.Некоммерческое акционерное общество

 

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра инженерной кибернетики

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

 

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальности 050702 –

Автоматизация и управление

 

СОСТАВИТЕЛЬ: С.Г. Хан. Технологические измерения и приборы. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050702  - Автоматизация и управление

 

         Настоящий конспект лекций составлен на основании  рабочей программы в помощь студентам при изучении теоретического материала по технологическим измерениям и приборам и включает тринадцать тем. В конце каждой темы приведены ссылки на дополнительную литературу для более глубокого освоения предмета.         Электронные варианты лекционного материала размещены на серверах компьютерных классов кафедры «Инженерная кибернетика».

         Конспект лекций предназначен для студентов специальности 050702 - Автоматизация и управление.

 

Содержание

Введение

1 Лекция 1. Введение.  Общие сведения о технологических измерениях

2 Лекция 2. Измерения температуры

3 Лекция 3. Средства измерения температуры.

                     Термоэлектрические преобразователи (ТЭП)

4 Лекция 4. Средства измерения температуры. ТЭП (продолжение).

5 Лекция 5. Средства измерения сигналов ТЭП

6 Лекция 6. Средства измерения сигналов ТПС

7 Лекция 7. Измерения теплового излучения

8 Лекция 8. СИ теплового излучения. Пирометры излучения

9 Лекция 9.  Измерения давления. Средства измерения давления

10 Лекция 10. Средства измерения давления (продолжение)

11 Лекция 11. Измерения  количества и расхода вещества.

                        СИ количества и расхода

12 Лекция 12.  Измерения уровня и концентрации

13 Лекция 13. Измерения физико-химических свойств

                        жидкостей и газов

Приложение А. Технические средства измерения температуры

Приложение Б. Технические средства измерения давления

Приложение В. Технические средства измерения расхода

Приложение Г. Технические средства измерения концентрации
Список литературы

 

Введение

Базовой системой любой современной АСУ ТП является информационно-измерительная система (ИИС), позволяющая получать измерительную информацию о режимных параметрах процессов, а также о параметрах качества сырья, промежуточных и конечных продуктов. Эффективностью работы ИИС во многом определяется эффективность работы всей АСУ ТП. Так, рациональная ИИС позволяет: осуществить управление по показателям качества сырья и продуктов, упростить алгоритмы и структуру АСУ ТП, уменьшить ее стоимость, повысить надежность и улучшить качество продукции.

Научной основой информационно-измерительных систем являются метрология и физические принципы измерений параметров технологических процессов, а технической базой этих систем служат средства измерений (СИ) и преобразований соответствующих параметров. Весь этот круг вопросов рассматривают дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация», «Технологические измерения и приборы» и «Технические средства измерений».

Для усвоения материала лекций по дисциплине «Технологические  измерения и приборы» необходимы знания в объеме курсов технических вузов по  математике, физике, химии, электронике, метрологии и теории автоматического управления.

В связи с непрерывным совершенствованием конструкций современных СИ, происходящим гораздо быстрее, чем эволюция принципа действия последних, принятая в конспекте лекций методика изложения материала предусматривает разбор методов измерений технологических параметров и принципов действия СИ и их принципиальных схем. При этом предполагается, что конструкции СИ, правила их монтажа и эксплуатации студенты изучают в процессе выполнения лабораторных работ, а также при последующем изучении дисциплин, связанных с проектированием, монтажом и эксплуатацией средств автоматизации.

Рабочая программа дисциплины «Технологические измерения и приборы» включает большой объем теоретического и практического материала. Однако ограниченность аудиторных часов не позволяет в полной мере изложить необходимую информацию, поэтому большая часть материала изучается студентами в рамках самостоятельной работы (СРСП). Схемы технических средств измерений, рассматриваемых в рамках СРСП, приведены в приложениях к данному конспекту лекций.

Предлагаемый конспект лекций составлен в соответствии с рабочей программой дисциплины  и содержит тринадцать тем. Следует обратить внимание, что предлагаемое издание является лишь кратким конспектом лекций и не может содержать всех необходимых сведений. Основные определения в тексте выделены курсивом. Для успешного и всестороннего освоения материала следует воспользоваться и другими источниками.

1 Лекция 1. Введение.  Общие сведения о технологических  

измерениях

 

Содержание лекции:

- общие сведения о технологических измерениях. Место измерительной техники в современном мире. Виды производств. Роль технологических измерений на  производствах. Виды измеряемых параметров. Схемы АТПП.

 

Цель лекции:

- изучить основные определения  и понятия технологических измерений,  технических средств измерений и автоматизации технологических процессов.

 

ХХ1 век характеризуется ускоренным развитием науки и промышленного производства. Последнее немыслимо без широчайшего применения самых разнообразных измерений и измерительных устройств. Место измерительной техники в современном мире могут характеризовать следующие данные. Затраты на измерительную технику в настоящее время составляют 10-15% всех материальных затрат на общественное производство, а в таких отраслях промышленности, как нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, радиоэлектронная, самолетостроение и другие, эти затраты достигают 25%. В настоящее время без измерений не может обойтись ни одна область деятельности человека.

Область измерительной техники, объединяющую измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах, принято определять понятием технологические измерения.

Основной потребитель измерительной техники - промышленность. Здесь измерительная техника – неотъемлемая часть технологических процессов, т.к. используется для получения информации о многочисленных режимных параметрах, по которым в промышленности проводится контроль качества продукции и сырья, и другие процессы.

Измерения осуществляются с помощью специальных технических средств измерений, различных по сложности и принципам действия.

Средствами измерений (СИ) называют технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Основными видами СИ являются меры, измерительные устройства (приборы и преобразователи). Рабочими СИ называются все меры, приборы и преобразователи, предназначенные для практических повседневных измерений во всех отраслях народного хозяйства. Они подразделяются на средства измерений повышенной точности (лабораторные) и технические. Совокупность технических СИ, служащих для выполнения измерений, методов и приемов проведения измерений и интерпретации их результатов, принято определять понятием измерительная техника.

Все производства различных отраслей промышленности в зависимости от характера технологического процесса можно подразделить на две группы: производства с непрерывным (НХТП) и производства с дискретным (штучным) (ДХТП) характером технологических процессов. К первой группе относятся производства таких отраслей промышленности, как нефтеперерабатывающая, газоперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, металлургическая, теплоэнергетическая и др., ко второй группе – машиностроение, приборостроение, радиоэлектронная, пищевая и др.

 

Т а б л и ц а  1.1- Виды измеряемых параметров в зависимости от

                              характера  технологического производства

Измеряемые параметры

НХТП

ДХТП

Температура  

50%

8%

Расход вещества                       

15%

4%

Количество вещества               

5%

5%

Давление

10%

4%

Уровень

6%

4%

Число изделий

-

25%

Размеры, расстояние

-

25%

Время

4%

15%

Состав вещества                           

4%

-

Прочие (ток, скорость…)          

6%

10%

 

Из таблицы 1.1 следует, что на производствах с НХТП измерения таких параметров, как температура, давление, расход, уровень и количество вещества составляют более 86% от общего числа всех измерений, на производствах с ДХТП преобладают измерения числа изделий, длина, время, электрические величины – 75%.

 

 

 

Технологические измерения

для химико – технологических процессов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теплотехнические

 

физико - химические

 

электрические

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

давление

 

 

 

состав веществ

 

 

 

напряжение

 

 

температура

 

 

 

 

 

 

ток

 

 

расход

 

 

 

физико - хим. свойства

 

 

 

мощность

 

 

уровень

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 -  Классификация технологических измерений

 

         Теплоэнергетическая промышленность, относящаяся к производствам с НХТП, в основном включает в себя химико-технологические процессы. Классификация технологических измерений для химико-технологических процессов приведена на рисунке 1.1, из которого видно, что теплотехнические измерения в теплоэнергетической промышленности занимают основное место.

Современные производства характеризуются значительной сложностью

и мощностью технологических аппаратов, большим числом различных параметров,  которые  необходимо снять (измерить). Все  это  определяет   тот

факт, что проведение современных технологических процессов без их частичной и полной автоматизации невозможно.

Автоматизацией технологического производственного процесса (АТПП) называют, такую, организацию этого процесса, при которой ею технологические операции осуществляются автоматически с помощью специальных технических устройств, без непосредственного участия человека (рисунок 1.2).

 

 

 

АТПП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

автоматический контроль (САК)

 

 

автоматическое регулирование (САР)

 

 

 

 

 

 

автоматическое управление (САУ)

 

 

автоматизированное управление (АСУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

защита процессов от аварийного режима

 

 

защита окружающей среды

 

 

 

Рисунок 1.2 – Состав АТПП

 

Работа систем автоматического контроля (рисунок 1.3), автоматических систем регулирования (рисунок 1.4) и АСУ ТП (рисунок 1.5) строится на измерениях, осуществляемых техническими СИ.

Подпись:                                                                                     ОА – объект автоматизации; Д– датчик;                                                                                     КС – канал связи;                                                                                    ВП – вторичный                                                                                             преобразователь.

 

Рисунок 1.3 – Схема САК

 

Подпись: КС

Подпись: ХвыхПодпись: Хвх

 


Подпись: ВВПодпись: ХвхПодпись: ХвыхПодпись: Z

Подпись: КС
Подпись: ИМ–исполнительный механизм;
АР – автоматический регулятор; 
Z – регулирующее          воздействие;
У, Узд (задание) – одной природы;
Узд ~ Хвых

Подпись: КС

Подпись: УПодпись: Узд


         Рисунок 1.4 – Схема САУ



 

Подпись: ВВ
Сырье
реагенты

Подпись: КС

Подпись: здПодпись: продукты

Подпись: зд

Подпись: зд

 

         Рисунок 1.5 – Схема АСУ ТП

 

    На объект автоматизации (ОА) постоянно действуют дестабилизирующие факторы, нарушающие однозначность связи между Хвх и Хвых. Эти факторы – возмущающие воздействия (ВВ). Под влиянием ВВ Хвых отклоняется от нормы. В автоматические регуляторы (АР) поступают сигналы У и Узд. Сигнал Узд пропорционален заданному значению Хвых. АР выполняет определенные вычислительные операции в соответствии с заложенным в него законом регулирования и обрабатывает сигнал Z, поступающий к ИМ, который изменяет подачу Хвх материи или энергии в ОА до тех пор, пока Хвых не достигнет заданного значения. Это примеры схем простейших систем АТПП (см. рисунки 1.3 -1.5).

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-6].

2 Лекция 2.  Измерения температуры

 

  Содержание лекции:

- общие сведения об измерении температуры. Условные и абсолютная температурные шкалы. Газовый термометр. Классификация средств измерения температуры.

 

Цель лекции:

- изучить основные определения  и понятия  измерения температуры, температурные шкалы и классификацию СИ температуры.  

 

2.1 Общие сведения

 

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства называются термометрическими. К ним относятся длина, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т.д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами,   называются термометрическими.

Средства измерений температуры называют термометрами. Для создания термометра необходимо иметь температурные шкалы.

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. Первые температурные шкалы (таблица 2.1) основывались на допущении линейной связи между температурой и термометрическим свойством, в качестве которого использовалось расширение объема жидкости.

Для построения температурной шкалы выбирались две опорные (реперные) точки t1 и t2, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. (t2 t1) – называется температурным интервалом. В шкалах Фаренгейта (1715 г.), Цельсия (1742 г.) и Реомюра (1776 г.)  точка плавления льда t1 равна соответственно +32 оF, 0 oC, 0 oR, а точка кипения воды t2  – 212 oF, 100 oC, 80 oR. (t2t1) в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 100, 80 равных частей. И 1/N часть каждого из интервалов называется градусом Фаренгейта – оF,  градусом Цельсия – о С и градусом Реомюра – оR. Таким образом, градус для этих шкал не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы. Поэтому такие шкалы называются условными.

Показания таких термометров, имеющих разные термометрические вещества (например, ртуть, спирт и другие), использующих одно и то же термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках (температура таяния льда и температура кипения воды), а в других точках показания расходятся. Это объясняется тем, что связь между to и термометрическим свойством нелинейная.

 

    Т а б л и ц а  2.1 - Условные температурные шкалы

Условные температурные шкалы

Шкала Фаренгейта(оF)

Шкала Цельсия

(оC)

Шкала Реомюра (оR)

Температура таяния льда

32

0

0

Температура кипения воды

212

100

80

1о =

1/180

1/100

1/80

 

Проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ, была решена в 1848 г. Кельвином, а предложенная им шкала была названа термодинамической.

Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики: коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от свойств рабочего вещества. Полученная шкала  температур не зависит от свойств рабочего (термометрического) вещества и называется абсолютной шкалой. Чтобы абсолютная температура имела определенное значение, было предложено принять разность термодинамических температур между точками кипения воды и таяния льда, равной 100 Принятие такого значения разности преследовало цель сохранения преемственности числового выражения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Таким образом, один градус Кельвина (1К) соответствует одному градусу Цельсия (1), так как обе шкалы базируются на одинаковых реперных точках. Для воспроизведения такой температурной шкалы был построен газовый термометр. Работа его основана на законах идеальных газов, т.к. газовый термометр заполняется термометрическим веществом – газом, близким к идеальному. Экспериментально было найдено, что для всех газов при давлениях, стремящихся к нулю, в интервале температур 0100  температурный коэффициент объемного расширения равен 1/273,15.  Таким образом, нулевое значение абсолютной температуры соответствует (-273,15). Температура таяния льда по этой шкале составит 273,15 К. Менделеев Д.И. (1874 г.) и одновременно, независимо от него Кельвин предложили построить термодинамическую шкалу температур по 1 реперной точке - тройной точке воды ТТВ (точка фазового равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах), которая легко воспроизводится с погрешностью не более 0,0001 К.  Температура этой точки принята равной ТТВ = 273,16 К, т.е. выше температуры таяния льда на 0,01 К.  Второй реперной точкой является абсолютный нуль, который экспериментально не реализуется, но имеет строго фиксированное положение.

 

Т а б л и ц а  2.2 – Основные реперные точки МПТШ-68

№п/п

Состояние фазового равновесия

Значение температуры

К

1

Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода)

13,81

-259,34

2

Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода при давлении 33,330 кПа (250 мм рт.ст.)

17,042

-256,108

3

Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (точка кипения равновесного водорода)

20,28

-252,87

4

Равновесие между жидкой и парообразной фазами неона (точка кипения неона)

27,102

-246,048

5

Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода)

54,361

-218,789

6

Равновесие между жидкой и парообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода)

90,188

-182,962

7

Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды)

273,16

0,01

8

Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды)

373,15

100

9

Равновесие между твердой и жидкой  фазами цинка (точка затвердевания цинка)

692,73

419,58

10

Равновесие между твердой и жидкой  фазами серебра (точка затвердевания серебра)

1235,08

961,93

11

Равновесие между твердой и жидкой  фазами золота (точка затвердевания золота)

1337,58

1064,43

 

В 1967 году  XIII Генеральная конференция по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующей редакции: «Кельвин – это 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды»:    1К = 1/273,16  ТТВ. Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t =T -273,15 K.

В настоящее время действует принятая на XIII Генеральной конференции по мерам и весам «Международная практическая температурная шкала 1968» МПТШ-68, которая  базируется на 11 основных и 27 вторичных реперных точках, охватывающих диапазон температур от 13,956 до 3660 К (от -259,194 до 3387). В таблице 2.2 приведены основные реперные (постоянные) точки МПТШ-68.

 

2.2 Классификация средств измерения температуры

         В различных областях науки и техники применяется множество принципов и средств измерения температуры. В нефтеперерабатывающей и теплоэнергетической промышленностях широкое применение нашли средства измерения температуры, классификация которых в зависимости от используемого термометрического свойства, приведена в таблице 2.3.

 

            Т а б л и ц а  2.3 - Технические средства измерения температуры

Термометрическое свойство

Название средства измерения

Диапазон измерения, оС

Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме

Манометрический термометр:

- газовый

- жидкостный

- конденсационный

 

 

-150  600

-150  600

-50  350

Термоэлектрический эффект (термоЭДС)

Термоэлектрический преобразователь

-200  2200

Изменение электрического сопротивления

Термопреобразователь сопротивления:

- металлический

- полупроводниковый

 

 

-260  1100

-240  300

Тепловое излучение

Пирометры излучения

 

1400  6000

 

 

          Манометрические термометры изучаются в рамках СРСП (см. приложение А, рисунок А.1).

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [4-7].

 

3 Лекция 3.  Средства измерения температуры. Термоэлектрические преобразователи (ТЭП)

 

Содержание лекции:

- термоэлектрический эффект, основное уравнение ТЭП, поправка на температуру свободных концов ТЭП, устройство КТ, нормальный термоэлектрод.

 

Цель лекции:

- изучить теорию получения термоЭДС, основное уравнение и свойства ТЭП.

 

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами – термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) - основано на использовании открытого в 1821 году Зеебеком термоэлектрического эффекта.

Термоэлектрический преобразователь – цепь, состоящая из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников (см. рисунок 3.1).

                                        А, В – термоэлектроды; 1, 2 – спаи.

Эффект Зеебека: если взять два разнородных проводника, соединенных вместе, и нагреть спаи так, что t ≠ to , то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток.

Если t > to то направление тока - такое как на рисунке 3.1 ( в спае 1 от В к А).

При размыкании такой цепи на ее концах появится термоЭДС.

 

 

        Рисунок 3.1- ТЭП

 

Эффект Зеебека обладает обратным свойством (эффект Пельтье): если в такую цепь извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться.

Термоэлектрод, от  которого в спае с меньшей температурой идет ток к другому термоэлектроду считают положительным «+», а другой  электрод - отрицательным.

Например, to < t , тогда ток в спае 2 протекает от А к В, значит А – термоположительный,     В – термоотрицательный  термоэлектроды. Спай, погружаемый в объект измерения температуры t, называют рабочим спаем (спай 1), а спай - вне объекта называют свободным спаем (концом) (спай 2).

Введем обозначения:

 еАВ(t) – термоЭДС в спае 1 между термоэлектродами А и В при t =t ;  

 еАВ(tо) - термоЭДС в спае 2 между термоэлектродами А и В при

 ЕАВ(t, tо) – термоЭДС  контура, состоящего из термоэлектродов А и В при температуре рабочего спая t и температуре свободного спая .

Примем, что еАВ(t) = - еВА(t);    еАВ(tо) = - еВА(tо). Тогда для замкнутой цепи (см.  рисунок 3.1)  ЕАВ(t, tо) = еАВ(t) + еВА(tо)   или

 

                      ЕАВ(t, tо) = еАВ(t) - еАВ(tо) .                                    (3.1)

 

Уравнение  (3.1) называется - основное уравнение ТЭП.

Если спаи 1 и 2 имеют одинаковые температуры (t = tо), то контактные термоЭДС в каждом спае равны друг другу  и направлены навстречу,  значит термоЭДС такого контура  ЕАВ(tо, tо) равна 0.

ЕАВ(tо, tо) = еАВ(tо) - еАВ(tо) = 0. Если tо = const, то   еАВ(tо) = С = const, тогда   

 

                    .                                (3.2)   

 

Если известна зависимость f(t), то путем измерения термоЭДС в контуре можно найти t в объекте измерения. Зависимость f(t) в явном виде пока не может быть получена с достаточной точностью, она устанавливается экспериментальным путем и называется градуировкой ТЭП: построение графика зависимости  термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов tо = const, обычно tо = 0 оС.

Генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев.

 

3.1 Поправка на температуру свободных концов ТЭП

При градуировке ТЭП температура свободных концов обычно поддерживается постоянной и равной tо = 0 оС. При измерении температуры в практических условиях температура свободных концов, в большинстве случаев, поддерживается постоянной, но не равной 0 оС. С изменением температуры свободных концов изменяется термоЭДС термоэлектрического термометра, что и вызывает необходимость введения поправки.

Если температура свободных концов отлична от  нуля и равна , то показание измерительного прибора при температуре рабочих концов, равной t, будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС (согласно 3.1)

 

                   ЕАВ = еАВ(t) - еАВ() .                       (3.3)

 

Градуировочная таблица соответствует условию  to = 0

                   ЕАВ(t, tо) = еАВ(t) - еАВ(tо)  .                        (3.4)

 

Вычтем из (3.4) уравнение  (3.3), тогда

 

                   ЕАВ(t, tо) = ЕАВ + ЕАВ()               (3.5)

 

где ЕАВ() – поправка на температуру свободных концов ТЭП.

Если tо/ > tо=0, то поправку прибавляют к измеренному прибором значению, если  tо/ < tо=0 то поправку отнимают от значения, показанного прибором.

Таким образом, по значению ЕАВ(t, tо) из градуировочной таблицы определяют искомую рабочую температуру t.

Чтобы в процессе измерений поправка была неизменной, места соединений свободных концов с медными проводами должны быть помещены в специальное устройство, обеспечивающее постоянство температуры, то есть   

свободные концы подлежат термостатированию:

а) tо = 0о –> свободные концы погружаются в пробирку с маслом, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом;

б) tо ≠ 0о -> свободные концы помещают в специальные пробирки, снабженные простым автоматическим биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается  tо = 50оС.

При постоянной температуре свободных концов поправка может быть введена расчетным путем независимо от того, какой измерительный прибор применяется в комплекте с ТЭП.

 

3.2 Устройство компенсации температуры (КТ) свободных концов

       термопары

Устройство КТ предназначено для автоматической компенсации изменения термоЭДС термоэлектрического термометра, вызванного отклонением температуры его свободных концов от градуировочной tо = 0 оС.  Устройство КТ представляет собой мостовую схему (см. рисунок 3.2).

R1, R2, R3 – манганиновые ре-зисторы; Rм – медный резистор; 

ИП – измерительный прибор.

При to = 0 мост находится в равновесии, т.е. напряжение в диагонали Ucd = 0.

Условие равновесия моста:

R1∙ R3 = R2∙ Rм,  отсюда

Rм = (R1∙ R3)/ R2.

Когда to > 0 =  , увеличивается           

Rм, и тогда появляется Ucd

которое компенсирует

недостающую термоЭДС на

значение поправки (см. 2.5), т.е. Ucd = ЕАВ(, tо).

           Рисунок 3.2- Устройство КТ                             

 

Тогда на входе ИП     ЕАВ(t, tо) = ЕАВ(t, ) + Ucd.

Погрешность устройства КТ в пределах изменения to = (0 –50) оС равна  ±3 оС.

 

3.3 Нормальный термоэлектрод

Для оценки свойств ТЭП, составленных из различных пар разнородных термоэлектродов  достаточно знать термоЭДС, развиваемые термоэлектродами в паре с одним из термоэлектродов, называемым нормальным. В качестве нормального термоэлектрода стандартом предусматривается электрод из чистой платины.

Если известны термоЭДС различных термоэлектродных материалов А, В, С, …, N  в паре с платиновым П, то на основании закона  Вольта можно определить термоЭДС любой комбинации этих термоэлектродов между собой для определенных температур рабочего и свободных концов.

Пусть известны термоЭДС двух проводников А и В по отношению к платиновому термоэлектроду П при температуре рабочего спая - tо и  свободных концов -  toо : термоэлектрод А в паре с нормальным создают ЕАП(t, tо); термоэлектрод В в паре с нормальным создают ЕВП(t, tо).

Основное уравнение для этих ТЭП

                   ЕАП(t, tо) = еАП(t) - еAП(tо)                                    (3.6)

и         

                  ЕВП(t, tо) = еВП(t) – еВП(tо).                                    (3.7)

 

Вычтем  (3.7) из (3.6)

ЕАП(t, tо) - ЕВП(t, tо) = [еАП(t) - еВП(t)] – [еAП(tо) - еВП(tо)] =

= [еАП(t) + еПВ(t)] – [еAП(tо) + еПВ(tо)] = еАВ(t) - еАВ(tо) = ЕАВ(t, tо).

Отсюда  

                ЕАВ(t, tо) = ЕАП(t, tо) - ЕВП(t, tо).                             (3.8)

  

Из выражения (3.8) следует, если известна термоЭДС двух проводников А и В в паре с третьим – нормальным П, то можно расчетным путем определить значение термоЭДС ТЭП, составленного из двух термоэлектродов А и В.

Положительное значение ЕАВ(t, tо) в формуле (3.8) свидетельствует о том, что термоэлектрод А в паре с В является положительным термоэлектродом, а отрицательное значение ЕАВ(t, tо) указывает, что термоэлектрод А является отрицательным.

В справочниках можно найти термоЭДС различных материалов в паре с платиновым при   t= 100 оС  и  t= 0 оС.

Рассмотренный способ определения термоЭДС различных материалов находит применение при комплектовании ТЭП из неблагородных термоэлектродных материалов.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1, 4-7].

 

4 Лекция 4.  Средства измерения температуры. ТЭП (продолжение)

 

Содержание лекции:

- требования к материалам ТЭП, стандартные градуировки ТЭП, удлиняющие провода, включение измерительного прибора в цепь ТЭП.

 

Цель лекции:

- изучить основные требования к термоэлектродным материалам, вопросы построения ТЭП, теорию удлиняющих проводов.

 

4.1 Требования к материалам термоэлектродов  ТЭП

Два любые проводника в паре создают термоЭДС, но лишь ограниченное число термоэлектродов  используется для создания ТЭП.

К термоэлектродным материалам, предназначенным для изготовления ТЭП, предъявляются ряд требований:

а) однозначная и близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры;

б) жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;

в) химическая инертность;

г) термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки и менять глубину его погружения;

д) технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов;

е) высокая чувствительность;

ж) стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что обуславливает точность измерения температуры и позволяет создать стандартные градуировки;

з) дешевизна.

Ни один из существующих материалов полностью не удовлетворяет всем требованиям, поэтому для различных пределов температур используются термоэлектроды из различных материалов.

По характеру термоэлектродных материалов ТЭП подразделяются на две группы: ТЭП с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов; ТЭП с термоэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами. ТЭП первой группы являются наиболее распространенными, они вошли в практику технологического контроля и научно-исследовательских работ. Высокотемпературные ТЭП второй группы не распространены из-за трудности стабильности их термоЭДС во времени и недостаточная взаимозаменяемость.

В настоящее время используются 5 стандартных градуировок ТЭП, принятых в Республике Казахстан и представленных в таблице 4.1.

 

            Т а б л и ц а 4.1 – Стандартные градуировки ТЭП

Стандартная градуировка

Обозначение ТЭП

Диапазон,  оС

Погрешность,  оС

хромель—копель (ХК)

ТХК

-50600

±(2,25,8)

хромель—алюмель (ХА)

ТХА

-501000

±(4,09,7)

Платинородий (10% родия) —платина (ПП)

ТПП

01300

±(1,23,6)

Платинородий (30% родия) —платинородий (6% родия) (ПР30/6)

ТПР

3001600

±(3,25,2)

Вольфрамрений (5% рения) —вольфрамрений (20% рения) (ВР5/20)

ТВР

02200

±(5,49,7)

 

4.2 Удлиняющие термоэлектродные провода

Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы ТЭП и подключаемый к ним вторичный измерительный прибор их следует удалить из зоны с переменной температурой.     Целесообразно удлинять не сами термоэлектроды ТЭП, а продлевать их с помощью специальных удлиняющих проводов (см. рисунок 4.1), которые обычно называют термоэлектродными или компенсационными.

 

 

 

 

 

 


           Рисунок 4.1 – Схема  ТЭП С  удлиняющими проводами F и D

 

Развиваемая в этой цепи термоЭДС

                      Е = еАВ(t) + еВD(t1) + еDC(to) + еCF(to) + еFA(t1).           (4.1)

 

Если принять, что все спаи имеют температуру t1, то  (4.1) примет вид

 

                        0= еАВ(t1) + еВD(t1) + еDC(t1) + еCF(t1) + еFA(t1).         (4.2)

 

Вычтем (4.2) из (4.1)

Е – 0 = [еАВ(t) - еАВ(t1)] + [еDF(to) - еDF(t1)] = ЕАВ(t, t1) + [еFD(t1) - еFD(to)] =     

             ЕАВ(t, t1) + ЕFD(t1, to).

 

Если термоэлектрические характеристики термометра АВ и пары, составленной из термоэлектродных проводов FD, одинаковы в интервале температур от to =0 оС  до t =100 оС , то 

                          ЕАВ(t1, to) = ЕFD(t1, to).                                  (4.3)

 

Тогда  Е = ЕАВ(t, t1) + ЕАВ(t1, to) = ЕАВ(t, tо).

Таким образом, включение в цепь ТЭП термоэлектродных проводов, подобранных в соответствии с (4.3), не создает в цепи паразитных термоЭДС и поэтому не искажает результат измерения. При этом температуры мест соединений термоэлектродов А и В с удлиняющими проводами F и D должны быть одинаковыми, а абсолютное значение этой температуры в интервале от 0 до 100 оС  роли не играет.

Основные характеристики удлиняющих термоэлектродных проводов, применяемых с серийно выпускаемыми ТЭП, даны в таблице 4.2.

 

Т а б л и ц а 4.2 – Основные технические характеристики стандартных

                                     удлиняющих термоэлектродных проводов

Тип ТЭП

Термоэлектродные провода

Погрешность,

         мВ

Обозначение

Положительный

Отрицательный

ТХК

ХК

Хромель

Копель

0,20

ТХА

М

Медь

Константан

0,15

ТПП

ПП

Медь

Сплав ТП (99,4%Cu +0,6% Ni)

0,03

 

В некоторых случаях для ТХА, кроме указанных в таблице 4.2,  применяют термоэлектродные провода с жилами из хромеля и алюмеля. Для ТВР и ТПР применяют удлиняющие термоэлектродные провода с жилами из меди и медно-никелевого сплава (98,2% Cu + 1,8% Ni).

 

4.3 Включение измерительного прибора в цепь ТЭП

 

Для измерения термоЭДС  ТЭП в его цепь необходимо включить измерительный прибор ИП по одной из двух схем.

Обе схемы можно рассмотреть как включение в цепь измерительного прибора с помощью проводника С (рисунок 4.2).

В первой схеме (рисунок 4.2, А) у ТЭП один рабочий спай - 1 и два свободных спая - 2,3. ТермоЭДС такого замкнутого контура равна

                     ЕАВC(t, tо, to) = еАВ(t) + еВC(tо) + еCA(tо).                              (4.4)

 

Если t = tо (т.е. температуры спаев одинаковы),

 

то                ЕАВC(tо, tо, to) = 0 = еАВ(tо) + еВC(tо) + еCA(tо),                  (4.5)

так как          еВC(tо) + еCA(tо) = еВА(tо),    

 

тогда           ЕАВC(t, tо, to) = еАВ(t) + еВА(tо) = еАВ(t) - еАВ(tо)                 (4.6)

 

Уравнение (4.6) -  основное уравнение ТЭП.

 

 

 

А)                                                              Б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок  4.2 – Схемы включения измерительного прибора в цепь ТЭП

 

 

Во второй схеме (рисунок 4.2, Б) у ТЭП  рабочий спай -1, свободный -2, два нейтральных -3,4. Концы 3 и 4 должны иметь одну и ту же температуру t1.   

При постоянной температуре t1

                      ЕАВC(t, t1, to) = еАВ(t) + еВC(t1) + еCВ(t1) + еВA(tо).                 (4.7)

 

Так как   еВC(t1) = - е(t1)   и   еВA(tо) = - е(tо),   получим

 

            ЕАВC(t, t1, to) = еАВ(t) - еAВ(tо)                                               (4.8)

 

Уравнение (4.8)   - основное уравнение ТЭП.

         Таким образом, несмотря на отличие схем включения ИП в цепь ТЭП, термоЭДС, развиваемая термоэлектрическими термометрами, в обоих случаях будет одинакова, если будут одинаковы термоэлектроды А и В, а также температуры рабочих  и свободных концов.

         Так же, как показано выше, термоЭДС термометра не изменяется от введения в его цепь нового проводника С, если температуры концов проводника одинаковы.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1,4-7].

 

5 Лекция   5.  Средства измерения сигналов ТЭП

 

Содержание лекции:

- измерение сигналов ТЭП с помощью милливольтметров, потенциометров и нормирующих преобразователей.

 

Цель лекции:

- изучить схемы и принцип действия вторичных приборов, работающих в комплекте с ТЭП.

 

Вторичные приборы, работающие в комплекте с первичным ТЭП, это:

а) милливольтметры магнитоэлектрической системы;

б) потенциометры;

в) нормирующие преобразователи.        

 

5.1 Измерение  термоЭДС  милливольтметром

Схема подключения милливольтметра к ТЭП и измерения термоЭДС милливольтметром представлена на рисунке 5.1.

 

 


Rу – сопротивление уравнительной катушки;

Rp – сопротивление рамки;

С

 
Rд – сопротивление добавочной катушки;

Rм = Rp + Rд – внутреннее сопротивление mv;

Rвн = (RAB + RFD + Rc + Ry) –          

внешнее по отношению к

                                                           mv               зажимам а, b прибора 

сопротивление цепи.

 

 

Рисунок 5.1 – Схема измерения термоЭДС милливольтметром (mv)

 

Использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо сопротивление внешней линии подогнать к Rвн, указанной на шкале, с помощью подгоночного сопротивления  Rу.

Промышленностью выпускаются стационарные милливольтметры с градусной шкалой класса точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.

Схема милливольтметра магнитоэлектрической системы приведена в приложении А, рисунок А.2 и рассматривается в рамках СРСП.

5.2 Потенциометры

5.2.1 Компенсационный метод измерения

Принцип действия потенциометров основан  на компенсационном методе измерения, заключающемся в уравновешивании (компенсации) неизвестного напряжения известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника.

Контур I компенсационный  содержит дополнительный источник ЕБ и реохорд Rab (компенсационный резистор).

Контур II измерения включает в себя ТЭП, термоЭДС EAB(t, to) которого измеряется, и высокочувствительный гальванометр, выполняющий функции нуль-индикатора (НИ), а также часть реохорда Rac от точки а до подвижного контакта движка реохорда с.

EAB(t , to) включен навстречу ЕБ так, что токи от обоих источников на участке Rac идут в одном направлении:  IБ – рабочий ток, Iт – ток для контура II при некотором положении движка с.

 

 

 

 

 

Рисунок 5.2 – Схема компенсационного метода измерения

 

По закону Кирхгофа для контура II

                                               

        где   Rвн, Rни – сопротивления внешних проводов, включая внутренние            

сопротивления ТЭП и нуль-индикатора.

В контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток Iт = 0 и падение напряжения на участке Rac служит мерой измеряемой ЭДС

                                                   .                        (5.1)

Компенсирующее напряжение IБ∙Rac можно изменять двумя способами:

а) поддержать IБ = const, Rac = var;

б) Rac = const, IБ = var.

Наиболее распространена схема потенциометра по 1 способу (с постоянной силой рабочего тока).

 

5.2.2 Схема потенциометра с постоянной силой рабочего тока

Схема потенциометра, представленная на рисунке 5.3, отличается от схемы 5.2 включением дополнительного контура III – для контроля за постоянством рабочего тока IБ.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.3 – Схема потенциометра с постоянной силой рабочего тока

 

Искомая                    

 .

         Енэ = 1.0186 В

 

R= 509,3 Ом

 

I = 2 мА

 

 

При равномерной намотке реохорда   отсюда     и  , тогда

                                      .                              (5.2)

Таким образом, измерение термоЭДС EAB(t , to) сводится к измерению длины  участка реохорда, которая проградуирована в единицах напряжения.

Такие потенциометры имеют высокий класс точности, вплоть до 0,0005.

 

5.2.3 Схема потенциометра с переменной силой рабочего тока

В схеме потенциометра, представленной на рисунке 5.4,  EAB(t,to) компенсируется падением напряжения IБRab на постоянном и известном сопротивлении Rab путем изменения IБ  с помощью RБ.

Движок RБ перемещается до тех пор, пока НИ не покажет нуль, при этом отсчитывается IБ по шкале миллиамперметра. Получается, что EAB(t,to) зависит от точности миллиамперметра, поэтому этот потенциометр уступает по точности предыдущему.

 

 

Рисунок 5.4- Схема потенциометра с переменной силой рабочего тока

5.2.4 Нормирующие преобразователи термоЭДС

Нормирующие преобразователи (НП) термоЭДС предназначены для преобразования сигнала ТЭП в унифицированный сигнал постоянного тока 0—5 мА. В основу работы НП положен компенсационный метод измерения термоЭДС по схеме с переменной силой рабочего тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 5.5 – Схема нормирующего преобразователя термоЭДС

 

Обозначения на схеме:

I – контур измерения: КМ – корректирующий мост (R1, R2, R– манганиновые резисторы, Rм – медный); У1 – усилитель с токовым выходом, который выполняет функции НИ (УМ – магнитный усилитель; УП – полупроводниковый усилитель);

 II – контур компенсации: Rос и У2 – усилитель обратной связи (ОС) с глубокой отрицательной ОС по выходному току усилителя Iос, который является рабочим током контура II.

Компенсирующее напряжение Uос = Iос∙Rос. Измеряемое EAB(t,to) сравнивается с Uос.  Небаланс ΔU = EAB(t,to) – Uос подается на У1, где этот сигнал постоянного тока ΔU преобразуется в УМ в сигнал переменного тока, затем в УП усиливается и преобразуется опять в сигнал постоянного тока.

У1 создает ток Iвых, который поступает во внешнюю цепь Rвн и далее через делитель – в усилитель ОС  У2.

В зависимости от диапазона входного сигнала НП, работающие с ТЭП, имеют класс точности 0,6—1,5.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-7,9-12].

6 Лекция   6.  Средства измерения сигналов ТПС

 

Содержание лекции:

-  термопреобразователи сопротивления (ТПС), уравновешенные и неуравновешенные мосты, логометры.

 

Цель лекции:

-          изучить схемы и принцип действия уравновешенных и неуравновешенных мостов, логометров.

 

6.1 Термопреобразователи сопротивления (ТПС)

Измерение температуры с помощью ТПС основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры: если известна градуировочная характеристика (функция преобразования)  R = f(t), то, измерив R, можно определить температуру среды, в которую он погружен.

ТПС надежно измеряют температуру в пределах  -260+1100 оС.

Металлические ТПС: для изготовления стандартизированных ТПС применяют платину (ТСП) и медь (ТСМ).

Платина – наилучший материал для ТПС: α = 3,94∙10-3 оС-1; ρ = 0,1∙10-6 Ом∙м; диапазон измерения Δtо = -260+1100 оС. ТПС из Pt – наиболее точные первичные преобразователи диаметром проволоки 0,050,5 мм. Они используются в качестве рабочих, образцовых, эталонных термометров.

Медь – легко получается в чистом виде, недорогой металл, зависимость Rt = f(t) линейна в широком диапазоне температур, α = 4,26∙10-3 оС-1;  диапазон измерения  Δtо   =     -50+200 оС. При tо >200оС медь активно окисляется и поэтому не используется.

Никель и железо:  диапазон измерения Δtо = -50+250 оС; высокий α, однако эти ТПС широко не применяются, т.к. градуировочная характеристика нелинейна, а главное – нестабильна и невоспроизводима, поэтому ТПС из никеля и железа не стандартизированы.

Полупроводниковые ТПС: диапазон измерения Δtо= -100+300оС. Используют полупроводники:  оксид магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия.

ТПС из полупроводников редко используются для измерения температуры. Они широко используются в системах температурной сигнализации, вследствие присущего им релейного эффекта – скачкообразного изменения сопротивления при достижении определенной температуры. Также  ТПС из полупроводников используются в качестве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах. Чувствительные элементы из полупроводников выполняются в виде цилиндров, шайб, бусинок малых размеров.

 

6.2 Средства измерения, работающие в комплекте с ТПС

Средства измерения, работающие в комплекте с ТПС:

а) мосты (уравновешенные и неуравновешенные);

б) логометры;

в) нормирующие преобразователи.

 

6.2.1 Уравновешенные мосты

В уравновешенных мостах (рисунок 6.1) используется нулевой метод измерения. С помощью неавтоматических уравновешенных мостов, используемых в лабораторных условиях, измеряют сопротивление от 0,5 до 107 Ом, производят градуировку ТПС и измеряют температуру.

 

 

 


НИ – нуль-индикатор (гальванометр);

R1, R2 – постоянные резисторы;

R3 – регулируемый резистор;

Rt – измеряемое сопротивление;

RЛ – сопротивление линий (соединительных проводов);

ab – диагональ питания;

cd – измерительная диагональ.

 

 

 

Рисунок 6.1 – Схема уравновешенного моста

 

Когда мост уравновешен, то IНИ =0 и  R2∙(Rt + 2∙RЛ) = R1R3 , 

отсюда                                                   (6.1)

где R1/R2 = const; 

R3 – var; 

RЛ – должно быть const, однако RЛ изменяется с изменением температуры окружающей среды, поэтому Rt искажается, появляется погрешность от температуры окружающей среды.

Этот недостаток устраняется при трехпроводной схеме включения ТПС к мосту (см. рисунок 6.1). Тогда условие равновесия моста  R1∙(R3 + RЛ) = R2∙(Rt + RЛ).  Отсюда 

                              .                        (6.2)

Если сделать мост симметричным (R1 = R2),   то   Rt = R3,   т.е. Rt не содержит RЛ, а значит Rt не зависит от температуры окружающей среды.

Недостаток уравновешенных мостов: наличие переходного сопротивления контакта в регулируемом плече R3.

Достоинство: независимость от напряжения питания, минимальное значение которого определяется чувствительностью НИ.

 

6.2.2 Неуравновешенные мосты (НУМ)

НУМ не требуют уравновешивания тока, проходящего в его измерительной диагонали. Значение этого тока является мерой подсоединенного к мосту измеряемого сопротивления. НУМ редко используются для измерения температуры. Они широко используются в газоанализаторах, где в качестве чувствительного элемента используются нагреваемые электрическим током металлические или чаще полупроводниковые резисторы.

 

 

 

 


R1, R2, R3 – постоянные резисторы;

RБ – реостат в диагонали питания;

Rt – измеряемое сопротивление;

RК – контрольное сопротивление;

IД – ток, через измеряемую диагональ;

П – переключатель;

 

 

 

Рисунок 6.2 – Схема неуравновешенного моста

 

6.2.3 Логометры

Рассматриваемые ниже приборы магнитоэлектрической системы, называемые логометрами (от греческого «логос» - отношение), широко используются в практике технологического контроля для измерения и записи температуры в комплекте с ТПС. Схема логометра магнитоэлектрической системы в комплекте с ТПС представлена на рисунке 6.3.

Измерительный механизм логометров состоит из двух рамок, помещенных в воздушный зазор между полюсами постоянного магнита и сердечником. Конструктивно выполнено так, что зазор неравномерный, по оси Х-Х он максимальный и убывает к концам полюсных наконечников.

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 6.3 – Схема логометра магнитоэлектрической системы

 

1,2 – рамки из медных изолированных проволок (r1, r2);

3 – стрелка прибора;

1,2,3 насажены на общую ось;

4 – цилиндрический сердечник из мягкой стали.

R1,R2 – добавочные манганиновые резисторы;

Rt – сопротивление термометра.

 

Магнитные моменты М1 = с∙I1∙В1;  М2 = с∙I2∙В2 , где с = const  - коэффициент, зависящий от геометрии рамок; В1, В2 – магнитная индукция.

Уравновешивание момента М1 происходит за счет момента М2.

.

То есть угол поворота подвижной системы  (или показания логометра ) определяется отношением  двух токов.

т.е. логометр измеряет Rt, а значит температуру.

Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды последовательно подключаются  резисторы R1,R2 из манганина, сопротивление которых намного больше, чем сопротивления рамок r1, r2. Но это уменьшает чувствительность логометра, т.к.  уменьшаются токи через r1, r2. Для увеличения чувствительности и уменьшения температурного коэффициента прибора используют схему симметричного неравновесного моста, в измерительную диагональ которого включают рамки логометра (приложение А, рисунок А.3). В эту же схему возможно подключение ТПС по трехпроводной схеме включения.

         Схема нормирующего преобразователя,  работающего с ТПС, приведена в приложении А (рисунок А.4) и рассматривается в рамках СРСП.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-7,9-12].

7 Лекция 7.  Измерения теплового излучения

 

Содержание лекции:

- тепловое излучение, абсолютно черное тело, излучательная способность тел,  яркостная и цветовая температуры.

 

Цель лекции:

-  изучить теорию теплового излучения реальных тел и абсолютно черного тела, яркостный и цветовой методы измерения температуры тел по их тепловому излучению.

 

7.1 Теоретическое введение

Все физические тела, температура которых больше абсолютного нуля, испускают тепловые лучи. Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии.

Интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел. Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения, т.е. излучают волны всех длин λ.

Видимое человеком излучение (свет):  λ = 0,40—0,75 мкм.

Инфракрасный (невидимый свет):  λ = 0,75—400 мкм. Далее радиоволновой диапазон.

Ультрафиолет (невидимый):  λ < 0,40 мкм. Далее рентгеновские и гамма-лучи.

Средства измерения, определяющие температуру тел по их тепловому излучению, называют пирометрами излучения. Пирометры используются для измерения температуры в диапазоне 300—6000 оС. Для измерения температур больше 3000 оС пирометры являются практически единственными СИ, т.к. они бесконтактны. Теоретически верхний предел измерения пирометров неограничен. В пирометрах используется в основном видимый свет и инфракрасный диапазон.

Измерение температуры тел по их тепловому излучению основывается на закономерностях, полученных для абсолютно черного тела. Если на внешнюю поверхность тела падает поток лучистой энергии Ф, то он частично поглощается Фп, отражается Фот и пропускается Фпр. Соотношение между этими потоками зависит от свойств тела и в частности, от состояния его поверхности (степени шероховатости, цвета, температуры). Если тело поглощает весь падающий на него лучистый поток, то коэффициент поглощения его     и такое тело называют абсолютно черным.

Реальные тела не являются абсолютно черными, и лишь некоторые из них по оптическим свойствам близки к ним, например, нефтяная сажа, платиновая чернь, черный бархат в области видимого света имеют α, мало отличающийся от 1.

Внешняя поверхность тел не только поглощает, но и испускает собственное излучение, зависящее от температуры.

В соответствии с законом Кирхгофа излучательная способность тел пропорциональна их коэффициентам поглощения. Так как коэффициент поглощения абсолютно черного тела  αабс.ч.т. =1, то оно обладает максимальной излучательной способностью.

В пирометрии излучения в качестве величин, характеризующих тепловое излучение тел, применяют энергетическую светимость (излучательность) и энергетическую яркость (лучистость). При этом следует различать полную и спектральную светимость и яркость.

Под полной энергетической светимостью понимают полную (интегральную) поверхностную плотность излучаемой мощности.

Энергетической яркостью тела в данном направлении называется мощность излучения в единичный телесный угол с единицы площади проекции поверхности тела на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Энергетическая яркость является основной величиной, непосредственно воспринимаемой человеческим глазом, а также всеми пирометрами, основанными на измерении температуры по тепловому излучению.

Все реальные тела по степени поглощения ими лучистой энергии отличаются от черного тела и имеют коэффициент поглощения меньше единицы. Излучательная способность реальных тел также отличается от лучеиспускательной способности черного тела и может быть охарактеризована коэффициентом излучения полным ε  и спектральным ελ.

Реальные тела при одинаковой температуре имеют различную излучательную способность, оценку которой производят по отношению к излучательной способности абсолютно черного тела

                                                  (7.1)

где ελ  – коэффициент спектрального излучения (степень черноты  

монохроматического излучения);

ε – коэффициент полного излучения (степень черноты

полного излучения);

Еλ, Еλ* - спектральная энергетическая светимость;

Вλ, Вλ* - спектральная энергетическая яркость (воспринимается глазом);

Е, Е* - полная энергетическая светимость.

Значок * относится к абсолютно черному телу, ελ  является функцией длины волны λ и температуры Т. Тело, у которого ελ  не зависит от температуры и λ, называют серым.

 Зависимость между спектральной энергетической светимостью абсолютно черного тела Еλ*, его температурой Т и длиной волны λ устанавливается законом Планка   (рисунок 7.1).

                                        (7.2)               

 

где  с1, с2 – константы.

 

Для выбранной  λ  с увеличением температуры резко возрастает Еλ* или Вλ*, так как

 

              Вλ*=kλ∙ Еλ*.             (7.3)

 

Указанный факт устанавливает возможность измерения температуры тела по его спектральной яркости с высокой чувствительностью.

 

 

 

 

Рисунок 7.1 – Семейство кривых Еλ*,  построенных по закону Планка

 

Из графика (рисунок 7.1) видно, что λmax уменьшается с увеличением температуры. По мере уменьшения температуры черного тела максимум распределения энергии его излучения смещается в сторону длинноволновой области спектра. Это и явилось основанием использовать для измерения яркостной температуры тел инфракрасную область спектра.

Для реальных тел, имеющих каждое свой   ελ 

  

                                    Вλ = ελ∙  Вλ*                  (7.4)                    

 

Если реальные тела имеют одну и ту же температуру, то из-за разности ελ измеренные значения Вλ будут различаться, что не позволяет иметь единую шкалу прибора, отградуированную в значениях истинной температуры различных объектов. В связи с этим шкалу пирометра приходится градуировать по излучению черного тела.

Так как излучательная способность реальных тел меньше чем черных, то показания пирометра будут соответствовать не действительной температуре реального тела, а дают условную температуру, в данном случае, так называемую яркостную температуру.

Яркостной температурой реального тела называют такую температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная яркость В*(λ, Тя) равна спектральной яркости реального тела В(λ, Т) при его действительной температуре Т.

Используя (7.2), (7.3), (7.4),   получим

                                              .                  (7.5)

Видно, что яркостная температура всегда меньше действительной температуры, так как   ελ < 1.

         Приборы, предназначенные для измерения яркостной температуры в видимой части спектра, обычно называют оптическими и фотоэлектрическими пирометрами.

В видимой части спектра смещение    λmax   (см. рисунок 7.1) и, следовательно, перераспределение энергии, вызываемое изменением температуры  тела, приводит к изменению его цвета. Это послужило основанием существующие методы измерения температур тел, основанные на изменении с температурой распределения энергии внутри данного участка спектра излучения, назвать цветовыми методами.  Условная температура тела, измеренная этими методами, называется цветовой температурой.

Наибольшее распространение из существующих получил метод измерения цветовой температуры в видимой части спектра по отношению энергетических яркостей в двух спектральных интервалах.                               

Цветовой температурой  (Тц) реального тела, имеющего истинную температуру Т, называется такая температура абсолютно черного тела, при которой отношение его спектральных энергетических яркостей при длинах волн λ1 и λ2 равно отношению спектральных яркостей реального тела при тех же длинах волн.

Известно, что        . Учитывая (7.2), (7.3), (7.4), получим                    

 

                                  .                                (7.6)

 

Для серых тел       λ1 = λ2      и        , значит .

Практически серыми считают реальные тела: керамика, оксиды металлов, огнеупорные материалы, гранит и др. Преимущества цветового метода для них очевидны, так как яркостная температура всегда, в отличие от цветовой, ниже действительной.

Приборы, предназначенные для измерения цветовой температуры по отношению спектральных энергетических яркостей, принято называть пирометрами спектрального отношения или цветовыми пирометрами.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [4-7,11].

8 Лекция 8.  СИ теплового излучения. Пирометры излучения

 

Содержание лекции:

- оптические пирометры, фотоэлектрические пирометры, пирометры спектрального отношения.

 

Цель лекции:

-  изучить схемы и принципы действия пирометров излучения.

 

8.1 Оптический пирометр

Принцип действия основан на сравнении спектральной яркости тела со спектральной яркостью градуированного источника излучения. В качестве чувствительного элемента, определяющего совпадение спектральных яркостей, служит глаз человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


  ТяО > ТяН                            ТяО = ТяН                                       ТяО < ТяН              

 

Рисунок 8.1 - Схема оптического пирометра с исчезающей нитью

 

  Обозначения на схеме: 1 – объектив прибора; 2 – поглощающий светофильтр; 3 – диафрагма входная; 4 – оптическая лампа; 5 – выходная диафрагма; 6 – красный светофильтр; 7 – окуляр; ОИ – объект измерения.

 

Для измерения температуры объектив прибора 1 направляется на ОИ так, чтобы на его фоне видна была в окуляре 7 нить оптической лампы 4.

Сравнение спектральных яркостей ОИ и нити лампы 4 осуществляется при длине волны равной 0,65 мкм, для чего перед окуляром установлен красный светофильтр 6. Диафрагмы  3 и 5 ограничивают входной и выходной углы пирометра, оптимальное значение которых позволяет обеспечить независимость показаний прибора от изменения расстояния между ОИ и объективом.

С помощью реостата RБ изменяют силу тока, идущего от батареи к нити лампы, до тех пор, пока яркость нити не станет равной видимой яркости объекта измерения (ТяО = ТяН ). При достижении указанного равенства нить «исчезает» на фоне изображения объекта измерения (см. рисунок 8.1). В этот момент по миллиамперметру, отградуированному  в значениях яркостной температуры нити лампы ТяН, определяют яркостную температуру объекта ТяО. Затем по ТяО и ελ определяют действительную (истинную) температуру объекта Т (формула 7.5).

Нить оптической лампы выполнена из вольфрама, поэтому для избежания ее возгонки при температуре выше 1400 оС, для измерения более высоких температур перед лампой включается ослабляющий или поглощающий светофильтр 2. Благодаря этому светофильтру уменьшается видимая яркость ОИ в кратное число раз, что позволяет не перекаливать нить и сохранять стабильность градуировки пирометра.

В оптических пирометрах обычно имеется две шкалы, одной пользуются при невведенном поглощающем светофильтре (800—1200 оС), а второй при введенном  поглощающем светофильтре (1200—2000 оС).

Существующие оптические пирометры имеют интервал измерения 800—6000 оС,  классы точности 1,5—4,0.

 

8.2 Фотоэлектрический пирометр

Фотоэлектрические пирометры (ФП) являются автоматическими. Чувствительными элементами, воспринимающими лучистую энергию, служат фотоэлементы, фотоумножители, фотосопротивления и фотодиоды.

По принципу действия ФП бывают двух типов:

а) лучистая энергия, воспринимаемая прибором, попадая на чувствительный элемент, изменяет его параметры (фототок, сопротивление);

б) измерение лучистой энергии осуществляется компенсационным методом, здесь чувствительный элемент работает в режиме нуль-индикатора, сравнивая интенсивности излучения от измеряемого тела и от стабильного источника излучения – миниатюрной лампочки накаливания.

ФП второго типа более сложны, но и более точны, т.к. их показания не зависят от характеристик чувствительного элемента и электронной схемы.

Схема ФП второго типа представлена на рисунке 8.2 . Световые потоки от ОИ и от 1 попадают на фотоэлемент 7 в противофазе. Это осуществляется тем, что перед отверстиями диафрагмы 5 установлена вибрирующая заслонка 4, поочередно перекрывающая эти отверстия. Каждый из световых потоков, попадая на фотоэлемент, создает противоположный по фазе синусоидальный ток.

При одинаковых спектральных яркостях от ОИ и от источника 1, воздействующих в противофазе, на фотоэлементе генерируется постоянный ток.

 


Обозначения на схеме: 1 – регулируемый источник света; 2 – объектив; 3, 5 – диафрагма; 4 – вибрирующая заслонка; 6 – красный светофильтр; 7 – фотоэлемент; 8 – электронный усилитель; 9 – силовой блок; 10 – резистор.

 

 

 

 

 

Рисунок 8.2 - Схема ФП, работающего по компенсационному методу

 

Если спектральные яркости не равны друг другу (например, при изменении температуры ОИ), то в цепи фотоэлемента появляется переменная составляющая фототока, которая усиливается усилителем 8 и поступает на фазочувствительный каскад силового блока 9. В результате изменяется ток накала лампы 1 до тех пор, пока на фотоэлементе не уравняются световые потоки от ОИ и от 1.

Ток лампы, однозначно связанный с ее спектральной яркостью, может служить мерой яркостной температуры объекта. Потому, измеряя автоматическим потенциометром падение напряжения на резисторе 10, шкалу потенциометра градуируют в значениях яркостной температуры.

ФП имеют основную погрешность ±1% (800—2000 оС) и ±1,5%(>2000оС).

 

8.3 Пирометр спектрального отношения (цветовой пирометр)

Эти пирометры предназначены для измерения цветовой температуры путем измерения отношения спектральных энергетических яркостей, соответствующих двум длинам волн.

Существуют двухканальные и одноканальные цветовые пирометры (ЦП).

В двухканальных ЦП измерительные сигналы, соответствующие каждой длине волны излучения, передаются одновременно по двум независимым каналам, из соотношения величин данных сигналов определяется мгновенная цветовая температура Тц объекта.

В ЦП с одноканальной схемой измерения два различных монохроматических потока с помощью оптического коммутатора поочередно подаются на один фотоэлектрический приемник.

Двухканальные ЦП используются в основном в лабораторных условиях, когда требуется определить Тц с большой скоростью.

Одноканальные ЦП обладают большой стабильностью, поэтому имеют широкое применение. Схема одноканального ЦП приведена на рисунке 8.3.

  Обозначения на схеме: Т – телескоп; 1 – объект измерения; 2 –

оптическая система; 3 – обтюратор – диск с двумя отверстиями (в одном -

красный светофильтр, в другом - синий); 4 – фотоэлемент; 5 – предварительный усилитель;     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 8.3 - Схема одноканального ЦП

 

6 – БП – блок преобразования сигналов  (включает  в себя: дифференциальные цепочки, пик-детектор, логарифмическое звено с цепочкой RC, амплитудный ограничитель напряжения,фильтр);

7 – синхронный переключатель;

8 – синхронный двигатель;

9 – автоматический потенциометр.

 

При вращением обтюратора синхронным двигателем на фотоэлемент попеременно попадает излучение красной и синей спектральной яркостей, в результате чего в фотоэлемента формируются импульсы фототока, пропорциональные соответствующим спектральным яркостям.

Импульсы фототока усиливаются в предварительном усилителе, в виде импульсов напряжения трапецеидальной формы поступают в БП.

Автоматический потенциометр на выходе БП измеряет постоянную составляющую тока: , тогда получается, что ЦП измеряет отношение =>Тц => Т.

ЦП имеет диапазон 1400—2800 оС, класс точности 1,0.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [4-7,11].

 

9 Лекция 9.  Измерения давления. Средства измерения давления

 

Содержание лекции:

- основные сведения об измерении давления, классификация СИ давления, деформационные СИ давления, пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления.

 

Цель лекции:

- изучить виды и единицы давления, классификацию СИ давления, чувствительные элементы деформационных СИ давления, ИП с секторным передаточным механизмом, пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления.

 

9.1 Общие сведения об измерении давления

 

Широкое использование давления в научных исследованиях и в различных отраслях промышленности вызывает необходимость применения большого числа средств измерения давления и разности давлений, различных по принципу их действия, устройству, назначению и точности.

Давление – это отношение силы, действующей  перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление - одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние вещества. С задачей измерения давления сталкиваются при измерениях некоторых технологических параметров, например, расход газа или пара, уровня жидкости и др.

Различают виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное, вакуум (разряжение). Абсолютное давление необходимо знать в тех случаях, когда влияние атмосферного давления исключить нельзя, как, например, при изучении вопросов состояния рабочих тел, при определении температуры кипения различных жидкостей и в других подобных случаях.

При контроле технологических процессов и при проведении научных исследований  в большинстве случаев приходится иметь дело с измерением избыточного и вакуумметрического давлений, а также с измерением разности давлений.

Атмосферное давление -  давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. Абсолютное давление – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух. Под термином абсолютное давление Р подразумевается полное давление, под которым находится жидкость, газ или пар. Оно равно сумме давлений избыточного Ри  и атмосферного Ратм

 

                                Р = Ри + Ратм.                               (9.1)

Избыточное давление  – разность между абсолютным давлением, большим атмосферного,  и атмосферным давлением

 

                                     Ри = Р – Ратм.                    (9.2)

 

 Вакуум – разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного

 

                                    Рв = Ратм – Р.                       (9.3)

 

В системе СИ за единицу давления принимают  1 Паскаль (Па) – давление, создаваемое силой  в 1 Ньютон (Н), равномерно  распределенной  по  поверхности  площадью  1 м и направленной нормально к ней.

  Для применения допускаются также единица давления МКГСС килограмм-сила на квадратный метр () и внесистемные единицы давления: килограмм-сила на квадратный метр () , которую называют технической атмосферой (ат), миллиметр водяного столба (мм вод.ст.), миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.) и бар (не рекомендуется к применению).  В таблице 9.1 приведены соотношения между единицами давления.

 

Т а  б л и ц а  9.1 -  Соотношения между единицами давления

 

Единица

 

мм вод.ст.

мм рт.ст.

бар

1 Па

0,10197

10,197

0,101197

7,50

 

        9.1.1 Классификация средств измерения  давления  

СИ давления классифицируются:

а) по виду измеряемого давления: манометры избыточного давления;  манометры абсолютного давления; барометры; вакуумметры;  мановакуум-метры (для измерения избыточного давления и вакуума );  напоромеры (для измерения малых избыточных давлений до 40 кПа );  тягомеры ( для измерения разряжения газа до 40 кПа )  ;  тягонапоромеры ( для измерения малых давлений и разряжений газа с диапазоном -20+20 кПа ) ; дифманометры ( для измерения разности давления ) ;

б)  по принципу действия:  жидкостные;  поршневые;  деформационные; ионизационные;  тепловые;  электрические.

 Такое подразделение СИ давления не является исчерпывающим.

Ниже рассмотрим СИ давления, широко применяемые в качестве технических в технологических измерениях.

 

 

9.2 Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления

1-     мембрана,

2-     кварцевая пластина,

3-     электронный усилитель (Rвх=Ом)

 
Измеряемое  давление преобразуется в  усилие посредством деформации ЧЭ (мембраны). Деформация ЧЭ преобразуется в сигнал измерительной информации с помощью пьезоэлектрического элемента. Принцип действия пьезоэлектрического преобразовательного элемента основан на пьезоэффекте, наблюдаемом у ряда кристаллов: кварц, турмалин, барий и другие. Схема пьезоэлектрического преобразователя давления представлена на рисунке 9.2.


Рисунок 9.2 - Пьезоэлектрический измерительный преобразователь   

                                                         давления

       

Частота колебаний системы «мембрана –кварцевые пластины» равна десяткам килогерц, поэтому измерительные преобразователи этого типа обладают высокими динамическими характеристиками, что обуславливает их широкое применение при контроле давления в системах с быстропротекающими процессами.

 

9.3  Дифференциально-трансформаторный измерительный

                         преобразователь  давления

 Деформационные измерительные  преобразователи  давления основаны на методе прямого преобразования. Для преобразования перемещения чувствительного элемента в сигнал измерительной информации широко применяются следующие виды измерительных преобразователей:  индуктивные;  дифференциально-трансформаторные;  емкостные;  тензорезисторные и другие преобразовательные элементы. 

Для преобразования усилия, развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации используются пьезоэлектрические преобразовательные элементы.

 

Рисунок 9.3 -  Дифференциально-трансформаторный (ДТ) измерительный

                                 преобразователь давления

 

Обозначения на схеме (рисунок 9.3): 1 – деформационный чувствительный элемент, 2 – деформационно-трансформаторный преобразовательный элемент, 3 – тяга, 4,5 – секции вторичной обмотки, 6 – подвижный сердечник, 7 – первичная обмотка.

К выходу вторичной обмотки подключен делитель ( R1 , R2 )  , который используется при настройке преобразователя на заданный диапазон.

При протекании по первичной обмотке тока I1 возникают магнитные потоки, пронизывающие обе секции вторичной обмотки и индуцирующие в них ЭДС е1 и е2 . Значения этих ЭДС связаны с взаимными индуктивностями М1 и М2 : е1= 2*f*I1*M1,   е2= 2*f*I1*M2,     где   f  - частота тока  I1.

При встречном включении обмоток секций 4 и 5

                 Е = е1 - е2 = 2*f*I1*(M1-M2) = 2*f*I1*M,

  Для унифицированного ДТ- преобразователя  

                                                                    (9.4)

 

где δ – деформация (перемещение) ЧЭ,  δ мах=1,6; 2,5; 4 мм,

                                              δ = к*Р                                      (9.5)        

где к -  коэффициент преобразования.

Класс точности ДТ – преобразователя    1,0 – 1,5 .

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [2, 4-6,9-12].

10 Лекция 10. Средства измерения давления (продолжение)

 

Содержание лекции:

- деформационные СИ давления, их чувствительные элементы, ИП с одновитковой трубчатой пружиной, сильфонный дифманометр, методические указания по измерению давления.

 

Цель лекции:

- изучить принцип действия и схемы деформационных средств измерения давления и методические указания по измерению давления.

 

10.1 Деформационные средства измерения давления

Принцип действия деформационных  СИ давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или развиваемой им силы.

 

10.1.1 Чувствительные элементы

P

 

P

 
Мерой измеряемого давления в СИ данного типа является деформация упругого ЧЭ или развиваемая им сила.

Различают три основных формы ЧЭ:  трубчатые пружины, сильфоны, мембраны. Конструкции ЧЭ представлены в приложении Б.

9.2.1.1 Трубчатая пружина –  манометрическая пружина (пружина Бурдона) - это упругая криволинейная металлическая полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой жестко закреплен.

Наиболее распространена одновитковая трубчатая пружина с овальным поперечным сечением (приложение Б, рисунок Б.1, а). Практически увеличение угла поворота трубки достигается путем увеличения числа витков трубчатой пружины. Это видно у многовитковой винтовой трубчатой пружины (приложение Б, рисунок Б.1, б). Для измерения высоких Р 1000кПа используются криволинейные и прямолинейные  трубчатые пружины (приложение Б, рисунок Б.1, в,г). Перемещение свободного конца происходит не из-за изменения поперечного сечения, а благодаря изгибающему моменту.

9.2.1.2    Сильфоны- тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами, способная получать значительные перемещения под действием давления или силы (приложение Б, рисунок Б.1, д).

Отношение действующей на сильфон силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью сильфона. Для увеличения жесткости сильфона часто внутри помещают пружину.

9.2.1.3           Мембраны бывают упругие и эластичные (вялые).

Упругая мембрана – гибкая круглая плоская или гофрированная пластина, способная получить прогиб под действием давления.  На рисунке Б.1 приложения Б представлены схематические изображения плоской (е) и гофрированной (ж) упругих мембран. Гофрированная мембрана может  применяться при больших прогибах, чем плоские, т.к. имеют значительно  меньшую нелинейность характеристики. Глубина гофр оказывает существенное влияние на линейность статической характеристики: чем больше глубина, тем более линейна характеристика.

Эластичные мембраны  предназначены для измерения малых давлений и разности давлений. Представляют  собой плоские или гофрированные диски, выполненные из прорезиненной ткани, тефлона и др. Для уменьшения  нелинейнейности используют мембраны с жёстким центром:  два металлических диска, закрепленных с двух сторон на мембране (приложение Б, рисунок Б.1, м,н).

Для всех ЧЭ не рекомендуется многократное применение, т.к. накапливается остаточная  деформация,  что приводит к погрешности измерения. Предел измерения ограничивается половиной давления, соответствующего пределу пропорциональности статической характеристики (для рабочих ЧЭ).

 

10.1.2 ИП с одновитковой трубчатой пружиной

 Измерительный прибор (ИП) предназначен для измерения избыточного давления и разряжения неагрессивных жидких и газообразных сред. Приборы выполняются только показывающие. На рисунке 10.1 приведена схема ИП с одновитковой трубчатой пружиной и секторным передаточным механизмом.

 

 

1 – держатель;

2 – плата;

3 – шкала;

4 – стрелка;

5 – трубчатая пружина;

6 – спиральная пружина; 7 – зубчатое колесо;

8 – зубчатый сектор;

9 – наконечник;

10 – тяга.

 

 

 

 

Рисунок 10.1 – ИП с секторным передаточным механизмом

 

Для передачи перемещения свободного конца деформационного ЧЭ  к указателю манометра используются секторные или рычажные передаточные механизмы. С помощью этих передаточных механизмов перемещение свободного конца  трубчатой пружины в несколько градусов или мм преобразуется в угловое перемещение стрелки на 270300 градусов. Рычажные передаточные механизмы применяют в тех случаях, когда не требуется высокая точность измерений и прибор подвергается вибрации. Секторные передаточные механизмы применяются в образцовых приборах и в приборах, где по условию эксплуатации исключена вибрация.

Вакуумметры с одновитковой трубчатой пружиной идентичны манометрам, но стрелка может перемещаться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.

 

10.1.3      ИП с сильфонным чувствительным элементом

Для измерения разности давлений и расхода жидких и газообразных сред широкое применение получили сильфонные дифманометры  (рисунок 10.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                   Рисунок  10.2 -  Сильфонный дифманометр

 

Обозначения на схеме: 1,4 – рабочие сильфоны; 2 – шток; 3 – рычаг; 5 – противодействующие пружины.

Под действием измеряемого перепада давления рабочий сильфон 1 сжимается, что приводит к вытеснению рабочей жидкости, заполняющей внутреннюю полость дифманометра, во внутреннюю полость рабочего сильфона 4. Деформация сильфона вызывает перемещение штока 2 и изменение натяга противодействующих пружин 5. Перемещение штока прекращается, когда усилие деформации сильфонов уравновешивается усилием натяга противодействующих пружин. В процессе перемещения штока2 последний поворачивает рычаг 3 против часовой стрелки, который соединен с самопишущим механизмом.

Предельные перепады давлений 0,0063-0,25 Мпа.

Класс точности 1,0 и 1,5.

 

10.2       Общие методические указания по измерению давления

Рассмотренные выше СИ избыточного, абсолютного  и вакуумного давлений и разности давлений широко применяются  при автоматизации технологических процессов, а также при проведении научных исследований.

Точность измерений давлений и разности давлений зависит от выбранного метода измерений, метрологических характеристик средств измерений, от условий измерений и ряда других причин.

Выбор метода и СИ необходимо производить в зависимости от поставленной задачи, требуемой точности и условий измерений.

При выборе СИ необходимо иметь в виду  не ту точность, которая свойственна им в нормальных условиях, а ту точность, которую приборы могут обеспечить в данных эксплуатационных условиях .

Одновременно с выбором СИ должен стоять вопрос о диапазоне измеряемых давлений,  а следовательно о выборе шкалы прибора. При выборе шкалы необходимо иметь в виду, что допускаемые погрешности приборов давления, дифманометров и вторичных приборов выражены в виде приведенных погрешностей в ℅ от диапазона измерения. Поэтому при прочих равных условиях погрешность измерения для первой половины шкалы прибора будет больше , чем для второй половины его шкалы.   

При выборе первичного прибора не следует брать приборы, требующие дополнительного преобразователя для согласования рода энергии выходного сигнала первичного и входного сигнала вторичного измерительных устройств. Применение дополнительного преобразователя в измерительной схеме увеличивает погрешность измерения. При создании АСУ целесообразно применять первичные приборы с унифицированным выходным сигналом постоянного тока.

Внешние условия сильно влияют на точность измерений, поэтому их необходимо учитывать при выборе места установки прибора.

Место установки приборов должно обеспечивать удобство обслуживания и наблюдения за их работой. Длина соединительных линий от места отбора давления до прибора должна быть минимальной. Наибольшая длина соединительных линий не должна превышать 50 м. При этом следует иметь в виду, что с увеличением  длины соединительных линий рабочая полоса пропускания частот для данного прибора уменьшается. Для предохранения приборов от непосредственного действия горячей среды, давление которой измеряется, надо устанавливать специальные дополнительные устройства.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [2, 4-6,9-12].

     

 

 

11              Лекция 11. Измерения  количества и расхода вещества.

                                            СИ количества и расхода

 

Содержание лекции:

- количество и расход вещества, единицы их измерения, объемные счетчики, расходомеры переменного перепада давления, электромагнитные и тепловые расходомеры.

 

Цель лекции:

- изучить принцип действия и схемы технических СИ количества вещества и расхода жидкости, газа и пара.

 

Количество вещества определяют его массой или объемом и измеряют соответственно в единицах массы (кг, т) или в единицах объема (, л). Средства измерения количества вещества за некоторый промежуток времени называют счетчиками.

Одним из важнейших параметров технологических процессов является расход протекающих по трубопроводам веществ. Расход вещества – это количество вещества, протекающее через данное сечение канала в единицу времени. Различают:

а) объемный расход   Q, измеряемый в /с, /ч , л/мин ;

б)  массовый расход  G,  измеряемый в кг/с, кг/ч , т/ ч;

в) средний расход:   Q=V/(τ2-τ1 ) , где V- объем вещества, измеренный счетчиком  за время τ;

г) истинный или мгновенный расход:  Q= dV/  или  G1= dm/    - есть производная от количества вещества по времени.

Средства измерения расхода  называются  расходомерами.

 

11.1 Объемные счетчики

Принцип действия объемных счетчиков основан на непосредственном отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мерных камер известного объема и подсчета числа порций, прошедших через счетчик.

Объемные счетчики подразделяются на опорожняющиеся и вытесняющие. Опорожняющиеся объемные счетчики имеют жесткие камеры, из которых измеряемая среда свободно вытекает. Они не пригодны для измерения количества газа. К этому же виду объемных счетчиков относятся барабанные и опрокидывающиеся счетчики. Вытесняющие объемные счетчики имеют мерные камеры с перемещающимися стенками, которые вытесняют измеряемую фазу, освобождая камеру для следующей порции. К объемным счетчикам  этого типа относятся: однопоршневые; многопоршневые; кольцевые; с овальными шестернями; ротационные;   сухие газовые; мокрые газовые; дисковые.

 

11.1.1 Объемные счетчики с овальными шестернями

Объемные счетчики с овальными  шестернями используются  для измерения различных жидкостей, в том числе нефти и нефтепродуктов (рисунок  11.1).

Выноска 3: 21 – корпус;

2,3 – овальные шестерниВыноска 3: 1
Выноска 3 (без границы): V1Выноска 3 (без границы): V2

 

P2

 

P2

 

P1

 

P1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 11.1 - Объемные счетчики с овальными шестернями

 

Достоинства: точность измерения высокая (0,5 1,0) % от измеряемого значения, потери давления незначительны, показания независимы от вязкости. Недостаток: необходима хорошая фильтрация измеряемой среды от механических примесей. Предел измерения: 0,01250 /ч. D=12250 мм.

 

11.2 Расходомеры переменного перепада давления

Одним из самых распространенных  принципов измерения расхода жидкостей, газов и паров является принцип измерения переменного перепада давления на сужающем устройстве. В соответствии с рассматриваемым принципом в трубопровод устанавливают сужающее устройство (СУ). Пройдя сечение А – А  (рисунок 11.2,а), поток сжимается и, благодаря инерции, сжатие продолжается и на выходе из СУ, достигает наибольшее значение на некотором расстоянии после нее. Уменьшение струи приводит к увеличению скорости потока W  по сравнению с его скоростью до сужения (рисунок 11.2,в). Увеличивается кинетическая энергия потока. Согласно закона сохранения энергии увеличение кинетической энергии происходит за счет уменьшения потенциальной энергии. А это приведет к тому, что давление потока  Р на выходе из СУ уменьшится. На СУ создается перепад давления  Р = Р1 – Р2, измеряемый дифманометром (рисунок 11.2,б).

 

а)          А

 

Рисунок 11.2 – Принцип переменного перепада давления на СУ

 

К стандартным СУ относятся (см. рисунок 11.3): стандартная диафрагма

(а), стандартное сопло (б), труба Вентури (в), сопло Вентури (г).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 11.3 – Стандартные сужающие устройства

11.3 Электромагнитные расходомеры

Принцип  действия электромагнитных расходомеров (рисунок 11.4) основан на законе электромагнитной индукции (Закон Фарадея), согласно которому в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. Если в качестве проводника использовать поток электропроводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерить наведенную в жидкости ЭДС, то можно определить скорость потока или объемный расход жидкости.

 

 

Рисунок 11.4 -  Схема электромагнитного расходомера

 

Обозначения на рисунке 11.4: 1 – металлическая немагнитная труба; 2,3 – электроды; 4 – измерительный прибор. Внутренняя поверхность трубы покрыта электроизоляционным материалом  (эмаль, стеклопластик, резина).

Электромагнитные расходомеры могут быть использованы для жидкостей, имеющих электропроводность не менее 1010 См/м .

Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем имеют существенный недостаток - возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации. Для ликвидации этого недостатка используют электромагнитные расходомеры  с переменным магнитным полем. Но, несмотря на наличие ряд эффектов, искажающих полезный сигнал, например, трансформаторная помеха, и трудность их устранения, в промышленности нашли применение электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем.

 

11.4 Тепловые расходомеры изучаются в рамках СРСП. Схема теплового расходомера приведена в приложении В на рисунке В.1.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-4, 7,8].

 

12 Лекция 12.  Измерения уровня и концентрации

 

Содержание лекции:

- общие сведения об измерении уровня и концентрации, технические СИ уровня и концентрации. 

 

Цель лекции:

- изучить схему и принцип действия электрических и акустических средств измерения уровня, магнитных и оптических газоанализаторов.

 

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой – жидкостью или сыпучим телом. Уровень измеряют в единицах длины (мм, см, м). Средства измерения уровня называют уровнемерами. По диапазону измерения различают уровнемеры  широкого и узкого диапазонов.

Уровнемеры широкого диапазона (0,5-20 м) используются в товаро-учетных операциях. Уровнемеры узкого диапазона (0-100 мм), ( 0-450 мм) обычно используются  в системах автоматического регулирования (САР).

В настоящее время различают уровнемеры (по принципу действия): визуальные; поплавковые; буйковые; гидростатические; электрические; акустические; радиоизотопные.

 

12.1 Электрические СИ уровня

 По виду чувствительного элемента различают: емкостные уровнемеры; кондуктометрические сигнализаторы уровня.

          12.1.1  Емкостные уровнемеры

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимости электрической емкости чувствительного элемента (ЧЭ) первичного измерительного преобразователя от уровня жидкости.        Конструктивно ЧЭ выполняются в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов. Их конструкции зависят от физико-химических свойств жидкости:

а) для неэлектропроводящих жидкостей (диэлектриков), имеющих электропроводность менее 10 См/м применяются уровнемеры,  схема которых показана на рисунке 12.1, а;

б) для измерения уровня электропроводящих жидкостей (удельная электропроводность > 10 См/м) применяются уровнемеры с другими ЧЭ (см. рисунок 12.1, б).

Обозначения на рисунке 12.1: 1,2 – коаксиально расположенные электроды (цилиндрические конденсаторы); 3 – изолятор.

 

 

а)

 

б)

 

 


Рисунок 12.1 -  Схемы емкостных уровнемеров

 

Диапазоны измерения емкостных уровнемеров: (0¸0,4м) и  (0¸20м); рабочее давление 2,5¸10 МПа; класс точности 0,5; 1,0; 2,5.

 

         12.1.2 Кондуктометрические сигнализаторы уровня

Они предназначены для сигнализации уровня электропроводящих жидких и сыпучих сред с удельной проводимостью >10 См/м (рисунок 12.2).


 

1-электрод;

2-реле.

 
  

           

Рисунок 12.2 - Схема сигнализатора верхнего предельного уровня    

                                  жидкости

        

12.1.3 Акустические СИ уровня

         Существуют различные принципы построения акустических уровнемеров. Наиболее распространен принцип локации: измерение уровня по времени прохождения УЗ - колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела 2-х сред и обратно.

         Уровнемеры, в которых локация границы раздела 2-х сред осуществляется через газ, называются акустическими, а уровнемеры с локацией границы через слой рабочей среды – ультразвуковыми.     Преимущество акустических уровнемеров – не зависят от физико-химических свойств рабочей среды. Недостаток – зависимость от температуры и Р. Для сыпучих сред принцип действия аналогичен. Гранулы размером 2¸200мм.

         Диапазоны измерения: (0¸2,5 м), (0¸30м). Класс точности; 1,0; 1.5 .

 

12.2 Измерения концентрации

         Для измерения концентрации компонента в псевдобинарной смеси осуществляется измерение некоторого физико-химического свойства, по которому многокомпонентная смесь может рассматриваться как бинарная.

         Для анализа состава бинарных и псевдобинарных смесей жидкостей и газов используются  различные анализаторы физико-химических свойств.

Автоматические газоанализаторы используются на ТЭС при сжигании органических топлив для контроля за процессом горения и определения требуемого избытка воздуха. Приборы газового анализа используются в системах, обеспечивающих безопасное функционирование технологических объектов. Так например, газоанализаторы, измеряющие концентрацию водорода Н2  в системе охлаждения турбогенераторов, в газах сдувок аппаратов с радиоактивным теплоносителем на АЭС и т.д.

В связи с усилением внимания к охране окружающей среды резко расширилось производство и использование газоанализаторов, предназначенных для контроля содержания вредных примесей в газовых выбросах промышленных предприятий и электрических станций, в воздухе производственных помещений и атмосфере.

 

12.2.1 Магнитные газоанализаторы

В основу их работы положены различные явления, связанные с взаимодействием определяемого компонента анализируемой смеси с магнитным полем.

Газы, которые втягиваются в магнитное поле, называют парамагнитными, а которые выталкиваются - диамагнитными. Магнитная восприимчивость парамагнитных газов является положительной величиной, диамагнитных газов - отрицательной. Магнитная восприимчивость обладает свойством аддитивности. Парамагнитными свойствами обладают кислород и окись азота, причем по абсолютному значению их магнитная восприимчивость  в 100 раз и более превосходит магнитную восприимчивость остальных газов и паров. На этом основано измерение концентрации кислорода в многокомпонентной смеси.

Схема наиболее распространенного термомагнитного газоанализатора представлена на рисунке 12.3.

Обозначения на рисунке 12.3: 1 - блок подготовки; 2 - постоянный магнит; 3 - кольцевая камера; 4 - тонкостенная стеклянная трубка; 5 - терморезисторы;   6 – неравновесный мост; 7 - потенциометр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 12.3 -  Схема термомагнитного газоанализатора

 

Диапазон измерений от 0 –1% до 0 – 100%.  Класс точности 2,5 – 5.

 

12.2.2 Оптические газоанализаторы

В оптических газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по изменению оптических свойств газовой смеси, к числу которых относятся показатели преломления, спектрального поглощения и излучения, спектральная плотность и другие.

         Оптические газоанализаторы можно подразделить на три группы: инфракрасного и УФ – поглощения; спектрофотометрические; фотокалори-метрические. Оптические газоанализаторы обладают большой разрешающей способностью, благодаря чему они применяются для анализа микроконцентраций взрывоопасных и токсичных примесей в промышленных газах, при контроле воздуха в атмосфере и производственных помещениях.

         Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения: газы, содержащие в своем составе 2 и более разнородных атомов (СО, СО2, СН4, NН3) имеют спектры поглощения в ИК – области спектра. Одноатомные газы характеризуются спектрами поглощения в УФ - области.

Диапазоны измерения таких анализаторов от 0-1 до 0-100 % .

Класс точности 2,5-10 (в зависимости от диапазона измерения).

Типы выпускаемых промышленностью оптико-акустических газоанализаторов в ИК- области спектра: ГИП 10МБ-1 – СО, ГИП 10МБ-2 – СО; ГОА–4 – СО; СО2; С2Н2; СН4 др.; в УФ – области спектра: УФА 1 – Сl2.

Схема инфракрасного газоанализатора представлена в приложении Г на рисунке Г.1 и рассматривается в рамках СРСП.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-6].

       13 Лекция 13. Измерения физико-химических свойств 

                             жидкостей и газов

 

Содержание лекции:

- общие сведения об измерениях плотности и вязкости, СИ плотности и вязкости.

 

Цель лекции:

- изучить принцип действия и схемы весового и гидростатического плотномеров и вискозиметров.

 

К числу физико-химических свойств, автоматический контроль которых осуществляется в химико-технологических процессах, относятся плотность и вязкость.

                                     

          13.1 СИ плотности жидкостей и газов

Измерения плотности жидкости и газов осуществляется для целей управления химико-технологическими процессами и выполнения операций учета количества сырья, топлива, реагентов. Плотность вещества физическая величина, определяемая отношением массы вещества m к занимаемому им объему v.      СИ плотности называются плотномерами или денсиметрами (денситометрами) – от латинского densus – плотный, густой.

         Плотномеры бывают:  весовые, поплавковые, гидроаэростатические,         гидрогазодинамические, радиоизотопные, акустические, вибрационные и др.

 

         13.1.1 Весовой плотномер

  Схема весового или пикнометрического плотномера представлена на рисунке 13.1. Обозначения на схеме: 1 - сильфоны; 2 - неподвижные патрубки; 3 - V-образная трубка; 4 – тяга; 5 – рычаг; 6 – преобразователь; 7 – противовес.

 

         Рисунок 13.1 -  Схема весового плотномера

Диапазон измерения 0,5 ¸ 2,5 г/см.  Класс точности 1 ¸1,5.   Maксимальная рабочая температура t°раб=100°С.

 

13.1.2 Гидростатический плотномер

         Принцип действия гидростатического плотномера (рисунок 13.2) основан на зависимости давления столба анализируемой жидкости или газа P от плотности   этих сред    P = *g* h

  

                                                                                                       

 

Рисунок 13.2 - Схема гидростатического плотномера

 

Обозначения на схеме 13.2: 1 – опорная плата; 2,3,4, - сильфоны; 5 – камера; 6 – преобразователь; 7 – измерительный рычаг; 8 – рычаг.

Диапазон измерений 0 ¸ 0,5 г/см;          Класс точности 1. Maксимальная температура  жидкости    200°C.

                     

13.2 СИ  вязкости жидкостей

         Вязкость определяет качество продукции в химико-технологических процессах, связанных с производством нефтяных масел, консистентных смазок, полимеров, растворителей.

Вязкость (внутреннее трение) - свойство текучих тел ( жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. СИ вязкости называется вискозиметрами. В настоящее время разработаны автоматические вискозиметры: капиллярные; ротационные; вибрационные; вискозиметры с падающим телом и     другие.

 

13.2.1 Капиллярные вискозиметры

Принцип действия механических вискозиметров (см. рисунок 13.3) основан на закономерности истечения жидкости через капилляр, описываемый законом Пуазеля

                                                           (13.1)

где Q - объемный расход жидкости;

- внутренние диаметр и длина капилляра; 

P1, P2 – давление до и после капилляра по потоку;      

h - динамическая вязкость. 

При Q = const

                                                    P1- P2= k*h                           (13.2)

где –  постоянный коэффициент для принятого расхода.

          

 

 

Рисунок 13.3 -  Схема капиллярного вискозиметра

         Обозначения на рисунке 13.3: 1– шестеренчатый насос; 2 - синхронный двигатель;  3 – змеевик;  4 – капилляр;  5 – дифманометр;  6 – термостат.

        

Отсюда для измерения динамической вязкости достаточно при постоянном объемном расходе жидкости измерять перепад давлений на капилляре. Диапазон измерений  (0¸2)* 10 Па* с до (0¸1000)* 10  Па* с .

Класс точности  1,5;  2,5.

  

13.2.2 Ротационные вискозиметры

Принцип действия этих механических вискозиметров (см. рисунок 13.4) основан на измерении крутящегося момента, возникающего на оси ротора (цилиндра, диска), погруженного в измерительную среду, при взаимном их перемещении. Указанный крутящий момент:

M = k*w*h                         (13.3)

 

        где   k -  постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора;                     

        w - угловая скорость вращения ротора (может быть  const);


        h - вязкость.

7

 

     9

 
 


Рисунок 13.4 -  Схема ротационного вискозиметра

 

Обозначения на схеме 13.4: 1 – синхронный двигатель; 2,3 – диски; 4 – вал; 5 – шкив; 6 – гибкая нить; 7 – пружина; 8 – шкала; 9 – преобразователь.

 

Широкий диапазон измерения 0,01-1000 Па *с. Класс точности 1-2,5.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [2-7].

              Приложение А


                Технические средства измерения температуры

 

        

         Рисунок А.1 – Схема манометрического термометра

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок А.2 – Схема милливольтметра магнитоэлектрической системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок А.3 – Схема симметричного неравновесного моста

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок А.4 – Схема нормирующего преобразователя,

                                       работающего с ТПС

 

 

               Приложение Б

                Технические средства измерения давления

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок Б.1 – Чувствительные элементы деформационных СИ давления

                                            Приложение В

                          Технические средства измерения расхода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


         Рисунок В.1 – Схема теплового расходомера

 

 

               Приложение Г

                Технические средства измерения концентрации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок Г.1 – Схема инфракрасного газоанализатора

 

Список литературы

 

1.      Классен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. - М.: Постмаркет, 2000.

2.      Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. – М.: Высшая школа, 2001.

3.      Харт Х. Введение в измерительную технику/ перевод с нем. – М.: Мир, 1999.- 392 с.

4.                 Преображенский В.П. Технологические измерения и приборы. – М.: Энергия, 1978. - 704 с.

5.                 Иванова Г.М., Кузнецова Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергоиздат, 1984. - 232 с.

6.                 Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. - М: Энергия, 1979, - 424 с.

7.                 Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Высшая школа, 1972. - 397 с.

8.       Гафанович М.Д. Измерение расхода газа в промышленности. – М.: Энергия, 1975.

 9.      Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник/ под общ.ред. В.В.Черенкова. – Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние, 1987.

10.            Джаманкулова Н.О. Метрология и измерения. -ч.1,2.- Методиче-ские указания к лабораторным работам. – Алматы: АИЭС, 1999. - 37 с. 

11.            Бекалай Н.К., Джаманкулова Н.О. Теплотехнические измерения и контроль. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов всех форм обучения теплотехнических спеиальностей). – Алматы: АИЭС, 2005.

12.             Хан С.Г. Технические средства измерений. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050702 – Автоматизация и управление. – Алматы: АИЭС, 2007.

13.            Хан С.Г. Теплотехнические измерения и приборы. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для студентов всех форм обучения специальности 050702 – Автоматизация и управление. – Алматы: АИЭС, 2007.