Анализ состава жидкостей

АНАЛИЗ СОСТАВА ЖИДКОСТЕЙ Ведение технологических процессов в энергетике во многих случаях основывается на результатах анализа состава жидкостей. Например, поддержание водно-химического режима обеспечивает: • безопасную величину отложений на внутренних поверхностях труб; • допустимую скорость коррозии конструкционных материалов водопарового тракта; • высокое качество насыщенного пара, не вызывающее недопустимых отложений в проточной части турбины. Одним из наиболее распространенных методов анализа растворов является кондуктометрический метод. Кондуктометрический метод анализа растворов. Водные растворы электролитов представляют собой проводники 2 рода, перенос тока в которых осуществляется за счет движения ионов. Сами ионы образуются при диссоциации веществ, находящихся в воде. Чем больше концентрация растворенных веществ, тем выше электропроводность раствора. Таким образом, измерив электропроводность раствора можно судить о концентрации растворенных веществ. Электропроводность характеризует суммарную концентрацию находящихся в растворе ионов. При этом, электропроводность зависит не только от концентрации растворенного вещества, но и от его природы. График зависимости удельной электропроводности от концентрации при 180С. Приборы для измерения электропроводности градуируют по NaCl. По результатам измерения нельзя судить о том, какие вещества находятся в растворе. Например, если в результате измерения электропроводность составила 0,2 См/см, то можно сказать, что электропроводность анализируемого раствора такова, как у 20% раствора NaCl. Удельная электропроводность [Cм/см, Сименс на сантиметр] χ = 1/ρ, где ρ [Ом∙см] – удельное сопротивление. ρ = Rc∙Fэф/d, где Rc – сопротивление фиксированного объема жидкости с концентрацией растворенных веществ С, [Ом]; Fэф – площадь эффективного поперечного сечения раствора, через которую протекает ток, [см2]; d – расстояние между электродами, [см]. Электролитическая ячейка Тогда χ = 1/ρ = (1/Rc)∙(d/Fэф) = Gc∙k, где Gc – электрическая проводимость фиксированного объема раствора с концентрацией растворенных веществ С, [См]; k – постоянная электролитической ячейки, [1/см]. Электролитическая ячейка – это устройство состоящее из корпуса и двух электродов (одним из электродов может являться сам корпус), в которое помещают фиксированный объем жидкости для измерения ее электропроводности. Удельная электропроводность раствора зависит не только от концентрации растворенного вещества и его природы, но и от температуры. Уравнение Кольрауша показывает связь между удельной электропроводностью раствора и его температурой: χt = χ18∙[1 + α∙(t – 18) + β∙(t – 18)2], где χt – удельная электропроводность при температуре t, [См/см], χ18 - удельная электропроводность при температуре 180С, [См/см], t – температура раствора, 0С. Для исключения влияния температуры раствора на результат измерения необходимо стабилизировать температуру пробы или использовать температурный компенсатор, включенный в схему вторичного прибора. Электродные кондуктометры Электродные кондуктометры состоят из электролитической ячейки, в которой находится анализируемый раствор, и вторичного прибора: Измерительная схема кондуктометра На схеме, приведенной выше, резисторы R – сопротивления плеч моста; резистор Rэя – сопротивление электролитической ячейки. При изменении концентрации растворенных в воде веществ, изменяется электропроводность раствора, а значит и сопротивление электролитической ячейки Rэя, то есть сопротивление плеча bd. При этом сопротивления остальных трех плеч остаются неизменными. Следовательно, будет изменяться напряжение в диагонали ab (Uab), по величине которого и судят о концентрации растворенных веществ. В электродных кондуктометрах используется переменное напряжение питания Uпит. При использовании постоянного напряжения возникает так называемая «поляризация электродов» - скопление у электродов ионов противоположного заряда, что приводит к снижению эффективного потенциала электрода и возникновению погрешности измерений. Поляризация электродов Применение переменного напряжения позволяет резко снизить эффект поляризации электродов, а также снижает или полностью исключает электролиз анализируемого раствора. Эффект поляризации снижается по мере роста частоты питающего напряжения. Поэтому, если в промышленных кондуктометрах частота питающего напряжения может составлять 50 Гц, то в лабораторных кондуктометрах используется напряжение частотой 1 – 2 кГц и выше. Для снижения влияния температуры на результат измерения, последовательно с электролитической ячейкой устанавливают термокомпенсатор, находящийся при той же температуре, что и раствор в ячейке: Общее сопротивление Rобщ = Rэя + Rt. При увеличении температуры электропроводность раствора увеличивается (Rэя снижается), но одновременно увеличивается Rt, что позволяет частично компенсировать влияние температуры на результат измерения. Однако, зависимость сопротивления Rэя от температуры нелинейная и не может быть полностью скомпенсирована линейным изменением Rt, в качестве которого, как правило, используется медный резистор. Поэтому, для автоматической компенсации влияния температуры на результат измерений используют следующую схему: Общее сопротивление: Rобщ = [Rэя∙Rш/(Rэя + Rш)] + Rt. Путем подбора Rш (сопротивления шунта) и Rt можно добиться, чтобы сопротивление Rобщ практически не зависело от температуры: Rобщ ≠ f(t). Безэлектродные кондуктометры Безэлектродные кондуктометры используют первичные преобразователи, не имеющие непосредственного контакта с измеряемой средой и свободные от таких недостатков, как поляризация электродов и загрязнение. Безэлектродный кондуктометр На рисунке обозначены: С1, С2 – сердечники трансформаторов; ω1, ω’1, ω2, ωк – обмотки; R1, R2, R3, Rр и Rt – резисторы; ЭУ – электронный усилитель; РД – реверсивный двигатель; ЖК – жидкостный контур. Схема содержит 2 трансформатора. Первый трансформатор ТР1 образован обмоткой ω1, сердечником С1 и жидкостным контуром ЖК. Второй трансформатор ТР2 состоит из жидкостного контура. сердечника С2 и обмотки ω2. Таким образом, эти трансформаторы связаны через жидкостный контур, который одновременно является вторичной обмоткой трансформатора ТР1 и первичной обмоткой трансформатора ТР2. Кроме того, в схеме есть контур компенсации, который состоит из обмоток ω’1 и ωк и моста сопротивлений (R1, R2, R3, Rt). Напряжение питание контура компенсации (Uпит) подается от отдельной обмотки (на рисунке не показана). Через жидкостный контур прокачивается анализируемый раствор. На вход обмотки ω1 подается переменное напряжение Uвх, вследствие чего в ней протекает переменный ток. Этот ток создает в сердечнике С1 переменный магнитный поток Ф1, который индуцирует переменную ЭДС Е во вторичной обмотке (то есть в жидкостном контуре): E = I∙Rc, где E – ЭДС, наведенная в жидкостном контуре, [В]; I – ток в жидкостном контуре, [А]; Rc – сопротивление фиксированного объема жидкости с концентрацией растворенных веществ С, [Ом]. Так как Rc = k/χ, где k – постоянная электролитической ячейки, [1/см], то I = χ∙E/k. Таким образом ток I, текущий в жидкостном контуре прямо пропорционален его электропроводности, а значит, и концентрации растворенных веществ. Ток I, протекая в жидкостном контуре (то есть в первичной обмотке трансформатора ТР2), создает в сердечнике С2 переменный магнитный поток Ф2, который наводит во вторичной обмотке ω2 переменнную ЭДС E2, пропорциональную потоку Ф2 (а, значит, пропорциональную I и χ). ЭДС Е2 усиливается усилителем ЭУ и подается на реверсивный двигатель РД, который перемещает ползунок реохорда Rр. При изменении Rр изменяется ток Iab в компенсирующем контуре (этот ток течет в диагонали ab, через Rр, ω’1 и ωк). При изменении тока, протекающего через обмотку ωк, изменяется создаваемый этим током магнитный поток Фк в сердечнике С2. Обратите внимание, что этот поток направлен навстречу потоку Ф2. Процесс продолжается до тех пор, пока поток Фк полностью не скомпенсирует поток Ф2 так, что их сумма станет равной нулю. Тогда Е2 станет равной нулю, реверсивный двигатель остановится и стрелка, связанная с ползунком реохорда, займет свое положение на шкале. При увеличении температуры жидкости ее сопротивление Rc уменьшается, что приводит к увеличению тока в жидкостном контуре на величину ∆I и, следовательно, к увеличению магнитного потока Ф2 на величину ∆Ф2. Но схема из равновесия не выйдет, так как при увеличении температуры, одновременно с уменьшением Rc уменьшается и Rt (это полупроводниковый резистор с обратной температурной зависимостью, то есть при увеличении температуры его сопротивление снижается.) При уменьшении Rt увеличивается напряжение в диагонали ab (Uab), что приводит к увеличению тока Iab. Увеличение тока Iab приводит к увеличению магнитного потока Фк на величину ∆Фк. Мостовая схема настроена таким образом, чтобы ∆Фк ≈ ∆Ф2, то есть так, чтобы при изменении температуры магнитные потоки Ф2 и Фк изменялись на одну и ту же величину.