Концентратомеры: Методические указания по курсу ''Методы и средства измерений, испытаний и контроля''

Министерство образования Российской Федерации

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра метрологии, стандартизации и сертификации

В.А Никитин А.П Пояркова

методические указания по курсу “Методы и средства измерений, испытаний и контроля” Концентратомеры

Оренбург 2000

ББК30.10Я7 Н 62 УДК389(07)

Концентратомеры Введение Концентратомеры позволяют контролировать концентрацию вещества в данных растворах. Концентрация выражается в процентном или весовом содержании вещества в единице объема воды (%, мг/л). Концентратомеры в зависимости от назначения разделяются на солемеры, концентратомеры и другие. Солемеры применяются для определения солесодержания в технической воде, в водных растворах, в конденсате паровых турбин и в водяном паре котлов. Наличие даже незначительного содержания солей в паротурбинных установках и котлах ухудшает эксплуатационный режим теплоэнергетических установок – в оборудовании появляется накипь, что приводит к увеличению удельных норм расхода топлива, а также к авариям трубопроводов из-за накипи в местах перегрева. Для борьбы с такими явлениями производят химводоочистку, то есть удаления солей, кислот и так далее.

1 Цель работы Цель работы заключается в следующем: 1.1 познакомиться с методом измерения концентрации; 1.2 научиться выполнять данные измерения; 1.3 научиться обрабатывать результаты измерений и оценить погрешность; 1.4 определить к каким измерениям относятся данные наблюдения.

2 Постановка задачи Солемеры и концентратомеры применяются в промышленности, где необходимо знать концентрацию каких-то солей в жидкости, - например в производстве радиаторов, а также в эксплуатации этих приборов.

3 Устройство приборов для измерения концентрации и их характеристики 3.1 Солемер СС Солемер СС работает на принципе измерения электропроводности солевого раствора. Чем меньше содержание соли, тем больше электрическое сопротивление раствора. Прибор обеспечивает сигнализацию предельного значения содержания. Датчиком прибора является сосуд с двумя электродами, который заполнен контролируемым раствором. При изменении температуры раствора изменяется его электропроводность (при изменении температуры на 10°С электропроводность меняется на 25%), поэтому для устранения этого влияния в приборе предусмотрена температурная компенсация. 4 Прибор имеет ряд существенных недостатков: при загрязнении и поляризации электродов, а также при наличии в растворе примесей кислот и солей погрешность измерений возрастает. Измерение электропроводности раствора производится по схеме моста переменного тока, в котором электроды датчика составляют одно плечо моста, остальные сопротивления являются постоянными сопротивлениями моста. При отсутствии солей в воде мост уравновешен и в измерительной диагонали ток отсутствует. Чем больше солесодержание в водном растворе, тем больше разбалансирован мост и ток в измерительной диагонали, а следовательно, и в измерительном приборе. Таким образом, ток в приборе является мерой солесодержания. Солемер СС применяют в широком диапазоне измерения солесодержания от 0.05 до 1000 мг/л. Температура контролируемой среды должна быть 15-86°С. Основная погрешность прибора +/- 3% от верхнего предела измерения.

3.2 Концентратомеры Их применяют для определения концентрации кислот и щелочей в технологических процессах очистки и нейтрализации производственных стоков, растворов и пульп. Датчики концентратомеров включаются в одно из плеч мостовой измерительной схемы, подобно датчикам солемеров. При измерении концентрации растворов изменяется ток в измерительной диагонали и в измерительном приборе, шкала которого отградуирована в единицах измерения концентрации.

Наиболее распространенными типами датчиков концентратомеров являются проточные ДПр и погружные ДПг. Проточные датчики предназначаются для измерения концентрации растворов, протекающих по трубопроводам или отбираемых из аппарата; погружные – для измерения концентрации растворов в открытых и закрытых емкостях и аппаратах. В датчиках ДПр и ДПг в качестве электродов применяют стеклянные электроды (рисунок 1,а). Корпус электрода 4 изготовлен из калиброванной стеклянной трубки. Шарик 1, выполненный из электродного стекла, является активной частью электрода. В корпусе 4 установлен контактный бромосеребряный электрод 3, а в полость заливается раствор 2 бромистоводородной кислоты. Выводной проводник 5 от электрода заканчивается наконечником. Электрическая связь между контролируемым раствором и растворителем, находящимся во внутренней части электрода, осуществляется по поверхности шарика 1. 5 Дополнительно к основному стеклянному электроду в концентратомере используется вспомогательный проточный или непроточный электрод. Для получения более высокой точности контроля применяют датчики с проточным вспомогательным электродом.

1-шарик, 2-раствор бромистоводородной кислоты, 3-контактный бромистосеребряный электрод, 4-корпус, 5-выводной проводник. Рисунок 1 - Измерительный электрод концентратомера Электродные системы датчика (рисунок 1,б) в зависимости от концентрации раствора развивают определенную ЭДС, причем изменение температуры раствора приводит к изменению ЭДС. В связи с этим в схемах концентратомеров часто используют специальные компенсаторы. Работа компенсатора 3 (рисунок 2) сводится к следующему : последовательно с ЭДС электродной системы 1,2 включена мостовая схема сопротивлений R1, R2, R3, R4, которая питается постоянным напряжением от сухого элемента СЭ. Переменным резистором R2 напряжение компенсатора можно изменять в пределах +/- 50 мВ. Если при тарировке датчика в растворе, для которого известна величина ЭДС, развиваемая электродной системой, отличается от номинальной 6 величины, то за счет переменного резистора R2 можно на выходе датчика установить требуемое напряжение. В качестве преобразователя применяется высокоомный измерительный преобразователь П-261, который представляет собой прибор для преобразования выходной величины ЭДС, чувствительных элементов датчиков в выходной унифицированный сигнал постоянного тока 0-5 мА. Преобразователь используется в различных системах автоматического контроля и регулирования концентрации растворов в различных технологических процессах. На выход преобразователя подключают автоматический прибор с регулирующим устройством.

1,2-электродная система, 3-компенсатор Рисунок 2 Электрическая схема датчика с компенсатором 7

4 Единицы измерения концентрации При практических измерениях концентрация веществ выражается в весовых и объемных единицах. Весовая концентрация выражается весовым количеством вещества в единице объема: числом граммов вещества в 1нм3 (г/нм3); числом граммов вещества в 1л (г/л); числом граммов вещества в 100г смеси (% объемных); числом миллиграммов вещества в 1нм3 (мг/нм3); числом миллиграммов вещества в 1л (мг/л). Однако при измерении малых весовых концентраций такие единицы становятся неприменимыми. При этом весовую концентрацию удобно выражать в гаммах: 1гамма=10-3мг, 1мг/нм3=1гамма/л. Объемная концентрация выражается числом миллиметров вещества в 1л; числом миллилитров вещества в 1м3. При измерении объемной микроконцентрации используются также единицы: ррм (миллионная доля) и ррв (миллиардная доля); ррм соответствует объемной концентрации, когда в миллионе молекул вещества находится одна молекула определенного компонента 1ррм=10-6% объемных; ррв соответствует такой объемной концентрации, когда в миллиарде молекул вещества находится одна молекула определяемого компонента 1ррв=10-9% объемных.

5 Пример решения задачи. Обработка результатов. Выводы по лабораторной работе Дан солевой раствор, его концентрация должна составить 0.07 ±0.01 мг/л. Солемер с диапазоном измерений от 0.05 до 1000 мг/л Погрешность ±0.001 Порядок проведения лабораторной работы 1 Сделать несколько измерений и занести их в таблицу. Таблица 1-Результаты измерений концентрации результаты 1 xi мг/л 0.070 ∆x I мг/л 0

2 0.071 0.001

3 0.069 -0.001

4 0.070 0

5 0.071 0.001

Поле допуска составляет 0.02 мг/л, а погрешность 0.002 мг/л. Коэффициент фактической точности Кф.т=поле допуска/погрешность =10. Это означает, что с вероятностью 0.999 мы попадаем в диапазон поля допуска при однократном измерении. Однократность измерения обеспечена. 8 2 Находим среднее значение измеряемой величины по формуле 1: n

x=

∑x i =1

i

(1)

n

получили x =0.070 мг/л 3 Определяем отклонения каждого значения от среднего по формуле 2 и заносим их в таблицу 1 ∆xi = ( xi − x) (2) 4 Рассчитаем среднеквадратическое отклонение (СКО) по формуле 3 n

S ( x) =

∑ (∆x ) i =1

2

i

n −1

(3)

=0.75·10-6 5 Доверительная вероятность находится по формуле 4 S ( x)

S ( x) =

S ( x) x

(4)

=0.34·10-6 6 Для того, чтобы определить количество наблюдений, необходимо найти границу не исключенной систематической погрешности (НСП) по формуле 5 S ( x)

НСП= Неизвестное Θ( P) = κ

∑Θ

2

i

Θ( P ) S ( x)

(5)

, а коэффициент κ находится из таблицы 2

Таблица 2-Зависимость коэффициента κ от количества наблюдений Количество наблюдений 5 и более 4 3 2

κ

1.45 1.4 1.3 1.2

В нашем случае Θ(P) =0.002, при коэффициенте κ =1.4 , поэтому граница НСП=3000 Если НСП>8 и НСП<0.8, то измерения однократные, а если 0.8<НСП<8. то измерения многократные. В нашем случае измерения однократные, так как НСП>8 Результат измерения записывается следующим образом: А=0.07±0.002 мг/л.

9

6 Выводы по лабораторной работе 1 В данной лабораторной работе описаны приборы для измерения концентрации, даны их характеристики. Таким образом, вы ознакомились с методом измерения концентрации. 2 Научились выполнять измерения концентратомером. 3 Оценили результаты измерений (провели их обработку) и погрешность. 4 Определили к каким измерениям относятся наши наблюдения.

7. Вопросы для самопроверки 1 К каким видам измерений относятся измерения по данной лабораторной работе? а) прямые; в) косвенные; с) абсолютные. 2 К какой области измерений относятся данные измерения? а) измерение массы материала; в) линейно-угловые измерения; с) измерение концентрации. 3 Какими величинами нужно оперировать в лабораторной работе? а) мг/л; в) г/л; с) гамма.

4 Какими методами измерений собираетесь выполнять лабораторную работу? 5 Какой объект измерения предусмотрен лабораторной работой? 6 Определите состав предельных погрешностей, входящих в суммарную погрешность. а) Θ( P) = κ

∑Θ

2

i

; в) ∆ ∑ = ∆ мод + ∆ метода + ∆ измерения + ∆ оператора + ∆ условий .

7 Установите необходимое и достаточное число наблюдений для выполнения измерений. а) 100; в) 5; с) 3. 8 Относится ли ваша лабораторная работа к измерениям с многократными наблюдениями (поясните расчетами)? 9 Какая формула вычисления доверительной границы НСП и что такое НСП? 10 Какая формула вычисления СКО и что такое СКО?

10

Список использованных источников 1 Жарковский Б.И Приборы автоматического контроля и регулирования:1-е издание- М.: Издательство Высшая школа,1983.-309с. 2 Артемьев Б.Т, Голубев С.М: Справочное пособие для работников метрологических служб: в 2-х книгах-3-е издание, переработанное и дополненное-М.: Издательство стандартов, 1990.-428с.

РЕЦЕНЗИЯ НА МЕТОДИЯЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ: "КОНЦЕНТРАТОМЕР". Авторы: Никитин Валерий Александрович, Пояркова Анна Игоревна.

Методические указания к лабораторной работе: "Концентратомер" предназначены для выполнения лабораторных работ по курсу: "Методы и средства измерений, испытаний и контроля". Методические указания содержат теоретическую и практическую часть. В теоретической части изложены основные понятия в области методов измерения концентраций растворов. Приведенные понятия базируются на основных нормативных документах ( ГОСТ 8.563 - 96 "Методики выполнения измерений",