电子学在化学工业中的应用

由于电子学在测量和控制技术上有着独特的长处，所以电子学和其他各门科学之间有着极为密切的关系，得到广泛的应用。像在其他部门一样，电子学在化学工业中也获得了极为广泛的应用。譬如应用高频加热进行塑料的加工和干燥等；利用超声波除尘，或是进行催化和萃取等，都直接应用了电子设备参与化工的生产过程。此外，在化工生产过程中的测量、控制、分析，以及自动化等方面，电子学的应用也占着极为重要的位置。

由于化学工业包括的范围甚广，不能一一详述，下面仅拿几个例子来说明电子学在这方面的一般应用原理。

在化学工业生产过程中出现的主要参量为温度、压力、流量、液位、粘度、浓度以及PH值等。我们用电子仪器测量这些量时，总是要先想办法将这些非电学量用各种变换器变换成为电学量。这些变换出来的电信号（电压、电流）一般都是很微弱的，用普通的电气仪表无法测出，或是测量结果不准确，要先用放大器将它放大。

图1是一种测量温度变化的设备。这种设备中，是用热电偶将所测温度变换为电势（以毫伏计）。若直接用磁电式毫伏计测量，势必有电流流经热电偶内部。因此，只能测出热电偶的端电压而测不出它的电势。所以图1中采用自动平衡电位计测量。温度变化时，就有一个信号送入放大器输入端。由于这个信号是一种变化缓慢的直流电压，为了避免采用直流放大器所遇到的困难，一般是采用一个机械振子（将直流电压变为交流电压的变换器）将它转换为相当的交流信号，然后送入阻容耦合放大和相敏功率放大器放大，再去驱动一部可逆马达。马达轴拖动滑线电阻的滑动臂，使电阻R上的电压降U\(_{k}\)刚好和热电偶上的电势Ex相补偿。此时电路重新恢复平衡。滑动臂所批示的标度就是要测定的温度。图1仅为一示意图，实用电路还要复杂得多。

在化工测量中，将不同的参量转换成电学量时，只是采用了不同形式的变换器。因此，上面所举的电路有着普遍的意义。但在自动测量这些信号时，大都采用上述一类自动平衡测量电路。

图2为一种电子流量计的示意图。变换器部分是转子流量计和电感线圈构成。线圈L\(_{1}\)、L2和L\(_{3}\)绕在转子流量计的外面。L3接入6伏50赫的交流电源，在L\(_{1}\)和L2中就会感应出电势。当测量电路平衡时，没有信号送入放大器。当流量发生变化时，流量计中的转子就要上升或下降。转子多为铝、铜等材料做成，由于涡流效应影响L\(_{1}\)和L2中产生的互感电势。譬如当流量增大时，转子上升。由于转子中的涡流减小了L\(_{3}\)和L1间的互感作用，因而L\(_{1}\)中的互感电势下降，L2中的互感电势则被增强，这就破坏了电路的平衡，于是就有信号送入放大器。信号经过两级阻容耦合电压放大和一级相敏功率放大后，驱动可逆马达，拖动滑线电阻R\(_{p}\)。结果L1回路中的电阻减小，L\(_{2}\)回路中的电阻加大，使测量电路重新达到平衡。联在马达轴上的指针也就指示出了流量的数值。

当然，测量化学工业中各主要参量的方法，并不仅仅限于上述方式。例如，在国外颇为流行的一种测量液体粘度的电子粘度计，就是其中一例。图3中所示传感器是由钴、铁、镍合金制的磁致伸缩片等制成，它的一半放在不锈钢盒子内的线圈中，另一半浸在被测液体中。在闸流管的栅极上施加50赫的交流电压。在交流的每周期内，当栅极的正向电压达到峰值时，闸流管放电，在电路中形成一个暂短的脉冲。线圈的脉冲磁场使磁致伸缩片沿纵向（如图3）发生机械振动。磁场消失后，振动的幅度将自由衰减。由于碰致伸缩片的振幅衰减率和液体粘度有着一定的关系。随机械振动的自由衰减，磁致伸缩片的剩磁就在线圈中感应出一个和机械振动规律相应的电势。这个电势放大后加在一个非线性电阻（钨丝灯）上。因钨丝灯是输出电路中测量电桥的一臂，当液体粘度不同时，经过钨丝灯中电流的平均值就不一样，因而灯泡的阻值成比例地变化，指示计就可指出液体的粘度值。

在化学工业的生产过程中，需要控制的基本量比较多，因而如何利用电子学方法来控制和调节生产过程也是当前研究的课题之一。自动控制和调节过程的示意如图4所示，在简单的情况下，一般可采用上面讲过的自动平衡电路来担任调节控制设备。譬如图2的流量测量电路，我们让可逆马达去带动液体进口处的一个阀门，当流量大于预定值时，马达接受信号后就将阀门关小些。反之当流量小于预定值时，相敏功率放大器送出去的信号就和原先的相位相反，可逆马达就反方向旋转，将阀门开得大一些。

在一些连续生产的复杂过程中，采用这种简单的调节方式是不能满足要求的。若使执行机构单纯按测量值和预定值之间的偏差值成比例地动作，那么，随着调节过程的进行，偏差值虽愈来愈小，但最后总归还要保存一些“残留偏差”，这是因为调节设备对如此小的偏差值不再敏感的缘故。为了消除这种残留偏差，可使输出信号中再迭加一个适应偏差值变化情况的。按时间以一定比例增强的控制信号。这样将有比仅按比例动作时要大得多的电流通向执行机构，最后将偏差完全消除。产生这种作用的设备称为“积分环节”。这样还不够，因为在生产过程中发生许多种化学变化，而且一种变化常会比另一种变化滞后，如果根据比较滞后的变化来调节偏差值，是赶不上需要的，因为实际上另一变化已经产生在先了。最好是根据变化的趋势进行调节，这样就可以及早地加以防范。因此，调节系统必须对偏差值的变化趋势发生敏感。若来势汹汹，如偏差值对时间的增长率大，可以在输出信号中再迭加一个将偏差值按时间以较大递减率削弱的控制信号，这就是通常所谓的“微分环节”。

在调节系统中增加了微分、积分等时间环节后，使调节质量大大提高，实际应用中可根指不同的化学生产过程采用不同的电子线路来实现这些要求。

近二十年来，在科学研究和工业生产中，仪器分析得到了广泛的应用，它的主要特点是迅速、准确，能及时根据分析结果，指导生产。在化学工业中，仪器分析法和电子学的应用有着极为密切的关系。例如高频滴定、分光光度计、质谱仪、极谱仪，以及光谱仪等等都在不同程度上应用着各种各样的电子线路。

譬如在极谱分析法中，对各种电解液中所含元素作定性分析时，都要采用“极谱仪”。“极谱仪”的大致构造是：在一个小电解槽中盛满了被分析物质的溶液，并且装有两个电极。一个电极是沉在槽底的汞；另一个电极是在灌满汞的毛细管末端形成的汞滴。将两极间的电压由零逐渐升高，从电流计中可测出电流变化情况，将所测定的数据绘制成电流随电压变化的曲线，并把它和极谱图对照，就可确定该溶液中所含的元素。

测定时实际利用像图5中所示的几个电子线路部分。

第Ⅰ部分是一个多谐振荡器，利用它将继电器的触点进行周期性的接通。第Ⅱ部分是锯齿波发生器。当多谐振荡器发生脉冲使继电器动作时，锯齿电压发生器便输出一个锯齿形电压加在电解槽上。第Ⅲ部分是电解槽。让电解槽中电流流过一个电阻（图中未画出），在电阻上便产生了一个和电流波形一样的电压降。将这个电压降用机械振子转变成交流信号，经三级平衡放大后，再用整流器变成直流，用它推动记录机构，绘出电流随着时间变化的曲线。但由于锯齿形电压是随着时间成直线地上升，故可很容易地将时间座标换成电压座标，获得代表试液化学成份的伏安特性曲线，也就是它的电流随电压变化的曲线。

在化学工业生产中，能进行快速而准确的分析是控制生产的非常重要手段，但是目前一般的分析方式仅仅限于断续的“取样”分析，这对连续生产的过程需要是不够的，有时会产生误差。利用电子分析仪器，将能连续地把分析结果转变成电的信号，送到自动控制设备中，以选出最优条件进行生产。随着电子管的发展，这种“完全自动化分析”方法是会实现的。

近些年来，由于电子学飞速的发展，在生产过程中应用电子学的范围越来越广，数据处理设备及电子计算机等在工业生产过程中也得到广泛的运用。这对化工生产复杂过程的完全自动化也提供了可能条件。

电子学在化学工业中进一步的应用，一方面有赖于经验的积累，新型电子设备的创制；另一方面也有赖于电子元件的革新（寿命长、可靠性大以及稳定性强等）。可以肯定，将来化学工业的生产过程和电子学的关系，会愈来愈为密切，电子学在化学工业生产中有着广阔的用武之地，这些都有待于我们进一步的努力和探求。（梁天白）