ВСТУП
На теплових електричних станціях та у котельнях централізованого теплопостачання для підтримуванняоптимального технологічного процесу необхідно визначити склад багатьох речовин. Бо тільки за наявності інформації про склад речовин можна забезпечити свідомі й цілеспрямовані дії оперативного персоналу, що керує процесомвиробництва енергії.
Таку інформацію можна одержати за допомогою приладів, що визначають і показують величинуконцентрації розчинів, склад газових сумішей, кількість вологи у паливі, ступінь кислотності або лужності розчинів. Виявляється, що у багатьох випадках такі прилади виконують на основізастосування електричних методів дослідження складних речовин.
Так, ступінь кислотності чи лужності розчинів визначають вимірюванням ЕРС, що виникає між зануреними в розчин електродами; склад газових сумішей визначають за зміною опорів, вимірюванихмостами у газоаналізаторах; кількість вологи у паливі визначають за величиною ємності діелектричних втрат у конденсаторах, де діелектриком є саме паливо; концентрацію розчинів солей чи кислот визначають за величиною електропровідності розчинів, що заповнюють випробувальні чарунки.
1. Вимірюваннярівнякислотностірозчинів
На енергетичних підприємствах, зокрема на теплових електричних станціях,досить часто виникає необхідність визначення ступеня кислотності, або лужностірозчинів. Ця ступінь зумовлена активністю іонів водню, що є у розчинах. Закількісний показник активності іонів водню прийнято вважати від'ємний логарифмвід концентрації іонів водню, помножений на коефіцієнт активності. Цей показникпозначають як рН (водневий показник). Діапазон значень рН (від кислішого й донайлужнішого) становить від нуля й до 14. Для нейтральних розчинів — рН 7, длякислих — рН7.
Величина рН найуспішніше визначається гальванометричним методом,основаним на вимірюванні різниці потенціалів електродних систем, ЕРС якихзалежить від активності іонів водню у розчині.
Під терміном «рН-метр», який застосовується доситьчасто, розуміють систему вимірювання водневого показника (рН), яка складаєтьсяз вимірювального (скляного) і допоміжного електродів, перетворювача,вимірювального приладу, допоміжних пристроїв та з'єднувальних ліній.
Вимірювальний і допоміжний електроди, звичайно, об'єднуються учутливий елемент, котрий виконують як занурюваний (для використання у нерухомомурозчині) чи проточний (для використання у трубах або лотках, де проходитьрозчин). Перетворювач являє собою електронний вольтметр чи потенціометр з дужевеликим вхідним опором. Частіш за все перетворювач вимірювану ЕРС, щостворюється на електродах, переробляє у стандартний сигнал постійного струмувеличиною 0...5 мА, 0...20 або 4...20 мА. До вимірювального приладу, щоприєднують до перетворювача, особливих вимог не ставиться. Необхідно лише абийого границі вимірювання збігалися з номінальним струмом вихідного колаперетворювача та величина його опору не була більшою, ніж передбачено технічнимописом приладу (звичайно це 1000 або 2500 Ом, хоча може бути і 40 Ом).
Щодо з'єднувальних ліній та допоміжного устаткування, то є однесерйозне обмеження: опір ізоляції всіх відрізків проводу, що з'єднує вимірювальнийелектрод з перетворювачем, має бути більшим ніж багато сотень (а то й тисяч)мегом, бо саме наявність менших опорів може суттєво знижувати вимірювану ЕРСцього електрода, власний опір якого становить 200...300 МОм. Цю лінію з'єднанняелектрода і перетворювача завжди слід виконувати коаксіальним кабелем, що маєтовсту і високоякісну ізоляцію між центральною жилою і екраном на рівні 5000МОм на один кілометр довжини.
2. Вимірюванняскладугазовихсумішей
Складу газових сумішей, зокрема наявності окремих домішок уповітрі, на теплових електростанціях та на інших підприємствах централізованогоенергопостачання приділяється значна увага. Саме величиною концентрації окремихскладових у цих сумішах визначається правильний хід технологічного процесу наокремих ділянках виробництва електричної чи теплової енергії, а іноді й безпекаробочого персоналу.
Так, наявність збільшеної кількості твердих часток у димових газахсвідчить про неповне згоряння палива і необхідність коригування цього процесуоператорами. Про кількість твердих часток у димових газах свідчить їхня оптичнащільність. Об'єктивно величину оптичної щільності оцінюють за допомогою димоміра,будову якого показано на рис. 1, а.
Трубу димоміра 5 встановлюють упоперек димоходу 4, чи упопереквідгалуження від нього так, щоб відбивач світла 1, електрична лампа розжарювання2, конденсор 3, об'єктив 7, термобатарея 8 та два захисних скла 9 булирозташовані за межами димоходу, щоб до них було легко доступитись. Труба 5 маєдекілька широких прорізів 6, довжина яких близька до розміру діаметра (чиширини) димоходу 4.
/>
Рис. 1 Димомір: а — будова; б — термобатарея
Дим, що проходить уздовж димоходу завдяки наявності широких прорізів6, вільно заходить у трубу 5 і поглинає частину світла, що несе промінь відлампи 2, Завдяки цьому величина світлового потоку, що досягає термобатареї 8, будедещо зменшеною, а це призведе до зменшення ЕРС термобатареї Ет і показаньвольтметра чи потенціометра, які встановлені на щиті керування топками.Показання цих приладів функціонально залежатимуть від вмісту твердих часток удимових газах. Чим більшою буде напруга термобатареї, тим прозоріші димовігази, а значить ефективніше використовуватиметься паливо, що надходить у топку.Термобатарея, складена з шести термопар, що з'єднані послідовно, зображена нарис. 1, б. Всі кінці термопар, що підлягають опромінюванню, мають надійнийтепловий контакт (але не електричний), з зачорненою металевою платівкою,розміщеною в скляному балоні, крізь стінку якого зібраний об'єктивом 7 проміньнагріває її разом з кінцями термопар. Внутрішній об'єм труби 5 повинен бутинадійно відділений склом 9 від об'ємів, у яких розміщено освітлювальну лампу 2 зконденсором 3 та об'єктив 7 з термобатареєю 8.
Освітлювальна лампа живиться від стабілізатора напруги 10, бо величинасвітлового потоку цієї лампи значною мірою залежить від величини напруги, що їїживить, і зміна величини цієї напруги сприятиме появі значних похибок упоказаннях димоміра.
На жаль, за показаннями димоміра можна одержати лише первинну інформаціюпро характер процесу згоряння палива. Детальнішу інформацію можна одержати,аналізуючи хімічний склад суміші газів, що проходить димоходом.
Для аналізу газових сумішей (і не тільки тих, що є у димовихгазах) користуються електричними газоаналізаторами. Більшість з них розрахованона вимірювання вмісту однієї з компонент газової суміші, наприклад кисню, водню,метану, вуглецевого газу, оксиду вуглецю тощо.
Залежно від виду фізичних явищ, використаних для аналізу, газоаналізаториможуть бути:
· термомагнітними;
· термокондуктометричними;
· оптико-акустичними;
· термохімічними.
Для аналізу складних газових сумішей користуються комбінованимигазоаналізаторами, котрі складаються з набору ряду блоків, де кожний блок розрахованийна певний метод аналізу вмісту якоїсь з компонент цієї газової суміші.
Термомагнітні газоаналізатори придатні для визначеннявмісту кисню у газовій суміші. У цих газоаналізаторах використана здатністькисню, як парамагнітного газу, створювати течію завдяки втягуванню його упроміжок між полюсами магніта і втрачати здатність до такого втягування завідносно невеликого його підігріву. Принципову схему, що пояснює дію термомагнітногогазоаналізатора на кисень, показано на рис. 2. У найпростішому виглядігазоаналізатор виконано на основі неврівноваженого мосту для вимірюванняелектричного опору, де резистори R1 і R2 — це спіралі з тонкогоплатинового дроту, котрі є нагрівниками газової суміші. Ця суміш постійниммагнітом відхиляється з основного потоку, перемішуваного по кільцевому каналуКК у діаметрально розташовану трубку Д. Об'єм суміші, що відхиляється дієюмагніта, буде тим більшим, чим більшим є вміст кисню у суміші, що проходитьчерез газоаналізатор.
/>
Рис. 2 Схема термомагнітного газоаналізатора
Таким чином, швидкість проходу суміші діаметральною трубкою будетим більшою, чим більшим буде вміст кисню в суміші. Потрапляючи у цю трубку,газова суміш нагрівається теплом, що його виділяють платинові резистори R1 і R2 та втрачає своїмагнітні якості (тобто не може бути притягнута у зворотному напрямі домагніта), тим самим забезпечується безперервність руху суміші цією трубкою.
Завдяки наявності безперервного потоку газової суміші, ще холодноїу лівій частині діаметральної трубки, платиновий резистор R1 охолоджуєтьсядещо більше, ніж розташований далі по потоку резистор R2, повз який проходитьвже підігріта суміш. Через різницю температури резисторів R1 і R2 величини їх опорівбудуть дещо відмінними, що призводить до розбалансування мосту, створеногорезисторами Rl, R2, R3, R4 і до появивідхилення покажчиками магнітоелектричного мілівольтметра МП. І це відхиленнябуде тим більшим, чим більшим буде вміст кисню у газовій суміші. Регульованийрезистор Rp призначений для початкового встановлення напругина мості.
Для підвищення точності вимірювань термомагнітними газоаналізаторамиїх застосовують разом з врівноваженими автоматичними мостами. Основна похибкатаких газоаналізаторів з діапазоном вимірювання вмісту кисню 0...10 % неперевищує 5 % від діапазону вимірювання.
Додаткові похибки таких газоаналізаторів зумовлено головним чиномнаявністю у складі газової суміші, крім кисню, ще й інших складових, які можутьвпливати на в'язкість суміші.
На жаль, термомагнітні газоаналізатори здатні визначати вміст усумішах лише парамагнітних складових. Переважна кількість газових домішок немає значної магнітної сприйнятливості і виявити її термомагнітними газоаналізатораминеможливо.
Вміст таких домішок визначають за допомогою термокондуктометричнихгазоаналізаторів, принцип дії яких полягає у використанні залежності величинитеплопровідності газової суміші від вмісту складової, що має істотно більшупитому теплопровідність, порівняно з такою самою у інших складових суміші.Зазначимо, що коефіцієнти теплопровідності різних газів можуть суттєво відрізнятисяміж собою. Наприклад, такий коефіцієнт для хлору втроє менший ніж у повітря, адля водню у сім разів більший ніж у повітря.
Принципову схему термокондуктометричного газоаналізатора наведенона рис. 3. Газоаналізатор створено на основі неврівноваженого мосту, в схемуякого введено дротяні резистори Rl, R2, R3, і R4, виконані зметалу, що має значний температурний коефіцієнт електричного опору. Це можутьбути нікель, мідь, платина та інші метали, необхідно лише, щоб вони булихімічно стійкими стосовно контрольованої газової суміші. Кожний з названихрезисторів встановлено у камері, яка зроблена у масивному металевому зливку, щозабезпечує однакову температуру стінок в усіх камерах.
/>
Рис. 3 Принципова схематермокондуктометричного газоаналізатора
Резистори R2 і R4 частіш за все містяться у камерах,заповнених повітрям, а резистори Rl і R3 — у камерах, крізь котріпроходить газова суміш, що підлягає аналізові. Міст живиться від джерела Б черезрегульований резистор Rр, за допомогою якого заздалегідьвстановлюють певну величину струму живлення, контрольовану міліамперметром.Реохорд R у цій схемі забезпечує можливість встановлення нульового показаннямілівольтметра — покажчика напруги розбалансування мосту до початку вимірювань,коли камери резисторів R1 і R3 заповнюютьповітрям, як і камери резисторів R2 і R4.
При проходженні ж крізь камери резисторів Rl і R2 аналізованоїгазової суміші умови охолодження резисторів Rl, R3, і R2, R4 будуть різними,через що і температури нагріву вказаних пар резисторів відрізнятимуться. В результатіцього й величини опорів вказаних пар резисторів змінюються, що викликає розбалансуваннявимірювального мосту і появу відхилення стрілки мілівольтметра вздовж шкали,градуйованої у відсотках вмісту контрольованої складової у складі газовоїсуміші.
Газову суміш, що надходить у камери, де розміщено резистори R1 і R3, необхідновідфільтрувати від часток пилу, а то й від інших домішок, які можуть вноситипохибки у вимірювання (наприклад, тих, що мають коефіцієнт теплопровідності,близький за величиною до такого у контрольованій складовій).
Крім того, необхідно забезпечити рівність температур повітря у камерахрезисторів R2 та R4 і температури газової суміші, щопроходить крізь камери резисторів R1 та R3 Слід дбати такожі про незмінність величини струму, що надходить до мосту від батареї Б.
Тут було розглянуто найпростішу схему термокондуктометричного газоаналізатора.
Реально ж на енергетичних підприємствах часто користуються газоаналізаторами,що створені на основі врівноважених автоматичних мостів. При цьому, звичайно,можна одержати дещо більшу точність вимірювань, але такі газоаналізатори значнодорожчі і складніші в обслуговуванні.
3. Вимірюванняконцентраціїрозчинів
розчин суміш концентрація речовина
На електричних станціях досить часто вимірюють концентрації окремиххімічних речовин у водяних розчинах.
Концентрації кислот, лугів та солей необхідно вимірювати для того,щоб забезпечити можливість підтримувати рівень величини концентрації розчинів упевних межах. Це необхідно для нормального протікання технологічних процесів.Для таких вимірювань найчастіше користуються кондуктометричнимиконцентратомірами. Ці прилади визначають величину концентрації за величиноюелектропровідності (чи за оберненою їй величиною електричного опору) електродноїчарунки, заповненої досліджуваним розчином.
Кондуктометричні концентратоміри можуть бути контактними,там, де електроди введено у схему вимірювання опору (частіше за все мостову) імають безпосередній фізичний контакт з досліджуваною рідиною, чи безконтактними(де відсутній безпосередній контакт чутливої частини вимірювальногоустаткування з досліджуваною рідиною). Безконтактний метод вимірювання слід вважатибільш прогресивним, бо при цьому унеможливлюється вплив стану поверхнівимірювальних електродів на результат вимірювань.
Кондуктометричні концентратоміри працюють виключно на змінномуструмі, щоб уникнути похибок, пов'язаних з поляризацією вимірювальних електродів,яка завжди матиме місце при постійному струмі.
Користуватиськондуктометричними концентратомірами слід обачно, щоб уникнути появи грубихпохибок, спричинених властивістю більшості розчинів мати однакові значенняелектричного опору (чи електричної провідності) чарунки при суттєво відміннихвеличинах концентрації. На рис. 4 наведено залежності питомоїелектропровідності γ водяних розчинів деяких речовин від величини їхньоїконцентрації С у цих розчинах.
/>
Рис. 4. Залежності питомоїелектропровідності розчинів від концентрації (температура 20 °С)
/>
Рис. 5 Схемаавтоматичногоконтактногокондуктоміра
Яквидно, у всіх залежностей, що розглянуто, кожному значенню питомоїелектропровідності відповідає два, а для сірчаної кислоти — й чотири різнихзначення величини концентрації. Але у межах найбільш вірогідних величинконцентрації (десь 0...20 .%) величина питомої електропровідності розчинів однозначнопов'язана з величиною концентрації.
Принципову схему для визначення величини концентрації розчинів наоснові вимірювання величини опору розчину, залитого у чарунку контактногокондуктоміра, наведено на рис. 5. Цей кондуктомір являє собою автоматичнийврівноважений міст, у якому електродну чарунку з досліджуваним розчиномпозначено як паралельно ввімкнені резистор Rx та ємність Сх.Компенсацію похибок при відхиленні температури довкілля від номінального значеннявиконує терморезитор Rт з паралельно ввімкненим манганіновим резисторомR3. Резистори R1 і R2 також зроблено зманганіну. Конденсатор С увімкнено для кращого врівноваження мосту, в якому вжеє ємність чарунки Сх. Міст врівноважують реохордом Rp, рухомий контактякого, разом із покажчиком, приводить до руху реверсивний двофазний двигун РД,обмотка управління котрого живиться електронним підсилювачем П, керованим напругою,що є на вимірювальній діагоналі мосту у його розбалансованому стані. Двигун РДобертається доти, доки є напруга, й зупиняється, коли її не стане післязбалансування мосту.
У безконтактному концентратомірі досліджуваний розчин не маєконтакту з будь-якими електродами, бо ЕРС, що викликає в ньому струм, індукуєтьсяв одновитковій обмотці, створеній самим розчином.
Будову чутливого елемента такого концентратоміра зображено на рис.6. Елемент складається з двох трансформаторів Тр1 і Тр2. Обмотку w1 першого трансформатораприєднують до мережі змінного струму, а обмотку w2 другого — довходу електронного підсилювача автоматичного потенціометра, що вимірює її ЕРС.Зв'язок між трансформаторами здійснює одновиткова обмотка w3, створенадосліджуваним розчином, що протікає всередині кільцевої трубки, виконаної зізоляційного матеріалу. До кільцевої трубки з двох боків приєднано прямівідрізки трубок, по одному з яких розчин надходить у кільце, а по іншомувидаляється з нього, даючи можливість проводити вимірювання безперервно, употоці розчину. Про величину електричного опору рідини, що міститься у замкненомуканалі, створеному кільцевою трубкою, посередньо може свідчити величина ЕРС, щоіндукується в обмотці w2. Величина цієї ЕРС буде пропорційною струмові І2,що проходить кільцем, створеним трубкою з рідиною.
/>
Рис. 6 Чутливий елементбезконтактногоконцентратоміра
Якщо ЕРС, індукована у цьому кільці магнітним потоком, що проходитьмагнітопроводом трансформатора Тр1, відома й відома величина струму І2,що проходить розчином, котрий міститься у кільці, то питання про величину опорурозчину, що заповнює кільце, а отже і величину електропровідності розчинувирішується однозначно — величина електропровідності пропорційна величині ЕРС,виміряної на кінцях обмотки w2. Таким чином, показання автоматичногопотенціометра, що вимірює вказану ЕРС, завжди будуть пропорційні величиніелектропровідності розчину, що є у кільцевому каналі устаткування.
Безконтактний концентратомір дуже зручний тим, що разом з автоматичнимпотенціометром забезпечує вимірювання і реєстрацію величини електропровідностірозчинів у потоці. Необхідно лише, щоб трансформатор Тр1 живився стабілізованоюнапругою.
З концентратомірів, які використовують на електричних станціях,слід назвати солеміри. Ці прилади застосовують для визначення вмісту солей у живильнійводі парових та водогрійних котлів, у конденсаті або парі.
Солемір складається з датчика та врівноваженого мосту змінного струму,до котрого приєднують цей датчик. Принципово солемір не відрізняється від іншихконтактних концентратомірів, хіба що більш складною системою відбору йпідготовки проби для вимірювань. Ця проба, перед надсиланням її у датчик,підлягає багатократному упарюванню (щоб позбавити її від можливої присутностіаміаку та вуглекислоти), багатократному дроселюванню та охолодженню до 60...30°С. Але жодне з устаткувань, що бере участь у підготовці проби, не має ніякихелектротехнічних пристроїв і тому тут не розглядається. Щодо чутливого елементадатчика, то він має два пластинчасті електроди з ізольованими відводами, щобезпосередньо занурені у воду чи конденсат, солоність яких визначається.Датчики солемірів розраховано на відносно малі концентрації, наприклад від 0,1до 5 мг/л, хоча іноді вони бувають розраховані й до 4 г/л.
4. Вимірюваннявологостіречовин
Вологість — це вміст води у твердих та рідких речовинах або вмістводяної пари у повітрі чи газах. Прилади для вимірювання вологості мають назву вологоміри.
На підприємствах енергетики використовують тільки електричнівологоміри (за винятком тих, що вимірюють вологість у побутових приміщеннях). Електричнівологоміри можуть визначати величину вологості за величиною електропровідностівологої речовини, за величиною її діелектричної проникності чи за величиноюдіелектричних втрат.
Найпростішими за побудовою є вологоміри, що визначають величинувологості твердих чи сипких речовин за величиною їхньої електропровідності.Такі вологоміри виконують на основі приладів чи схем, призначених длявимірювання електричних опорів. Ці прилади чи схеми приєднують до електродів,занурених на певну глибину у речовину, вологість якої визначають за певноївідстані між цими електродами. Звичайно, електропровідність твердих чи сипкихречовин буде тим більшою (а вимірювальний опір тим менший), чим більшою будевологість.
Зазначимо, що такий метод вимірювання вологості досить чутливий,бо за невеликих величин вологості відносна зміна величини питомого опору вологоїречовини може бути у декілька разів більшою за відносну зміну самої вологості.
Разом з тим очікувана величина похибки при таких вимірюваннях можебути невизначеною через наявність значної величини температурного коефіцієнтапитомого опору та невизначеність величини самої температури, котра на різнійглибині сипкої речовини може бути різною. Якщо ж зважити на те, щоконтрольована речовина має однакову температуру по всій товщині шару, тотемпературну похибку можна суттєво зменшити, увімкнувши у сусіднє плечевимірювального мосту додатковий напівпровідниковий резистор (термистор), що маєтемпературний коефіцієнт того самого знаку, що й у контрольованої речовини.Величину ж загального температурного коефіцієнта опору сусіднього плеча мостуможна зробити рівним величині температурного коефіцієнта опору контрольованоїречовини, якщо змінити співвідношення між величиною опору термістора тарезистора, увімкнених в одне плече мосту.
Для визначення вологості (тобто вмісту води) рідких речовин, що маютьвідносно великий питомий опір, наприклад мазуту чи іншого рідкого палива,доцільно користуватись ємнісними електричними вологомірами. Ці вологоміривикористовують тому, що величина діелектричної проникності води у кількадесятків разів більша, ніжу якого завгодно рідкого палива. Тобто наявність домішкиводи у паливі повинна збільшувати ємність конденсатора, зануреного у паливо.
Вологомір, що вимірює вологість мазуту, який надходить дофорсунки, що розпорошує його у топці, складається з ємнісної чарунки,встановленої всередині мазутного трубопроводу, і електронної схеми, що вимірюєвеличину ємності конденсатора цієї чарунки. Вихідним приладом електронноїсхеми, градуйованим у відсотках вологості, є магнітоелектричний міліамперметр.Електронна схема має також релейний вихід — сигнальне реле вмикає своїми контактамисвітловий і акустичний сигнали, якщо величина вологості мазуту наближається донебезпечного рівня (звичайно це 15...20 %), за яким може статися гасінняфакелу, створеного форсункою.
Цей вологомір має досить складну температурну компенсацію — додатковий(«зразковий») конденсатор, заповнений мазутом, що не має домішкиводи, який весь час перекачується крізь теплообмінник, розташований у потоцімазуту, що транспортується трубопроводом до форсунки. Слід вказати на значнузагальну складність будови подібних вологомірів і недостатню їхню надійність вумовах безперервної експлуатації.
Вологоміри, що діють на основі вимірювання діелектричних втрат,влаштовано майже так, як і вологоміри, що діють на основі зміни величиниємності конденсатора певних розмірів, викликаної зміною діелектричноїпроникності. Виконані вони на основі мостових схем, але таких, які вимірюютьвеличину тангенса кута діелектричних втрат у речовині, що слугує за діелектрикконденсаторної чарунки. Ці вологоміри застосовують у випадках, коли вміст водиу контрольованій речовині більше впливає на величину діелектричних втрат, ніжна величину ємності.
Список рекомендованої літератури
1. КлюевА.С,Пин Л.М., Коломиец Е.И. Наладка средств измерений и систем технологическогоконтроля: Справочное пособие. — М.: Энергоиздат, 1990.
2. ТелешевскийБ.Е. Измерения в электро- и радиотехнике. — М.: Высш. шк., 1984.
3. ТелешевскийБ.Е. Лабораторные работы по электро- и радиоизмерениям. — М.: Высш. шк., 1984.
4. ШаповаленкоО.Г., БондарВ.М. Основиелектричних вимірювань: Підручник.— К.: Либідь, 2002.
5. ШихинА.Я., Белоусова Я.М., Пухляков Ю.X. и др. Электротехника.— М.: Высш. шк., 1989.