Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

ня синуса кута падіння α1 до синуса кута переломлення α2, назване показником (коефіцієнтом) переломлення

є величиною постійною при постійній температурі. Величина показника переломлення n розчину, встановлювана за допомогою приладів, називаних рефрактометрами, залежить від кількості розчиненої речовини й температури розчину.

У якості елементів променезаломлюваності традиційно застосовують скляні тригранні призми, а останнім часом знайшли застосування й більш технологічні призми типу «порожній циліндр»

(рис. 14.9).

Промені світла від джерела 1 (рис. 14.9 а) направляють на грань В1С1 освітлювальної призми 2, де вони переломлюються й падають на матову поверхню А1В1, яка їх розсіює й направляє в контрольовану рідину 3 під різними кутами. Промені проходять шар контрольованої рідини, потрапляють на добре відполіровану поверхню АВ вимірювальної призми 4 під кутом α і, переломившись на межі рідина-скло, входять у цю призму під кутом β.

Рис. 14.9. Елементи променезаломлюваності рефрактометрів:

а) тригранні призми; б) «порожній циліндр»

У лабораторних рефрактометрах типу ИРФ-22 світловий потік, що виходить із призми 4, направляють у зорову трубу, де поле зору розділене на світлу й темну частини. Положення границі світла й тіні визначається показником переломлення (концентрацією) аналізованої рідини. Сполучаючи ручкою настроювання межу розподілу з перехрестям зорової труби, знімають відлік. В автоматичних

рефрактометрах промені після вимірювальної призми 4 надходять у фоточутливий елемент 5 для подальшого перетворення.

Сучасні рефрактометри використовують призми типу «порожній циліндр» (рис.14.9 б). Така призма являє собою прозору скляну трубку 1, усередині якої знаходиться рідина, що аналізується. Потік світла від зовнішнього джерела 2 переломлюється на межі повітряскло, скло-рідина-скло й скло-повітря, після чого надходить у фоточутливий елемент 3. При цьому кут переломлення на межі скло- рідина-скло міняється залежно від концентрації аналізованої рідини 4, яка перебуває всередині порожнього циліндра [2].

Промисловий рефрактометр ТОВ «Технокон» типу , призначений для безперервного вимірювання концентрації сиропів, соків, джемів, алкогольних і безалкогольних напоїв, томатної пасти, молочнихтаіншиххарчовихпродуктів, представляєсобоюоб’єднані в одному корпусі ПП і мікроконтролер (рис. 14.10).

Рис. 14.10. Промисловий рефрактометр ПР-3ПУ

У якості світлопереломлюючої використана призма типу «порожній циліндр». Тут потік світла від джерела 1 направляють крізь призму 2 і шар аналізованої рідини 3 у фотоприймач 4, що показані на розрізі заглибної частини рефрактометра.

Сигнал від фотоприймача 4 надходить у мікроконтролер, установлений в корпусі 5 рефрактометра. До входу мікроконтролера також підключений вбудований термометр опору 6, що забезпечує

автоматичну компенсацію температурної похибки результату при вимірюванні концентрації аналізованої рідини.

Мікроконтролер робить необхідні обчислення й виробляє сигнали, що надходять на дворядковий рідкокристалічний цифровий індикатор 7, для відображення поточних значень концентрації й температури. При цьому світлодіодні індикатори 8 сигналізують про вихід цих значень за допустимі границі. Мікроконтролер, крім того, виробляє вихідні сигнали (по концентрації й температурі): аналогові

4…20 мА та цифрові RS232/RS485.

Програмне забезпечення використовує методи зниження похибок вимірювання, що виключає вплив кольору розчину, пухирців повітря і твердих часток. Керування рефрактометром здійснюють за допомогою його клавіатури 9. Рефрактометри ПР-3У монтують за допомогою різьблення 10 безпосередньо в трубопроводах і ємностях по місцю розташування технологічного устаткування. Рефрактометри типу ПР-3ПУ додатково оснащені вбудованою арматурою 11 парового або водяного промивання робочої поверхні призми 2, додатковим виходом для керування процесом промивання й відповідним програмним забезпеченням. Це забезпечує нормальне функціонування ПР-3У в умовах, коли інші рефрактометри виявляються непрацездатними.

Робочий діапазон вимірювання концентрації 0…100 %. Основна похибка вимірювання концентрації 0,1 %. Діапазон вимірювання температури 0…110 °С. Похибка вимірювання температури не більше ніж ±1 °С.

15. ВИМІРЮВАННЯ СКЛАДУ ГАЗІВ

ЗВТ для вимірювання складу газів називають газоаналізаторами. Газоаналізатори застосовують для визначення концентрації шкідливих та інших газів на виробництві й у навколишньому середовищі.

Газоаналізатори використовують, наприклад, в автоматичних системах керування вирощуванням птиці на птахофабриках, зберіганням сільгосппродукції на складах з регульованим і модифікованим газовим середовищем, при регулюванні якості горіння органічних палив (газу, мазуту, вугілля) у топках парогенераторів, тощо.

При регулюванні якості горіння нестача кисню в топці призводить до неповного згоряння і перевитрати палива, коли залишки вуглецю у вигляді чорного диму викидаються в димохід. При надлишку повітря в топці зменшується температура, що також знижує ефективність горіння. Оптимум процесу горіння підтримують стабілізацією коефіцієнта надлишку повітря α, який визначає відношення мас повітря й палива в топці при горінні. Теоретичне значення коефіцієнту надлишку повітря для природного газу становить α = 1,2. У реальних умовах, особливо в потужних топках, досягти оптимуму горіння можна тільки за допомогою газоаналізаторів. Для цього вимірюють вміст О2, СО або СО2 у відхідних газах, що йдуть в димар, і у відповідності змінюють витрату повітря, що надходить до газових пальників або мазутних форсунок топки.

У харчовій промисловості найчастіше застосовують хімічні, теплові, магнітні, оптичні й хроматографічні газоаналізатори.

15.1. Газоаналізатори хімічні й теплові

Хімічні газоаналізатори, звичайно періодичної дії, призначені для лабораторних аналізів. Про вміст обумовленого компонента судять по зміні об’єму газової суміші в результаті вибіркового поглинання обумовленого компонента відповідним хімічним реактивом.

Наприклад, якщо вимірюють концентрацію SO2 або СО2 відбирають пробу газової суміші відомого об’єму, пропускають її крізь колбу з розчином лугу КOH, де протікає одна з наступних реакцій:

SO2+2 КOH = К2SО3 +Н2О або СО2 + 2 КOH = К2СО3 + Н2О.

Шуканий газ повністю поглинається реагентом. В результаті об’єм газової суміші зменшується на певну величину, що призводить до зміни рівня розчину в мірній бюретці. За показниками цієї бюретки розраховують початкову концентрацію шуканого компонента в газовій суміші.

Теплові газоаналізатори автоматично вимірюють концентрацію обумовленого компонента газової суміші по зміні її теплопровідності. Їхня робота заснована на тому, що при температурі 100 °С теплопровідності таких газів як Н2, СО2, SO2, СН4 Ar, Не та інших різко відрізняються від теплопровідності повітря. З ростом температури теплопровідність газів міняється в різному ступені. По цьому для

визначення концентрацій конкретних газів вибирають необхідну робочу температуру чутливих елементів.

У теплових газоаналізаторах застосовують чутливі елементи (ЧЕ) з відкритою або заскленою платиновою, рідше вольфрамовою, нікелевою або танталовою спіраллю. У заскленому корпусі до платинових струмопроводів діаметром 0,15 мм підпаяна відкрита або засклена платинова спіраль діаметром 0,02 мм. У першому випадку опір чутливого елемента становить 10 Ом, у другому 40 Ом. Засклений ЧЕ більш стійкий до агресивних впливів вимірюваного середовища, але більш інерційний.

На рис. 15.1 наведена спрощена схему теплового газоаналізатора типу ТП. Схема включає мости вимірювальний і порівняння, які живляться змінною напругою від трансформатора TV.

Рис. 15.1. Схема теплового газоаналізатора

Вимірювальний міст утворений опорами R1 і R3 чутливих елементів, установлених в проточних камерах з аналізованою газовою сумішшю й опорами R2 і R4, розміщених у камерах порівняння. Конструкції чутливих елементів і елементів порівняння при цьому однакові. Камери порівняння непротічні з фіксованим складом газової суміші.

Міст порівняння утворений такими ж опорами R5…R8, установленими у камерах порівняння.

Аналізовану газову суміш із постійною швидкістю пропускають крізь вимірювальні камери. Тут, розігріті струмом до температури t = 80…100°С, чутливі елементи омиваються газовим потоком.

полягає тільки в наявності постійного магніту зовні вимірювальної камери.

Рис. 15.2. Схемаустановки чутливих елементівмагнітного кисенєміру

Кисень із газової суміші, що проходить по трубці 1, втягується в магнітне поле вимірювальної камери. Тут він розігрівається за рахунок теплообміну із чутливим елементом R1, його парамагнітні властивості слабшають і він заміщується свіжим холодним киснем, створюючи потік магнітної конвекції, що охолоджує резистор R1. Чим вища концентрація кисню в газовій суміші, тим інтенсивніший цей потік і нижча температура резистора R1.

Резистор R2 для забезпечення однакових умов тепловіддачі розміщений усередині немагнітної мідної камери порівняння 3. Електрична схема магнітного кисенєміру являє собою подвійний міст, розглянутий нами на рис. 15.1. Тут чутливі елементи R1 і R2 включені в суміжні плечі вимірювального моста. Резистори R3 і R4, R7 і R8 — термостабільні, виготовлені з манганінового дроту. Резистори R5 і R6, як R2 — платинові, установлені в ідентичних немагнітних камерах порівняння трубки 1.

Магнітний кисенємір типу МН-5106 має діапазон вимірювання 0…10 % О2 при максимальній основній похибці 0,25 %.

Оптичні газоаналізатори визначають концентрацію шуканого компонента по зміні оптичних властивостей газової суміші. Найпоширеніші спектрометричні і фотоколориметричні газоаналізатори, принципи дії яких розглянуті нами в розділі 14, а також газоаналізатори інфрачервоного й ультрафіолетового спектрів поглинання.

Гази, що містять у своєму складі два й більше різнорідних атомів, таких як СО, СО2, СН4, NH3, С2Н2, мають спектри поглинання в інфрачервоній області. Одноатомні гази характеризуються лінійча-

тими спектрами поглинання, що лежать в ультрафіолетовій області

[3, 14].

Схема променевого приймача інфрачервоного випромінювання показана на рис. 15.3 а.

Постійне випромінювання від джерела 1 перетворюється обтюратором (диском, що обертається, з отворами для проходження світла) 2 у пульсуючий, а світлофільтром 3 у монохроматичний потік світла, що надходить у вимірювальну камеру 4. Аналізований компонент, який перебуває в камері 4, поглинає випромінювання, що призводить до пульсацій температури у ній, а отже, і тиску, як показано на рис. 15.3б. Пульсації тиску сприймаються мікрофонним чутливим елементом, що представляє собою конденсатор, утворений рухомою мембраною 5 і нерухомою пластиною 6. Зміна тиску в замкненому об’ємі камери приводить до прогину мембрани й зміни ємності цього конденсатору, включеного в плече вимірювального моста. При цьому амплітуда коливань температури й тиску пропорційні концентрації обумовленого компонента газової суміші.

а) б)

Рис. 15.3. Променевий приймач оптичного газоаналізатора: а) кон-

струкція; б) пульсації тиску в променевому приймачі

Схеми таких оптико-акустичних газоаналізаторів звичайно двоканальні з різними способами газової, електричної або оптичної компенсації сигналу розбалансу між каналами. Одна з них наведена на рис. 15.4.

Потік світла тут від джерела 1 за допомогою призми 2 розділяють на два потоки, які проходять обтюратор 3, де перериваються із частотою 5 Гц.

Рис. 15.4. Схема оптичного газоаналізатора

У правому каналі пульсуючий потік випромінювання проходить робочу камеру 4, крізь яку протікає аналізована газова суміш. Тут потік світла послаблюється за рахунок поглинання частини енергії випромінювання обумовленим компонентом суміші. Послаблений потік світла проходить фільтрувальну камеру 5 і надходить у прийомний циліндр 6 променевого приймача 7. У лівому каналі потік інфрачервоної радіації проходить відповідно порівняльну 8, фільтрувальну 9 камери й надходить у лівий прийомний циліндр 10 променевого приймача.

Фільтрувальні камери 5 і 8 заповнені компонентами газової суміші, що не підлягають визначенню. Наявність цих камер повністю виключає вплив невизначуваних компонентів тоді, коли їх спектри поглинання частково перекривають спектри поглинання вимірюваного компонента.

Мембрана променевого приймача 7 рівною мірою сприймає коливання тиску в правому 6 і лівому 10 приймальних циліндрах. Амплітуда її коливань залежить від ступеня поглинання інфрачервоної радіації в робочій камері 4 і, отже, від концентрації обумовленого компонента аналізованої газової суміші. Конденсатор променево-