книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

ную при помощи переменного сопротивления Яш. Пользуются этим сопротивлением обычно в тех случаях, когда применение автоматической температурной компенсации нежелательно (на­ пример, по соображениям взрывобезонасности). Тогда /?т.к за­ меняется соответствующим сопротивлением из манганинового провода. Но и при наличии /?т. к сопротивлением R m приходится иногда пользоваться, чтобы учесть разное качество стеклянных электродов, с которыми приходится работать.

Сопротивления и /?„ являются добавочными, гасящими излишек напряжения, подаваемого со стабилизатора. Одно из них (/?к), делается переменным, что дает возможность учесть из­ менение стабилизированного напряжения при смене стабили­ трона JIi.

Применение описанных простейших схем автоматической ком­ пенсации э. д. с. вследствие повышения температуры электродов возможно, если пзонотенциальная точка измерительного элемента совпадает с его нулевой точкой или разница между ними соста­ вляет приблизительно одну единицу pH. Однако даже и тогда на отдельных участках шкалы эта схема не обеспечивает доста­ точной точности температурной компенсации. Кроме того, такой метод строится на предположении, что температурный компен­ сатор и все точки измерительного элемента, в которых возникают потенциалы (см. рис. 146), находятся при одной температуре — температуре измеряемого раствора. На самом же деле место со­ прикосновения ртути и каломели в сравнительном электроде обычно имеет температуру, отличающуюся от температуры рас­ твора и скорее приближающуюся к температуре окружающего воздуха.

Поэтому часто для более точного осуществления температурной компенсации применяют другие, довольно сложные схемы. Чаще всего для введения поправки на температуру электродов имеется специальная мостовая схема, в одно из плеч которой включен термометр сопротивления. Выходное напряжение этой мостовой схемы включается последовательно с напряжением основной ко.мпенсационной схемы (см. рис. 167). Иногда применяют два термометра сопротивления: один для компенсации температуры стеклянного электрода, второй — температуры каломельного электрода. В некоторых приборах мостовая схема, включающая термометр сопротивления, имеет отдельный нуль-индикатор (электронный усилитель), т. е. схема температурной компенса­ ции представляет собой специальный электронный мост.

Э л е к т р о н н ы е н у л ь - и н д и к а т о р ы р Н - м е т р о в

Принципиально применение нуль-индикаторов в рН-метрах ничем не отличается от применения их в других приборах для измерения постоянных напряжений, например в электронных потенциометрах. Но громадное электрическое сопротивление стеклянных электродов накладывает отпечаток на схемы нульпндикаторов и их конструкцию. Это отражается и на конструкции

датчиков и выполнении линии, соединяющей датчик со вторичным прибором.

Напряжение на электродах при включении их на сопротивле­ ние, величина которого соизмерима с сопротивлением электродов, изменяется как вследствие нарушения нормального течения электрохимических процессов в электродах (поляризация), тек и главным образом из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении электродов. Чтобы подключение прибора к электро­ дам не отразилось заметно на результатах измерения, величина входного сопротивления прибора, подключенного к электродам, должна превосходить сопротивление электродов по крайней мере раз в пятьсот. В случае применения стеклянных электродов с сопротивлением 100—200 мгом эта величина должна составлять примерно 100 тыс. мгом (100 кмгом), т. е. в десятки тысяч раз больше, чем сопротивление цепей обычных электропных прибо­ ров. Получить такое высокое сопротивление изоляции цепи стек­ лянного электрода и входа нуль-индикатора можно только путем принятия специальных мер, которые рассматриваются ниже.

Именно необычностью требований к сопротивлению изоляции цепи стеклянного электрода объясняются трудности, связанные с освоением техники обслуживания pH-метров со стеклянными электродами.

Не все изоляционные материалы, применяемые в электротех­ нике и приборостроении, пригодны для достижения требуемой изоляции цепи стеклянного электрода. Такие широко применяе­ мые изоляторы, как текстолит, гетинакс, фибра, картон, карбо­ лит, кембрик, бумага, изоляционная лента и т. д., вообще не могут считаться изоляторами, когда нужно изолировать цепи стеклянного электрода. Применение этпх изоляционных материа­ лов совершенно недопустимо в этом случае. Подходящими изоля­ ционными материалами являются органическое стекло, эбонит, хорошая резина, парафин и специальные пластмассы типа поли­ стирола и фторпласта.

Объемное сопротивление приведенных выше изоляторов, т. е. электрическое сопротивление самой толщи материала, опреде­ ляется исключительно их физическими свойствами и имеет ве­ личины, которые гарантируют от всякого влияния на показания прибора, даже если толщина изолятора составляет доли милли­ метра.

Так называемое поверхностное сопротивление изоляторов, т. е. электрическое сопротивление между двумя точками, распо­ ложенными на поверхности изолятора, зависит от изоляционных свойств материала и от его способности осаждать влагу и пыль, наличие которых во много раз снижает величину поверхностного сопротивления.

Поверхностное сопротивление очень сильно зависит от обра­ ботки поверхности изолятора: при гладкой полированной поверх­ ности меньше осаждается влаги и пыли и обеспечивается лучшая

322

изоляция, чем при неровной, «матовой» поверхности. Кроме того, с полированной поверхности легче удалять пыль н влагу.

Если материалы для изоляции цепей стеклянного электрода выбраны правильно, то изоляция целиком зависит от состояния открытых поверхностей изоляторов. Особенно это важно в тех случаях, когда влажность воздуха велика, что почти всегда бы­ вает в производственных помещениях, в которых происходит из­ мерение pH.

Сопротивление изоляции цепи стеклянного электрода опреде­ ляется:

1) сопротивлением изоляции выходного контакта стеклян­ ного электрода по отношению к раствору (внутри датчика);

2)сопротивлением изоляции линии от датчика до прибора относительно земли;

3)сопротивлением изоляции цепи стеклянного электрода по отношению к корпусу внутри прибора.

Достаточной изоляции линии нетрудно достигнуть даже при значительной длине ее, применяя специальный кабель с высо­ кокачественной изоляцией (марки РК или ПВЛЭ). Нужно только правильно разделывать концы кабеля и следить за состоянием открытой поверхности изоляции в этих местах. Изоляция внутри вторичного прибора обычно в достаточной степени достигается конструкцией прибора. При повышенной влажности в помещении, где установлен вторичный прибор, внутри прибора обязательно

устанавливается сосуд с химическим осушителем (силикагель или хлористый кальций) и применяется уплотнение вводов всех проводов.

Самое сложное при эксплуатации рН-метра — это достижение изоляции цепи стеклянного электрода в датчике. Для этого тре­ буются повседневное наблюдение и уход за состоянием поверхно­ стей изоляторов в датчике.

Цепь стеклянного электрода нуждается в хорошей изоляции и тщательном экранировании, так как высокоомные цепи очень чувствительны к всевозможным помехам со стороны различных электрических аппаратов. Кроме того, при отсутствии экранировки даже незначительных участков цепи стеклянного электрода на работу прибора сильно влияет перемещение человека, работаю­ щего с прибором. Для осуществления полного экранирования цепи стеклянного электрода кабель, применяемый для прокладки его линии, должен иметь металлическую оплетку, а датчик и все детали во вторичном приборе, связанные с цепью стеклянного электрода, — специальные металлические чехлы. Нужно хорошо помнить, что отсутствие экранировки на участке линии стеклян­ ного электрода длиной всего в несколько сантиметров может дать заметные искажения в показаниях прибора и сделать их неу­ стойчивыми. Экранирующая оплетка п чехлы должны быть обя­ зательно соединены с корпусом прибора.

Сопротивление входа нуль-ипдпкатора, так же как сопротивле­ ние изоляции цепи стеклянного электрода, нагружает электроды

и поэтому должно иметь очень большую величину, о чем говори­ лось ранее. Существует несколько различных способов для до­ стижения высокого сопротивления входа электронного нульиндикатора. В зависимости от этих способов схемы электронных нуль-индикаторов для pH-метров делятся на три основных вида:

1)схемы, использующие принцип ламповых вольтметров или усилителей постоянного тока;

2)импульсные схемы;

Электронные нуль-индикаторы, построенные по принципу лампового вольтметра постоянного тока. В этом случае напряже ние небаланса подается непосредственно на сетку — катод элек­ тронной лампы. Момент баланса определяется по тому признаку, что анодный ток лампы стал равен величине, которая была при отсутствии на входе нуль-индикатора напряжения (например, при замкнутом входе).

Сопротивление входа нуль-индикатора определяется сопро­ тивлением сетка — катод лампы, которое в первую очередь за­ висит от величины сеточных токов лампы: чем больше сеточные токи, тем меньше сопротивление нуль-индикатора, тем больше нагружаются электроды и искажается величина их э. д. с.

Как известно (глава III), для того, чтобы добиться отсутствия сеточных токов, нужно подать на сетку лампы достаточное отри­ цательное напряжение смещения. При этом величина сеточных токов не достигает значений, при которых они могли бы заметно влиять на работу обычной усилительной схемы. Но сеточные токи имеются при любом потенциале сетки, хотя характер их может изменяться. Обычно считают, что в pH-метрах, работающих по принципу лампового вольтметра постоянного тока, сеточные токи лампы не должны быть больше 10—11 а, т. е. одной стоты­ сячной микроампера. В этом случае падение напряжения на стеклянном электроде сопротивлением 100 мгом будет составлять всего 1 мв и не повлияет на результат измерений. Обычно элек­ тронные лампы в их нормальных режимах имеют сеточные токи во много раз больше (10~7— 10—8а). Поэтому в pH-метрах обычно используют только некоторые из ламп и при таких режимах, когда их сеточные токи не превосходят допустимой величины. Это достигается снижением анодного напряжения до 20—25 в.

Самым значительным недостатком схем, работающих по прин­ ципу усиления постоянного тока, является нестабильность нуле­ вой точки, или, как часто говорят, дрейф нуля.

Этот недостаток особенно ярко проявляется, когда одного каскада усиления постоянного тока оказывается недостаточно и появляется необходимость в нескольких каскадах.

Большим недостатком приборов этого типа является необхо­ димость дополнительной регулировки схемы при смене одной из ламп.

324

С этими недостатками еще можно мириться в лабораторных или переносных приборах, применяемых для разовых измерений. Такой прибор может иметь на выходе чувствительный гальвано­ метр, поэтому его схема состоит из одного каскада (см. рис. 164). Положение его нулевой точки часто проверяют.

Но производственные приборы должны быть автоматическими, регистрирующими, т. е. иметь довольно сложный механизм, для приведения в действие которого требуется очень большое уси­ ление напряжения небаланса. В этих случаях обычно приме­ няются приборы, построенные на более совершенных принципах — усилении импульсов и преобразовании постоянного напряжения в переменное. В обоих случаях для последующего усиления при­ меняются усилители пе­ ременного тока, преиму­ щества которых известны.

Изготовляют и произ­ водственные рН-метры, работающие по принципу усилителей постоянного тока. В этом случае для стабилизации показаний применяют глубокую отри­ цательную обратную связь и стабилизируют напря­ жения источников пи­ тания.

Электронные нуль-индикаторы, работающие по принципу уси­ ления импульсов. Простейшая одноламповая схема подобного рода (рис. 156) работает так. Ключ К периодически переключается вручную из положения 1 в положение 2. При переводе ключа в положение 1 конденсатор Ci заряжается в том случае, когда на зажимах А и Б имеется напряжение небаланса; при переклю­ чении ключа К в положение 2 он разряжается на сопротивление R c, являющееся сопротивлением утечки сетки лампы Л. По сопро­ тивлению R c пойдет разрядный ток, вследствие чего на его кон­ цах появится напряжение, изменяющее потенциал сетки лампы. Это вызовет изменение анодного тока лампы и падение напряже­ ния на сопротивлении анодной нагрузки 7?а, и через гальвано­ метр G пройдет некоторый импульс тока, дозаряжающий или раз­ ряжающий конденсатор Сг (в зависимости от того, увеличилось

При отсутствии на входе нуль-индикатора (зажимы А и Б) напряжения небаланса конденсатор Ci заряжаться не будет и стрелка гальванометра останется в покое. Измерение э. д. с. электродов с таким нуль-индикатором заключается в том, что, изменяя напряжение измерительной схемы, находят такое поло­ жение, когда не будет отклонений стрелки гальванометра при

325

переключении ключа К из положения 1 в положение 2. Эхо будет соответствовать положению баланса, т. е. равенству э. д. с. электродов напряжению измерительной схемы.

Для увеличения чувствительности нуль-индикаторов и воз­ можности применения менее чувствительных и более надежных гальванометров применяют не один каскад усиления, а несколько. На рис. 157 показана схема с двойным триодом. Конденсатор C-i является переходным, передающим импульс напряжения, выде­ лившегося на анодной нагрузке I каскада i?ai на сетку II каскада. Гальванометр включен через конденсатор Сг на анодную нагрузку II каскада i?a2, которая сделана в виде переменного сопротивления. Это позволяет регулировать амплитуду импульсов тока через гальванометр и регулировать таким образом чув­ ствительность нуль-индикатора.

Рис. 157. Двухкаскадыая импульсная схема.

Приборы с импульсными нуль-индпкаторами могут быть оформлены по-разному. В самом простом случае переключение ключа К и передвижение реохорда измерительной схемы могут производиться вручную. Усовершенствованием прибора явится введение автоматического переключения ключа К, например посредством синхронного электродвигателя. Дальнейшим усо­ вершенствованием будет автоматическая компенсация, т. е. вве­ дение в прибор такого механизма, который будет передвигать реохорд измерительной схемы в том или другом направлении в за­ висимости от направления отброса стрелки гальванометра. Обычно применяют такой же механизм, как в электромеханиче­ ских автоматических потенцпометрах типа СП. По такому прин­ ципу работает выпускавшийся раньше регистрирующий рН-метр типа СП-рН-2.

Импульсные схемы нуль-индикаторов имеют следующие пре­ имущества, которые в свое время способствовали пх широкому

применению.

1. Входное сопротивление нуль-индикатора имеет значитель­ ную величину, которая мало зависит от сопротивления изоля­ ции сетки первой лампы и ее сеточных токов. Поэтому к первой

326

лампе не предъявляется особенно высоких требований в части величины сеточных токов.

2.Нулевая точка и показания прибора не зависят от изме­ нения параметров ламп и медленных изменений питающих напря­ жений. Прибор допускает смену ламп и деталей электронной схемы без дополнительной регулировки. В этих отношениях импульс­ ные приборы имеют все преимущества усилителей переменного тока.

3.Электронная схема отличается большой простотой и на­ дежностью.

Но приборы, работающие по методу усиления импульсов, имеют и значительные недостатки:

1)сложность кинематического механизма и наличие гальва­

нометра, большое время прохождения шкалы (приблизительно 1 мин.); в этих отношениях pH-метры совершенно аналогичны автоматическим потенциометрам типа СП;

2) приборы, работающие на небольшой частоте импульсов (10—20 в минуту), реагируют на быстрые и значительные изме­ нения питающих напряжении, поэтому при питании от сети пере­ менного тока применяют феррорезонансные стабилизаторы;

3) в случае применения стеклянных электродов сопротивле­ нием выше 50 мгом чувствительность прибора значительно сни­ жается; последнее затрудняет использование толстостенных гер­ метичных стеклянных электродов и делает невозможным исполь­ зование приборов при низких температурах растворов.

Последние два недостатка импульсных приборов можно объяс­ нить небольшой частотой импульсов. Значительно увеличить частоту импульсов в схеме с гальванометром (число циклов ки­ нематического механизма в минуту) не представляется возмож­ ным. Недостатки приборов, работающих по принципу усиления импульсов, значительно снижают их эксплуатационную ценность и заставляют предпочесть разработанные в последнее время pH-метры, работающие по принципу преобразования постоян­ ного напряжения в переменное.

Электронные нуль-индикаторы, работающие по принципу пре­ образования постоянного напряжения небаланса в переменное. Этот принцип позволяет использовать в pH-метрах весьма совер­ шенный способ балансирования измерительной схемы при по­ мощи фазочувствптельного каскада п реверсивного электродви­ гателя, как это делается в электронных потенциометрах и мостах.

Для использования этого принципа необходимо постоянное напряжение небаланса преобразовать в переменное напряже­ ние, по фазе и частоте совпадающее с напряжением сети, которая питает аноды ламп фазочувствптельного каскада.

Из всех многочисленных способов преобразования, в данном ■случае оказались приемлемым два: при помощи динамического конденсатора и вибрационного переключателя.

Внастоящее время промышленностью выпускаются приборы

сиспользованием обоих методов. pH-метры с динамическим кон­

327

денсатором на входе, т. е. с конденсатором, который периодиче­ ски изменяет величину своей емкости, за счет чего и достигается преобразование постоянного напряжения небаланса в переменное, позволяют производить измерения при громадном сопротивлении внешней цепи. Величина этого сопротивления измеряется десят­ ками тысяч мегом. Поэтому приборы с динамическим конденса­ тором можно применять в лабораторных условиях для измерения электродных потенциалов в средах с высоким электрическим со­ противлением, например в нефтепродуктах. В водных растворах выгоднее применять pH-метры с вибратором. Эти приборы проще в изготовлении и надежнее в работе.

Как видно из схемы (рис. 158), входная часть нуль-индикатора с вибратором почти ничем не отличается от импульсных схем. Отличие состоит в том, что ключ, переключаемый синхронным

Рпс. 158. Нуль-индикатор с вибропреобразователем.

электродвигателем, заменен вибратором (Вб) с электромагнитным возбуждением того же типа, какие применяются в электронных потенциометрах. Работа схемы также аналогична работе импульс­ ных схем.

Постоянное напряжение небаланса в переменное преобразуется благодаря непрерывному переключению слюдяного конденсатора Сi в цепи стеклянного электрода, когда он заряжается напряже­ нием небаланса, на цепь сетки лампы Л, когда конденсатор, раз­ ряжаясь на сопротивление Ле, создает импульс напряжения на сетке лампы. Так как вибрационный переключатель возбуждается электромагнптным способом от напряжения сети, то переменное напряжение импульсов на сетке первой лампы имеет частоту 50 гц п совпадает по фазе с напряжением сети пли находится в противо­ положной фазе в зависимости от знака небаланса измерительной схемы.

В дальнейшем переменное напряжение, как и в электронных потенциометрах, усиливается усилителем переменного тока л воздействует на фазочувствительный каскад, управляющий вра­ щением реверсивного электродвигателя РД, который в свою оче­

328

редь, передвигая движок реохорда, приводит измерительную схему к балансу.

Раньше, когда подробно разбирался вопрос об использовании вибратора в различных схемах преобразования (см. рис. 105), говорилось об особенностях регулировки контактов при работе в высокоомной схеме и о возможных вариантах включения «ра­

тронных потенциометров (вывод от контактов через цоколь, язы­ чок целиком металлический). Тогда вывод от катушки возбужде­ ния делается не через общий цоколь, а через верхнюю часть чехла пли применяется такая конструкция цоколя, при которой индук­ ция на высокоомные цепи сведена к минимуму. Язычок тщательно экранируется от катушки возбуждения.

К первой лампе не предъявляется каких-либо особенных тре­ бований. Желательно, чтобы вывод от управляющей сетки был выполнен отдельно от остальных электродов для удобства экра­ нирования и достижения хорошей изоляции. В качестве первой лампы успешно используют лампы 6Ж7 и 6Ф7, причем работают

329

все исправные лампы без исключений. Возможно и применение ламп других типов, например некоторых пальчиковых ламп и желудей.

Электронные pH-метры с вибропреобразователем имеют хо­

По этой схеме выполняются автоматические регистрирующие приборы п лабораторные. В лабораторных pH-метрах на выходе усилителя переменного тока вместо фазочувствительного каскада имеется какое-либо устройство, которое позволяет приблизительно определить наличие на выходе усилителя переменного напряже­ ния. Это может быть либо вольтметр детекторного типа, либо электронный индикатор настройки типа 6Е5С. По такой схеме построен лабораторный pH-метр типа ЛЭ-рН-6.

Автоматические электронные pH-метры, применяемые для непрерывных измерений в производственных условиях, имеют одну особенность, на которую следует обратить внимание. Обычно в электронных усилителях заземляется мннус источника анод­ ного напряжения, с которым непосредственно или через сопро­ тивление автоматического смещения соединяются катоды ламп.

При измерении pH раствора, который сам заземлен, такая схема заземления недопустима. Как ясно видно из рис. 160, в этом случае сравнительный электрод шунтируется обычно не­

330