7.5. Концентратомеры механических смесей

В целлюлозно-бумажном производстве важнейшей характе­ристикой перерабатываемых веществ является концентрация твердых частиц, сухих веществ, щепы, целлюлозы и различных наполнителей бумаги или картона, как правило, в водных рас­творах. Задачи измерения механических концентраций в раство­рах многообразны и сложны. При этом их решения безотлага­тельны, так как контроль качества технологических процессов и их управление для увеличения производительности и улучшения качества промежуточной и конечной продукции невозможно осу­ществлять без анализа названных технологических параметров. В первую очередь это относится к измерению концентрации все­возможных волокнистых суспензий, которые образуются в вод­ных растворах при производстве и переработке древесной, цел­люлозной и бумажной масс в процессе производства щепы, при промывке, сортировании, отбелке, размоле и т. д. Определяю­щую роль концентрация бумажной массы играет для ритмич­ной, бездефектной работы бумага- и картоноделательных ма­шин. Поэтому измерение концентрации массы особенно важно в массоподготовительных производствах.

Основной характеристикой варочных растворов также слу­жит концентрация абсолютно сухих веществ, знание которой не­обходимо для их производства и на протяжении всего цикла ре­генерации.

Концентрация массы (водной суспензии) определяется со­держанием в ней абсолютно сухого вещества в массовых про­центах. Если в массе содержатся только волокна, то концентра­ция зависит от их содержания. Концентрация массы ниже 1 % называется слабой, выше — средней, а после 6 % — высокой.

Как известно, масса представляет собой неньютоновую жид­кость, поведение которой определяется ее реологией. При сла­бой концентрации волокнистая суспензия может оказывать меньшее сопротивление, чем вода. При переходе к средней кон­центрации она становится псевдопластическим веществом с не­гомогенной структурой, но благодаря свойству препятствовать турбулентности такая масса хорошо поддается определению концентрации по измерению в ней трения (кажущейся вязко­сти). Масса высокой концентрации неоднородна, образует пучки и характеризуется повышенной турбулентностью, ее измерение чрезвычайно затруднительно.

Непосредственно концентрация массы может быть опреде­лена только с помощью лабораторного анализа, которым поль­зуются и для градуировки и для поверки технических концен-тратомеров. Так как концентрация массы в производственных условиях в емкостях и трубопроводах неоднородна, то к ее оп­ределению необходимо подходить, как к случайной величине, т. е. отбирать несколько проб (до 10 и чем больше, тем лучше) и находить среднее значение (математическое ожидание) кон­центрации для конкретного анализа. Массу для пробы надо хо­рошо размешивать и отбор делать из разных объемов. Подробно последовательность рекомендуемых операций при лабораторном анализе для поверки концентратомеров механических смесей излагается в работе [35]. Однако получаемая при этом абсолют­ная погрешность анализа, составляющая ±0,1—0,3 %, в настоя­щее время метрологически не обеспечивает поверки погрешно­стей технических концентратомеров, что является одной из про­блем измерения концентрации массы.

Существующие технические приборы для измерения концен­трации массы основаны на косвенных измерениях. Они имеют ограниченные диапазоны определяемых концентраций и суще­ственные дополнительные погрешности из-за влияния сопут­ствующих переменных параметров массы и условий, при ко­торых она находится в производственном процессе. К ним относятся: состав массы (качественный, фракционный и компо­зиционный), температура, давление, скорость и характер потока массы, рН среды. В некоторых случаях смолы и клей могут способствовать загрязнению поверхностей преобразователей.

В настоящее время абсолютное большинство применяемых производственных приборов для измерения средней концентра­ции массы (1—6 %) основаны на эффекте измерения сил трения;

при движении массы по открытым и закрытым трубопрово­дам возникает сопротивление ее движению, связанное с трением массы о стенки трубопроводов и между слоями волокон и при­водящее к потере напора в трубопроводе, которая служит ме­рой концентрации массы;

в массу различными способами помещают вращающийся чувствительный элемент (роторный датчик) разнообразных кон­структивных модификаций, который при своем движении испыты­вает сопротивление, зависящее от поверхностного и внутреннего

трения массы и определяющее тормозной момент при задан­ной круговой скорости вращения датчика; этот момент харак­теризует концентрацию массы;

в движущуюся по напорным трубопроводам массу погру­жают неподвижный чувствительный элемент (тело специальной конфигурации) — датчик обтекания, на который действуют силы,

_{5 6 i £}

F

Рис. 7-24

связанные с поверхностным и внутренним трением в массе и являющиеся мерой ее концентрации;

при перемещении массы обычно высокой концентрации с по­мощью энергетического оборудования (насосов, мешалок) ис­пользуется зависимость нагрузки приводных двигателей от по­верхностного и внутреннего трения массных суспензий, которое определяется концентрацией волокна [35].

Так как само значение составляющих трения зависит не только от концентрации массы, но и от других характеристик массы и условий ее существования (что подробно изложено

Рис. 7-25 Рис. 7-26

в работе [35]), то показания пер­вичных измерительных преобра­зователей концентрации массы в большей или меньшей мере оп­ределяются составом, темпера­турой, давлением и скоростью массы.

На рис. 7-24 приведены схе­мы устройств первичных измери­тельных преобразователей — чув­ствительных элементов — датчи­ков концентрации массы ротор­ного типа для открытых емко­стей (рис. 7-24, а) и для напор­ных трубопроводов (рис. 7-24, б), а также датчиков обтекания (рис. 7-24, в).

Датчики устанавливают таким образом, чтобы на их пока­зания не влияла скорость движения массы и ее колебания. С этой целью используются специальные буферные емкости, са­мотечные линии, отводы от напорных трубопроводов, специаль­ные расширения массопроводов и цилиндрические ниши в стенках массопроводов (в последних для стабилизации ско­рости движения массы применяются специальные крыльчатки).

В СССР наибольшее распространение получили датчики кон­центрации массы роторного типа, устанавливаемые в открытых емкостях (отечественная модификация — К.БМ-62, ДКП-63) и датчики обтекания для напорных линий (отечественная моди­фикация — ДКБП-70).

Структурно (рис. 7-25) известные датчики для- измерения концентрации массы состоят из первичных измерительных пре­образователей ПИП, преобразующих концентрацию в механиче­ский сигнал: тормозной момент М, действующий на вал элек­тродвигателя, или усилие F, создаваемое на чувствительных элементах.

Измерительные преобразователи ИП₂, ИП₃ предназначены для получения измерительных сигналов, удобных для дистан­ционной передачи и представления в измерительных приборах. Измерительные преобразователи ИП₂ служат для преобразова­

ния сигналов с ПИП в перемещение Д/, осуществляемое систе­мой рычажных передач. В качестве ИП_г используются диффе­ренциально-трансформаторные преобразователи с выходным сигналом в виде электрического напряжения переменного тока £/, работающие в комплекте с дифференциально-трансформа­торными вторичными приборами типа КПД, КОД.

В настоящее время к ПИП подключают стандартные пнев-мосиловые или электросиловые уравновешивающие преобразо­ватели (см. гл. 9), которые кроме ИП₂ содержат измерительные преобразователи ИП₃ и обратные преобразователи ОЯ₄, уравно­вешивающие измеряемое усилие F и осуществляющие его преоб­разование в стандартные пневматические или электрические ана­логовые сигналы. В этом комплекте используются измеритель­ные приборы ГСП типа ПВ или КПУ и КСУ соответственно.

Устройство роторных датчиков поясняет рис. 7-26, на котором изображен датчик концентрации массы типа ДКП-63. Первичный измерительный преобразователь роторного типа представляет полый винипластовый конус с ребрами 1. Он при­водится во вращение со скоростью 75 об/мин однофазным син­хронным электродвигателем 3 типа СД-09М мощностью 30 Вт через планетарный редуктор. Вал двигателя 7, соединенный с конусом, уплотнен направляющим фторопластовым сальни­ком 2. Для уменьшения колебаний двигатель помещен в мас­ляный демпфер 5. Двигатель вместе с демпфером омываются охлаждающей водой через бачок постоянного уровня 4 (Qn = = 0,l-f-0,3 л/мин). Вода стекает через днище корпуса датчика на верхнюю часть конуса, очищая его от брызг массы.

По корпусу сделана винтовая нарезка, по которой переме­щается гайка 6. С помощью этой гайки регулируется глубина погружения конуса в массу, что позволяет изменять пределы измерения датчика в диапазоне от 1,5 до 5%. Чем глубже по­гружен конус, т. е. чем больше поверхность его соприкосновения с массой, тем более низкие концентрации массы может изме­рять датчик.

Тормозной момент, возникающий в результате трения ко­нуса о массу, стремится повернуть статор двигателя. Он пере­дается через муфту на систему рычагов преобразователей, по­строенных аналогично стандартному пневмосиловому преобра­зователю.

Для настройки предела измерения датчика массы, кроме перемещения конуса, изменяется передаточное отношение ры­чажной системы, а установка начального значения выходного сигнала осуществляется пружиной, связанной с корректировкой положения рычагов пневмосилового преобразователя.

В отличие от ДКП-63, датчик КБМ-62 имеет дифференциаль­но-трансформаторный преобразователь с выходным сигналом, поступающим на дифференциально-трансформаторный прибор. Настройка предела измерения осуществляется изменением по­ложения фиксатора подвесной ленты, на которой подвешен ста­тор электродвигателя. Лента через рычаг жестко соединена с сердечником дифференциально-трансформаторного преобразо­вателя. Нуль устанавливается изменением положения катушки преобразователя.

Роторные датчики концентрации массы можно использовать для измерения концентрации от 1,5 до 5 % с поддиапазонами не более 1 % концентрации почти с линейной шкалой. Абсолютная погрешность измерения составляет ±0,03% при условии граду­ировки датчиков на месте установки при постоянной темпера­туре, составе и степени помола массы.

При эксплуатации этих датчиков необходимо соблюдать не­изменность расхода массы, т. е. скорости, и не превышать ее значения выше установленной нормы (меньше 0,3 м/с по отно­шению к конусу), чтобы не возникало водяного кольца, иска­жающего показания датчиков.

Рассмотренные датчики концентрации обладают тем недо­статком, что требуют специальных приемных баков и системы трубопроводов для своей установки.

Датчики роторного типа устанавливаются в специальных открытых емкостях. Схема их установки приведена на рис. 7-27

на примере датчика типа КБМ-62. В приемный бак 2 масса по­ступает по трубопроводу 7, обтекает вращающийся полый конус с ребрами из винипласта 3, переливается через край бака в на­ружный цилиндр 4 и через нижний штуцер 5 сливается в соот­ветствующий бассейн. Расход массы должен поддерживаться в пределах 0,5—1 м³/мин. Для предотвращения влияния вибра­ций насоса приемный бак соединяется с трубопроводом отрез­ком резинового шланга. Для исключения запаздывания длина соединительных линий должна быть как можно короче и с укло­ном для опорожнения в случае прекращения подачи массы.

Ведутся интенсивные разработки концентратомеров массы с датчиками обтекания как в нашей стране, так и за рубежом. Чувствительный элемент датчиков обтекания выбирают с такой конфигурацией режущей кромки, боковой поверхности и хвостовой части, чтобы показания датчиков не зависели от ско­рости потоков масс.

Отечественный датчик обтекания ДКБП-70 (рис. 7-28), отли­чается конструктивной формой чувствительного элемента пер­вичного измерительного преобразователя /. Перед чувствитель­ным элементом установлен отражатель скоростного напора 2. Сам чувствительный элемент имеет значительную боковую по­верхность за счет чего увеличивается эффект зависимости уси­лия, развиваемого на нем, от поверхностного трения массы, т. е. от ее концентрации. Два косых прореза повышают чувствитель­ность преобразователя к воздействию усилий трения, увеличи­вая его деформацию. Однако это уменьшает боковую поверх­ность чувствительного элемента и несколько увеличивает зави­симость его показаний от скорости. Наличие особой формы хвостовика исключает в некоторой степени влияние скоростного напора и силы разрыва волокнистой структуры. Такая конфигу­рация преобразователя позволяет использовать его для измере­ния концентрации массы при v = 0,2-^-3 м/с с погрешностью от изменения скорости по абсолютной величине концентрации 0,025 % при четырехкратном изменении расхода массы.

Для датчиков обтекания зависимость результатов измерения от изменения состава и температуры массы такая же, как у дат­чиков роторного типа. Исключением является нечувствитель­ность ДКБП-70 к наличию наполнителей, так как их мелкие ча­стицы отражаются от передней грани отражателя и не уча­ствуют в обтекании боковых поверхностей.

Усилие F, развиваемое описанным преобразователем, через разделительную мембрану 3, заделанную по контуру резиновым кольцом, передается на систему рычагов ИП₂ и далее преобра­зуется в стандартный пневматический сигнал ИПз и ОП₄ (см. рис. 7-25). Устройство ИП₃ и ОПд соответствует описанному пневмосиловому преобразователю (гл. 9).

Конструктивное исполнение датчика ДКБП-70 позволяет:

осуществлять настройку нуля датчика с помощью пружины

6 сильфона обратной связи в ОП₄ (точно) и пружины 5, связан­ной с первым ведущим рычагом ИП₂ (грубо);

производить настройку верхнего предела измерения концен­трации серьгами 8, перемещающимися по ведущему и ведомому рычагам и изменяющими передаточный коэффициент ИП₂, и гайкой 7, посредством которой изменяется соотношение плеч рычага ИПз и ОП₄;

исключать перемещение первичного преобразователя во время работы, за счет расположения центра ведущего рычага ИП₂ на рамке из плоских пружин (на рис. 7-28 рамка не по­казана) ;

арретировать подвижную часть датчика при транспортировке с помощью винтов 4.

При настройке верхнего предела измерения концентрации датчик располагается так, чтобы ось, проходящая через центр тяжести тела обтекания, была расположена вертикально. К дат­чику вдоль этой оси крепится груз равный силе F, развиваемой чувствительным элементом при максимальной измеряемой кон­центрации. Затем перемещают серьги 8 и гайку 7 до тех пор, пока выходной пневматической сигнал не станет равным 0,1 МПа.

Датчик крепится в массопроводы специальным приварным фланцем с проходным отверстием 57 мм, входящим в комплект датчика. Напорный трубопровод должен иметь установочный диаметр не менее 150 мм при статическом давлении массы не более 0,6 МПа и температуре до 95 °С. Скорость движения массы должна находиться в пределах от 0,2 до 3 м/с.

Описанный датчик позволяет измерять концентрацию массы в диапазоне 1—5%- Для поддиапазона 1,5—4% воспроизводи­мость показаний (повторяемость, характеризуемая погрешно­стью невоспроизведения градуировочной зависимости) состав­ляет ±0,1 % абсолютного значения концентрации при постоян­ных температуре (для ^=5^95 °С), составе, помоле массы и ее скорости. Дополнительная погрешность от изменения скорости в четырехкратном диапазоне по данным разработчиков приво­дит к появлению абсолютной погрешности измерения концен­трации массы порядка Д„= ±0,05 %•

Периодически необходима поверка датчиков концентрации массы по образцовым лабораторным приборам и методикам. При установке датчиков следует проводить серию поверок, чтобы определить правильность и сходимость показаний этого устройства (см. гл. 1) и межповерочный интервал для ведом­ственной поверки концентрации массы для конкретных условий их эксплуатации. Последнее может сильно влиять на дополни­тельные погрешности и погрешности нестабильности (см. гл. 2) и вызывать метрологические неисправности приборов. Напри­мер, в ряде случаев показания концентратомеров волокнистых суспензий отличаются от образцовых значений концентрации, измеренных лабораторным путем на 10—40%. Кроме того, ча­сто можно заметить эффект засмоления чувствительных эле­ментов датчиков, что приводит к изменению показаний прибора во времени (к погрешности нестабильности), а также к метро­логической неисправности средства измерения. Для периодиче­ской поверки датчиков концентрации массы рекомендуется в не­посредственной близости к месту установки датчика предусмат­ривать на трубопроводе отборное устройство для получения проб массы в процессе эксплуатации. Установка пробоотборни­ков особенно важна в тех случаях, когда информация от дат­чиков используется для управления технологическими процес­сами. Например, определение производительности в процессе переработки массы зависит от правильности и сходимости изме­рений расходов, концентраций и запасов массы. Неточное их из­мерение может приводить к большим погрешностям оценок дея­тельности отдельных целлюлозно-бумажных производств и ком­бинатов в целом.

Зарубежные модификации датчиков обтекания и роторного типа подробно рассматриваются в работе [35].

Для измерения слабых концентраций волокнистых суспен­зий применяются следующие физические эффекты: поглощение ультразвука, поглощение света, поляризация света, взвешива­ние абсолютно сухого остатка при высушивании на полотне-основе. В автоматических анализаторах качества потоков масс эти эффекты пока не нашли удовлетворительного воплощения.

Для измерения концентрации волокна в оборотных и сточ­ных водах в УкрНПОБумпроме разработан оригинальный при­бор. Измерительное устройство основано на зависимости поля­ризации света от концентрации суспензии, в частности целлю­лозной массы в водном растворе.

На рис. 7-29 представлена структурная схема концентрато-мера для измерения концентрации волокна в воде типа ВСВ.

Пучок света от источника 2 с помощью линзы 3, отражателя 1 и поляризатора 4 преобразуется в поляризованный параллель­ный и направляется через оптическое окно 5 в исследуемый объем суспензии. В оптическое окно 6 поступает пучок света, деполяризованный суспензией, который затем воспринимается двумя преобразователями: поляризованными анализаторами 10 и 7, плоскость поляризации одного из них 7 параллельна, дру­гого 10—перпендикулярна плоскости поляризации поляриза­тора 4, и двумя половинами дифференциального фотоэлемента 9 и 8. Выходные сигналы с фотоэлементов усиливаются усили­телями // и 12, а с помощью блока деления 13 его выходной сигнал, представленный на вторичном приборе 14, становится пропорциональным только концентрации волокна в суспензии.

Использование метода, уравновешивающего преобразования в этом устройстве, позволяет существенно уменьшить влияние дестабилизирующих факторов (изменение содержания сопут­ствующих веществ) и повысить точность способа определения концентрации по эффекту деполяризации света.

Прибор состоит из датчика, измерительного и вспомогатель­ных устройств. Для измерения концентрации датчики погру­жают в поток сточной или об­ратной воды. Датчики выпу­скаются в двух модификациях, отличающихся расстояниями между оптическими окнами и предназначенных для измере­ния различного диапазона ис­следуемых концентраций. Из­мерительный прибор програ-дуирован в единицах массо­вой концентрации. Имеется возможность подключить са­мопишущей прибор или полу­чить выходной стандартный электрический аналоговый сигнал.

Измерительное устройство для определения слабых кон­центраций массы для увеличе­ния быстродействия может быть выполнено на основе прямого метода измерения массового содержания волокна при высушивании на полотне-основе.

Вэтом устройстве отбирае­мая часть потока (или проба) массы с постоянным расходом через переливной ящик напу­скается на движущуюся по сетке фильтрованную бумагу. Затем масса обезвоживается и высушивается инфракрас­ным излучением до 2—3 %-ной влажности (что контролиру­ется влагомером), после чего из полотна отрубаются куски определенной поверхности, которые взвешиваются на аналити­ческих весах. Содержание сухого волокна подсчитывается в вы­числительном устройстве на основании знания площади поверх­ности куска, влажности высушенной бумаги, массы сухой бу­маги-основы и отрубленных кусков. Однако устройство такой установки настолько сложно, что его применение в производ­ственных условиях не целесообразно. Оно может быть исполь­зовано как метрологическая установка для градуировки и по­верки датчиков малой концентрации массы.

Концентрацию абсолютно сухих веществ в варочных раство­рах (сульфатных и сульфитных щелоках) определяют несколь­кими способами путем косвенных измерений: по плотности с по­мощью массовых, гидростатических или радиоизотопных плот­номеров (см. 7.4). Однако этот путь применим только для щелоков низкой концентрации (от 0 до 30 %), так как при вы­сокой концентрации содержание сухих веществ в щелоке не является однозначной функцией их плотности [35];

по величине температурной депрессии (см. ниже), этот путь применим только для выпарных установок сульфатных щелоков при стабильном режиме их работы;

по преломлению света на основе применения рефрокто-метров;

по теплофизическим характеристикам, которые зависят от свойств щелоков (см. гл. 5).

Концентратомеры щелоков, основанные на измерении темпе­ратурной депрессии. В практике технических измерений целлю­лозно-бумажного производства для выпарных установок ва­рочных сульфатных щелоков часто используются измерители концентрации щелоков, основанные на явлении температурной депрессии.

Температурной депрессией раствора называется разность температур кипения этого раствора и чистого растворителя (на­пример, для черного щелока — воды).

Величина температурной депрессии зависит от концентра­ции раствора, давления над ним и свойств растворенного ве­щества, причем чем больше концентрация раствора, тем выше температура кипения и тем больше величина температурной депрессии.

Зависимость температурной депрессии от концентрации чер­ного сульфатного щелока (по сухому веществу) представлена на рис. 7-30, а. Следует отметить, что температурная депрессия черного щелока не поддается теоретическим расчетам, поэтому соответствие величины температурной депрессии и концентра­ции упаренного щелока следует находить опытным путем для каждой установки.

Обычно измеряют депрессию по разности температуры упа­ренного черного щелока, выходящего из 1-го выходного корпуса выпарной установки, и температуры конденсации водяного пара при постоянном разрежении в этом корпусе. Типовая схема из­мерения температурной депрессии изображена на рис. 7-30,6.

Для измерения перепада температуры два термометра со­противления устанавливают соответственно в выходном трубо­проводе черного щелока 3 и в специальном конденсационном сосуде для свежего пара, соединенном с трубопроводом соко­вого пара 4. Здесь получают чистый насыщенный пар при соот­ветствующем вакууме. Установка термометра сопротивления непосредственно на трубопроводе сокового пара приводит к ис­кажению результатов измерений температуры конденсации во­дяного пара, так как температура этого пара выше, чем темпе­ратура его конденсации. Термометры сопротивления присоеди­няются к разностному мосту /, который измеряет разность температур At=t₂^-U от 6 до 10 °С и градуируется в единицах концентрации или плотности с. Прибор устанавливается непо­средственно у выпарной установки 2.

А

Д ля обеспечения достаточной точности измерения концен­трации по температурной депрессии необходимо разностную температуру измерять с малыми погрешностями. Абсолютная погрешность при измерении разности температур±1 °С отра-

Рис. 7-30

ается на измерении концентрации относительной погрешно­стью, доходящей до 10—17%. Поэтому применение для подоб­ных концентратомеров манометрических термометров с пневма­тическим выходным сигналом и пневматическим прибором, ко­торые имеют невысокие классы точности, нежелательно.

При измерении депрессии возможна значительная динамиче­ская погрешность, так как с изменением вакуума температура пара в сосуде изменяется быстрее, чем температура раствора. Для уменьшения этой погрешности инерционность термометра, помещенного в конденсационный сосуд, необходимо выбирать как можно меньшую.

Чтобы обеспечить малую погрешность при измерении кон­центрации, следует также строго поддерживать постоянство Уровня раствора в выпарном аппарате. Даже при незначитель­ном изменении уровня в аппарате вследствие большой плотно­сти раствора заметно меняется гидростатическое давление, а следовательно, и температура кипения в месте ее измерения.

Погрешность измерения концентрации по величине темпе­ратурной депрессии в выпарных аппаратах щелоков составляет

не менее ±3 % при соблюдении вышеперечисленных рекомен­даций.

Концентратомеры щелоков на основе рефрактометров. Ана­лизировать состав многих растворов удается с помощью спек­трометрических способов (7.1), в частности с использованием законов преобразования светового потока. В ЦБП нашли при­менение измерительные устройства, основанные на изменении показателя преломления или рефракции света при переходе его из одной среды в другую в зависимости от состава исследуемой среды, т. е. рефрактометры.

С_к — С_а

Зависимость измеряемой концентрации вещества с_х от пока­зателя преломления света п_х

п_х—п₀

(7-17)

где с_а и п_а — известные концентрация и показатель преломления; по — по­казатель преломления растворителя, позволяющий по определяемому п_х су­дить об искомой величине с_х.

ВЧЖ]

П ринцип действия датчика рефрактометра, устройство кото­рого изображено на рис. 7-31, состоит в том, что световой моно­хроматический луч от источ­ника1 через оптическую си­стему 2 попадает на призму 3, соприкасающуюся с исследуе­мым раствором щелока. Отра­женный призмой свет воспри­нимается блоком фотоэлемен­тов 7, сигнал с которых поступает на усилитель и да­лее к измерительному прибору ИП. Измеряя величину потока отраженного света с помощью фотоэлементов, можно судить о концентрации абсолютно су­хих веществ в щелоке и соот­ветственно проградуировать вторичный прибор. Конструктивное устройство датчика представляет собой диа-фрагмовый вентиль, в корпус 4 которого вместо диафрагмы по­ставлен измерительный преобразователь с встроенной призмой 3, устройством 6 для промывки призмы воДой, подаваемой под высоким давлением, и термоэлементом 5, предназначенным для компенсации температурной погрешности рефрактометра при изменении температуры анализируемого вещества. Получаю­щееся при такой конструкции турбулентное движение раствора около призмы обеспечивает определение среднего значения по­казателя преломления и способствует самоочищению поверхно­сти призмы со стороны потока вещества.

Рефрактометры отличаются достаточно малыми погрешно­стями (у=±2 %), если химический состав щелоков остается не­изменным. Зависимость показаний рефрактометрических кон­центратомеров от переменного химического состава щелоков не позволяет получить расчетную градуировочную характеристику _и повышает их погрешность до 3—4 % • Рефрактометры можно только условно считать неконтактными, что создает известные трудности при их эксплуатации, а сравнительная сложность и наличие хрупких оптических элементов снижает надежность этих приборов.

Тепловые концентратомеры для щелоков. Тепловые некон­тактные измерительные преобразователи нашли широкое рас­пространение при измерении расхода агрессивных и специаль­ных потоков бесконтактным способом, в частности в ЦБП (гл. 5). При этом характеристики тепломассопереноса определя­ются не только расходом (скоростью) вещества Q, но и его составом, концентрацией абсолютно сухих веществ с, т. е. вы­ходной измерительный сигнал первичного теплового преобразо­вателя Y является функцией двух величин: Y=f(Q, с). При использовании тепловых измерительных преобразователей для измерения одного из параметров потока, Q или с, неинформатив-ный параметр подвергается технологической стабилизации или технической коррекции в измерительной системе. Такие устрой­ства отличаются сложностью и неудовлетворительными метро­логическими характеристиками.

На основе использования принципа инвариантности много­канальных информационных систем были предложены и разра­ботаны [34, 37] тепловые двухпараметрические устройства для одновременного измерения расхода и концентрации абсолютно сухих веществ сульфатных щелоков в цикле их регенерации в сульфатцеллюлозном производстве [39].

В измерительное устройство входят: нагреватель двух пер- вичных измерительных преобразователей в виде батарей термо- элементов, выходные сигналы которых Y\ и Y₂ определяются за- висимостями: V f /П \

* 1 —/i(Q. с);

Yz = f₂(Q, с);

вычислительное устройство, решающее систему (7-18) с целью нахождения Q и с или G = Qc и с; измерительные приборы для регистрации расхода и состава щелоков.

Неконтактные тепловые преобразователи могут быть двух типов в зависимости от способа введения тепловой энергии в по­ток: термоконвективные преобразователи, в которых при вводе тепловой энергии в поток и регистрации его энергетического со­стояния преобладают процессы переноса тепла путем конвекции и теплопроводности, и радиационные преобразователи, ввод энергии в поток от которых осуществляется практически безы­

нерционно, в основном путем излучения через «прозрачную» для данного спектра стенку преобразователя.

Второй тип нагревателя обладает лучшими динамическими характеристиками, однако его* конструктивная реализация бо­лее затруднительна, чем у первого, и пока с точки зрения на­дежности предпочтение для практического внедрения отдается термоконвективным преобразователям.

Рис. 7-32

Неконтактный тепловой датчик термоконвективного типа для многопараметрического измерения технологических парамет­ров, схематическое устройство которого представлено на рис. 7-32, состоит из отрезка трубопровода 6 длиной около 500 мм с приваренными фланцами 5, кольцевого нагревателя 7 и термочувствительных элементов 1, Г, 2, 2', 3, 3', 4 и 4'. Дат­чик вверху теплоизолирован и закрыт по всей длине отрезка трубопровода защитным кожухом (на рис. не показан).

Нагреватель выполняется из нихромовой проволоки диамет­ром 0,25 мм, которая наматывается с равномерным шагом 0,2— 0,25 мм на слой слюды толщиной 0,01—0,02 мм. Витки нагрева­теля промазываются термостойкой шпаклевкой и закрываются слюдоп ластом.

d

В качестве термочувствительных элементов используются две аналогичные группы термопар, каждая из которых форми­рует соответствующий выходной сигнал преобразователяY\ и у₂. В каждую группу термопар входят основная измерительная батарея термопар /, компенсационная 2 и вспомогательные ба­тареи термопар 3 и 4, включенные дифференциально; все бата­реи термопар (по 10 спаев) устанавливаются на изотермической окружности трубопровода. Измерительные батареи термопар Jul' располагаются на расстоянии / друг от друга, которое ана­литически рассчитывается при нахождении функции преобразо­вания преобразователей и зависит от теплофизических характе­ристик вещества и условий его существования в технологиче­ском процессе. Компенсационные термопары 2 и 2' использу-

		г
ПИП,				2'
	К /—-	г

1"

Датчик

пнп_г

Рис. 7-33

ются для компенсации влияния изменения температуры веще­ства в трубопроводе. Вспомогательные батареи термопар 3 и 4 в первом преобразователе и 3' и 4' во втором преобразователе выполняются аналогичными друг другу и служат для введения в измерительные сигналы Y\ и F₂ соответственно производной от температуры для улучшения быстродействия неконтактных тепловых преобразователей, что снижает их. инерционность в 2—2,5 раза (время установления показаний составляет 20—25 с).

Структурная схема двухпараметрического измерительного устройства на основе неконтактных тепловых преобразователей приведена на рис. 7-33.

Измерительные сигналы У\ и У₂ преобразователей ПИП1 и ПИП₂ приняты линейно зависящими от концентрации и расхода Щелока, проходящего по трубопроводу:

y_{1 =} a_lC—a₂Q;

(7-19)

У'2 = pV-P₂Q,

^где ai, аг, Pi и fa — известные коэффициенты зависимостей (7-18) сигналов преобразователей от расхода и концентрации.

Решение системы уравнений (7-19) относительно с и Q: с=Ма₁У₁-Р₁У₁);

Q = k_i(foY₁—a₁YJ, (7-20)

где k_t = и k₂ = — позволяет определить ал-

^a2$i — ^Рг ^а1 Ра — «2pi

горитмическую структуру вычислительного устройства.

Оно состоит из блоков умножения 1" и /', суммирования 2" и 2', на выходе которых формируются измерительные сигналы, пропорциональные измеряемым величинам с и Q. Устройства 3" и 3', 4" и 4' представляют собой согласующие усилители и измерительные приборы, соответственно, предназначенные для регистрации исследуемых величин. При желании, добавив мно­жительное устройство, можно, определять расход щелока с уче­том содержания в нем абсолютно сухих веществ G = cQ.

К достоинствам этих устройств следует отнести возможность аналитического определения их функций преобразования, удо­влетворительные метрологические характеристики (основная погрешность по каналу измерения расхода составляет у=±2,5%, а по каналу измерения концентрации — у=±3 %), незначительная инерционность (/_у=20ч-25 с), а также простота и надежность датчиков при бесконтактном способе определения информативных параметров. Кроме того, при использовании для управления технологическими процессами ЭВМ вычислитель­ные алгоритмы и представления результатов измерений могут быть реализованы на этих машинах.

Неконтактные тепловые многопараметрические устройства ввиду их перспективности для использования в ЦБП найдут широкое применение для измерения технологических величин в ряде целлюлозно-бумажных производств и в других отраслях промышленности.

7.6. рН-МЕТРЫ И ОКСРЕДМЕТРЫ

Способ измерения концентрации ионов в растворе, основан­ный на измерении разности электрических потенциалов двух электродов — измерительного, помещенного в исследуемый рас­твор, и сравнительного, помещенного в раствор с известной концентрацией и постоянным потенциалом, называется потен-циометрией. Наиболее широкое распространение этот способ на­шел для измерения активной концентрации ионов водорода, ха­рактеризующих кислотные и щелочные свойства водных раство­ров и окислительно-восстановительные свойства сред. По этим показателям можно контролировать ход многих технологиче­ских процессов.

В ЦБП широко используются приборы для измерения элек­тродных потенциалов в варочном производстве, в отбельных и промывных цехах, при технологических процессах хлорирова­ния, нейтрализации щелоков и сточных вод, при подготовке и отливе бумажных масс и в других производствах.

Водородные ионы в растворе появляются при диссоциации молекул воды

Н_аО^[Н+]+ЮН-].

Закон действующих масс применительно к реакции диссо­циации воды

[H+HOH-J "²° [Н₂0]

(без учета коэффициентов активности ионов) дает значение К_н о — константы электролитической диссоциации воды, равное Ю^-14 (при г=22 °С). При концентрации недиссоциированных молекул воды [НгО]=1 закон действующих масс позволяет по­лучить значение концентрации ионов воды в виде

[Н+].[ОН-] = К_Н2о=10-¹⁴.

В нейтральном растворе концентрации ионов водорода и гидроксила одинаковы и равны

[Н+] = [ОН-]=,10-⁷. (7-22)

При растворении кислоты в воде концентрация ионов водо­рода в растворе возрастает, а ионов гидроксила соответственно уменьшается. При растворении щелочи в воде происходит об­ратный процесс.

Следовательно, измеряя концентрацию водородных ионов в водном растворе, можно характеризовать кислотность или щелочность электролитов. При этом пользуются показателем рН, равным отрицательному значению десятичного логарифма от активной концентрации водородных ионов:

pH=-lg[/_H20H+]. (7-23)

Нейтральные растворы характеризуются рН = 7; для кислот рН<7; для щелочей рН>7; в общем случае для [f_{H о}Н⁺] = а10^_ь водородный показатель определяется выражением pH=fe—\ga.

Значение рН может быть определено двояко:

калориметрическим способом, основанным на свойстве неко­торых веществ изменять свой цвет в зависимости от концентра­ции водородных ионов; он используется исключительно для ла­бораторного анализа;

потенциометрическим способом, основанным на измерении разности электрических потенциалов двух специальных электро­дов, один из которых, измерительный, помещен в исследуемый Раствор, а другой, сравнительный,— в известный стандартный Раствор и имеет постоянный потенциал.

Значение электродного потенциала зависит от природы ма­териала электрода, концентрации его ионов в растворе и тем­пературы раствора в соответствии с выражением Нернста:

£ = + —1пс, (7.24)

где Е₀ — постоянное значение потенциала электрода при нормальной кон­центрации его ионов в растворе; R, п и F — универсальная газовая постоян­ная, валентность, число Фарадея; с — концентрация ионов металла ( + ) или металлоида (—).

Для измерения концентрации водородных ионов наиболее логично в качестве сравнительного и измерительного электро­дов использовать водородные электроды, тогда при подстановке всех физических константа для Т-293К

Е = Е_о1- BL in [f_HH+]_x-E_o2 + *L In tf„H+]„ =

nF nF

= in [f_HH+]_x = 0,058pH_x, [B], (7-25)

так как

Eoi = E_oi и [/_нН+]„=1.

Иначе, разность напряжений электродной цепи линейно за­висит от измеряемой рН* и при t=20 °С составляет 58 мВ/рН. Температурный коэффициент для водородных электродов ра­вен 1,982^2,0 мВ/К.

Реакцию, происходящую на водородных электродах, погру­женных в раствор с ионами водорода Н+, можно рассматри­вать как окислительно-восстановительную. Действительно, окис­ление состоит в увеличении положительной или уменьшении отрицательной валентности или, иначе, представляет собой про­цесс получения молекулой или атомом положительных зарядов или потери ионом отрицательных зарядов: Н₂*±2Н^±2Н + 2е (е — заряд электрона). При восстановлении реакция идет в об­ратном направлении.

Если допустить, что окисления и восстановление всегда со­провождаются обменом электронов, то для характеристики сред с точки зрения их способности к взаимному окислению доста­точно руководствоваться значением активности окисленной формы.

⁴ На значение ОВП влияет уровень рН раствора, поэтому сравнение ОВП можно производить только при оговоренном значении рН.

Окислительно-восстановительная способность растворов определяется величиной еН окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), выражаемого в вольтах или милливольтах и измеряемого также системой двух электродов ¹ [21].

По условиям применимости электроды бывают: переносные (лабораторные), установленные на штативе и погружаемые в стакан с исследуемым раствором;

погружные, предназначенные для измерения рН или ОВП непосредственно в открытых технологических аппаратах, нахо­дящихся под атмосферным дав­лением;

проточные, используемые для измерения рН или ОВП раство­ров в трубопроводах;

специализированные, приме­няемые для работы в технологи­ческих аппаратах со специальны­ми условиями эксплуатации.

Последнее относится, напри­мер, к измерению рН в варочном котле при температуре раствора, доходящей до 150 °С и давлении, значение которого при варке со­ставляет 1,2 МПа. Любой отбор проб изменяет характеристики раствора и значения рН и ОВП. Поэтому измерение этих пара­метров необходимо производить непосредственно в технологиче­ских аппаратах, например в ва­рочном котле.

Рис. 7-34

Для технических измерений рН измерительный преобразова­тель (ячейку) составляют из стеклянного измерительного и каломельного сравнительного электродов. Реже вместо кало­мельного применяют хлорсереб-ряный или сурьмяный электроды.

Погружной каломельный электрод (рис. 7-34,а) представ­ляет собой сосуд, имеющий внутреннюю 5 и наружную 7 по­лости, разделенные стеклянной пробкой 6. Во внутренней поло­сти находится слой чистой ртути 2 и пасты 3 малорастворимой каломели Hg₂Cl. На их границе вырабатывается потенциал, равный 241 мВ при £=25 °С и остающийся практически посто­янным из-за плохой растворимости каломели (незначительные колебания его могут быть связаны с изменением температуры). Электропроводящий насыщенный раствор хлористого калия 4 препятствует непосредственному соприкосновению каломели с исследуемой жидкостью. Контакт с последней производится через пористую прокладку 8. Платиновая проволока / осуще­ствляет контакт измерительной цепи со ртутью.

В последние годы вместо каломельного стали применять бо­лее простой, дешевый и нетоксичный хлорсеребряный элект­род [21}. Хлорсеребряный электрод представляет платиновый стержень, покрытый слоями серебра, а затем малорастворимого хлористого серебра AgCl и помещенный в раствор с ио­нами [С1^_].

Стеклянные электроды получили в настоящее время наи­большее распространение в качестве измерительных. Устройство такого электрода показано на рис. 7-34, б. Стеклянная трубка 4 имеет на конце шарик 1 из тонкого (толщиной менее 0,1 мм) специального (натриевого или литиевого) стекла. Он погру­жается в исследуемую жидкость. Шарик заполнен раствором химически чистой соляной кислоты 2, в которую помещается вспомогательный хлорсеребряный электрод 3.

В измерительную цепь стеклянного электрода включаются два дополнительных потенциала — потенциалы на внутренней поверхности стеклянного шарика и от вспомогательного хлор-серебряного электрода. Однако они постоянны и не искажают измеряемого значения рН.

В измерительной практике стеклянные электроды зареко­мендовали себя удовлетворительно. Они имеют устойчивые ха­рактеристики в течение длительного времени, одинаковую с во­дородным электродом зависимость E = f(pH_x), практически безынерционны.

К существенным недостаткам их относится наличие потен­циала асимметрии Е_ас, имеющего различное значение у разных образцов при рН = 0. Мерой борьбы служит длительное выма­чивание электродов в водном растворе, которое несколько сни­жает и стабилизирует потенциал асимметрии. Вторым недостат­ком является большое внутреннее сопротивление стеклянного электрода. Это приводит к необходимости в комплекте с элект­родными ячейками использовать измерительные устройства с большим значением входного сопротивления.

Стеклянные электроды (как и водородные) обладают поло­жительным температурным коэффициентом, превышающим по абсолютному значению отрицательный температурный коэффи­циент каломельного электрода. Такая измерительная ячейка имеет суммарное значение температурной погрешности порядка 0,2 мВ/К или 0,013 рН/К (для £= 15-^-50 °С). Поэтому требуется введение автоматической поправки на изменение температуры электродов в растворах.

Для измерения рН и ОВП в варочных котлах применяется измерительный преобразователь типа ДП-ОПр-2. Предел изме­рения для концентрации водородных ионов (1—5)рН, для ОВП 100—400 мВ. Этот преобразователь работает в комплекте с вы-сокоомным устройством рН-261 или прибором КСПВ.

Для работы с высокой температурой в варочных котлах ис­пользуется специальный состав электродного стекла (№ 121)

малый объем внутриэлектродной жидкости. Это позволяет гарантировать устойчивую работу стеклянного электрода в те­чение 200 ч при £< 150 °С.

Периодическое повышение давления, доходящее до 1,2 МПа, в основном влияет на работу электрода сравнения, в частности жидкостного контакта, электролитического ключа, соединяю­щего измерительный и сравнительный электроды. Это влияние устранено созданием системы противодавления в сравнитель­ном электроде путем подачи сжатого воздуха с давлением не­сколько большим (на 0,02—0,08 МПа), чем имеющееся в котле. Йакая система стабилизирует диффузионный потенциал в жид­костном контакте, обеспечивает умеренный расход электролита и предотвращает кипение насыщенного раствора хлористого калия в электролитическом ключе.

Измерительный электрод для измерения ОВП в варочных котлах типа ЭПВ-1 имеет корпус из стеклянной трубки, в ко­торую вплавлена платиновая проволока с шариком диамет­ром 1,5—2 мм на конце трубки.

I Так как температура при периодической варке изменяется •циклически от 70 до 140 °С, предусмотрена система температур­ной компенсации при измерении рН, осуществляемая с помо-^гщью медного термокомпенсатора ТК-150-01. Правила установки специальных электродных элементов описаны в литературе [35].

Измерительные и сравнительные электроды для определения ОВП исследованы значительно меньше из-за отсутствия стро­гой теории установления ОВП на электродах. Даже использо­вание благородных металлов (платины, иридия, золота, се­ребра) не позволяет получить воспроизводимых результатов вследствии влияния кинетики химических реакций и перемен­ных свойств растворов.

В ЦБП в настоящее время удовлетворительные результаты дает использование электродной пары платина — серебро для контроля процессов хлорирования при отбелке целлюлозной массы и при приготовлении гипохлорита по ОВП (преобразо­ватель типа ДПг-7).

Конструктивно устройство типа ДПг-7 (рис. 7-35) представ­ляет собой титановую трубу 7, в нижней части которой на •электроизоляционном материале 2 укреплены платиновое 3 и серебряное 1 кольца (электроды). Выводы с последних про­пущены внутри трубы к клеммам в головке датчика. Уплотне­ние колец достигается резиновыми прокладками и стяжным винтом 4. С помощью сальника 8 датчик устанавливается в объект.

Конструктивной особенностью датчика является наличие наконечника 6, вставленного на нижний конец устройства и закрепленного винтом 5. При извлечении устройства из объ­екта наконечник плотно прилегает к сальниковому уплотнению, что позволяет чистить и менять электроды, не нарушая техно-

Рис. 7-35

Рис. 7-36

логического процесса. Необходимость чистки связана с периодическим за-смолением электродов, а надобность в их замене вызывается разрушением платинового электрода под действием хлора.

Лучшие результаты в этих усло­виях (и при гипохлоритной отбелке) показывают иридиевые электроды [35].

Для измерения разности потенциа­лов при определении рН используются высокоомные измерительные потенциометры (рН-261) или до­полнительные промежуточные высокоомные устройства (ПВУ-5256) в комплекте со стандартными автоматическими прибо­рами ГСП. Для обеспечения высокого входного сопротивления электронных измерительных устройств в рН-метрах и оксред-метрах пользуются одним из известных способов [45]:

методом уравновешивающего преобразования, который в электронных измерительных устройствах реализуется введе­нием глубоких отрицательных оборотных связей, в частности во входных цепях используются катодные повторители Я_вх = = Явх.с.к£р = 10⁹ Ом;

контактным преобразователем с периодическим подключе­нием измеряемой разности потенциалов к образцовому конден­сатору, внутреннее сопротивление которого для постоянного тока определяется совершенством диэлектрических свойств изо­ляции и последующим периодическим измерением заряда кон­денсатора электронным измерительным устройством Я_Вх=#вн.к = = 10"-ь 10¹³ Ом;

электрометрическими каскадами электронных катодных пов­ерителей со специальными электронными лампами, имеющими большое сопротивление сетка—катод R_Bx.c.k или анод-катод /?₈ха.к (^если входной сигнал подается на анод, а напряжение питания на сетку), и напряжение питания анода (или сетки со­ответственно) £_а=8-М2 В, К„ = 10¹²-т-10" Ом.

В высокоомном преобразователе ПВУ-5256 используется первый способ повышения входного сопротивления. Он устанав­ливается в непосредственной близости к месту установки дат­чика, и его показания служат для контроля рН на месте изме­рения. Выходной стандартный сигнал 0—5 мА (0—50 мВ) мо­жет быть передан и измерен вторичным аналоговым электриче­ским устройством.

Упрощенная схема ПВУ-5256 приведена на рис. 7-36. Она состоит из пяти блоков: измерительной цепи /, вибропреобразо­вателя 2 для преобразования постоянного измеряемого напря­жения в переменное, электронного усилителя переменного тока 3, преобразователя 4 переменного выходного напряжения в пропорциональное постоянное, выходного усилителя постоян­ного напряжения 5 с указателем в виде миллиамперметра мА.

Терморезистор с сопротивлением Rt служит для автоматиче­ского введения температурной поправки, Rl, R2 и R4 исполь­зуются для- настройки пределов измерения, a R3 — для на­стройки цепи обратной связи. Резистор R_npl = № Ом дает выходное напряжение 0—50 мВ; при токовом выходном сигнале 0—5 мА резистор R_nP2 снимается. Подробнее со схемами температурной компенсации в рН-метрах можно познакомиться в (21].

Для определения ОВП в оксредметрах в качестве приборов используются стандартные автоматические электронные потен­циометры, например, КСПВ-2.