Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

210

На рисунке 6.10 представлена

простейшая схема индуктивного

трансформаторного уровнемера,

состоящего из обмотки возбужде-

ния 1, по которой протекает пере-

менный ток возбуждения I

вх

, и вто-

ричной обмотки 2, с которой сни-

мается выходной сигнал U

вых

Две обмотки уровнемера по-

мещены в металлически защищен-

ный чехол 3, который герметично

закреплен в крышке резервуара, что

позволяет осуществить замену ка-

тушек без нарушения герметично-

сти уровнемера.

При работе уровнемера пере-

менный магнитный поток, созда-

ваемый обмоткой возбуждения,

инициирует возникновение вихре-

вых токов в толще контролируемой

жидкой среды. Это приводит к зависимости взаимной индуктивности

между обмотками от уровня жидкости. Таим образом, выходное на-

пряжение U

вых

вторичной обмотки будет однозначно зависеть (зави-

симость линейная) от уровня жидкости в резервуаре.

К основному недостатку индуктивных уровнемеров следует от-

нести влияние изменения температуры жидкой среды на результат

измерения. С изменением температуры изменяется: активное сопро-

тивление обмоток, длина проводников в обмотках, проводимость за-

щитного чехла, проводимость жидкой среды. Кроме того, на результат

измерения оказывает влияние изменение состава среды, изменение

свойств материала чехла и наличие на нем пленок расплава или оки-

слов. Учесть влияние различных факторов на точность измерения за-

труднительно из-за сложного влияния их на погрешность. Поэтому

такие уровнемеры применяются для измерения уровня расплавленных

металлов постоянного состава и температуры, например, жидкометал-

лического теплоносителя в ядерных энергетических установках.

Значительное снижение влияния различных факторов на точ-

ность измерения уровня достигается в индуктивных уровнемерах дис-

кретного действия. Уровнемер представляет собой ряд коротких ка-

тушек индуктивности (рисунок 6.11), помещенных в виде столба

1 – обмотка возбуждения; 2 – вто-

ричная обмотка; 3 – защитный

чехол

Рисунок 6.10 – Схема индуктивного

уровнемера

вх

вых

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

211

внутри металлического чехла,

отделяющего катушки от среды.

Индуктивность каждой катушки

зависит от того, погружена она

в жидкость или нет, поэтому

индуктивность погруженной

катушки меньше индуктивности

не погруженной. Все рабочие

катушки 1,2,3… n и контроль-

ная катушка "k" включены в

следящую логическую схему

(ЭБ – электронный блок), кото-

рая отыскивает первую сверху

катушку, расположенную ниже

уровня жидкости, и сравнивает

ее индуктивность с индуктивно-

стью контрольной катушки.

Информацию о номере катушки, расположенной на границе жид-

кость – газ, поступает на измерительный прибор (ИП), что дает воз-

можность определить значение уровня жидкой среды в резервуаре.

Особенностью работы дискретного индуктивного уровнемера яв-

ляется то, что следящая система не измеряет непосредственно индук-

тивность рабочих катушек, а отыскивает две соседние катушки с резко

отличающимися индуктивностями, причем количественное различие

индуктивностей значения не имеет. Такая схема измерения уровня не

реагирует на изменение различных параметров среды (температуры,

давления, состава) и эти измерения не могут влиять на точность изме-

рения. Погрешность измерения будет определяться только дискретно-

стью (т.е. через определенный интервал) определения линии раздела

жидкой и газовой фаз. Шаг (интервал) дискретности, а значит и по-

грешность, будет равна высоте h соседних катушек и расстояния δ

между ними, т.е.:

∆=δ+(h

)/2,(6.19)

где h

и h

– высоты соседних катушек (они могут быть одинако-

вы или различны в зависимости от участка измерения уровня – в

крайних точках или возле условного нулевого уровня). Это дает воз-

можность значительно повысить точность измерения уровня жидкой

среды путем уменьшения высоты катушек и расстояния между ними

на рабочих участках измерения уровня (на остальных участках высота

катушек может быть увеличена).

Рисунок 6.11 – Схема дискретного

индуктивного уровнемера

ЭБ

ИП

Реле

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

212

6.7 Акустические уровнемеры

В акустических уровнемерах используются ультразвуковые коле-

бания, распространяющиеся в газовой или жидкой средах, и в зависи-

мости от способа использования этих колебаний они делятся на лока-

ционные, поглощения и резонансные.

В локационных уровнемерах используется эффект отражения

ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость-газ. Положе-

ние уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых

колебаний от источника до приемника после отражения их от поверх-

ности раздела.

В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по

ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слой

жидкости или газа.

В резонансных уровнемерах измерение уровня производится по-

средством измерения частоты собственных колебаний столба газа над

поверхностью жидкости, которая зависит от уровня жидкости.

Наибольшее распространение получили локационные уровнеме-

ры. В этих приборах ультразвук пропускают либо сверху, через газо-

вую среду (такие уровнемеры называют акустическими), либо снизу,

через слой жидкости (такие уровнемеры называют ультразвуковыми).

Достоинством акустических уровнемеров является то, что на показа-

ниях этих приборов не сказывается изменение физических и химиче-

ских свойств жидкости. Однако, изменение температуры и давления

газовой среды влияет на точность измерения уровня, что является не-

достатком акустических уровнемеров. Поэтому такие уровнемеры ис-

пользуются для жидкостей, имеющих температуру не более 80 °С и

давление не более 4 МПа.

Уровнемеры, основанные на пропускании ультразвука через

жидкость (ультразвуковые), используются для сред под высоким дав-

лением и для них требуется небольшая мощность излучателя. Однако,

такие приборы очень чувствительны к наличию пузырьков газов в

жидкости, а также к колебаниям температуры и давления в жидкой

среде, что вызывает дополнительную погрешность измерения.

Упрощенная схема акустического уровнемера представлена на

рисунке 6.12, в котором источником (И) и одновременно приемником

(П) отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент.

Генератор (Г) высокочастотных электрических импульсов возбуждает

в пьезоэлементе ультразвуковые колебания, которые отражаются от

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

213

поверхности воды и возвращаются обратно на пьезоэлемент. Одно-

временно генератор включает схему измерения времени (∆τ), на кото-

рый поступает усиленный блоком (У) сигнал от пьезоэлемента, обра-

зованный возвращенной ультразвуковой волной.

Измеренное временным блоком время ∆τ будет определяться по

скорости ультразвука в газовой среде и пройденным путем по

формуле:

)hH(2

−

=τ∆ (6.20)

Преобразователь (Пр)

преобразует значение времени

в унифицированный выходной

сигнал, измеряемый вторич-

ным измерительным прибором

(ИП).

Для уменьшения влияния

изменения температуры газо-

вой среды, находящейся над

жидкостью, имеется блок тем-

пературной компенсации,

включающий в себя термометр

сопротивления, расположенный возле пьезоэлемента. Используемые

на практике акустические уровнемеры имеют класс точности 2.5.

ИП

∆

ИП

Пр

Рисунок 6.12 – Схема акустического

уровнемера

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

214

7 АНАЛИЗ СОСТАВА ГАЗОВ

7.1 Общие положения

Измерение состава газовой среды производится в различных отрас-

лях промышленности, в научных исследованиях, при проведении эколо-

гических мониторингов окружающей атмосферы и в других случаях.

Можно выделить следующие основные цели газового анализа:

– определение теплоты сжигания газообразного топлива по из-

вестному составу горючих компонентов газовой смеси. Выс-

шая теплота сгорания топлива рассчитывается по формуле:

100

...СН%qСО%qН%q

4СНСО2Н

⋅

= , (7.1)

где

СНСОН

q,q, q и т.д. – тепловые эффекты реакции горения

компонентов, Дж/м

(берутся из

справочных данных);

%Н

, %СО, %СН

и т. д. – объемная концентрация горючих

компонентов в газовой смеси.

– контроль качества сжигания топлива по составу продуктов

сгорания. При полном сгорании топлива в продуктах сгора-

ния на выходе из тепловых агрегатов должны содержаться

только негорючие компоненты, такие как СО

, Н

О, N

и О

Для правильного ведения процесса горения топлива необхо-

димо поддерживать определенное соотношение между коли-

чествами подаваемых в топочное пространство агрегата топ-

лива и воздуха. При недостаточном количестве воздуха в

продуктах сгорания появляются такие горючие компоненты,

как СО, Н

и другие. Избыточное количество воздуха обеспе-

чивает полное сгорание топлива, но требует дополнительных

затрат на нагрев избыточного объема воздуха, который явля-

ется балластом, уносящим из агрегата неиспользованное фи-

зическое тепло. Необходимое соотношение топливо-воздух

может быть установлено на основе газового анализа.

– контроль состава технологических газов, к которым относят-

ся такие газы, как кислород, азот, аргон, водород, эндогаз, эк-

зогаз и другие. Они применяются для ускорения процесса

выплавки стали и чугуна (кислород), при рафинировании

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

215

жидкого металла в рабочем пространстве агрегата или в ков-

ше (аргон, азот), для защиты стальных изделий от окисления

при нагреве (эндогаз, аргон) и для других технологических

процессов. Технологические газы должны иметь определен-

ный состав (или чистоту), что определяет качество техноло-

гических операций.

- контроль состава воздушной атмосферы для определения кон-

центрации вредных для окружающей среды газообразных ве-

ществ, таких как оксиды (NO, NO

, SO

, CO

и др.), фенолы,

бензол, аммиак, горючие взрывоопасные газы (СО, СН

и др.).

Приборы, предназначенные для количественного определения

состава газа, называются газоанализаторами. В зависимости от назна-

чения они подразделяются на переносные и автоматические. Перенос-

ные газоанализаторы применяются в лабораторных условиях при вы-

полнении исследовательских работ, при испытаниях и наладке раз-

личных промышленных теплотехнических установок (плавильных,

нагревательных и термических печей, паровых и водогрейных котлов,

сушильных установок и др.). Автоматические газоанализаторы пред-

назначены для непрерывного автоматического измерения содержания

одного или нескольких компонентов в газовой смеси. На основе не-

прерывного контроля газовой среды в рабочем пространстве промыш-

ленного агрегата может осуществляться автоматизированное управле-

ние технологическим процессом.

Газоанализаторы в зависимости от способа определения концен-

трации отдельных компонентов газовой смеси делятся на:

- химические (химические свойства газовых молекул);

- тепловые (физические свойства газа);

- магнитные (магнитные свойства газа);

- оптические (способность поглощать электромагнитные волны);

- хроматографические (адсорбционные свойства газовых молекул);

- спектрометрические (спектральные свойства газа).

Газоанализаторы обычно градуируются в процентах по объему.

Такой способ градуировки шкалы газоанализаторов удобен, так как

процентная доля отдельных компонентов в общем объеме остается

неизменной при изменении давления и температуры газовой смеси.

7.2 Химические газоанализаторы

В химических газоанализаторах определение концентрации от-

дельных компонентов газовой смеси производится методом поглоще-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

216

ния этих компонентов химическими реактивами. По уменьшению на-

чального мерного объема газа определяют содержание данного ком-

понента в газовой смеси.

Для многих компонентов газа разработаны селективные химиче-

ские реактивы, которые поглощают (реагируют) только анализируе-

мый компонент. Непоглощенный остаток анализируемого газа посту-

пает в газоизмерительное устройство, где измеряется уменьшение

объема, соответствующее поглощенному компоненту. Этот метод

применяется как в переносных газоанализаторах ручного действия,

называемых часто приборами Орса, так и в автоматических.

Наибольшее распространение получили переносные газоанализа-

торы для определения качества сжигания топлива во время пуско-

наладочных работ тепловых агрегатов, использующих твердое, жид-

кое или газообразное топливо. При этом анализируются три компо-

нента: СО

, О

и СО. Такие газоанализаторы применяются также для

контроля и градуировки автоматических газоанализаторов на эти же

компоненты.

Схема устройства газоанализатора для анализа одного компонен-

та из газовой смеси представлена на рисунке 7.1. Анализируемый газ

из объекта 1 поступает в газоанализатор по газовому тракту 2 при от-

крытом вентиле 4 и закрытом вентиле 5. Мерное количество газа (50

или 100 мл) поступает в измерительную бюретку 6 за счет разряже-

ния, создаваемого опусканием уравнительного сосуда 7. Дистиллиро-

ванная вода из сосуда 6 перетекает в сосуд 7, а анализируемый газ

полностью заполняет измерительную бюретку 6, после чего кран 4

закрывается, а кран 5

открывается. Подни-

мая уравнительный

сосуд 7, вытесняют

анализируемый объем

газа в поглотитель-

ный сосуд 3, запол-

ненный селективным

химическим реакти-

вом, который погло-

щает только один

компонент из анали-

зируемой газовой

смеси. Для увеличе-

ния поверхности со-

1 – объект; 2 – газовая трасса; 3 – поглотительный

сосуд; 4, 5 – запорные краны; 6 – измерительная

бюретка; 7 – уравнительный сосуд; 8 – резиновый

мешок

Рисунок 7.1 - Схема химического газоанализатора

газ

100%

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

217

прикосновения между анализируемым газом и реактивом поглоти-

тельный сосуд заполнен стеклянными трубками. Прокачивая анализи-

руемый газ несколько раз через реактив, можно добиться полного по-

глощения данного компонента.

Остаточный объем газа возвращают в измерительную бюретку,

имеющую градуировку в объемных процентах от 0 до 100%. Уровень

жидкости в измерительной бюретке укажет на содержание анализи-

руемого компонента в газовой смеси. При необходимости определить

концентрацию других компонентов, содержащихся в газовой смеси,

используют несколько поглотительных сосудов, заполненных соот-

ветствующими реактивами, которые выборочно поглощают анализи-

руемые компоненты.

В газоанализаторах типа Орса применяются следующие химиче-

ские реактивы: раствор едкого калия КОН для поглощения СО

, пиро-

галлоловая кислота С

(ОН)

– для О

, раствор полухлористой меди

CuCl

с нашатырным спиртом NH

Cl и аммиаком NH

– для СО. Пе-

реносные химические газоанализаторы обладают достаточной для

производственных условий точностью измерения с погрешностью в

пределах 0,5 – 1% при использовании свежеприготовленных реакти-

вов и хорошего состояния аппаратуры. К числу достоинств объемного

метода измерения концентрации газов относятся: возможность изме-

рения большого количества компонентов газовых смесей путем под-

бора соответствующих химических реактивов; возможность анализа

многокомпонентных газовых смесей; простота устройства.

Недостатками метода являются: невозможность измерения малых

концентраций, так как цена деления измерительной бюретки состав-

ляет 0,1 мл; периодичность действия, составляющая 20-30 анализов в

час; необходимость частой замены реактивов; невозможность исполь-

зования в системах автоматического регулирования.

7.3 Тепловые газоанализаторы

В тепловых газоанализаторах для определения концентрации ка-

кого-либо компонента в газовой смеси используются ее тепловые

свойства, такие как теплопроводность, тепловой эффект реакции ката-

литического окисления (термохимические) и др.

Наибольшее распространение получили термокондуктометриче-

ские газоанализаторы, основанные на резком различии коэффициента

теплопроводности одного из компонентов по сравнению с остальными

компонентами анализируемой газовой смеси. Так, например, тепло-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

218

проводность таких газов как Н

, СО

, SO

, СН

, He, Ar значительно

отличается от теплопроводности воздуха, и если в воздушной среде

имеется один из этих компонентов, то изменение величины теплопро-

водности газовой смеси будет определятся изменением содержания

данного анализируемого компонента.

Анализ многокомпонентной газовой смеси по ее теплопроводно-

сти можно производить при условии, что все компоненты газовой

смеси, кроме определяемого, имеют примерно одинаковую теплопро-

водность. Если в газовой смеси имеются компоненты, которые могут

влиять на теплопроводность смеси и концентрацию которых опреде-

лять не требуется, то эти компоненты из газовой смеси должны быть

удалены перед началом анализа. Так, например, при измерении кон-

центрации СО

в дымовых газах необходимо удалить такие компонен-

ты как Н

и SO

, содержащиеся в небольшом количестве, но влияю-

щих на общую теплопроводность.

В тепловых газоанализаторах для определения концентрации от-

дельных компонентов используются мостовые схемы, в которых пле-

чами моста являются платиновые спирали, нагретые до температуры

100 °С и помещенные в газовые камеры. Газоанализатор состоит из

четырех газовых камер, две из которых R

и R

являются рабочими,

через которые непрерывно прокачивается анализируемый газ (рису-

нок 7.2). Две другие герметичные газовые камеры R

и R

служат в

качестве сравнительных, в

которых находится газ посто-

янного состава. Так, напри-

мер, в газоанализаторах,

предназначенных для опреде-

ления СО

в газовой смеси,

сравнительным газом являет-

ся воздух.

При прокачивании ана-

лизируемого газа, содержа-

щего, например, СО

и кон-

центрацию которого надо оп-

ределить, через противопо-

ложные газовые камеры R

изменяется теплопровод-

ность газового слоя, распо-

ложенного между платиновой

проволокой и стенкой каме-

Рисунок 7.2 – Измерительная мостовая

схема термокондуктометрического

газоанализатора

%СО

газ

ИПС

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

219

ры. С увеличением концентрации СО

в газовой смеси уменьшается

теплопроводность газа, ухудшается теплообмен, что приводит к уве-

личению температуры платиновой проволоки в камерах R

и R

. Поя-

вившийся разбаланс моста, измеряемый величиной напряжения между

точками «а» и «б», определяется из выражения:

a,б

=к⋅ (R

⋅ R

– R

⋅ R

) (7.2)

где к – коэффициент пропорциональности.

Как видно из формулы (7.2), при протекании анализируемого газа

через противоположные камеры резко увеличивается чувствительность

прибора, т.к. напряжение E

a,б

зависит от произведения величин сопро-

тивления платиновых проволок в измерительных камерах R

и R

В качестве измерительного прибора, измеряющего разность по-

тенциалов Е

а,б

между точками «а» и «б» и отградуированного в объ-

емных процентах анализируемого компонента газовой смеси, исполь-

зуются показывающие милливольтметры или регистрирующие потен-

циометры.

Питание мостовой измерительной схемы в современных газоана-

лизаторах осуществляется постоянным током от источника стабили-

зированного питания (ИПС). Резистор R

, включенный в цепь питания

предназначен для установки такого тока питания моста при градуи-

ровке газоанализатора, чтобы температура платиновых проволок во

всех газовых камерах была близка к 100 °С. Входящий в мост пере-

менный резистор R

служит для устранения начального небаланса

моста, когда в газовых камерах перед началом измерения находятся

одинаковые составы газовых смесей.

Пределы допускаемой основной погрешности термокондуктомет-

рических газоанализаторов для определения СО

в газовой смеси не

превышают 2 – 2,5% диапазона измерения. Изменение показаний га-

зоанализаторов при изменении температуры окружающего воздуха от

20 до 50 °С не превышает ±2 – 2,5 %.

Термокондуктометрический принцип (измерение по теплопро-

водности) измерение применяется для определения (кроме СО

) таких

компонентов, как Н

, SO

, Ar, O

, NH

в топочных газах и в газах при

производстве аммиака, хлора, аргона, серной кислоты, а также для

определения концентрации водорода в системе водородного охлажде-

ния турбогенераторов на тепловых электростанциях. Недостатками

таких типов газоанализаторов являются большое время установления

показаний (инерционность), достигающее 120 секунд и повышенная

погрешность (до 5%).