9.1. Средства измерения расхода газообразных, жидких и сыпучих материалов.

Расход – это количество вещества протекающего через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Различают объемный (м³/ч и м³/с) и массовый (кг/с, кг/ч) расходы.

Измерительный прибор, служащий для измерения расхода называется расходомером.

Существует множество методов измерения расхода.

Для измерения расхода газа, жидкости и пара нашли применение следующие методы:

1. переменного перепада давления;

2. постоянного перепада давления;

3. метод динамического давления;

4. объемный метод;

5. скоростной метод.

Наибольшее распространение на практике получил метод переменного перепада давления. Измерение расхода по этому методу основано на определении давления вещества протекающего через местное сужение в трубопроводе. Местные сужения создаются специальными устройствами чаще всего диафрагмами, реже соплами и трубами Вентури.

Рис. 9.1. Стандартные сужающие устройства:

а) диафрагма;

б) сопло.

На рис. 9.1. показаны стандартные сужающие устройства: диафрагма (а) и сопло (б). Диафрагма представляет собой тонкий диск 1 установленный между фланцами 2 в трубопроводе 3, так чтобы ее входное отверстие было концентрично внутреннему контуру трубопровода. Передняя входная часть диафрагмы имеет цилиндрическую форму, а выходная представляет собой расширяющийся конус. Сопло 1 имеет профилированную входную часть, которая затем переходит в цилиндрический участок. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром.

Принцип измерения расхода по методу переменного перепада давления заключается в том, что при протекании потока вещества через отверстие сужающего устройства увеличивается скорость потока, а, следовательно, увеличивается динамическое давление. Это в свою очередь вызывает уменьшение статического давления т.е. р₁ > р₂ (рис. 9.2). Разность давлений называется перепадом давления на сужающем устройстве, и эта величина зависит от расхода вещества, протекающего через трубопровод.

Рис. 9.2. Метод переменного перепада давления:

а) протекание потока через сужающее устройство (на примере диафрагмы);

б) диаграмма распределения статического давления.

Расход вещества является функцией перепада давления ,

до и после сужающего устройства.

Однако удобнее измерять давление непосредственно до (р₁) и после (р₂) сужающего устройства и поэтому объемный расход вещества определяют по формуле:

,

где  – коэффициент расхода, учитывающий расширение потока после сужающего устройства,

Fо – поперечное сечение входного отверстия сужающего устройства,

α -коэффициент расхода учитывает факторы: переход от перепада к перепаду, неравномерность распределения скоростей в сечениях потока, коэффициент суженияи зависящий от модуля сужающего устройстваm=F0/F1.

Выразим расход через диаметр сужающего устройства:

,

где А – числовой коэффициент зависящий от размерности величин расхода диаметра и .

Если расход измеряют в массовых единицах (кг/с или кг/ч), то выражение принимает вид:

,

Из характера распределения статического давления видно что установка сужающего устройства вызывает безвозвратные потери давления которые могут достигать существенных значений. Причем чем больше эти потери, тем больше погрешность измерения расхода методом переменного перепада давления. Меньше потери и следовательно большую точность измерения обеспечивают сопла и трубы Вентури.

При практических измерениях величины не зависят от расхода, тогда формула:

,

где К_o и К_m – постоянные коэффициенты объемного и массового расходов.

Таким образом для измерения расхода вещества достаточно измерить перепад давления на сужающем устройстве.

В датчиках расхода (дифманометрах) расчет по этим формулам производится автоматически и выходной сигнал этих датчиков пропорционален расходу вещества, а не перепаду давления. В формулы для определения расхода вещества входит его плотность поэтому результат получается с большой долей точности.

Для определения количества газа во вторичные приборы встраиваются счетчики сумматоры или интеграторы, показывающие суммарное количество вещества прошедшее через сечение трубопровода от начала отсчета до данного момента времени.

Для измерения количества твердых или жидких веществ в емкостях применяют весоизмерительные устройства (весы). Для взвешивания больших количеств вещества, например вагонов с грузом, ковшей с жидким металлом, применяют весоизмерительные устройства с тензорезистивными или магнитоупругими чувствительными элементами.

В магнитоупругих чувствительных элементах имеются магнитопроводы, магнитопроницаемость которых зависит от прилагаемого усилия или измеряемого веса. Электрический ток в обмотке элемента служит мерой измеряемого усилия. Применение тензорезистивных и магнитоупругих элементов позволяет получать электрический сигнал пропорциональный силе тяжести материала и поэтому осуществляет дистанционную передачу на вторичный прибор или к другому элементу системы вторичного управления.

В системах дозирования сыпучих материалов применяют весоизмерители, которые тарируются на определенный вес материала с площадью уравновешивающего груза.

Для передачи показаний на расстояние используется магнитоупругий датчик. Если погрешность составляет один процент, то весоизмерители списывают. Первичные измерительные приборы давления и расхода выпускаются бесшкальными, в комплекте с ними применяются унифицированные вторичные измерительные приборы типа КСУ, КПУ, КВУ, серии А (А502, А542), имеющие класс точности 0,25-0,5.

Лекция 10

Средства автоматического контроля температуры

Температура является важнейшим параметром множества технологических и теплотехнических процессов, характеристикой кинетической энергии молекул и характеризует степень нагретости тела. Единицей измерения температуры является Кельвин (К); допускается измерять температуру в градусах Цельсия (⁰С). Диапазон измерения температур в практике весьма широк, следовательно, различны и методы измерения температуры. Самое широкое распространение получили:

1. Термометры сопротивления;

2. Термоэлектрические термометры;

3. Пирометры излучения.

Термометры сопротивления и термоэлектрические термометры применяются для контроля температуры охлаждения воды подогретых газов поступающих в горелочное устройство футеровок агрегатов жидких металлов и шлаков. Пирометры измеряют температуру внутри пространства агрегата, насадок регенераторов, жидких металла и шлака и т.д.

Принцип действия термометра сопротивления основан на способности металлов и проводников материалов изменять электрическое сопротивление с изменением температуры. Для изготовления чувствительных элементов термометров применяются медная, платиновая или никелевая проволока.

Для термометров из меди и никеля зависимость между температурой t и сопротивлением R_t в диапазоне (-200⁰C; +200⁰C) линейна:

,

где R₀ – удельное сопротивление при 0 градусов Цельсия;

α- температурный коэффициент сопротивления проволоки.

Зависимость сопротивления платиновой проволоки от температуры в диапазоне (-260⁰C; 0⁰C).

;

Диапазон (0⁰С; 660⁰С):

;

Полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы в диапазоне –90⁰С +180⁰С имеют зависимость:

,

где А, В, С - температурные коэффициенты металлов.

Чувствительные элементы термисторов изготовляют из оксидов кобальта марганца меди и никеля.

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис. 10.1а) представляет собой спираль 1 помещенную в 2-ух или 4-ех канальный чехол 3. К концам спирали припаиваются выводы 5 для подключения элемента к измерительному прибору. Элемент герметизируется специальной глазурью 4 и покрывается защитной оболочкой 2.

Чувствительный элемент медного термометра (рис. 10.1б) представляет собой обмотку из тонкой проволоки 1 покрытую снаружи защитной хлорвиниловой лентой 2. К концам обмотки припаяны выводы 3.

Чувствительные элементы помещаются в защитный керамический или металлический чехол и на объекте устанавливаются с помощью штуцера или другим способом.

В качестве вторичных измерительных приборов в комплекте с термометрами сопротивления используются автоматические измерительные мосты или вторичные приборы с унифицированным входным сигналом типа ДИСК – 250, КСУ, КПУ, КВУ. Если термометры сопротивления используются в комплекте с вторичными приборами, имеющими унифицированный вход, то между термометрами сопротивления и вторичным прибором включается специальный нормирующий преобразователь «сопротивление - ток», который преобразует электрическое сопротивление термометра в унифицированный токовый сигнал (0-5мА или 4-20мА). Довольно широко в комплекте с термометрами сопротивления применяются так называемые уравновешенные измерительные мосты.

В основу работы уравновешенных мостов положен нулевой метод измерений электрического сопротивления. Прибор представляет собой одинарный мост, состоящий из 2-ух постоянных резисторов, одного переменного (реохорда) и термометра сопротивления. В одну диагональ моста подается напряжение питания, во вторую - измерительную включается измерительный прибор, например милливольтметр или усилитель, если мост автоматический. Мост находится в равновесии, если произведение сопротивлений противоположных плеч равны между собой. Если мост неуравновешен, то разность потенциалов между вершинами измерительной диагонали поступает в измерительный прибор и стрелка последнего отклоняется от нулевой отметки. Перемещая ползунок реохорда, добиваются установки стрелки в нулевое положение. Таким образом, перемещение реохорда в момент равновесия моста служит мерой температуры измеренной термометром сопротивления.

В автоматических мостах в измерительную диагональ включается фазочувствительный усилитель, а ползунок реохорда снабжается приводом в виде реверсивного электродвигателя, включаемого на выход усилителя.

В термоэлектрический термометр входит термопара и вторичный измерительный прибор. Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников 1 и 2 (рис.10.2.).

1 2

t

Рис. 10.2. Термопара

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. В замкнутой цепи двух разнородных проводников возникает электрический ток, если места соединения этих проводников (спаи) имеют разную температуру. Спай с температурой t горячий или рабочий, с температурой t0 холодный или свободный.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов.

Под действием термоэлектродвижущей силы электроны диффундируют (переходят) допустим, из проводника 1 в проводник 2 . Тогда первый проводник в спаях с температурами t и to заряжается положительно, а второй отрицательно. Возникающая между проводниками термоэлектродвижущая сила – разность потенциалов, описывается следующим выражением:

,

где ‑ разность потенциалов при температуре t,

- разность потенциалов при температуре to.

На практике температуру t0 поддерживают постоянной, т.о. результирующая термоЭДС будет функцией измеряемой температуры:

Для термопар используемых в промышленности эту зависимость находят экспериментально. И, т.о. по величине термоЭДС судят об измеряемой температуре.

Термопары стандартных термоэлектрических термометров изготавливаются из проволоки чистых металлов или сплавов диаметром от 0,5 до 3,2 мм. В зависимости от материалов проволоки различают следующие термопары: хромель-алюмелевые (ТХА) с диапазоном измерения от 200 до 1000⁰С, платинородий - платиновые (ТПП) (от 20 до 1300⁰C). Платинородий –платинородиевые (ТПР) (300 – 1600⁰C) и вольфрам- рениевые ( 10 – 2500⁰C) При кратковременных измерениях предел верхний предел температур увеличивается.

В комплекте с термопарами в качестве вторичных приборов применяются автоматические потенциометры, милливольтметры, а также приборы с унифицированным входным сигналом.

Для определения температуры жидких металлов и шлаков применяют термопары кратковременного и длительного погружения. Термопары кратковременного погружения состоят из стальной трубы, через которую протянуты армированные керамическими изоляторами термоэлектроды. Термоэлектроды по мере расхода сматываются с бухты. Рабочий спай термопары размещен в кварцевом наконечнике, расположенном в графитовом блоке и покрытом огнеупорной обмазкой. Наконечник рассчитан на одно погружение (20 – 40 с).

Существуют конструкции термопар со сменной измерительной головкой. Такие термопары состоят из стальной трубки с защитным чехлом из прессованного картона. В чехле расположена измерительная головка с термопарой в кварцевой трубке. Свободный спай термопары подключается к измерительному прибору с помощью разъемного контактного устройства. Сверху измерительная головка защищена металлическим колпачком, который после погружения в металл растворяется.

Термопары длительного погружения отличаются тем, сто термоэлектроды помещаются в защитную водоохлаждаемую фурму, которая вводится в жидкий металл через горловину конвертера на время от нескольких минут до нескольких часов. Рабочий спай этих термопар защищается наружным наконечником и алунда с засыпкой между ними порошка оксида аллюминия. В качестве термоэлектродов в термопарах используется платинородиевая или вольфпамрениевая проволока.

Пирометры относятся к бесконтактным датчикам температуры. В основу их работы положен принцип использования теплового и светового излучения нагретых тел.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. До 500⁰С нагретое тело излучает энергию инфракрасного спектра не воспринимаемую человеческим глазом. По мере повышения температуры тело излучает энергию всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры возрастает интенсивность монохроматического излучения (яркость), т.е. излучение при определенной длине волны, а также увеличивается суммарное, т.е. световое и тепловое излучение. Монохроматическое излучение используется в пирометрах частичного излучения, суммарное – в пирометрах полного излучения.

Интенсивность монохроматического и суммарного излучения кроме температуры зависит от физических свойств вещества. Поэтому шкалы приборов работающих в комплекте с пирометрами градуируются по излучению абсолютно черного тела, степень черноты которого Е₀ = 1. Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, т.к. степень черноты для них 0<Е<1. Поэтому пирометры излучения показывают температуру, заниженную относительно действительного значения. Следовательно, при использовании пирометров вводят соответствующие поправки на степень черноты реального тела. В основу работы пирометра частичного излучения положен закон Планка.

,

где С1 и С2 - константы Планка;

 - длина волны;

Т - абсолютная температура;

-интенсивность монохроматического излучения.

Следствием закона Планка является закон Стефана-Больцмана, выражающий зависимость между суммарной энергией излучения и температурой абсолютно черного тела:

,

где Ео – энергия суммарного излучения;

-константа излучения абсолютно черного тела.

Этот закон положен в основу работы пирометров полного излучения.

В общем случае пирометр состоит из первичного датчика, вторичного преобразователя и вторичного измерительного прибора.

Пирометр частичного излучения:

Рис. 10.3.

Излучение от нагретого тела 1 проходя через объектив 2 и диафрагму 3 попадает на чувствительный элемент 4, который поглощая энергию излучения вырабатывает пропорциональный ей, а следовательно и температуре электрический сигнал напряжения. Этот сигнал поступает в измерительную схему на вторичный преобразователь и вторичный измерительный прибор, градуированный в ⁰С. В качестве чувствительных элементов в пирометрах частичного излучения применяются фотодиоды фоторезисторы и т.д. В пирометрах полного излучения термобатарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных термопар. Для выделения из общего спектра излучения определенной длинны волны, в пирометрах частичного излучения применяется цветной светофильтр 7. Окуляр 6 служит для удобства визирования датчика на тело 1. Все элементы пирометра размещаются в корпусе 5.

К пирометрам частичного излучения относятся оптические, фотоэлектрические и цветовые (спектрального отношения) пирометры. Принцип действия оптических и фотоэлектрических пирометров основан на сравне­нии интенсивности монохроматического излучения нагретого тела и эта­лонной пирометрической лампы накаливания.

В ручных оптических пирометрах типа ОППИР и "Проминь" сравнение интенсивностей излучения производится глазом наблюдателя. С помощью объектива и окуляра пирометра получают четкое изображение нити накаливания на фоне объекта. Далее, изменяя силу тока в пирометрической лампе с помощью реостата, добиваются при красном светофильтре совпа­дение интенсивностей излучения объекта и нити накаливания - нить как бы «исчезает» на фоне объекта. Отсчет температуры производится по шкале милливольтметра в градусах.

В пирометрах частичного излучения ФЭП, "Смотрич" (комплекса АПИР-С) сравнение интенсивностей излучения нагретого тела и лампы на­каливания производится автоматически с использованием фотоэлемента; в пирометрах с первичным преобразователем ПЧД (комплекс АПИР - С) излучение нагретого тела, воспринимается чувствительным элементом (фотодиодом, фоторезистором), преобразуется в унифицированный сигнал (0-5 мА, 4-20 мА или 0-100 мВ) и фиксируется вторичным прибором, шкала которо­го размечена в градусах.

В цветовых пирометра, иначе в пирометрах спектрального отношения «Спектропир», «Веселка» (комплекса АПИР-С), температура определяется по отношению интенсивностей излучения нагретого тела для двух заранее выбранных длин волн ₁ и ₂.

Пирометры полного (интегрального) излучения носят название радиационных пирометров. Выпускаются пирометры с пирометрическими преобразователями различных типов агрегатированного комплекса стационарных пирометрических преобразователей и пирометров излучения АПИР-С.

Различные типы пирометров позволяют измерять температуру в интер­вале 30-6000⁰С. Кроме степени черноты тела на точность измерения сильно влияет промежуточная среда (пыль, дым, пар и т.п.) между наг­ретым телом и датчиком. Поэтому при измерении температуры кладки в некоторых случаях датчик визируется на донышко так называемого ка­лильного стакана, вмонтированного в кладку.

В качестве вторичных измерительных приборов с термопарами и пиро­метрами используются милливольтметры, автоматические потенциометры или приборы с унифицированным входным сигналом.

Милливольтметры не отличаются высокой точностью измерения и поэтому используются довольно редко, например, при измерении температуры от­ходящих продуктов сгорания, температуры охлаждающей воды и т.п.

При использовании с термопарами ил пирометрами вторичных приборов с унифицированным входом (типа КСУ, КПУ, КВУ или серии А) между первичным преобразователем и вторичным прибором обязательно устанав­ливается промежуточный преобразователь, который преобразует термоЭДС термопары или сигнал пирометра в унифицированный сигнал.

Самое широкое распространение для работы в комплекте с термопара­ми и с некоторыми модификациями пирометров излучения получили автома­тические потенциометры. Принцип действия потенциометра заключается в том, что измеряемая термоЭДС (или напряжение) уравновешивается равным ей по величине, но обратным по знаку напряжением вспомогательного ис­точника тока, которое затем измеряется с большой точностью.

Современные автоматические потенциометры типа КСП, КПП, КВП, ДИСК-250 и другие имеют класс точности 0,25 – 0,5.

Лекция 11

Средства определения химического состава вещества

В процессе плавки химический состав металла и шлака определяется химическим путем в химической лаборатории. Пробы на анализ отбираются из сталеплавильной ванны и пневмопочтой доставляются в лабораторию. Такие элементы, как C, S, P определяются в каждой пробе металла. Пробы шлака анализируются на содержание SiO₂, Cao, Feo, P₂O₅ и другие составляющие. Время на получение результата анализа 10 минут и более что при современной технологии является недопустимым. Более прогрессивным методом анализа является метод с использование спектрометров (анализ за 1-2 мин). Процесс спектрометрического анализа состоит из следующих последовательных операций:

1. Превращение анализируемого вещества в газовую фазу

2. Понижение давления в газовой фазе

3. Превращение молекул анализируемого вещества в положительные ионы путем обстрела на электронах с большой скоростью W

4. Формирование ионного пучка с помощью электростатического поля

5. Разделение ионного пучка по массам в магнитном или электрическом поле

6. Регистрация и улавливание ионов, происходящие раздельно для ионного пучка (запись масс-спектра)

7. Расшифровка масс-спектра, т.е. определение искомых концентраций производимых с определенными типами масс-спектра с помощью вычислительных операций.

При измерении спектрометрами используется основной физический параметр вещества – масса молекулы или атома. В условиях глубокого атома молекулы или атомы вещества ионизируются с образованием положительных ионов, которые, получив заряд в электрическом поле, разделяются по своим массам в магнитном поле. Сумма электрических зарядов движущихся ионов образует ионный ток. Измерение ионного тока, создаваемого частицами той или иной массы, позволяет судить о концентрации частиц в общем составе анализируемого вещества.

Преимущественное применение получили спектрометры с разделением ионов в однородном магнитном поле (рис. 4.8).

3

Газовая пучок

Смесь электронов

R 4 5

2

Рис. 4.8.

В ионизирующую камеру 1 находящуюся под глубоким вакуумом вводится ионизируемая газовая смесь. Молекулы газа бомбардируются. Образующие при этом положительные ионы, обладающие положительным зарядом электрона е, но различной массой m (для различных компонентов), имеют незначительную начальную скорость. Под действием электрического поля обусловленной приложенной к стенкам разности потенциалов U и ионы получают заряд под действием электрического поля и вылетают с определенной скоростью через щель в камеру 2 анализатора, где действует однородное магнитное поле H. В зависимости от величины вектора напряженности напряжения, а также отношения m/e различные ионы опишут траектории разных радиусов r1, r2, r3. При постоянных значениях напряженности напряжения и электрона в щель камеры2 и далее на коллектор 3 попадают ионы с определенным значением массы. Ионный ток создает на резисторе определенное падение напряжения, которое через усилитель 4 подается на измерительный прибор 5.

Изменяя напряжение магнитного поля или разность потенциалов на коллекторе можно направить ионы различных масс и записать на диаграмме измерительного прибора. Высота отдельных пиков пропорциональная ионному току характеризует концентрацию компонентов анализируемого вещества.

Для экспресс анализа содержания углерода в металле находят применение устройства, основанные на зависимости термоэлектродвижущей силы, возникающей в цепи из двух разнородных металлов или сплавов, от их при­роды и свойства. С целью повышения точности определения содержания углерода пробу стали, отбираемую по ходу плавки, подвергают закалке, при этом основной структурной составляющей пробы является мартенсит, т.е. твердый раствор углерода. в альфа-железе. В таких бинарных растворах между содержанием углерода и термоЭДС существует линейная зависимость. Устройство работает на принципе измерения величины термоЭДС пробы стали в паре с элементом сравнения - железом армко.

В последнее время получили распространение устройства для опреде­ления содержания углерода в жидкой стали по температуре ликвидус. Принцип действия таких устройств основан на зависимости температуры кристаллизации жидкого металла от содержания в нем углерода. Концент­рация углерода определяется по градировочным кривым или таблицам, составленным на основе диаграммы состояния железо-углерод.

Жидкая сталь вручную заливается в пробницу 1 (рис 3.28,а), в донышке которой имеется сменная термопара 3 в защитной кварцевой трубке 2. Термопара с помощью разъемов 4 подключается к измерительному при­бору 5, шкала которого градуирована в процентах углерода. В процессе затвердевания металла в пробнице на диаграмме прибора фиксируется площадка ликвидуса, положение которой определяется содержанием угле­рода в пробе. Точность определения содержания углерода ±0,03%, дли­тельность измерения 10-15 с.

В конвертерной производстве стали широко используются комбинированные датчики (рис. 3.28,6), позволяющие измерять температуру ванны конвертера, определять содержание углерода в ванне по температуре ликвидус и получать пробу металла для химического и спектрометричес­кого анализов без прекращения продувки и повалки конвертера.

Датчик вводится в рабочее пространство конвертера с помощью измерительной водоохлаждающей фурмы (зонда) и состоит из защитной бумажной гильзы 1 и запрессованной в неё измерительной головки. Головка содержит платинородий-платиновую термопару 5 с двумя рабочими спаями, которая крепится к пластмассовой головке 3 с тремя контактными выво­дами 2. Спай термопары, предназначенный для измерения температуры ванны, защищен кварцевым чехлом 10 и расположен вне корпуса головки; спай, служащий для измерения температуры ликвидус расположен внутри корпуса в кварцевом капилляре 8. В боковой стенке головки для прохода жидкого металла, имеются два отверстия 6, закрытые тонкими стальными крышками, которые предотвращают затекание шлака при погружении в ван­ну конвертера. Кварцевый капилляр 8 крепится верхней частью в керами­ческой пробнице 4. Наконечник 10 защищен металлическим колпачком 9, расплавляющимся в жидком металле. В пробницу помещается алюминиевая проволока 7 для раскисления пробы металла.

Для контроля химического состава газов широко используются авто­матические газоанализаторы. В металлургии наибольшее распространение получили газоанализаторы на СО, СО₂, О₂, Н₂, СН₄.

На рис. 3.29 показана принципиальная схема автоматического газоанализатора, принцип действия которого основан на измерении теплопро­водности газовой смеси (термокондуктометрические газоанализаторы).

В этих приборах чувствительный элемент - нагреваемую электрическим током платиновую нить омывает анализируемая газовая смесь, теплопро­водность которой зависит от содержания в ней определяемого компонен­та. При изменении теплопроводности смеси меняется теплоотдача от нити к газовому потоку, а, следовательно, температура нити и ее электричес­кое сопротивление. Величина сопротивления однозначно связана с концентрацией измеряемого компонента, т.к., если теплопроводность одного компонента газовой смеси значительно превосходит теплопроводность ос­тальных компонентов, то изменение теплопроводности смеси практически будет определяться изменением концентрации компонента, имеющего боль­шую теплопроводность.

Такие газы как Н₂ и СО₂ значительно отличаются по теплопроводнос­ти от основных компонентов промышленных газов – N₂, О₂, СО, СН₄ и др. Следовательно, кондуктометрические газоанализаторы могут быть использованы для определения содержания Н₂ или СО₂ в газовой смеси.

Схема газоанализатора состоит из двух неуравновешенных мостов - рабочего 1 и сравнительного 2, питаемых от двух вторичных обмоток од­ного и того же трансформатора. Чувствительный элемент R1 - платиновая спираль находится в открытой стеклянной ампуле и омывается анализиру­емой газовой смесью. Чувствительные элементы R2, R5 и R6 помещены в закрытые стеклянные ампулы, заполненные сравнительным газом, в ка­честве которого в зависимости от пределов измерения применяют азот или смесь того или иного состава. Состав газа в камерах R2 и R6 соответствует началу шкалы прибора, в камере R5 - концу шкалы. Напряжение в измерительной диагонали моста 2 всегда постоянно и часть его (между точками а и d) используется для компенсации напряжения в измерительной диагонали ас моста 1. При содержании анализируемого компонента в газовой смеси, соответствующем начальной отметке шкалы газоанализатора, мост 1 уравновешен, т.е. Uас = 0, и указатель прибора находится в начале шкалы. С ростом концентрации анализируемого компонента мост 1 выходит из состояния равновесия и в диагонали ас возникает напряжение разбаланса, которое оказывается нескомпенсированным напряжением, сни­маемым с измерительной диагонали моста 2. На вход усилителя поступает разность напряжений Uас – Uаd и двигатель М перемещает движок реохорда R_p до тех пор, пока эта разность не станет равной нулю. Термокондуметрические газоанализаторы выпускаются типа ТП и предназначены для определения в газовых смесях содержания Н₂ или СО₂. Пределы измерения в зависимости от модификации прибора могут быть от долей до десятков процентов, вплоть до 100% (объёмн.). Приборы ТП широко используются, например, для контроля содержания Н₂ в колошниковом газе. В комплекте с газоанализаторами типа ТП используются вторичные приборы, выполнен­ные на базе автоматических мостов типа КСМ.

В так называемых магнитных газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по изменению магнитных свойств газовой смеси. Газообразный кислород по своим магнитным свойствам отличается от других промышленных газов: он относится к парамагнитным газам, т.е. обладает свойством втягиваться в магнитное поле. Такие компонен­ты газовой смеси как СН₄, Н₂, N₂ имеют в десятки и сотни раз меньшую магнитную восприимчивость по сравнению с кислородом. Следовательно, концентрация кислорода практически однозначно определяет магнитную восприимчивость газовой смеси. С повышением температуры магнитная восприимчивость кислорода снижается.

Принцип действия газоанализатора на кислород рассмотрим на приме­ре газоанализатора типа МН, схема которого приведена на рис. 3.30. Первичный измерительный преобразователь (приёмник) газоанализатора представляет собой компенсационно-мостовую схему, состоящую из двух мостов - рабочего 1 и сравнительного 2. Мосты питаются от вторичных обмоток трансформатора Т. Резисторы R1 и R2 моста 1 представляют со­бой платиновые спирали, омываемые анализируемым газом. Два других чувствительных элемента R5 и R6 размещены в камерах сравнительного моста 2 и омываются воздухом. Резисторы R3, R4, R7 и R8 являются постоянными и выполнены из манганиновой проволоки. Чувствительные элементы R1 и R5 находятся в магнитном поле и нагреты протекающим по ним током до температуры 200⁰С.

При отсутствии кислорода в анализируемом газе мосты 1 и 2 нахо­дятся в равновесном состоянии и на входе усилителя вторичного прибо­ра, выполненного на базе автоматического моста КСМ, сигнал равен ну­лю.

При появлении кислорода в газе частицы кислорода втягиваются в поле магнита, и резистор R1 охлаждается, а кислород нагревается от резисто­ра R1 и его магнитная восприимчивость снижается. Холодный газ вытал­кивает нагретый, создавая поток магнитной конвекции. Чем выше кон­центрация кислорода в газе, тем сильнее охлаждается резистор R1, тем в большей степени мост 1 выходит из равновесного состояния и в диагонали ab моста 1 появляется напряжение разбаланса. Это напряжение сравнивается с напряжением в сравнительной диагонали bd моста 2, которое всегда постоянно, т.к. концентрация кислорода в воздухе является стабильной. Под действием разности напряжений Uab - Ucb. усиленной усилителем вторичного прибора, двигатель М начинает вращаться и пере­мешает движок реохорда до тех пор, пока Uab не станет равным Ucb. В момент равновесия по шкале вторичного прибора, производится отсчет показаний.

Приборы МН применяются, в частности, для определения концентрации технического кислорода, используемого при продувке жидкого металла в конвертерах и мартеновских печах. Пределы измерения приборов МН 0,5-100% О₂

Весьма широкое применение в металлургии получили так называемые оптико-акустические газоанализаторы типа АО. Принцип действия этих анализаторов основан на селективном поглощении различными газами инфракрасного излучения; величина поглощения зависит от состава газа. При поглощении инфракрасных лучей температура газа повышается, вследствие чего повышается и его давление в замкнутом объёме. Если облучение газа инфракрасными лучами производить прерывисто, то изменение давления будет носить пульсирующий характер. Воздействуя этим пульсирующим давлением на мембрану микрофона можно получить ЭДС, пропорциональную содержанию анализируемого компонента в газовой смеси.

Анализаторы типа АО выпускаются для определения содержания СО₂, СО₂, СН₄, Н₂. Часто они применяются для определения концентрации СО и СО₂ в колошниковом газе.

Для анализа отходящих газов металлургических агрегатов применяются специализированные быстродействующие газоиндикаторы ТЕФЛОКС.

В современных АСУ ТП они нашли применение для определения концентра­ции О₂ и СО₂+Н₂ в отходящих газах кислородных конвертеров. Погрешность определения содержания кислорода и горючих компонентов в газе не превышает 0,5%, а быстродействие газоиндикатора 5-10 с.

Принцип работы индикатора ТЕФЛОКС рассмотрим по схеме рис. 3.31.

Проба анализируемого газа непрерывно поступает в штуцер 1. Разветвляясь на два потока, газ направляется в трубки 2 и 3 к термоэлементам 4 и 5. Через штуцеры 6 и 7 в эти потоки подмешиваются дополнительные реагенты - водород и кислород. Расходы этих компонентов выбраны таки­ми, что в рабочем диапазоне концентраций спаи 8 и 9 термоэлемента 4 омываются газом с избытком водорода, а спаи 10 и 11 термоэлемента 5 - газом с избытком кислорода.

Каждый термоэлемент содержит две хромель-алюмелиевые термопары и предназначен для преобразования измеряемых величин (концентраций соответственно О₂ и СО+Н₂) В ЭДС постоянного тока. На рабочие спаи так называемых активированных термопар 9 и 11 нанесены сильнодействующие катализаторы, благодаря которым горение Н₂ и СО начинается при температурах порядка 100-200°С. Две другие термопары с рабочими спаями 8 и 10 называются компенсационными. Трубки 2 и 3 погружены в электричес­кую печь. Температура нагрева газа в трубках 300°С.

Термоэлемент 4 работает следующим образом. Спай 8 его компенсационной всегда имеет температуру омывающего газа. Поэтому ЭДС Е₁ этой термопары практически не зависит от состава газа и равна относительно постоянной величине Е₁°, соответствующей температуре га­за. При отсутствии в пробе кислорода горение на катализаторе рабочего спая 9 не происходит и активированная термопара развивает ЭДС Е₁, также равную Е₁°. Активированная и компенсационная термопары включены встречно между собой, поэтому ЭДС на их выходе:

Е₁ = Е₁ – Е₁,

При отсутствии горения ЭДС Е₁, развиваемая термоэлементом 4, рав­на нулю Е₁ = Е₁ – Е₁ = 0.

Появление в анализируемом газе кислорода, приводит к развитию реакции горения на поверхности катализатора спая. Спай разогревается и ЭДС Е₁ активированной термопары возрастает. С достаточной степенью точности приращение температуры спая и ЭДС Е₁ пропорционально кон­центрации кислорода:

Е₁ = Е₁⁰ + k₁O₂,

где k₁ - коэффициент пропорциональности;

O₂ - концентрация кислорода в пробе.

После преобразований с учётом то­го, что, Е₁ = Е₁⁰ получим:

Е₁ = Е₁⁰ + k₁O₂ - Е₁⁰ = k₁O₂,

Из выражения следует, что термоэлемент 4 является анализа­тором газа на кислород, вырабатывающим ЭДС, пропорциональную содержа­нию в пробе кислорода. Термоэлемент 5 работает аналогично термоэлементу 4. ЭДС Е₂ его компенсационной термопары также равна постоянной величине Е₂⁰, определяемой нагревом газа в трубке 3. Поверхност­ное горение на катализаторе спая 11 возникает при появлении в пробе горючих компонентов - оксида, углерода и (или) водорода. ЭДС Е₂ активированной термопары может быть представлена в виде:

Е₂ = Е₂⁰ + k₂(СO + Н₂),

где k₂ - коэффициент пропорциональности;

СО, Н₂ - концентрации в про­бе оксида углерода и водорода соответственно.

Получим, что ЭДС Е₂, равная разности ЭДС Е₂ и Е₂⁰, имеет вид:

Е₂ = Е₂⁰ + k₂(СO + Н₂) –Е₂⁰ = k₂(СO + Н₂),

т.е. термоэлемент 5 является анализатором газа на горючие составляю­щие, вырабатывающим ЭДС, пропорциональную суммарному содержанию горю­чих компонентов.

В комплекте о газоиндикаторами используются автоматические потенциометры, шкалы которых градуированы в % О₂ и (СО + Н₂).

Окисленность является важным технологическим показателем, определяющим в дальнейшем качество стали и расход раскислителей. В последние годы в сталеплавильных агрегатах осуществляют контроль окисленности металла в процессе доводки. Определение окисленности осуществляется с помощью активометров с использованием твердо электролитных датчиков.

Принцип действия активометра основан на измерении ЭДС, возникающей в концентрационном по кислороду гальваническом элементе с твердым электролитом из ZrO₂ или Аl₂O₃, обладающим ионной производимостью по кислороду, при погружении его в жидкую сталь. Эта ЭДС пропорциональна температуре стали и разности логарифмов активностей (концентраций) свободного кислорода в стали и элементе сравнения.

Одна из конструкций активометра приведена на рис. 33. Твёрдый электролит в форме наконечника 7 из ZrO₂ расположен внутри кварцевого защитного чехла 3. Электрод сравнения 9 - железоуглеродистый сплав (чугун) с известной постоянной концентрацией кислорода О_ср помещается внутрь наконечника 7. Графитовый стержень 8 служит в качестве токосъ­ёмника. В чехле 3 также размещена термопара 6 непрерывного контроля жидкой стали, защищённая алундовым наконечником 5 и засыпкой из глинозёма 4. Вся конструкция о помощью асбестового уплотнения 2 крепится в водоохлаждаемой фурме 1.

Лекция 12

Понятия о технических средствах автоматики

Логические элементы

Автоматическое управление в ряде случаев может быть представлено как определённая последовательность обоснованных логических действий, приводящая к достижению поставленной цели. Например, подача кислорода в фурму кислородного конвертера разрешается только тогда, когда кор­пус его находится в строго вертикальном положении, фурма опущена в конвертер на заданную глубину, а давление охлаждающей фурму воды не ниже допустимого значения. Осуществить такое управление возможно с использованием логических элементов.

Существует три основных типа, логических операции: логическое отрицание (операция НЕ), умножение (операция И) и сложение (операция ИЛИ). Для осуществления этих операций выпускаются соответствующие ло­гические элементы (ЛЭ). ЛЭ могут быть и более сложными, выполняющими операции И-НЕ ИЛИ-НЕ и другие. ЛЭ являются устройствами дискретного действия, оперирующими двумя сигналами 0 и 1. Эти сигналы могут быть представлены двумя уровнями потенциалов, а также наличием или отсутс­твием импульса.

Элемент НЕ реализует операцию логического отрицания у = , где х - входной сигнал; у - выходной. Выходной сигнал "отрицает" входной, т.е. если входной сигнал 1, то выходной 0 и наоборот (рис. 3.33, а). Логический элемент И реализует операцию логического умножения двух или более сигналов у = х₁ - х₂. Выходной сигнал будет равен 1 только тогда, когда все входные сигналы равны 1 (рис. 3.33, б). Логический элемент ИЛИ реализует операцию логического сложения у = х₁ + х₂. Вы­ходной сигнал равен 1, если хотя бы один из входных сигналов равен 1 (рис. 3.33, в).

а б в

Рис. 3.33. Условное обозначение и порядок работы логических элементов НЕ (а), И (б) и ИЛИ (в)

Современные ЛЭ создаются на элементной базе электронных интег­ральных микросхем. Небольшие размеры, высокая надёжность позволяют размещать в одном корпусе несколько простых или комбинированных ЛЭ и создавать сложные функциональные системы из ограниченного числа элементов.

На рис. 3.34 приведена схема, которая позволяет получать сигнал на выходе только тогда, когда состояние обоих входов одинаково. На этом рисунке показано действие схемы при отсутствии сигналов на обоих входах, действие схемы при трех остальных возможных комбинациях состояния входов легко проследить самостоятельно, пользуясь рисунком 3.34.