Устройство для микродозирования электропроводных жидкостей

 

Изобретение используется для дозирования малых количеств (менее 20 см³/ч) электропроводных жидкостей в технологические объекты, в частности в поток другой жидкости. В предлагаемом устройстве функции датчика расхода, компенсатора, сумматора, регулятора и регулирующего органа выполняют кондуктометрическая ячейка с ограничительным сопротивлением, причем кондуктометрическая ячейка подключена к источнику переменного напряжения параллельно электролизеру с выпрямителем, а ограничительное сопротивление включено между источником переменного напряжения и кондуктометрической ячейкой. Электролизер выполнен с разделенными пористой перегородкой катодной и анодной камерами. Газовая полость одной из камер соединена с атмосферой, а газовая полость другой камеры соединена с баком для дозируемой жидкости. Техническим результатом является повышение надежности работы микродозатора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для дозирования малых количеств (менее 20 см³/час) электропроводных жидкостей в технологические объекты, в частности в поток другой жидкости, например, воды.

Известно устройство для подачи жидкости, содержащее бак для хранения дозируемой жидкости и электролизер, связанный пневматической связью с баком. Бак соединен гидравлической связью с технологическим объектом и - пневматической связью с электролизером. Электролизер представляет собой сосуд с электролитом, в котором размещены два электрода. При подаче постоянного напряжения на электролизер на его электродах происходит электролитическое разложение воды, входящей в состав электролита, на водород и кислород. Образующаяся смесь газов вытесняет дозируемую жидкость в технологический объект. Данное устройство просто по конструкции и весьма надежно в эксплуатации, поскольку не содержит движущихся частей. Оно позволяет дозировать жидкости с очень малым расходом. Например, при токе электролиза 1 мА производительность дозатора составляет 0,6 см³/час [Абилов А.Г., Лютфалиев К.А. Автоматические микродозаторы для жидкостей. Библиотека по автоматике. М.: Энергия, 1975, вып. 545, с. 28].

Недостаток данного устройства состоит в том, что оно не может поддерживать постоянную концентрацию дозируемой жидкости в технологическом объекте при воздействии на объект различного рода возмущений, например, при изменении давления в объекте или при изменении протока технологической жидкости.

Наиболее близким к изобретению является микродозатор непрерывного действия, являющийся системой автоматического регулирования и состоящий из блока электролизера (включает источник переменного напряжения, выпрямитель и собственно электролизер), бака для дозируемой жидкости, датчика расхода и технологического объекта. Обратная связь системы регулирования состоит из компенсатора, сумматора и регулятора, выходной сигнал которого поступает на регулирующий орган. Бак для дозируемой жидкости соединен пневматической связью с электролизером и - гидравлической связью с технологическим объектом, в который нужно подавать дозируемую жидкость [то же, с. 30].

Недостатком данного устройства является его сложность и низкая надежность, обусловленная наличием многочисленных механических и электронных устройств.

Цель изобретения - повышение надежности работы микродозатора.

Поставленная цель достигается тем, что функции датчика расхода, компенсатора, сумматора, регулятора и регулирующего органа выполняют кондуктометрическая ячейка с ограничительным сопротивлением, причем кондуктометрическая ячейка подключена к источнику переменного напряжения параллельно электролизеру с выпрямителем, а ограничительное сопротивление включено между источником переменного напряжения и кондуктометрической ячейкой.

Электролизер выполнен с разделенными пористой перегородкой катодной и анодной камерами. Газовая полость одной из камер соединена с атмосферой, а газовая полость другой камеры соединена с баком для дозируемой жидкости.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство включает бак для дозируемой жидкости 1, электролизер 2 с выпрямителем 3, кондуктометрическую ячейку 4, ограничительное сопротивление 5, источник переменного напряжения 6 и технологический объект 7, в который поступает смесь дозируемой и технологической жидкостей. Сплошными линиями показаны электрические связи. Пунктирной линией показаны гидравлические связи: А - линия подачи технологической жидкости, например воды, Б - линия подачи дозируемой электропроводной жидкости. Штрихпунктирной линией показаны пневматические связи. Электролизер 2 имеет две отдельные камеры (катодная и анодная), разделенные пористой перегородкой. В камерах размещены соответствующие электроды, выполненные из инертного материала. Одна из камер, например, катодная (на чертеже изображена справа) имеет сообщение с атмосферой. Другая камера пневматической связью соединена с баком для дозируемой жидкости. Бак 1 соединен гидравлической связью с потоком технологической жидкости, а пневматической связью - с электролизером 2. Бак 1 сообщения с атмосферой не имеет. Выпрямитель 3 и ограничительное сопротивление 5 представляют собой известные, серийно выпускаемые элементы. Источник переменного напряжения 6, например, трансформатор должен вырабатывать знакопеременное напряжение, например, синусоидальное. Его величина должна быть не менее 2 В. Кондуктометрическая ячейка 4 представляет собой два электрода из инертного материала, погруженные в смесь дозируемой и технологической жидкостей. Технологическим объектом 7 является некоторая емкость, куда поступает смесь дозируемой и технологической жидкостей, его параметры существенно не влияют на работу устройства.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии (отсутствует напряжение питания) технологическая жидкость, например вода, поступает сначала в кондуктометрическую ячейку 4, а затем в технологический объект 7. Дозируемая жидкость при этом к технологической жидкости не добавляется, т.к. напряжение питания отсутствует, следовательно, электрический ток через электролизер 2 не проходит, на электродах электролизера 2 нет газовыделения, и дозируемая жидкость из бака 1 не вытесняется. При этом состав технологической жидкости, а, следовательно, и ее электропроводность не изменяются во времени.

При включении напряжения питания переменный ток от источника переменного напряжения 6 проходит сначала через ограничительное сопротивление 5, а затем разделяется на две части. Часть тока проходит через кондуктометрическую ячейку 4. Остальная часть, пройдя выпрямитель 3, проходит через электролизер 2. При этом на выпрямитель 3 с электролизером 2 и на кондуктометрическую ячейку 4 подается всегда одинаковое переменное напряжение, т.к. они включены параллельно. Величина тока, протекающего через кондуктометрическую ячейку 4, определяется ее параметрами (площадь электродов и расстояние между ними), электропроводностью технологической жидкости и величиной переменного напряжения, подаваемого на ее электроды. Величина тока, протекающего через электролизер 2, а следовательно, и объем выделяемых при этом газов - водорода и кислорода зависит от внутреннего сопротивления электролизера 2 и также от величины переменного напряжения, подаваемого на выпрямитель 3. При неизменных параметрах кондуктометрической ячейки 4 и фиксированной величине переменного напряжения, которое вырабатывает источник переменного напряжения 6, величина тока, протекающего через кондуктометрическую ячейку 4, зависит только от электропроводности смеси дозируемой и технологической жидкостей, которая находится в кондуктометрической ячейке 4. Через нагрузочное сопротивление 5 протекает ток всегда равный сумме токов, протекающих через электролизер 2 и кондуктометрическую ячейку 4. При этом на нагрузочном сопротивлении 5 возникает падение напряжения, зависящее от величины этого суммарного тока и величины самого нагрузочного сопротивления 5.

В установившемся режиме работы устройства на выпрямитель 3 электролизера 2 и на кондуктометрическую ячейку 4 подается некоторое переменное напряжение, достаточное для выделения газов в электролизере 2 с необходимой скоростью. При этом электролизные газы (в данном случае это кислород) вытесняют дозируемую жидкость из бака 1 с необходимой скоростью. Дозируемая жидкость смешивается с технологической жидкостью, благодаря чему электропроводность смеси этих жидкостей будет больше, чем электропроводность одной технологической жидкости, но будет оставаться неизменной во времени. При появлении возмущений, например, при изменении скорости протока технологической жидкости или при изменении ее состава устройство реагирует следующим образом.

Допустим, что увеличилась скорость протока технологической жидкости. В этом случае концентрация дозируемой жидкости в смеси уменьшится, электропроводность смеси также уменьшится, а значит, возрастет сопротивление кондуктометрической ячейки 4. Это вызовет уменьшение тока, протекающего через нее, а значит, и уменьшение общего тока, протекающего через нагрузочное сопротивление 5. Уменьшение общего тока ведет к уменьшению падения напряжения на нагрузочном сопротивлении 5, в результате чего от источника переменного напряжения 6 на электролизер 2 и на кондуктометрическую ячейку 4 начинает поступать большее напряжение. Рост напряжения на электролизере 2 ведет к увеличению тока через него, а значит, и к увеличению газовыделения. Поскольку электролизер 2 начинает вырабатывать больше газов, то из бака 1 вытесняется больше дозируемой жидкости. Ее концентрация в смеси жидкостей растет, а значит, растет и электропроводность смеси. Увеличение электропроводности смеси тотчас вызывает уменьшение сопротивления кондуктометрической ячейки 4, а значит, и некоторый рост тока, протекающего через нее. Увеличение тока через кондуктометрическую ячейку 4 вызывает увеличение общего тока. При этом возрастает падение напряжения на нагрузочном сопротивлении 5, а значит, уменьшается напряжение, подаваемое на электролизер 2 и на кондуктометрическую ячейку 4. Электролизер 2 начинает работать менее интенсивно и скорость подачи дозируемой жидкости снижается. Система снова приходит в состояние равновесия. В том случае, когда концентрация дозируемой жидкости в смеси жидкостей по каким либо причинам существенно превысит требуемую величину, напряжение, подаваемое на выпрямитель 3, снижается до такой величины, что электролизер 2 полностью прекращает свою работу.

Размещение электродов электролизера 2 в отдельных камерах, разделенных пористой перегородкой, исключает образование взрывоопасной смеси водорода и кислорода, выделяющихся при электролизе и одновременно расширяет функциональные возможности устройства в целом, т.к. позволяет осуществлять дозирование даже химически нестойких жидкостей, требующих для хранения наличия соответствующей атмосферы (окислительной или восстановительной).

Предлагаемое устройство является системой автоматического регулирования (стабилизации) заданного уровня электропроводности, в которой интенсивность реакции на возмущение зависит от величины самого возмущения, что способствует плавному, быстрому и точному регулированию. Кондуктометрическая ячейка 4 совместно с нагрузочным сопротивлением 5 выполняют функции сумматора, регулятора, компенсатора, датчика расхода, а также фактически - регулирующего органа.

С помощью данного устройства можно сравнительно просто устанавливать различные уровни (величины) электропроводности смеси дозируемой и технологической жидкостей путем изменения параметров кондуктометрической ячейки 4, нагрузочного сопротивления 5 и источника переменного напряжения 6.

Параметры электролизера 2 (площадь электродов, сопротивление электролита) также способны влиять на величину электропроводности смеси жидкостей, но на практике переходит на новый уровень электропроводности смеси жидкостей путем изменения параметров электролизера 2 весьма сложно и нецелесообразно.

Пример. Технологическая жидкость - питательная вода энергоблоков тепловой электростанции, имеющая электропроводность около 1 мкСм/см. Дозируемая жидкость - раствор щелочи NaOH с концентрацией 45%. Бак 1 для дозируемой жидкости имеет объем 1 дм³. Параметры электролизера 2: электролит - раствор КОН с концентрацией от 20 до 30%, площадь электродов - 20 см². Выпрямитель 3 - кремниевый выпрямительный мост КЦ 407А. Нагрузочное сопротивление 5 - 80 Ом. Источник переменного напряжения 6 - понижающий трансформатор, выдающий напряжение 8 В. Площадь электродов кондуктометрической ячейки 4 - 250 см².

При таких параметрах устройства и характеристиках используемых жидкостей устройство поддерживает электропроводность смеси питательной воды с раствором NaOH на уровне 100 ± 10 мкСм/см при изменении скорости протока питательной воды через кондуктометрическую ячейку в интервале от 0,08 до 0,5 дм³/мин. Время выхода электропроводности смеси на режим при ступенчатом изменении скорости протока питательной воды в указанных выше пределах составляет 5±1 мин. При прочих равных условиях изменение нагрузочного сопротивления с 80 до 40 Ом изменит уровень электропроводности смеси со 100±10 мкСм/см до 150±10 мкСм/см.

Время непрерывной работы устройства определяется главным образом запасом раствора NaOH в баке 1, скоростью протока питательной воды и уровнем поддерживаемой электропроводности. Так при скорости протока питательной воды 0,1 дм³/мин, ее электропроводности от 1 до 5 мкСм/см, уровне электропроводности смеси воды и раствора NaOH от 90 до 110 мкСм/см, концентрации раствора NaOH от 43 до 45% и заполненном баке 1 время непрерывной работы составляет 3 месяца. Скорость подачи раствора NaOH в данном случае составляет менее 0,5 см³/час. Мощность, потребляемая устройством, не превышает 1,5 Вт.

Данное устройство отличается высокой надежностью и стабильностью в работе, т.к. не содержит каких-либо исполнительных механических механизмов или трущихся и движущихся частей, позволяет с высокой точностью поддерживать электропроводность контролируемой смеси жидкостей. Температура технологической жидкости может быть практически любой в интервале от 0 до 100^oC.

Данное устройство можно применять взамен более дорогих и менее надежных электронно-механических устройств микродозирования, например, в аналитическом приборостроении, где требуемые скорости подачи различных реагентов составляют от 0,1 до 20 см³/час.

Формула изобретения

1. Устройство для микродозирования электропроводных жидкостей, включающее источник переменного напряжения, подключенный к электролизеру с выпрямителем, бак для дозируемой жидкости, соединенный с электролизером и технологическим объектом, датчик расхода добавляемого реагента, сумматор, компенсатор, регулятор и регулирующий орган, отличающееся тем, что функции датчика расхода, компенсатора, сумматора, регулятора и регулирующего органа выполняют кондуктометрическая ячейка с ограничительным сопротивлением, причем кондуктометрическая ячейка подключена к источнику переменного напряжения параллельно электролизеру с выпрямителем, а ограничительное сопротивление включено между источником переменного напряжения и кондуктометрической ячейкой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электролизер выполнен с разделенными пористой перегородкой катодной и анодной камерами, причем газовая полость одной из камер соединена с атмосферой, а газовая полость другой камеры соединена с баком.

РИСУНКИ

Рисунок 1