Контроль технологических процессов

Быстрые нейтроны при прохождении через вещество сталкиваются с ядрами атомов, в результате чего теряют часть своей энергии и замедляются. Наиболее сильное замедление нейтроны получают при столкновении с ядрами атомов водорода, при котором нейтрон теряет в среднем половину энергии. Менее двух десятков таких столкновений бывает достаточно для того, чтобы быстрый нейтрон превратился в медленный (тепловой).

При соударении нейтрона с ядрами других элементов потеря энергии значительно меньше, причем она уменьшается с ростом массового числа ядра, на котором замедляется нейтрон. Начиная с некоторого значения массового числа ядра, потерей энергии можно вообще пренебречь. Таким образом, замедление нейтронов во влажной среде практически происходит только за счет соударения с ядрами водорода, и, следовательно, величина потока медленных нейтронов пропорциональна количеству влаги в контролируемом материале, т.е. прибор определяет абсолютную влажность. На этом принципе работают влагомеры типа «Нейтрон-ЗМ» и нейтронный стационарный влагомер кокса ВНСК.

Первичный преобразователь (датчик) нейтронного влагомера типа «Нейтрон-ЗМ» (рис. 2.12, б) состоит из источника нейтронного измерения и блока счетчиков (блока детектирования) медленных нейтронов. Для установки датчика влагомера необходимо в контролируемой емкости установить стальную трубу с дном (толщина стенки 2 - 5 мм, внутренний диаметр 60 мм) таким образом, чтобы она не препятствовала прохождению материала и на ней не образовывалось налипаний. Датчик вводится в эту трубу. Для обеспечения правильных показаний влагомера необходимо, чтобы вокруг датчика постоянно был слой контролируемого материала толщиной 250 - 300 мм и масса материала в контролируемом объеме была постоянной. Сигналы от блока счетчиков поступают на промежуточный преобразователь, вырабатывающий выходной сигнал пропорциональный влажности измеряемой среды. Первичный преобразователь влагомера типа ВНСК устанавливается в бункере с помощью закладной трубы, которая входит в комплект поставки.

По сравнению с другими влагомерами нейтронные обладают такими преимуществами, как бесконтактность измерения; независимость результатов от температуры, давления и других факторов; достоверностью измерений благодаря большому объему анализируемого материала.

Нейтронные влагомеры широко применяются в доменных цехах и системах автоматического контроля влажности скипового кокса и коррекции массы скипового кокса по его влажности. Измерение влажности и коррекция массы скипового кокса по его влажности позволяют стабилизировать массу кокса, загружаемого в доменную печь. Благодаря этому количество тепла, выделяемое при горении кокса в фурменной зоне, поддерживается на постоянном заданном уровне, что способствует стабилизации процесса нагрева продуктов плавки, экономии кокса, улучшению качества чугуна и повышению производительности доменной печи. Так, например, внедрение влагомеров на доменной печи № 9 объемом 5000 м3 завода «Криворожсталь» позволило снизить расход кокса на 0,5 % на 1 т чугуна и получить значительный экономический эффект.

Принцип действия кондуктометрического измерителя влажности основан на изменении электрической проводимости вещества при изменении его влажности (кондуктометрия - от английского слова электропроводность). Электрическое сопротивление контролируемого материала, измеряемое первичным преобразователем измерителя влажности, преобразуется в сигнал постоянного тока, поступающий на вторичный прибор.

Следует отметить, что существенным недостатком кондуктометрического способа является зависимость электрического сопротивления материала от целого ряда факторов, не связанных со степенью ею увлажнения. Так, например, помимо степени увлажнения шихты ее сопротивление зависит от содержания топлива, крупности, температуры и т. д. Поэтому надежная работа кондуктометрических измерителей влажности может быть обеспечена только при постоянстве химических и физических свойств шихты.

ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВА ЖИДКОСТЕЙ, ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ГАЗОВ

Под определением состава вещества в общем случае понимают нахождение молекул образующих его элементов. В ряде случаев это известно заранее, а необходимо определить, например, объемное содержание наиболее важных с точки зрения технологии компонентов в общем составе вещества. Различают прямые и косвенные методы определения состава вещества.

Прямой метод основан на непосредственном выделении количества определяемого компонента (например, химическим путем) и нахождения его содержания в общей пробе вещества в виде отношения. Однако прямые методы измерения мало пригодны для построения автоматических измерительных приборов, определяющих состав вещества.

Для этих целей чаще всего используются косвенные методы измерения, основанные на существовании строго определенных зависимостей между составом анализируемого вещества (концентрациями компонентов) и его физико-химическими свойствами (параметрами), которые могут быть непрерывно и автоматически измерены. К таким параметрам относятся электропроводность, теплопроводность, оптические и магнитные свойства и т. п. Соответственно существуют различные методы определения состава вещества: электрохимические; кондуктометрические; термохимические; термомагнитные; спектральные; фотоколориметрические; хроматографические; масспектрометрические; рентгеновские и др.

ЖИДКИЕ СРЕДЫ

Измерительные устройства для анализа состава и свойств жидких сред называют анализаторами жидкости.

Массовой концентрацией компонента называется отношение массы компонента, содержащейся в веществе, к общему объему вещества. В системе СИ за единицу массовой концентрации принято число килограммов компонента, содержащегося в 1 м3 жидкой фазы (кг/м3). На практике измерение концентрации осуществляют в граммах на литр (г/л) и миллиграммах на литр (мг/л). Соотношения между этими единицами следующие: 1 кг/м3 = 1 г/л = 10-3 мг/л.

На металлургических заводах для анализа жидких сред применяют автоматические электрохимические, иономерные и кондуктометрические анализаторы жидкости.

Принцип действия иономерных анализаторов жидкости основан на измерении электродвижущей силы электродной системы, селективно (выборочно) зависящей от активности определенного иона. Измерение этой величины производится при помощи электродной системы, погружаемой в контролируемую жидкость.

При погружении одного электрода в раствор между электродом и раствором образуется разность потенциалов, возникновение которой объясняется тем, что при низких концентрациях раствора металл электрода частично растворяется, т.е. в раствор переходят положительно заряженные ионы металла и раствор заряжается положительно. На электроде при этом остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно относительно раствора. При высоких концентрациях раствора положительные ионы выделяются на электроде, заряжая его положительно по отношению к раствору.

Размер такого электродного потенциала зависит от материала электрода, температуры раствора и концентрации в нем активных ионов, способных обмениваться с ионами электрода. Поскольку определить значение этого потенциала непосредственно не представляется возможным, в раствор опускают еще один электрод, который вносит в цепь свой электродный потенциал. Таким образом, измеряется лишь разность потенциалов различных пар электродов.

Измерительный преобразователь иономерного анализатора жидкости состоит из двух электродов: измерительного, потенциал которого относительно раствора зависит от концентрации контролируемых ионов в растворе, и вспомогательного, который практически не изменяет свой потенциал относительно раствора при изменении концентрации ионов в нем. Вспомогательный электрод для повышения точности обычно погружают во вспомогательный раствор стабильного состава.

Эталонным измерительным электродом для определения величины водородного потенциала является водородный электрод, представляющий собой покрытую платиновой чернью платиновую пластинку, которая непрерывно омывается газообразным водородом. Так как пользоваться электродом из платины в лабораторных и производственных условиях неудобно, то в качестве измерительных электродов в серийных анализаторах (типа П-201, ДМ-5М и др.) для контроля величин водородного потенциала используют стеклянные электроды.

Стеклянный электрод представляет собой толстостенную стеклянную трубку с приваренным на конце тонкостенным полым шариком из литиевого стекла. Трубка и шарик заполнены раствором бромистоводородной кислоты. В этот раствор помещен контактный электрод, представляющий собой серебряную проволоку, покрытую слоем бромистого серебра.

При погружении стеклянного электрода в контролируемый раствор между поверхностью шарика электрода и раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода и стеклянный электрод приобретает свойства водородного электрода.

Вспомогательный электрод выполнен в пластмассовом корпусе, в котором находится серебряный контакт. Полость вокруг контакта заполнена кристаллическим хлористым серебром. Хлорсеребрянный электрод ввернут в сосуд с раствором хлористого калия КС1, который по трубке, заканчивающейся микропористой перегородкой, непрерывно просачивается в контролируемую среду. Через хлористый калий осуществляется беспотенциальный контакт вспомогательного электрода с контролируемой средой. Кроме того, раствор КС1 защищает вспомогательный электрод от воздействия высоких температур при измерении водородного потенциала горячих растворов и предотвращает диффузию посторонних ионов из контролируемой среды. Таким образом, в такой электродной системе из всех слагаемых выходной разности потенциалов от концентрации активных ионов водорода в растворе зависит только разность потенциалов, возникающая на границе шарика стеклянного электрода с контролируемой средой. Измерение разности потенциалов электродной системы производят измерительным прибором, входящим в комплект анализатора.

Для измерения активности ионов серы используется электродная система, состоящая из измерительного аргентитового электрода и вспомогательного выносного хлорсеребрянного электрода. На поверхности измерительного электрода возникает потенциал, пропорциональный величине серного потенциала, который измеряется по отношению к потенциалу вспомогательного электрода - э. д. с. пропорциональна концентрации сульфидных ионов.

Измерительный преобразователь концентрации цианидов в сточных водах состоит из измерительного серебряного и вспомогательного хлорсеребрянного электродов.

Для обеспечения достоверности измерения измерительные электроды всех систем должны устанавливаться на высококачественных изоляторах, препятствующих появлению токов утечки.

Принцип действия кондуктометрических анализаторов жидкости основан на изменении электропроводности жидкости от концентрации и природы содержащихся в растворе веществ, причем концентрация растворенного вещества должна быть достаточно высокой.

Анализаторы этого типа выпускаются с электродными и безэлектродными измерительными преобразователями, проточными и погружными.

Работу кондуктометрических анализаторов рассмотрим на примере четырехэлектродного преобразователя. В нем имеется две пары электродов, установленных в корпусе из электроизоляционного материала. При подводе к крайним электродам напряжения питания переменного тока через контролируемый раствор потечет ток. При постоянной силе этого тока напряжение, снимаемое со средних электродов, прямо пропорционально электрическому сопротивлению измеряемой среды, зависящему от концентрации растворенного вещества и температуры раствора. Выходное напряжение измеряется с помощью вторичных приборов. У кондуктометрических анализаторов с проточными датчиками контролируемая среда пропускается через полость датчика. Погружные датчики целиком погружаются в измеряемую среду.

Твердые среды

В настоящее время работы по автоматизации анализа твердых сред ведутся в двух направлениях: создание систем периодического контроля с использованием стационарных анализаторов и автоматизированных систем пробоотбора и пробоподготовки; создание средств автоматического контроля вещественного состава твердых сред непосредственно в потоке.

Системы со стационарными лабораторными анализаторами должны выдавать экспрессные анализы вещественного состава в различных точках технологического потока.

Для систем автоматического регулирования и управления в первую очередь необходимы средства автоматического контроля вещественного состава среды в потоке. В этой области наиболее перспективными являются флуоресцентные рентгеновские спектрометры, радиометрические и рентгенорадиометрические анализаторы, а также масс-спектрометры.

Принцип работы флуоресцентного рентгеновского спектрометра основан на следующем. Под воздействием рентгеновского излучения атомы контролируемого вещества переходят в возбужденное состояние, при котором электроны, поглощая порции энергии извне, занимают более высокие энергетические уровни. Обратный переход сопровождается излучением энергии - вторичным ионизирующим излучением. Поскольку каждый элемент имеет свое характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, можно по спектру вторичного излучения определять наличие инициируемого элемента (качественный анализ), а по плотности потока энергии характеристического излучения - количество элемента (количественный анализ). Разумеется, энергия первичного рентгеновского излучения должна превышать энергию характеристического излучения контролируемого элемента.

Один из методов анализа вторичного ионизирующего излучения состоит в пространственном разложении вторичного излучения в спектр с помощью кристалла анализатора (плоского или изогнутого) и последующем измерении плотности потока ионизирующих частиц или плотности потока энергии ионизирующего излучения в выделенной части спектра блоком детектирования со схемой регистрации. При этом контролируемое вещество облучается от рентгеновской трубки. Вторичное излучение от вещества проходит через коллиматор и попадает на кристалл-анализатор.

Коллиматор необходим для формирования потока излучения, поскольку стабильные результаты измерения могут быть получены только при неизменной геометрии измерения. Он представляет собой блок (обычно свинцовый) с каналом определенного профиля.

Кристалл-анализатор выделяет из всего вторичного излучения только характеристическое излучение контролируемого элемента и посылает его на блок детектирования, установленный за диафрагмой.