лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
а б в Рис. 103. Схемы ультразвуковых уровнемеров, в которых осуществляется первый (а), второй (б) и третий (в) режимы работы: / — излучатель; 2 — приемник Первый режим весьма похож на работу фотоэлектрического преобразователя: ультразвуковой излучатель и приемник (детектор) монтируются внутри резервуара и располагаются строго друг против друга так, что между ними образуется прямой путь прохождения ультразвуковой волны в газе (рис. 5.103, а). При заполнении пространства между двумя вибраторами жидкостью или сыпучим материалом ультразвуковой излучатель посылает сигнал, и ультразвуковые волны весьма существенно поглощаются жидкостью или сыпучим материалом. Если сыпучий материал или жидкость освобождает траекторию луча ультразвука, сигнал гаснет. Этот режим работы ультразвуковых преобразователей используется только для определения дискретных уровней жидкости, т. е. для сигнализации предельных величин. Такой способ подачи ультразвуковых сигналов пригоден для измерения уровня сыпучих материалов. Для измерения уровня жидкостей более удобен второй режим работы ультразвуковых преобразователей, основанный на измерении времени прохождения сигнала с использованием принципа эхолота (рис. 5.103, б). Электрический импульс пьезоэлектрическим вибратором преобразуется в ультразвуковой импульс, который излучается в жидкость и отражается пограничным слоем жидкость-воздух. Эхо поступает на аналогичный пьезоэлектрический вибратор и преобразуется в электрический импульс. Оба импульса, посланный и отраженный, попадают с определенным интервалом на вход усилителя. Тогда уровню жидкости соответствует время между излучением (моментом посылки импульса) и приемом отраженного ультразвукового импульса от поверхности жидкость—воздух до ультразвукового преобразователя:  где— расстояние от излучателя до поверхностного раздела фаз; — скорость распространения ультразвука в измеряемой среде. Скорость распространения ультразвука при любой температуре жидкости (воды) можно рассчитать по эмпирической формуле:  где— температура жидкости (воды),°С. Пауза между двумя последовательно посылаемыми импульсами определяется выражением  Принципиальная схема ультразвукового уровнемера, работающего во втором режиме ультразвуковых преобразователей, приведена на рис. 104.  Рис. 104. Принципиальная схема ультразвукового уровнемера. Уровнемер состоит из пьезоэлектрического преобразователя (вибратора) 2, установленного в резервуаре 1, электронного блока 3 и вторичного измерительного прибора 8 (на рисунке — автоматический потенциометр). Электронный блок включает в себя генератор 7, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 4, посылаемых в жидкость, уровень которой измеряется; приемного устройства-усилителя 5; измерителя времени 6. Генератор 7, задающий частоту повторения импульсов, управляет работой генератора импульсов 4 и измерителем времени 6. Генератор импульсов 4 вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения, которые преобразуются в ультразвуковые с помощью пьезоэлектрического преобразователя 2, установленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от поверхности жидкости (от границы раздела жидкость—газ) и поступают на тот же пьезометрический преобразователь. Отраженные импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются и формируются усилителем 5, а затем подаются на измеритель времени. Выходным сигналом измерительной схемы является постоянное напряжение, поступающее на вход вторичного прибора 8 (например, автоматического потенциометра). Замечание При вычислении уровня жидкости необходимо принимать во внимание скорость звука в среде между преобразователем и поверхностью жидкости. Конструктивно ультразвуковой излучатель и детектор могут располагаться раздельно (см. рис. 103, б) или в одном корпусе (см. рис. 104). Третий режим работы ультразвуковых преобразователей показан на рис. 5.103, в. Внутри резервуара размещают эмиттер, излучающий ультразвуковые волны в пространстве над поверхностью жидкости. В этом случае ультразвуковые колебания оказываются в резонансе с колебаниями полости над поверхностью жидкости или в резонансе с гармониками собственных колебаний этой полости. Уровень жидкости определяется измерением частоты новых колебаний, поскольку при разном уровне жидкости резонансная частота оказывается различной. Примечание Ультразвуковые волны похожи на звуковые, они создают в воздухе движущиеся волны давления и отличаются от звука частотой (частота ультразвука выше 20 кГц). Ультразвуковые преобразователи излучают и принимают ультразвуковые волны целого ряда частот. Как правило, ультразвуковые преобразователи представляют собой пьезоэлектрические конструкции, имеющие резонансную частоту в диапазоне ультразвука. Подача на излучающий преобразователь колебаний от генератора на некоторой частоте вызывает излучение ультразвуковых волн (излучатель и детектор подбираются для работы на одной и той же резонансной частоте). Применение ультразвуковых уровнемеров: для измерения уровня только однородных жидкостей, находящихся под высоким избыточным давлением. Преимущество измерения уровня с использованием ультразвука заключается в том, что этот метод удобен для измерения уровня заполнения даже в труднодоступных резервуарах, где часто по конструктивным причинам бывает невозможно воспользоваться другим способом измерения. Разумеется, метод требует больших затрат, так как, кроме пьезоэлектрических вибраторов, необходимы частотные генераторы. Замечание Разработан новый датчик-сигнализатор уровня в металлических резервуарах, работа которого основана на ультразвуковой технологии. Он позволяет сигнализировать о значениях уровня в металлическом резервуаре не нарушая его целостности, что особенно важно, когда в резервуаре содержится агрессивная или летучая среда (щелочь, легкие углеводороды и т. д.) при высоком давлении или температуре. 9.7. Измерение уровня с помощью радиоактивных изотопов Измерение уровня при помощи радиоактивных изотопов целесообразно прежде всего при наличии специфических условий, а именно: высокого давления или разреженности, агрессивности среды, когда нельзя использовать обычные средства измерения. Этот способ используют для измерения уровня заполнения резервуаров, силосных башен и бункеров, где нельзя установить измерительные щупы или необходимо применение дорогостоящей системы измерительных щупов, вызванное конструктивными особенностями. Но и в тех случаях, когда правила техники безопасности запрещают установку уровнемеров в резервуарах или когда установка обычных средств измерения потребует больших затрат, для измерений часто выгодно оказывается использовать радиоактивные изотопы. Особенно целесообразно применять радиоактивные изотопы для измерений уровня агрессивных материалов, веществ с повышенной адгезионной способностью, в резервуарах с очень высокими температурами, в резервуарах (реакторах) со встроенными мешалками, в бункерах с такими крупнокусковыми материалами, как уголь или руда, в шахтных печах.  Рис. 105. Схема радиоактивного сигнализатора уровня: / — излучатель; 2 — приемник В основе измерения при помощи искусственных радиоактивных изотопов лежит принцип поглощения радиоактивного излучения соответствующим материалом, содержащимся в резервуаре. Пучок-лучей, излучаемый радиоактивным источником, проникает через резервуар по прямой линии (рис. 5.105). На стенке резервуара, лежащей против излучателя, расположен приемник, преобразующий принятые лучи в электрические импульсы. Интенсивность принятого излучения зависит от высоты уровня. Возникающие на выходе приемника импульсы, частота которых пропорциональна интенсивности излучения, подводятся к переключающему устройству, реле которого срабатывает, как только число импульсов в единицу времени достигнет минимальной величины. Ввиду того, что в большинстве случаев измеряют толстые слои материала, используют преимущественно -лучи. Большое влияние на измерение уровня оказывает толщина стенок резервуара. Интенсивность излучения, проникающего через заполненный резервуар, можно рассчитать по формуле  Интенсивность излучения, проникающего через пустой резервуар, равна  Отношение величин интенсивности излучения через заполненный резервуар и пустой резервуар:  где— исходная интенсивность излучения;— толщина стенки резервуара;и— плотности материала стенки и содержимого в резервуаре соответственно;— внутренний диаметр резервуара; — массовый коэффициент поглощения. 9.8. Акустические уровнемеры Акустический метод определения уровня жидкости основан на формировании акустического импульса на границе раздела жидкость—воздух в вертикальном звукопроводе, выполненном в виде тонкого металлического стержня. Уровень жидкости рассчитывается исходя из времени распространения ультразвукового сигнала от излучателя, расположенного внутри поплавка на поверхности жидкости, до приемника, установленного в верхнем конце стержня. Для подачи питания и синхронизации формирователя ультразвукового импульса используется непосредственно звукопровод, являющийся одновременно частью витка первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого расположена в поплавке. Формирование акустического импульса осуществляется излучателем, представляющим собой пьезокерамическое кольцо, коаксиально охватывающее стержень.  Рис. 106. Принципиальная схема акустического уровнемера. На рис. 106 рассмотрена схема акустического уровнемера. Электрический ток подается на металлический стержень-звукопровод / с формирователя импульсов синхронизации 2 и формирователя частоты питания 3 через смеситель 4. В катушке индуктивности L, расположенной в корпусе поплавка 5, возникает соответствующий индукционный ток. Катушка подключена к входу блока формирования импульсов излучателя 6. Электрический импульс, вырабатываемый этим блоком, подается на пьезокерамическое кольцо 7 излучателя. При этом формируется акустический сигнал, который через стенки корпуса поплавка и жидкость достигает звукопровода. В металлическом стержне возбуждается продольная волна. Ультразвуковые импульсы принимаются пьезокерамическим преобразователем 8, закрепленным на верхнем торце стержня. Электрический сигнал с приемника через усилитель 9 поступает на вход счетчика времени 10, определяющего время распространения ультразвукового импульса по стержню. При работе системы по металлическому стержню протекает переменный электрический ток в несколько миллиампер и частотой 10 кГц, которого достаточно для индукционного питания и генерации электрического импульса амплитудой 20...30 В, подаваемого непосредственно на излучатель. Синхронный запуск излучателя осуществляется высокочастотным импульсом тока. Таким образом, схема синхронизации и формирования ультразвуковых импульсов работает автономно без внутреннего источника питания и независимо от положения поплавка. Все элементы излучателя расположены внутри герметичного корпуса поплавка, изготовленного из нержавеющей стали. Уровнемер представляет собой единый электронный блок, устанавливаемый на крышке стандартного технологического отверстия резервуара, в которое опускается металлический стержень. Сигнал, поступающий с уровнемера на вход ЭВМ, подвергается обработке с помощью программного пакета, позволяющего рассчитывать уровень и расход жидкости в нескольких (до 10) резервуарах. 10. ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ Физические методы анализа основаны на использовании зависимости какого-либо физического эффекта или физического свойства вещества от его состава. Для газового анализа используют плотность, вязкость, теплопроводность, магнитную восприимчивость, тепловой эффект реакции и т. д. По изменению специфических физических эффектов или физических свойств возможно определить концентрацию измеряемого компонента в многокомпонентной газовой смеси. 10.1. Физические газоанализаторы В физических газоанализаторах для анализа компонента в газовой смеси чаще всего используют такие свойства газовой смеси, как теплопроводность, магнитная восприимчивость, тепловой эффект химической реакции и др. Условие выбора физического свойства: аддитивность свойств выбранной физической величины в данной газовой смеси. Газоанализаторы обычно имеют блочно-модульную конструкцию и состоят из нескольких блоков: выносного первичного измерительного преобразователя (датчика); блока питания; блока подготовки газа, включающего фильтр, побудитель расхода, индикатор расхода и т. п.; измерительного прибора общепромышленного исполнения (расстояние между блоками не более 200 м). Промышленные автоматические газоанализаторы предназначены для определения содержания контролируемых компонентов в газовых смесях технологических процессов, в окружающей воздушной среде, в производственных помещениях. Термокондуктометрические, термомагнитные, термохимические, оптические абсорбционные в ИК- и УФ-области спектра газоанализаторы предназначены в основном для анализа одного компонента в газовой смеси. Хроматографические газоанализаторы предназначены для анализа многокомпонентных смесей. Принцип их действия основан на использовании для разделения смесей способности в различной степени адсорбироваться на выбранном адсорбенте при пропускании газовой смеси через неподвижный слой адсорбента и выделении соответствующих компонентов газов и жидкостей в хроматографической колонке. 10.1.1. Термокондуктомегрические газоанализаторы Принцип действия термокондуктометрических газоанализаторов основан на зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации определяемого компонента. Можно считать, что теплопроводность является аддитивным свойством; для бинарной газовой смеси для данной температуры (в первом приближении)  где  — молярные доли компонентов; — теплопроводности этих компонентов, Вт/(м • К).Измерив теплопроводность бинарной смеси и зная теплопроводность чистых компонентов, можно вычислить концентрации компонентов в смеси. Применимость метода теплопроводности ограничивается определенной областью концентраций. Принципиальная схема термокондуктометрического газоанализатора показана на рис.  . В плечи измерительного неуравновешенного моста включены одинаковые сопротивления, например, в виде платиновых нитей (или полупроводниковых терморезисторов) /, нагреваемых током. По сути, эти сопротивления — нагревательные элементы. Через сопротивления протекает одинаковый постоянный ток и нагревает их. Два сопротивления, включенные в противоположные плечи моста, помещаются в камеры, через которые пропускается измеряемый газ, а два других — в камеры 2, наполненные воздухом (сравнительный газ). До тех пор, пока отвод теплоты от нагревательных элементов в измерительных и сравнительных камерах одинаков, мост находится в равновесии. Рис. 107. Измерительная мостовая схема термокондуктометрического газоанализатора. Если теплопроводность измеряемой газовой смеси, подаваемой в измерительные камеры, отличается от теплопроводности воздуха (выбран как сравнительный газ), то теплоотдача от нагреваемых нитей к стенкам камеры изменяется, что приводит к изменению температуры нитей и, соответственно, к изменению их сопротивления. Равновесие моста нарушится и в диагонали моста cdпоявляется напряжение разбаланса, пропорциональное содержанию определяемого компонента. Наблюдается такая схема преобразования концентрации анализируемого газа в разбаланс напряжения:  Напряжение разбаланса измеряется, например, потенциометром 3. Чтобы избежать проявления дополнительных приборных погрешностей за счет влияния температуры окружающей среды на результат измерения, блок измерительных камер газоанализатора термо-статируют, помещая их, например, в один металлический блок. Недостатки: большая погрешность измерения (основная погрешность составляет 2,5... 10 % в зависимости от интервала измерения), отсутствие селективности. Область применения: непрерывный контроль содержания водорода в азотоводородной смеси в производстве синтетического аммиака; водорода в газе карбидных печей и в производстве электролитического водорода; аммиака в аммиачно-воздушной смеси в производстве азотной кислоты; диоксида серы в печном газе в производстве серной кислоты и т. д. 10.1.2. Термохимические газоанализаторы Принцип действия термокаталитических (термохимических) газоанализаторов основан на беспламенном сжигании (окислении) углеводородов на поверхности каталитического активного элемента и измерении количества выделившейся при этом теплоты, которое пропорционально концентрации углеводородов и паров горючих жидкостей. Выпускаются две основные модификации термокаталитических газоанализаторов. В первой (рис. 108, а), наиболее распространенной конструкции, реакция сжигания осуществляется на активированной поверхности нагретой платиновой нити (измерительный элемент), помещаемой в измерительную проточную камеру и служащей одновременно чувствительным элементом для измерения температуры. Нить R, нагревается постоянным током и на ней происходит каталитическое окисление пропускаемой горючей смеси. Сравнительный элемент (точно такая же платиновая нить сопротивлением ) находится в закрытой сравнительной камере, заполненной воздухом. Оба платиновых сопротивления вместе с двумя другими сопротивлениями образуют неуравновешенный измерительный мост. Выделяющаяся в результате каталитического окисления горючих компонентов теплота приводит к повышению температуры измерительного элемента. Его сопротивление изменяется, и возникает разбаланс измерительного моста — мера концентрации горючих компонентов. Во второй модификации (рис. 108, б) применяется насыпной твердый катализатор /, помещаемый в проточную термостатируемую камеру сжигания. Повышение температуры, вследствие теплового эффекта реакции сгорания, измеряется термометром сопротивления 2.  где— теплота сгорания.  Рис. 108. Измерительные мостовые схемы термохимического газоанализатора: а — с проволочным платиновым каталитическим чувствительным элементом; б — с проточной термостатируемой камерой (/ — твердый насыпной катализатор; 2 — термопреобразователь сопротивления) В результате беспламенного горения появляется следующая схема преобразования концентрации анализируемого (горючего) газа в разбаланс напряжения: Напряжение разбаланса (рис. 108, а, б) можно измерить потенциометром. Недостатки: ограниченный диапазон измерений; отсутствие селективности; низкие быстродействие и чувствительность; отравляемость чувствительного элемента; обязательное присутствие кислорода в контролируемой среде. Область применения: чаше всего для измерения довзрывных концентраций углеводородов и паров горючих жидкостей. 10.1.3. Термомагнитные газоанализаторы Принцип действия основан на использовании температурной зависимости парамагнитной восприимчивости кислорода, выраженной уравнением Кюри:  где— удельная магнитная восприимчивость; с — постоянная Кюри. При повышении температуры магнитная восприимчивость снижается. Принципиальная схема термомагнитного газоанализатора с кольцевой камерой показана на рис. 109. Поток анализируемого газа на входе в кольцевую камеру разделяется на два потока, которые протекают по двум половинам кольцевой металлической камеры 1. Камера имеет поперечное сечение в виде тонкостенной стеклянной трубки 3, образующей собственно анализатор. На трубку снаружи намотаны две одинаковые нагревательные проволочные секции из металла с высоким температурным коэффициентом сопротивления (Pt; Ni), представляющие собой два сопротивления иизмерительного моста. Двумя другими плечами моста служат постоянные манганиновые сопротивления и Сопротивления и нагреваются до 200...300 °С электрическим током от стабилизированного источника питания (ИПС). Половина трубки с сопротивлениемнаходится между полюсами сильного магнита 2. При отсутствии кислорода в анализируемой смеси поток разделяется на две равные части, омывающие сопротивления и , не нарушая равновесие моста. Если холодный анализируемый газ содержит кислород, то он сильнее втягивается в трубку со стороны магнита. Согласно уравнению (5.112), при нагревании газовой смеси, содержащей кислород, магнитная восприимчивость смеси снижается. Более холодные свежие порции смеси вытесняют нагретые, что приводит к образованию постоянного газового потока («магнитного ветра») через поперечную трубку. Сопротивление, расположенное вблизи магнитных полюсов, несколько охлаждается, а другое сопротивление на столько же нагревается. Возникающая между сопротивлениями разность температур и соответственно разность сопротивлений является мерой содержания кислорода в анализируемом газе. Напряжение разбаланса измерительного моста можно измерить потенциометром 4.  Рис. 109. Схема термомагнитного газоанализатора с кольцевой камерой. 10.1.4. Оптические абсорбционные в ИК-области спектра газоанализаторы Действие оптико-акустических газоанализаторов основано на способности определяемого газа поглощать инфракрасное излучение. Этой способностью обладают все газы, за исключением одноатомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора. Каждый газ поглощает инфракрасное излучение только в своих, характерных для него участках спектра. Интенсивность монохроматического излучения, прошедшего слой поглощающего газа, определяется законом Бугера—Ламберта—Бера:  где  — интенсивность монохроматического излучения до и послепрохождения слоя поглощающего газа;— коэффициент поглощения, характерный для данного газа и определенной длины волны; — объемная концентрация газа, поглощающего излучение;— толщина слоя поглощающего газа. Для измерения интенсивности излучения, прошедшего слой анализируемого газа, используют оптико-акустический эффект: газ, способный поглощать ИК-лучи, в замкнутом объеме подвергается прерывистому воздействию инфракрасного излучения, при этом смесь периодически нагревается (в результате поглощения излучения) и охлаждается (при прекращении излучения). Колебания температуры вызывают колебания давления газа, воспринимаемые звуковым приемником. Принципиальная схема двухканального оптико-акустического газоанализатора показана на рис. 110. От двух источников (излучателей) 3 с отражателями 2 потоки инфракрасного излучения, практически одновременно прерываемые обтюратором 4 (вращается электродвигателем У) с определенной частотой, проходят две камеры 5 и 6, затем фильтровые камеры 7 и попадают в лучеприемник 8. Сравнительная непроточная камера 6 заполнена азотом, а в рабочую Камеру 5 поступает анализируемый газ. Окна рабочей, сравнительной и фильтровых камер, а также лучеприемника выполнены из материала, пропускающего ИК-излучение. Фильтровые камеры заполняются неопределяемыми мешающими газами, спектры поглощения которых могут частично перекрывать спектр поглощения определяемого компонента. Таким образом присутствие в анализируемой смеси мешающих газов не будет приводить к увеличению погрешности измерения, так как они будут поглощать ИК-излучение в характерных для них участках спектра в обоих каналах — как измерительном, так и сравнительном, и разность интенсивности потоков ИК-излучения, поступающего в левую и правую камеры лучеприемника, будет зависеть от концентрацией в анализируемой смеси только определяемого компонента. Лучеприемник 8 состоит из двух камер, разделенных конденсаторным микрофоном 9 и заполненных смесью азота с определяемым компонентом. Периодически газ в лучеприемнике 8 нагревается (за счет поглощения энергии) и охлаждается, что приводит к возникновению в замкнутом объеме лучеприемника периодических колебаний температуры, вызывающих периодические колебания давления газа. При равенстве интенсивностей инфракрасного излучения в правой и левой частях лучеприемника 8 мембрана конденсаторного микрофона неподвижна. Если интенсивность поступающего инфракрасного излучения в левую лучеприемную камеру будет меньше, чем в правую, то и амплитуда периодического колебания давлений в левой лучеприемной камере будет меньше, чем в правой. При этом разность давлений, действующая на мембрану конденсаторного микрофона, будет тем больше, чем больше будет концентрация определяемого компонента в анализируемой газовой смеси. Амплитуда колебаний мембраны и связанное с ней изменение выходного сигнала пропорциональны разности давлений в лучеприемных камерах, а следовательно, и концентрации определяемого компонента в газовой смеси. Колебания давления могут быть преобразованы конденсаторным микрофоном 9 в электрический выходной сигнал, который можно измерить. Описанное оптико-акустическое явление известно как явление Тиндаля—Рентгена, которое наблюдалось этими учеными при звуковых частотах модуляции излучения. Выходной сигнал конденсаторного микрофона после преобразования в напряжение и прохождения усилителя 10 подается на реверсивный двигатель //, перемещающий одновременно стрелку прибора и компенсирующую заслонку 12. Собственно перемещение компенсирующей заслонки 12 и уравнивает потоки инфракрасного излучения на выходе из камер 5 и 6.  Рис. 110. Схема оптико-акустического газоанализатора. Селективность оптико-акустических анализаторов повышают, применяя набор светофильтров с узким диапазоном длин волн пропускаемых лучей. Достоинствами оптико-акустических газоанализаторов являются высокая чувствительность, хорошая избирательность, высокое быстродействие, широкий диапазон измерений, высокая точность и долговечность. Примечание Для измерения интенсивности ИК-излучения в оптических абсорбционных газоанализаторах применяются также светодиоды. Ослабленный поток излучения, прошедшего слой поглощающего газа, попадает на фотоприемник. Отношение сигналов от рабочего и опорного свето-диодов зависит от концентрации анализируемого газа. Это отношение устанавливается при калибровке и записывается в память микроконтроллера. Полученные сигналы пересчитываются микропроцессором в объемную концентрацию анализируемого газа с учетом температурной коррекции. 10.1.5. Оптические абсорбционные в УФ-области спектра газоанализаторы Принцип действия основан на оптико-абсорбционном методе измерения ультрафиолетовой энергии излучения анализируемым компонентом газовой смеси. Газоанализаторы этого типа имеют большую чувствительность к парам ртути, ацетона, к хлору, озону и ряду других газов, наличие которых удается обнаружить с точностью тысячных долей процента. |