|
|
лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
10.2. Измерение концентрации растворов
Автоматический непрерывный контроль жидкостей осуществляется измерительными устройствами, монтируемыми непосредственно в технологическом аппарате или в трубопроводе, при соблюдении следующих условий: измерительное устройство должно иметь термокомпенсацию или контролируемая среда должна находиться в изотермических условиях и не менять своего физического состояния; первичный измерительный преобразователь, погруженный в измеряемую среду, не должен создавать в ней застойные зоны. В противном случае датчик анализатора следует установить вне технологического аппарата, применяя специальные пробоотборные устройства.
Широко применяются традиционные автоматические анализаторы состава технологических жидкостей, использующие кондуктометрический, потенциометрический, денсиметрический и ультразвуковой методы.
Примечание
Разработка автоматических систем отбора и подготовки проб с микропроцессорным управлением получения и обработки информации позволила значительно развить вискозиметрический, ультразвуковой, титрометри-ческий и другие методы.
10.2.1. Кондуктометрические анализаторы
Принцип действия кондуктометрического анализатора основан на зависимости удельной электрической проводимости раствора от количества и природы содержащихся в растворе веществ. Широкое распространение получили контактные кондуктометрические анализаторы. Их чувствительный элемент представляет собой электродную ячейку, погруженную в измеряемый раствор, с помощью которой измеряется его электрическая проводимость, зависящая от состава и количества находящихся в нем веществ.
Двухэлектродные ячейки применяют для анализа чистых разбавленных растворов с удельной электрической проводимостью до Ю
5 См/м и в сигнализаторах, когда не требуется достижения высокой точности измерения. В трехэлектродной ячейке внешние электроды соединены между собой и вместе с внутренним электродом образуют две параллельно включенные двухэлектродные ячейки. В такой ячейке незначительны внешние наводки. В четырехэлектродной ячейке переменное напряжение подводится к двум крайним электродам, между которыми в растворе протекает ток. Два внутренних электрода служат для измерения падения напряжения, которое создает ток на участке раствора между ними. Четырехэлектродные ячейки применяют для анализа чистых растворов с удельной электрической проводимостью до См/м.
Этот способ используют при измерения концентрации электролитов.
Электропроводность гомогенных многокомпонентных жидких смесей в первом приближении подчиняется правилу аддитивности:
где— удельная электропроводность жидкой смеси, См/м; — молярная долякомпонента ;— удельная электропроводностькомпонента в жидкой смеси;— число компонентов-электролитов в растворе.
Электропроводность дисперсных систем, составленных из электропроводной сплошной фазы и неэлектропроводной дисперсной фазы, зависит от концентрации неэлектропроводных диспергированных частиц.
Электропроводность неоднородной гетерогенной среды не подчиняется правилу аддитивности, и ее определяют экспериментально.
Проводя измерение электропроводности жидких растворов (изменяется только концентрация определяемого компонента), измерение электропроводности гетерогенных систем (суспензии, эмульсии и т. д.), у которых изменяется только содержание дисперсной фазы, возможно непрерывно контролировать изменение концентрации определяемого компонента.
Кондуктометрические датчики, как правило, устанавливают в технологических аппаратах и трубопроводах, при этом специальная подготовка пробы к измерениям не нужна.
10.2.2. Потенциометрические анализаторы
Потенциометрический метод основан на измерении электродных потенциалов, функционально связанных с концентрацией (активностью) определяемого вещества в растворе. Электроды представляют собой окислительно-восстановительные системы. Измеряемый потенциал отвечает равновесному состоянию, установившемуся на электроде между окисленной и восстановленной формой определяемого вещества, и в общем виде может быть определен по уравнению Нернста:
где Е — электродный потенциал, В;— стандартный электродный потенциал — потенциал электрода, измеренный в стандартных условиях (25 °С, 101,325 кПа, ), В; п — число электронов, обменивающихся между окисленной и восстановленной формами вещества;  — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура, К; — постоянная Фарадея; — активность окисленной и восстановленной форм вещества соответственно, моль/л.
Абсолютное значение электродного потенциала (5.115) непосредственно измерить нельзя, для его измерения применяют гальванический элемент, в котором один электрод является индикаторным (измерительным), а другой — электродом сравнения. Индикаторный электрод помещают в контролируемую жидкую среду. Потенциал индикаторного электрода определяется концентрацией (активностью) ионов в растворе. В качестве электрода сравнения используют стандартные электроды (например, металлический электрод, помещенный в насыщенный водный раствор соли), имеющие постоянный потенциал . Потенциал электрода сравнения зависит от температуры, поэтому его располагают в контролируемой среде в непосредственной близости от индикаторного электрода (или в специальном неметаллическом сосуде с раствором электролита). Электрический контакт электрода сравнения с контролируемой средой в последнем случае реализуется через практически непроточный ключ.
ЭДС гальванической цепи, составленной из индикаторного электрода и электрода сравнения, помещенных в контролируемую жидкую среду, составит
Рис. 111. Ионоселективные электроды:
а — стеклянный мембранный электрод; металлические электроды с напыленным слоем металла (б), проволочный (в), точечный (г); д — электрод с твердой мембраной
Потенциометрический метод применяется для измерения концентраций кислот, оснований, солей в водных и неводных средах, а также для контроля рН водных растворов прямым потенциометрическим измерением. Возможности потенциометрического метода расширились с появлением ионоселективных электродов (рис. 111). В конструкцию такого электрода входит мембрана, проницаемая только для определяемого иона, тем самым обеспечивается избирательный анализ одних ионов в присутствии других. В стеклянном мембранном электроде (рис. 111, а) ионообменной мембраной служит шарик из стекла определенного сорта, припаянного к стеклянной трубке. Трубка заполнена стандартным (внутренним) раствором с постоянной активностью ионов водорода, и в нее опушен проводник — серебряная проволока. Разность потенциалов между стеклянной ионообменной мембраной и внутренним полуэлементом (система проводник—внутренний раствор) составляет потенциал стеклянного электрода. В состав стеклянной ионообменной мембраны входят атомы натрия, способные к активному электрохимическому обмену с контролируемой средой при рН > 10. При рН > 12, вследствие интенсивного электрохимического обмена, электрод «выщелачивается».
Металлические индикаторные электроды с напыленным слоем металла на нейтральную поверхность (рис. 111, б), проволочный (рис. 111, в) или припаянный одним концом к нейтральной поверхности в виде капли — точечный (рис. 111, г) в контролируемой среде вступают в электрохимическое взаимодействие с ионами, присутствующими в этой среде. Электродный потенциал, устанавливающийся на индикаторном электроде, обусловлен совокупностью процессов, протекающих при этом, в том числе коррозией металла в контролируемой среде. Поэтому наибольшей селективностью при потенциометрическом контроле многокомпонентных технологических сред обладают индикаторные электроды, изготовленные из благородных металлов (платина, золото, иридий и т. д.). На рис. 111, д представлен индикаторный ионоселективный электрод с разделительной твердой мембраной (кристалл, пленка, таблетка), выполняющий ту же функцию, что и стеклянный шарик в стеклянном мембранном электроде.
Замечание
В настоящее время большое внимание уделяется разработке химических сенсоров на основе ионоселективных полевых транзисторов.
Автоматический потенциометрический контроль технологических водных низкоконцентрированных растворов и суспензий используется для управления процессами нейтрализации и для автоматического поддержания заданного интервала значений рН и рХ (X — ион) в технологических средах.
10.2.3. Денсиметрические анализаторы
Для непрерывного автоматического контроля плотности практически любых жидких растворов, суспензий применяются пьезо-компенсационные плотномеры; для контроля плотности низковязких технологических растворов — пневматические поплавковые плотномеры. Для бесконтактного контроля технологических растворов, суспензий, эмульсий, протекающих по технологическим трубопроводам, используются бесконтактные радиоизотопные-плотномеры.
  
Рис. 112. Расположение источника (1) и приемника (2)-излучения плотномера относительно трубопровода диаметром d < 0,2 м (а), d = 0,2...0,3 м (б) и d > 0,3 м (в)
Принцип действия радиоизотопного плотномера основан на измерении ослабления интенсивности-излучения, проходящего через слой вещества толщиной, которое описывается основным оптическим законом:
где — интенсивность-излучения на входе в слой вещества толщинойи на его выходе соответственно;— коэффициент поглощения.
Радиоизотопные-плотномеры измеряют плотность технологических жидких сред в интервале 500...3500 кг/м3. Плотномер устанавливают вблизи технологического аппарата или трубопровода, обычно диаметром 0,1...0,3 м и более (рис. 5.112).
Погрешности денсиметрического контроля связаны с появлением в контролируемой среде дисперсной фазы (твердой, жидкой, газообразной), способной не только поглощать, но и рассеивать поток-излучения, а также колебаниями температуры контролируемой среды.
10.2.4. Ультразвуковые анализаторы
Ультразвуковой метод анализа жидкостей основан на измерении скорости распространения и поглощения ультразвуковой волны в контролируемой среде. Эта скорость определяется химической природой жидкости и при постоянной частоте ультразвуковой волны зависит от концентрации составляющих компонентов, плотности, вязкости, сжимаемости и температуры анализируемой среды.
Ультразвуковым методом можно определять состав различных жидких сред, в том числе суспензий и эмульсий.
 
Рис. 113. Схемы датчиков ультразвуковых приборов с излучателем и приемником (а) и с совмещенным излучателыю-приемным элементом и отражателем (б):
1 — пьезоэлектрический резонатор, излучающий и (или) воспринимающий энергию ультразвуковых волн; 2 — камера; 3 — разделительная мембрана; 4 — фиксатор размещения элементов датчика; 5 — отражатель
Достоинства ультразвукового метода: анализируется весь объем пространства, заполненный контролируемой средой; измерения можно проводить при различных частотах, что позволяет осуществлять регулирование чувствительности измерительного прибора к параметрам контролируемой среды.
Чувствительные элементы ультразвуковых приборов (пьезоэлектрические излучатели и приемники) погружаются в контролируемую среду в защитных металлических корпусах во взрывобезопас-ном исполнении. В качестве излучающего и воспринимающего чувствительных пьезоэлементов применяют кристаллы ниобата лития. Точка Кюри ниобата лития близка к 500°С. Это позволяет использовать ультразвуковые приборы для контроля состава жидкости в любых ХТП. На рис. 113 приведены схемы двух вариантов датчиков ультразвуковых приборов. Пьезоэлектрические излучатель и приемник 1 помещают каждый в закрытую камеру 2 и прикрепляют через звукопроводящий слой к мембране 3. Датчик погружается в жидкую контролируемую среду таким образом, чтобы на его элементах не могли оседать твердые частицы. Контакт мембраныили отражателя 5 в датчиках первого и второго вариантов с контролируемой средой возникает сразу при погружении в нее датчиков.
10.3. Химические газовые сенсоры
Химические газовые сенсоры можно рассматривать как средство диагностики окружающей среды. Именно в охране окружающей среды в будущем химическим сенсорам будет принадлежать ведущая роль. В СУ ХТП химические газовые сенсоры, подобно компьютерам, представляют собой элементы глобальной информационной сети.
Рис. 114. Принципиальная схема химического газового сенсора.
Под химическим газовым сенсором (ХГС) понимают датчик концентрации компонентов в газе. Он обладает следующими свойствами: работа в реальном масштабе времени, обратимость показаний, высокая чувствительность, миниатюрность. ХГС является своеобразным хроматографом размером с небольшую монету, «настроенным» на один или несколько компонентов.
Основными функциональными элементами химического газового сенсора, представленного на рис. 114, являются рецептор, преобразователь, электронное устройство. Рецептор 1 — элемент (материал), какие-либо свойства которого изменяются под действием анализируемого газового вещества. Такими свойствами могут быть масса, размеры, электропроводность, диэлектрическая проницаемость и др. Конструктивно рецептор представляет или тонкую газосорбирующую пленку, или оболочку оптического волокна, или миниатюрную электрохимическую ячейку. Преобразователь 2 преобразует реакцию рецептора в электрический (реже оптический) сигнал. Как правило, преобразователи представляют собой миниатюрные устройства, например, полевые транзисторы, оптические волокна, разнообразные акустические электронные устройства и др. Электронное устройство 3 считывает сигнал, поступающий с преобразователя, обрабатывает его либо в цифровой сигнал, либо пороговый «тревожный» сигнал и посылает на регистрирующее устройство 4.
В основу классификации химических газовых сенсоров положен механизм работы преобразователя, и в соответствии с этим выделяют электрохимические, электрические, оптические, акустические, магнитные, термические сенсоры.
1. ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
1.1. Классификация объектов управления
Классификацию ОУ можно провести по ряду признаков: по количеству выходных величин в математической модели объекта, по классу дифференциальных уравнений, по функциональной зависимости (линейной или нелинейной) между выходными и входными величинами в статическом режиме и т. д.
1.1.1. Одномерные и многомерные объекты
Одномерный объект — объект управления, математическая модель функционирования которого содержит одну выходную величину. Входных величин может быть несколько. Можно представить, что влияние входной величины на выходную величину распространяется внутри объекта по некоторому воображаемому пути, называемому динамическим каналом.
Многомерный объект — объект управления, математическая модель функционирования которого содержит несколько выходных величин. Для многомерного объекта число уравнений вида соответствует числу выходных величин. Многомерные объекты могут быть односвязны-ми и многосвязными.
1.1.2. Односвязные и многосвязные объекты
Односвязный объект — объект управления, в математической модели функционирования которого каждая входная величина влияет только на одну входную величину. Иначе говоря, многомерный односвязный объект — это объект с независимыми выходными величинами. Такие объекты разбивают на несколько одномерных объектов и рассматривают независимо друг от друга.
Многосвязный объект — объект управления, в котором хотя бы одна входная величина влияет одновременно на несколько выходных величин. Иначе говоря, выходные величины многомерного многосвязного объекта являются взаимозависимыми, что объясняется присутствием в таких объектах перекрестных связей между параметрами.
Примером многомерного (двухмерного — по числу выходных координат) многосвязного объекта может служить реактор идеального смешения, в котором проводится экзотермическая реакция.
1.1.3. Линейные и нелинейные объекты
Линейный объект — объект управления, в математической модели функционирования которого все зависимости между величинами могут быть представлены линейными функциями.
В общем случае необходимым условием линейности объекта управления (как и любой другой системы) является соответствующая взаимосвязь между входным воздействием и реакцией объекта
на это воздействие . Если к объекту, находящемуся в состоянии покоя, приложить возмущающее воздействие , то на выходе появится реакция . Если при тех же условиях подвергнуть объект воздействию , то он даст соответствующую реакцию . Необходимым условием линейности является то, чтобы при возмущающем воздействии объект давал реакцию . Это положение обычно называют принципом суперпозиции.
Кроме того, линейный объект должен обладать свойством гомогенности (однородности). Необходимо, чтобы при изменении входной переменной в к раз (= const) реакция (выходная переменная) объекта изменилась в то же число раз, т. е. оказалась равна
Нелинейный объект — объект/управления, в математической модели функционирования которого хотя бы одна зависимость между величинами является нелинейной функцией.
1.1.4. Объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами
Выходные величины объектов с сосредоточенными параметрами не зависят от пространственной координаты и имеют в данный момент времени одно и то же числовое значение в каждой точке внутри объекта. Примерами таких объектов являются: химический реактор идеального смешения, резервуар со свободным истечением жидкости, газгольдер и т. д.
Объекты управления с сосредоточенными параметрами, свойства которых не изменяются во времени, называются стационарными и описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Дифференциальные уравнения дополняются начальными условиями.
Выходные величины объектов с распределенными параметрами в данный момент времени имеют разные числовые значения в различных точках объекта. Основные переменные процесса в объекте с распределенными параметрами изменяются и во времени, и в пространстве. Математическая модель объекта управления с распределенными параметрами содержит хотя бы одно дифференциальное уравнение с частными производными. Примерами объектов с распределенными параметрами являются трубчатые реакторы, массо-обменные колонные аппараты (ректификационные, дистилляционные, абсорбционные, экстракционные), кожухотрубные теплообменники, теплообменники «труба в трубе» и т. д.
|
|
|
Скачать 2.38 Mb.