Контроль та вимірювання параметрів рідин і газів

Границі основної похибки, яка допускається, термокондукто-метричних газоаналізаторів для визначення СО₂ у газовій суміші не перевищують 2-2,5% діапазону вимірювання. Зміна показань газоаналізаторів при змінюванні температури навколишнього повітря від 20 до 50⁰С не перевищує +2-2,5%

Термокондуктометричнй принцип вимірювання (вимірювання за теплопровідністю) застосовується для визначення (крім СО₂) таких компонентів, як Н₂, S0₂, Аr, 0₂, NH₃ у топкових газах і в газах при виробництві аміаку, хлору, аргону, сірчаної кислоти, а також для визначення концентрації водню в системі водневого охолодження турбогенераторів на теплових електростанціях. Недоліками таких типів газоаналізаторів є великий час установлення показань (інерційність), що досягає 120 секунд, і підвищена похибка (до 5%).

Термохімічний аналізатор працює за принципом використання теплового ефекту хімічної реакції, що має перебіг між обумовленим компонентом аналізованої суміші і допоміжним реагентом. Сигналом вимірювальної інформації в термохімічних аналізаторах є температура, значення якої залежить від теплового ефекту хімічної реакції. Термохімічний принцип аналізу використовується для створення аналізаторів газів і рідин. Для створення термохімічних газоаналізаторів використовуються хімічні реакції окислювання на каталітично активній поверхні, у полум'ї та у газових потоках. Для термохімічних газоаналізаторів рідин застосовуються реакції розбавлення (розведення), нейтралізації і змішування, а також реакції з використанням специфічних реагентів.

На рис.8.3 подана схема термохімічного газоаналізатора, у роботі якого використовується тепловий ефект реакції окислювання горючих газів на каталітично активній поверхні. У термохімічному аналізаторі (рис.8.3) аналізований газ повітряним ежектором (струминним насосом) 3 прокачується через кран 10 і камеру 1. У камері розміщені вибухозапобіжні сітки 2 і 7, вимірювальний 4 і порівняльний 5 чутливі елементи. Останній закритий ковпачком 6 і служить для усунення впливу зміни навколишньої температури на сигнал газоаналізатора. Як чутливі елементи в цих газоаналізаторах використовуються платинові проводки з активованою поверхнею. Чутливі елементи в термохімічних газоаналізаторах нагріваються струмом електричного мосту 8 до температури 200-500⁰С. При згоранні на поверхні вимірю-вального чутливого елемента горючого компонента, який потрібно визначити, температура елемента збільшується, що викликає збільшення електричного опору платинового проводка, а це, у свою чергу, спричиняє розбаланс електричного мосту, вимірюваний вторинним приладом 9.

Газоаналізатор, показаний на рис.8.3, у цей час є одним з найпоширеніших у промисловості засобів аналітичної техніки з тієї причини, що він використовується як сигналізатор вибухонебезпечних концентрацій газів і пари у повітрі. Значення, які сигналізуються, 5-50% від нижньої межі вибуху для горючих газів, пари і 5-20% -- для сумішей повітря-водень, час реакції 30 с.

8.4 Магнітні газоаналізатори

В основу роботи магнітних газоаналізаторів покладені різні явища, пов'язані із взаємодією обумовленого компонента аналізованої (у загальному випадку багатокомпонентної) газової суміші з магнітним полем.

Гази, які втягуються в магнітне поле, називають парамагнітними, а ті гази, які виштовхуються з магнітного поля, -- діамагнітними. Кількісно магнітні властивості газів визначаються величиною, так званою магнітною сприйнятливістю. Магнітна сприйнятливість парамагнітних газів є позитивною величиною, діамагнітних газів - негативною. Вона має властивість адитивності. Переважна більшість газів і пари є діамагнітними.

Магнітні газоаналізатори використовуються для визначення тільки концентрації кисню в газовій суміші, тому що кисень на відміну від інших газів має сильні магнітні властивості, який є парамагнітною речовиною. Якщо відносну магнітну сприйнятливість кисню взяти за одиницю, то ця величина для всіх інших газів на два порядки менша, ніж у кисні. Тобто всі гази, крім кисню, є практично немагнітними речовинами. Таким чином, магнітні властивості газової суміші залежать від концентрації кисню в газі, а такі гази, як NО і NO₂, які проявляють магнітні властивості, практично не впливають на магнетизм газової суміші через їх малі концентрації.

Існує кілька методів вимірювання магнітної сприйнятливості газової суміші, що містить кисень. Найбільшого поширення дістав метод, що називається термомагнітною конвекцією. У магнітному газоаналізаторі аналізований газ під дією магнітного поля втягується в спеціальну вимірювальну камеру, у якій знаходиться чутливий елемент, що нагрівається електричним струмом. Газ, зіштовхуючись із чутливим елементом, нагрівається, і кисень втрачає свої магнітні властивості. Внаслідок цього нагрітий газ виштовхується з камери, розміщеної в магнітному полі, холодним газом, і таким чином виникає безперервний потік газу через вимірювальну камеру.

На рисунку 8.4 наведена схема магнітного газоаналізатора, у якому використовується схема вимірювання на основі нерівноважного мосту. Мостова схема живиться постійним струмом від батареї Б, підключеної до живильної діагоналі 1-2. Всі плечі мосту R₁, R₂, R₃, R₄ являють собою платинові нагрівачі, виконані із проводу діаметром 0,02 мм, які намотані на скляний стрижень.

Через дві вимірювальних камери R₂ і R₃ безупинно прокачується аналізований газ, який містить кисень. Одна з камер R₂ поміщена в поле постійного магніту. Чим більше склад кисню в газовій суміші, тим більший об'єм газу втягується в магнітне поле, проходячи через нагрівач R₂. Таким чином, температура нагрі-вача R₂ буде визначатися вмістом кисню в аналізованому газі. Більший об'єм газу, що проходить через магнітну камеру R₂ у порівнянні з камерою R₃, знижує температуру нагрі-вача R₂ і зменшує його електричний опір. Виниклий розбаланс мосту при цьому, тобто R₁·R₃>R₄·R₂, приводить до появи різниці потенціалів між точками 3 і 4, який вимірюється вольтметром ВП, градированому за відсотковим складом кисню в газовій суміші.

Одномостова вимірювальна схема магнітного газоаналізатора застосовується як у переносному, так і в стаціонарному варіанті для вимірювання вмісту кисню в продуктах згорання нагрівальних і плавильних печей, а також котельних установок. Гранична похибка приладу залежить від діапазону вимірювання і перебуває в інтервалі від +2 до ±10%.

8.5 Дифузійні газоаналізатори

Принцип дії дифузійних газоаналізаторів базується на процесі переносу речовини (компонента суміші) під дією градієнта його концентрації. Цей перенос може відбуватися при зіткненні речовин одна з одною (дифузія) або крізь тверду речовину (трансфузія, або проникнення). Процес переносу речовини пов'язаний з хаотичним тепловим рухом молекул, що відбувається у напрямку зменшення концентрації речовини і якій веде до його рівномірного розподілу за займаним об'ємом. Проникнення через тверде тіло визначається наявністю розривів у їх кристалічних решітках, нерегулярних щілин і пор у макроструктурі твердої речовини або розчиненням газів і пари у твердій речовині. Найбільш швидко процес переносу речовини під дією градієнта концентрації відбувається в газах, що багато в чому визначає використання цього явища для автоматичного контролю концентрації газів.

Інтенсивність взаємного проникнення двох дотичних газів визначається коефіцієнтом їх взаємної дифузії, що залежить від молекулярних мас цих газів і полярності їх молекул. Коефіцієнт взаємної дифузії збільшується з підвищенням температури і зменшується з підвищенням тиску.

При взаємній дифузії двох газових об'ємів незалежна дифузія компонентів багатокомпонентної суміші спостерігається тільки при її попередньому 3 - 4-кратному розведенні.

На рис.8.5 показана схема дифузійного мембранного аналізатора концентрації водню. У цьому аналізаторі камери 2 і 1 розділені тонкою (10-20 мкм) мембраною зі сплаву паладію зі сріблом. Аналітичний пристрій аналізатора термостатирується при температурі 45°С. Через камеру 2 з постійною об'ємною витратою прокачується аналізований газ, який містить водень, а через камеру 1 -- допоміжний газ (наприклад, повітря або азот), що попередньо проходить через камеру 4. У камері 1 розміщені вимірювальний R_в, а в камері 4 -- порівняльний R_пор терморезистори. Ці терморезистори підключені до нерівноважного мосту 5 і утворюють термокондуктометричний детектор. При роботі аналізатора через мембрану з камери 2 у камеру 1 дифундує тільки водень, що додається до допоміжного газу і змінює теплопровідність газового потоку, який обмиває вимірювальний терморезистор R_в. Це обумовлює зміну сигналу нерівноважного мосту 5, сигнал вимірюється і реєструється самописним потенціометром 6.



Дифузійні газоаналізатори характеризуються на порядок більшою селективністю при вимірюванні концентрації необхідного компонента, ніж термохімічні, за рахунок істотно меншого впливу на їх показання змін концентрацій невизначуваних компонентів багатокомпонентних газових сумішей.

8.6 Сорбційні газоаналізатори

В основу роботи сорбційних газоаналізаторів покладені різні ефекти, що супроводжують процес сорбції (сорбція -- поглинання твердим тілом або рідиною речовини з навколишнього середовища). Це явище давно використовується в аналітичному контролі (наприклад волосяні вимірювачі вологи повітря, у яких сигнал вимірювальної інформації формується за рахунок зміни довжини волосся зі зміною вологості повітря). У сорбційних газоаналізаторах використовуються механічні, теплові, оптичні та електричні ефекти, що супроводжують процес адсорбції газів і пари.

Дилатометричний газоаналізатор (рис.8.6 а) призначений для вимірювання концентрації водню. У камері 2, через яку прокачується аналізований газ, розміщена тонкостінна трубка 1, виготовлена з паладію. Водень, який знаходиться в аналізованому газі, розчиняється в паладії. При цьому довжина трубки 1 за рахунок ефекту набрякання зі зростанням концентрації водню збільшується, тому що верхній кінець трубки 1 закріплений на корпусі 2, то її нижній кінець вільно переміщається. За допомогою ємнісного, індуктивного або пневматичного перетворювача переміщень 4 виміряються переміщення пластини 3, закріпленої на нижньому кінці трубки 1. Ці переміщення пов'язані з концентрацією водню в багатокомпонентних газових сумішах.

Відомі сорбційні дилатометричні газоаналізатори призначені для вимірювання концентрації пропану, бутану, діоксиду вуглецю або інших технічних газів, у яких замість паладієвої трубки використовується стрижень, виготовлений з адсорбенту (активоване вугілля, алюмогель, силікагель).

На рис.8.6 б показана схема газоаналізатора, базованого на визначенні маси обраного компонента аналізованої суміші, який поглинається. Останнє здійснюється шляхом вимірювання частоти або амплітуди коливань п'єзоелектричної (звичайно кварцової) пластини 1 (розмірами 12Ч12Ч0,2 мм), на поверхні якої розміщені електроди 3 і нанесений шар сорбенту 2. Пластина увімкнена в коливальний контур високочастотного (5-15 МГц) генератора 5 і розміщена в камері 4, через яку прокачується аналізований газ. При зміні концентрації обраного компонента, що селективно поглинається шаром сорбенту 2, змінюється маса останнього, яка змінює частоту коливання пластини, а отже, і частоту коливань генератора 5. Вихідний сигнал цього генератора надходить у змішувач 6. Частота биття, що виникає на виході змішувача, визначається з рівняння

, (8.1)

де f -- власна частота коливань пластини із шаром сорбенту;

N - частотний коефіцієнт, що залежить від типу зрізу кристала кварцу і форми пластини;

с і S -- густина і площа поверхневого шару пластини;

m -- маса сорбованої речовини.

Розглянутий газоаналізатор може використовуватися для вимірювання концентрації Н₂, NО₂, SO₂, NН₃, Н₂S і пари НСl, Нg, Н₂O ароматичних вуглеводнів та інших речовин при відповідному підборі шару сорбенту. За шар сорбенту звичайно використовуються різні рідкі фази, які використовуються в газорідинній хроматографії. При використанні газоаналізатора для вимірювання концентрації пари води, тобто як гігрометра, шар сорбенту виконують із діоксиду кремнію, пентоксиду фосфору та інших гігроскопічних полімерів і природних смол.

Інтенсивно розвивається напрямок автоматичного газового аналізу. Це такі методи і засоби, що базуються на використанні електричних явищ, які супроводжують процес сорбції. В основу роботи сорбційних електрокондуктометричних (кондуктометричних) газоаналізаторів покладено вимірювання провідності адсорбентів, виготовлених у вигляді гранул, пластин або плівок. Провідність істотно змінюється при сорбції газів або пари, як правило, матеріали, з яких виготовляють зазначені елементи, є напівпровідниками. При проходженні через камеру газоаналізатора аналізованого газу обраний компонент поглинається плівкою сорбенту і змінює її електричний опір.

На зазначеному принципі працюють хроматографічні газоаналізатори. Газова хроматографія є досить перспективним фізико-хімічним методом поділу газових сумішей на складові їх компонентів.

Xроматографічні газоаналізатори, побудовані на цьому принципі, служать для визначення складу у димових газах горючих компонентів (Н₂, СО, СН₄ та ін.), що характеризують хімічну неповноту палива, також і негорючих компонентів (СО₂, О₂, N₂ та ін.). Дія цих приладів базується на адсорбційному способі поділу проби газової суміші при пропущенні її разом з потоком допоміжного газу (газу-носія) через шар пористої речовини (адсорбенту) і подальшому почерговому вимірюванні вмісту кожного компонента, що виділився, електричним методом.

8.7 Випарні і конденсаційні аналізатори

За принципом дії випарні і конденсаційні газоаналізатори відносять до теплових засобів вимірювання, тому що в їх роботі використовуються теплові ефекти випаровування, кипіння і конденсації рідини.

Одним з найдавніших і поширених газоаналізаторів є психрометричний, або психрометр. Дія його базується на вимірюванні змін температури рідини при її випарюванні в аналізований газ, який містить компонент пари цієї рідини. Психрометри можуть використовуватися для вимірювання концентрації пари будь-яких рідин у газах, однак найбільш широко вони застосовуються для вимірювання концентрації пари води, тобто як гігрометри.

Концентрацію пари рідини в газах прийнято характеризувати абсолютною або відносною вологістю.

Абсолютна вологість визначається як маса пари рідини в одиниці об'єму сухого або вологого газу за нормальних умов.

Відносна вологість, або ступінь насичення газу парами рідини, визначається як відношення маси пари в одиниці об'єму до максимально можливої маси пари в одиниці об'єму при тій самій температурі, вираженої в %:

, (8.2)

де А-- значення абсолютної вологості газу при даній температурі;

А_н -- максимально можливе значення абсолютної вологості при даній температурі, що відповідає насиченню.

На практиці відносну вологість із достатньою точністю визначають із виразу

, (8.3)

де Р -- парціальний тиск пари рідини в газовій суміші при даній температурі і нормальному тиску;

Р_н -- тиск насиченої пари рідини за тих самих умов.

Психрометричний (випарний) аналізатор, схема якого показана на рис.8.7, призначений для вимірювання відносної вологості повітря.

Повітря за допомогою вентилятора 1 зі швидкістю 3-4 м/с прокачується через фільтри 4 і 5 камер 2 і 6, у яких розміщені платинові термо-резистори 3 і 8. Терморезистор 3 служить для вимі-рювання температури повітря, його називають сухим термометром. Термометр 8, який обгорнуто у бавовняну тканину 7, кінець її занурений у ванночку 9, заповнену дисти-льованою водою. Цей терморезистор називають мокрим термометром. При випарюванні води з поверхні терморезистора 8 в потоці повітря температура його зменшується, причому тим більше, чим менше його вологість. Опір терморезисторів 3 і 8 вимірюється спеціальним вторинним приладом 13. Для підтримування у ванночці певного рівня води служить бачок 12 із трубками 10 і 11. У міру випарювання води із терморезистора 8 її рівень у ванночці 9 знижується, відкривається нижній кінець трубки 11, через нього в бачок надходить повітря, і з бачка у ванночку 9 стікає вода. Коли вода перекриває нижній отвір трубки 11 у газовому просторі бачка поступово (у міру витікання з нього води) утворюється розрядження. Вода з бачка випливає до того часу, доти це розрядження стане достатнім для зрівноважування гідростатичного тиску, обумовленого різницею рівнів води в бачку і ванночці. Діапазон вимірювання психрометра 20-100% відносної вологості, класи точності 4-6; час реакції 3-5 хв.

Конденсаційний газоаналізатор (рис.8.8). У цей час такі газоаналізатори використовуються в основному як гігрометри. В основу їх роботи покладено вимірювання температури, при якій аналізований газ досягає при незмінному тиску стану насичення. З нього випадає конденсат (роса) рідини, конце-нтрація пари якої в газі вимірю-ється. Цю темпе-ратуру прийнято нази-вати темпе-ратурою точки роси (або інею), а аналізатори, що базуються на вимірюванні цієї температури, -- гігрометрами точки роси. Аналізований газ із постійною об'ємною витратою прокачується через камеру 3, у якій розміщений напівпровідниковий термоелемент (термопара) 1, який є холодильником. До холодного спаю цієї термопари припаяне металеве дзеркальце 2. До гарячого спаю термопари подається напруга постійного струму від автоматичного регулятора 8. При проходженні через напівпровідникову термопару постійного струму її холодний спай, а з ним і дзеркальце 2 охолоджуються. Охолодження відбувається до того часу, доти на поверхні дзеркальця не утвориться конденсат (іній). При цьому світловий потік, що надходить від лампи 4 до фотоприймача 7, зменшується за рахунок розсіювання на поверхні дзеркальця, покритого росою. Це викликає зменшення вхідного сигналу регулятора і вимикання або зменшення напруги живлення термопари 1. За рахунок теплоти, внесеної в камеру 3 потоком аналізованого газу, дзеркальце і холодний спай поступово нагріваються. При цьому конденсат з поверхні дзеркальця випаровується, і світловий потік, що надходить до фотоприймача, відновлюється до початкового значення. Регулятор 8 вмикає або збільшує напругу живлення термопари, і холодний спай її починає знову охолоджувати. Таким чином, температура дзеркальця автоматично підтримується такою, що дорівнює температурі точки роси. Ця температура перетвориться в уніфікований сигнал за допомогою термоелектричного чутливого елемента 6 і перетворювача 5. Гігрометри точки роси звичайно мають діапазон вимірювання від -80 до +40°С при тиску аналізованого газу 0,05-10 МПа. Абсолютна похибка вимірювання ±0,5°С.

Відомі конструкції конденсаційних газоаналізаторів, що забезпечують вимірювання температури точки роси по воді, вуглеводням і т.п.

8.8 Діелькометричні аналізатори

Принцип дії діелькометричних аналізаторів полягає у вимірюванні діелектричної проникності середовища, що заповнює електричний конденсатор.

Ці аналізатори застосовуються для аналізування складу бінарних або псевдо-бінарних сумішей газів і рідин. На рис.8.9 показана схема діелькометричного гігрометра, у якому вимірювання діелек-тричної проникності використовується разом з явищем сорбції пари води з аналізованого газу. У цьому гігрометрі аналізований газ прокачується з постійною об'ємною витратою через камеру 1, у якій розміщений алюмінієвий стрижень 2, на поверхні якого зроблена нарізь і нанесено оксид алюмінію.

У нарізь покладено нікелевий дріт 3. Стрижень 2 і дріт 3 утворюють конденсатор, ємність якого збільшується при сорбції пари води оксидом алюмінію. Остання викликає збільшення ємності конденсатора, що вимірюється нерівноважним електричним мостом змінного струму і вторинним приладом (вольтметром) 4. Є схеми діелько-метричних гігрометрів з рівноважним електричним мостом.

8.9 Оптичні аналізатори

Для вимірювання концентрацій складових газів використовується ефект випромінювання практично всього спектра електромагнітних коливань, починаючи з радіохвиль і закінчуючи г-випромінюваннями. Найбільш широкого застосування набули випромінювання інфрачервоних, видимих і ультрафіолетових ділянок спектра. Аналізатори, що працюють із випромінюваннями цих ділянок спектра, називають фотометричними. В аналізаторах використовуються явища поглинання, відбиття і розсіювання електромагнітного випромінювання аналізованою речовиною. Аналізатори, що ґрунтуються на явищі поглинання електромагнітного випромінювання, називають абсорбційно-оптичними і абсорбційно-метричними. Аналізатори рідин і газів, що базуються на явищі поглинання електромагнітного випромінювання видимої частини спектра, називаються фотоколориметрами.

Через те, що світло різних довжин хвиль має різні коефіцієнти переломлення при розробленні фотоколориметричних аналізаторів, для забезпечення необхідної чутливості застосовують фільтри, що дозволяють використовувати ту частину спектра, яка значною мірою змінюється при проходженні через аналізоване середовище.

Схемні і конструктивні виконання аналізаторів, у роботі яких використовується випромінювання видимої частини спектра, досить різноманітні. Колориметричні аналізатори класифікують залежно від кількості джерел і приймачів випромінювання, кількості використовуваних променів і наявності попереднього перетворення аналізованої речовини. На рис.8.10 наведена схема колориметричного газоаналізатора.

Колориметричний аналізатор має одне джерело (лампа 1) і два приймачі (фотоелементи 6 і 9) випромінювання і є двопроменевим. Випромінювання, що виходить із джерела 1, пройшовши через фільтр 2, поділяється на два промені, які через дзеркала 4 надходять у вимірювальну 5 і порівняльну 10 кювети. Через вимірювальну кювету прокачується аналізована речовина, а порівняльна звичайно заповнюється зразковою речовиною (речовина з відомої або тієї, що дорівнює нулю концентрацією обумовленого компонента). Фотоелементи 6 і 9 увімкнені на вхід підсилювача 7 зустрічно, тому різниця їх сигналів, перетворена в цьому підсилювачі в уніфікований сигнал, однозначно залежить від концентрації обумовленого компонента в аналізованій речовині. Вихідний сигнал підсилювача 7 вимірюється і реєструється вторинним приладом 8.

Оптичні аналізатори, у роботі яких використовується випромінювання видимої частини спектра, залежно від схеми і конструкції мають класи точності 2-20.

8.10 Іонізаційні газоаналізатори

Принцип дії цих аналізаторів полягає в іонізації аналізованої речовини і вимірюванні іонного струму. На практиці аналітичного контролю в цей час застосовуються в основному іонізаційні газоаналізатори, що розрізняються за способом іонізації аналізованого газу (іонізація радіоактивним випромінюванням, фотоіонізація, поверхнева іонізація, іонізація в тліючому розряді і т.д.).



На рис.8.11 наведена схема іонізаційного газоаналізатора. Аналізований газ надходить у камеру 1 (так звану іонізаційну) з постійною об'ємною витратою. Під дією джерела випромінювання 2 (б- або в-променів) молекули аналізованої бінарної або псевдобінарної газової суміші іонізуються. Між джерелом 2 і анодом 3, який закріплено на фторопластовому ізоляторі 4, під дією електричного потенціалу стабілізованого джерела 7 проходить іонний струм. Значення цього струму вимірюється електрометричним перетворювачем 5, вихідний уніфікований сигнал якого посилається на потенціометр 6.

Ефективний перетин іонізації газів є тією властивістю, яка визначає можливість вимірювання концентрації обумовленого компонента відповідно до обмірюваної напруги. Напруга між джерелом і колектором 3 становить 100-300 В.

8.11 Полум'яні іонізаційні і фотометричні газоаналізатори

Хімічна реакція окислювання горючих речовин, що проходить в полум'ї, супроводжується рядом ефектів, які використовуються для одержання вимірювальної інформації. Ефекти іонізації і виникнення електромагнітного випромінювання застосовуються для вимірювання концентрацій певних речовин у багатокомпонентних сумішах.

Полум'яний іонізаційний газоаналізатор (рис.8.12 а), у ньому аналізований газ і водень, що служить для підтримки полум'я, подаються із блока підготовки газів 1 з постійними об'ємними витратами в мініатюрний пальник 3. Останній встановлено в корпусі 4 на ізоляторі 6.

Повітря, необхідне для горіння водню з постійною об'ємною витратою, надходить у камеру 4 через розподільник 2. Над пальником на фторопластовому ізоляторі 6 установлений колекторний електрод 5 із платини або ніхрому. Між пальником 3 і колекторним електродом 5 прикладається електричне поле від джерела 9 напругою 150-200 В/См. При згоранні чистого водню майже не утвориться іонів. Органічні речовини (гази і парим), що знаходяться в аналізованому газі, потрапляючи у водневе полум'я, згорають і обумовлюють різке збільшення іонного струму. Останній перетворюється в уніфікований сигнал перетворювача 7 з більшим вхідним опором, а сигнал останнього сприймається автоматичним потенціометром 8.

Полум'яний фотометричний газоаналізатор (рис.8.12 б) працює на ефекті зміни інтенсивності і спектрального складу випромінювання полум'я. Схема подачі газів у цьому аналізаторі аналогічна розглянутій (рис.8.12 а). При згорянні в полум'ї пари фосфоро-, сірково- або галогенопохідних речовин, які знаходяться в аналізованому газі, істотно змінюється інтенсивність випромінювання. Фотопотік надходить у фотомножник 6 через монохроматичний фільтр 5. Сигнал фотомножника перетворюється в уніфікований сигнал за допомогою перетворювача 7 і сприймається автоматичним потенціометром 8. Полум'яні фотометричні газоаналізатори можуть застосовуватися для аналізу рідких речовин. Із цією метою газоаналізатор виконується зі спеціальним пальником, який аналізовану рідку речовину перед згорянням розпорошує потоком газу.

8.12 Хемілюмінесцентні газоаналізатори

Принцип дії даних газоаналізаторів базується на явищі люмінесценції, що супроводжує певні хімічні реакції. Таку люмінесценцію називають хемілюмінесценцією.

У хемілюмінесцентному газоаналізаторі (рис.8.13) аналізований газ і повітря з постійними об'ємними витратами із блока підготовки газів 1 надходять у реакційну камеру 2. Повітря попередньо проходить через озонатор 7, де під дією бар'єрного високовольтного розряду в повітрі утворюється озон. При взаємодії в камері 2 озону з певним компонентом аналізованої суміші утворюються продукти реакції в збудженому стані. При переході їх у стійкий стан відбувається випромінювання квантів люмінесценції. Електромагнітне випромінювання через вікно 3 попадає у фотомножник 4, сигнал якого перетворюється в уніфікований сигнал за допомогою перетворювачів 5.

Вихідний сигнал останнього сприймається автоматичним потенціометром 6. При постійній концентрації озону в повітрі, що надходить у камеру 2, інтенсивність електромагнітного випромінювання пропорційна концентрації певного компонента в аналізованому газі. При такій подачі газів хемілюмінесцентний газоаналізатор може використовуватися для селективного вимірювання мікроконцентрацій неграничних вуглеводнів і оксидів азоту. Він може застосовуватися для селективного вимірювання мікроконцентрацій озону в повітрі. У цьому випадку повітря надходить у реакційну камеру 2, минаючи озонатор, а замість аналізованого газу в камеру з постійною об'ємною витратою подається етилен.

8.13 Установлення стаціонарних газоаналізаторів

При установленні газоаналізатора велике значення має правильний вибір місця для відбору проби димових газів, що повинна найбільш повно характеризувати середній їх склад.

Відбір проби виконується газовідбірним пристроєм (рис.8.14), що складається зі сталевої газовідбірної трубки 1 діаметром 15-20 мм, привареної під кутом 20-25° (для стоку конденсату) до фланця 2, щільно приєднаному із прокладкою до патрубка газоходу. На верхньому кінці трубки за допомогою фланців 3 і 4 закріплений пористий керамічний фільтр 5 разом зі сталевим захисним козирком 6. Протилежний кінець трубки приєднується накидною гайкою до лінії, що підводить газ до газоаналізатора.

Керамічний фільтр служить для первинного очищення газу, який відбирається для аналізу, від механічних домішок (золи і сажі), склад яких може досягати 20 г/м³. Від швидкого забруднення фільтр охороняє захисний козирок, установлений назустріч потоку газу.

Кінцівку газоовідбірної трубки з керамічним фільтром розміщують по можливості в середині потоку в місцях, де немає завихрень і застійних зон. Неприпустимо поміщати трубку поблизу місць можливого підсмоктування повітря (люків, заслінок, нещільностей обмуровування).

Газовідбірна трубка встановлюється вдалині від місцевих збурювань потоку, які утворюють різні опори (поворотом газоходу, заслінкою, шибером і т.п.). Найбільш сприятливим є її установлення на прямих вертикальних ділянках газоходу зі спадним потоком, а також у вузьких місцях тракту, де відбувається краще перемішування газу. При установленні газовідбірної трубки на горизонтальних ділянках кінець її розміщують ближче до верхньої частини газоходу, де швидкість руху нагрітого газу вища.

Температура газу в місці відбору проби повинна бути в межах 200-600⁰С. При температурі нижче 200⁰С можливе забруднення поверхні керамічного фільтра незгорілими продуктами, що конденсуються на ній (смолами). При температурі вище 600°С виникає небезпека руйнування газовідбірної трубки і відновлення СО₂ у СО і О₂. Для зменшення запізнювання показань первинний перетворювач газоаналізатора необхідно встановлювати якнайбільше ближче до місця відбору проби. Температура газу при надходженні в прилад не повинна перевищувати 35°С. Газоаналізатор установлюється в місцях, що не зазнають вібрації, і розміщений удалині від нагрітих поверхонь. Температура навколишнього повітря, що допускається, 5-50°С і відносна вологість до 95%. Періодично газовідбірна трубка з керамічним фільтром продувається стисненим повітрям тиском 0,05 МПа.

9. ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ РІДИН І ГАЗІВ

9.1 Загальні відомості

До фізико-хімічних властивостей, автоматичний контроль яких здійснюється в хіміко-технологічних процесах, відносять густину, в'язкість, коефіцієнт заломлення, тиск насиченої пари, теплоту згорання.

Вимірювання густини рідин і газів здійснюється з метою керування хіміко-технологічними процесами і виконання операцій обліку кількості сировини, палива, реагентів і готової продукції.

Для хіміко-технологічних процесів, пов'язаних з виробництвом нафтових масел, консистентних змащень, полімерів, розчинників, в'язкість є показником, що однозначно визначає якість продукції. Тому її автоматичне вимірювання дозволяє створювати дуже ефективні системи автоматичного керування названими вище процесами.

Для певних видів продукції хіміко-технологічних процесів потрібне вимірювання коефіцієнта заломлення як однієї з величин, що визначає якість.

Для світлих нафтопродуктів (особливо для авіаційних і автомобільних бензинів) однією з важливих властивостей є тиск насиченої пари (пружність пари), що характеризує схильність цих нафтопродуктів до випаровування і утворення парових пробок у паливних системах двигунів. Для рідких однокомпонентних речовин значення тиску насиченої пари може використовуватися як характеристика їх чистоти.

Теплова цінність рідких і газоподібних палив, які використовуються у вогневих нагрівальних і реакційних апаратах хіміко-технологічних процесів, визначається теплотою їхнього згорання. Автоматичне вимірювання цієї фізико-хімічної властивості в цей час набуває надзвичайно важливого значення у зв'язку із проведеними заходами щодо економії паливно-енергетичних ресурсів.

9.2 Засоби вимірювання густини рідин і газів

Густиною с речовини називають фізичну величину обумовлену відношенням маси m речовини до займаного ним об'єму V:

[одиниця маси]/[одиниця об'єму]. (9.1)

Питомою вагою г речовини називають фізичну величину, обумовлену відношенням ваги G речовини до її об'єму V:

[одиниця сили]/[ одиниця об'єму]. (9.2)

Питома вага і густина зв'язані співвідношенням

, (9.3)

де g -- місцеве прискорення вільного падіння.

У той час як густина тіла не залежить від його місцезнаходження на поверхні Землі, питома вага змінюється залежно від розташування тіла на земній кулі. Тому довідкові дані розміщують за густиною.

У деяких випадках використовується поняття відносної густини, обумовлене як відношення густини даної речовини до густини іншої (умовної) речовини за певних фізичних умов.

Відносну густину рідкої речовини прийнято виражати відношенням її густини, узятої при нормальній температурі (20°С), до густини дистильованої води при температурі 4°С і позначається .

Відносну густину газу прийнято виражати відношенням його густини до густини сухого повітря, узятого за нормальних умов (нормальна температура -- 293,15 К, нормальний тиск -- 101,325 кПа = 760 мм рт. ст.).

Густина рідин і газів зменшується з підвищенням температури. Густина газів збільшується з підвищенням тиску, густина рідини практично від тиску не залежить. У багатьох важливих для практики випадках густина можна розглядатися як адитивна фізична властивість.

Засоби вимірювання густини часто називають денсиметрами (денситометрами) (від лат. densus -- густий і від грец. metrйф -- вимірюю).

Для вимірювання густини в цей час застосовуються вагові денсиметри, поплавкові, гідроаеростатичні, гідрогазодинамічні, радіоізотопні, акустичні, вібраційні та ін.

Далі розглянемо найбільш широко застосовувані автоматичні денсиметри рідин і газів.

9.2.1 Вагові (пікнометричні) денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів полягає в безперервному зважуванні постійного об'єму аналізованої речовини у певній ємності або трубопроводі, тобто відповідно до виразів (9.1) - (9.3) густина визначається через питому вагу.

Схема найпоширенішого вагового денсиметра рідин показана на рис.9.1. Чутливим елементом денсиметра є U-подібна трубка 7, виготовлена з нержавіючої сталі, з'єднана через тягу 3 з важелем 4. Кінці трубки 7 через сильфони 2 з'єднані з нерухомими патрубками 1, через які подається аналізована рідина. Наявність сильфонів 2 дозволяє трубці 7 обертатися навколо осі 0 -- 0. При збільшенні густини рідини збільшується маса трубки з рідиною, що через важіль 4 передається до механоелектричного або механопневматичного перетворювача 5, побудованого за принципом компенсації сил, вихідний сигнал С_вих якого пропорційний зміні густини аналізованої рідини. Противага 6, яка укріплена на важелі 4, служить для зрівноважування моменту сил, створюваного трубкою 7 з рідиною при обраній нижній межі вимірювання густини. Пристрій 8 служить для автоматичного введення виправлення до сигналу денсиметра залежно від температури аналізованої рідини, яку цей пристрій безупинно вимірює.

Денсиметри даної конструкції дозволяють вимірювати густину в інтервалі 0,5-2,5 г/см³. При цьому може бути встановлений діапазон вимірювання 0,05-0,3г/см³ у будь-якій частині зазначеного інтервалу. Максимальна температура аналізованої рідини 100°С, класи точності 1-1,5.

9.2.2 Поплавкові (ареометричні) денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів побудований на безперервному вимірюванні виштовхувальної (підйомної) сили, яка діє на поплавець, частково або повністю зануреного в аналізовану речовину.

На рис.9.2 показана схема поплавкового денсиметра рідин із частково зануреним поплавцем 2, розміщеним у ємності 1. Через цю ємність безупинно прокачується аналізована рідина. За рахунок переливання в ємності підтримується постійний рівень. Аналізована рідина витікає із денсиметра через збірник 3. При зміні густини рідини змінюється ступінь занурення поплавця 2 у ємність. Досягнення положення рівноваги сил N і G_П забезпечується глибиною занурення поплавця, при цьому змінюється довжина l стрижня 4, зануреного в рідину. Переміщення поплавця 2 перетворюється в електричний сигнал за допомогою диференціального трансформатора 5.

Вага поплавця 2 зі стрижнем 4 (у повітрі) G_П і виштовхувальна сила N, діюча на поплавець, описуються виразами

(9.4)

де m - маса поплавця і стрижня;

V - об'єм поплавця;

l - довжина ділянки стрижня, зануреного в рідину;

S - площа поперечного перерізу стрижня.

При рівності сил G_П і N з виразу (9.4) з урахуванням дії на стрижень на поверхні поділу фаз сил поверхневого натягу можна визначити величину ходу стрижня l. Як бачимо, довжина l, а отже, і сигнал диференціального трансформатора 5 однозначно пов'язані із густиною рідини. Масу m підбирають залежно від діапазону вимірювання.

Існує багато різних конструкцій денсиметрів із частково зануреним поплавцем. Вони мають високу чутливість, що дозволяє здійснювати вимірювання густини у вузькому діапазоні (усього 0,005--0,01 г/см³) з похибкою ±(1,5-3)% від діапазону вимірювання.

9.2.3 Гідро- і аеростатичні денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів побудовано на залежності тиску Р стовпа аналізованої рідини або газу від густини с цих середовищ:

, (9.5)

де Н-- висота стовпа рідини або газу.

Якщо значення Н взяти постійним, то тиск Р однозначно визначається густиною середовища.

Схема гідроста-тичного денсиметра, принцип дії якого побудовано на вимірю-ванні гідростатичного тиску методом продувки стисненого газу, показана на рис.9.3. Такі денсиметри викори-стовуються в хіміко-технологічних процесах для вимірювання густини безпосередньо в техно-логічних апаратах. В апараті 7 установлені трубки 1 і 2 з різною глибиною занурення.

Газ (звичайне повітря) від регулятора витрати 5 надходить до пневматичних дроселів 3 і 4, а потім до трубок 2 і 1. Через відкриті торці трубок газ барботує через рідину. Тиск газу в трубках 1 і 2 визначається гідростатичним тиском стовпа рідин висотою Н₁ і Н₂. Різниця тисків у трубках вимірюється дифманометром 6 із пневматичним або електричним вихідним сигналом. Цей перепад визначається виразом

. (9.6)

Наявність двох трубок дозволяє виключити вплив на результат вимірювання можливих змін рівня рідини в апараті.

Одним з найбільш удосконалених і чутливих є аеростатичний денсиметр (рис.9.4), у якому використовується комбінація механічного і теплового ефектів. Аналізований газ із постійною об'ємною витратою надходить у трубку 2, а в трубку 3 при постійному тиску надходить допоміжний газ (звичайне повітря). Газові потоки виводяться через трубку 1. Трубки 1, 2 і 3 розміщені вертикально. При зміні густини аналізованого газу змінюється аеростатичний тиск стовпа газу в трубці 2, а отже, і тиск у точці А. Тому змінюється витрата повітря, яке обвітрює резисторний вимірювальний термоанемометр R_в, у результаті чого змінюється його опір. Опір порівняльного термоанемометра R_пор залишається постійним, тому що потік повітря, яке його обвітрює, практично не змінюється. Зміна опору термоанемометра R_в спричиняє розбаланс U нерівноважного мосту 4. Цей розбаланс описується виразом

, (9.7)

де К -- коефіцієнт перетворення денсиметра;

с_в -- густина повітря.

Денсиметр термостатируєтся при температурі 40 або 45°С, і забезпечує вимірювання густини в межах 0-3 кг/см³ з діапазоном вимірювання, відліченим від значення густини повітря при 20°С, ± (0,01-1,5) кг/м³ і класами точності 2--5 (залежно від діапазону вимірювання).

9.2.4 Гідро- газо(аеро)динамічні денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів побудовано на наданні потоку аналізованої речовини додаткової кінетичної енергії і на вимірюванні параметрів, що характеризують ефекти, які виникають при цьому впливі. В основному зазначені денсиметри застосовуються для вимірювання малої за значенням густини газів.

На рис.9.5 показана спрощена схема газо-динамічного денсиметра. У денсиметрі потоку аналізованого газу, що проходить через камеру 2, надається кінетична енергія турбинкою 3, яка приводиться в обертовий рух синхронним двигуном 1. Потік газу надходить до турбинки 4 і створює на ній за рахунок своєї кінетичної енергії обертовий момент, який виражений формулою

, (9.8)

де k - постійний коефіцієнт;

щ - частота обертання турбинки 3.

Під дією цього моменту турбинка 4 повертається, а виникаючий на ній момент урівноважується моментом, створюваним на осі 8 плоскою пружиною 5. Кут повороту осі 8 і стрілки 6 за шкалою пропорційний густині газу. За допомогою перетворювача 7 кут повороту перетворюється в уніфікований сигнал. Клас точності розглянутого денсиметра 0,5-1,5 (залежно від діапазону вимірювання).

9.2.5 Вібраційні денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів побудовано на залежності параметрів пружних коливань (вібрації), які передаються камері з аналізованою речовиною або тілу, розміщеному в ньому, від густини цієї речовини. Звичайно як параметр пружних коливань використовується частота власних коливань резонатора, який перебуває в режимі автоколивань. Резонатори вібраційних денсиметрів виконують у вигляді трубки, пластини, стрижня, струни, камертона і т.д. Частота власних коливань резонатора, який знаходиться в аналізованій речовині, описується в загальному випадку виразом

, (9.9)

де f₀ -- частота коливань резонатора при початковому значенні густини аналізованої речовини;

k -- константа, що залежить від конструкції резонатора.

Конструктивно розрізняють проточні і заглибні вібраційні денсиметри. У перших аналізована речовина проходить через внутрішню порожнину резонатора, у других -- резонатор розміщується в потоці аналізованої речовини, діапазон вимірювання даних денсиметрів 690--1050 кг/м³, температура рідини 10--100°С; абсолютна похибка вимірювання ±1,5 кг/м³.

9.3 Засоби вимірювання в'язкості рідин

В'язкість (внутрішнє тертя) -- властивість рідких тіл (рідин і газів) чинити опір переміщенню однієї їх частини щодо іншої. Основний закон в'язкого потоку описується формулою Ньютона

, (9.10)

де F -- тангенціальна (дотична) сила, що викликає зрушення шарів рідини (газу) одного відносно іншого;

S -- площа прошарку, за якою відбувається зрушення;

d/dn -- градієнт швидкості W потоку (швидкості зміни за прошарками) за нормаллю n.

Коефіцієнт пропорційності м називають динамічною в'язкістю. Він характеризує опір рідини (газу) зсуву її шарів. Величину, зворотну динамічній в'язкості ц= 1/м, називають текучістю. Поряд з поняттям динамічної в'язкості використовують поняття кінематичної в'язкості:

. (9.11)

Одиниця динамічної в'язкості в SI -- Па•с, у системі СГС-П (пуаз); одиниця кінематичної в'язкості в SI -- м²/с, у системі СГС -- Ст (стокс). Співвідношення між названими одиницями 1П=10^-1 Па•с; 1ст = 10^-4 м²/с.

В'язкість рідин зі збільшенням температури зменшується, а газів -- збільшується. Динамічна в'язкість до тисків 20 МПа практично не залежить від тиску. В'язкість у загальному випадку не є адитивною фізичною властивістю.

Засоби вимірювання в'язкості називають віскозиметрами. На хіміко-технологічних процесах віскозиметри використовуються тільки для вимірювання в'язкості рідин. У цей час розроблені автоматичні капілярні, ротаційні, вібраційні віскозиметри, віскозиметри з падаючим тілом та ін. Далі розглянуті віскозиметри, найбільше часто застосовувані в хіміко-технологічних процесах.

9.3.1 Капілярні віскозиметри (віскозиметри витікання)

Принцип дії цих механічних віскозиметрів побудований на закономірності витікання рідини через капіляр, що описується законом Пуазейля:

, (9.12)

де Q - об'ємна витрата рідини;

d і l -- внутрішній діаметр і довжина капіляра;

Р₁, Р₂-- тиск до і після капіляра за потоком.

З формули (9.12) бачимо, що для вимірювання динамічної в'язкості при постійній об'ємній витраті рідини досить вимірювати перепад тиску на капілярі.

На рис.9.6 показана схема капілярного віскозиметра, у якому для створення постійної об'ємної витрати аналізованої рідини використовується шестеренний насос 1, який приводиться у рух синхронним двигуном 2. З насоса аналізована рідина надходить у змійовик 3, де нагрівається до температури масла, що заповнює термостат 6, а потім -- у капіляр 4, розміри якого вибирають залежно від діапазону вимірюваних значень в'язкості. Перепад тисків на капілярі вимірюється дифманометром 5 із пневматичним або електричним уніфікованим вихідним сигналом, що пропорційний динамічній в'язкості аналізованої рідини. Температура в термостаті підтримується постійною і дорівнює 50 або 100⁰С. Діапазони вимірювання від 0-2 10^-3Па·с до 0-1000 10^-3 Па·с. Класи точності віскозиметра 1,5--2,5 (залежно від діапазону вимірювання).

9.3.2 Віскозиметри з падаючим тілом (кулькові віскозиметри)

Принцип дії цих механічних віскозиметрів побудований на вимірюванні швидкості (або часу) руху тіла (кульки) під дією сил ваги і тертя в аналізованій рідині. Цей рух описується законом Стокса:

, (9.13)

де W - швидкість рівномірного падіння кульки;

с - густина вимірюваної рідини;

с_ш - густина матеріалу кульки (с_к>с);

r - радіус кульки.

Звичайне вимірювання швидкості W зводиться до вимірювання відрізка часу ф, за який кулька, яка падає з постійною швидкістю, проходить певний постійний відрізок шляху l між двома взятими позначками. У цьому випадку

. (9.14)

На рис.9.7 показана схема кулькового віскозиметра циклічної дії. Аналізована рідина з апарата 7 або трубопроводу прокачується насосом 6 по трубці 1 з немагнітного матеріалу знизу нагору і при своєму русі піднімає кульку від нижньої 11 до верхньої 5 обмежувальної сітки. При вимиканні двигуна 8 насоса (періодичне вмикання і вимикання здійснюються блоком керування 9) кулька падає в аналізовану рідину. За допомогою диференціальних трансформаторів 3 і 2 формуються електричні імпульси в моменти часу, коли кулька проходить дві взяті позначки, що відстоять одна від одної по висоті трубки на відстані l. За допомогою вимірювача тимчасових інтервалів 10 вимірюється відрізок часу між зазначеними імпульсами, значення яких і визначає динамічну в'язкість. Клас точності віскозиметра 2. Існують конструкції віскозиметрів з падаючим тілом безперервної дії.

9.3.3 Ротаційні віскозиметри

Принцип дії цих механічних віскозиметрів побудований на вимірюванні обертального моменту, який виникає на осі ротора (циліндра, диска і т.п.), зануреного у вимірювальне середовище, при взаємному їх переміщенні. Зазначений обертальний момент у загальному випадку описується виразом

, (9.15)

де k -- постійний коефіцієнт, що залежить від конструкції ротора віскозиметра;

щ - кутова швидкість обертання ротора (при постійній кутовій швидкості обертальний момент однозначно визначає в'язкість рідини).

З різноманітності конструкцій обертальних елементів ротаційних віскозиметрів в автоматичних аналізаторах найбільше використовуються конструкції, показані на рис.9.8. Дані віскозиметри поєднують загальний принцип дії, відповідно до якого в'язкість визначається за моментом сил тертя, який виникає при обертанні тіла, зануреного в аналізовану рідину. Таким тілом може бути циліндр (рис.9.8 а), кулька (рис.9.8 б) або диски, посаджені на загальний вал і розміщені між нерухомими шайбами (рис.9.8 в). Диску або циліндру обертовий рух передається синхронним двигуном. Обертальний момент, що виникає на диску (циліндрі), а отже, на шківі, розміщеному на одному валу з диском (циліндром), пропорційний динамічній в'язкості.



Характерною рисою ротаційних віскозиметрів є широкий діапазон вимірюваних значень в'язкості (0,01-1000 Па•с). Класи точності ротаційних віскозиметрів 1-2,5.

9.4 Засоби вимірювання тиску насиченої пари рідин

Тиск насиченої пари (пружність пари) є одним з важливих показників якості світлих нафтопродуктів, особливо автомобільних і авіаційних бензинів. Тиск насиченої пари характеризує їх випаровуваність і схильність до утворення парових пробок, а також може використовуватися як характеристика чистоти рідких однокомпонентних речовин. Тиск насиченої пари істотно залежить від температури.

Схема механічного аналізатора пружності пари бензинів показана на рис.9.9. Аналізована рідина надходить у блок підготовки 1, з якого з постійною об'ємною витратою вона подається в змійовик 3, розміщений у термостаті 2, заповне-ному антифризом. Тут шляхом подачі гарячої води в змійовик 9 за допомогою регулятора 8 підтримується пос-тійна температура, що дорівнює 38°С (при цій температурі за діючими стандартами визначається тиск насиченої пари бензинів). Зі змійовика 3 аналізована рідина, нагріта до 38°С, надходить у сопло 5 струминного насоса. При витіканні рідини із сопла за рахунок в'язкості струмінь затягує за собою пари рідини, які є в камері 4 струминного насоса, тому в названій камері створюється розрядження тим більше, чим менша пружність пари аналізованої рідини. Вимірювання розрядження в камері 4 здійснюється вакуумметром 6 з пневматичним сигналом, що подається вторинному приладу 7.

...