Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

сигнал надходить у мікроконтролер 11, який перетворює його в показання цифрового індикатора й сигнал керування, що надходить до частотного перетворювача ЕУ швидкості обертання електропривода М барабана 3. В залежності від різниці поточного й заданого значень витрати мікроконтролер змінює швидкість руху стрічки транспортера, забезпечуючи сталість масової витрати сипучого матеріалу, що надходить у бункер 9.

Рис. 13.6. Автоматичні конвеєрні ваги

Динамічно-ваговий метод безперервного вимірювання витрати. Заснований на вимірюванні сили тиску потоку сипучого матеріалу на лоток або яке-небудь інше тіло, що перебуває на шляху руху потоку. Такі ЗВТ часто називають лотковими витратомірами.

Лоткові витратоміри різних конструкцій застосовують в якості як самостійних ЗВТ, так і в складі дозаторів сипучих матеріалів.

Одна зі схем лоткового витратоміра показана на рис. 13.7. З бункера 1 сипучий матеріал по напрямній площині 2 надходить на похилий лоток 3 і рухається по ньому під дією власної ваги. Чим більша витрата сипучого матеріалу, тем більший тиск він виявляє на лоток 3, який при цьому може переміщатися або повертатися. Переміщення лотка змінює кут нахилу лотка стосовно осі потоку, змінюючи тим самим діюче на лоток зусилля. У езультаті характеристика ПП виявляється нелінійною. Із цієї причини переміщення лотка мінімізують, наприклад, вимірюванням зусилля на лоток за допомогою тензодатчика 4, який пов’язаний з мікроконтролером 5.

Сила тиску сипучого матеріалу на лоток визначається виразом

де ƒВ — сила, яка виникає під дією ваги сипучого матеріалу, що рухається по лоткові; ƒВ — сила, яка виникаєпри ударі сипучої речовини, що надходить на лоток, рівна

де FM — масова витрата; v — початкова швидкість сипучого матеріалу при ударі об лоток.

Рис. 13.7. Лотковий витратомір

Сила (загального тиску на лоток залежить від коефіцієнтів тертя сипучої речовини об напрямну площину й об лоток, які залежать від конструктивних розмірів, кутів нахилу α, β, γ, а також від типу сипучого матеріалу, його вологості та інших параметрів. Вплив зміни параметрів сипучого матеріалу позначається на точності вимірювання лотковими витратомірами, що лежить у межах від 2 до 5%.

13.5. Масові витратоміри двофазних потоків

Для вимірювання масової витрати двофазних потоків, що складаються із повітря і зважених часток сипучого матеріалу, переміщуваних пневмотранспортом або при вільному падінні в трубопроводі, застосовують низку методів.

Диєлькометричний(абоємнісний) методвимірюваннявитрат

(концентрації), заснований на вимірюванні діелектричної проник-

ності суміші, що залежить від концентрації окремих компонентів. Якщо між двома паралельними пластинами помістити потік вимірюваної суміші, то одержимо лінійне рівняння для визначення ємності утвореного конденсатора [6]:

де k — коефіцієнт пропорційності; ηс і ηг — об’ємна частка (концентрація) сипучого матеріалу й газу; εc і εг — діелектричні проникності сипучого матеріалу й газу. Таким чином, значення ємності вимірювального конденсатора пов’язане з величиною маси у відомому об’ємі ПП, тобто з концентрацією сипучого матеріалу в потоці газу, наприклад, повітря.

При вимірюванні витрати або концентрації ємнісний ПП включають, наприклад, у плече вимірювального моста змінного струму. Вихідний сигнал моста подають на вхід підсилювача вторинного приладу для подальшого перетворення. При цьому амплітуда вихідного сигналу моста є функцією вимірюваної витрати або концентрації твердої фази в потоці газу.

Ємнісні перетворювачі концентрації двофазних потоків бувають різних конструкцій.

Найефективніша, на наш погляд, конструкція ємнісного ПП [6, 12, 13] показана на рис. 13.8. Тут потік вимірюваного середовища укладений між обкладинками конденсатора, утвореного двома спіральними металевими пластинами 1 і 2, намотаними на короткій ділянці трубопроводу 3 з витратою F двофазного середовища. Конденсатор захищений екраном 4 з феромагнітного матеріалу від зовнішніх електромагнітних перешкод і включений у мостову схему вимірювання мікроконтролера 5. Вихідний сигнал мікроконтролера використовують для індикації результату вимірювання й керування дозуванням. Похибка вимірювання залежно від режиму роботи такого витратоміра коливається від 2 до 5 %.

Кореляційний метод вимірювання витрати полягає у визна-

ченні часу τп переміщення окремих часток потоку між двома контрольними перетинами А и Б, що відстоять один від одного на строго певної відстані L. Час τп знаходять як абсцису максимальної ординати взаємної кореляційної функції двох випадкових процесів того самого роду (наприклад, концентрації двофазного потоку), що про-

тікають у перетинах А и Б. Знаючи час τп і поперечний переріз S потоку, можна знайти його об’ємну витрату F0, рівну

де k — коефіцієнт, що враховує відхилення швидкості окремих часток від середньої швидкості потоку.

Рис. 13.8. Ємнісний ПП витрати (концентрації) двофазного потоку

Структурна схема кореляційного витратоміра Granucor сипучого матеріалу показана на рис. 13.9. Зміна концентрації окремих фаз у перетинах А и Б вертикально розташованого трубопроводу 1 контролюється за допомогою мікроконтролеру 2, що працює в комплекті з ємнісними ПП 3 і 4.

б)

а)

в)

Рис. 13.9. Кореляційний масовий витратомір: а) — конструкція;

б) — сигнали ПП; в) — вид кореляційної функції

При цьому сигнали x(t) і у(t) вироблені, відповідно, перетворювачами 3 і 4, хоча й носять випадковий характер, але завдяки невеликій відстані L між перетинами А и Б мають тісний кореляційний зв’язок. Це підтверджується видом поточних значень сигналів x(t) і у(t), наведених на рис. 13.9б. Форма сигналу у(t) ПП 4, установленого в перетині “Б” відстає від форми сигналу х(t) ПП 3, установленого в перетині “А” на час затримки τп, необхідний для переміщення часток потоку між цими перетинами трубопроводу.

Амплітуди сигналів x(t) і у(t) при цьому пропорційні концентрації вимірюваного потоку, а його швидкість розраховує мікроконтролер по величині затримки τп. Для знаходження цього значення τп мікроконтролер обчислює величину х(t–τ), у(t) і їх добуток, інтегрує отриманий результат і знаходить середнє його значення за деякий період часу Т, обчислюючи в такий спосіб значення кореляційної функції

вид графіка, якої показаний на рис. 12.9в. Кореляційна функція має різко виражений максимум, при якому час затримки τ дорівнює шуканому часу τп переміщення часток від перетину А до перетину Б.

Важливим позитивом кореляційного методу являється те, що при наявності твердої фази в потоці контролюють саме швидкість останньої. Похибка вимірювання витрати при кореляційному методі складається з похибок встановлення відстані L і часу τп і становить 1…3 %.

14. ВИМІРЮВАННЯ СКЛАДУ РІДИН

У харчовій промисловості найширше застосовують хімічні, електрохімічні й оптичні методи аналізу рідин.

Хімічні методи застосовують, в основному, при експрес-аналізі складу рідин у лабораторіях підприємств. Основним з них служить метод титрування розчинів. Титрування полягає у використанні хімічних реактивів для нейтралізації обумовленої речовини в розчині. По кількості витраченого реактиву обчислюють шукану концентрацію цієї речовини. Момент закінчення титрування при цьому фіксують по зміні фарбування хімічних індикаторів: лакмусу, фенолфталеїну, тощо.

Наявністьлюдськогофакторанедозволяєуникнутипомилоквізуального визначення фарбування розчину, що титрують. Тому при визначенні шуканої концентрації речовини додатково використовують методи точного, наприклад, спектрометричного аналізу [15].

Мас-спектрометричний метод [7, 17] є найбільш досконалим у визначенні хімічного складу речовин незалежно від їхніх фізичних та хімічних властивостей. Він дає можливість визначити вміст багатьох компонентів складних сумішей.

Мас-спектрометри являють собою різноманітні за застосованими методам і конструкціям пристрої, які вздовж осі циліндричної вимірювальної камери, що має напівкруглу форму, створюють, прискорюють і розподіляють заряджені частки відповідно до їхнього співвідношення маси до заряду (m/e).

З цією метою електричне поле, що прискорює заряджені частки, використовують у сукупності з поперечним магнітним полем, що їх розподіляє. Для вільного руху часток у вимірювальній камері утворюють умови високого вакууму. Зарядженими частками при цьому являються іонізовані молекули аналізованої речовини, яку переводять у газовий стан, вводячи її, наприклад, у полум’я газової горілки, яка знаходиться з одного кінця вимірювальної камери в сильному електричному полі.

Створенітакимчиномпозитивнііониприскорюютьсяцимполем, пролітають крізь поперечне магнітне поле, що утворене всередині камери, і направляються далі уздовж вимірювальної камери.

Поперечне магнітне поле розшаровує іонний потік на низку траєкторій, по кожній з яких рухаються іони тільки одного значення m/e. Одна з траєкторій приходить до вхідного отвору магнітного аналізатора, що розташований у іншому кінці вимірювальної камери. Іонний пучок за цією траєкторією потрапляє до колектору магнітного аналізатора, який від цього набуває позитивного заряду, який вимірюють і реєструють.

Для зміни іонів, що потрапляють на колектор, змінюють різницю потенціалів електричного поля, що прискорює, або величину магнітного поля аналізатора. Тоді на траєкторію, що приводить іони до колектору, можна виводити іонні пучки з різними значеннями m/e і запотенціаломколекторувстановлюватиїхінтенсивність. Скануючи весь робочий діапазон напруги електричного поля, що прискорює,

отримують діаграму залежності інтенсивності іонних пучків для кожної масової складової іонного потоку від вказаної напруги. Ця діаграма одержала назву мас-спектру.

Цей спектр характеризує молекулярний склад досліджуваної речовини, ідентифікацію якого проводять, виконуючи великий обсяг розрахункових операцій по порівнянню отриманого мас-спектру з відомими мас-спектрами різних речовин з бібліотеки мас-спектрів. Тому у комплект сучасних мас-спектрометрів входить комп’ютер зі спеціальним програмним забезпеченням.

Комп’ютер, крім ідентифікації складу, встановлює кількість шуканого компоненту за інтенсивністю іонного пучка відповідного значення m/e, що притаманне даному компоненту. Для забезпечення потрібної точності кількісного аналізу мас-спектрометр попередньо калібрують по кожному з компонентів, наявність яких передбачають у досліджуваній речовині.

Основними обмеженнями широкого застосування мас-спектро- метрів для контролю і управління технологічними процесами сьогодні є їхня складність та висока вартість. Тому на харчових підприємствах їх здебільшого використовують у вимірювальних лабораторіях в якості експрес-аналізаторів.

На виробництві найбільше поширення серед електрохімічних методів отримали кондуктометричний і потенціометричний, серед оптичних — колориметричний, турбидіметричний, нефелометричний і рефрактометричний методи аналізу складу рідин.

14.1. Кондуктометричні аналізатори складу рідини

ЗВТ, що реалізують кондуктометричний метод визначення концентрації різних водяних розчинів шляхом вимірювання їх питомої електропровідності, бувають контактними (електродними) і безконтактними (безелектродними).

Електродні концентратоміри вимірюють електропровідність розчинів за допомогою електродного кондуктометричного ПП, що складається із двох електродів, установлених у посудині, у яку надходить вимірюваний розчин.

Питома електропровідність χ (см. см-1) являє собою величину, зворотну питомому опору ρ (Ом см):

останніх вимірюються частота власних коливань резонансного контуру, що залежить від індуктивного або ємнісного опору первинного перетворювача.

ПП низькочастотних кондуктометрів бувають проточного типу (чутливий елемент вмонтований у ділянку трубопроводу) і заглибного типу

Сучасні заглибні ПП використовують тороподібні індукційні чутливі елементи, що являють собою обмотки на осердях — феромагнітних кільцях. Чутливі елементи зовні захищають герметичними керамічними, поліпропіленоновими, або іншими корозійностійкими корпусами, які мають вигляд бублика, оснащеного подовжувальною штангою з кабелем і розніманням для підключення.

Концентратомір типу КНЦ-1М-6У3, схема якого приведена на рис. 14.4, розроблений ВНПО «Пищепромавтоматика» і застосовується для вимірювання концентрації солей, кислот, лугів та інших розчинів, питома електрична провідність яких має однозначну залежність від концентрації й перебуває в межах від 1 до 100 Ом/м. Основна похибка КНЦ-1М-6У3 складає 4%.

Рис. 14.4. Схема індукційного концентратоміра типу КНЦ-1М-6У3

Концентратомір використовує дифтрансформаторний вторинний прилад типу КСД і реалізує нульовий метод вимірювання. ПП складається з двох тороподібних трансформаторів: живильного TV1 і диференційного TV2, що змонтовані на одній вісі в керамічному