ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ 7 страница

Таким способом температурная погрешность кондуктомет-рических концентратомеров может быть уменьшена до ±2 %/10°С, т. е. почти в 10 раз, но только для концентраций с_х и с₂. Температурные погрешности будут тем больше, чем шире диапазон измерения концентраций и температур. При ма­лых концентрациях значения R_M0 должны быть большими, что затрудняет конструктивное выполнение термометра. Если на Rmo или на R_m наложены определенные ограничения, то часто в пределах шкалы полную компенсацию удается осуществить только для одной концентрации.

Структурная блок-схема кондуктометрического концентрато-мера представлена на рис. 7-11. Измеряемая концентрация с помощью первичного измерительного преобразователя ПИП, представляющего электродную ячейку, преобразуется в значе­ние комплексного электросопротивления Z. Вторичный измери­тельный преобразователь ВИП — измерительная цепь, в кото­рую непосредственно включается электродная ячейка, служит для преобразования Z в измерительный сигнал U, I или /, удобный для дальнейшей передачи, преобразования и реги­страции в стандартном или специальном измерительном уст­ройстве ИУ.

В зависимости от способа измерения электропроводности раствора исследуемого вещества, который определяется осо­бенностями технологического процесса, различают контактные и бесконтактные ПИП и, следовательно, кондуктометрические концентратомеры.

Контактные кондуктометрические концен­тратомеры применяют для измерения концентрации раство-"^-ров электролитов. Контактный ПИП представляет собой двух-электродную электролитическую ячейку, электроды которой погружены в раствор и выполнены из платины и покрыты пла­тиновой чернью. Последнее позволяет уменьшить влияние по­ляризации.

Одним из способов устранения погрешностей, вызываемых поляризацией электродов, является применение 4-электродных ячеек, у которых функции электродов разделены. Одна пара электродов служит для подведения рабочего тока, а с другой пары снимается падение напряжения, создающееся в исследуе­мом растворе.

Для определения зависимости R—f(c) для каждой электро­литической ячейки экспериментально определяют константу ячейки 1/S (см. (7-5)), так как для ее нахождения недостаточно знать геометрические размеры ячейки, а необходимо учитывать реальные параметры силовых линий тока в каждом типе ячейки. В качестве ВИП используют, как правило, неравновес­ные мостовые цепи. Разбаланс моста измеряется после выпрям­ления ИУ, например магнитоэлектрическими указателями.

Примером контактного кондуктометрического концентрато-мера для технических измерений концентрации соли NaCl яв­ляется солемер, датчик которого представлен на рис. 7-12.

Один из электродов / ПИП выполнен в виде цилиндра из нержавеющей стали. Вторым электродом 2 является стержень, изготовленный также из нержавеющей стали. Катушка 3 из медной проволоки служит элементом цепи термокомпенсации и намотана на латунный цилиндр, укрепленный в цоколе 5 преобразователя. Внутренний электрод 2 изолирован от элек­трода / фарфоровыми изоляторами и ввинчивается в цоколь с помощью гайки 4. На цоколь навинчивается головка 8, в ко­торой укреплена колодка с выводами от преобразователя. За­крепляется головка крышкой 7. Выходные проводники выво­дятся через втулку 6 и предназначены для подключения ПИП к измерительной цепи.

Электроды и компенсационное сопротивление помещены в герметичный кожух И, снабженный двумя патрубками для ввода и отвода электролита. Гайка 10 с прокладкой 9 служит для полной герметизации преобразователя.

Рис 7-12

Основные технические характеристики солемеров: рабочий диапазон измеряемых концентраций NaCl от 0 до 5 мг/кг, в спе­циальных модификациях (для морской воды) до 30 мг/кг; ос­новная погрешность ± (4-^-10) %, температурная погрешность ± (3-f-5) % на ±10°С, погрешность от изменения напряжения питания ±10 % и частоты ±5 % находится в пределах ±(2,0-5-2,3) %■

Для технологических измерений концентраций растворов в ЦБП контактные концентратомеры используются редко из-за наличия загрязняющих и отравляющих электроды веществ, характерных для этого производства. Они применяются, на­пример, для измерения чистоты промывки сульфатной целлю­лозы. Устройство такого концентратомера приведено на рис. 7-13. Контактный ПИП имеет электроды из электротехниче­ского графита /, запрессованные в пластмассовую плиту 2. Электродная плита в виде усеченного конуса вставляется во фланец 5 диаметром НО мм толщиной 20 мм из пластмассы или нержавеющей стали и закрепляется крышкой 6 с резьбой. Фланец с помощью винтов 4 крепится к технологическому оборудованию 3.

ПИП включается в одно из плеч типового автоматического электронного моста. Мостовая цепь прибора переделывается в связи с подключением нестандартного преобразователя и ис­пользованием устройства для температурной коррекции. Для уменьшения температурной погрешности в соседнее плечо моста включается термистор, характеристики которого подбираются для конкретных параметров среды в объекте (например, в кон-центратомере для определения чистоты промывки сульфатной целлюлозы используется термистор типа ММТ-8).

Концентратомер рассчитан на измерение остаточной щелоч­ности Na₂0 в пределах 0,2—1,5 г/кг. Градуировка прибора про­изводится экспериментально, по данным лабораторных анали­зов. При эксплуатации этих концентратомеров необходимо ис­ключить влияние пузырьков воздуха на показания прибора, что достигается выбором места установки преобразователя и применением предохраняющей сетки перед электродами.

Бесконтактные кондуктометрические кон­центратомеры имеют бесспорные преимущества перед контактными. Во-первых, в бесконтактных устройствах устра­няются погрешности, связанные с загрязнением, поляризацией и другими нежелательными электрохимическими явлениями. Во-вторых, появляется возможность измерения бесконтакт­ными преобразователями состава агрессивных смесей, разлага­ющих или отравляющих электроды. В-третьих, эти приборы позволяют измерять высокие концентрации сильных электро­литов.

К недостатку бесконтактного устройства следует отнести несколько меньшую его чувствительность. Современные дости­жения в электронной технике позволяют исключить этот недо­статок с помощью высокочувствительных электронных усили­телей.

Все реальные бесконтактные ячейки являются комбиниро­ванными LC-ячейками с преобладанием свойств индуктивного или емкостного типа.

Бесконтактные первичные измерительные преобразователи для концентратомеров, работающих на низкой частоте, в ос­новном представляют индуктивные электрохимические ячейки. Они состоят из сосудов, выполненных из диэлектриче­ского материала, помещенных в катушку индуктивности и за­полненных исследуемыми растворами.

В основном в высокочастотных бесконтактных кондуктомет­рах используются емкостные первичные измерительные преоб­разователи. Преимуществами этих преобразователей являются более высокая чувствительность, особенно с использованием радиопрозрачных материалов для сосудов (радиочастотной керамики, фарфора, специальных радиочастотных пластмасс и сортов стекла), простота конструкции и небольшие габарит и масса по сравнению с индуктивными.

Емкостный ПИП (рис. 7-14) представляет собой ячейку, состоящую из сосуда в виде трубки или стакана из диэлек­трика, заполненного исследуемым раствором. С внешней сто­роны сосуда расположены два (или более) различной конфи­гурации металлических электрода, к которым подключается источник высокочастотного напряжения.

Значение емкости С1 определяется размерами внешних электродов, их площадью S, диэлектрической постоянной ма­териала сосуда 8i и толщиной его стенок А:

Для емкости С2 справедливо аналогичное выражение

CSe₀8₂ а = ^_г—:— • а

где ео —электрическая постоянная, равная 8,86-10~¹² Ф/м; d — расстояние между обкладками.

Статическая характеристика высокочастотного кондукто­метра зависит не только от функции преобразования первич­ного измерительного преобразователя, на которую влияют гео­метрические параметры ячейки, частота питающего напряже­ния, но и от типа и параметров вторичного измерительного преобразователя — измерительных цепей. Вследствие этого каждый прибор должен градуироваться индивидуально.

В качестве вторичных измерительных преобразователей (из­мерительных цепей) для индуктивных и емкостных ПИП при­меняют разнообразные мостовые и резонансные цепи. Мосто­вые цепи удобны для дифференциального включения. В таких устройствах осуществляется метод уравновешивающего преоб­разования для измерения состава вещества. Это обеспечивает

ИУ

^L <

"Л

г

я.

Рис. 7-16

["Л

наиболее точное измерение концентрации в технологических потоках, особенно если уравновешивающий ПИП, так же как рабочий, связан с исследуемым технологическим веществом (см. 1.5).

В уравновешенных резонансных цепях сравнение произво­дится между параметрами рабочего и опорного LC-резонансных контуров, причем последний обычно не связан с технологиче­скими характеристиками и стабилизирует влияние только элек­трических режимов устройства.

Наибольшее распространение получили цепи для измерения:

полного сопротивления ячейки Z или одной из его состав­ляющих R, L или С;

добротности Q резонансного LC-контура, образованного из­мерительными ячейками, которая зависит от активной и реак­тивной составляющих сопротивления ячейки;

частоты f резонансного LC-контура, представляющего ПИП,

так как f = 1/V LC.

Два последних способа построения измерительных цепей наиболее эффективны для высокочастотных измерений с ем­костной ячейкой.

Особый интерес представляет высокочастотный кондукто-метрический концентратомер с частотным выходным сигналом после ВИП. Структурная схема такого устройства представ­лена на рис. 7-15.

Рабочий ЯЯЯр образует обратную положительную цепь за­дающего генератора Г₂ и изменяет частоту его резонанса /₂ в зависимости от концентрации раствора электролита с. Урав­новешивающий ПИП_К образован образцовым раствором с на­чальной концентрацией раствора и включен в аналогичную обратную цепь генератора Л, частота которого постоянна и равна fi. Оба преобразователя расположены в одной точке пространства так, чтобы влияние внешних условий было по возможности идентичным на оба устройства.

Обе частоты fi и f₂ подаются на электронный смеситель, назначение которого состоит в том, чтобы выделить разност­ную частоту Af=fi—f₂, пропорциональную измеряемой концен­трации раствора с. Разностная частота Af поступает на часто­томер, шкала которого градуируется экспериментально в зна­чениях измеряемой концентрации раствора. Такое устройство обеспечивает наибольшую помехоустойчивость передачи и преобразования измерительных сигналов после ВИП и облег­чает ввод информации в цифровые вычислительные устройства.

Примером технического высокочастотного кондуктометриче­ского концентратомера является разработанный в Ленинград­ском технологическом институте ЦБП прибор для измерения концентрации слабых электролитов в цехах химводоочистки с помощью проточного бесконтактного емкостного ПИП.

Структурная схема бесконтактного высокочастотного кон­дуктометрического концентратомера для измерений слабых электролитов в потоке представлена на рис. 7-16.

Задающий генератор ЗГ с кварцевым резонатором через электронный усилитель и катодный повторитель КП питает напряжением с частотой 6 МГц контрольный КК и измеритель­ный ИК LC-контуры. В измерительный контур И К включена электролитическая емкостная ячейка ЕЯ, представляющая бес­контактный первичный измерительный преобразователь концен­трации раствора с в емкость бесконтактных электродов С_с. Разностный сигнал с обоих контуров выделяется схемой срав­нения СС, усиливается электронным усилителем постоянного тока и измеряется устройством ИУ.

Конструктивно датчик емкостного типа в проточном испол­нении представляет стеклянную трубку, которая с помощью ки­слотостойкого резинового трубопровода подсоединяется к под­водящему исследуемый раствор трубопроводу и помещается внутрь защитного цилиндра из нержавеющей стали. На стек­лянной трубке укрепляются электроды и специальные диски, на которых монтируется электрическая цепь датчика. Вся внутренняя полость цилиндра заливается компаундом, фикси­руя элементы и предохраняя их от воздействия агрессивной среды. Такое устройство делает датчик кондуктомера компакт­ным и надежным при эксплуатации на целлюлозно-бумажном производстве.

Основные технические характеристики кондуктометрического концентратомера для слабых растворов H₂S0₄:

Диапазон измеряемой концентрации серной кисло-

™. %.............................................................................................................................. ..... 0,1-2

Основная приведенная погрешность измерения, %

не более........................................................................................................................ ...... +3

Температурная погрешность, %/°С, не более....................................... ±2

Потребляемая мощность, В А................................................. 40

Масса прибора в комплекте с датчиком, кг................................................ 8,5

Аналогичные приборы разработаны для измерения концен­трации NaCl (пределы измерения от 2 до 7%. основная при­веденная погрешность ±2,5%), NaOH (пределы измерения от 1 до 7%, основная приведенная погрешность ±2,5%) и H2SO4 (пределы измерения от 2 до 4 %, основная приведенная погреш­ность ±2 %).

Измерительное устройство ИУ представляет собой измери­тельную мостовую цепь, в плечи которой включены емкостные электролитические ячейки, и измерительный прибор, определяю­щий разбаланс мостовой цепи, т. е. разностную электрическую проводимость, и проградуированный в значении активной ще­лочи.

Более перспективными пред- —_ч
ставляются измерители диффе-
ренциальной электрической про-
водимости варочных щелоков,
схема которых приведена на рис.
7-18. В этом случае разностный
сигнал ПИПх и ПИП₂, установ-
ленных на варочных щелоках до
и после варочного котла, не за-
висит от содержания сопутствую-
щих исходных компонентов ва-
рочного щелока, зависящих от
его приготовления, а определяет-
ся изменением щелока в процессе Рис. 7-18
варки. Поэтому ИУ будет харак-
теризовать соответствующие изменения варочного щелока
именно в процессе варки и отмечать все стадии варки вплоть
до ее окончания.

7.4. ПЛОТНОМЕРЫ

ний является использование измерений не абсолютных, а отно­сительных технологических величин, изменение которых вы­звано влиянием именно технологического процесса и поэтому характеризует (см. гл. 1) качество его ведения. Так, например, ход варочного процесса и момент его окончания можно опреде­лить с помощью применения измерителей дифференциальной электропроводности сульфатных варочных щелоков.

Электропроводность сульфатных варочных щелоков связана с содержанием в них активной щелочи, так как ион гидроксиль-ной группы имеет более высокую проводимость (почти в 4 раза) по сравнению с другими ионами, находящимися в щелоке. По­этому, если измерять электропроводность щелока до и после нейтрализации его углекислым газом СОг (рис. 7-17,а), в ре­зультате которой ионы ОН~ заменяются ионами С0₃, разностная электропроводность будет характеризовать содержание в ще­локе активной щелочи (рис. 7-17,6). Следовательно, такое из­мерительное устройство позволяет наблюдать ход варки и мо­мент ее окончания.

В качестве первичных измерительных преобразователей для определения электропроводности щелоков можно использовать

Технические приборы для автоматического измерения плот­ности составляют существенную часть анализаторов качества технологической продукции и входят в состав автоматизирован­ных систем управления целого ряда процессов целлюлозно-бу­мажного производства.

Плотность веществ — масса единицы объема — в ЦБП и Дру­гих отраслях промышленности измеряется для определения кон­центрации и состава смесей, для контроля качества веществ, для перехода от объемных единиц и количества вещества к мас­совым, для контроля окончания технологических процессов (вы­паривания, промывки, приготовления варочных растворов и т. д.).

Как известно, плотность вещества р (кг/м³) =m/V, где m и V — масса и объем тела соответственно, зависит от температуры, поэтому для жидкостей с нормальной плотностью обычно счи­тают плотность при t=4 °С, а для газов — при t=0 °С. Иногда пользуются понятием относительной плотности р₀тн=р/р.\, где Pn— нормированное значение плотности, для жидкости равное

плотности дистиллированной воды при t=4 °С, для газа — плотности воздуха в нормальных условиях (О °С; 0, 1013 МПа).

С одной стороны, плотность жидкостей и газов, как правило, уменьшается с повышением t в соответствии с зависимостью

где p_ti и р а—плотности при температурах t_t и t₂; Р — среднее значение тем­пературного коэффициента объемного расширения для t₂—1±.

С другой стороны, плотность жидкостей и особенно газов возрастает при увеличении давления Р. Для жидкостей это воз­растание незначительно, и им можно пренебречь (в инженер­ных расчетах считают жидкости несжимаемыми). Для газов в первом приближении принимают, что плотность газов прямо пропорциональна абсолютному давлению при постоянной тем­пературе.

При измерении плотности веществ необходимо учитывать указанные зависимости плотности от температуры и давления, в случае резкого изменения в процессе измерения плотности t или Р вводить соответствующие поправки.

По принципу действия плотномеры, наиболее широко при­меняемые в производственной практике, делятся на группы:

1) весовые, основанные на прямом методе измерения плот­ности, т. е. на взвешивании постоянного объема жидкости или газа;

2) поплавковые, в которых используется зависимость вытал­кивающей, архимедовой силы, действующей на поплавок, от плотности жидкости или газа;

3) пьезометрические, основанные на зависимости давления жидкостей или газов от их плотности;

4) радиоизотопные, использующие ослабление интенсивно-
сти гамма-излучения в зависимости от плотности среды, кото-
рую оно пересекает.

Весовые плотномеры основаны на взвешивании чув­ствительного элемента, у которого вес G равен

G = gV_Px+G₀,

где Go —■ вес чувствительного элемента без исследуемой жидкости; V — объем исследуемой жидкости с плотностью р*; связан линейно с измеряемой плотностью.

Принципиальное устройство массового плотномера типа ДВУ-ТК представлено на рис. 7-19. Первичным измерительным преобразователем является U-образная трубка 4, соединенная с подводящими трубопроводами сильфонами 8. При изменении плотности жидкости, протекающей по трубе, вес ее изменя­ется согласно зависимости AG = gVAp. Рычажная система пере­дает изменение веса на пневмосиловой компенсационный пре­образователь, состоящий из сопла 2, заслонки 3, пневмоусили­теля 1 и сильфона обратной связи 6, со стандартным выходным сигналом, измеряемым прибором 10.

Для автоматического введения поправки на изменение тем­пературы исследуемой жидкости служит манометрический тер­мометр, термобаллон 9 которого установлен в месте подвода жидкости к прибору, а сильфон с азотом 12 воздействует при отклонении температуры (от £=20 °С) на рычаг обратной связи 7. Для учета изменения температуры окружающей среды ис­пользуется сильфон 11. Устранение произвольных колебаний массоизмерительной системы осуществляется демпфирующим устройством 5.

Рис. 7-19

Диапазон измерения плотности (ДВУ-ТК-101) от 500 до 1200 кг/м³, основная приведенная погрешность ±2 % (^ст до 0,98 МПа, /_шах=1Ю °С).

Поплавковые плотномеры работают с плавающим поплавком и с полностью погруженным поплавком. В первых, называемых ареометрами постоянной массы, мерой измеряемой плотности жидкости служит глубина погружения поплавка опре­деленной формы и массы. Во вторых, ареометрах постоянного объема, глубина погружения поплавка остается постоянной, а изменяется выталкивающая сила, действующая на поплавок и пропорциональная измеряемой плотности.

На рис. 7-20 изображена структурная схема плотномера с плавающим поплавком. Он состоит из измерительного сосуда /, исследуемая жидкость в который поступает через трубопро­вод 3 и дроссель постоянного сечения 2 и выходит через трубо­провод 6. Положение металлического плавающего поплавка 5 зависит от изменения плотности жидкости и преобразования преобразователем 7 в сигнал удобный для передачи на прибор 8.

Для исключения флюктуации поплавка используют пла­стины 4. Компенсация температурной погрешности плотномера

8 Заказ № 301

может быть предусмотрена коррекцией показаний преобразова­теля или прибора с помощью термозависимых элементов.

Пьезометрические плотномеры, как показано в гл. 6, основаны на зависимости давления от уровня и плотно­сти: P = #gp. Если H=const и р извест­но, то давление вещества пропорциональ­но плотности: Рвещ = /(р).

Во всех пьезометрических гидроста-
тических и барботажных плотномерах
имеется система стабилизации уровня.
Это достигается использованием емко-
стей постоянного уровня (рис. 7-21, а)
или установкой двух датчиков, измеря-
ющих разность давлений, расположен-
ных на разном уровне Н₂—Н_х = const
i\ ш*. ----------- — (рис. 7-21, б, в).

¹ \ 1____________ I В этих приборах, как правило, для

измерения перепада давления жидкости или газа применяются дифманометры, чаще датчики дифманометров системы ГСП, иногда специализированные (дифманометры для измере­ния давления массы с противодавлением [35]). Если плотность измеряется гидростатическим способом в напорном трубопро­воде, то для исключения влияния на показания дифманометра

; РПИГП

разность давлений воздуха ,в которых пропорциональна р, так как #=const.

W

uP*f(J>)

Рис. 7-21

потерь напора за счет сопротивления трубопровода скорость жидкости должна быть малой. Для этого создают расширение трубопровода (рис. 7-21,6) или выбирают специальные участки трубопроводов с большим диаметром D в виде вертикальных колен с малой скоростью подачи вещества вверх.

Удобными в ряде производств оказываются барботажные плотномеры с двумя пьезометрическими трубками (рис. 7-21, в), где температура поддерживается такой же, как у исследуемой жидкости.

В ЦБП часто пользуются барботажным способом измерения давления вещества с помощью пьезометрических трубок, напри­мер для измерения плотности варочных растворов, потоков массы при промывке и т. д.

Одна из возможных структурных схем такого плотномера (типа ПМ приведена на рис. 7-22).

В этом случае показания дифманометра (типа ДМ-П), изме­ряющего разность давлений воздуха Р_х—Р₂ = АР, продуваемого через пьезометрические трубки,

АР=Р_г - P₂ = [h_Jp₁~(h₂p₂ + h₃p₁)]g = \(h_x—h₂) р_г—Л₂р₂]£,

где pi, р₂ — плотность измеряемой и эталонной жидкостей; h_it h₂> кз — уровни согласно рис. 7-22.

Принимают hi—h₃ = h₂ = H, тогда при pi = p₂ перепад давле­ния AP=gH(pi—р₂)=0. Такой плотномер не зависит в значи­тельной степени от изменения температуры жидкостей.

Радиоизотопные плотномеры в условиях ЦБП оказываются наиболее перспективными, которыми доступно не­прерывное измерение плотности агрессивных жидкостей, сус­пензий, пульп бесконтактным способом в напорных трубопрово­дах, в труднодоступных местах и при тяжелых условиях экс­плуатации.

Как известно [46], для легких веществ^[4] ослабление гамма-из­лучения с энергией от 1,5МэВ зависит от свойств среды, через которую оно проникает, в соответствии с выражением

/ = /₀ехр(-|ЛоК), (7-Н)

где /о, / — интенсивность излучения до и после поглощения; R=tp — произ­ведение толщины среды / на ее плотность р; |Хо — массовый коэффициент ос­лабления среды.

Последний зависит от состава среды и ее характеристик:

^-'ЕШ/*- ⁽⁷'¹⁶⁾

где z/A — отношение атомного номера к атомной массе элемента; т₍ — мас­совая концентрация i-ro элемента; f — функция энергии гамма-квантов; при постоянной энергии гамма-излучения f=const.

Значение z/A для ряда (легких) элементов, кроме водорода, почти постоянно (0,46-н0,50). Поэтому, если в веществе присут­ствует водород с массовой концентрацией тн, что характерно для потоков ЦБП, то

Значение ц,₀ вычисляется по формуле (7-15) для z/A =0,46-=-0,50.

В любом случае радиоизотопные плотномеры требуют инди­видуальной градуировки и поверки по месту установки.

На примере радиоизотопного плотномера ПР-1024, структур­ная схема которого приведена на рис. 7-23, рассмотрим их уст­ройство и особенности применения.

Прибор состоит из четырех отдельных блоков: рабочего ис­точника 1, приемного измерительного устройства 6, электрон­ного блока 8 и вторичного прибора 9.

Поток излучения от источника проходит через трубопровод 2 с контролируемой средой. В сцинтилляционном счетчике 4 срав­нивается интенсивность излучения потока от рабочего источника 1 и контрольного источника 5 раздельно во времени. Вращаю­щийся двигателем Mi свинцовый полуцилиндр 3 попеременно перекрывает потоки излучения так, что в течение полупериода регистрируется излучение только от рабочего источника, а во время второго полупериода — только от контрольного источника. Затем импульсы поступают на фотоэлектронный умножитель 7, где усиливаются и передаются на электронный блок 8.

От рабочего источника сигнал поступает на конденсатор С2 за счет переключения цепей, связанных синхронно с работой двигателя М_и вращающего свинцовый полуцилиндр. Сигнал от контрольного источника заряжает конденсатор СЗ. Разность на­пряжений на конденсаторах С2 и СЗ с помощью вибропреобра­зователя ВП преобразуется в напряжение переменного тока. Ка-