устройство для автоматического контроля изменения жесткости воды в водо-водяном подогревателе

Формула изобретения

Устройство для автоматического контроля изменения жесткости воды в водо-водяном подогревателе, содержащее размещенные в проточной камере датчик температуры и потенциометрическую ячейку, измерительный усилитель, к трем входам которого подключены выход датчика и электроды ячейки, устройство обработки результатов измерений, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, и программное устройство, первый выход которого соединен со вторым входом устройства обработки результатов измерений, а второй подключен к управляющему входу коммутирующего устройства, отличающееся тем, что в него введены размещенные в отдельной проточной камере дополнительные датчик температуры и потенциометрическая ячейка, выходы которых подключены к соответствующим входам дополнительного измерительного усилителя, выход которого соединен с третьим входом устройства обработки результатов измерений, и генератор сенсибилизирующего напряжения, выходы которого через коммутирующее устройство подключены к электродам основной и дополнительной потенциометрических ячеек, а каждая из потенциометрических ячеек выполнена в виде открытого с одной торцевой стороны полого цилиндра, боковая поверхность которого является одним из электродов ячейки, и расположенного внутри него вдоль оси второго электрода, в качестве проточных камер используются подводящий к подогревателю и отводящий от него греющую воду трубопроводы, причем оба электрода являются измерительными.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрохимии, а именно к средствам измерения химического состава веществ, и может быть использовано, например, для автоматического контроля изменения жесткости греющей воды в водо-водяном подогревателе с целью выявления утечек внутри него.

В водо-водяных подогревателях греющая вода отделена от нагреваемой воды теплообменной поверхностью. При нарушении целостности поверхности из-за разности давлений происходит утечка нагреваемой (сырой) воды в контур греющей (химически подготовленной) воды, что ведет к изменению химического состава и физико-химических свойств последней. При отсутствии утечки греющая вода на входе и выходе из теплообменника отличается только температурой. Ее химический состав одинаков. При наличии утечки греющая вода на входе и выходе из теплообменника отличается как по температуре, так и по химическому составу. В настоящее время химический состав греющей воды, а значит и целостность теплообменных поверхностей, контролируется посредством отбора проб и последующего их лабораторного анализа.

Известна микролаборатория на базе микропроцессорного анализатора "ЭКОТЕСТ-2000" с набором ионоселективных электродов серии "ЭКОМ" [1], разработанная для анализа химического состава жидкостей путем определения содержания в них различных ионов (Сl^-, Pb²⁺, NO₃ ^-, Са²⁺, Na⁺ и других), которая может быть использована для определения жесткости воды. Основным недостатком данного устройства является то, что оно предназначено для работы в лабораторных условиях с пробами воды при нормальном атмосферном давлении и температуре не выше 45^oС.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому устройству является автоматический анализатор остаточного активного хлора [2], предназначенный для контроля обеззараживания питьевой воды на водоочистных станциях. Анализатор содержит потенциометрическую ячейку с четырьмя электродами, впускным клапаном и мешалкой, датчик температуры, размещенные в проточной камере, емкость с фоновым электролитом, соединенную с потенциометрической ячейкой через дозатор, управляющий вход которого подключен к третьему выходу программного устройства, первый и второй выходы которого подключены соответственно к впускному клапану и мешалке, измерительный усилитель, первый и второй входы которого соединены с двумя электродами ячейки, а третий - с датчиком температуры, устройство обработки результатов измерений, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя. Третий и четвертый электроды ячейки соединены с выходом генератора тока через коммутирующее устройство, к управляющему входу которого подключен четвертый выход программного устройства, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами устройства обработки результатов измерений.

Недостатком этого устройства является наличие потенциометрической ячейки с вводимым фоновым электролитом, поскольку условия эксплуатации водо-водяных подогревателей не позволяют полностью исключить опасность попадания фонового электролита как в греющую, так и в нагреваемую воду. Кроме того, жесткость воды, поступающей в теплообменник, может изменяться, а устройство-прототип не позволяет судить о свойствах исходной воды.

Целью изобретения является создание автоматического устройства контроля жесткости греющей воды, позволяющего в режиме реального времени выявлять утечки в водо-водяных подогревателях по изменению ее физико-химических свойств.

Поставленная цель достигается за счет того, что в устройство, содержащее размещенные в проточной камере датчик температуры и потенциометрическую ячейку, измерительный усилитель, к трем входам которого подключены выход датчика и электроды ячейки, устройство обработки результатов измерений, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, и программное устройство, первый выход которого соединен со вторым входом устройства обработки результатов измерений, а второй подключен к управляющему входу коммутирующего устройства, введены размещенные в отдельной проточной камере дополнительные потенциометрическая ячейка и датчик температуры, выходы которых подключены к соответствующим входам дополнительного измерительного усилителя, выход которого соединен с третьим входом устройства обработки результатов измерений, и генератор сенсибилизирующего напряжения, выходы которого через коммутирующее устройство подключены к электродам основной и дополнительной потенциометрических ячеек, в качестве проточных камер используются подводящий к подогревателю и отводящий от него греющую воду трубопроводы, а каждая из потенциометрических ячеек выполнена в виде открытого с одной торцевой стороны полого цилиндра, боковая поверхность которого является одним из электродов ячейки, и расположенного внутри него вдоль оси второго электрода, причем оба электрода являются измерительными.

Существенными и отличными от наиболее близкого аналога признаками заявляемого устройства являются следующие:

1. Дополнительные потенциометрическая ячейка, датчик температуры и измерительный усилитель являются новыми по отношению к прототипу, известны из других технических решений, но соединенные с блоком обработки результатов измерений позволяют проявить новое свойство, заключающееся в определении опорного значения жесткости греющей воды (до ее прохождения через подогреватель).

2. Генератор сенсибилизирующего напряжения является новым по отношению к анализатору, известен из других технических решений, но соединенный с электродами потенциометрической ячейки через коммутирующее устройство позволяет получить новое свойство, заключающееся в поддержании чувствительности устройства к измеряемому параметру без замены электродов в течение года.

3. Потенциометрическая ячейка как совокупность двух электродов не нова по отношению к анализатору, но использование двух измерительных электродов, в отличие от прототипа, где один из электродов является вспомогательным, позволяет получить новые свойства, заключающиеся в том, что, во-первых, при проведении измерений исключается возможность химического загрязнения воды, поскольку не используется фоновый электролит, во-вторых, разность потенциалов электродов потенциометрической ячейки пропорциональна жесткости воды.

4. Выполнение потенциометрической ячейки в виде объема, ограниченного одним из электродов, и расположенного внутри этого объема второго электрода известно из других технических решений, однако выполнение ячейки в виде открытого с одной торцевой стороны полого цилиндра, боковая поверхность которого является одним из электродов ячейки, и расположенного внутри него вдоль оси второго электрода позволяет получить новое свойство, заключающееся в том, что такая ячейка может располагаться непосредственно в потоке контролируемой жидкости либо на его границе, а скорость перемешивания жидкости внутри ячейки за счет турбулентности будет определяться углом между направлением потока и осью цилиндрического электрода.

5. Использование в качестве проточных камер подводящего к подогревателю и отводящего от него греющую воду трубопроводов, являющееся новым по отношению к прототипу, известно из других технических решений, в сочетании с конструкцией потенциометрической ячейки позволяет получить новое свойство, заключающееся в том, что данное устройство не изменяет режим работы (гидравлическое сопротивление) трубопроводов и пригодно для любых типов водо-водяных теплообменников.

Функциональная схема устройства приведена на чертеже. Устройство содержит соответственно размещенные в проточных камерах 1, 2 датчики температуры 3, 4 и потенциометрические ячейки 5, 6, измерительные усилители 7, 8. К трем входам каждого из усилителей подключены выход соответствующего датчика температуры и электроды ячейки. Выходы измерительных усилителей 7, 8 соединены с первым и третьим входами устройства обработки результатов измерений 9. Ко второму входу устройства обработки результатов измерений 9 подключен первый выход программного устройства 10. Второй выход программного устройства 10 подключен к управляющему входу коммутирующего устройства 11. Выходы генератора сенсибилизирующего напряжения 12 через коммутирующее устройство 11 подключены к электродам 13, 14 первой 5 и второй 6 потенциометрических ячеек. Каждая из потенциометрических ячеек выполнена в виде открытого с одной торцевой стороны полого цилиндра, боковая поверхность которого служит одним электродом 13, и расположенного внутри него вдоль оси второго электрода 14. В качестве проточных камер 1, 2 в устройстве используются подводящий к подогревателю и отводящий от него греющую воду трубопроводы.

В качестве датчиков температуры 3, 4 могут быть применены, например, термопреобразователи с унифицированным токовым сигналом типа ТСМУ-205.

Электроды 13, 14 потенциометрических ячеек 5, 6 выполняются из материалов, применение которых допускается в контурах греющей воды водо-водяных теплообменников. Материалы электродов выбираются такими, чтобы в заданном измерительном диапазоне эдс потенциометрической ячейки, равная алгебраической сумме потенциалов электродов, была функцией жесткости воды. Так, для водо-водяных подогревателей горячего водоснабжения, в которых используется греющая вода с жесткостью 80-100 мг-экв/л, целесообразно выполнение электродов из нержавеющей стали марок 12Х18Н10Т (электрод 13) и 40Х13 (электрод 14).

Генератор сенсибилизирующего напряжения 12, который должен иметь выходное сопротивление много меньше омического сопротивления жидкости, заполняющей потенциометрическую ячейку, измерительные усилители 7 и 8 могут быть выполнены по типовым схемам (Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре, М.: Сов. Радио, 1979). Устройство обработки результатов измерений 9 и программное устройство 10 могут быть выполнены по типовым схемам (Качан Б. М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств в автоматике, М.: Энергоатомиздат, 1987).

Коммутирующее устройство 11 может быть выполнено, например, из электронных ключей КР590КН2.

Устройство работает следующим образом.

После включения питания в момент времени t₀ с первого и второго выходов программного устройства 10 выдаются команды на устройство обработки результатов измерений 9 и коммутатор 11, посредством которого к электродам ячеек 5, 6 подключается генератор сенсибилизирующего напряжения 12. При этом на поверхностях электродов протекают электрохимические реакции, которые определяют потенциал каждого электрода и, следовательно, разности потенциалов на выходах ячеек 5, 6.

В момент времени t₁ по следующей команде программного устройства 10 происходит отключение генератора сенсибилизирующего напряжения от электродов. При этом на первый и второй входы измерительных усилителей 7, 8 поступают текущие потенциалы соответствующих электродов. Их величины определяются вначале переходными процессами, связанными с отключением сенсибилизирующего напряжения, и разрядом двойного электрического слоя, а затем падением потенциала каждого из электродов за счет выравнивания активности ионов жидкости по ее объему. В то же время на третьи входы усилителей поступают сигналы с выходов датчиков температуры 3, 4, обеспечивающие изменение коэффициентов передачи усилителей для устранения влияния на их выходные сигналы температур воды в местах установки потенциометрических ячеек. В результате выходные сигналы измерительных усилителей 7, 8 не зависят от температур греющей воды на входе и выходе теплообменника.

Выходные сигналы измерительных усилителей поступают на входы устройства обработки результатов измерений 9, в котором в момент времени t₂ осуществляется их сравнение и вырабатывается электрический сигнал, пропорциональный разности жестокостей греющей воды на входе и выходе теплообменника. Этот сигнал может быть использован как для автоматического мониторинга изменения жесткости греющей воды, так и для системы оповещения о возникновении утечки в теплообменнике.

В момент времени t₃ вновь с первого и второго выходов программного устройства 10 выдаются команды на устройство обработки результатов измерений 9 и коммутатор 11, посредством которого к электродам подключается генератор сенсибилизирующего напряжения 12. Измерительный цикл, заключающийся в сенсибилизации электродов двух потенциометрических ячеек в течение времени t₁-t₀ и сравнении сигналов с выходов измерительных усилителей 7, 8, пропорциональных разностям потенциалов электродов соответствующих ячеек с учетом влияния температуры, в момент времени t₂, повторяется с периодом t₃-t₀. Длительность импульса сенсибилизирующего напряжения (t₁-t₀) не менее чем в 10 раз превышает время установления переходных процессов. Длительность задержки в измерении текущей разности потенциалов (t₂-t₁) должна быть не менее чем в три раза продолжительнее времени переходных процессов, происходящих при отключении сенсибилизирующего напряжения, и разряда двойного электрического слоя каждого электрода.

Предлагаемое изобретение позволяет автоматизировать процесс контроля жесткости воды и выявления утечек в водо-водяных подогревателях и тем самым повышает надежность и эффективность их эксплуатации.

Литература

1. Перечень приборов и оборудования. М.: ИЭЛРАН НПП "ЭКОНИКС", 2001 г.

2. Николаев Ю.И., Павлов А.Н., Писаревский А.М., Полозова И.П., Порецкий В.Я., Эфроимский А.И. Автоматический анализатор остаточного активного хлора. Патент РФ 2094788, G 01 N 27/26, от 01.03.94.