25

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Кафедра автоматизации процессов химической промышленности

АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

СОСТАВА ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе 1 по курсу

«Автоматика и автоматизация производственных процессов»

Санкт-Петербург

2006

Составители:

д-р техн. наук, проф. Г. А. Соколов, канд. техн. наук, доц. Д. В. Беляев (отв. ред.), канд. техн. наук, доц. Ю. В. Якобсон, канд. техн. наук, мл. науч. сотр. Ю. С. Фомичев.

В создании лабораторной установки принимал участие уч. мастер Е. В. Семенов.

Утверждено в качестве методических указаний для сту­дентов дневного и вечернего отделений на заседании учебно-методической комиссии III—VIII факультетов ЛТИ им. Ленсовета 3.02.1984 г.

1. Цель лабораторной работы

Целью учебно-исследовательской лабораторной работы является ознакомление с методами контроля и техническими средствами измерения состава газовых смесей. На лабораторной установке студенты проводят экспериментальные исследования чувствительности и погрешностей измерения газоанализаторов, определяют соответствие их характеристик паспортным данным, исследуют динамические характеристики и выполняют необходимую обработку полученных экспериментальных данных.

2. Изучаемые методы и технические средства анализа газовых смесей

Практические задачи анализа газов и газовых смесей возникают при реализации различных технологических процессов, при контроле параметров воздуха производственных помещений и окружающей среды, а также при исследованиях атмосферы. В химико-технологических производствах данные газового анализа используются прежде всего в качестве информационных сигналов, обеспечивающих работу автоматических систем контроля, регулирования и защиты процессов получения газов или газовых смесей с заданными параметрами, при контроле процессов горения (определение полноты сгорания топлива) и т. п.

При контроле окружающего воздуха по данным газового анализа контролируется достижение предельных допустимых концентраций токсичных или взрывоопасных веществ, определяется состав воздуха и т. п.

В зависимости от назначения к классу газоанализаторов относятся средства измерения, предназначенные для исследования и установления качественного и (или) количественного состава анализируемой газовой смеси. Во всех случаях действие газоанализаторов основывается на определенных химических или физических методах измерения. В данной лабораторной работе исследуются газоанализаторы, построенные на основе термомагнитного, термокондуктометрического и оптико-сорбционного методов измерений.

2.1 Термомагнитный метод анализа

Термомагнитный метод анализа газов основан на использовании эффекта взаимодействия парамагнитных газов с внешним неоднородным магнитным полем при наличии в газе определенного градиента температуры. Зависимость объемной магнитной восприимчивости от температуры, определяемая законом Кюри и уравнением состояния газа, выражается формулой

, (1)

где χ, χ_o — значения объемной магнитной восприимчивости соответственно при рабочих абсолютных значениях температуры Т и давления Р газа и при нормальных условиях (P_o = 110325 Па, T₀ = 273,15 К) [1].

Из числа парамагнитных газов наибольшим значением магнитной восприимчивости, превышающей на два-три порядка этот показатель у других газов, обладает кислород, что позволяет использовать данный метод измерения для избирательного определения его концентрации в газовых смесях в пределах 0,1 —100% О₂.

Рисунок 1 - Принципиальная схема термомагнитного газоанализатора

Принципиальная схема реализации термомагнитного метода измерения приведена на рисунке 1. Измерительный блок газоанализатора выполнен в виде кольцевой камеры с горизонтальной перемычкой из немагнитного материала (кварцевое стекло, нержавеющая сталь), с левой стороны которой расположены полюса постоянного магнита, создающего внешнее магнитное поле. На наружной поверхности трубки перемычки размещена двухсекционная нагревательная обмотка из тонкой платиновой проволоки. Секции обмоток R3 и R4 являются плечами неуравновешенного моста, нагреваются за счет тока питания мостовой схемы до температуры 120—200 °С и одновременно выполняют функции термоизмерительных элементов.

Два других постоянных резистора мостовой схемы R1 и R2 сделаны из манганиновой проволоки и располагаются вне кольцевой камеры. Переменный резистор R5 служит для настройки мостовой схемы.

Поскольку дипольные молекулы кислорода ориентируются во внешнем магнитном поле, между ними и магнитным полем возникает определенная сила взаимодействия. Вследствие этого имеющийся в измеряемой газовой смеси кислород из части потока, проходящего через левое полукольцо камеры, будет «втягиваться» в трубку перемычки.

При нагреве кислорода в зоне обмотки R3 его объемная магнитная восприимчивость будет уменьшаться вследствие нарушения ориентации диполей, и нагретый газ будет вытесняться в правое полукольцо камеры новыми порциями «холодного» кислорода. Возникающее вынужденное движение парамагнитного газа в канале перемычки носит наименование термомагнитной конвекции. Усилие F, необходимое для перемещения единицы объема кислорода V, определяется соотношением

, (2)

где H — напряженность магнитного поля; dH/dt — градиент напряженности магнитного поля в канале перемычки.

Перепад давления в канале перемычки ΔР может быть рассчитан по приближенной формуле

, (3)

где q — относительное содержание кислорода в газовой смеси; Т₁, Т₂ — абсолютные температуры «холодной» газовой смеси и нагретого кислорода на выходе из канала перемычки; H_макс — напряженность магнитного поля в зоне соединения перемычки с левым полукольцом камеры.

Если кислород в газовой смеси отсутствует, то сопротивления платиновых обмоток равны друг другу, т. е. R3 = R4. При наличии движения кислорода в канале перемычки обмотка R3 будет охлаждаться, и ее сопротивление уменьшается. За время прохождения кислородом зоны обмотки R3 он полностью прогревается и практически не будет отбирать тепло от обмотки R4, что приводит к увеличению ее температуры и, следовательно, к росту сопротивления R4. Изменение сопротивления .R3 и R4 вызывает разбаланс моста, выходное напряжение в измерительной диагонали которого будет пропорционально концентрации кислорода в газовой смеси.

Основными источниками погрешностей при термомагнитном методе измерения являются изменения температуры окружающей среды и контролируемой газовой смеси, влияющих на объемную магнитную восприимчивость кислорода; изменения напряжения питания мостовой схемы, колебания расхода (давления) анализируемой газовой смеси, а также возможные изменения напряженности магнитного поля вследствие старения постоянного магнита.

Для устранения указанных источников дополнительных погрешностей в исследуемом газоанализаторе типа МН 5130 У4 применяется система термостатирования измерительного блока с камерой, стабилизируется расход анализируемой смеси и для исключения влияния напряжения питания моста используется дифференциальная измерительная схема. Реализация дифференциального метода измерения достигается с помощью дополнительной камеры, через которую протекает газовая смесь с постоянным содержанием кислорода воздуха [1].

В комплект газоанализатора входит побудитель расхода, блок контроля подачи газовой смеси, измерительный блок и измерительный прибор (автоматический мост КСМ2).