Ионоселективный датчик-анализатор для построения автоматизированного информационно-измерительного комплекса в системе водоснабжения нефтеперерабатывающего производства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

М. Ю. Васильева, Т. В. Карпова ИОНОСЕЛЕКТИВНЫЙ ДАТЧИК-АНАЛИЗАТОР ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА В СИСТЕМЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА

Ключевые слова: датчики-анализаторы, автоматизированная информационно-измерительная система, сенсорный датчик

электрохимический метод анализа.

Предложен ионоселективный датчик-анализатор, реализующий эффективный мониторинг, контроль и предоставление информации о концентрации нежелательных примесей в системе промышленного водоснабжения. Контроль концентрации нежелательных примесей осуществляется электрохимическим методом анализа. Рассмотрена возможность построения автоматизированной информационноизмерительной системы на базе низкоскоростной компьютерной сети с использованием предложенного сенсорного датчика. Показан эффект от внедрения в систему очистки ионоселективного датчика-анализатора.

Keywords: sensors-analyzers, automated information-measuring system, touch sensor,electrochemical method of analysis.

Proposed ion-selective sensor analyzer that provides effective monitoring, control and information about the concentration of unwanted impurities in the industrial water supply. Controlling the concentration of unwanted impurities is carried out by an electrochemical method of analysis. The possibility of building automated information-measuring system based on low-speed computer network using the proposed sensor. Shows the effect of the introduction of ion-selective sensor cleaning system analyzer.

Введение

Среди первой десятки крупнейших корпораций в мире, шесть компаний являются нефтяными. При этом все современные предприятия нефтехимической отрасли имеют острую потребность в интенсификации своих производственных процессов. Эффективность производства на любом нефтехимическом комплексе тесно связана с необходимостью использования огромного количества очищенной воды и большого сброса загрязненных стоков, что вызывает крупные финансовые издержки компании.

Постановлением Правительства от 01.07.2005 № 410 установлено, что норматив платы за сбросы взвешенных веществ применяется с использованием коэффициента, определяемого как величина, обратная сумме допустимого увеличения содержания взвешенных веществ при сбросе сточных вод к фону водоема и фоновой концентрации взвешенных веществ в воде водного объекта, принятой при установлении нормативов предельно допустимых сбросов

загрязняющих веществ. Таким образом, в соответствии с действующим законодательством плата за сбросы загрязняющих веществ в водные объекты определяется путем умножения соответствующих нормативов платы с учетом установленных поправочных коэффициентов на массы фактических сбросов по каждому

загрязняющему веществу и суммирования полученных произведений. Следует также отметить, что согласно действующему законодательству внесение платы за негативное воздействие на окружающую среду не освобождает субъектов хозяйственной и иной

деятельности от выполнения мероприятий по охране окружающей среды и возмещения вреда окружающей среде (пункт 4 статьи 16 Закона об охране окружающей среды).

В нефтеперерабатывающем производстве от электрообессоливающих установок и сырьевых парков поступают сточные воды, содержащие эмульгированную нефть и большое количество растворенных солей (по преимуществу хлористый натрий). Содержание нефти в этих стоках сильно колеблется и достигает до 30-40 г/л, что связано с негерметичностью технологического оборудования и недостаточно квалифицированной эксплуатацией технологических установок. Содержание хлоридов составляет 10-15 г/л. Высокий солевой состав этих вод не позволяет использовать их в оборотном водоснабжении и влечет тем самым серьезные финансовые потери на предприятии [1]. Исходя из вышесказанного, очевидно, что повышение результативности современного производственного процесса невозможно без автоматизации процесса очистки промышленных стоков.

Одним из наиболее эффективных путей решения данной проблемы является установка современных очистных сооружений и введение оборотной системы водоснабжения на предприятии. Вариантом подобного решения является возможность очистки образующихся сточных вод непосредственно у источников их образования, например, после электродегидратора. Однако это требует присутствия систем контроля уровня очистки стоков на данном этапе.

Электрохимический метод анализа примесей

Каждое химическое вещество,

содержащееся в воде, можно определить, используя определенные методы и методики аналитического контроля. Существуют государственные стандарты (ГОСТы), регламентирующие, какое соединение, каким методом и с помощью какого оборудования

нужно определять. Многие загрязнители в воде можно обнаруживать разными способами, на разном аналитическом оборудовании, однако, точность методик анализа различна. Поэтому следует всегда использовать только стандартизованные и аттестованные методики (ГОСТ, РД, ПНД Ф) определения химического состава питьевой, природной и сточной воды.

Наиболее широко в современной

промышленности применяются электрохимические методы анализа, основанные на процессах, протекающих на электродах или межэлектродном пространстве. Они являются одними из старейших физико-химических методов анализа (некоторые

описаны в конце 19 века). Основу химических источников тока составляют два электрода (анод, содержащий окислитель, и катод, содержащий

восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов - электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительновосстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Так при электролизе концентрированных растворов хлористого натрия соотношение потенциалов разрядов ионов изменяется, обратимый потенциал разряда ионов ОН - остается менее положительным, чем, обратимый потенциал разряда ионов С1 - в насыщенном растворе хлористого натрия. При увеличении концентрации ионов ОН или снижении концентрации ионов О соотношение потенциалов разряда этих ионов и, соответственно, скоростей их разряда меняется, и доля тока, затрачиваемого на выделение кислорода, возрастает. Если в электролите находятся примеси таких ионов, как ОН -, ОС1, С1Сз -, SOj -, HSOj и др., возможны значительные потери выхода по току. Особенно сильно на выход по току влияют примеси ионов ОН и ОО. Примеси значительного количества сульфатов и хлоратов также снижают выход по току. Достоинством метода является высокая точность и сравнительная простота, как оборудования, так и методик анализа. Однако зачастую подобные станции требуют обслуживания высококвалифицированным

персоналом, и дополнительное содержания лаборатории для постоянного мониторинга.

Интенсифицировать процесс очистки промышленных стоков, а также обеспечить возможность внедрения оборотной системы водоснабжения возможно при установке в данную систему очистки высокочувствительных датчиков, реализующих контроль и предоставление информации в доступном текстовом виде.

В предложенном варианте исполнения контроль уровня очистки и передача этой информации осуществляется посредством сенсорного датчика. Создание ионоселективных датчиков-анализаторов

реализует возможность построения

автоматизированной информационно-

измерительной системы на базе низкоскоростной компьютерной сети. Система может предусмотреть передачу информации по проводам или с помощью радио- и телеметрических передающих устройств, а сами анализаторы могут иметь звуковую или световую сигнализацию. При аварии сенсоры способны включить автоматическую систему немедленного реагирования и сигнализировать соответствующим службам о появлении тех или иных загрязняющих веществ.

Описание датчика

Устройство, предназначенное для

детектирования присутствия или отсутствия в водном образце окислительно-восстановительного реакционно-способного анализируемого вещества, содержит электрохимическую ячейку, имеющую сенсорную камеру, первый электрод, второй электрод, отверстие для введения образца в сенсорную камеру и реагент, содержащийся внутри сенсорной камеры (рис. 1).

Лия/

/, «.ту. -

усилит,

Цшйарштш/

1/ситт,

ИтЛунщ)

АнттщррсЛп)

фРпОрагЛтр/ь

т

Чптлпь

nmu.iv

Пщшшртщ).

Диши

Рис. 1 - Принципиальная блок-схема

ионоселективного датчика

Сигналы с выхода потенциометрической ячейки в виде напряжений постоянного тока поступают на входной преобразующий усилитель, с входным сопротивлением.

Входной преобразующий усилитель состоит из модулятора и полосового усилителя и предназначен для преобразования постоянного напряжения, поступающего на вход усилителя, в пропорциональное ему переменное напряжение.

Согласование диапозонов сигналов ионослективного электрода и аналого-цифрового преобразователя, а также предцифровая фильтрация сигналов производится с помощью полосового усилителя.

Затем сигнал, с целью увеличения мощности, проходит через предворительный усилитель и попадает в демодулятор. Функцией демодулятора является снижение шумов. Далее, после дополнительного усилителя мощности ток возвращается обратно в ячейку, за счет чего возникает цикличность работы прибора.

Обработанный же сигнал через аналогоцифровой преобразователь, посредством микроконтроллера выводится на дисплей в доступной для рядового пользователя форме.

Аналого-цифровой преобразователь

предназначен для преобразования непрерывно

изменяющейся во времени аналоговой величины в эквивалентные ей значения числовых кодов. Объем FLASH-памяти предлагаемого микроконтроллера составляет 32кБ.

Входной преобразующий усилитель обеспечивает требуемое усиление сигнала (рис. 2). Важной частью усилителя-преобразователя является входной блок, состоящий из фотоэлектронного модулятора и полосового усилителя.

Входной блок предназначен для преобразования при помощи фотоэлектронного модулятора постоянного напряжения, поступающего на вход усилителя, в пропорциональное ему переменное напряжение.

и, с: с» —> . II -.11 г- 1 1— 1

1

II ' 2^ =« | ... о*. ш г*

0™

1

НюечаЫке

г •V

-V

виад

>■ /Щмтир

’Г . . ■ ■

Рис. 2 - Принципиально-электрическая схема

входного преобразующего усилителя

Фотоэлектронный модулятор состоит из фоторезистора и светодиода. Конструктивно они расположены в одном корпусе. Возбуждение светодиода осуществляется практическими импульсами тока от генератора управляющих импульсов. Световые импульсы от светодиода периодически переводят фоторезистор в проводящее состояние.

При измерении анализируемого вещества, присутствующего в образце, образец вводится в сенсорную ячейку, при этом образец вступает в реакцию с окислительно-восстановительным реагентом, присутствующим в ячейке, с образованием восстановленной или окисленной формы окислительно-восстановительного реагента. В случае потенциометрического сенсора полученное в результате отношение окисленной и восстановленной форм реагента фиксирует потенциал сенсорного электрода по отношению к электроду сравнения. Затем этот потенциал используется в качестве меры исходной концентрации анализируемого вещества в образце.

В предпочтительном варианте исполнения сенсорная ячейка работает в качестве амперометрического сенсора. В соответствии с этим вариантом воплощения восстановленный (или

окисленный) реагент, образующийся при

взаимодействии с выбранными анализируемыми веществами, электрохимически окисляется (или восстанавливается) на сенсорном электроде.

Предполагается использование индикаторного серебреного электрода с диаметром 0,5-1,5 мм и

сравнительного стеклянного электрода [2]. Ток, возникающий в результате этой электрохимической реакции, затем используется для измерения исходной концентрации анализируемого вещества в образце.

Электроды ячейки используются для генерации электрического сигнала, т. е. напряжения или тока, который может считываться присоединенным измерителем. В предпочтительном варианте исполнения предусматривается интерфейс для присоединения ячейки к измерителю. Измеритель может отображать измерение в визуальной, аудио или иной форме, либо может хранить измерение в электронной форме.

Ионоселективная ячейка может быть представлена в качестве капельного элемента, для постепенного расхода содержащегося реагента. При этом химический реагент в жидкой форме должен иметь температуру застывания ниже минимально возможной температуры окружающей среды района [3]. В отдельных случаях допускается применение порошкообразных химических реагентов в ячейке с системой элементарной дозации.

Датчики-анализаторы достаточно компакты, что позволяет использовать их не только в качестве стационарной измерительной системы, но и в виде портативного устройства, например для определения уровня загрязнения стоков после промывки железнодорожных цестерн.

Выводы

Предложенные в работе датчики-анализаторы реализуют контроль и предоставление информации в доступном текстовом виде и предоставляют возможность построения

автоматизированной информационно-

измерительной системы на базе низкоскоростной компьютерной сети. Допустимый предел рабочей области температуры окружающей среды для датчиков с классом точности от 0,02 до 0,1 составляет +/-20°С. Внедрение в систему очистки сенсорного датчика позволяет автоматизировать управление системой оборотного водоснабжения и обеспечивает эффективный мониторинг содержания нежелательных примесей.

Литература

1. Минлигулова, Г.А. Исследование очистки сточных вод, содержащих ионы тяжёлых металлов ОАО «КАМАЗ», стоками нефтехимических производств / Г.А. Минлигулова, И.Г. Шайхиев // Вестник КГТУ. -2011. - №6 - С.166-172.

2. ГОСТ 21534-76. Нефть. Методы определения содержания хлористых солей. Технические требования. - Введ. 1977-01-01. -

М.: Изд-во стандартов, 2006. - 11 с.

3. Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической технологии / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, З.К. Соломон. - М.: Химия, 1967. - 848 с.

© М. Ю. Васильева - канд. техн. наук, доц. каф САУТП КНИТУ, marinav@inbox.ru; Т. В. Карпова - магистр КНИТУ.