Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

корпусі. На осердях цих трансформаторів — феритових кільцях намотані відповідні обмотки Iа…IV та V…X.

Первинна обмотка Iа трансформатора TV1 використовується для живлення ПП. Магнітне поле цього трансформатору створює в аналізованім середовищі навколо ПП тороподібне замкнене коло (рідиний виток), що живить трансформатор TV2.

Величина струму в рідинному витку залежить від питомої електропровідності розчину, тобто від концентрації аналізованого середовища.

ЦейструмпризводитьдовиникненнямагнітногопотокуФ1 навколо осердя трансформатора TV2. Для імітації рідинного витку при випробуваннях і повірці приладу використовують ланцюг, що складається, відповідно, з обмоток II і V трансформаторів TV1 й TV2.

Для припасування кривизни температурної залежності опору рідинного витка RРВ = f(t) використано коло, що складається з обмоток III, VI та резистора R5. Струм в цьому колі призводить до виникнення магнітного потоку Ф2 у трансформаторі TV2.

Електропровідність розчинів залежить від їхньої температури. Тому тут на основі термістора Rt, який вимірює цю температуру, запроваджена схема автоматичної корекції. Схема складається з обмоток IV, VII і VIII, резисторів R1…R4, R6… R9 і термістору Rt, Струм, наведений трансформатором TV1 у цьому колі викликає у трансформаторі TV2 магнітний потік Ф3, що протилежний напрямку потоку Ф1. Таким чином зміна магнітного потоку Ф1, що викликана зміною температури аналізованого середовища, компенсується зміною потоку Ф3 тієї ж амплітуди, але протилежного знаку, яка викликана зміною опору термістора Rt. При цьому резистори R6 і R8 служать для підгонки характеристики термістора, R1 і R2 — для грубого, а R7 — тонкого припасування середини шкали, R8, R9 — для установки, відповідно, початку й кінця шкали вторинного приладу (ВП).

У ВП передбачений дифтрансформатор зворотного зв’язку, що живиться струмом первинної обмотки 1б, яка підключена до блоку живлення. Сигнал зворотного зв’язку з виходу вторинних обмоток IIа, IIб дифтрансформатора налагоджують з використанням обмотки IIв та шунтувальних опорів R13…R16. Цей сигнал за допомогою первинної обмотки IХ трансформатора TV2 та резисторів

14.2. Потенциометричні аналізатори складу рідини

Автоматичні потенціометричні аналізатори (рН-метри й рХ-мет- ри) застосовуються в системах безперервного технологічного контролю й регулювання кислотності, лужності; окисно-відновного потенціалу та інших параметрів фізико-хімічних, біохімічних, і хімічних процесів, які характеризуються рівнем активності іонів водню, натрію, хрому, і інших речовин у розчинах.

Принцип дії аналізаторів заснований на законі Нернста (14.4), що зв’язує величину потенціалу Е, що виникає на поверхні електрода з металу (або його важко розчинної солі), при його зануренні в розчин, де є іони цього металу (солі) з активною концентрацією аi:

де Е0 — нормальний потенціал металу ( при одиничній концентрації його іонів у розчині, рівної 1 грам-еквівалент (моль) на 1 літр; R, Т — газова постійна й абсолютна температура; n, Р — валентність іонів і число Фарадея;

Кислотність (лужність) розчинів характеризується значенням негативного логарифма активності іонів аН водню, позначуваної рН (водневий показник):

Для нейтральних розчинів рН = 7, кислі мають рН < 7, а лужні рН > 7.

На величину рН впливає температура. Дистильована вода, наприклад, при температурі 22 °С нейтральна: рН = 7, однак при нагріванні до 100 °С вона здобуває кислі властивості: рН = 6,12. При температурі 0 °С вода має лужні властивості: рН = 7,97. Тому промислові рН -метри мають температурний коректор результату вимірювання.

Більшість потенціометричних аналізаторів вимірюють е.р.с., що виробляється чутливим елементом, який представляє собою електродну систему, до складу якої входять вимірювальний і допоміжний електроди.

У рХ-метрах визначення концентрації аніонів і катіонів Nа+, K+, Ca+, Hb-, Cl- Br-, I-, тощо, а також окисно-відновного потенціалу здійснюється іоноселективними електродами.

У рН-метрах водневий показник визначається скляними вимірювальними електродами, що перетворюють рівень активності іонів водню Н+ (величину рН) у значення електрорушійної сили.

Скляний електрод, показаний на рис. 14.6, виконано зі скляної трубки 1, до кінця якої припаяна тонкостінна мембрана 2 з літієвого скла у вигляді порожньої кульки. Літієве скло відрізняється від звичайного наявністю незначної електропровідності, що дозволяє включати його в електричне коло. На зовнішній поверхні мембрани при її зануренні в розчин розвивається потенціал ЕН, що залежить від активної концентрації іонів водню Н+. Скляний електрод заповнений розчином 3 соляної кислоти НCL постійної концентрації, який замикає електричне коло між мембраною й контактним електродом 4, з’єднаним з вивідним проводом.

Рис. 14.6. Чутливий елемент (електродна система) рН-метру

Допоміжні електроди, призначені для створення опорного потенціалу (порівняння), бувають звичайно двох типів: виносними проточними або зануреними непроточними.

Допоміжний хлор-срібний електрод непроточного типу, показаний на рис. 14.6, складається з товстостінної трубки 5, усередині якої перебуває срібний контакт 6, занурений у насичений розчин 7 суміші хлористого калію KCL і кристалів хлористого срібла AgCL. Від аналізованого розчину внутрішня поверхня електрода 6 ізольо-

вана гумовими мембранами 8, між якими перебуває розчин KCL. Електричне коло між контактом 6 і аналізованим розчином здійснюється по поверхні трубки 5 у місцях прилягання мембран 8.

Зміна температури вимірюваного розчину позначається на показаннях рН-метрів. По цьому комплект рН-метра містить ПП температури, сигнал від якого використовують для компенсації температурної похибки.

Повірку чутливих елементів рН-метрів здійснюють за допомогою буферних розчинів, які готовлять шляхом розчинення в дистильованій воді еталонів (стандартних зразків) солей, названих стандарттитрами. Кожний буферний розчин, отриманий таким чином, є робочим еталоном певного значення рН, а набір буферних розчинів дозволяє відкалібрувати рН-метр у ряді точок його діапазону вимірювання.

Сучасні промислові аналізатори рідин використовують один або декілька ПП, що підключені до мікропроцесорного контролера. В залежності від типів застосованих ПП вони можуть використовуватися як для контролю величин рН так і потенціалів рХ окисновідновлювальних хімічних реакцій, наприклад, як аналізатор типу Siрan-34 фірми Siemens. Цей аналізатор рідини виготовляється у двох модифікаціях. Одна розміром 172×286×120 мм (рис.14.7 а) призначена для настінного монтажу, а інша, розміром 96×96×200 мм (рис. 14.7 б) — для установки в щиті.

Аналізатор Siрan-34 представляє собою мікроконтролер, до якого підключають два незалежних чутливих елементи, наприклад, водневого показника та термометр опору для автоматичної температурної корекції. Чутливі елементи рН можуть бути встановлені як в одній рідині, так і у різних середовищах аналізування. Найефективнішим для використання є однострижневі ПП. Такі ПП представляють собою пластиковий шток діаметром 12 мм і довжиною 120 мм робочої частини, в якому змонтовано скляний та хлор-срібний електроди разом з термометром опору градуювання 1000П. Цей ПП на різьбі монтують в арматурі проточного або занурюваного типів і кабелем з’єднують з мікроконтролером. Арматуру проточного типу застосовуютьприаналізуванніпотокурідини, щойдевтрубопроводі,

азанурюваного типу — в ємностях з рідиною.

ПП(рис. 14.7 в) виробляють аналогові сигнали за значеннями рН та температури рідини і надсилають їх на вхід приладу Siрan-34.

Сигнали з виходу ЦАП за допомогою перетворювачів «напругаструм» перетворюються в уніфіковані вихідні струмові сигнали 4…20 мА. Якщо значення вимірюваних параметрів виходять за допустимі границі, мікроконтролер виробляє дискретні вихідні сигнали «Значення рН (або t) вище (нижче) норми», що використовуються, наприклад, в схемі сигналізації. Таймер і три вихідних реле аналізатору застосовуються для управління арматурою з подачі рідин (робочої, для очищування та промивання).

Діапазон вимірювання водневого показника складає [0…14] рН, температури [–50…200] °С. Передбачено перемикання 4-х під діапазонів вимірювання рН. Зміну під діапазону вимірювання рН в кожномузканалівзмінюютьзадопомогоюклавіатуримікроконтролеру або за зовнішнім дискретним управляючим сигналом. Абсолютна гранична похибка вимірювання по водневому показнику становить рН < 0,03, відносна гранична похибка вимірювання температури

εt < 0,5%.

Програмне забезпечення Siрan-34 передбачає пояснювальне меню на 5-ти язиках, діагностику роботи ПП, діагностику похибок і технічної профілактики, ведення журналу реєстрації відмов та процесів калібрування з датою і часом по кожному з каналів вимірювання.

14.3. Оптичні аналізатори складу рідини

В оптичних аналізаторах рідини використовується зв’язок між параметрами оптичного випромінювання й складом аналізованої рідини. Найчастіше в харчовій промисловості застосовують наступні різновиди оптичного методу: колориметричний, турбидиметричний, нефелометричний і рефрактометричний.

Колориметричні аналізатори (від англ. слова color — колір) вимірюють концентрацію обумовленої речовини за поглинанням випромінювання видимої частини спектра аналізованим розчином.

Згідно із законом Ламберта — Бера оптична густина розчину Dλ, як і газу, залежить від коефіцієнта спектрального поглинання ελ, довжини кювети L і концентрації вимірюваного компонента С, що визначає інтенсивність фарбування розчину:

де I0λ і Iλ — інтенсивність монохроматичного випромінювання на вході й виході вимірювальної камери, заповненої вимірюваним розчином.

У більшості випадків пофарбований розчин одержують у результаті допоміжної хімічної реакції, яка забезпечує вибіркову зміну інтенсивності фарбування розчину залежно від концентрації обумовленогокомпонента. Наприклад, додаванняфенолфталеїнузафарбовує розчин тим інтенсивніше, чим вища в ньому вимірювана концентрація кислоти. При такому готуванні розчину застосовують колориметри періодичної дії, установлені, звичайно в лабораторії підприємства.

При природному фарбуванні розчину, що залежить від концентрації вимірюваного компонента, наприклад при відбілюванні саломаси в масложировій промисловості, використовують колориметри безперервної дії (рис. 14.8 а).

Рис. 14.8. Оптичні аналізатори рідини: а) колориметр, турбидиметр;

б) нефелометр

Розчин, який аналізують, поміщають у вимірювальну камеру — кювету 1 проточного або непроточного типу з прозорими протилежними стінками, які мають практично нульові втрати світлового потоку із-за поглинання й відбиття.

Звичайно для аналізу рідини застосовують нульовий метод вимірювання, реалізуючи його на основі автоматичних компенсаційних приладів, наприклад, КСУ. При цьому світловий потік від джерела 2 за допомогою призми 3 розділяють на вимірювальний потік, що про-

ходить крізь кювету, і потік порівняння. Обидва потоки, поперемінно надходять на вхід чутливого елемента 4 завдяки обтюратору 5, який часто являє собою обертовий диск із отворами. При цьому потоки світла на своєму шляху проходять лінзи 6, світлофільтри 7 і відбивачі 8. Вимірювально-підсилюючий модуль 9 перетворює сигнал неузгодженості ε між світловим потоком, що пройшов крізь вимірюваний розчин і світловим потоком порівняння, у переміщення реверсивного електродвигуна РД. Вихідний вал РД, у свою чергу, знижує сигнал неузгодженості (ε → 0) до нуля переміщенням оптичного клина 10, змінної оптичної густини. Одночасно із клином 10 переміщується і зв’язана механічно з валом РД стрілка 11 на шкалі приладу. Коли ε = 0 оператор зчитує показання.Основна похибка автоматичного фотоколориметра становить до 5 %.

Турбидиметричніаналізатори(відангл. словаturbid — мутний)

застосовують для вимірювання мутності питної і викидної води та інших рідин у відстійниках і технологічних апаратах, концентрації зважених часток у суспензіях.

Принцип дії заснований на вимірюванні ослабленого зваженими частками світлового потоку, що проходить крізь рідину.

Світловий потік I0, що направляється крізь розчин, який містить зважені частки, послаблюється за рахунок поглинання його розчином і частками. При цьому залежність світлового потоку на виході I від значень I0 і концентрації зважених часток С має наступний вигляд:

де d — діаметр зважених часток; k, a — постійні, що залежать від характеру суспензії й способу вимірювання; b — товщина поглинаючого шару (довжина шляху світла у вимірюванім середовищі); λ — довжина хвилі.

При фіксованих умовах вимірювання, коли значення k, d, a, λ є постійними, вираз (14.8) перетворюється на

Існує значна кількість конструкцій і схем турбидиметрів, що мають різні метрологічні характеристики.

Вимірювання концентрації С зважених часток у технологічних апаратах і лініях здійснюють пропущенням світлового потоку без-

посередньо крізь шар аналізованої рідини усередині технологічного устаткування, наприклад, трубопроводу 1 (рис. 14.8 а), що відіграє роль кювети. Схеми турбидиметрів багато в чому схожі зі схемами колориметрів, одна з яких розглянута нами вище.

Турбидиметричні аналізатори мутності води ТВ мають діапазон вимірювання від 0…3 до 0…500 мг/л, а основна похибка не перевищує 2 %.

Нефелометричні аналізатори застосовують в основному для визначення концентрації зважених часток в емульсіях. Основна їхня відмінність від турбидиметрів полягає у вимірюванні відбитого від зважених часток рідини потоку світла. Цей потік розсіювання визначається рівнянням Релея:

де I0 і Ip — початкове і розсіяне випромінювання; V, N — об’єм кульової частки і їх число; λ — довжина хвилі; k — коефіцієнт пропорційності.

Зі зменшенням довжини хвилі інтенсивність потоку, що розсіюється, зростає.

Принципова схема нефелометра з подвійним оптичним каналом представлена на рис. 14.8 б. Від джерела 1 потік світла проходить крізь вимірювальну камеру 2, обладнану скляними вікнами 3. Світловий потік, що пройшов крізь рідину, направляють у канал порівняння, а розсіяний — у вимірювальний канал. Обидва потоки за допомогою обтюратора 4 (обертового диска з отворами) поперемінно попадають у фотоелемент 5. Різниця ε між потоками розсіювання й порівняння залежить від концентрації С зважених часток, яку вимірюють в основному, компенсаційним методом. Сигнал ε за допомогою підсилювача 6 і реверсивного електродвигуна РД перетворюють в переміщення оптичного клина 7 у бік зниження ε → 0 сигналу розбалансу. Коли ε = 0 стрілка на шкалі нефелометра, механічно зв’язана з оптичним клином 7 і валом РД, зупиняється. Оператор зчитує показання.

Рефрактометри. Явище променезаломлюваності або рефракція світла, наступає тоді, коли пучок паралельно спрямованих похило до площини розподілу двох середовищ променів переходить із одного середовища в інше. Для газів, рідин і деяких кристалів відношен-