Приборы физико-химического анализа

В табл. 9 приведены значения магнитной восприимчивости некоторых газов. Из таблицы видно, что только два газа (кислород и окись азота) обладают положительной магнитной восприимчивостью. Смеси газов, в которых встречались бы сразу кислород и окись азота встречаются очень редко. Поэтому, например, величина положительной магнитной восприимчивости дымовых газов может изменяться только за счет изменения содержания кислорода в газовой смеси.

Следует отметить, что магнитные  свойства газов резко  изменяются с изменением их температуры.

В камере-преобразователе  газоанализатора молекулы газа,  приближаясь к нагретому телу (нагревательному элементу), частично теряют свои магнитные свойства и выталкиваются из магнитного поля более холодными газами. Так возникают конвекционные  потоки (термомагнитная конвекция или «магнитный ветер»),  вызывающие охлаждение нагревателя. С увеличением концентрации кислорода в газовой смеси усиливается термомагнитная конвекция и интенсивнее происходит охлаждение нагревательного элемента. Измерение температуры нагревательного элемента  вызывает изменение  электрического сопротивления  резисторов. Резисторы  электрических нагревателей  собирают в схему компоратора, сигнал которого выдается на показывающий прибор.

В состав промышленного газоанализатора  входит приемник, показывающий прибор, жидкостный  манометр, керамический фильтр, блок очистки, водоструйный насос, сливной сосуд и фильтр тонкой очистки.

Конструктивно  газоанализатор оформлен в виде  отдельных узлов,  монтируемых на щите.

Показывающий прибор изготовляется  на базе электронного  автоматического  моста и служит для считывания показаний. Шкала прибора градуируется на процентное содержание кислорода  по объему. С помощью жидкостного  манометра определяют величину разрежения в газовой системе газоанализатора.

Керамический фильтр с  газозаборной трубой служит для непосредственного отбора анализируемой среды. Его рекомендуется устанавливать на специальной шунтовой трубе, по которой отводится часть отходящих газов для анализа. Фильтр представляет собой керамическую трубку, через поры которой просачивается  газовая смесь.

На рис. 61 показана схема блока очистки. Через патрубок 1 газ по трубке 10 попадает в химический фильтр-камеру 8. Фильтр  служит для очистки газовой смеси от сернистого газа. В фильтре находится стальная стружка и некоторый объем воды, через который газ барботирует (просачивается мелкими пузырьками). В нижней части перегородки 7 имеются отверстия, через которые газ попадает в правую (по рисунку) часть камеры. Трубка 6 служит для слива конденсата, выпавшего из охлажденного газа. Она опущена в гидрозатвор, поэтому газ через нее выйти не может. По трубке 5 газ еще раз проходит холодильник и отводится через патрубок 2. В холодильник 4 подается охлаждающая вода через патрубок 3. Эта вода омывает прямую и обратную трубки 5 и 10, охлаждая газ. В верхней части холодильника 4 есть патрубок (на рисунке не  виден), через который вода отводится.

С помощью фланца 9 химический фильтр крепится к холодильнику. Отпустив болты фланца, можно легко  отсоединить химический фильтр.

Водоструйный насос служит для  создания разрежения в системе  и является побудителем расхода  газовой смеси. Его работа основана на принципе эжекции, благодаря которой создается расход  газа.

Сливной сосуд представляет собой чашку, в нижнюю часть которой  ввернута трубка, служащая для слива  конденсата. Сливной сосуд выполняет роль  гидрозатвора.

Фильтр тонкой очистки  служит индикатором исправности химического  фильтра. Основным элементом фильтра является белая фланель, через которую  просачивается газовая смесь. Фланель  помещена в цилиндрический плоский  корпус, имеющий два патрубка. По одному из них под фланель подается газовая смесь, по другому сверху фланели смесь отводится. Сверху фланели смонтировано прозрачное стекло, которое позволяет  судить о целостности фильтра.

Таким образом, в общем  виде  газовая схема газоанализатора  представляется следующей. Отбор газа для анализа осуществляется через  керамический фильтр, устанавливаемый  непосредственно в газоходе котла  или в шунтовой  трубе. После керамического фильтра газ поступает в блок очистки, в котором последовательно проходит через холодильник, фильтр для очистки газовой смеси от  сернистого газа, вторично через холодильник, а затем через фильтр тонкой  очистки. После фильтра тонкой очистки газовая смесь поступает в ячейки рабочей камеры приемника газоанализатора.

СОЛЕМЕРЫ И  рН – МЕТРЫ.

 

На теплоэнергетических  установках вода, подаваемая в котлы, подвергается специальной обработке  для удаления из нее избытка различных  солей.

При испарении воды на внутренних поверхностях котлов,  жаровых трубах и трубах пароперегревателя могут  образовываться  отложения. Эти отложения, обладая низкой теплопроводностью, приводят к тепловому перенапряжению нагревательных поверхностей котлов, что может привести к их пережогу. Пар, поступающий в турбину, может нести с собой соли, которые отлагаются на лопатках турбин. Это приводит к снижению мощности турбин и  снижению экономичности их работы. Возрастают осевые усилия, действующие на ротор турбины, что вызывает преждевременный износ упорных подшипников и осевой сдвиг ротора.

В процессе обработки воды, в цикле водоподготовки, а также  для контроля качества воды, участвующей  в технологическом  процессе теплоэнергетической  установки, применяются приборы, называемые солемерами.

Принцип работы солемеров  основан на зависимости величины электропроводности водного раствора соли от концентрации  раствора.

На рис. 62 показано изменение  удельной электропроводности электролитов в зависимости от солесодержания.

Из графика видно, что  удельная электропроводность раствора прямо пропорциональна его концентрации. Эта зависимость  используется в  солемерах. В одно из плеч моста электрической  схемы солемера включается измерительная  ячейка, представляющая два электрода, опущенных в подвергающийся контролю раствор.  Изменение сопротивления  раствора приводит к нарушению равновесия моста. Сигнал разбаланса моста подается на электронный  усилитель, на выходе которого подключен реверсивный  электродвигатель, связанный со стрелкой показывающего прибора и движком реохорда, компенсирующего ток разбаланса моста.

Удельная электропроводность растворов, а следовательно, и сопротивление измерительной ячейки в значительной степени зависят не только от концентрации раствора, но и от его температуры. С повышением температуры подвижность ионов, а следовательно, и электропроводность раствора возрастают.

При изменении температуры раствора на 10°С удельная  электропроводность его изменяется примерно на 25%, т. е. концентрация может быть определена с погрешностью в 25%.

Устранение влияния температуры  контролируемой среды  достигается  применением температурной компенсации  в электрической схеме солемера.

Для осуществления температурной  компенсации используется свойство равновесного моста — при равенстве  произведений  сопротивлений противолежащих плеч равновесие моста сохраняется. Поэтому в плечо моста, смежное  с плечом, в которое включена  измерительная ячейка, включается терморезистор. Сопротивление терморезистора изменяется в зависимости от температуры по закону, обратному закону изменения сопротивления измерительной ячейки преобразователя при изменении температуры. Такая схема позволяет сохранить равновесие моста, так как произведение  сопротивлений противоположных плеч с изменением температуры не меняется.

При изменении концентрации раствора, находящегося между электродами  ячейки, может происходить разложение (электролиз) раствора. Для устранения этого явления равновесный мост  питается переменным током.

Качество питательной  воды характеризуется не только солесо- держанием. Большое значение имеет кислотность или щелочность воды. Повышенная кислотность приводит к ускоренной коррозии трубопровода. В процессе докотловой обработки воды контроль щелочности и кислотности воды позволяет дозировать реагенты, способствующие очистке воды.

Для измерения кислотности  и щелочности растворов  применяются  специальные приборы, называемые рН-метрами.

Как известно, чистая вода диссоциирует на ионы водорода и ионы гидроксила. Ионы водорода имеют положительный заряд, а ионы гидроксила отрицательный. В целом молекула воды  электрически нейтральна.

H₂O H⁺ + OH^-

Концентрация грамм-ионов  водорода и гидроксила в целом  в чистой воде одинакова 

Н⁺  = ОН^-

Произведение этих двух величин как для чистой воды, так и для растворов является величиной постоянной

[Н⁺] [ОН^-] = const

Кислоты и щелочи в водных растворах также диссоциируют: кислоты на ионы водорода и анионы кислотного остатка, а щелочи — на катионы металла и ионы гидроксила. Например, НС1 Н + С1

NaOH Na⁺ + OH^-

Из приведенных уравнений  видно, что количество ионов  водорода с увеличением концентрации кислоты  в растворе повышается. Количество ионов гидроксила в растворе повышается с  увеличением концентрации щелочи.

Увеличение концентрации ионов гидроксила приводит к  уменьшению концентрации ионов водорода.

При растворении кислот, щелочей и солей в воде образуется большое количество положительных  и отрицательных ионов. В  результате электростатического взаимодействия ионов с  противоположными зарядами часть из них соединяется в  ионные пары,  поэтому в каждый момент некоторая часть ионов  не активна.

В разбавленных растворах  силы взаимодействия между ионами очень  малы, поэтому можно считать, что в таких растворах активность ионов водорода равна их концентрации. В качестве меры  активности ионов водорода принята величина рН. Для чистой воды при температура 22°С      рН = 7.

Кислотность растворов повышается по мере уменьшения  величины рН, а щелочность увеличивается по мере увеличения рН.

Изменение величины рН на одну единицу соответствует десятикратному изменению активности кислоты или щелочи. Например: раствор с рН = 3 в 10 раз активнее раствора с рН = 4.

Величина рН определяет активность ионов водорода в растворе, а не содержание кислоты или щелочи. Это подтверждается тем обстоятельством, что в химически нейтральной воде с увеличением температуры воды величина рН уменьшается, потому что в нагретой воде увеличивается число диссоциирующих молекул и возрастает концентрация ионов водорода.

Этим же объясняется значительное уменьшение рН щелочных растворов с увеличением температуры, хотя количество щелочи, растворенной в воде, остается неизменным.

Преобразователи рН-метров представляют собой специальные электроды, в которых создается электродвижущая сила,  пропорциональная активности ионов водорода в растворах. На рис. 63 изображена схема работы таких преобразователей.

Активным электродом рН-метра является стеклянный электрод 2, имеющий на конце припаянный полый шарик / из специального стекла. Внутренняя полость шарика заполнена раствором с постоянным и известным значением рП.

При погружении электрода  в испытуемый раствор между  поверхностью стекла и раствором происходит обмен  ионами, в  результате которого одновалентные ионы натрия или лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода. Этот обмен идет до установления равновесия и приводит к возникновению  потенциала, величина которого определяется активной  концентрацией ионов водорода. Таким образом на внутренней и наружной поверхностях соприкосновения стеклянного шарика с растворами возникают потенциалы, величины которых зависят от  концентрации водородных ионов и температуры раствора.

Для создания электрической  цепи при измерении эдс внутрь стеклянного электрода вставлен вспомогательный контактный электрод 3, который служит для снятия потенциала с внутренней поверхности стеклянного шарика. Контактный  электрод выполняется из  серебряной проволоки. Внешний электрод (электрод сравнения) 4 осуществляет  электрический контакт с  контролируемым раствором. Потенциал электрода  сравнения всегда постоянен и не зависит от концентрации раствора.

Для уменьшения  погрешности за счет изменения температуры контролируемого раствора электрод  сравнения помещают вне контролируемого раствора и соединяют с ним с помощью электролитического ключа 5 — трубки, заполненной насыщенным раствором  хлористого калия и  заканчивающейся пористой  перегородкой 6. Раствор хлористого калия непрерывно протекает через пористую перегородку (10—30 мл/сут), предотвращая проникновение в систему вспомогательного электрода посторонних ионов, которые могли бы изменить величину эдс этого электрода, и создавая четкую  границу между контролируемым раствором и раствором хлористого калия.

Так как измерительный  ток на своем пути должен проходить  через стенки стеклянного преобразователя, его величина  чрезвычайно мала, а сопротивление измерительной  цепи в промышленной практике очень  высоко и достигает 1000 МОм.

Большая величина сопротивления  стеклянных электродов  требует  надежной изоляции самих электродов и соединительной  проводки, а  также конструирования усилителя  с большим входным сопротивлением.