учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
§ 7.3. Измерение концентрации водородных ионов в растворах (рН-метрия) Кислотность и щелочность любых водных растворов кислот и щелочей можно выразить в функции концентра- ции водородных ионов. Концентрацию водородных ионов определяют по величине потенциала, возникающего на границе различных электродов, опущенных в раствор. Да- же в самой чистой воде всегда имеются водородные и гид- роксильные ионы, что определяет электропроводность чи- стой воды. Так как распад молекул воды на ионы незначителен, концентрацию водородных ионов можно считать постоян- ной. Поэтому [Н + ] [ОН − ] = R [Н 2 O] = R H2O = соnst. Рис. 7.88. Фотометрический мультиметр «Технофам-002.3» 193 Опытами установлено, что при t = 22 °С константа дис- социации Rн 2 о = 10 –14 , т. е. для чистой воды в любых нейтральных растворах (в кмоль/л) [Н + ] = [ОН − ] = √10 −14 = 10 −7 (7.9) При растворении в воде кислоты концентрации Н + уве- личивается, а концентрация ОН − становится соответствен- но меньше, чем в нейтральном растворе. При растворении щелочей, наоборот, увеличивается концентрация ОН − и уменьшается содержание Н + . Поэтому в кислотных рас- творах Н + >10 −7 , а в щелочных Н + <10 −1 На практике концентрацию водородных ионов числен- но принято характеризовать отрицательным логарифмом концентрации Н + , так называемым водородным показате- лем рН: рН = −1g [Н + ]. (7.10) При этом нейтральная реакция раствора соответствует рН = 7, кислая рН <7, а щелочная рН >7 (рН от 7 до 14). Число рН можно определить двумя методами: колоро- метрическим и электрометрическим. Колориметрический метод основан на свойствах неко- торых органических красителей изменять свой цвет в зави- симости от концентрации водородных ионов. Этот метод применяют главным образом в лабораторной практике. Потенциометрический метод основан на измерении раз- ности электрических потенциалов двух специальных элек- тродов, помещенных в испытуемый раствор, причем один электрод — сравнительный — в процессе измерений имеет постоянный потенциал. При электрическом соединении измерительного и сравнительного электродов образуется гальванический элемент, по величине ЭДС которого мож- но судить о величине рН раствора. Поскольку абсолютную величину электродного по- тенциала практически определить нельзя, измеряют его 194 относительное значение, для этого составляют гальваниче- ский элемент из измерительного (индикаторного) электро- да, анализируемой среды и вспомогательного электрода. В отличие от индикаторного электрода, потенциал которо- го функционально связан с активностью контролируемых ионов, потенциал вспомогательного электрода должен оставаться постоянным. При соединении внешней цепью индикаторного и вспо- могательного электродов, погруженных в контролируемый раствор, образуется гальванический элемент, именуемый в дальнейшем измерительным элементом для потенцио- метрических измерений. Схема его приведена на рис. 7.9. В практике измерений обычно используют стеклянный (измерительный) и кало- мельный сравнительный электроды. Рис. 7.9. Измерительная ячейка рН-метра Рис. 7.10. Принципиальная схема рН-метра Современные рН-метры представляют собой в основном автоматические приборы с непосредственным отсчетом, шкалы которых отградуированы в единицах рН. Простей- шая принципиальная схема такого рН-метра показана на рис. 7.10. ЭДС измерительной ячейки (электроды 1 и 2) Е х подается на вход электронного усилителя и управляет силой тока в анодной цепи лампы Л, которая измеряется 195 амперметром 3. Шкала прибора отградуирована в единицах рН. Входным сопротивлением в этом случае является со- противление участка сетка — катод лампы, которое опреде- ляется величиной сеточного тока. В качестве входного кас- када применяют специальные электрометрические лампы. Портативные микропроцессорные рН-метры HANNA выполнены в пыле- и водонепроница- емом корпусе (IP 67), снабжены большим экра- ном, на котором одновременно отображаются значения рН и температуры, а также системой BEPS, предотвращающей получение ошибоч- ных результатов из-за разряда батарей. Управ- ление рН-метрами HANNA осуществляется при помощи всего двух клавиш. Все pН-метры се- рии HI 991000 поставляются с рН-электродами, выполненными по технологии «4 в 1». Это ком- бинированные рН-электроды со встроенным термодатчиком и усилителем. Приборы также имеют расширенный диапазон измерения рН и температуры, режим са- модиагностики, индикатор стабильности показаний и функции автомати- ческой термокомпенсации и калибровки по буферным растворам различ- ных стандартов. В рН-метре HI 99161 (foodpacket) применен уникальный датчик из материала Kynar, позволяющий производить измерения непо- средственно в продуктах питания и сырье для их производства. Технические характеристики прибора: pH-диапазон: от −2,00 до +16,00 рН; погрешность: ±0,02 рН; температура: от −5,0 до +105,0 °С; материал корпуса электрода: FC202D Kynar. § 7.4. Измерение плотности жидкостей Плотность является одним из параметров, характеризу- ющих качество получаемой продукции. Плотностью на- зывается отношение массы тела к его объему: ρ = m / V, где m и V — соответственно масса и объем тела. Рис. 7.11. рН-метр HANNA HI 99161 для пищевой промышленности 196 Единицей плотности в Международной системе единиц (СИ) является кг/м 3 . Плотность жидкостей зависит от тем- пературы. Эта зависимость приближенно выражается фор- мулой ρ t = ρ t' [1 − β (t − t')], где p t — плотность жидкости при рабочей температуре; p't — плотность жидкости при некоторой температуре, отличной от рабочей; β — средний коэффициент объемного теплового рас- ширения жидкости в интервале температур от t' до t. Принято указывать плотность жидкостей при нормаль- ной температуре (20 °С). Эту плотность подсчитывают по формуле ρ 20 = ρt [1 − β (20 – t)]. (7.12) Наибольшее применение из плотномеров для измере- ния плотности жидкостей получили поплавковые, массо- вые, гидростатические и радиоизотопные. Поплавковые плотномеры. Работа поплавковых плот- номеров основана на законе Архимеда. Поплавковые плотномеры подразделяют на приборы с плавающим и по- груженным в жидкость поплавком. На рис. 7.12 показана принципиальная схема плотно- мера с плавающим поплавком. Плотномер состоит из ос- новного сосуда 1, в котором плавает металлический попла- вок 2. Жидкость по входной трубе 6 поступает в перелив- ной сосуд постоянного напора 5 и далее по трубе 7 — в основной сосуд тоже с переливным устройством. Избы- точная жидкость стекает по отводящей трубе 9. На выход- ном конце подводящей трубы 7 имеются отражательные пластины (на рисунке не показаны), предохраняющие поплавок от завихрений в потоке жидкости. Скорость по- тока устанавливают при помощи диафрагмы на трубе 7, а также взаимным смещением по вертикали сосудов 1 и 5. 197 Изменение плотности жидкости вызывает перемещение поплавка и связанного с ним сердечника 3 (в первичных катушках 4 индукционного моста 11). Таким образом, различной плотности измеряемой жид- кости соответствует разная глубина погружения поплавка, а следовательно, и положение сердечника в индукционных катушках электрического преобразователя, которое приво- дит к изменению сигнала, передаваемого на вторичный прибор. Рис. 7.12. Плотномер с плавающим поплавком Вторичный прибор 10 (показывающий или регистри- рующий) градуируется в единицах плотности. Темпера- турная компенсация осуществляется термометром сопро- тивления 5, включенным в мостовую схему. Погрешность плотномеров с плавающим поплавком составляет поряд- ка ±1 %. 198 Поплавковый плотномер DenDi вы- годно отличается от обычных стеклянных ареометров или плотномеров с U-образ- ной трубкой своей практичностью и уни- версальной конструкцией. Прибор очень удобен в применении и позволяет оперативно определять плот- ность вязких жидкостей, не требуя пред- варительного их подогрева. Простота и доступность плотномера DenDi избав- ляют от необходимости в специальном обучении обслуживающего персонала. Калибровка поплавкового плотномера DenDi осуществляется по дистиллиро- ванной воде самим пользователем, а уход за прибором значительно облегчается благодаря съемному стеклянному поплавку. Цифровая технология регистрации показаний плотности миними- зирует риск человеческой ошибки, нередко возникающей при работе со стеклянными ареометрами и записи данных вручную. Устройство после нажатия двух кнопок на внешней панели выво- дит реальную плотность жидкости, а электроника плотномера автома- тически высчитывает ее приведенные величины для температуры 15; 20 °C (возможны и другие значения по заказу). Отображение данных происходит на жидкокристаллическом дис- плее поплавкового плотномера DenDi. При необходимости данные могут быть переданы через встроенный ИК-порт на автономный прин- тер или на ПК для занесения в базу данных и осуществления опера- тивного качественного и количественного контроля. Все это делает плотномер DenDi доступным и очень удобным в ис- пользовании при любых погодных условиях, что значительно упро- щает работу для пользователя. Массовые плотномеры. Действие массовых плотноме- ров основано на том, что масса жидкости при неизменном ее объеме прямо пропорциональна плотности. Массовые плотномеры используют обычно для изме- рения плотности суспензий и жидкостей, содержащих твердые включения. На рис. 7.14 приведена одна из схем Рис. 7.13. Поплавковый плотномер DenDi 199 массового плотномера с пневматическим преобразовате- лем, в котором используется принцип уравновешивания. Исследуемая жидкость поступает в прибор по трубе 1 и выходит по трубе 2. Входная и выходная трубы через гибкие резиновые патрубки или металлические силь- фоны 3 соединены с петлеобразной трубой 4 из нержа- веющей стали. Для чистки петли предусмотрено съемное ко- лено 5. Петлеобразная труба укреплена в вилке, которая может свободно поворачиваться на оси скобы 6. Петля тягой 7 соединена с рычагом 10, который поворачивается на оси 11. На правом плече рычага помещены противовес 12, уравновешивающий систему, когда петля заполнена водой, и тяга 15, связанная с сильфоном обратной связи 16 пнев- матического преобразователя. В пневматический преобразователь по трубке 17 непре- рывно поступает под давлением 140 кПа сжатый воздух, который, пройдя через дроссель, выходит через зазор меж- ду соплом 13 и заслонкой 14. Одновременно воздух запол- няет полость сильфона обратной связи и трубку 18, иду- щую к манометру. Рычаг находится в равновесии, когда по петле протекает жидкость плотностью 1 г/см 3 . При плотности, превышаю- щей 1 г/см 3 , вес петли увеличивается, рычаг 10 поворачи- вается против часовой стрелки, зазор между соплом и за- слонкой уменьшается, давление воздуха в преобразователе увеличивается, сильфон растягивается и, воздействуя на тягу 15, опускает правый конец рычага до тех пор, пока не восстановится его равновесное положение. Ход рычага ограничен упорами 9. Пределы измерения регулируются при помощи дополнительных грузов, наве- шиваемых на надрезы 8. Давление воздуха в сильфоне, из- меняющееся пропорционально изменению плотности жид- кости, измеряется вторичным прибором, шкала которого 200 проградуирована в единицах плотности. Прибор измеряет плотность жидкости при фактической ее температуре. Рис. 7.14. Массовый плотномер Гидростатические плотномеры. Принцип действия гидростатических плотномеров основан на том, что давле- ние Р в жидкости на некоторой глубине Н от поверхности равно весу столба жидкости высотой H, т. е. Р = Н × g × ρ, (7.13) где ρ — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения. Из формулы (7.13) следует, что давление столба жидко- сти постоянной высоты Н является мерой плотности жид- кости. Давление столба жидкости может быть непосредственно измерено, например, мембранным манометром, если его чув- ствительный элемент поместить в нижнюю часть сосуда 201 (с постоянным уровнем), через который протекает исследуе- мая жидкость. Чтобы исключить влияние колебаний уровня жидкости на точность намерений, применяют дифференци- альный метод, в соответствии с которым измеряют разность давлений двух столбов жидкости разной высоты. На основании выражения (7.13) можно записать P 1 − P 2 = ρ g (H 1 − H 2 ), (7.14) где Р 1 и Р 2 — давления столбов жидкости; Н 1 и Н 2 — соответственно высота столбов жидкости, или ∆P = p g / H. (7.15) Отсюда следует, что перепад давления жидкости в двух горизонтальных слоях, расстояние между которыми Н остается постоянным, является мерой плотности жидкости. На рис. 7.15 показана схема гидростатического плотно- мера типа ДМП. Контролируемая жидкость непрерывно протекает через сосуд 1, уровень в котором постоянен. Рис. 7.15. Гидростатический плотномер типа ДМП Сосуд 5 заполнен сравнительной жидкостью с извест- ной плотностью до постоянного уровня. Сжатый воздух через фильтр 14 и редуктор 12 блока 10, состоящего из 202 контрольных стаканчиков 9 и манометра 75, подается в трубки. По линии 6 воздух поступает в трубку 2 и, проходя через жидкость, уходит далее в атмосферу. По линии 8 воздух сна- чала поступает в трубку 4, проходит через жидкость сосу- да 5, а затем поступает в трубки 7 и 3. Перепад давлений, об- разующийся в трубках, измеряется дифманометром 13 с пневматическим преобразователем. Пневматический сиг- нал направляется на вторичный прибор 11. Разновидностью гидростатических плотномеров явля- ются пружинные преобразователи плотности, в которых изменение плотности измеряемой среды вызывает дефор- мацию упругих элементов, помещенных в контролируе- мую жидкость. На рис. 7.16 показана принципиальная схема сильфонно- го преобразователя плотности типа ПЖС-П. Внутри изме- рительной камеры на некотором расстоянии один от друго- го помещены сильфоны 11 и 14, соединенные между собой коромыслом 13. При изменении плотности жидкости внут- ри измерительной камеры изменяется деформация сильфо- нов, и коромысло поворачивается относительно своей точки опоры. Коромысло 13 угловым рычагом 9 соединено с Т-образным рычагом 1 унифицированного пневмопреоб- разователя. Герметичность вывода рычага 9 обеспечивается мембраной 10. Конструкция вывода предусматривает воз- можность поворота рычага 9. Внутренние полости сильфонов 11 и 14, а также силь- фона 12, предназначенного для компенсации погрешности, вызываемой изменением температуры измеряемой жидко- сти, последовательно соединены трубкой с вентилем. Сильфоны заполнены контролируемой жидкостью, плот- ность которой минимальна. Плотномер ПЖС-П позволяет измерять плотность в интервале 500–2 500 кг/м 3 203 Рис. 7.16. Сильфонный преобразователь плотности: 1, 7, 9 — рычаги; 2 — пружина; 3 — наездник; 4 — устройство для регулировки нуля; 5 — усилитель; 6 — элемент сопло-заслонка; 5, 11, 12, 14 — сильфоны; 10 — мембрана; 13 — коромысло Радиоизотопные плотномеры. Изменение плотности радиоизотопными приборами основано на определении изменения интенсивности пучка γ-лучей после прохожде- ния их через измеряемую среду. На рис. 7.17 показана принципиальная блок-схема радиоизотопного плотномера жидкости (типа ПЖР-2). В технологическом трубопроводе установлены источник радиоактивного излучения 1 (Со60, С137) и приемник излу- чения 3; γ-лучи от источника 1 проходят через стенки сосу- да 2 и слой жидкости, а затем попадают в приемник излуче- ния 3. Электрический сигнал приемника, являющийся функ- цией измеряемой плотности, формируется блоком 4 и пере- дается на вход электронного усилителя-преобразователя 5, куда поступает также сигнал от дополнительного устройства. 204 Дополнительное устройство включает в себя радиоизотоп- ный источник излучения 9, металлический клин 10, прием- ник излучения 11 и формирующий блок 12. Источник и при- емник излучения дополнительного устройства такие же, как в первичном преобразователе. Рис. 7.17. Блок-схема радиоизотопного плотномера Разность сигналов усиливается в усилителе-преобразо- вателе и подается на реверсивный двигатель 6, который связан с металлическим клином 10 и сердечником диффе- ренциально-трансформаторного преобразователя 7 вторич- ного прибора 8. В зависимости от величины и знака сигнала в усилителе- преобразователе реверсивный двигатель перемещает метал- лический клин до тех пор, пока разность сигналов не станет равной нулю. Величина перемещения клина пропорцио- нальна изменению плотности жидкости. Интервал изме- ряемой плотности 600–2 000 кг/м 3 ; погрешность прибора ±2 %. 205 Плотномер «Плот-3» АУТП.414122.006 ТУ предназначен для автоматического измерения плотности жидкости с максимальной кинема- тической вязкостью до 200 мм 2 /с (200 сСт) в диапазоне температур от минус 40 до 85 °С и передаче измеренных значений по запросу извне в контроллер измерительной системы или в персональный компьютер по интер- фейсу «токовая петля» (RS-232, RS-485 с ис- пользованием адаптеров АД-1, АД-2). Плотномер типа «Плот-3» применяют в составе автоматизированных систем учета чистых однородных жидкостей на потокев продуктопроводах, где тре- буется периодическое дистанционное измерение плотности, темпера- туры и кинематической вязкости жидкости, в том числе на маги- стральных нефтепроводах и на установках по переработке товарной нефти. Вид взрывозащиты — «взрывонепроницаемая оболочка» и «ис- кробезопасная электрическая цепь» (IExibdllВТ5 в комплекте с искро- защитным барьером «Бастион»). Технические характеристики Принцип работы — вибрационный: частота колебаний чувстви- тельного элемента, погруженного в жидкость, функционально связана с плотностью жидкости, а добротность колебательной системы — с кинематической вязкостью. В качестве термометра используется встроенный стандартный пла- тиновый преобразователь сопротивления. Обработку информации проводит микроконтроллер семейства MCS-51 типа АТ89С52. Предел допускаемой основной относительной погрешности при измерении плотности составляет ±(0,035; 0,05; 0,1) %. Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения темпера- туры ±0,3 °С. Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения кинема- тической вязкости ±(0,4 + 0,04 v) мм 2 /с, где v — значение кинемати- ческой вязкости, мм 2 /с. Рабочая среда прибора — чистые однородные жидкости с макси- мальной кинематической вязкостью 200 мм 2 /с (200сСт): товарная нефть и продукты ее переработки, спирты, сжиженный углеводород- ный газ (СУГ), растворители и другие жидкости, неагрессивные по отношению к сплавам 45НХТ, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т. Диапазон измеряемых плотностей: от 420 до 1600 кг/м 3 Рис. 7.18. Плотномер «Плот-3М» |