Глава 9. Контроль расхода, количества и уровня

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ

Одними из наиболее важных параметров технологиче­ского процесса являются количество и расход вещества. Уточним значение этих терминов.

Если под количеством вещества подразумевается объем или масса отмеренного вещества, то под расходом понимают коли­чество вещества, проходящего непрерывно в потоке (в трубе, на транспортере и т. д.) за единицу времени.

В системе СИ объемный расход <2 измеряется в кубических метрах в секунду, а массовый М — в килограммах в секунду, иногда используют единицу — литр в секунду.

Для измерения расходов газов и жидкостей применяют при­боры, называемые расходомерами.

В тех случаях, когда требуется отмерять и учитывать коли­чество вещества, используют счетчики и весы. С их помощью ве­дут учет сырья и готовой продукции, электроэнергии, пара и воды.

Применяют также комбинированные приборы; в расходомеры встраивают интегрирующие (суммирующие) устройства, позво­ляющие вести суммарный учет вещества, израсходованного за заданный промежуток времени.

В зависимости от принципа действия приборы для измерения расхода жидкостей и газа подразделяют на расходомеры обтека­ния, переменного перепада давления и переменного уровня, ин­дукционные, тахометрические и объемные.

Для измерения расхода твердых и сыпучих материалов ис­пользуют механические, электрические, фотоэлектрические с ра- диоизотопными счетчиками весы и весы с ручной наводкой, а также автоматические порционные, платформенные и автомобиль­ные, тензометрические и другие весы.

Для контроля уровня жидкости или сыпучего материала применяют приборы, называемые уровнемерами. Уровень жидко­сти или сыпучего материала — это высота Границы раздела жидко­сти или сыпучего материала и воздуха (газа), находящегося над жидкостью или сыпучим материалом, относительно услов­ного (нулевого) отсчета. Отсчетом измерения уровня, как пра­вило, является резервуар или бункер, в котором измеряется уро­вень жидкости или сыпучего материала.

Большое разнообразие объектов измерения обусловило много­образие физических принципов и средств измерений уровня, удовлетворяющих тем или иным требованиям.

Все приборы контроля уровня можно разделить по метроло­гическому принципу на две группы. Первую группу приборов используют для непрерывного измерения уровня и называют уровнемерами. Приборы второй группы предназначены для сигнализа­ции о достижении заданного (контрольного) уровня, например верхнего или нижнего. Их называют сигнализаторами уровня.

2. РАСХОДОМЕРЫ

В соответствии с применяемыми методами приборы для измерения расхода подразделяют на расходомеры обтекания, переменного перепада давления, переменного уровня, индукцион­ные, тахометрические и объемные. Последние чаще используют в качестве счетчиков.

Рис. 75. Ротаметры:

о)

которых выпадают осадки.

Б)

В термических и литей­ных цехах ротаметры при­меняют для измерения рас­хода природного газа, азота, аммиака и водорода.

а — для местного измерения; б — с электри­ческой передачей информации; 1 — кониче­ская трубка; 2 — поплавок

Работа расходомеров пе­ременного перепада давления

Технические характеристики ротаметров

основана на измерении перепада давления, создаваемого с по­мощью дросселя, в зависимости от расхода среды.

Метод измерения основан на том, что поток среды, протекаю­щий в трубопроводе, неразрывен, и в месте установки дроссели­рующего сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход потенциальной энергии дав­ления в кинетическую энергию скорости, вследствие чего стати­ческое давление в узком сечении будет меньше давления перед местом сужения, т. е. возникает перепад давления. Расходомер этого типа представляет собой измерительный комплекс, состоящий из трех узлов: приемного преобразователя, создающего перепад давления в зависимости от расхода среды и устанавливаемого внутри трубопровода; соединительных трубок с вспомогатель­ными устройствами; дифференциального манометра.

В качестве устройства для создания в трубопроводе перепада давления чаще всего используются стандартные сужаюйще устрой­ства: диафрагмы (рис. 76, а), сопла (рис. 76, б) и трубы Вен­тери (рис. 76, в).

а) б) в)

Рис. 76 Стандартные сужающие устройства расходомеров переменного перепада давления:

а — дисковая диафрагма; б — сопло; в — труба Вентури; 1 — труба; 2 — сужающее устройство

Дифференциальные манометры, применяемые для измерения перепада давления в расходомерах, имеют неравномерную шкалу в связи с существующей квад­ратичной зависимостью между перепадами давления и объем­ным расходом.

Технические характеристики шариковых расходомеров

Расходомеры переменного перепада давления получили наи­большее распространение в литейных и термических цехах.

Расходомеры переменного уровня предназначены для измере­ния расхода жидкости, находящейся под атмосферным давлением. Принцип действия этих расходомеров основан на зависимости уровня со свободным стоком жидкости от расхода.

Индукционные электромагнитные расходомеры предназначены для контроля расхода жидкостей, удельная электропроводность которых не менее 10^-8 см/м. Принцип их действия основан на измерении электродвижущей силы, наводимой в электропровод­ной жидкости при прохождении ее через магнитное поле. Электро­движущая сила пропорциональна скорости (расходу) потока.

В тахометрических расходомерах основным элементом является крыльчатка, вращающаяся под действием потока с угловой ско­ростью, пропорциональной скорости потока и, следовательно, расходу.

В последние годы весьма перспективными стали шариковые и турбинные тахометрические расходомеры. Шариковые расходо­меры имеют преимущества перед турбинными в простоте конструк­ции и высокой эксплуатационной надежности.

В шариковом расходомере (рис. 77) в качестве подвижного элемента применен шарик 3, который изготовлен из ферромагнит­ного материала с пластмассовым покрытием. Под действием за­крученного потока шарик совершает планетарное движение, для чего используется направляющий аппарат 1, выполненный в виде многозаходного винта, помещенного в корпусе 2. При выходе из прибора поток успокаивается (сглаживается) струевыпрямителем 6, на крестовине которого закреплено ограничительное кольцо 5, удерживающее шарик. Частота вращения шарика регистрируется

Таблица 12

индуктивным преобразователем 4, частота наводимых сигналов которого пропорциональна расходу потока, и преобразуется в сигнал постоянного тока 0 ... 5 мА.

Технические характеристики некоторых видов шариковых расходомеров приведены в табл. 13.

3. СЧЕТЧИКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

В зависимости от принципа действия счетчики жидко­стей и газов делят на скоростные и объемные.

Принцип действия скоростных счетчиков основан на сумми­ровании числа оборотов помещенного в поток вращающегося устройства за какой-либо отрезок времени. По конструкции их подразделяют на счетчики с вертикальной вертушкой и счетчики с винтовой вертушкой. Первые применяют для измерения малых расходов жидкостей, а вторые — для измерения больших расхо­дов.

Скоростной счетчик типа УВК (рис. 78) состоит из двух основ­ных частей: измерителя скорости потока и счетной головки. Счет­ный механизм отделен от потока контролируемой жидкости спе­циальной перегородкой 3. Под воздействием потока жидкости крыльчатка 5 приводится во вращение. Передача вращения от крыльчатки через редуктор 4 счетному механизму 1 осуществляется с помощью магнитной муфты 2, которая используется для отклю­чения последнего.

К достоинствам скоростных счетчиков с вертикальной крыль­чаткой относятся простота конструкции, небольшая потеря дав­ления и низкая чувствительность к загрязнениям. Недостатками этих счетчиков являются нереверсивность действия, приводящая к одностороннему изнашиванию, и необходимость установки счет­чика на горизонтальных участках трубопровода. Счетчики с вер­тикальной вертушкой применяют для измерения количества воды, подаваемой в цехи.

Объемные счетчики применяют для измерения количества чи­стых (без механических примесей) нейтральных и агрессивных жидкостей разной плотности и вязкости (например, воды, керо­сина, бензина, мазута и масел), а также газов. По конструкции их подразделяют на шестерен­чатые и поршневые.

Наибольшее распространение получили счетчики с оваль­ными шестернями (табл. 14).

Рис. 78. Скоростной счетчик типа УВК

Технические характеристики счетчиков жидкостей и газов

входа потока жидкости каждая из них попеременно является то ведущей, то ведомой. Для полного представления о принципе работы счетчика с овальными шестернями необходимо рас­смотреть его работу (рис. 79).

В измерительной камере 1 под действием разности давлений ?! — Р_г в потоке свободно вращаются две овальные шестерни 2. В положении / на левой шестерне возникает вращающий момент М, поворачивающий ее против часовой стрелки, а левая шестерня пе­ремещает правую. В положении II момент действует и на правую шестерню. Таким образом, в положении II моменты действуют на обе шестерни. В положении III вращение правой шестерни осуществляется за счет вращения левой (аналогично положе­нию I). Следовательно, за один оборот счетчик пропускает че­тыре измерительных объема 0_. Учет жидкости, протекающей че­рез счетчик, заключается в отсчете числа оборотов шестерен. Неравномерность вращения шестерен не влияет на процесс изме­рения. Вращение одной шестерни с помощью магнитной муфты

Рис. 79. Счетчик с овальными шестернями

Электроконтактные датчики импульсов представляют собой рассмотренные в гл. 4 путевые выключатели, которые срабаты­вают при прохождении литейной формы и подают электрический сигнал на электромагнитный счетчик.

Фотоэлектрические датчики основаны на явлении фотоэф­фекта. Принцип их действия был рассмотрен в гл. 2.

Радиоизотопные датчики импульсов применяют в системе учета остывания отливок и нагретых изделий. Радиоизотопные датчики содержат излучатель, испускающий поток радиоактив­ных лучей, и воспринимающее устройство. При прохождении между ними контролируемого предмета (отливки или изделия) часть лучей поглощается, и облучение воспринимающего устрой­ства снижается, в результате чего на его выходе появляется элек­трический сигнал.

Наиболее распространенными устройствами, предназначен­ными для измерения количества твердых сыпучих материалов, являются весы. Различают два вида весов: порционные и конвей­ерные. Порционные весы используют для отвеса одного или не­скольких порций заданного количества вещества. Конвейерные весы служат для непрерывного определения вещества, прошед­шего за заданный промежуток времени. Такие весы называют лен­точными весоизмерителями и используют для определения рас­хода формовочной и стержневой смеси, песка и других сыпучих материалов.

Порционные весы в зависимости от назначения и конструкции подразделяют на весы с ручной наводкой, платформенные, авто­мобильные, автоматические.

Весы с ручной наводкой (компарирующие) используют для взвешивания небольших количеств материалов. По конструкции их делят на гиревые, циферблатные и шкальные. Такие весы на­зывают также рычажными. К весам с ручной наводкой относят и пружинные весы, в которых измеряемая величина опреде­ляется деформацией пружины под действием веса тела.

Платформенные и автомобильные весы предназначены для из­мерения массы груженых вагонов и автомобилей. Платформенные весы встраивают в железнодорожные пути, а автомобильные — у ворот цеха. Они состоят из платформы и системы противовеса (гирь). Для облегчения обслуживания такие весы оборудуют ди­станционным управлением.

Автоматические порционные весы применяют для взвешивания различных формовочных материалов.

Все узлы весов размещают на раме (рис. 81). На этой же раме устанавливается тарельчатый питатель, диск 5 которого приво­дится во вращение электродвигателем 11 через червячный ре­дуктор 12. Формовочный материал из бункера 10 подается на вращающийся диск в питатель, откуда он снимается ножом 6 и через рукав 4 попадает в ковш 1. Для предупреждения зависа­ния материала и его разрыхления в питателе предусмотрен лопа-

передается на счетный меха­низм, который имеет стрелочный указатель.

Рис. 80. Ротационный газовый счетчик

Поршневые счетчики ис­пользуют в литейных и терми­ческих цехах в качестве мазу- 7 томеров.

Промышленность выпускает четырехпоршневой мазутомер типа МП, который состоит из двух узлов: гидродвигателя и измерительной головки. Гид­родвигатель преобразует значе­ние объема протекающей жид­кости в пропорциональное число оборотов выходного вала, а из­мерительная головка суммирует их число.

Для учета объемного количества различных газов (природ­ного, генераторного, доменного и др.) используют ротационный счетчик типа РГ (рис. 80). В корпусе 1 счетчика находятся два ротора 2, которые при вращении своими боковыми поверхностями соприкасаются с внутренней поверхностью корпуса. Механизм их вращения аналогичен механизму вращения овальных шесте­рен у описанных выше счетчиков жидкости. Выведенный из кор­пуса вал одного ротора связан кулачковой муфтой с валом ре­дуктора, а через него — со счетным механизмом роликового типа.

4. СЧЕТЧИКИ И ВЕСЫ ТВЕРДЫХ И СЫПУЧИХ

МАТЕРИАЛОВ

В литейных цехах необходим автоматический учет форм, движущихся на литейном конвейере, и отливок, переме­щающихся на пластинчатых транспортерах или по наклонным роликовым транспортерам. Система автоматического учета в этих случаях, как правило, состой-'- из устройства, выдающего механи­ческий или электрический сигнал при прохождении мимо него изделия, и счетчика, суммирующего эти сигналы.

Применяемые датчики сигналов подразделяют на механиче­ские и электрические, а счетчики — на механические и электро­магнитные.

Механические датчики с рычажным приводом через кинемати­ческую передачу воздействуют на механические счетчики, уста­новленные в непосредственной близости от датчика. Механиче­ский счетчик представляет собой набор цифровых барабанов, связанных определенным образом между собой. На каждом бара­бане нанесены цифры от 0 дб 9, цифры первого барабана соот­ветствуют количеству единиц, второго — количеству десятков, и т. д.

Таблица 15

стной рыхлитель 9. В нижней части бункера 10 имеется окно, перекрываемое заслонкой 7 с помощью электромагнита 8. В на­чальный момент взвешивания окно полностью открыто. При достижении заданной массы заслонка 3 с помощью электромаг­нита 2 перекрывает подачу материала из рукава 4 в ковш 1, который системой рычагов связан с циферблатным прибором 13. На корпусе циферблатного прибора укреплен контакт 14 нуле­вого положения стрелок, а на его задней стенке — сельсин- приемник со стрелкой 15 с закрепленными на ней двумя контак­тами: 17 и 18. Контакт 17 предназначен для точного отвеса, кон­такт 18 — для грубого. Стрелка 15 устанавливается с помощью сельсина-приемника в положение, соответствующее массе навески. Масса порции задается на пульте управления путем поворота оси сельсин-датчика. Команды на управление электромагнитами 8 и 2 дает стрелка 16, которая при подходе к контактам 17 и 18 замыкает их.

5. УРОВНЕМЕРЫ ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ

МАТЕРИАЛОВ

Для контроля уровня жидкостей наибольшее распро­странение получили указательные стекла, поплавковые, буй­ковые, манометрические уровнемеры.

Наиболее простыми приборами для измерения уровня являются указательные стекла (водомеры), применяемые в паровых котлах, а также в различных емкостях для измерения уровня осветлен­ных жидкостей. Они представляют собой стеклянную трубку с

Рис. 81. Автоматические порционные весы

Технические характеристики поплавковых уровнемеров с пружинным уравновешиванием

Поплавковые уровнемеры широко применяют для измерения уровня разнообразных жидкостей (табл. 15). Простейший уровне­мер (рис. 82, а) представляет собой плавающий поплавок 1, подвешенный на гибком тросе, перекинутом через блок. На втором конце троса вне сосуда для его натяжения подвешен груз 2 с ук­репленной на ней стрелкой (указателем уровня), передвигающейся вдоль рейки со шкалой 3.

Буйковые уровнемеры (табл. 16) применяют в тех случаях, когда необходимо уменьшить перемещение поплавка относительно изменения уровня жидкости. В буйковом уровнемере (рис. 82, б) используется цилиндрический поплавок (буек) 2, закрепленный на пружине 1. Масса буйка зависит от глубины его погружения в жидкость, а жесткость пружины определяет коэффициент про­порциональности между изменением уровня и подъемом буйка. Класс точности 1,5 и 2,5.

Манометрические уровнемеры подразделяют, в свою очередь, на мембранные, пьезометрические и дифманометрические.

Мембранные уровнемеры предназначены для измерения уровня агрессивных сред в открытых емкостях. Они состоят из первич­ного преобразователя, преобразующего измеряемый параметр

Рнс. 82. Схемы механических уровнемеров: а — поплавкового; б — буйкового

Технические характеристики буйковых уровнемеров

тически уравновешивается усилием, развиваемым давлением воздуха в сильфоне обратной связи. Это давление является одновременно выходным сигналом датчика.

Действие пьезометрических (гидростатических) уровнемеров основано на следующем принципе. Если в емкость с жидкостью ввести вертикальную встроенную трубку, доходящую почти до дна, и подавать в нее чистый воздух, то его давление в трубке будет равно массе столба продуваемой жидкости, т. е. значению уровня.

Пьезометрические манометры применяют для контроля агрес­сивных жидкостей или эмульсий.

В дифманометрических уровнемерах об уровне судят по пере­паду давления жидкости у дна сосуда и над ее поверхностью. Уровень жидкости этим способом можно контролировать как в от­крытых, так и в закрытых емкостях.

Для измерения уровня сыпучих материалов применяют ем­костные, высокочастотные, радиационные, кондуктометрические, весовые и механические уровнемеры.

Емкостные уровнемеры предназначены для измерения уровня сыпучих материалов и жидкостей. Принцип их действия основан на использовании зависимости электрической емкости системы «измерительный электрод — измеряемая среда». В этих приборах чаще всего используют емкостной преобразователь, представляю­щий собой коаксиально расположенные трубки, помещенные в объ­еме материала. Емкость преобразователя измеряется индуктивно­емкостным мостом. С изменением уровня измеряемой среды вдоль оси преобразователя меняется его емкость, что приводит к нару­шению равновесия моста и появлению на выходе сигнала разба­ланса, пропорционального уровню измеряемой среды.

В последнее время промышленность освоила выпуск унифи­цированных высокочастотных резонансных измерителей и сиг­нализаторов уровня сыпучих материалов и жидкостей, работа ко­торых основана на высокочастотном методе измерения. Эти при­боры с успехом могут быть использованы в литейных цехах для измерения уровня формовочных материалов.

□

Рис. 83. Весовой уровнемер

Радиационные уровнемеры можно применять и как уровне­меры, и как сигнализаторы уровня. В качестве первичного пре­образователя контрольно-измерительной системы используют при­емное устройство (детектор) радиоактивного излучения, источника­ми которого служат радиоактивный изотоп кобальта (церий 137).

Радиоактивные сигнализаторы уровня можно использовать также для контроля уровня расплавленного металла в плавиль­ной печи.

Кондуктометрические уровнемеры используют для сигнализа­ции предельных значений уровня токопроводящих материалов. Принцип действия этих сигнализаторов основан на замыкании электрической цепи первичного преобразователя материалом из­меряемой среды.

Измерительная система состоит из первичного преобразова­теля и релейного блока. Техническое исполнение измерительных систем может быть различным и зависит от вида контролируемого материала.

Весовые уровнемеры используют для измерения уровня фор­мовочных или шихтовых материалов в бункерах.

В схеме весового уровнемера с тензометрическими преобразо­вателями (рис. 83), принцип действия которых был рассмотрен в гл. 2, при изменении уровня сыпучих материалов в бункере 1 изменяется электрическое сопротивление тензорезистора 2. В ка­честве вторичного прибора используется уравновешивающий мост 3.

Для измерения уровня формовочных материалов в бункерах и уровня материалов в вагранках и других плавильных печах применяют механические нестандартные уровнемеры, к числу ко­торых относят флажковые, зондовые и боковые сигнализаторы уровня.

Флажковый, или лопастной, сигнализатор уровня (рис. 84) используют для контроля уровня смеси в бункерах.

Рис. 84. Флажковый сиг­нализатор уровня

На нижнем конце рычага 3 шарнирно закреплена лопасть 1, удерживаемая в вертикальном положении пластинчатой пружиной 2.

На верхнем конце рычага установлен регулировочный винт 4. При заполнении бункера 6 формовочной смесью рычаг поворачивается и с помощью винта 4 воз­действует на кнопку микропереключате­ля 5. Пластинчатая пружина позволяет лопасти отклоняться без поворота рыча­га 3 при динамическом воздействии фор­мовочной смеси, которое может иметь место в начальный момент заполнения бункера. Недостатком рассмотренной конструкции является снижение чув­ствительности датчика при налипании материала на лопасть.

Зондовый сигнализатор уровня применяют для определения уровня шихты в вагранке. Зондовый сигнализатор (рис. 85) имеет зонд 1, подвешенный на тросе, который через блок 2 соеди­няется с барабаном 3. Барабан приводится во вращение пневмати­ческим цилиндром 4. С помощью электромагнитного клапана 5 в левую полость цилиндра 4 периодически подается сжатый воз­дух или полость соединяется с атмосферой. Во втором случае под действием веса зонд опускается и перемещает шток поршня влево. Если уровень шихты нормальный, то упор 6 штока не доходит до кнопки микропереключателя 7. При более низком уровне шихты упор нажимает на стержень микропереключателя и подается команда на загрузку очередной порции шихты в вагранку. Подъ­ем зонда осуществляется подачей сжатого воздуха в левую по­лость цилиндра 4.

Боковой сигнализатор уровня работает аналогично зондовому (рис. 86). Щуп 1, закрепленный на штоке пневматического ци-

линдра 2, периодически вдвигается через отверстие в стенке вагранки. Длина хода щупа зависит от уровня шихты.

Рис. 86. Боковой сигнализатор уровня

в. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ РАСХОДА,

КОЛИЧЕСТВА И УРОВНЯ

К числу мероприятий по тех­нике безопасности при эксплуатации при­боров расхода, количества и уровня

Г, ос С . ОТНОСЯТСЯ следующие.

Основным мероприятием безопасной

эксплуатации расходомеров переменного перепада является обеспечение сброса про­дуктов продувки в дренажные или канализационные линии, чтобы предотвратить загрязнение окружающего воздуха продуктами продувки.

Для всех приборов, счетчиков и установок, расположенных в труднодоступных для обслуживания местах, должны быть пре­дусмотрены площадки или колодцы с лестничными хорошо осве­щенными подходами. Для счетчиков должны быть предусмотрены обводные линии.

- Все элементы приборов, питаемые током опасного напряжения, должны быть надежно заземлены.

Основными сигнализаторами уровня, применяемыми в литей­ных и термических цехах, являются электрические, поэтому об­щими требованиями безопасной эксплуатации их являются обеспе­чение каждой автономной измерительной системы удобными сред­ствами отключения питающей электрической линии при аварий­ных ситуациях, а также обеспечение каждого прибора средствами самостоятельной защиты от токов короткого замыкания. Корпуса релейных блоков, к которым подводится ток опасного напряже­ния, должны быть Надежно заземлены.

Для кондуктометрических сигнализаторов значение напряже­ния постоянного и переменного токов в электродной системе не должно превышать соответственно 24 и 36 В.

Радиоактивные приборы являются совершенно безопасными только в случае соблюдения всех требований эксплуатации, пере­численных в монтажно-эксплуатационной инструкции для каж­дого радиоактивного прибора.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется расходом вещества и в каких единицах он измеряется?

2. Расскажите о классификации приборов для измерения расхода жидко­стей, газов, твердых и сыпучих материалов.

3. Расскажите о классификации приборов для контроля уровня жидкостей и сыпучих материалов.

4. Изложите принцип действия расходомеров обтекания.

5. Изложите принцип действия расходомеров переменного перепада дав­ления.

6. Изложите принцип действия расходомеров переменного уровня.

7. Изложите принцип действия индукционных расходомеров.

8. Изложите принцип действия тахометрнческих расходомеров.

9. Расскажите об устройстве и работе счетчиков жидкости и газов.

10. Расскажите о работе и устройстве счетчиков и весов твердых и сыпучих материалов.

11. Изложите принцип действия поплавковых и буйковых уровнемеров.

12. Изложите принцип действия манометрических уровнемеров.

13. Изложите принцип действия емкостных и высокочастотных уровнемеров.

14. Изложите принцип действия радиационных н кондуктометрнческих уровнемеров.

15. Изложите принцип действия весовых уровнемеров.

16. Изложите принцип действия механических нестандартных уровнемеров.

ГЛАВА ю. КОНТРОЛЬ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

1. КОНТРОЛЬ СОСТАВА ГАЗА

В литейных и термических цехах приходится контро­лировать состав самых разнообразных газов: горючих газов и продуктов их сгорания, защитных атмосфер и газов в воздухе по­мещений цехов. Контроль состава газа позволяет судить о пра­вильности протекания технологического процесса. Например, по составу защитных атмосфер в термических пёчах определяют ка­чество процесса химико-термической обработки; по составу ды­мовых газов судят о полноте сгорания топлива в печах; по составу колошниковых газов в доменной печи ведут процесс плавки и т. д.

Газоанализаторами называют приборы, предназначенные для количественного определения состава газа (одного или несколь­ких компонентов). Они проградуированы в объемных процентах. По назначению различают переносные и технические газоанализа­торы. Первые используют для лабораторных исследований и про­верки автоматических газоанализаторов.

Основным элементом каждого прибора является измеритель­ный преобразователь газового анализа, принцип действия кото­рого определяет тип газоанализатора. По принципу действия измерительного преобразователя различают химические, электро­химические, термохимические, термокондуктометрические, маг­нитные и оптические газоанализаторы.

Принцип работы химических газоанализаторов основан на последовательном удалении анализируемых компонентов из взя­той газовой пробы при проведении химических реакций. Наи­большее распространение получил переносной газоанализатор на три компонента: СО, С0₂ и 0₂. Для поглощения СО служит раствор двухлористой меди (СиС1₂), нашатырного спирта (ЫН₄С1) и аммиака (ЫН₃); для С0₂ — раствор едкого кали (КОН); для 0₂ — смесь едкого кали с пирогалловой кислотой (С₆Н₈ (ОН)_я). Объем газовой смеси измеряют до начала цикла измерений и после ре­акции каждого компонента. По разности объемов оценивают про­центное содержание компонента в газовой смеси.

Переносные газоанализаторы обладают высокой точностью измерения; недостатком приборов является длительность анализа. Их применяют только для контроля и отладки тепловых про­цессов.

Электрохимические газоанализаторы предназначены для оп­ределения содержания кислорода в газовой смеси. Действие газо­анализаторов этого типа основано на электрохимической реакции, вызывающей образование тока в электролите при взаимодействии кислорода с электродом. Сила тока, протекающего по внешней цепи электролита, пропорциональна концентрации кислорода в газовой смеси. Такие газоанализаторы предназначены для оп­ределения содержания кислорода в различных газовых смесях, водяном и генераторном газах.

Действие термохимических газоанализаторов основано на измерении теплового эффекта реакции кислорода с другими га­зами, протекающей в присутствии катализатора. Количество вы­делившейся теплоты пропорционально количеству содержаще­гося в смеси анализируемого газа при постоянном расходе смеси. Термохимические газоанализаторы предназначены для опре­деления содержания кислорода или водорода в смеси газов. Из­мерение количества теплоты производится с' помощью термо­метров сопротивления, включенных в схему электрического моста. Преобразователь прибора имеет две камеры — рабочую и срав­нительную, в которых расположены термометры сопротивления. В рабочей камере, заполненной катализатором, сгорает анали­зируемый компонент, а в сравнительной камере находится не­активная масса. По разности температур определяют содержание анализируемого компонента газовой смеси.

Принцип работы термокондуктометрических газоанализато­ров основан на измерении теплопроводности газовой смеси, ко­торая практически однозначно определяется содержанием ана­лизируемого компонента.

Теплопроводности Н₂; СО_г и 50₂ сильно отличаются от тепло­проводности воздуха и таких газов, как Ы₂; 0₂; СО; СН₄ и др. В связи с этим рассматриваемые газоанализаторы чувствительны на Н_а; С0₂ и и с их помощью можно определить процент содержания указанных составных частей, когда они присутствуют в смеси с другими газами. Чувствительным элементом является нагретая проволока, которая при омывании ее газами различной теплопроводности изменяет свое электрическое сопротивление. В газоанализаторах применяются прямая и дифференциальная измерительные схемы.

Газоанализатор прямого измерения (рис. 87, а) состоит из четырех нагреваемых платиновых проволочных резисторов, за­ключенных в четыре газовые камеры. Две рабочие камеры /

а — прямого измерения; 6 — дифференциальная

и 4 соединяются с исследуемой газовой средой, а две сравнитель­ные камеры 2 и 5 заполнены воздухом или газом постоянного состава.

По дифференциальной схеме (рис. 87, б) измерения анализи­руемая газовая смесь проходит сначала через рабочие камеры 1 и 4, а затем, после предварительного удаления из нее контроли­руемого газа в печи дожигания или в поглотитель 5, поступает в сравнительные камеры 2 и 6, выполняя функции сравнительного газа. Прн изменении концентрации анализируемого газа в диа­гонали моста как в первой, так и во второй схеме появляется на­пряжение разбаланса, значение которого пропорционально кон­центрации газа и измеряется прибором 3.

Из всех газов кислород обладает максимальной магнитной вос­приимчивостью. Например, его магнитная восприимчивость почти в 60 раз больше магнитной восприимчивости воздуха. Это свойство позволило разработать метод для избирательного определения его концентрации в газовых смесях. Наибольшее распространение получили термомагннтные газоанализаторы, в которых изме­ряется не сама магнитная восприимчивость кислорода, а ее умень­шение при увеличении температуры газа. Преобразователь такого газоанализатора (рис. 88) выполнен в виде кольцевой камеры 1. В поперечной стеклянной трубке 2 расположены два термоэле­мента (резистора): Я1 и Я2, включенные в мостовую измеритель­ную схему. Когда анализируемый газ проходит через кольцевую камеру, то, благодаря парамагнитным свойствам кислорода, он втягивается в поперечную стеклянную трубку 2. Соприкасаясь с нагретым термоэлементом, газ нагревается, теряет частично свои магнитные свойства и выталкивается из магнитного поля более холодным, создавая явление термомагнитной конвекции. Интенсивность термомагнитной конвекции измеряется по изме­нению температуры термоэлемента, вызванного конвекцией, и, как следствие этого, по изменению его электрического сопротив­ления. Последнее приводит к разбалансу моста, что регистри­руется измерительным прибором 3.

Рис. 88. Преобразователь термомагнитного газоанализатора

Рис. 89. Преобразователь оптико-акусти­ческого газоанализатора

Работа оптических газоанализаторов основана на измерении ослабления интенсивности электромагнитного излучения или по­глощения его потока определенным компонентом при прохожде­нии излучения через исследуемую газовую смесь. При этом в оп­тических газоанализаторах может использоваться весь спектр электромагнитных колебаний — инфракрасная, ультрафиолето­вая и видимая области.

Наибольшее распространение получили оптические абсорб­ционные газоанализаторы, работающие в инфракрасной области спектра, т. е. оптико-акустические газоанализаторы. Их дейст­вие основано на способности определенного газа поглощать ин­фракрасные лучи. Этой способностью обладают все газы, за ис­ключением одноатомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора. Измерение концентрации газа проводится на основании оптико-акустического эффекта, который заключается в следую­щем. Если исследуемый газ в замкнутом объеме (рис. 89) облу­чать прерывистым (со звуковой частотой) потоком энергии в ин­фракрасной области, то он будет периодически нагреваться и охлаждаться и в нем возникнут колебания давления с той же ча­стотой. Колебания давления воспринимаются чувствительным элементом — мембраной, которая является одной из обкладок конденсаторного микрофона 2, соединенного с измерительной схе­мой. В качестве источника инфракрасного излучения исполь­зуется нагретая до 700—800 °С хромоникелевая проволока /. Промышленность выпускает несколько типов оптико-акустиче­ских газоанализаторов для определения концентрации СО, СО_а, СН₄ в различных газовых смесях.

В измерительный комплекс каждого газоанализатора входит газоотборное устройство, служащее для отбора исследуемого газа и транспортировки его к первичному преобразователю. Схема газоотборного устройства, находящегося под избыточным давлением, представлена на рис. 90. В дымоходе располагают

Рис. 90. Газоотборное устройство

заборное устройство, представляющее собой сосуд (фильтр), / с пористыми стенками. Топочные газы, просачиваясь через по­ристые стенки, поступают в отборочный трубопровод и через трехходовой продувочный кран 2 направляются в фильтр 3 для очистки от сернистых примесей. Фильтр представляет собой ци­линдр, заполненный влажной стальной стружкой. Затем газ че­рез контрольный фильтра 4 по трубопроводу 5 попадает в холо­дильник 6, который, как правило, выполнен по схеме «труба в трубе», где газ протекает по внутренней трубе, а охлаждающая вода — по кольцу, образуемому трубой и корпусом. Очищенный и охлажденный газ подается в рабочую камеру первичного пре­образователя газоанализатора.

2. КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ И ЗАПЫЛЕННОСТИ ГАЗА

Влажность воздуха играет большую роль в процессах сушки формовочных материалов и приготовления контролируе­мых атмосфер термических печей, в устройствах кондициониро­вания воздуха. Влажность во многом определяет санитарно- гигиенические условия труда.

Измерительные приборы, предназначенные для измерения ве­личин, характеризующих влажность газов, получили название гигрометров или влагомеров.

Для контроля и измерения влажности газов используют много­численные методы, основанные на различных принципах. Наи­большее практическое распространение получили психрометри­ческий и сорбционный методы.

Психрометрический метод основан на использовании изме­нения степени охлаждения поверхности увлажненного тела при испарении с нее воды,.Степень охлаждения поверхности зависит от параметров влажности газа, омывающего эту поверхность. Рассмотренное явление носит название психрометрического эф­фекта. В приборах, принцип действия которых основан на психро­метрическом эффекте, измерение осуществляется с помощью двух термометров: сухого и влажного. Испарение влаги с поверхности резервуара влажного термометра происходит тем интенсивнее, чем ниже влажность воздуха. Поэтому в условиях термодинами-

Рис. 91. Электрический подогре- Рис. 92. Оптическая система измерктеля запи­ваемый преобразователь влаж- ленностии

ности газа

ческого равновесия разность показаний сухого и влажного термо­метров характеризует влажность воздуха и называется психро­метрической разностью.

Сорбционный метод измерения влажности газов основан на измерении электрических свойств влагосорбирующего материала в зависимости от изменения влажности окружающей среды.

Сорбционный метод измерения влажности используется в ку­лонометрических и электролитических влагомерах. Принцип дей­ствия кулонометрического влагомера основан на непрерывном поглощении влаги из контролируемого газового потока пленкой гидрофильного вещества и одновременном разложении воды в толще пленки путем электролиза на водород и кислород. В уста­новившемся режиме значение электролитического тока является мерой влажности контролируемого газа. Погрешность прибора не превышает 6 %.

Электролитические влагомеры работают по принципу зависи­мости электрических свойств чувствительного элемента от влаж­ности окружающего газа. Такие преобразователи по конструк­тивному выполнению подразделяют на подогреваемые и неподо- греваемые. Первые получили наибольшее распространение.

Принцип действия электролитического подогреваемого пре­образователя основан на измерении температуры гигрометриче- ского равновесия. В этом преобразователе (рис. 91) используют свойство гигроскопичности хлористого лития. На запаянную с одного конца кварцевую трубку 1 наносят слой стеклоткани 2, пропитанный хлористым литием. Поверх стеклоткани наматы­вают две не соединяющиеся друг с другом проволоки 3 из благо­родных металлов, выполняющих роль электродов. На электроды подается переменный ток. Во внутрь кварцевой трубки помещают термометр сопротивления 4. При соприкосновении газа, содержа­щего водяные пары с хлористым литием, последний увлажняется, образуя электролит. Так как на электроды подается напряжение, то через электролит потечет ток, который приведет к разогреву преобразователя и постепенному испарению влаги. Процесс ис­парения будет сопровождаться охлаждением преобразователя. Спустя некоторое время между процессом насыщения парами газа и Испарением влаги» наступит равновесие. Температура рав­новесия является мерой, Влажности газа, так как по ее значению может быть определена точка роср. Этот преобразователь позво­ляет осуществлять автоматический контроль точки росы в про­цессе изготовления и подачи контролируемых атмосфер в рабочее пространство нагревательных печей.

Измерители запыленности осуществляют контроль запылен­ности воздушной среды й техйологических газов, а также кон­троль концентрации аэрозольных частиц.

Промышленность выпускает анализаторы запыленности типа АЗ. Они предназначены для определения запыленности воздуха и технологических газов, проверки эффективности работы техноло­гических воздушных и газовых фильтров, определения концентра­ции аэрозоля в воздухе/ нахождения источника запыленности аэрозольными частицами.

Прибор представляет собой фотоэлектрический счетчик аэро­зольных частиц с пределами измерения концентрации пыли от 1 до 300 ООО частиц в литре. В приборе имеется переключатель размера регистрируемых; частиц С 0,4 до 10 мкм.

Принцип работы прибора основан на рассеивании света аэро­зольными частицами. При этом существует количественная за­висимость между размерами частиц и интенсивностью рассеян­ного света. Чувствительным- эле:ментом прибора является оптиче­ский преобразователь (рис. 92). Анализируемая пыль просачи­вается через измерительную полость 10 преобразователя с постоян­ным расходом. Перпендикулярно измерительной плоскости рас­положены источник света 6, два объектива 7 и 9 и диафрагма 8, создающая сфокусированный световой луч. Под прямым углом к нему установлены объектив 5 и диафрагма 4, которые фокуси­руют луч, направленный от источника света 6 к фотоэлектронному усилителю 3. Модулятор светового потока 2, призмы lull слу­жат для контроля и калибрования размеров частиц пыли.

Если в измерительной полости пыли нет, то фототок' в фото­электронном усилителе отсутствует. При попадании пыли в изме­рительную камеру от ее частиц появляется рассеянный свет, и на выходе усилителя образуется электрический сигнал. Длительность сигнала пропорциональна времени пролета частиц через полость, а его амплитуда определяется размерами частиц.

Количество пыли определяется в зависимости от измеряемого предела по электромеханическому счетчику или по шкале показы­вающего прибора, отградуированной в единицах измерения за­пыленности (части на один литр).

В литейных цехах очень важным параметром, сущест­венно определяющим процесс производства отливок, является влажность формовочных материалов, влияющих на качество форм, и влажность шихтовых материалов, определяющих ход процесса плавки в вагранках.

Измерительные приборы, предназначенные для определения влажности, называют влагомерами. Все методы измерения влаж­ности принято подразделять на прямые и косвенные.

При использовании прямых методов осуществляют непосред­ственное разделение исследуемого материала на сухое вещество и влагу.

При лабораторных исследованиях и для контроля автомати­ческих приборов используют весовой (прямой) метод.

Сущность метода состоит в том, что навеску исследуемого материала (формовочной смеси, песка и т. д.) закладывают в ла­бораторную бюксу и, после тщательного взвешивания, устанав­ливают в сушильный шкаф при температуре 103 ... 105 С и су­шат до постоянной массы. После этого высушенный материал по­мещают в эксикатор^ охлаждают в присутствии силикагеля и вторично взвешивают на тех же весах. По результатам взвеши­вания определяют влажность материалов.

Описанный метод обеспечивает высокую точность, но прово­дится в течение длительного отрезка времени (2 ... 3 ч).

В последнее время все большее распространение получают косвенные физические методы измерения влажности сыпучих материалов. Они основаны на преобразовании влажности в какую- либо физическую величину, удобную для измерения или даль­нейшего преобразования с помощью измерительных преобразова­телей. В зависимости от характера измеряемого параметра, кос­венные методы подразделяют на электрические и неэлектриче­ские. В основе электрических методов лежит прямое измерение электрических параметров исследуемого материала. При исполь­зовании неэлектрических методов определяется физическая ве­личина, которая затем преобразуется в электрический сигнал. Среди электрических методов наибольшее распространение полу­чили кондуктометрические и диэлькометрические (емкостные).

Кондуктометрический метод основан на измерении электриче­ского сопротивления материала, которое изменяется в зависимости от влажности материала. При измерении влажности этим методом пробу вещества 1 помещают между плоскими электродами 2 первичного преобразователя (рис. 93). Сила тока, измеряемая прибором 3, будет зависеть от влажности пробы. Резистор Я₀ используется для корректировки нуля прибора. Кондуктометри­ческий метод позволяет определять влажность сыпучих мате­риалов в пределах 2 ... 20 %. Верхний предел ограничен паде­нием чувствительности с ростом влажности, а нижний обуслов-

Рис. 93. Схема кондуктометрического Рис. 94. Схема емкостного влагомера влагомера

і-і с,

Ні—

В измерительной схеме емкостного влагомера (рис. 94), ра­ботающего на принципе определения диэлектрических потерь, емкость конденсаторного преобразователя определяется с помощью резонансного контура, состоящего из индуктивности и пере­менной емкости С_х. Резонанс контура обеспечивается настройкой конденсатора С₀. В качестве индикатора резонанса используют вольтметр 2. Контур отделен от генератора 1 разделительным кон­денсатором С_р. При увеличении влажности испытуемого образца 3 емкость преобразователя изменяется. Для восстановления сим­метрии необходимо изменить емкость конденсатора С₀ так, чтобы суммарная емкость контура стала вновь первоначальной. Изме­нение положения рукоятки конденсатора С₀ является показате­лем влажности.

Недостатком этого метода является зависимость' емкости ма­териала не только от влажности, но и от химического состава. Поэтому емкостные методы контроля влажности используют только со специальными приспособлениями для каждого конкретного материала.

Среди неэлектрических методов контроля влажности сыпучих материалов из-за ряда преимуществ большое распространение получили радиоизотопные. К числу этих преимуществ относятся простота монтажа и малая подверженность влиянию окружающей среды. В основу действия измерительной системы такого влаго­мера положена непрерывная регистрация потока медленных ней­тронов, которые образуются в результате облучения исследуе­мого материала быстрыми нейтронами. Замедление нейтронов осуществляется содержащимся в материале водородом.

4. КОНТРОЛЬ, ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

В литейных цехах качество формовочных и стержневых смесей во многом зависит от количественного состава применяе­мых для их изготовления формовочных растворов, плотность ко­

Рис 95. Плотномер с плавающим ^бУ^йком

торых является косвенным пока­зателем состава. В этой связи на участках приготовления глини­стой суспензии и жидкого стекла приходится непрерывно контро­лировать плотность.

Плотностью называют вели­чину, определяемую отношением массы тела к его объему. Единица плотности — килограмм на куби­ческий метр (кг/м⁸). Приборы для измерения плотности жидкости Называют плотномерами. В зави­симости от применяемых методов различают поплавковые, весовые, гидростатические и радиоизотоп-

ные плотномеры.

Принцип действия поплавковых плотномеров основан на ис­пользовании ареометрического метода. Поэтому их иногда назы­вают ареометрами. В качестве чувствительного элемента исполь­зуется плавающий или погруженный в жидкость поплавок.

В работе плотномеров с плавающим поплавком используется зависимость степени погружения поплавка с постоянной массой от плотности контролируемой жидкости. Такой плотномер (рис. 95) состоит из емкости 3, в которой непрерывно протекает жидкость. В жидкости плавает металлический полый поплавок 2, жестко связанный с мапштопроводом 1 индукционного преобразо­вателя. Глубина погружения поплавка зависит от плотности жидкости. При движении поплавка вверх, или вниз меняется по­ложение магнитолровода Г, что приводит к изменению индуктив­ного сопротивления преобразователя, измеряемого вторичным прибором.

Действие весового плотномера основано на взвешивании по­плавка, заполненного эталонной жидкостью и погруженного в контролируемую жидкость, или на взвешивании отрезка трубо­провода, по которому протекает контролируемая жидкость.

Гидростатические (пьезометрические) плотномеры работают по принципу измерения зависимости потерь давления воздуха, продуваемого через жидкость, от ее плотности.

Рис. 96. Измеритель плотности типа КМ

трический сигнал, который подается на вторичный или самопи­шущий прибор.

Метод измерения плотности радиоизотопных плотномеров ос­нован на измерении интенсивности у-излучения после прохожде­ния его через контролируемую среду. Необходимая чувствитель­ность радиоизотопного метода обеспечивается выбором подходя­щего источника излучения радиоактивного изотопа. В качестве приемников используются счетчики (иногда ионизирован­ные камеры).

Б. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ

СПЕЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

К числу мероприятий по технике безопасности приборов для измерения состава газа относятся следующие.

Необходимо осуществлять постоянный контроль за герметич­ностью соединительных линий, исключающий скопление газа в месте установки газоанализатора. Линии поступления и сброса газа должны‘иметь продувочные краны.

Сброс газа после прохождения измерительной системы должен производиться только в вытяжные коммуникации с принуди­тельной вентиляцией.

Мероприятиями безопасности приборов для измерения влаж­ности сыпучих материалов и плотности жидкости является обес­печение установки приборов в хорошо доступных местах. Все приборы, питаемые электроэнергией, должны быть тщательно заземлены и иметь плавкие предохранители, точно рассчитанные на допустимое значение рабочего тока.

Радиоактивные приборы необходимо эксплуатировать только согласно рабочей инструкции.

Контрольные вопросы а задания

1. Расскажите о классификации приборов, предназначенных для анализа

газа.

2. На каком методе основана работа ручного газоанализатора?

3. Как осуществляютси анализ газа и определение содержания CO_s, O_s и СО в дымовых газах?

4. На каком принципе основана работа магнитного газоанализатора?

5. На каком принципе основана работа оптического газоанализатора?

6. Каким образом осуществляются отбор и подготовка газовой пробы?

7. Как определяется влажность газа?

8. Каким образом определяется запыленность воздуха?

9. Расскажите о методах определения влажности сыпучих материалов.

10. Расскажите о методах контроля плотности жидкости.

РАЗДЕЛ Ш

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ, КОНТРОЛЬ И РЕГУЛИРОВАНИЕ