Измерение кислотности

Наиболее важным показателем концентрации компонентов в продуктах молочной и мясной промышленности является кислотность растворов.

Н аиболее распространенным методом определения кислотности является потенциометрический метод, основанный на измерении разности потенциалов двух специальных электродов, помещенных в испытуемый раствор. При соединении внешней цепью этих электродов, погруженных в контролируемую среду образуется гальванический элемент, по величине ЭДС которого можно судить о величине рН раствора.

Один электрод измерительный (индикаторный), а другой – вспомогательный, имеет постоянный потенциал. В практике чаще используют в качестве измерительного стеклянные электроды, а в качестве вспомогательного каломельный.

С теклянный электрод состоит из следующих элементов:

1 – чувствительная мембрана;

2 – раствор соляной кислоты;

3 – вспомогательный контактный электрод;

4 – стеклянный корпус;

5 – пробка;

6 - контактный провод;

7 – кабельный наконечник.

Вторичные приборы.

Вторичные приборы предназначены для преобразования сигнала в доступный вид информации для наблюдателя.

Уравновешенные мосты. (см. лаб. работу «Измерение давления и температуры»).

Данные устройства предназначены для преобразования сигнала с термометров сопротивления.

П ринципиальная схема моста (лабораторного).

Термометр сопротивления , величина электрического сопротивления которого должна быть измерена, включается в одно из плеч моста посредством соединительных проводов, имеющих сопротивление .

Другие плечи моста состоят из постоянных сопротивлений и и переменного калиброванного сопротивления реохорда . К одной диагонали моста (ас) подведено питание постоянного тока, а в другую диагональ моста (bd) включен нуль-гальванометр.

При равновесии моста, когда перемещением движка реохорда добиваются отсутствия тока через нуль-гальванометр ( ) удовлетворяется равенство:

, (8)

откуда:

. (9)

При изменении измеряемой температуры величина электрического сопротивления изменится, мост разбалансируется. Чтобы восстановить равновесие, необходимо при постоянных сопротивлениях , и соответственно изменить величину сопротивления реохорда , переместив его движок. Определив сопротивление по положению его движка при равновесии моста можно однозначно судить и о величине сопротивления , а, зная зависимость , об измеряемой температуре.

Автоматический уравновешенный мост.

Принципиальная измерительная схема автоматического уравновешенного моста переменного тока включает 4 плеча, два из которых являются постоянными сопротивлениями и , ( - сопротивление, предназначенное для подгонки нижнего предела измерения прибора). В четвёртое плечо входит термометр сопротивления и уравнительная катушка . В вершине d моста имеется реохорд с параллельно включенными резисторами и . В случае изменения температуры среды сопротивление термометра изменится и в диагонали моста между точка ми b и d потечет ток небаланса. Последний подается на вход усилителя У, заменяющего в автоматических моста

нуль-гальванометр. Усиленный по напряжению и мощности сигнал небаланса определенной фазы поступает на реверсивный двигатель РД. Вращаясь в ту или иную сторону, в зависимости от знака небаланса, реверсивный двигатель перемещает движок реохорда и показывающую стрелку до тех пор, пока измерительный мост не придет в состояние равновесия, т.е. когда ток в диагонале вд не станет равным 0. На оси реохорда находится кулачок, по профилю которого скользит рычажок, связанный тягами с записывающим пером. Диаграммная бумага перемещается синхронным двигателем СД.

Потенциометры.

Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой Т.ЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока.

Принципиальная схема потенциометра.

Ц епь включает два контура, в одном из которых подсоединен термопреобразователь (Е(tt₀)), в другом - источник сухого элемента (E) с компенсирующим переменным резистором (R_АВ). Последовательно с ТЕП включен нуль-прибор НП (гальванометр).

Передвигая контакт реохорда D можно найти такое положение, когда I  = 0 (определяем по нуль-прибору). При равновесии схемы справедливо равенство

Е(tt₀) = U_AD (1).

Р азность потенциалов между точками А и D пропорциональна сопротивлению резистора R_АВ, тогда Е(tt₀) = IR_AD (2).

Используя выражение для I = E / R_АВ находим Е(tt₀) = E R_AD / R_АВ   (3).

Для реохорда справедливо равенство R_AD / R_АВ = l/L.

Тогда получим: Е(tt₀) = E l/L (5), где E, L = const, а следовательно Е(tt₀) = f(l).

Отградуировав реохорд можно определять значение температуры.

С хема лабораторного потенциометра.

R_b - подстраиваемый (калибровочный) резистор,

R_НЭ - постоянный резистор,

R_р - реохорд.

Значение E со временем изменяется. Для того чтобы компенсировать это изменение используется схемы с наличием нормального элемента (НЭ), предназначенного для контроля постоянства разности потенциалов на реохорде между его конечными точками (АВ). НЭ развивает определенную постоянную в течении длительного времени ЭДС. Обычно применяют ртутно-кадмиевый гальванический элемент Вестона.

Для контроля напряжения сухого элемента включают переключатель в положение К (при этом разрывается цепь ТЭП). Изменяя силу тока в цепи резистором R_b добиваются на конечных точках реохорда эталонного напряжения (т.е. чтобы НП показывал 0). При измерении переключатель перемещают в положение И, и далее поступают как в выше описанном методе измерения.

Автоматический потенциометр.

В автоматических потенциометрах роль нуль-прибора выполняет электронный усилитель (ЭУ). Цепь источника тока состоит из двух ветвей,

рабочей, в которой имеется реохорд R_р, и вспомогательной включающей два постоянных сопротивления R₁ и  R_нэ. Наличие вспомо­гательной цепи позволяет автоматически ввести поправку на температуру холодных спаев ТЭП.

При проведении измерений переключатель находится в положение «И». Измеряемая Т.ЭДС компенсируется напряжением на реохорде изменением положения движка. Если Е(tt₀) ≠ U_bd, то на вершинах b и d появляется напряжение разбаланса Е(tt₀) – U_bd, которое подается на усилитель. Приходит во вращение реверсивный двигатель (РД), перемещающий движок реохорда R_р и стрелку прибора. Движение идет до тех пор пока вновь не установится баланс моста. При этом стрелка прибора покажет новое соответствующее значение температуры.

Для установки рабочего тока I₁  переключатель переводят в положение «К». Если I₁R_нэ ≠ Е_нэ, то сигнал рассогласования через усилитель поступает на РД, который перемещает движок R_п, изменяя величину питающего напряжения до необходимой (т.е. до ликвидации рассогласования напряжений).

Автоматические электронные потенциометры, кроме измерения температуры могут быть использованы и для ее автоматического регулирования. Для этого они снабжаются дополнительно регулирующими устройствами (в основном позиционными регуляторами). На базе потенциометров создано множество вторичных приборов, которые в комплекте с соответствующими преобразователями используются для измерения неэлектрических величин (давления, расхода, уровня, концентрации и др.)

Дифференциально-трансформаторная система измерения.

(см. лаб. работу «Измерение расхода жидкости методом постоянного ∆Р»)

Данная система предназначена для преобразования сигнала с индукционных измерительных датчиков. Рассмотрим ее построение и работу на примере ротаметра РЭД и вторичного прибора КСД.

Ротаметр состоит из стального корпуса 2, внутри которого имеется камера 8 и коническая трубка 7 расширением вверх. Эта трубка из нержавеющей стали является измерительным элементом ротаметра. В нижнюю часть корпуса 2 впаяна направляющая трубка с насаженной на неё индукционной катушкой. Первичная обмотка 5 устройства включена последовательно с первичной обмоткой вторичного прибора, а вторичные обмотки этих устройств включены встречно. Вторичные обмотки состоят из двух секций.

Внутри конической трубки 7 расположен грибообразный поплавок 1 со отержнем 3, который через упорную шайбу пропущен в направляющую трубку. На нижнем конце стержня 3 закреплен стальной сердечник (плунжер 4). При отсутствии расхода плунжер должен находиться в средней части индукционной катушки относительно секций.

Положение поплавка зависит от расхода измеряемой среды, с увеличением его поплавок перемещается вверх до уравновешивания перепада давления весом поплавка, плунжера и стержня. Он перемещается между обмотками 5 и 6 индукционной катушки. Поэтому каждому значению расхода соответствует определенное положение плунжера в индукционной катушке. Перемещение плунжера преобразуется в пропорциональное электрическое напряжение путем изменения взаимодействия между первичной обмоткой возбуждения 5 и секциями вторичной обмотки 6, включенными встречно.

Вторичный прибор является дифференциально-трансформаторным. Измерительная схема комплекта с дифференциально-трансформаторной передачей состоит из двух индукционных катушек (вторая помещена во вторичном приборе), усилителя УС, реверсивного двигателя РД, кулачка I.

Индукционная катушка прибора также состоит из первичной и вторичной обмоток, причем вторичная состоит из двух одинаковых секций, включенных навстречу друг другу. Внутри катушки КСД так же, как ив ротаметре, на­ходится стальной плунжер.

При подаче напряжения переменного тока на первичные обмотки на вторичных обмотках индуктируется ЭДС, величина которой в каждой секции зависит от положения сердечников. Если сердечник, находится в среднем положении, то ЭДС каждой секции вторичной обмотки будут ровны по величине, но направлены навстречу друг другу и их результирующая ЭДС

.

Аналогично и для катушки вторичного прибора

Следовательно, напряжение на входе УС И_УС=О.

При изменении расхода вещества поплавок с плунжером ротаметра переместится в другое положение, вследствие этого произойдет пере­распределение магнитного потока в обмотке катушки. Индуктируемые э.д.с. в секциях будут различны по величине и на концах вторич­ной обмотки появится напряжение небаланса, которое подается на вход УС. Величина и фаза напряжения небаланса зависят от величины и направления перемещения сердечника преобразователя расхода. На­пряжение небаланса после усиления подводится к управляющей обмотке реверсивного двигателя РД и приводит его в движение. Последний, вращая кулачок 1, перемещает плунжер катушки вторичного прибора а положение равенства напряжений, индуктируемых во вторичных обмот­ках катушек. Одновременно переместится показывающая стрелка. Таким образом, каждому положению плунжера катушки первичного преобразова­теля соответствует определенное положение плунжера катушки вторич­ного прибора КСД-3.

Вторичные пневматически приборы.

В качестве вторичных пневматических приборов наибольшее распространение получили приборы системы «Старт». Они построены по блочно-модульному принципу и работают с первичными пневматическими преобразователями или устройствами, имеющими стандартный (входной или выходной) сигналы.

Рассмотрим одну из принципиальных схем реализации таких приборов.

Действие прибора основано на компенсационном принципе, при котором усилие на сильфоне 1 (от входного давления Р_вх) уравновешивается усилием от давления источника питания в силовом элементе 5.

Изменение входного сигнала вызывает перемещение дна сильфона и связанного с ним рычага 3. При этом изменяется зазор между соплом 2 и заслонкой, находящейся на нижнем конце рычага 3, что приводит к изменению давления сжатого воздуха в линии сопла и в силовом элементе. В результате этого изменяется величина прогиба чашечной мембраны силового элемента, что вызывает перемещение рычага 4, связанного тросиком 8 и пружиной обратной связи 9 с нижним концом рычага. Изменение идет до уравновешивания усилий, причем оно приводит к пропорциональному изменению сжатия пружины обратной связи и перемещению указателя 6 вдоль шкалы прибора. Указатель оснащен стержнем, позволяющим регистрировать значение измеряемого параметра на диаграмме 7.