3.12 Интеграторы - счетчики количества вещества

Приборы, измеряющие количество или массу вещества, протекающие через п оперечное сечение трубы за большой интервал времени, называются интеграторами или счетчиками. В зависимости от принципа действия счетчики газа или жидкости делятся на скоростные и объемные.

П ринцип действия скоростных счетчиков (рис. 3.16), основан на суммировании числа оборотов помещенного в поток вращающегося устройства за большой интервал времени (смену, день, месяц и т.д.). По конструкции счетчики подразделяют на счетчики с вертикальной вертушкой (рис. 3.17) и счетчики с винтовой вертушкой. Счетчики с вертикальной вертушкой применяют для измерения малых расходов, а с горизонтальной вертушкой - больших расходов.

К достоинствам скоростных счетчиков с вертикальной крыльчаткой относятся простота конструкции, минимальные потери давления и низкая чувствительность к загрязнениям. К недостаткам таких счетчиков относятся односторонний износ лопаток, нереверсивность датчика и требования по установке датчика только на горизонтальных участках трубы.

Обычно такие счетчики применяют для измерения количества воды, подаваемой в цех.

Наибольшее распространение получили счетчики с овальными шестернями, рис. 3.17. За один полный оборот одного овала проходит 4 порции вещества. Ось овала (рис. 3.17,г) соединена с шестернями механического или электронного счетчика.

Для измерения больших расходов применяют шестерни в виде плоских гантелеобразных шестерен (рис. 3.18), которые при соприкосновении создают систему, перемещающую массу в определенном направлении: вверх или вниз.

3.13. Кариолисовый расходомер

Принцип действия прибора основан на изменении фазы колеблющейся эластичной трубы, под которой течет жидкость, при изменении её расхода.

Эластичная труба колеблется с постоянной частотой. Если скорость жидкости возрастает, то она продолжает сохранять свою инерцию. При отсутствии потока жидкости фазы сигналов на входе и выходе колеблющейся трубы будут одинаковы. Чем выше скорость жидкости, тем значительнее отставание фазы колебания в начале и конце трубы.

Кариолисовый расходомер позволяет измерять такие расходы, которые не могут измерить приборы других конструкций. Например, могут применяться для измерения сверхмалых расходов. Такие расходомеры называют микрорасходомерами.

4. ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ

При анализе свойств и состава веществ в целлюлозно-бумажном производстве производят измерения:

1) концентрации одной жидкости (или газа) в смеси других жидкостей или газов;

2) концентрации ионов водорода в растворах (или расплавах) (рН - метры, оксредметры) и других;

3) концентрации твердых частиц, пузырьков газа, капель жидкости (тумана) в жидкости или газе (концентратомеры механических смесей и др.);

4) количества влаги в газе, жидкости или твердом теле (влагомеры);

5) плотности массы определенных объемов или площадей веществ и материалов (плотномеры, массомеры, измерители массы бумажного полотна или картона);

6) фракционного состава древесных волокон;

7) качественных и количественных характеристик бумаги и картона;

8) качественных показателей бумаги и картона (механические характеристики: вес , белизна, просвет, воздухопроницаемость, зольность, электроизоляционные свойства и др.).

Измерение выше указанных параметров сложно как в научном, техническом так и в метрологическом плане.

4.1.1 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ

Электрохимические измерители концентрации делятся на:

1) кондуктометрические концентратомеры, основанные на измерении электрической проводимости или сопротивления электролитических ячеек;

2) рH-метры - основанные на измерении электродных потенциалов;

3) полярографические концентратомеры, в которых осуществляется снятие кривых поляризации или определение интенсивности прохождения света.

4.1.2 ИОНИЗАЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ

Ионизационный принцип анализа основан на измерении ионного тока в исследуемой среде. Указанный метод позволяет измерить абсолютную концентрацию и состав газовых смесей. К группе ионизационных измерителей концентрации относятся широко распространенные масс-спектрометры,

позволяющие разделить и идентифицировать положительные ионы анализируемого вещества по их массе.

4.1.3 СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ

Принцип анализа спектрометрических измерителей основан на избирательной способности различных веществ поглощать, излучать, отражать, рассеивать или преломлять различного рода излучения. Поэтому принцип построения измерительных средств очень широк, от звукового - до гамма-излучения - . Отсюда и следует такое разнообразие измерительных приборов.

Спектрометрические измерители имеют следующую классификацию:

1. Электроакустические, в которых используется зависимость скорости распространения звука от состава и концентрации исследуемой среды.

2. Ультразвуковые, основанные на различии затухания или скорости распространения ультразвуковых колебаний от состава, свойств жидкостей и газов.

3. Радиоспектрометрические, в которых используется принцип ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и микроволновая спектроскопия. В последних используется взаимодействие сверхвысокочастотного электромагнитного поля с электрическим дипольным моментом молекул газа. Зависимость поглощения или отражения сверх высокочастотных (СВЧ) колебаний от состава и свойств веществ, которые применяют для измерения толщины полотна, влажности и т.д.

4. Электрооптические, использующие зависимость отражения, поглощения, рассеяния или преломления видимых инфракрасных или ультрафиолетовых лучей от свойств и состава веществ, при этом методы измерений концентрации бывают:

а) нефелометрический метод, измеряющий состав по прозрачности вещества;

б) калориметрический метод, основанный на измерении интенсивности окраски образца в проходящем или отраженном свете;

в) спектральный метод, в основе которого лежит испускание или поглощение различными веществами строго определенных длин волн;

г) рефрактометрический метод, основанный на зависимости коэффициентов преломления от состава и концентрации жидкости;

д) поляриметрический метод, в котором используется зависимость плоскости поляризации света в исследуемом веществе от его состава;

г) радиоизотопный метод, применяемый для анализа веществ по различному поглощению или отражению радиоизотопного излучения исследуемым веществом.

5. диэлькометрический или магнитный метод для измерения количественных и качественных параметров газов, жидкостей и твердых тел;

6. тепловые, в которых принцип анализа заключается в следующем:

а) термокондуктометрический, основанный на измерении теплопроводности газовых двухкомпонентных смесей;

б) термохимический, основанный на измерении перепада температур при прохождении химической реакции, происходящей в исследуемой смеси;

в) температурный, основанный на измерении температуры, при которой происходят фазовые превращения;

г) психрометрический, основанный на эффекте снижения температуры при испарении жидкости.

4.2. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Приборы, осуществляющие контроль за концентрацией газов, называются газоанализаторами. По принципу действия газоанализаторы делятся на:

1. Механические, в которых осуществляется контроль за плотностью газа, его объемом и давлением.

2. Химические, в которых свойства газов определяются по химической реакции, в результате которой происходит поглощение веществ, или их разложение.

3. Электрохимические, характеризующие состояние газов по их электрическим свойствам (изменение электродного потенциала, комплексного сопротивления или их составляющих).

4. Ионизационные, в которых наблюдается увеличение или уменьшение ионного тока в зависимости от состава газовых смесей.

5. Магнитные, использующие парамагнитные свойства ряда газов.

6. Тепловые, принцип действия которых основан на изменении свойств газовых смесей в температурных полях в зависимости от их состава.

7. Звуковые (ультразвуковые), в основе которых положена зависимость скорости распространения звука (ультразвука) от состава среды.

8. Оптические, применяемые для анализа состава газов по изменению характеристик монохроматического света в зависимости от состава газовых смесей.

4.2.1 ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Для анализа дымовых газов в содорегенерационных и известерегенерационных печах на содержание в них кислорода применяют термомагнитные газоанализаторы, рис. 4.1. Обычно по показаниям газоанализатора определяют полноту сгорания топлива. Так при полном сгорании

топлива образуется углекислый газ , а при неполном сгорании образуется угарный газ - . Точное определение состава газа и измерение его концентрации позволяет управлять процессом горения, изменяя соотношения подачи воздуха и топлива.

Измерение концентрации кислорода особенно важно в процессе кислородно-щелочной отбелки.

Кислород обладает парамагнитными свойствами, в отличие от многих других газов, являющихся диамагнетиками. Однако само измерение концентрации кислорода связано с большими трудностями, особенно зависимость магнитной восприимчивости χ от температуры:

χ - магнитная восприимчивость;

α -постоянная Кюри;

R - универсальная газовая постоянная;

М - молекулярная масса;

Р - давление;

Т - абсолютная температура кислорода.

В измерительный прибор (рис. 4.1.) снизу вверх подается исследуемый газ. Расход газа и его температура поддерживаются постоянными. Для точного измерения концентрации газа применяется мост постоянного тока на резисторах . Резисторы и изготовлены из платины и являются нагревателями. Первая секция нагревателя - резистор располагается между полюсами постоянного магнита, которые создают неоднородное магнитное поле.

Парамагнитный кислород втягивается в неоднородное магнитное поле и подогревается платиновым подогревателем . При этом магнитная восприимчивость газа падает (в квадрате) на основании формулы (4.1). Чем выше концентрация кислорода, тем интенсивнее охлаждается сопротивление , тем значительнее снижается величина сопротивления , тем больше разбалансировывается электронный мост. Степень разбалансировки измеряется гальванометром ИП, шкала которого градуируется в единицах концентрации.

Резистор служит для установки измерительного прибора ИП в нулевое (сбалансированное) состояние при отсутствии кислорода. Резистором устанавливают чувствительность прибора. Прибор имеет неравномерную чувствительность к концентрации кислорода. Чем ниже концентрация кислорода, тем выше чувствительность прибора. Так при концентрации кислорода от 80 до 100% чувствительность прибора в 10 раз ниже, чем при концентрации от 0 до 20%. Поэтому велико разнообразие термомагнитных газоанализаторов на разные интервалы концентраций.