CC BY
111
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 621.316
Измерение расхода воды и выхода газов в электролизно-водных генераторах для паяльно-сварочных работ
Игорь Владимирович Варламов, д.т.н., проф., каф. «Информационные системы и инновационные технологии»
Николай Алексеевич Феоктистов, д.т.н., проф., первый проректор
Демьян Леонидович Михайлюк, аспирант, каф. «Информационные системы и инновационные технологии»
e-mail: [email protected]
НОУ ВПО «Институт государственного управления, права и инновационных технологий», Москва
Рассмотрены вопросы контроля параметров технологического процесса при использовании установок на базе электролизноводных генераторов; предложен новый метод контроля уровня электролита в электролизере, а также расхода воды и выхода газов в электролизно-водных генераторах, основанный на измерении количества электричества, прошедшего через электролизер, с последующей обработкой результатов измерений в микро- ЭВМ; представлены функциональные и электрические схемы обработки результатов измерений применительно к алгоритму работы технологических установок на базе электролизно-водных генераторов, используемых в технологии сварки и пайки.
The authors consider the problems of control of parameters of technological process during the using of the facilities on the basis of electrolysis-water generators. The article proposes a new method of control the level of electrolyte in the electrolyzer, as well as water consumption and output of gases in the electrolysis-water generators, based on measuring the quantity of electricity passed through the electrolyzer, with subsequent processing of measurement of results in micro-computers. The authors presented functional and electrical scheme of processing of measurement results with respect to the algorithm of the performance of technological units based on the electrolysis of water-generators that are used in the processes of welding and soldering.
Ключевые слова: измерение расхода воды и газа, электролизно-водный генератор.
Keywords: measurement of water and gas consumption, electrolysis-water generator.
Серьезной проблемой при создании автоматизированных технологических установок на базе электролизно-водных генераторов является организация системы измерения уровня электролита в электролизере. Дело в том, что этот параметр является определяющим в обеспечении стабильной и контролируемой работы электролизера, поскольку отвечает за электрические характеристики электролизера как приемника энергии. В процессе работы электролизера количество воды в нем уменьшается, вследствие чего увеличивается концентрация электролита и уменьшается активная площадь электродов. Чрезмерное повышение концентрации электролита и изменение плотности тока приводит к нарушению режима работы электролизера и, соответственно, электролизно-водно-
го генератора в целом. В химической, газовой, атомной и других отраслях промышленности [1, 2, 3] разработаны и успешно применяются разнообразные датчики уровня, использующие широкий спектр достижений микроэлектроники, а также принципов первичного преобразования информации в электрический сигнал - от простейших мерных трубок и поплавковых датчиков до весьма сложных систем с использованием ультразвукового и электромагнитного излучения.
Однако в реализованных до настоящего времени технологических установках на базе электролизно-водных генераторов, предназначенных, в частности, для использования в технологиях пайки и сварки, системы регистрации и измерения уровня электролита ограничены простейшими устрой-
Рис. 1. Функциональная схема устройства для измерения расхода воды и выхода Н2 и О2: 1 - трансформатор тока; 2 - интегратор; 3 - блок управления интегратором; 4 - микроконтроллер; 5 - индикатор расхода воды и газов; 3 - электрический ток, протекающий через электролизер
ствами для визуального контроля. По мнению авторов, это связано с электропроводностью и чрезвычайно высокой проникающей способностью используемого электролита, а также с возможностью загрязнения электролита и с пенообразованием.
При работе с горелкой вручную оператор, как правило, имеет возможность визуально контролировать уровень электролита, а также изменять, при необходимости, режим работы горелки. В автоматическом режиме система должна, как минимум, сигнализировать о чрезмерном расходе дистиллированной воды в электролизере.
В связи с вышеизложенным целесообразно рассмотреть вариант измерения не уровня электролита, а расхода воды в составе электролита начиная с момента начальной зарядки (максимальный рабочий уровень электролита). В этом случае измерение расхода электроэнергии позволяет (в соответствии с законом Фарадея) определить с хорошей точностью (около 98%) расход воды, а также выход газов (водород, кислород, «гремучий газ» (2Н2 + О2)) [4]. Если сказать более корректно, то задача сводится к регистрации количества электричества, проходящего через электролизер, что может быть сделано, в принципе. как по цепи постоянного, так и по цепи переменного тока (до выпрямителя). В соответствии с теорией, на одну пару электродов (анод + катод) электролизера при электролизе диссоциирует 0,9 • 10- кг/Кл воды и генерируется 11,8 • 10-5 л/Кл водорода, 6 • 10-5 л/Кл кислорода (при нормальном давлении) и 17,8 -10-5 л/Кл смеси газов (2Н2 + 02). _^
Для построения ЭЛектри РцС- 2. Схема трансформатора постоянного тока на базе линейного оптрона НСЫЯ200/1: ческой схемы устройства целе- з л - Ток, протекающий через электролизер; Яш - сопротивление шунта; СБ - светодиод сообразно использовать функ- оптрона ЫСКЯ200/1; ФБ1 - фотодиод обратной связи оптрона; ФБ2 - сигнальный фото-циональную схему, приведен- диод оптрона
ную на рис. 1. Основным узлом схемы является трансформатор тока 1. От него зависит корректность проводимых измерений.
На трансформатор тока возлагаются две основные функции: передача тока из первичной (силовой) цепи во вторичную по возможности без искажений и с необходимым для измерений коэффициентом трансформации, а также обеспечение надежной изоляции первичной и вторичной (измерительной) цепей. Выбор типа трансформатора тока определяется исходя из принятой системы регулирования потребляемой электролизером мощности. Так, при управлении по углу зажигания кривая тока и на стороне переменного тока, и в цепи постоянного тока, непосредственно питающей электролизер, носит явно несинусоидальный характер. Для этого случая необходимо использовать один из вариантов трансформатора постоянного тока [5]. В случае использования классического варианта трансформатора постоянного тока на базе ферромагнитных магнитоприводов с регулируемой индукцией реализуется функция изоляции измерительной цепи от силовой, однако здесь необходим дополнительный изолированный источник переменного тока повышенной частоты. Возможно, в принципе, использование одного из вариантов оптоэлектронного трансформатора тока [5]. Такие трансформаторы постоянного тока могут с минимальными искажениями передать в измерительную цепь в аналоговой форме информацию о токе, протекающем в первичной цепи. Однако и здесь требуется дополнительный изолированный от измерительной цепи источник питания. На рис. 2 в качестве иллюстрации приведена принципиальная схема оптоэлектронного трансформатора тока на базе линейного оптрона ИСКЯ200/1 фирмы «Ауа§о».
Если ориентироваться на «пульсовую» схему питания электролизера [6], когда сила тока через электролизер неизменна и равна оптимальной для данной конструкции величине, а моменты включения и выключения определяются датчиками давления, то задача организации системы регистрации количества электричества, проходящего через электролизер, упрощается. Действительно, поскольку в этом случае в цепи питания электролизера до выпрямителя протекает преимущественно синусоидальный электрический ток, можно использовать классический трансформатор тока с последующим выпрямлением его в режиме близком к режиму короткого замыкания. Далее, в соответствии со схемой рис. 1, электрический ток интегрируется (блок 2), результаты интегрирования обрабатываются микроконтроллером 4 и индицируются (блок 5). С целью расширения диапазона измерений в функциональной схеме предусмотрен управляющий блок 3, который по сигналу от микроконтроллера обнуляет аналоговую память интегратора 2 при ее переполнении, что сопровождается соответствующей записью в памяти микроконтроллера 4. Таким образом достаточно просто решается проблема контроля расхода воды в автоматизированных установках на базе электролизно-водных генераторов.
В качестве примера реализации такой системы измерений была собрана электрическая схема, приведенная на рис. 3. На этом рисунке штрих-пунктирной линией выделены основные функциональные блоки схемы измерений. Электрический сигнал, пропорциональный протекающему по электролизеру току, поступает на вход интегратора (блок 1), который собран на базе отечественного операционного усилителя КР1407УДЗ и заряжает конденсатор С4. Информация о накопленном заряде (аналоговое значение напряжения и на конденсаторе) через формирователь (блок 2) поступает на аналоговый вход микроконтроллера (блок 3), преобразуется в цифровую форму и сравнивается с записанным в памяти контроллера некоторым значением напряжения и0. При достижении и > и0 в накопительную память контроллера записывается единица («1»). Это есть одна «порция» количества электричества. Одновременно на выходной порт контроллера поступает сигнал логической единицы («лог1»), который открывает оптоэлектронное реле КР293КП1А (блок 1). Контакты реле «замыкаются», и конденсатор С4 раз-
ряжается за некоторое время (разр). По истечении этого времени сигнал «лог1» с выходного порта снимается, контакты оптоэлектронного реле «размыкаются» и вновь начинается процесс зарядки конденсатора С4. При достижении и > и0 процесс записи и обнуления повторяется. Одновременно с этим осуществляется опрос памяти (где записано число «порций» количества электричества).
При получении команды индикации интегрального расхода электроэнергии с пульта управления (рис. 3) решается уравнение
еп = ктcиN, (1)
где Кт - коэффициент трансформации; С - емкость конденсатора С4; и0 - пороговое напряжение на конденсаторе; N - число циклов зарядки конденсатора.
По интегральному расходу электроэнергии за время работы определяется расход воды, кг:
Ж = дп ■ 0,9 ■ 10-7, (2)
а также соответствующие выходы газовой смеси аС = 17,8-105 -<2п; водорода = 11,8-10-5 -<2п и кислорода = 6 -10-5- 0п в литрах при нормальном давлении.
Текущий расход смеси, водорода и кислорода определяется путем подсчета числа «порций» количества электричества за определенный отрезок времени (например, за 1 мин) и отображается на индикаторе при наличии соответствующей команды. Также в схеме предусмотрена выдача светового и звукового сигналов при перерасходе воды.
В заключение следует заметить, что измеренное
значение выхода газов показало достаточно хорошее
совпадение с результатами измерений традиционными расходомерами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Наука. 1983.
2. Шкатов Е.Ф. Технологические измерения и КИП на предприятиях химической промышленности. М. 1986.
3. Хаксуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. Учеб. пособие для техникумов. М.: Изд-во стандартов. 1990.
4. Прикладная электрохимия // Под ред. Н. Т. Кудрявцева. М.: Химия. 1975.
5. Афанасьев В. В., Адоньев Н. М. и др. / Трансформаторы тока. Л.: Энергоатомиздат. 1989.
6. А. с. № 1754798. Устройство автоматичного правления процессом электролиза воды для получения водорода и кислорода. Варламов И. В., Феоктистов Н. А // Бюлл. изобр. 1992. № 30.
Поступила 09.06.2011 г.
