Устройство для контроля концентрации азотной кислоты
DEVICE FOR CONTROLLING CONCENTRATION OF NITRIC ACID

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройствам для измерения концентрации растворов азотной кислоты в химико-металлургическом производстве при изготовлении топливных композиций и, в частности, может быть использовано в технологии производства ядерного топлива и переработки радиоактивных отходов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для обеспечения безопасного и качественного процесса экстракции нитрата уранила раствором трибутилфосфата (ТБФ) на участке переработки радиоактивных отходов необходимо использовать растворы азотной кислоты строго заданной концентрации для использования в процессе растворения в ней исходных ядерных материалов. В связи с этим возникла необходимость осуществлять контроль концентрации азотной кислоты, поступающей на операцию растворения.
Приготовление азотной кислоты, заданной концентрации, происходит методом разбавления 98% кислоты. В настоящее время отбор проб производится вручную через систему отбора в переносимую емкость и фактическое значение концентрации приготовленного раствора азотной кислоты определяется на следующий день в экспресс-лаборатории и носит приблизительный характер, из-за невозможности точного определения в растворах с концентрацией азотной кислоты свыше 40% по существующей методике. Для оперативного получения информации по концентрации приготовленной кислоты и, в случае необходимости, проведения корректировки концентрации раствора возникла необходимость установить устройство для измерения концентрации с диапазоном измерения (40-70)% массовой доли на операции разбавления 98% азотной кислоты.
Известен способ определения плотности жидкости, который заключается в продувке воздуха за два такта через длинную и короткую измерительные трубки, помещенные в исследуемую жидкость, в регулировании давления в компенсаторе, измерении разности давлений в компенсаторе и измерительных трубках с последующим определением плотности. В первом такте продувают воздух через компенсатор и короткую трубку, регулируют давление так, чтобы перепад давления между компенсатором и короткой трубкой стал равен нулю. Во втором такте воздух продувают через компенсатор и длинную трубку, измеряют перепад давления между ними по нему судят о плотности жидкости. (SU 1434330 А1, опуб. 30.10.1988 г.)
Недостатками приведенного способа являются дополнительные операции продувки воздухом измерительных трубок, отсутствие устройства для расчета концентрации азотной кислоты.
Известно устройство для измерения плотности жидкости, которое содержит барботажный датчик в составе двух разновысотных трубок, датчик расходов воздуха, два компенсационных сосуда и дифференциальный манометр. Из компенсационных сосудов исключены барботажные трубки, нижние части сосудов соединены напрямую с измерительными камерами дифференциального манометра. Давления воздуха от барботажных трубок рабочего датчика подается в верхние части компенсационных сосудов. Трубки, соединяющие компенсационные сосуды с входами дифференциального манометра, связаны между собой через уравнительный вентиль (RU 2418287, опуб. 10.05.2011 г.).
Недостатками приведенного устройства являются сложность конструкции, отсутствие схемы температурной компенсации и средства отображения в единицах измерения концентрации азотной кислоты.
Наиболее близким аналогом изобретения является концентратомер азотной кислоты (ККА-70М), предназначенный для непрерывного измерения массовой доли азотной кислоты в водных растворах. В состав концентратомера входят две гидростатические трубки, размещенные на штанге, погружаемой в рабочую среду, термоэлектрический преобразователь, размещенный на той же штанге, измерительный преобразователь давления, преобразователь температуры, блок подготовки воздуха, состоящий из регулятора давления и двух регуляторов расхода воздуха, блок питания и программируемый контроллер (№40811-09, Государственный реестр средств измерений).
Недостатками устройства являются узкий диапазон и большая погрешность измерения, а также применение дорогостоящего контроллера, блоков ввода и вывода сигналов для обработки сигналов. Также, недостатком является незащищенная от коррозии конструкция преобразователя температуры, погруженного в раствор азотной кислоты.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание устройства для оперативного контроля концентрации раствора азотной кислоты в технологическом процессе, позволяющего одновременно определять температуру раствора азотной кислоты и корректировать концентрацию этого раствора в зависимости от его температуры.
Техническим результатом изобретения является: повышение оперативности проведения технологического процесса, увеличение точности измерения и расширение диапазона измерения, а также обеспечение возможности отображения результатов в единицах измерения концентрации на цифровом индикаторе милливольтметра.
Технический результат достигается устройством для контроля концентрации азотной кислоты, которое содержит расположенные на разных уровнях в растворе азотной кислоты соединенные между собой и закрепленные во фланце две гидростатические трубки, преобразователь температуры, закрепленный в том же фланце, дифференциальный манометр с двумя измерительными камерами, каждая из которых соединена с одной из гидростатических трубок, цифровой милливольтметр, блок подготовки воздуха, Устройство содержит блок температурной компенсации. Преобразователь температуры размещен в герметичном чехле, а в цифровой милливольтметр встроен блок питания для подачи электрического питания на дифференциальный манометр.
Измерительные камеры дифференциального манометра соединены с гидростатическими трубками с помощью соединительных трубок. Герметичный чехол, в который размещен преобразователь температуры, представляет собой трубку из коррозионностойкого материала, заглушенную снизу. Блок подготовки воздуха содержит редуктор для стабилизации давления воздуха и два регулятора для подачи воздуха в гидростатические трубки. Блок температурной компенсации представляет собой делитель напряжения с опорным электрическим сигналом от дифференциального манометра, с одной стороны которого размещен преобразователь температуры, а с другой - переменное сопротивление для балансировки схемы.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретения поясняется чертежами.
На фигуре 1 представлена общая схема устройства.
На фигуре 2 представлена электрическая схема температурной компенсации.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основе работы устройства для контроля концентрации азотной кислоты лежит измерение перепада давления воздуха. В емкость с раствором азотной кислоты 1 через присоединительный фланец 14 установили на разных уровнях соединенные между собой гидростатические трубки 2 и 3, закрепленные во фланце 14. В том же фланце в герметичном чехле в виде трубки из коррозионностойкого материала 4, заглушенной снизу, разместили преобразователь температуры 12. Гидростатическая трубка 2 соединена с измерительной камерой 17 дифференциального манометра 5, а гидростатическая трубка 3 соединена с измерительной камерой 18 дифференциального манометра 5. Через соединительные трубки 15, 16 и измерительные камеры 17, 18 дифференциального манометра 5, трубки продуваются воздухом, поступающим из блока подготовки 6, состоящего из редуктора для стабилизации давления воздуха 7 и двух регуляторов расхода воздуха 8 и 9. При пропускании воздуха одинакового и заданного расхода через каждую из двух гидростатических трубок, возникает перепад давления Δh за счет разницы в глубине погружения гидростатических трубок. Давление воздуха в гидростатической трубке 3 (плюсовой) выше давления воздуха в гидростатической трубке 2 (минусовой). Перепад гидростатического давления ΔP является линейной функцией плотности раствора ρ кислоты. Расчет концентрации азотной кислоты производится в соответствии с алгоритмом, заданным в цифровом милливольтметре с заложенными в нем соответствующими функциями по формуле:
где: ΔP - перепад давлений на гидростатических трубках, Па;
Δh - разность глубин погружения гидростатических трубок (база датчика);
2
g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с;
3
ρ - плотность раствора азотной кислоты при температуре 20°С, кг/м.
База измерительного датчика - перепад Δh, который является постоянной величиной, определяемой конструкцией датчика и выбираемой исходя из диапазона изменения плотности азотной кислоты, соответствующая выбранному диапазону измерения концентрации. Перепад давлений измеряется дифференциальным манометром 5 и преобразуется им в стандартный электрический сигнал, который соответствует выбранному диапазону измерения массовой доли азотной кислоты.
Для приведения плотности азотной кислоты к 20°С используется электрический блок температурной компенсации 13 (фиг. 2) с преобразователем температуры 12, включенного в выходную цепь 11 дифференциального манометра 5 и размещенного в трубке 4 совместно с гидростатическими трубками 2, 3 в области образования перепада гидростатического давления и погруженного в раствор азотной кислоты.
В электрическом блоке температурной компенсации 13 используется схема делителя напряжения со встроенным преобразователем температуры 12 (Rt).
Через делитель напряжения проходит электрический сигнал 4-20 мА от дифференциального манометра 5. При изменении температуры изменяется плотность раствора и соответственно изменяется выходной ток с дифференциального манометра, но напряжение из блока температурной компенсации, подаваемое на вход милливольтметра 10 остается прежним за счет изменения сопротивления преобразователя температуры. Для балансировки схемы и приведения плотности азотной кислоты к 20°С применяется переменное сопротивление R3. В цифровой милливольтметр встроен блок питания для подачи электрического питания на дифференциальный манометр.
На цифровой индикатор милливольтметра 10 выводится результат измерения массовой доли азотной кислоты в растворах в процентах.
Таким образом, в результате применения данного устройства увеличена точность и расширен диапазон измерения, исключена необходимость отбора проб и проведения химического анализа, повышена оперативность проведения технологического процесса.