Лєвшов Михайло Михайлович

E – е. р. с. твердоелектролітіческой осередку, В; R – універсальна газова стала, ДЖ / моль; T – температура твердоелектролітіческой осередку за абсолютною шкалою, К; F – постійна Фарадея, Кл / моль; p^` і p^`` – парціальні тиску кисню в вимірювальної середовищі та в атмосферному повітрі, Па .

Рисунок 1 – Принцип дії твердоелектроітной комірки (анімація: 5 кадрів, 5 циклів, 106 Kb)

Е. р. с. твердоелектролітіческой комірки (ТЕЯ) визначають як різницю двох електродних потенціалів: потенціалу робочого електрода і електрода порівняння. Якщо електрод порівняння омивається киснем з атмосферним тиском P ₀ = 101,325 кПа, а концентрація кисню в атмосфері становить C₀₂ = 20,94 ^об. %, то парціальний тиск кисню в атмосфері може бути розраховане по такому співвідношенню (2) [2]:

З аналізу зміни парціального тиску видно, що:

– при зміні концентрації кисню в атмосфері від 19 до 20 ^об.% при незмінному атмосферному тиску P ₀ = 101,3 кПа відносне зміна парціального тиску становить:

– при зміні атмосферного тиску від 84 до 106,7 кПа при незмінній концентрації кисню в атмосфері C₀₂ = 20,94 ^об.% відносна зміна парціального тиску:

Тому для контролю концентрації кисню в димових газах котлів з відносною похибкою не більше ±5 % необхідно виконувати вимірювань атмосферного тиску в діапазоні від 84 до 106 кПа з відносною похибкою вимірів не більше ±5 %.

Надмірний тиск контрольованої газової суміші змінюється в діапазоні від −3,9 до + 4,4 кПа. З аналізу характеристики зміни парціального тиску кисню в аналізованої газової суміші видно, що при зміні надлишкового тиску димових газів від −3,9 до 4,4 кПа при незмінній концентрації кисню 1,0 ^об.% відносна зміна парціального тиску становить:

Тому для контролю концентрації кисню в димових газах з відносною похибкою не більше ±5 % необхідно виконувати вимірювання надлишкового тиску в діапазоні від −3,9 до 4,4 кПа з відносною похибкою не більше ±5 %.

На підставі експериментальних даних визначення е. р. с. зсуву [3], які проведені при рівності концентрацій кисню на електродах. Температура управлялася за допомогою програмного регулятора. Виміри проведені в двох різних режимах:

– плавна зміна температури в діапазоні від 749 до 775 ^оC (ΔT = 26 ^оC) при цьому діапазон зміни е. р. с. зсуву становив від 1,7 до 2,05 мВ (див.рис. 1, а );

– періодична зміна температура в діапазоні від 749,6 до 750,3 ^оC (ΔT = 0,7 ^оC) з інтервалом 10 с., діапазон зміни е. р. с. зсуву в даному експерименті становив від 1,85 до 2,15 мВ (див.рис. 1, б).

З аналізу отриманих результатів (див.рис. 1) випливає, що залежність е. р. с. від температури більш ніж на порядок нижче, ніж від її проізводной за часом. Процеси теплопровідності, що відбуваються в корпусі вимірювального перетворювача, мають різні швидкості поширення тепла в комірці. Тому температура розподілена за обсягом нерівномірно: на торцевих поверхнях, де розташовані електроди, вона має різне значення. У результаті різниці температур в твердому електроліті виникає термо-е. р. с., яка при рівності концентрацій кисню на електродах призводить до появи юелектріческого напруги на комірці. У разі нерівних концентрацій кисню термо-е. р. с. вносить додаткову різницю потенціалів, і визначення концентрації за допомогою рівняння Нернста, при концентрації кисню 10 ^об. % термо-е. р. с. величиною 1 мВ призводить до похибки не більше 0,3 ^об.%

У зв’язку з цим для зменшення змінної складової е. р. с. зсуву, що в свою чергу зменшує похибка вимірювання концентрації кисню, необхідно використовувати плавний регулятор температури чутливого елемента. Внаслідок цього температурна нерівномірність за обсягом термоелектролітіческой осередку зводиться до мінімуму.

Вимоги до установки температури плавним регулятором:

1. номінальне значення температури твердоелектролітіческой осередку, ^oС 750;

2. діапазон зміни установки температури, ^oC від 748 до 752;

3. значення абсолютної похибки установки температури, ^oC 0,3;

4. постійна часу терморегулятора, c не більше 10

Регулювання температури ТЕЯ здійснюється за допомогою нагрівача всередині вимірювального перетворювача. Напруга, що подається на нагрівач, регулюється в вимірювальному блоці.

Як засіб вимірювання температури твердоелекторлітіческой осередку вирішено використовувати платиновий терморезистор, включений в одне з плечей вимірювального моста.

Для вирішення завдання вимірювання температури рекомендується проводити балансування вимірювального моста при Т = 0 ^oС. Струм, що протікає через плече вимірювального мосту рекомендуюется вибирати порядку (5...10) мА. Напруга живлення моста прийнято рівним 1.5 В. Напруга на виході вимірювального моста описується виразом (3) [4].

Для приведення вихідного напруги вимірювального моста до уніфікованого вигляду (0...5) В для зручності його подальшої обробки до його виходу підключений нормуючий перетворювач (рис 2).

Вихідний сигнал нормирующего перетворювача, що несе в собі інформацію про зміні температури надходить на астатичний двохпозиційних регулятор, із зоною неоднозначності представленої виразом (4) [5].

Сталий режим роботи блоку контролю і регулювання температури, відповідний рис.3, прийнято називати квазістаціонарним або режимом автоколивань. Відмінною особливістю цього режиму є наявність стійких гармонійних коливань температур кожного з елементів блоку навколо відповідного їм стаціонарного рівня. Даний режим дозволить здійснити плавне регулювання температури твердоелектролітіческой осередки [5]:

У точці 1, що відповідає температурі термостатування нагрівання об’єкта не припиняється, а продовжується за рахунок нечутливості регулятора далі, до точки 2. Зона нечутливості 2ε складається в основному, з величини, обумовленої тепловою інерцією датчика і величини, обумовленої часом спрацьовування реле. У точці 2 відбудеться відключення нагрівального елемента. Однак температура буде зростати до точки 3 внаслідок теплової інерції об’єкта, а потім почне падати по кривій 3-6. У точці 5 станеться включення нагрівача [5].

Для складання математичної моделі роботи регулятора в режимі автоколивань необхідно провести ряд експериментів для отримання точних значень теплопровідності між аналізованої газової сумішшю і елементами вимірювача.

В якості виконавчого нагрівального елемента обраний вольфрамовий спіральний нагрівальний елемент, були розраховані його основні параметри:

Корисне і загальна кількість теплоти кДж, необхідної для підвищення температури нагрівається матеріалу до заданої величини [6] (5):

Потужність, кВт, нагрівального приладу визначають за формулою (6):

Визначення сили струму, А, нагрівального елемента для однофазної мережі здійснюється за формулою (7):

Допустима поверхнева питома потужність, тобто потужність, що виділяється з одиниці зовнішньої поверхні нагрівача (8):

Діаметр, м, нагрівача круглого перетину (9):

Питомий опір нагрівального елемента при різній температурі нагріву (10):

Довжина, м, нагрівального елемента визначається за формулою (11) [6]:

Виходячи з вищесказаного, запропонована наступна структурна схема системи терморегулювання:

Інформація про зміну температури об’єкта терморегулювання ОТ через терморезистор включений в вимірювальний міст ВМ надходить на нормуючий перетворювач НП. Нормуючий перетворювач НП підсилює сигнал моста, до рівня необхідного для регулятора температури РТ. Залежно від отриманого сигналу регулятор температури РТ змінює подачу потужності від джерела живлення ДЖ на виконуючий пристрій ( нагрівач ) ВП.

Графік залежності вихідної напруги ТЕЯ від концентрації кисню в діапазоні від 1 до 14 ^об.% при надмірному тиску газової суміші від −3,9 до 4,4 кПа наведено рисунку 6.

З аналізу наведеної залежності (див. рис. 6) випливає, що

1. Максимальный рівень вихідної напруги ТЕЯ відповідає мінімальній концентрації кисню C₀₂ = 1 ^об.% і мінімального надлишкового тиску газової суміші P₀ = −3,9 кПа:

2. Мінімальний рівень вихідної напруги ТЕЯ відповідає максимальної концентрації кисню C₀₂ = 14 ^об.% і максимальному надмірному тиску газової суміші P₀ = +4,4 кПа:

Чутливість ТЕЯ при зміні:

– концентрації кисню

– надмірного тиску

Для підвищення чутливості вимірювального перетворювача концентрації кисню, а також проведення масштабування його вихідного сигналу до уніфікованого рівню необхідно використовувати аналоговий блок підсилювачів. Вихідний сигнал ТЕЯ є різницевим диференціальним сигналом напруги. Для його посилення і перетворення до формату вхідних сигналів аналого-цифрового перетворювача (АЦП) необхідно використовувати аналоговий блок для переходу від незаземленої до заземленої навантаження, структурна схема якого наведена на рис 6.