Методика расчета схемы температурой

Министерство образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт

(Технический университет)

 

Расчет измерительных схем и преобразователей

Технологических параметров.

 

Расчет параметров и схемы температурной

компенсации кондуктометрического

концентратометра.

 

 

Методические указания

 

 

Санкт-Петербург.

Г

 

 

Министерство образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт

(Технический университет)

Кафедра автоматизации процессов химической промышленности.

 

Расчет измерительных схем и преобразователей технологических параметров.

 

Расчет параметров и схемы температурной

Компенсации кондуктометрического

Концентратометра.

 

 

Методические указания к курсовому проекту

по дисциплине

'' Технологические измерения и приборы химической промышленности ''.

 

 

Санкт-Петербург.

Г

 

УДК.681.2.66.012.1

Новичков Ю.А., Жаринов К.А., Соколов Г. А. Расчет параметров и схемы температурной компенсации кондуктометрического концентратомера:Методические указания /СПбТИ,-СПб,1999г.-16с.)

 

 

В методических указаниях содержатся необходимые сведения для расчета конструктивных параметров первичного измерительного преобразователя кондуктометрического концентратомера, а также элементов схемы температурной компенсации кондуктометра.

Указания предназначены для студентов дневного и вечернего отделений изучающих курс'' Технологические измерения и приборы химической промышленности''

(спец.21.02 ''Автоматизация технологических процессов и производств'').

 

Ил. 4, табл 1, библиограф. 3 назв.

 

 

Рецензент: д.т.н., проф. Чистякова Т.Б. (каф.САПР и У).

 

 

Утверждены методической комиссией факультета информатики и управления 29.11.1999г.(протокол №2).

 

Рекомендовано к изданию РИС СПбГТИ(ТУ)

 

 

Общие сведения.

Измерение концентрации электролитов методом электро­проводности (кондуктометрии) сводится к измерению сопро­тивления электролитической ячейки, в простейшем случае представляющей собой сосуд с двумя электродами, простран­ство между которыми заполнено испытуемым раствором. Электропроводность растворов зависит от характера рас­творенного вещества, его концентрации, активности ионов и степени диссоциации. Поскольку степень электролитической диссоциации и подвижность ионов зависят от значения кон­центрации в неявной форме, расчетные методы определения электропроводности растворов не получили распространения и в практике кондуктометрических измерений в основном ис­пользуются экспериментальные данные. Для большинства электролитов зависимость электропро­водности c от концентрации h не является однозначной и имеет вид экстремальных кривых.

Рис. 1 Зависимость удельной электропроводности водных растворов от их концентрации при 20°С.

Следует также отметить, что начальные участки этих характеристик (при малых кон­центрациях) наиболее близки к линейным. Подобный харак­тер зависимостей накладывает определенные ограничения на возможности метода в целом, а при его практической реали­зации необходимо обеспечивать исключение возможности двузначности показаний в случае перехода с восходящего участка на нисходящий участок характеристики кривой.

Таким образом, зависимость проводимости электролитов от их концентрации позволяет использовать электролитиче­скую ячейку в качестве измерительного преобразователя, единственной выходной величиной которого является значе­ние химической активности раствора, не имеющее в общем случае однозначной связи с его концентрацией.

В низкочас­тотных кондуктометрах,.для случая слабых электролитов, вы­ходной величиной преобразователя является электрическая проводимость между электродами.

Рис. 2. Схема двухэлектродной электролитической измери- тельной ячейки (с плоскопараллельными электродами),где c_o —удельная электропроводность; S —поперечное сече­ние столба электролита между электродами; l —расстояние между электродами.

Для рассматриваемого случая плоскопараллельных элек­тродов (рис.2) полностью погруженных в раствор, значение S чис­ленно равно площади поверхности электрода, а сопротивле­ние ячейки

где K= l /S —постоянная ячейки; r —удельное электрическое сопротивление раствора.

Постоянная электролитической ячейки К может быть най­дена аналитически лишь при наличии электродов простой гео­метрической формы. Для концентрических цилиндрических электродов (рис.3) значение постоянной K

Рис.3. Схема двухэлектродной электролитической измерительной ячейки (с коаксиальными электродами).

определяется по формуле, учитывающей эффективное значение площади электродов и расстояния между ними:

где D, d —диаметры наружного и внутреннего электродов; l —рабочая длина электродов. Для экспериментального определения постоянной ячейки обычно используются эталонные растворы КС1 с известной электропроводностью, т. е. в этом случае измеряется элект­рическое сопротивление ячейки, а значение К рассчитывается по формуле (2).

В случае измерения разбавленных растворов, т. е. элект­ролитов с низкой концентрацией, применяют ячейки с мень­шей величиной К, чем для концентрированных, с тем, чтобы получить достаточное для точного измерения значение электрического сопротивления ячейки.

. Двухэлектродные ячейки применяют для анализа чистых раз­бавленных растворов с удельной электрической проводимостью до 10-⁵ См/м и в сигнализаторах, когда не требуется высокой точ­ности измерения. В трехэлектродной ячейке внешние электроды соединены между собой и вместе с внутренним электродам обра­зуют две параллельно включенные двухэлектродные ячейки.

В этой ячейке мало сказываются внешние наводки. В четырехэлектродной ячейке переменное напряжение подводится к двум крайним электродам, между которыми в растворе протекает ток. Два внутренних электрода служат для измерения падения напряжения, которое создает ток на участке раствора между ними. Четырехэлектродные ячейки применяют для анализа чистых растворов с удельной электрической проводимостью 10-²— 10 См/м.

Принципиально измерение электропроводности может про­изводиться с использованием напряжения как постоянного, так и переменного тока. Однако в промышленных измерениях постоянный ток не применяется, так как при его использо­вании на результаты измерения существенно влияют возни­кающие при протекании постоянного тока через раствор про­цессы электролиза и поляризации электродов.

В тоже время при использовании переменного тока имеет место емкостная составляющая электропроводности ячейки, сдвинутая по фазе относительно активной составляющей на угол p/2, что затрудняет измерения сопротивления раствора в указанных условиях с помощью промышленных автомати­ческих мостов. При этом емкостное сопротивление становится сравнимым с активным, а само значение емкости может до­стигать нескольких сотен микрофарад.

Для слабых электролитов емкостная составляющая, как правило, мала по величине, практически постоянна, в том числе и при наличии колебаний температуры раствора. В этом случае схема измерительного моста может быть по­строена лишь на активных сопротивлениях с достаточной чувствительностью и без ощутимого для серийного автома­тического компенсатора сдвига входного сигнала по фазе за счет емкостной составляющей.

Промышленный солемер типа СКМ предназначен для измерения в теплоэнер­гетических установках содержания солей водных растворов и сигнализации отклонения от заданного значения в одной, двух, четырех, шести точках. Пределы измерения от 0,1 до 4000 мг/л. Поддиапазоны измерения: 0,1—2; 0,2—4; 0,5—10; 1—20; 2—40; 5—100; 20—400; 50—100; 200—4000. Основная относительная по­грешность ±6 % от предела измерения. Температура контроли­руемой среды 2—100 °С, давление до 10 МПа. Питание coлeмepа переменным током напряжением 220 В ча­стотой 50 Гц, потребляемая мощность 15 В-А. Солемер предназначен для работы при температуре окружаю­щего воздуха 5—50 °С и относительной влажности до 80 %.

Кондуктометры воды одноточечный типа КВА-ЗМ и много­точечный типа КВМ-1 предназначены для определения качества особо чистой воды, получаемой путем очистки с помощью ионитных смол или методом ректификации по ее электрической прово­димости. Пределы измерений 0,4×10-⁷—1×10-⁵См/см. Поддиапазоны измерения: (0,4—1)×10-⁷; (0,1—1)×10-⁶; (0,1—1)×10-⁵. Основ­ная относительная погрешность ±6 % от предела измерения. Выходной сигнал 0—5 мА, 0—10 В. Кондуктометр КВМ-1 кон­тролирует и сигнализирует в восьми точках и имеет перестраивае­мую сигнализацию. Время прогрева 20 мин, запаздывание 2 мин. Температура анализируемой воды 5—35°С, давление 0,48 МПа, расход 0,5—3 л/мин.

Питание кондуктометра переменным током напряжением 220 В частотой 50 Гц, потребляемая мощность 10 В-А.

Прибор предназначен для работы при температуре окружаю­щего воздуха 1 ¸ 40°С и относительной влажности до 80 %. Для КВА-ЗМ возможно подключение прибора КСП-З. В ком­плект КВМ-1 входят восемь первичных преобразователей.

Кондуктометр типа КПВ-1 предназначен для определения удельной электрической проводимости жидкости. Кондуктометр имеет взрывозащищенное исполнение. Выходной сигнал аналого­вый, показания прибора в цифровой форме. Пределы измерения:

10-⁴—10-³;10-³—10-²См/м. Основная относительная погрешность ±1,5 % от предела измерения. Питание прибора переменным током напряжением 220В ча­стотой 50Гц, потребляемая мощность 20 В-А.

Прибор предназначен для работы при температуре окружаю­щего воздуха 5—35°С и относительной влажности до 80%.

Известно[2], что при повышении температуры электропроводность элект­ролитов возрастает по закону, близкому к экспоненциальному:

где А, В — постоянные; Т — абсолютная температура.

В сравнительно узком температурном интервале справед­ливо линейное приближение

где c_to, c_t — электропроводности раствора соответственно при начальном t_o и текущем t значениях температуры, b — температурный коэффициент электропроводности. Варианты заданий для расчета приведены в табл. 1.

Методика расчета схемы температурой

Компенсации.

Компенсация температурной погрешности в низкочастотных кондуктометрах (рис.4) наиболее часто

 

Рис.4. Схема автоматического кондуктометра с темпера-

турной компенсацией.

 

реализуется включением последовательно с сопротивлени-

ем ячейки металлического (медного) термометра сопротивления, имеющего ту же температуру, что и измеряемый раствор. Для выравнивания температур­ных коэффициентов изменения электропроводности: раствора b и метал­лического термометра сопротивления a, (так как b>a) парал­лельно электродам подключается сопротивление Rш, выпол­ненное из манганиновой проволоки и, следовательно, не из­меняющее практически своего сопротивления при колебаниях температуры. Тогда эквивалентное сопротивление подобной цепи при начальной температуре градуировки to.

при повышении температуры на величину D t = (t—to)

 

где Rt_o —начальное значение сопротивления медного термо­метра; a =0,0043 1/К —температурный коэффициент измене­ния сопротивления меди: Ro —значение сопротивления ячей­ки при температуре to.

Расчет значений Rш и Rto, производится по формулам:

где R₁, R₂ —соответствуют значениям c_o”+0.25(c_o’-c_o”);

c _o”+0.75(c_o’-c_o”);