Левшов Михаил Михайлович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Цель работы
• 2. Постановка задачи исследования
• 3. Научная новизна
• 4. Результаты, полученные на момент написания реферата
• Выводы
• Список источников

Введение

В процессе гoрения необходимо поддерживать точное соотношение между количествами поступающего воздуха и топлива – в соответствии с стехиометрическим уравнением реакции горения. При старении оборудования смешивание выполняется недостаточно точно, со временем изменяется теплотворная способность топлива, скорость процесса горения и внешния условия. Любой из этих параметров влияет на количество воздуха, необходимое для безопасного и эффективного сгорания топлива.

Слишком большое количество воздуха приведет к недожогу и несгоревшее топливо выбрасывается в дымоход, снижая экономичность процесса и повышая потенциальную опасность взрыва. При недостаточном количестве в дымоход уходит значительная часть тепла. Кроме того, при неполном сгорании топлива увеличивается загрязнение атмосферы. При значительном излишке воздуха увеличивается содержание SO₂ и NO_x.

1. Цель работы

Разработка измерительного прибора контроля концентрации кислорода в дымовых газах котлов, что повышает экономичность процесса горения и уменьшает загрязнение атмосферы продуктами горения

2. Постановка задачи исследования котлов.

Для достижения поставленной в работе цели сформулированы и решены следующие задачи

1. Провести анализ и исследование методов и технологических средств измерения концентрации кислорода в дымовых газах котлов.
2. Анализ величин, влияющих на достоверность определения концентрации кислорода в дымовых газах.
3. Разработка математической модели канала измерения на основе электрохимического метода с применением твердых электролитов.
4. Разработка блока контроля и регулирования температуры измерителя концентрации газов.
5. Разработка воздушного фильтра измерителя концентрации газов.
6. Разработать структуру измерительного прибора концентрации кислорода в дымовых газах.
7. Исследовать метрологические характеристики канала измерения концентрации кислорода.
8. Обосновать схему измерительного прибора и разработать требования к макетному образцу.

3. Научная новизна

Разработана математическая модель измерительного канала на основе электрохимического метода с использованием твёрдоэлектролитной ячейки, разработан блок контроля и регулировки температуры, что позволит с достаточной точностью и быстродействием определять содержание кислорода в дымовых газах котлов

Объект исследования: Измерительный прибор контроля концентрации кислорода в дымовых газах котлов

Предмет исследования: Повышение экономичности процесса горения и снижение загрязнения окружающей среды за счет использования разработанного измерительного прибора в режиме непрерывного контроля концентрации кислорода в дымовых газах котлов.

4. Результаты, полученные на момент написания реферата

Из проведенного анализа следует, что наиболее подходящими средствами измерения для контроля концентрации кислорода в дымовых газах котлов являются измерительные приборы на основе твердых электролитов, которые в определенном диапазоне температур обладают практически ионной проводимостью. В качестве чувствительного элемента используется пробирка из диоксида циркония, которая легирована оксидом иттрия или диоксидом кальция. Характеристика преобразования данного измерителя может быть описана уравнением Нернста [1]:

E – э. д. с. твердоэлектролитической ячейки, В; R – универсальная газовая постоянная, ДЖ/моль ; T – температура твердоэлектролитической ячейки по абсолютной шкале, К; F – постоянная Фарадея, Кл/моль ; p^` и p^`` – парциальные давления кислорода в измерительной среде и в атмосферном воздухе, Па.

Рисунок 1 – Принцип действия твердоэлектроитной Ячеки (анимация: 5 кадров, 5 циклов повторения, 106 Kb)

Э. д. с. твердоэлектролитической ячейки (ТЭЯ) определяют как разницу двух электродных потенциалов: потенциала рабочего электрода и электрода сравнения. Если электрод сравнения омывается кислородом с атмосферным давлением P₀ = 101,325 кПа, а концентрация кислорода в атмосфере составляет C_O2 = 20,94 ^об.%, то парциальное давление кислорода в атмосфере может быть рассчитано по следующему соотношению (2) [2]:

Из анализа изменения парциального давления видно, что:

– при изменении концентрации кислорода в атмосфере от 19 до 20 ^об.% при неизменном атмосферном давлении P₀=101,3 кПа относительное изменение парциального давления составляет:

– при изменении атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа при неизменной концентрации кислорода в атмосфере C₀₂ = 20,94 ^об.% относительное изменение парциального давления:

Поэтому для контроля концентрации кислорода в дымовых газах котлов с относительной погрешностью не более ±5 % необходимо выполнять измерений атмосферного давления в диапазоне от 84 до 106 кПа с относительной погрешностью измерений не более ±5 % .

Избыточное давление контролируемой газовой смеси изменяется в диапазоне от −3,9 до + 4,4 кПа. Из анализа характеристики изменения парциального давления кислорода в анализируемой газовой смеси видно, что при изменении избыточного давления дымовых газов от −3,9 до 4,4 кПа при неизменной концентрации кислорода 1,0 ^об. % относительное изменение парциального давления составляет:

Поэтому для контроля концентрации кислорода в дымовых газах с относительной погрешностью не более ±5 % необходимо выполнять измерения избыточного давления в диапазоне от −3,9 до 4,4 кПа с относительной погрешностью не более ±5 %.

На основании экспериментальных данных определения э. д. с. сдвига [3], которые проведены при равенстве концентраций кислорода на электродах. Температура управлялась с помощью программного регулятора. Измерения проведены в двух разных режимах:

– плавное изменение температуры в диапазоне от 749 до 775 ^оC (Δ T = 26^оC)при этом диапазон изменения э. д. с. сдвига составлял от 1,7 до 2,05 мВ (см. рис. 1, а);

– периодическое изменение температура в диапазоне от 749,6 до 750,3^оC (Δ T = 0,7^оC)с интервалом 10 с., диапазон изменения э. д. с. сдвига в данном эксперименте составлял от 1,85 до 2,15 мВ (см. рис. 1, б).

Рисунок 2 – Изменение напряжения на выходе ТЭЯ при изменении концентрации кислорода в диапазоне от 1 до 14 ^об.% при разном режиме терморегулятора

Из анализа полученных результатов (см. рис. 1) следует, что зависимость э. д. с. от температуры более чем на порядок ниже, чем от ее gроизводной по времени. Процессы теплопроводности, происходящие в корпусе измерительного преобразователя, имеют разные скорости распространения тепла в ячейке. Поэтому температура распределена по объему неравномерно: на торцевых поверхностях, где расположенные электроды, она имеет разное значение. В результате разницы температур в твердом электролите возникает термо-э. д. с., которая при равенстве концентраций кислорода на электродах приводит к появлени юэлектрического напряжения на ячейке. В случае неравных концентраций кислорода темро-э. д. с. вносит дополнительную разницу потенциалов, и определения концентрации с помощью уравнения Нернста, при концентрации кислорода 10 ^об.% термо-э. д. с. величиной 1 мВ приводит к погрешности не более 0,3 ^об.%.

В связи с этим для уменьшения переменной составляющей э. д .с. сдвига, что в свою очередь уменьшает погрешность измерения концентрации кислорода, необходимо использовать плавный регулятор температуры чувствительного элемента. Вследствие этого температурная неравномерность по объему термоэлектролитической ячейки сводится к минимуму.

Требования к установке температуры плавным регулятором:

1. номинальное значение температуры твердоэлектролитической ячейки,^oС 750;

2. диапазон изменения установки температуры,^oC от 748 до 752;

3. значение абсолютной погрешности установки температуры,^oC ±0,3;

4. постоянная времени терморегулятора, c не более 10

Регулировка температуры ТЭЯ осуществляется с помощью нагревателя внутри измерительного преобразователя. Напряжение, подаваемое на нагреватель, регулируется в измерительном блоке.

В качестве средства измерения температуры твердоэлекторлитической ячейки решено использовать платиновый терморезистор, включенный в одно из плеч измерительного моста

Для решения задачи измерения температуры рекомендуется проводить балансировку измерительного моста при Т=0^oС. Ток, протекающий через плечо измерительного моста рекомендуюется выбирать порядка (5…10) мА. Напряжение питания моста принято равным 1.5В. Напряжение на выходе измерительного моста описывается выражением (3) [4]:

Для приведения выгодного напряжения измерительного моста к унифицированному виду (0…5) В для удобства его дальнейшей обработки к его выходу подключен нормирующий преобразователь (рис 2).

Рисунок 3 –Напряжение на выходе измерительного преобразователя

Выходной сигнал нормирующего преобразователя, несущий в себе информацию о изменении температуры поступает на астатический двухпозиционных регулятор, с зоной неоднозначности представленной выражением (4) [5]:

Установившийся режим работы блока контроля и регулирования температуры, соответствующий рис.3, принято называть квазистационарным или режимом автоколебаний. Отличительной особенностью этого режима является наличие устойчивых гармонических колебаний температур каждого из элементов блока вокруг соответствующего им стационарного уровня. Данный режим позволит осуществить плавное регулирование температуры твердоэлектролитической ячейки [5]:

Рисунок 4 – График автоколебаний блока контроля и регулирования температуры

В точке 1, соответствующей температуре термостатирования нагревание объекта не прекращается, а продолжается за счет нечувствительности регулятора дальше, до точки 2. Зона нечувствительности 2ε складывается в основном, из величины, обусловленной тепловой инерцией датчика и величины, обусловленной временем срабатывания реле. В точке 2 произойдет отключение нагревательного элемента. Однако температура будет возрастать до точки 3 вследствие тепловой инерции объекта, а затем начнет падать по кривой 3-6. В точке 5 произойдет включение нагревателя [5].

Для составления математической модели работы регулятора в режиме автоколебаний необходимо провести ряд экспериментов для получения точных значений теплопроводностей между анализируемой газовой смесью и элементами измерителя.

В качестве исполнительного нагревательного элемента выбран вольфрамовый спиральный нагревательный элемент, были рассчитаны его основные параметры:

Полезное и общее количество теплоты кДж, необходимой для повышения температуры нагреваемого материала до заданной величины (5) [6]:

Мощность, кВт, нагревательного прибора определяют по формуле (6):

Определение силы тока, А, нагревательного элемента для однофазной сети осуществляется по формуле (7):

Допустимая поверхностная удельная мощность, т.е. мощность, выделяемая с единицы внешней поверхности нагревателя (8):

Диаметр, м, нагревателя круглого сечения (9):

Удельное сопротивление нагревательного элемента при различной температуре нагрева (10):

Длина, м, нагревательного элемента определяется по формуле (11) [6]:

Исходя из вышесказанного, предложена следующая структурная схема системы терморегулирования:

Рисунок 5 – Структурная схема системы терморегулирования

Информация об изменении температуры объекта терморегулирования ОТ через терморезистор включенный в измерительный мост ИМ поступает на нормирующий преобразователь НП. Нормирующий преобразователь НП усиливает сигнал моста, до уровня необходимого для регулятора температуры РТ. В зависимости от полученного сигнала регулятор температуры РТ изменяет подачу мощности от источника питания ИП на исполняющее устройство (нагреватель) ИУ.

График зависимости выходного напряжения ТЭЯ от концентрации кислорода в диапазоне от 1 до 14 ^об.% при избыточном давлении газовой смеси от –3,9 до 4,4 кПа приведено на рисунке 5.

Из анализа приведенной зависимости (см. рис. 5) следует, что

1.Максимальный уровень выходного напряжения ТЭЯ отвечает минимальной концентрации кислорода C₀₂=1^об.% и минимальному избыточному давлению газовой смеси P₀=−3,9 кПа:

2. Минимальный уровень выходного напряжения ТЭЯ отвечает максимальной концентрации кислорода C₀₂=14^об.% и максимальному избыточному давлению газовой смеси P₀=+4,4 кПa:

Чувствительность ТЭЯ при изменении:

– концентрации кислорода

– избыточного давления

Для повышения чувствительности измерительного преобразователя концентрации кислорода, а также проведения масштабирования его выходного сигнала к унифицированному уровню необходимо использовать аналоговый блок усилителей. Выходной сигнал ТЭЯ является разностным дифференциальным сигналом напряжения. Для его усиления и преобразования к формату входных сигналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) необходимо использовать аналоговый блок для перехода от незаземленной к заземленной нагрузки, структурная схема которого приведена на рисунке 6.

Рисунок 7 – Структурная схема аналогового блока измерительного прибора концентрации кислорода

На рисунке 7 обозначено: ДУ – дифференциальный (разностный) усилитель; НП – нормирующий преобразователь; ΔU_ТЭЯ – выходной дифференциальный сигнал ТЭЯ; U_{ВЫХ НП} – выходной сигнал нормирующего преобразователя; U_{ВХ АЦП} – входной сигнал АЦП.

Дифференциальный усилитель выполняет вычитание выходного сигнала ТЭЯ и его предварительное усиление. Для уменьшения температурного дрейфа усилителя и увеличения коэффициента подавления синфазной составляющей во входном сигнале рекомендуется выбирать коэффициент передачи по напряжению ДП не более (10…15). Нормирующий преобразователь выполняет функцию масштабирования выходного сигнала измерительного канала к формату входного сигнала АЦП. Также НП устраняет аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности в аналоговом измерительном канале. Диапазон выходного сигнала НП составляет от 0 до +5 В.

5. Выводы

1. Разработанная математическая модель измерительного преобразователя концентрации кислорода на базе твердоэлектролитической ячейки, которая учитывает изменение комплекса дестабилизирующих факторов: атмосферного давления, избыточного давления; температуры дымовых газов

2. Для контроля концентрации кислорода в дымовых газах с относительной погрешностью не более ±5 % необходимо выполнять измерение избыточного давления в диапазоне от −3,9 до 4,4 кПа с относительной погрешностью не более ±5 % .

3. Разработаны требования к установке температуры плавным регулятором:
1. номинальное значение температуры твердоэлектролитической ячейки,^oС 750;
2. диапазон изменения установки температуры,^oC от 748 до 752;
3. значение абсолютной погрешности установки температуры,^oC ±0,3;
4. постоянная времени терморегулятора, c не более 10

4. При математическом моделировании средства измерения проведены оценки показателей чувствительности по выходному напряжению измерительного прибора концентрации кислорода в дымовых газах:
– при изменении концентрации кислорода 5,33 В/^об.%;
– при изменении избыточного давления 20,6 мВ/кПа.

5. Произведен расчет канала измерения температуры, который обеспечивает получение информации о изменении температуры твердоэлектролитической ячейки

6. В качестве регулятора температуры был выбран астатический двухпозиционный регулятор, который обеспечит необходимую плавность изменения температуры;

7.Представлена структурная схема, состоящая из канала измерения температуры твёрдоэлектролитической ячейки, регулятора температуры, подающего мощность от источника питания на исполнительный нагревательный элемент. Данная структурная схема позволит обеспечить температуру ячейки на уровне 750 ^оС, с точностью установки температуры не хуже ±2 ^оC.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года.

Список источников

1. Аналитическая химия: учебник: в 2-х кн., кн. 2: Физико-химические методы анализа / Под. ред. В.П. Васильева. – [5-е изд., стер.]. – М.: Дрофа, 2005. – 383 с.

2. Справочник химика: в 6 т. Т. 4: Аналитический анализ, спектральный анализ, показатели преломления /Под. общ. ред. Б.П. Никольского. – Л.: Химия Ленингр. отделение. – 1967. – 920 с.

3. Гофман М.А. Повышение точности измерения концентрации кислорода в цифровых твердоэлектролитных газоанализаторах / М.А. Гофман, М.В. Колечкин, О.И. Потатуркин, П.А. Чубаков // Автометрия. Российская академия наук. Сибирское отделение. – 2000. – № 6.– С. 82 – 87.

4. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И., Стаднык Б.И., Ярышев Н.А. Справочник: Температурные измерения – К.: Наукова думка, 1984 – 495 с.

5. Грабой Л.П., Ленская Л.П., Трощенко А.В. “Определение динамической ошибки регулирования двухпозиционного термостата”, Вопросы радиоэлектроники, ТРТО, вып. 1, 1971.

6. Дьяков В.И. Типовые расчеты по электрооборудованию, М., Высш. шк., 1991 – 158 с.

7. Вечер А.А. Твердые электролиты. / А.А. Вечер, Д.В. Вечер Д.В. Минск: Университетское изд., 1988. – 110 с.

8. Вовна А.В., Левшов М.М. Разработка математической модели измерительного прибора концентрации кислорода в дымовых газах. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. 2013г. г. Донецк.

9. Вовна А.В., Левшов М.М. Разработка блока контроля и регулирования температуры измерителя концентрации газов. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. 2014г. г. Донецк

10. Вимірювання температури: теорія та практика / Луцик Я.Т., Гук О.П., Лах О.І., Стадник Б.І. – Л. : Бескид Біт, 2006. – 559 с. – ISBN 966-8450-25-6