Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ, МОЛОДЕЖИ и СПОРТУ УКРАИНИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

КАФЕДРА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И ПРОМЫШЛЕННОЙ ЕКОЛОГИИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО КУРСУ «Мониторинг и методы измерения параметров окружающей среды»

ИСПОЛНИТЕЛЬ: ЛАКТИОНОВА О.

СТУДЕНТКА ГР. ИТЗ-21

ПРОВЕРИЛА:

доц. ГРИНЬ С.О.

ХАРЬКОВ 2013

1. ИОНИЗАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ

Для измерения давления в диапазоне 10^-1- 10^-8 Па (10^-3-- 10^-10 мм ртутного столба), используются ионизационные манометры.

Они основаны на явлении ионизации молекул или атомов, составляющих газ, в результате соударения с электронами или ионами. Число образующихся при этом ионов зависит от природы газа и его давления: ионный ток, собираемый соответствующим электродом, пропорционален давлению. Различают ионизационные манометры трех типов:

а) манометр с холодным катодом, или манометр Пеннинга, в котором ионизация самопроизвольно возникает, поддерживается и прекращается (газовый разряд);

При давлениях, превышающих 5·10^-1 Па, в газе устанавливается самоподдерживающийся разряд, сопровождающийся характерной люминесценцией. Этот разряд возбуждается несколькими свободными электронами, либо фотоионизацией молекул газа, вызванной проникающим в трубку излучением, либо эмиссией электронов с шероховатой поверхности катода. Электроны, высвобождаемые в результате ионизации при соударениях, а также испускаемые в результате соударений ионов с катодом, поддерживают режим разряда.

При давлении ниже примерно 5·10^-1 Па самоподдерживающийся разряд прекращается и ионный ток становится очень слабым, поскольку средняя длина свободного пробега электронов в газе становится сравнимой с расстоянием между электродами, которые не создают более достаточного числа пар ион -- электрон. Чтобы увеличить длину пробега электронов в газе и, следовательно, коэффициент ионизации S_i, Пеннинг поместил вокруг разрядной трубки постоянный магнит, создающий в направлении, перпендикулярном электродам, магнитную индукцию В порядка 0,1 Тл. При этом электроны приобретают спиральные траектории относительно вектора В, и их пробег значительно увеличивается, вследствие чего разряд поддерживается вплоть до давлений порядка 10^-5Па. Величина предельного давления зависит от многих параметров конструкции датчика.

Рис.1. Ионизационный вакуумметр с холодным катодом:

а - разрядная трубка; б - датчик Пеннинга.

б) датчик с горячим катодом, в котором ионизация, индуцированная электронами, испускаемыми нитью накала, поддерживается на определенном уровне (различают датчик на основе простого триода и манометр Байярда -- Альперта); В зависимости от взаимного расположения электродов различают два типа конструкций:

--нормальный триод с анодной металлической цилиндрической сеткой, которая окружает катод, расположенный вдоль ее оси, и коллектор в виде внешней по отношению к катоду и аноду металлической трубки

Рис.2. Ионизационный вакуумметр с холодным катодом и двумя плазменными источниками. А -- анод- В-магнитнаяиндукция: К--катод: D--постоянный магнит; Е -- первая плазма; F-- вторая плазма; N, S -- полюса магнита.

--триод Байярда--Альперта с обратным расположением катода и коллектора по отношению к сетке-аноду; в этой конструкции коллектор представляет собой тонкую металлическую нить, размещенную вдоль оси сетки (рис.4.12), что позволяет уменьшить некоторые недостатки предыдущего варианта.

Нормальный триод пригоден для измерения давления выше примерно 10Па; прибор Байярда--Альперта позволяет расширить рабочий диапазон измерений в сторону очень низких давлений вплоть до 10^-9 ?10^-8 Па, а для некоторых моделей-- даже больше. Оба типа датчиков основаны на одном и том же принципе. На сетку анода подается положительный потенциал +150--+200 В по отношению к коллектору, соединенному с корпусом измерительного прибора, а на катод--также положительный потенциал +30--+50 В по отношению к коллектору. Электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между сеткой и катодом. Часть из них создает ионы в пространстве между сеткой и катодом, что также сопровождается энергетическими потерями, и захватывается сеткой. Другая часть электронов с более высокой энергией проникает в область между сеткой и коллектором через отверстия в сетке и также ионизирует газ, теряя при этом свою энергию.

Рис.3. Ионизационный датчик с горячим катодом (нормальный триод)

а -- принципиальная схема; б -- пример исполнения.

1-- коллектор ионов; 2 -- анод; 3--нить (катод).

Рис.4. Вакуумметр Байярда - Альперта .

а - принципиальная схема; б - пример исполнения.

1 - полый цилиндр; 2 - сетка (анод); 3 - коллектор ионов; 4 - нить (катод).

в) датчик с источником радиоактивности, обеспечивающим регулируемую ионизацию.

Радиоактивный источник, испускающий ионизирующие частицы, содержит соли радия или полония с активностью порядка 100 микрокюри. Вещество наносится тонким слоем на металлическую пластинку и покрывается сверху также тонкой металлической пленкой, которая предотвращает потери радиоактивного вещества в результате коррозии и исключает нежелательную диффузию радона, возникающего при радиоактивном распаде, в вакуумированноепространство. Пластинка укрепляется на дне металлической цилиндрической колбы, которая играет роль ионизационной камеры (рис.4.13).

Коллектор ионов (нитевидный или с ребристой поверхностью) заряжается отрицательно по отношению к камере (порядка 50?100 В) и должен быть очень хорошо изолирован от нее электрически ввиду малости получаемых ионных токов. Интервал измеряемых давлений при линейной характеристике расположен примерно от 10^-2 до 10³ Па. Верхний предел устанавливается повышением рекомбинации ион -- электрон, а нижний -- остаточньгм током вторичных электронов, высвобождающихся в результате бомбардировки коллектора частицами.

Рис.5. Принципиальная схема ионизационного датчика с радиоактивным источником. 1 - керамические изоляторы; 2 - анод; 3 - коллектор ионов; 4 - ионизационная камера; 5 - радиоактивный источник.

2. ТЕПЛОВЫЕ МАНОМЕТРЫ

Для измерения давления в диапазоне 1--10⁴ Па (10^-2 -10² мм ртутного столба) используются тепловые манометры, которые, как и ионизационные, включают в себя манометрический преобразователь и измерительный блок.

Она представляет собой неуравновешенный мост, на который напряжение подается от стабилизированного источника питания ИП. Три плеча моста содержат постоянные резисторы R1 -- R3, а четвертое представляет собой нагретую до 200 °С вольфрамовую нить, находящуюся в камере, куда подается измеряемое давление. При указанных давлениях вследствие снижения числа молекул длина их свободного пробега становится соизмеримой с расстояниями между теплопередающими поверхностями измерительных камер прибора, в связи с чем теплопроводность при давлениях 10³ Па 10 (мм ртутного столба) и ниже линейно уменьшается по мере снижения давления.

Теплоотдача от вольфрамовой нити зависит как от числа молекул, участвующих в переносе теплоты, так и от температуры стенок камеры. Для снижения влияния на показания прибора колебаний температуры окружающей среды, определяющей температуру стенок камеры, прилежащее к R₄ плечо моста помещается в вакуумированную камеру, аналогичную измерительной.

Нижний предел применения манометров ограничивается возрастанием по мере снижения теплопроводности роли лучистого теплообмена, который становится определяющим при давлениях ниже 10^-1 Па (10^-3 мм ртутного столба).

По способу измерения температуры нити тепловые манометры делятся на два типа: манометры сопротивления и термопарные. В первых используется зависимость сопротивления нити от ее температуры; нить манометра выполняет две функции: источника тепла и измерителя температуры. Промышленность выпускает вакуумметр сопротивления ВСБ-1 (рис. 3). Применяемый в нем датчик МТ-6 представляет собой трубку диаметром 20 и длиной 175 мм. Нить имеет очень малый диаметр (окопо 18 мкм), благодаря чему верхний предел манометра по давлению составляет 30 тор.

Рис. 3. Вакууметр сопротивления блокировочный ВСБ-1 с датчиком-преобразователем МТ-6.

В диапазоне давлений от 1 до 10^-3 тор наиболее широко применяются термопарные манометры, получившие массовое распространение. Для измерения температуры нити применяется термопара, напряжение UTTI которой зависит от разности температур ТУ--7"б. Нить здесь выполняет только функцию источника тепла. Термопарные лампы ЛТ-2 (стеклянная) и ЛТ-4 (металлическая) аналогичны по конструкции (рис. 38); они имеют тепловыделяющую нить из платины диаметром 0,1 мм и термопару типа хромель -- копель. Лампы работают в режиме постоянного тока накала, который регулируется перестройкой балластного сопротивления в диапазоне от 1 до 10^-1 тор.

Тепловые манометры могут работать в режиме поддержания постоянного тока через нагреватель, тогда измеряемое давление пропорционально разности между температурами нагревателя и стенок лампы.

3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ЕДИНИЦ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Единицы измерения давления (СТ СЭВ 1052_89) определяются одним из двух способов: 1) через высоту столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление в конкретном физическом процессе: в единицах водяного столба при 4°С (мм вод. ст. или м вод. ст.) или ртутного столба при 0°С (мм рт. ст., или Торр) и нормальном ускорении свободногопадения (в англоязычных странах используются соответствующие единицы in H2O, ft H2O-дюйм вод. ст., фут вод. ст. и in Hg - дюйм рт. ст.; 1 дюйм=25,4 мм, 1 фут=30,48 см); 2) через единицы силы и площади.

В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей силы является Н(ньютон), а единицей площади - м2. Отсюда определяется единица давления паскаль Па=1 Н/м2 и ее производные, например, килопаскаль (1 кПа=103 Па), мегапаскаль (1 МПа=103 кПа=106 Па). Наряду с системой СИ в области измерения давления продолжают использоваться единицы и других, более ранних систем, а также внесистемные единицы.

В технической системе единиц МКГСС (метр, килограммсила, секунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс.9,8 Н). Единицы давления в МГКСС - кгс/м2 и кгс/см2; единица кгс/см2 получила название технической, или метрической атмосферы (ат). В случае измерения в единицах технической атмосферы избыточного давления используется обозначение «ати».

В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) единицей силы является дина (1 дин=10-5 Н). В рамках СГС введена единица давления бар (1 бар=1 дин/см2).

Существует одноименная внесистемная, метеорологическая единица бар, или стандартная атмосфера (1 бар=106 дин/см2; 1 мбар = 10-3 бар = 103 дин/см2), что иногда, вне контекста, вызывает путаницу. Кроме указанных единиц на практике используется такая внесистемная единица, как физическая, или нормальная атмосфера (атм), которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт. ст.

Изредка находит применение единица давления из системы единиц МТС (метр, тонна, секунда) пьеза (1 пз = 1 сн/м2, где 1 сн = 108 дин - сила в 1 стен, сообщающая телу массой в 1 тонну ускорение 1 м/с2). В англоязычных странах широко распространена единица давления пси (psi=lbf/in2) - фунт силы на квадратный дюйм (1 фунт= 0,4536 кг). При измерении абсолютного и избыточного давления используются соответственно обозначения psia (absolute - абсолютный) и psig (gage - избыточный).

Для приблизительных оценок и расчетов давления с относительной погрешностью не более 0,5% полезно использовать следующие соотношения:

1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 0,97 атм = 0, 98Ч103 мбар = 0,98 бар = 104 мм вод.ст. =10 м вод.ст = 735 мм рт.ст. = =0,98Ч105 Па = 98 кПа= 0,098 МПа

С ошибкой в 2% можно пренебречь разницей между технической атмосферой, стандартной атмосферой (баром) и десятой частью мегапаскаля (1 ат = 1 бар = 0,1 МПа), а с ошибкой в 3% - разницей между технической и физической атмосферами (1 ат = 1атм). На практике из-за использования разнородного гидравлического и измерительного оборудования разных изготовителей и стран, причем нередко давнего года выпуска, потребность перевода одних единиц давления в другие возникает постоянно.

Диапазон давлений, измеряемых в технике, достигает 17 порядков: от 10-8 Па в электровакуумном оборудовании до 103 МПа при обработке металлов давлением.

Материальным хранителем единиц давления являются первичные (национальные) и вторичные (рабочие) эталоны давления. Для поддиапазона 1-100 кПа избыточных, абсолютных и разностных давлений в качестве первичного эталона используется, как правило, ртутный двухтрубный (U-образный) манометр с лазерным считыванием высоты мениска (погрешность считывания не более 10-3 мм, а абсолютная суммарная погрешность прибора, учитывающая в том числе и влияние температуры, не превышает 0,0005% от верхней границы диапазона). Для поддиапазона 100 кПа-100 Мпа применяются газовые грузопоршневые манометры (точность 0,0035-0,004% от показаний).

Газовые и жидкостные грузопоршневые манометры используются и как рабочие эталоны для передачи единиц давления промышленным образцовым приборам (их точность 0,01-0,1%).

Средства измерения давления служат для контроля технологического процесса и работы вакуумной системы и выбираются в зависимости от диапазона рабочих давлений.

Средства измерения давления разделяют на жидкостные, деформационные, грузопоршневые и электрические.

Деформационные средства измерения давления основаны на уравновешивании силы, создаваемой давлением контролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается регистрирующему устройству или преобразуется в электрический сигнал для дистанционной передачи.

При предмонтажной проверке приборов применяют средства измерения давления, разрежения, перепада давления, причем требуемый диапазон измерения давления лежит в пределах от глубокого вакуума до сверхвысокого давления.

Внешние условия, при которых должны работать средства измерений давления и разности давлений, могут сильно влиять на точность измерения, поэтому при выборе места их установки необходимо учитывать это.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измерений.

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

1. Выбор первичных (измерительных преобразователей давления или цифровых манометров с унифицированным электрическим сигналом) средств измерения давления и вторичных средств АСУ ТП или АСКУЭ предприятия должен производиться не случайным, фрагментарным, а системным образом в рамках единого и полного проекта, учитывающего как существующее, ранее смонтированное оборудование, так и установку нового.

2. Выбор первичных средств измерения давления должен осуществляться в зависимости от их применения для коммерческого или технического учета энергоносителей, а также от их использования для измерения давления в расчетных или технологических целях. В случае коммерческого учета следует выбирать приборы более высокого класса по точности, надежности и стабильности, чем в случае технического и тем более технологического контроля.

3. Выбор или модернизация первичных средств измерения давления должен

обязательно выполняться с учетом их совместимости (информационной, электрической, сетевой) с устройствами среднего уровня АСУ ТП или АСКУЭ (контроллерами, многофункциональными преобразователями).

4. Выбор первичных средств измерения давления должен производиться с учетом соответствия их характеристик конкретным задачам, условиям и особенностям эксплуатации (вид среды, предполагаемый диапазон давления и температуры, требуемая точность, наличие дестабилизирующих факторов, необходимый тип выходного сигнала и т.п.). Следует особое внимание уделять анализу характеристик надёжности и помнить, что самый дорогой путь - это выбор устройства по минимальной стоимости. манометр давление сера диоксид

5. Монтаж первичных средств измерения давления должен производиться с учетом всех дестабилизирующих факторов и с использованием, если необходимо, дополнительных средств: вентильных блоков, разделителей мембранных, сосудов уравнительных, соединительных трубок и т.д.

ЗАДАЧА

Определить концентрацию диоксида серы в отходящих газах йодометрическим методом если:

а = 10 обьем раствора серноватистокислого натрия, необходимого для промывания газов, мл.

а₁ =2 обьем раствора серноватисто кислого натрия, необходимого для титрования остаточного количества йода после поглащения диоксида серы, мл.

в =0,02 содержание серноватистокислого натрия в стандартном растворе,моль/л. =20 избыточное давление в приборе, кПа.

t =18 температура газа перед расходомером, с

щ =0,5 расход газа, дм³/мин.

Т = 20 время пропускания газа, мин.

концентрацию диоксида серы в газе определяют по формуле:

Cso_{2 =}

Обьем газа отобраный на анализ:

Vo =

Количество пропущенного газа через стаканы для промывания газа:

V = Tщ

V = 20*0.5 = 10 дм

Vo = = 0,75 дм

Cso_{2 =} = 0,16 мг/м

Размещено на Allbest.ru