Химического состава различных веществ

Применение средств измерений подкомплексов АСАТ для определения

Характеристики средств измерений химического состава жидкостей

Характеристика средств измерений химического состава газов

Таблица 2.8

ности и вязкости различных веществ, в том числе, в первую очередь, имеющих высокую вязкость. Кроме того, мало выпускается автоматических рефрактометров, поляриметров и других приборов для контроля качества готовых продуктов и промежуточных продуктов по ходу технологических процессов их переработки.

Новые общепромышленные средства измерений состава и свойств создаются преимущественно в составе агрегатного комплекса средств аналитической техники (АСАТ), который по существу представляет собой систему агрегатных комплексов (называемых подкомплексами АСАТ) средств измерений состава и свойств, построенных на основе определённого для каждого подкомплекса метода измерений.

Перечень подкомплексов АСАТ и виды веществ, анализируемых входящими в каждый из них средствами измерений, приведен в табл. 2.9.

Таблица 2.9

Примерный состав блоков каждого из подкомплексов включает в себя следующие устройства: формирования пробы, воздействия, получения информации, сбора и преобразования информации, представления информации, накопления и обработки информации управления, а также вспомогательные устройства.

Устройства формирования пробы обеспечивают отбор образца, подготовку, дозирование и подачу пробы исследуемого вещества, предварительную подготовку (очистку, охлаждение или нагрев, растворение и т. п.) пробы, принудительную подачу и поддержание требуемого расхода предварительно подготовленного исследуемого вещества в элементах измерительного тракта. Устройства воздействия осуществляют генерирование подводимой к пробе энергии (тепловой, магнитной, электрической и т. д.), а также стабилизацию или требуемое изменение во времени этой энергии. К ним относятся различные генераторы, усилители мощности, фокусирующие устройства. В некоторых средствах измерений химического состава, например в рН-метрах, воздействия на пробу осуществлять не требуется, поскольку в них используются активные устройства получения информации. В соответствующих подкомплексах устройства воздействия на пробу отсутствуют.

Устройства получения информации представляют собой первичные измерительные преобразователи, с помощью которых измеряется физическая величина, характеризующая проявление эффекта взаимодействия исследуемого вещества с подводимой энергией воздействия (в пассивных устройствах формирования информации) или с веществом активного устройства получения информации.

Устройства формирования пробы, устройства воздействия и устройства получения информации являются специфическими для средств измерений химического состава и полностью проектируются в составе АСАТ.

Устройства сбора и преобразования информации, включающие в себя нормирующие преобразователи, согласователи, коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи и т. п., частично проектируются в составе АСАТ, частично заимствуются из АК широкого применения.

Устройства представления, накопления и обработки информации, включающие в себя показывающие и регистрирующие приборы, индикаторы, запоминающие устройства (ЗУ), графопостроители и т. п., практически полностью заимствуются из АК широкого применения.

Устройства управления обеспечивают логическое и временное согласование работы всех устройств, входящих в измерительную систему. Эти устройства в основном также заимствуются из АК широкого применения. Инструментальные методы, применяемые в АСАТ, позволяют анализировать вещества в газообразном, жидком, твёрдом, порошкообразном состоянии, а также в виде плазмы, суспензий и аэрозолей.

В совокупности изделия подкомплексов АСАТ позволяют определить концентрацию большинства составляющих промышленных смесей. Проектируемые и выпускаемые изделия различных подкомплексов могут совместно использоваться для построения многопараметрических измерительных систем, предназначенных для измерения содержания одного или нескольких компонентов в многокомпонентных смесях или соединениях.

Изделия АСАТ, устанавливаемые непосредственно на объекте измерений, должны работать в диапазоне температур от +5 до +50°С, при влажности окружающей среды 30...80% и атмосферном давлении 800...1100 ГПа. Предусматриваются исполнения обыкновенные, взрывозащищённые, брызгозащищённые, герметические, водозащищённые и защищённые от агрессивной среды. По защищённости от вибрационных воздействий изделия также должны иметь два исполнения — обыкновенное и устойчивое к виброперемещению 0,03 мм и виброускорению 10 м/с² в диапазоне частот 5...80 Гц. Напряжённость внешних электрических полей не должна превышать 50 кВ/м. а магнитных полей 400 А/м.

В изделиях АСАТ преимущественно используются унифицированные сигналы постоянного тока 0 – 5 мА, 4...20 мА и напряжения постоянного тока 0...1 мВ и 0...10 В.

Ниже приводятся краткие сведения о назначении и характеристиках подкомплексов средств измерений состава, входящих в АСАТ.

Подкомплекс фотометрических средств измерений (АСАТ-Ф) представляет собой набор устройств, позволяющих создавать приборы для определения состава жидких сред непосредственно по относительному изменению оптической плотности или по изменению цветных реакций контролируемых сред с соответствующими реагентами. Средства АСАТ-Ф преобразуют изменение оптической плотности в пределах 0...0,5 в унифицированный выходной сигнал.

Фотометрический подкомплекс состоит из двух базовых моделей (фотоабсорбциомера и турбидиметра). Модификации отличаются размерами кювет и толщиной просвечиваемого слоя в кюветах: 5, 10, 25, 50, 100 мм. Основная погрешность измерений 2%.

Принцип действия полярографических приборов основан на получении соотношений между силой тока, напряжением и концентрацией анализируемого вещества, восстанавливающегося на измерительном электроде. В настоящее время используются как приборы, работающие на постоянном токе, так и приборы, работающие на переменном токе, импульсные, высокочастотные и осциллографические.

Изделия подкомплекса кондуктометрических средств измерений (АСАТ-К) предназначены для преобразования значения электропроводности водных растворов солей, щелочей и кислот в унифицированный сигнал. В комплекс входят три базовые модели автоматических кондуктометрических концентратомеров: АКК-1, АКК-3, АКК-9. Они позволяют осуществлять контроль растворов от высокой чистоты (дистиллированная вода) до сильно загрязнённых (технические растворы с механическими примесями) и от неагрессивных до сильно агрессивных.

Методы измерения, применяемые в комплексе, делятся на контактные и бесконтактные. Контактный метод позволяет измерять чистые малоагрессивные среды с удельной электропроводностью от 10^{- 1} до 10^-2 См/см. Бесконтактным методом, в котором используются низкие частоты, измеряют растворы с высокой удельной электропроводностью — до 1 См/см, т. е. агрессивные растворы солей, щелочей, кислот. Практически максимальным значением удельной электропроводности обладают растворы кислот с концентрацией 25...30% при повышенной температуре.

Арматура изделия АСАТ-К обеспечивает установку чувствительных элементов на технических агрегатах и магистралях и защиту их от агрессивных воздействий контролируемой среды. В измерительные схемы введена автоматическая температурная коррекция в диапазоне температур от 1 до 1 10С. Основная погрешность измерительных преобразователей ±2,5 %, выходной сигнал 0...5 мА, 4...20 мА.

Подкомплекс потенциометрических средств измерения химического состава (АСАТ-П), предназначен для измерения концентрации растворов различных веществ по активности ионов растворённого вещества в водных средах (рХ), а также по величине окислительных и восстановительных потенциалов (ОВП). Чувствительные элементы приборов подкомплекса состоят из электродной пары (электродов измерительного и сравнения), арматуры и дополнительных устройств, обеспечивающих контакт электродов с контролируемой средой в их соединение с преобразователем.

В качестве базовых элементов для измерения рН приняты стеклянные промышленные электроды. Для измерения активности ионов натрия (рNа) используются также стеклянные электроды, для определения активности различных катионов и анионов (рК, рСа, рСl, рI, рСN, рSO₃ и др.) — электроды на основе ионообменных мембран; для измерения рS при рН = const используется серебряный электрод. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) измеряется платиновыми электродами.

Преобразование ЭДС электродных систем в унифицированный выходной сигнал постоянного тока осуществляется преобразователями в двух исполнениях — обыкновенным и с искробезопасным входом.

В устройствах подкомплекса осуществляется температурная компенсация в диапазоне температуры среды от 0 до 100°С. Основная погрешность измерительных преобразователей ±1%.

Подкомплекс диэлькометрических средств измерений состава (АСАТ-Д) предназначен для определения свойств, состава или структуры веществ по диэлькометрическим (связанным с диэлектрической проницаемостью) параметрам. С помощью анализаторов, создаваемых на базе агрегатных средств АСАТ-Д, решается широкий круг задач, в частности осуществляется контроль фазового состава многофазных потоков, определение диэлектрических свойств широкого класса материалов, анализа состава смесей, компонентов многофазных потоков, анализ влагосодержания. В первой очереди АСАТ-Д разрабатываются агрегатные средства комплекса диэлькометрических приборов для формирования и подготовки пробы и формирования измерительной информации.

Комплекс АСАТ-Д представлен тремя группами приборов:

1) промышленного контроля фазового состава двухфазных потоков; 2) анализа состава бинарных систем в промышленных потоках; З) лабораторного анализа электрических свойств и состава материалов.

Назначение приборов первой группы – непрерывный бесконтактный дистанционный контроль концентрации одного из компонентов двухфазных промышленных потоков, например твердого компонента в потоках аэро- и гидрозолей, образующихся при пневмо- или гидротранспорте твёрдых (сыпучих) материалов; определение газовых включений в жидкости.

Группа приборов для анализа бинарных систем предназначена для определения состава отдельных фаз двухфазных потоков или состава бинарных смесей жидкостей и газов. В третью группу приборов входят диэлькометрические анализаторы широкого применения. Их назначение — анализ свойств и состава (в том числе влажности) диэлектрических материалов во всех агрегатных состояниях при частоте 20 ∙ 10⁸ Гц в широком диапазоне изменения диэлектрической проницаемости (1,5...10 000) и тангенса угла диэлектрических потерь (и более). Базовая модель группы используется для анализа различных материалов в наиболее распространенном интервале изменения диэлектрической проницаемости и потерь. Модификации модели предназначены для анализа материалов с характерными свойствами (сегнетоэлектриков, полупроводников, газов).

Подкомплекс магнитных (термомагнитных) средств измерений (АСАТ-М) предназначен для определения концентрации одного из компонентов в газовых и парогазовых смесях, обладающих свойствами магнитной восприимчивости, например кислорода, а также газов, вступающих в реакцию с кислородом.

Агрегатированные средства комплекса изготовлены в виде самостоятельных функциональных блоков (агрегатов) и комплектуются из унифицированных модулей и узлов. В первую очередь в комплекс входят измерители магнитной восприимчивости, основными техническими характеристиками которых являются чувствительность к входному информативному параметру, погрешность функции преобразования (погрешность нуля и погрешность чувствительности), полный или рабочий диапазон измерения значений информативного параметра, разрешающая способность преобразователя.

Средства получения информации о физических свойствах вещества и качества продукции включают в себя средства неразрушающего контроля продукции, средства получения информации о свойствах вещества теплофизических, оптических, электрофизических (и параметрах изделий), физико-механических. Физико-механические средства включают в себя средства измерения плотности, твердости, вязкости, гранулометрического состава, средства получения информации о прочих физико-механических свойствах.

Применение приборов для контроля физических свойств исходных материалов, полуфабрикатов и изделий, а также для неразрушающего контроля качества продукции непосредственно в технологических процессах весьма перспективно. Однако в связи с разнообразием контролируемых параметров и условий измерения, а также в связи со сложностью инструментальных методик приборы для непрерывного контроля непосредственно в ходе технологического процесса еще не получили широкого распространения.

Для измерения плотности жидкостей предназначены буйковые плотномеры, в которых буёк полностью погружен в жидкость и выталкивающая сила пропорциональна её плотности. Применяются гидростатические и радиоактивные плотномеры.

Вязкость жидкости чаще всего измеряется с помощью вискозиметров, принцип действия которых основан на измерении момента сопротивления цилиндра, погруженного в жидкость и вращающегося с постоянной скоростью.

Для контроля комплексных параметров, характеризующих электрофизические свойства веществ (тангенс угла диэлектрических потерь, магнитная проницаемость, удельная проводимость и т. д.), в составе АСЭТ выпускается и проектируется комплекс технических средств для построения информационно-измерительных систем (ИИС) и измерительно-вычислительных комплексов (ИВК).

Для контроля ряда физико-механических параметров исходных материалов, сырья и готовой продукции, таких, как прочность, твёрдость, ударная вязкость и т. п., предназначены разрывные и другие испытательные машины агрегатного комплекса средств испытаний материалов и конструкций на прочность (АСИП). В состав комплекса входят устройства для задания нагрузок и климатических условий, для контроля и регистрации результатов испытаний, включен процесс разрушения образца.

Для контроля качества продукции в настоящее время проектируется и планомерно осваивается в производстве агрегатный комплекс средств неразрушающего контроля — АСНК. По содержанию информации о качестве изделия приборы АСНК подразделяются на дефектоскопы, измерители геометрических размеров и структуроскопы.

Дефектоскопы предназначены для обнаружения дефектов типа нарушений сплошности (трещин, раковин, расслоений, включений, непропаев и т. п.). Измерители геометрических размеров предназначены для определения размеров изделия, преимущественно в движении и в труднодоступных местах, и для определения толщины покрытий и слоёв. Структуроскопы позволяют измерить или оценить физические или структурные свойства материалов (тип структуры, распределение ферритной фазы в сталях, коэрцитивную силу, твёрдость и т. п.).

Характерной особенностью средств АСНК является возможность построения систем комплексного контроля изделий. Такие системы включают в себя устройства доставки и перемещения изделия, а также несколько дефектоскопов, структуроскопов и других средств измерений, каждое из которых контролирует определенный параметр изделия.

Средства измерений сил, масс, весодозирующие устройства. Для измерения сил и масс в средствах измерений используется метод уравновешивания известной силой (массой) или силой упругого элемента, величина деформации которого пропорциональна уравновешивающей силе. Первый метод применяется преимущественно в приборах непосредственного отсчета. К ним относятся различные рычажные, гирные и квадрантные весы. В устройствах, основанных на втором методе, измеряемая сила или вес измеряемой массы уравновешивается усилием, развиваемым упругим элементом, величина деформации которого преобразуется в сигнал дистанционной передачи.

В качестве преобразований деформации в электрический сигнал применяются тензорезисторы, магнитоупругие и вибрационно-частотные преобразователи. Достоинства тензорезисторных преобразователей заключаются в высокой точности, стабильности и надёжности, простоте конструкции, возможности суммирования сигналов большого количества тензорезисторов, широком температурном диапазоне и малоинерционности.

В нашей стране серийно производятся проволочные и фольговые тензорезисторы с базой от 1 до 30 мм и номинальным сопротивлением от 50 до 400 Ом на бумажной или плёночной основе (подложке), работоспособные в диапазоне температур от – 40 до +70°С. Для высокотемпературных измерений (до +430°С) предназначены тензорезисторы из никельмолибденовой проволоки (тип НМП). На основе тензорезисторных преобразователей выпускается ряд силоизмерительных систем.

Вибрационно-частотные преобразователи основаны на измерении частоты автоколебаний перемычки, технологически изготовленной за одно целое с упругим элементом. Такая конструкция в отличие от известных струнных датчиков позволяет исключить влияние мест заделки чувствительного элемента, что обеспечивает их высокую эксплуатационную надёжность и временную стабильность.

На основе вибрационно-частотного чувствительного элемента разработан ряд ИП силы, обладающих высокой стабильностью и обеспечивающих класс точности до 0,05. Для измерения сил сжатия серийно выпускаются датчики типа СВК с верхними пределами от 200 Н до 200 кН. Для измерения сил растяжения выпускаются ИП типа СВР этой серии с верхними пределами измерений от 2 до 10 кН.

Конструкции вибрационно-частотных ИП максимально унифицированы. Практически для всех ИП применяется одна и та же система возбуждения и усиления сигнала. ИП вибрационно-частотной системы имеют выходной сигнал, обладающий повышенной помехозащищённостью, обеспечивающий высокую точность при передаче и при преобразовании в цифровую форму.

Некоторое распространение в отечественной аппаратуре получили магнитоупругие НП, иногда называемые трансдукторами или тордукторами. Принцип их действия основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных материалов при наличии механических напряжений, которая преобразуется в изменение индуктивности катушек, намотанных на упругий элемент. Достоинства магнитоупругих НП заключаются в высокой механической прочности, надежности, высокой мощности выходного сигнала. Однако эти ИП имеют невысокую точность (1...2%), значительную температурную погрешность (около 0,2% на 10°С) и временную нестабильность.

Для измерения и дозирования масс в промышленных условиях выпускается ряд весоизмерительных и дозирующих устройств. Унифицированный ряд весоизмерительных устройств, построенных на основе тензорезисторных ИП, предназначен для измерения массы нетто сыпучих или жидких продуктов, загружаемых в различные ёмкости. Устройство представляет собой измерительную систему, состоящую из набора первичных преобразователей, на которых монтируется взвешиваемая емкость, вторичных преобразователей и регистрирующего прибора. Устройства ряда позволяют измерять массы от 4 до 120000 кг.

Созданы серии весов и весоизмерительных устройств для взвешивания различных изделий и емкостей с материалами. В частности, разработаны крановые тензометрические весы с наибольшим пределом взвешивания 160, 400 и 500 т классов точности 0,25 и 0,5, снабженные аппаратурой связи с централизованными средствами сбора, обработки данных и управления ТП.

Большой эффект дает использование устройств для взвешивания различных транспортных средств без остановки, а также железнодорожных составов — без расцепки. На базе вибрационно-частотных датчиков изготовляются конвейерные весы для взвешивания сыпучих материалов, перемещаемых ленточными транспортерами со скоростью до 2,5 м/с. Производительность весов до 5000 т/ч. Весы автоматические конвейерные, предназначенные для взвешивания в движении поддона с грузом, обеспечивают передачу данных в систему управления и регистрацию результата. Погрешность взвешивания 0,5%, скорость движения конвейера 0,2 м/с.

Система связного многокомпонентного дозирования сыпучих материалов предназначена для поддержания заданного расхода и соотношения до пяти компонентов с точностью до 0,5% от текущего расхода смеси. Производительность системы от 0,5 до 2500 кг/ч, наибольший суммарный весовой расход 5 т/ч.

Новые общепромышленные средства измерений сил, масс и весодозирующей техники создаются преимущественно в состав агрегатного комплекса средств измерения и дозирования масс (АСИМ). АСИМ представляет собой совокупность узлов, блоков и устройств, на базе которых методом агрегатирования создаются основные типы циферблатных и цифровых электронно-механических и электронных весовых и весодозирующих систем периодического действия для штучных грузов, а также системы дискретного и непрерывного действия для сыпучих материалов. В изделиях АСИМ приняты аналоговые сигналы связи 0...5 мА, 0...10 В и 4...8 кГц и цифровые сигналы в двоично-десятичном коде 8 – 4 – 2 – 1 с логическим нулём 0...2,4 В и логической единицей 9,6...14,4 В положительной полярности.

Конструктивные исполнения устройства АСИМ должны обеспечивать возможность эксплуатации:

· механических силоизмерителей при температуре от – 10 до 50°С;

· первичных ИП — при температуре от – 30 до 50°С (классов точности 0,2 и 0,4), от 5 до 400С (класса точности 0,1) и от 10 до 35°С (класса точности 0,04);

· остальных устройств — при температуре от 5 до 50°С, за исключением крупноформатных табло и некоторых грузоприёмных устройств, которые могут эксплуатироваться при температуре от – 30 до 50°С.

Средства измерений кинематических величин. К кинематическим величинам относятся величины, характеризующие геометрические размеры и координаты, а также параметры движения (линейную и угловую скорость, ускорение).

Для дистанционного измерения кинематических величин широко применяются различные электромагнитные устройства — сельсины, индуктосины, тахогенераторы, кодовые маски. Особой разновидностью кинематических величин являются параметры вибраций: виброперемещение, виброскорость и виброускорение. Измерение этих параметров необходимо для контроля состояния и предупреждения аварий технологического оборудования, а также для контроля различных изделий на вибропрочность. Отечественные средства для измерения параметров вибраций выпускаются и проектируются преимущественно в составе агрегатного комплекса средств измерения вибраций (АСИВ).

Средства измерений электроэнергетических величин. К. электроэнергетическим величинам относятся параметры электрической энергии, потребляемой из государственной электрической сети или генерируемой местными электрическими станциями и электросиловыми агрегатами. Отечественные средства измерений электроэнергетических величин выпускаются преимущественно в составе агрегатного комплекса средств электроизмерительной техники (АСЭТ). В составе АСЭТ имеется большое количество типов измерительных преобразователей, коммутаторов, АЦП, ЦАП, показывающих и регистрирующих приборов и т. п.

Номенклатура первичных измерительных преобразователей электроэнергетических величин включают в себя преобразователи: напряжения постоянного тока, напряжения переменного тока, силы постоянного тока, силы переменного тока, активной мощности трёхфазного тока, реактивной мощности трёхфазного тока, частоты переменного тока.

Ряды первичных преобразователей строятся по четырём ключевым параметрам: диапазон изменения входного сигнала, основная погрешность, время установления показаний, диапазон изменения выходного сигнала.

Все измерительные преобразователи работают по принципу усиления и преобразования части электрической энергии, отбираемой из измеряемой сети. Приборостроением обеспечивается практически весь диапазон измерения электрических параметров как постоянного, так и переменного токов.

Дата добавления: 2013-12-13