные лучи, при прерывистом облучении в замкнутом объёме (лучеприёмника) периодически нагревается и охлаждается, в результате чего происходят колебания давления газовой смеси. Колебания давления воспринимаются чувствительным элементом – мембраной, которая является одной из обкладок конденсаторного микрофона. В качестве источн

ика инфракрасного излучения используется хромоникелевая проволока, нагретая до 700…800 °С. Инфракрасные излучения в анализируемую смесь пропускают через окна, изготовленные из синтетического корунда или других материалов, пропускающих это излучение. Прерывание потока излучения производится с частотой 5…6 Гц. Изменение ёмкости конденсатора при действии на лучеприёмник полного потока инфракрасного излучения в среднем сос

тавляет 0,3 пФ при смещении мембраны на 1 мкм. В конструкциях газоанализаторов применены две разновидности схем измерения (рис. 6.5). В одноканальной схеме (рис. 6.5, а) поток излучения от нихромового излучателя, нагретого электрическим током, отражается от параболического зеркала; прямой и отраженный потоки прерываются обтюратором, который вращается синхронным двигателем, проходят через светопровод, рабочую кювет

у и попадают в прямые камеры оптико-акустического лучеприёмника, расположенные в оптической последовательности. Приёмные камеры заполнены определяемым газом в смеси с азотом или аргоном. В первой камере (по ходу потока) происходит поглощение инфракрасного излучения, соответствующего преимущественно центральной полосе спектра, во второй – началу и концу полосы.

127

1 2 3 4

1 2

Газ

Рис. 6.5. Принципиальные схемы оптико-акустических газоанализаторов:

а – одноканальная дифференциальная схема с прямым измерением;

б – двухканальная дифференциальная схема с прямым измерением;

1 – нихромовый излучатель; 2 – параболическое зеркало;

3 – синхронный двигатель; 4 – обтюратор; 5 – светопровод;

6 – рабочая кювета; 7 – лучеприёмник; 8 – мембрана конденсаторного

микрофона; 9 – усилитель; 10 – вторичный прибор; 11 – нулевая заслонка;

12 – фильтровы

а) б)

109

е камеры; 13 – сравнительная камера

Газ

Повышение давления дают лишь наиболее сильные линии поглощения центральной полосы спектра, вследствие чего создаётся перепад давления в камерах, воздействующего на мембрану. На выходе микрофона появляется электрический сигнал переменного тока с частотой 12,5 Гц, амплитуда которого пропорциональна содержанию определяемого компонента анализируемой смеси. Сигнал усиливается, выпрямляется усилителем и подаётся на втор сутствии анализируемого газа в рабочей кювете пульсации давлений в камерах лучеприёмника выравниваются нулевой заслонкой.

В двухканальной дифференциальной схеме (рис. 6.5, б) потоки излучения поступают в два оптических канала – в рабочую кювету с анализируемой газовой смесью и сравнительную камеру, заполненную газовой смесью постоянного состава. Фильтровые камеры заполняются неизмер

яемыми газами, которые поглощают излучение спектра частот мешающих газов, полоса частот определяемых газов проходит свободно. Прерывистые потоки излучения, сдвинутые по фазе на половину периода оборота обтюратора, суммируется и создают в пространстве над мембраной колебания давления. При равенстве потоков колебания давления не происходит.

128

ичный прибор. При от-

Оптический абсорбционный спектра газоанализатор на Сl2

в ультрафиолетовой области. Действие газоанализатора основано на

наличии у определяемого компонента спектров поглощения, не перекрывающихся спектрами поглощения других компонентов анализируемой газовой смеси и спектральными характеристиками элементов в оптической системе прибора. Газоанализатор ультрафиолетового поглощения применяется для газов и паров, отличающихся от других газов интенсивными спектрами поглощения. К таким газам отн

осятся хлор, бензол, озон, пары ртути и др. Схема измерения выполняется одноканальной с одним лучеприёмником и дифференциальной двухканальной с электрической компенсацией.

Электрические газоанализаторы на SO

, H2S, Cl2, O3, CO.

В электрохимических газоанализаторах используются кулонометрический и полярографический методы при постоянном потенциале индикаторного (измерительного) электрода. Эти методы основаны на электроокислении или электровосстановлении электрохимически активного компонента анализируемой газовой смеси.

Хемилюминесцентные газоанализаторы на О

и окислы азота.

Хемилюминесценция – люминесценция, сопровождающая химические реакции. Хемилюминесцентный анализ является совокупностью методов количественного определения химических элементов, основанных на влиянии анализируемого вещества на интенсивность (спектр) хемилюминесценции. Регистрация осуществляется фотоэлектрически. Хемилюминесцентный анализ используется для определения содержа-

, NO и окислов азота в воздухе. Определение окислов азота про-

ния О

исходит за счёт предварительного их восстановления с помощью О

до NO в каталитическом конверторе. При определении окислов азота (газоанализаторы 645ХЛ-01 и ГХЛ-201) используется реакция NO

, которая сопровождается люминесценцией. NO получается при

с О

взаимодействии суммы окислов азота с О ре с помощью катализатора при температуре 200 °С. О

в каталитическом конверто-

вырабатывает-

ся в блоке генератора озона из очищенного от пыли и влаги атмосферного воздуха. Определение О ется при реакции О

с этиленом, которая сопровождается люминес-

(газоанализатор 652ХЛ-01) осуществля-

ценцией. Содержание контролируемых компонентов определяется по величине выходного тока фотоэлектронного умножителя.

Фотоколориметрические ленточные газоанализаторы на H2S,

, Cl2 и фосген. Действие фотоколометрических газоанализаторов

основано на цветной избирательной реакции химического взаимодействия между определяемым компонентом газовой смеси и индикаторным раствором или индикаторным порошком. Реакция сопровождает-

129

ся образованием цветных продуктов, содержание которых определяется по величине поглощения светового потока. В ленточных газоанализаторах индикаторным раствором предварительно пропитывают бумажную или текстильную ленту. Оптическая схема выполнена двухканальной. Лампа накаливания образует два световых потока. Рабочий поток падает на индикаторную ленту и, отражаясь от неё, падает через светофильтр на рабочи

й фотоэлемент. Сравнительный поток проходит через диафрагму, светофильтр и падает на сравнительный фотоэлемент. Электрические сигналы от двух фотоэлементов поступают на вход катодного повторителя электронного усилителя, с которого снимается результирующий сигнал на вход электронного автоматического моста – вторичного прибора газоанализатора.

Пламенно-ионизационные газоанализаторы на бензол, сти-

рол, хлорвинил, дихлорэтан и др. Дей

ствие газоанализаторов основано на ионизации молекул органических веществ в пламени водорода и последующем измерении силы ионизационного тока. В ионизационную камеру между двумя электродами подаётся водород, который поджигается специальной спиралью. Электрическая проводимость водородного пламени при отсутствии в нём органических веществ низкая. Появление в анализируемом воздухе органических веществ и ионизация их в во

дородном пламени приводят к резкому увеличению электрической проводимости пламени и увеличению силы ионизационного тока. Сила ионизационного тока пропорциональна количеству органических веществ, поступающих в камеру в единицу времени. Измерение силы ионизационного тока камеры осуществляется по падению напряжения на измерительном сопротивлении.

Термохимические газоанализаторы горючих газов и паров.

Действие термох

имических газоанализаторов основано на измерении теплового эффекта химической реакции определяемого компонента анализируемой газовой смеси например, реакция окисления горения). В конструкциях газоанализаторов используется два типа катализаторов, на которых происходит процесс окисления: твёрдый гранулированный (тепловой эффект измеряется в потоке газа при помощи термометра сопротивления) и нагретая каталитическая активность, являющаяся одн тельного моста.

овременно чувствительным элементом – плечом измери-

Действие сигнализатора основано на искусственном воспламенении горючей смеси во взрывной камере. Анализируемый воздух обогащается горючим газом таким образом, чтобы при достижении довзрывных содержаний контролируемых компонентов они в сумме с обогащающим газом образовали горючую смесь предельного соста-

130

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 1613 14 15 16 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]