Контроль технологических процессов

Блок детектирования совместно с промежуточным преобразователем измеряет плотность потока энергии характеристического излучения (или плотность потока ионизирующих частиц) и вырабатывают выходной сигнал, пропорциональный содержанию анализируемого элемента в веществе.

Радиометрические анализаторы основаны на принципе поглощения или рассеяния гамма-излучения от состава вещества.

Радиометрический анализатор, базирующийся на принципе поглощения гамма-излучения, включает гамма-источник, помещенный в контейнер с коллимационным каналом, блок детектирования и промежуточный преобразователь.

В рентгенорадиометрическом анализаторе в отличие от флюоресцентного рентгеновского спектрометра в качестве источника первичного излучения используется не рентгеновская трубка, а радиоактивный источник. Это обеспечивает высокую компактность и экономичность аппаратуры, отсутствие высоких напряжений и значительную простоту обслуживания.

Наиболее удобной является геометрия измерений, при которой радиоактивный источник и блок детектирования ионизирующего изучения находятся по одну сторону от анализируемого вещества. Повышение чувствительности измерений при данной геометрии достигается применением двух или более радиоактивных источников, помещенных в защитные экраны. В состав анализатора входят также блок детектирования и промежуточный преобразователь.

Принцип действия масс-спектрометров основан на использовании различия траекторий положительных ионов анализируемого вещества.

Молекулы анализируемого вещества ионизируются в источнике ионов. В зависимости от агрегатного состояния вещества и выбранного типа сменного источника ионов ионизация производится либо электронным ударом, либо методом термоионной эмиссии. В первом случае молекулы анализируемого вещества подвергаются действию электронов, испускаемых накаленным катодом. Во втором случае ионы образуются при испарении молекул (атомов) вещества с накаленной поверхности ленты или коробочки, выполненной из тугоплавкого металла.

Образовавшиеся положительные ионы получают ускорение в электрическом поле и фокусируются в узкий пучок системой электрических линз. Состав ионного пучка соответствует молекулярному составу анализируемой газовой смеси.

Ионный пучок проходит через камеру анализатора, помещенную в поперечном магнитом поле, и под действием этого поля разделяется на отдельные ионные лучи, отличающиеся отношением масс ионов к их зарядам. Пройдя камеру анализатора, ионные лучи попадают на коллектор. В цепи коллектора ионы различной массы создают электрические токи, которые после предварительного усиления измеряются и записываются на диаграммной ленте.

Поскольку масс спектр каждого вещества имеет характерную структуру, зависящую от строения молекул и молекулярного веса, то на диаграммной ленте записывается спектр ионных токов, характеризующий молекулярный состав исследуемого вещества.

Конструктивно масс-спектрометр состоит из аналитической и измерительной частей. В аналитической части создается, формируется и разделяется ионный пучок по массам. Измерительная часть предназначена для питания источников ионов и других элементов системы стабилизированным напряжением, для измерения и регистрации ионных токов, индикации массовых чисел и т. п.

По назначению масс-спектрометры подразделяются на три типа: МИ - для изотопного анализа, МХ - для анализа химического состава, МС - для исследования структуры и свойств вещества.

Масс-спектрометры применяются для анализа газов, паров жидкости и твердых веществ.

 

Состав газов

 

Средства измерений, предназначенные для количественного определения состава газа, называются газоанализаторами и газовыми хроматографами. В зависимости от их назначения они подразделяются на переносные и автоматические.

Переносные газоанализаторы и хроматографы используются в лабораторных условиях для количественного определения состава газа при выполнении исследовательских работ; при специальных обследованиях, испытаниях и наладке различных технологических агрегатов и установок, для поверки автоматических газоанализаторов.

Автоматические газоанализаторы используются для непрерывного автоматического измерения объемного процентного содержания одного определяемого компонента в газовой смеси. Они позволяют определять содержание в газовой смеси диоксида углерода, кислорода, оксида углерода и водорода, метана и других газов.

Как правило, газоанализаторы обычно градуируют в процентах по объему. Такой способ градуировки шкалы газоанализаторов удобен, так как процентная доля отдельных компонентов в общем объеме остается неизменной при изменении давления и температуры газовой смеси.

Принцип действия химических газоанализаторов основан па измерении сокращения объема забранной пробы газа после удаления анализируемого компонента, которое осуществляется методами избирательного поглощения или раздельного дожигания.

Непоглощенный остаток анализируемого газа поступает в газоизмерительное устройство, где измеряется уменьшение объема, соответствующее поглощенному газу.

Такой метод избирательного поглощения применяется в переносных газоанализаторах типа ГХП2 и ГХПЗ, называемыми часто приборами ОРСа, а также в автоматических газоанализаторах.

Метод избирательного поглощения в сочетании с методом раздельного дожигания горючих составляющих анализируемой пробы газа, применяемый в переносном газоанализаторе типа ВТИ-2, дает возможность определить процентное содержание следующих компонентов газовой смеси: СО2, О2, СО, Н2, суммы непредельных углеводородов, суммы метана СН4 и других предельных углеводородом.

Автоматические химические газоанализаторы в черной металлургии широкого распространения не получили. Основным недостатком таких газоанализаторов является то, что они относятся к приборам периодического действия (20 - 30 анализов/ч).

Принцип действия электрохимических газоанализаторов на кислород типа ГЛ-5108 основан на электрохимической реакции, вызывающей образование тока в электролите при взаимодействии кислорода с электродом. Величина тока, протекающего во внешней цепи электролита, пропорциональна концентрации кислорода в газовой смеси. В составе газовой смеси не должно быть электрохимически активных газов (хлора, окислов азота, сероводорода и др.).

Принцип действия тепловых газоанализаторов основан на измерении тепловых свойств определяемого компонента газовой смеси, которые могут быть мерой его концентрации. Тепловые газоанализаторы подразделяются на термокондуктометрические и термохимические.

Действие термокондуктометрических газоанализаторов основано на зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации компонентов. Они применяются для определения процентного содержания какого-либо одного компонента: диоксида углерода, водорода, аммиака, гелия, хлора и других газов, имеющих резко отличные температурные коэффициенты теплопроводности по сравнению с другими компонентами смеси.

Действие термохимических газоанализаторов основано на измерении полезного теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) определяемого компонента анализируемой газовой смеси.

Термохимические газоанализаторы и другие применяют для измерения содержания метана, кислорода, водорода и их смесей.

Термомагнитные (магнитные) газоанализаторы основаны на использовании магнитных свойств кислорода и предназначены для измерения концентрации кислорода в различных газовых смесях и, в частности, в продуктах горения.

Принцип действия оптических газоанализаторов основан на использовании зависимости того или иного оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения концентрации измеряемого компонента.

Газоанализаторы, основанные на поглощении лучистой энергии в инфракрасной области спектра (их называют еще оптико-акустическими), широко применяются в черной металлургии для определения концентрации оксида углерода, диоксида углерода, метана, аммиака, а также других газов. Это объясняется тем, что и инфракрасной области спектра газы имеют весьма интенсивные и отличительные друг от друга по положению в спектре полосы поглощения (газоанализаторы типа ОА-5501, ОА-2109, ОА-2209, ОА-2309, ГИП-14, ГИП-10МБ и др.).

Принцип действия газоанализаторов ультрафиолетового поглощения основан на том, что пары ртути, хлор, сероводород и ряд других веществ имеют характерные линии поглощения в ультрафиолетовой части спектра, не перекрывающихся спектрами поглощения других компонентой анализируемой газовой смеси. Концентрация вещества определяется по величине поглощения ультрафиолетового излучения. Благодаря высокой чувствительности газоанализаторы этого типа используются для определения токсических и взрывоопасных концентраций различных газов в воздухе промышленных предприятий. Они позволяют также определять содержание паров ртути, хлора и других газов и паров как в воздушной среде, так и в технологических газовых смесях (газоанализаторы типа ГУП-2, ГУД-2А и др.).

Принцип действия фотоколориметрических газоанализаторов основан на поглощении лучей в видимой части спектра, т.е. на цветной избирательной реакции химического взаимодействия между определяемым компонентом газовой смеси и индикаторным раствором. Реакция сопровождается образованием цветных продуктов, концентрация которых определяется по величине поглощения светового потока.

Фотоколориметрические анализаторы (типа ФЛ 5501М, ФКГ-2 и др.) широко применяются для измерений микроконцентрации различных газов в воздушной среде и сложных газовых смесях. К таким газам относятся сернистый газ, сероводород, хлор, озон, аммиак, оксиды азота и др. Газоанализаторы этого типа используются также для определения в воздухе промышленных предприятий токсической концентрации различных газов и паров, вредных для человека Кроме того, фотоколориметрический метод находит применение для анализа жидкостей. Для определения больших концентраций фотоколориметрические газоанализаторы не применяются.

Описанные выше оптические газоанализаторы относятся к группе абсорбционных, т.е. основанных на поглощении лучистой энергии. Помимо них к оптическим газоанализаторам относятся также интерферометрические и эмиссионные.

Интерферометрические газоанализаторы основаны на использовании явления смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух когерентных лучей.

Эмиссионные газоанализаторы основаны на излучении лучистой энергии, например, на измерении интенсивности спектральных линии излучения компонента, зависящей от его концентрации в анализируемой газовой смеси.

Принцип действия хроматографов основан на предварительном разделении компонентов, составляющих анализируемую смесь, в результате адсорбционных (поглотительных) процессов, происходящих при движении смеси вдоль слоя сорбента (поглощающего вещества) или за счет различий растворимости компонентов жидкости.

Газовые хроматографы (типа ХП-499, РХ-1) достаточно широко применяют в практике для разделения смесей низкокипящих веществ, входящих в состав продуктов горения (водород, кислород, окись углерода и др.). В последнее время газоадсорбционный метод используется также и для анализа высококипящих веществ и легких углеводородных газов.

Помимо газоадсорбционных методов в практике применяются газожидкостные методы хроматографии, в которых разделение сложных смесей веществ основано на различии растворимости компонентов анализируемой смеси в тонком слое жидкости, нанесенной на поверхности твердого химически инертного носителя.

Газожидкостные хроматографы (типа РХ-5, РХ-5Н, ХПА-3-15ОП и др.) находят применение для разделения высококипящих веществ, т.е. большинства углеводородов.

Одной из характерных особенностей металлургического производства является образование большого количества отходящих газов в период технологического процесса. Так, например, в крупнотоннажных дуговых сталеплавильных печах на 1 т выплавляемой стали выделяется 70 - 80 м3 газов, которые выносят из рабочего пространства печи значительное количества пыли. Поэтому постоянный контроль состава отходящих газов металлургического производства необходим для управления работой систем охлаждения и очистки отходящих газов, служащих для защиты окружающей среды. Кроме того, знание химического состава отходящих газов позволит технологам оптимизировать основной технологическим процесс.

 

ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температур. В первом случае необходимо обеспечить надежным тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом измерения, при этом верхний предел измерения температуры ограничен жаропрочностью и химической стойкостью применяемых чувствительных элементов. При невозможности осуществить надежный тепловой контакт чувствительного элемента с объектом измерения применяют бесконтактные методы измерения.

Средство измерений (совокупность средств измерений), предназначенное для контактного измерения температуры веществ и преобразования его в сигнал температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, автоматической выработки, передачи и использования в автоматических системах управления, называется термометром.

По принципу действия термометры могут быть разделены на. следующие группы: термометры расширения, термометры, сопротивления и термоэлектрические термометры.

Действие термометров расширения основано на тепловом .расширении (изменении объема) термометрического вещества (жидкостные или газовые) или линейных размеров твердых тел (дилатометрические и биметаллические) в зависимости от температуры. Предел измерения такими термометрами составляет от -190 до +6000С.

Жидкостный стеклянный технический термометр имеет заполненный жидкостью (обычно ртутью) резервуар, тонкостенную капиллярную трубку, пластину с нанесенной на ней шкалой, наружную стеклянную оболочку.

Такие термометры применяются для измерения температуры от -90 до +6000С, а термометры, заполненные органической жидкостью от -90 до +300С и от -60 до 2000С. Их изготавливают прямыми (типа П и А) и угловыми - изогнутыми под углом 90 или 1350 (типа У и Б). Нижняя часть выполняется различной длины (от 66 до 2000 мм).

Поскольку технические термометры градуируются и поверяются при погружении всей нижней части, то при измерении эксплуатационных условиях нижняя часть термометра должна быть также погружена на определенную глубину в среду, температура которой измеряется. Для предохранения стеклянной оболочки от повреждения термометры помещают в защитные стальные оправы, которые как и термометры но форме выполняют прямыми и угловыми. Для сигнализации и измерения температуры в лабораторных и промышленных условиях применяют (в простейших схемах) технические термометры ртутные электроконтактные (типа ТПК или ТЭК). Их изготавливают с электроконтактами, впаянными в капиллярную трубку термометра. Замыкание или размыкание электрической цепи между контактами происходит вследствие расширения или сжатия ртути при соответственно нагревании или охлаждении нижней части термометра.