Методы измерение концентрации, состава и свойств вещества

 

Зная поправочный коэффициент  и сопротивление образца раствора R (в кОм), удельная электропроводность находится по формуле:

λ  = К/R (3)

Далее в графике по оси "Х" вместо сопротивления воды в кОм надо подставить значения удельной электропроводности в мкСм/см. В результате получится график 3.3.

Рисунок 3.3 – График зависимости напряжения от удельной электропроводности воды

Зависимость напряжения на выходе от электропроводности практически линейная. Небольшое отклонение от прямой линии связано с погрешностью настройки прибора при помощи резисторов.

Несмотря на работоспособность прибора, данный кондуктометр не подходит под наши цели, т.к. имеет ряд недостатков. Основными недостатками данного прибора являются: ограниченный диапазон измерений удельной электропроводимости воды (50-500 мкСм/см); повышение температуры раствора на 1 оС увеличивает удельную электрическую проводимость примерно на 2 - 2,5%. Это объясняется понижением вязкости раствора и уменьшением гидратации ионов, а для растворов слабых электролитов увеличением их степени диссоциации.

Т.к. данный прибор не подходит для нашей установки, необходимо провести сравнительный анализ среди имеющихся датчиков измерения концентрации.

 

3.2 Сравнительный анализ кондуктометров

Проведём сравнительный анализ различных кондуктомеров по различным показателям и сведём результаты в таблицу 3.3.

 

Таблица 3.3 Сравнительный анализ кондуктометров

Модель датчика	Диапазон измерений	Точность измерения	Обмен данными	Питание	Особенности
AnaCONT	0.1 - 200 мСм/см	1% ± 1 ед.	4-20 mA, HART, релейный выход	DC 12-36V	Размещение в емкостях
CCT-3320E	0-19.99; 0-199.9; 0-1999; мСм/см	–	4-20 mA	AC 220V±10%, 50Hz	Имеет два встроенных реле. Позволяет задать две точки по достижению которых будет срабатывать исполнительный механизм.
CCT-3320T	0-19.99; 0-199.9; 0-1999; мСм/см	1,5%	4-20 mA	AC 220V±10%, 50Hz	Имеет одно встроенное реле Позволяет задать две точки по достижению которых будет срабатывать исполнительный механизм.
PSC-150	0-9999 мСм/см	0.1 мкСм/см 1 мкСм/см	–	AC 220V±10%, 50Hz	Функция управления исполнительным механизмом со звуковой сигнализацией
PSC-154	0-9999 мСм/см	0.1 мкСм/см 1 мкСм/см	4-20 mA	AC 110V / AC 220V	По достижению заданного значения включается (выключается) реле исполнительного механизма.
ROC-8221	0~2000 мСм/см	–	–	AC 220V±10%, 50Hz	Имеет встроенный 2-х канальный кондуктометр. Может подавать управляющие команды для поддержания корректной работы системы

 

 

Окончание таблицы 3.1
Модель датчика	Диапазон измерений	Точность измерения	Обмен данными	Питание	Особенности
Create CCT-8301A	0.5 – 100 мСм/см	0.01 мкСм/см	2 × 4-20 мА RS-485 Modbus	DC 24V±4%	Многострочный цветной дисплей, который позволяет отобразить все необходимые параметры измерения и контроля
PS-100	0-999 мг/л	1 мг/л	–	AC 220V±10%, 50Hz	Функция управления исполнительным механизмом со звуковой сигнализацией
PS-200	0-999 мг/л	1 мг/л	–	AC 220V±10%, 50Hz	Оснащен двухлинейной функцией мониторинга и контроля. Функция управления исполнительным механизмом со звуковой сигнализацией
PS-202	0-999 мг/л	1 мг/л	–	AC 220V±10%, 50Hz	Прибор оснащен двухлинейной функцией мониторинга и контроля. Показания выводятся на два дисплея для каждой линии.
АЖК-3102	0-10 0-100 0-1000	–	0-5 В, 4-20 мА, дискретные (2 реле)	AC 220V±10%, 50Hz	–

 

Детальный анализ кондуктометров представленных в таблице 3.3, позволил определить особенности каждого устройства, его достоинства и недостатки. В результате проведённого сравнительного анализа было решено

отдать предпочтение датчикам погружного типа с большим диапазоном измерения и наибольшей точностью (ценой деления шкалы). Кроме этого, устройство измерения должно позволять передавать информацию на контроллер в виде аналогового сигнала. В итоге рекомендуется выбрать датчик проводимости воды AnaCONT LEC/LCK. Внешний вид датчика показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Внешний вид датчика проводимости воды AnaCONT LEC/LCK

Основные характеристики и особенности датчика:

• Компактное и миниатюрное исполнение
• Диапазон измерений: 0.1 мкСм/см - 200 мСм/см
• Сменный или встроенный зонд
• Широкий выбор зондов
• Температурная компенсация
• Встроенный графический дисплей
• Опциональный внешний дисплей
• 4-20 мА, HART, релейный выход
• Напряжение питания 12-36 В постоянного тока.

Принцип работы датчика: два или четыре электрода датчика

электропроводности воды помещаются в измеряемую жидкость. Площадь зондов и расстояние между ними определяют постоянную (К) прибора.

Постоянная прибора определяет диапазон измерений и, таким образом, область применения. Зависимость диапазона измерения от постоянной прибора (К) представлена на рисунке 3.5.

 

Рисунок 3.5 –Зависимость диапазона измерения от постоянной прибора (К)

 

Для данной установки достаточно датчика с постоянной прибора К=4,0, так как проводимость питьевых вод превышает 50 мкСм/см. 

Подробные технические характеристики датчика представлены в таблице 3.4.

 

Таблица 3.4 Технические характеристик датчика AnaCONT

Тип		AnaCONT LEK-221-2 Компактный
Измеряемые данные	Диапазон	2 мкСм/см - 200 мСм/см
	Точность	1%±1ед. ±0.1%/°C
Напряжение питания		12-36В DC, гальваническая изоляция, защита от импульсных переходных процессов
Вход зонда		4-проводный с гальванической  изоляцией
Зонд		Сменный
Постоянная прибора		К=0,2; К=4

 

 

 

Окончание таблицы 3.4

Выходной сигнал	Аналоговый	4…20мА
	Протокол передачи	HART
Средняя температура		-10 °C … +90 °C
Среднее давление		0-1,6МПа (0-16 бар)
Материал корпуса		Алюминий
Электрическое соединение		2×М20×1,5, кабельные вводы

 

 

4 Разработка системы управления  дозированием реагента на основе  специального шнекового устройства  с шаговым двигателем

 

4.1 Контур  регулирования концентрации с  системой дозирования реагента

Для проектирования контура регулирования концентрации и системы дозирования реагента учебно-экспериментальной установки необходимо принять во внимание особенности ее структуры и используемые технические средства автоматизации.

Функциональная схема участка регулирования концентрации с системой дозирования реагента представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Функциональная схема участка регулирования концентрации учебно-экспериментальной установки

 

Рассмотрим подробнее основные элементы системы. Регулирующим органом задающим величину дозирования реагента является питатель сыпучего материала  (шнековый механизм). В качестве приводного двигателя шнекового механизма используется гибридный шаговый двигатель с величиной шага 1,8°.

Для управления шаговым двигателем установлен драйвер шагового двигателя OSM-88R-2BL с микропроцессорным контроллером. Необходимую величину (расход) дозирования реагента планируется задавать с основного управляющего контроллера установки Mitsubishi Q-System.

Объектом управления в контуре регулирования концентрации  является система состоящая из емкостей Е4, Е2 и соединяющего их трубопровода.

Задача системы автоматического регулирования сводится к поддержанию заданного значения концентрации (в зависимости от режима работы установки) в емкости Е2. Задающее устройство, сумматор и регулятор предлагается реализовывать на контроллере Mitsubishi Q-System.

Для измерения концентрации выбран в разделе 3 данного отчёта кондуктометрический концентратомер погружного типа.

Рассмотрим один из возможных вариантов работы системы управления [10]. В зависимости от выбранного режима работы установки определяется необходимая величина (расход) дозирования реагента, которая позволит получить концентрированный раствор в емкости Е4. Исходя из требуемого расхода реагента, задается скорость вращения шагового электродвигателя и, соответственно, питателя материала (шекового механизма). При работе установки в данном режиме, расход вещества остается постоянным.

В общем виде структурная схема системы дозирования реагента представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Структурная схема системы дозирования реагента

На рисунке 4.1 обозначены: ЗУ – задающее устройство, СУ – система управления электродвигателем, ЭД – электродвигатель, РО – регулирующий орган (шнек), ОУ – объект управления (концентрация в емкости Е4), u – задание концентрации, Q – расход реагента, C – концентрация концентрированного раствора в емкости Е4.

После получения концентрированного раствора, он одновременно с чистой водой поступает в емкость Е2. Поддержание необходимого значения концентрации реагента в данной емкости осуществляется посредством изменения расхода чистой воды, подводимой в емкость Е2 через

регулируемый клапан 4.

Структурная схема САР концентрации соответствующая предлагаемому варианту работы системы управления представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Структурная схема САР концентрации с регулированием расхода чистой воды

 

На рисунке обозначены: ЗР – устройство, задающее режим работы, К – регулируемый клапан, Qв – расход чистой воды, iк – задание величины открытия клапана, Р – регулятор, СУ – система управления электродвигателем, ЭД – электродвигатель, РО – регулирующий орган (лопасти насоса), ОУ – объект управления (концентрация в емкости Е2), Д – датчик концентрации, i0 – задание концентрации, Δi – сигнал рассогласования, w* – задание скорости электродвигателя, P – величина, выбранная для управления ЭД (в зависимости от типа ЭД и способа управления им), w – угловая скорость вращения вала двигателя, Q – расход концентрированного раствора, C – концентрация, i – выходная величина датчика.

 

4.2 Оборудование  и механизмы системы дозирования  реагента

 

4.2.1 Шаговый двигатель

В качестве электродвигателя используется круглый стандартный гибридный шаговый двигатель.

Технические характеристики двигателя:

Шаг 1,8 %

Погрешность шага ±5 % (полный шаг, без нагрузки)