Коммерциялық емес акционерлік қоғам

АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС ИНСТИТУТЫ

Инженерлік кибернетика кафедрасы

 

 

ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ ӨЛШЕУЛЕР МЕН АСПАПТАР

 

Дәрістер жинағы

5В0702 –Автоматтандыру және басқару мамандығы 

бойынша оқитын барлық оқу түрлерінің студенттері үшін

 

 

Алматы 2009

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: С.Г. Хан, А.К. Аталыкова Технологиялық өлшеулер мен аспаптар. 5В0702  - Автоматтандыру және басқару мамандығының барлық оқу түрлерінің студенттеріне арналған дәрістер жинағы.- Алматы: АЭжБИ, 2009.-  62 б.

Дәрістер жинағы жұмысшы бағдарлама негізінде технологиялық өлшеулер мен аспаптар бойынша теориялық материалды оқығанда студенттерге көмек ретінде құрастырылған және он үш тақырыптан тұрады. Пәнді тереңдетіп оқу үшін әрбір тақырыптан кейін қосымша әдебиетке сілтеме келтірілген.          Дәрістік материалдың электрондық нұсқасы «Инженерлік кибернетика» кафедрасының компьютерлік сыныптарында орнатылған.

Дәрістер жинағы 5В0702 – Автоматтандыру және басқару мамандығы бойынша оқитын студенттерге арналған.

 

Мазмұны 

Кіріспе………………………………………………………………………………4

№1 дәріс. Технологиялық өлшеулер туралы жалпы мәліметтер…………….....5

№2 дәріс. Температураны өлшеу…………………………………………………8

№3 дәріс. Температураны өлшеу құралдары. Термоэлектрлік түрлендіргіштер (ТЭТ)….12

№4 дәріс. Температураны өлшеу құралдары. ТЭТ (жалғасы)…………………16

№5 дәріс. ТЭТ  сигналдарын өлшеу құралдары………………………………...19

№6 дәріс. КТТ сигналдарын өлшеу құралдары…………………………………23

№7 дәріс. Жылулық сәулеленуді өлшеу………………………………………...27

№8 дәріс. Жылулық сәулеленуді ӨҚ. Cәулелену пирометрі…………………..31

№9 дәріс.  Қысымды өлшеу. Қысымды өлшеу құралдары…………………….34

№10 дәріс. Қысымды өлшеу құралдары (жалғасы)…………………………….38

№11 дәріс. Заттың мөлшері мен шығынын өлшеу. Мөлшер және шығын ӨҚ………….42

№12 дәріс.  Деңгей және концентрацияны өлшеу……………………………...46

№13 дәріс. Газдар мен сұйықтықтардың физика-химиялық қасиеттерін өлшеу…………50

А Қосымшасы. Температураны өлшеудің техникалық құралдары……………54

Б Қосымшасы. Қысымды өлшеудің техникалық құралдары…………………..56   

В Қосымшасы. Шығынды өлшеудің техникалық құралдары………………….57

Г Қосымшасы. Концентрацияны өлшеудің техникалық құралдары…………..57
Әдебиеттер тізімі………………………………………………………………….58

 

Кіріспе

Технологиялық процестерді автоматты басқару жүйесінің (ТП АБЖ) негізі ақпараттық өлшеу жүйелері (АӨЖ) болып есептеледі, өйткені олар арқылы кез-келген режимдегі процестің көрсеткіштері жайлы, шикізаттың, өнімнің аралық және соңғы түрінің сапасы туралы ақпараттық алуға болады. Ақпараттық-басқарушы жүйе жұмысының тиімділігі бүкіл ТП АБЖ-ның тиімділігіне тікелей әсер етеді. Сонымен тиімді таңдалған ақпараттық-басқарушы жүйенің беретін мүмкіндіктері: шикізаттың және өнімнің сапа көрсеткіштерін басқару, ТПАБЖ құрылымын және басқару алгоритмін жеңілдету, оның құнын төмендету, өнімнің сапа сенімділігін арттыру және сапасын жақсарту.

Ақпараттық-басқарушы жүйе ғылыми тұрғыдан метрология және технологиялық процестердің көрсеткіштерін өлшеудің физикалық принциптеріне негізделген. Ал техникалық жабдықтауда сәйкес көрсеткіштерді өлшеу құралдары (ӨҚ) және түрлендіргіштер қызмет етеді.  Осындай сұрақтар «Метрология, стандарттау және сертификаттау», «Технологиялық өлшеулер мен аспаптар» және «Өлшеулердің техникалық құралдары» пәндерінде қарастырылады.

«Технологиялық өлшеулер мен аспаптар» пәнінің дәрістердің материалдарын меңгеру үшін техникалық оқу орындарының көлемінде оқытылатын математика, физика, химия, электроника, метрология, автоматты басқару теориясы пәндері бойынша білім қажет.

Кәзіргі ӨҚ конструкциялары, олардың жұмыс істеу принциптерінің эволюциясына қарағанда жылдам және үздіксіз жаңартылады, соған байланысты дәрістер жинағында қолданған материалды беру методикасы бойынша ӨҚ жұмыс істеу принциптері мен олардың принципиалды сұлбалары қарастырылған. Сонымен қатар студенттер, ӨҚ конструкцияларын, олардың орнату және пайдалану ережелерін зертханалық жұмыстарды орындау кезінде және келешекте оқылатын автоматтандыру құралдарын жобалау, орнату және пайдаланумен  байланысты пәндерде оқып біледі.

«Технологиялық өлшеулер мен аспаптар» пәнінің жұмыс бағдарламасы теориялық және практикалық  материалдың үлкен көлемін алып отыр. Бірақ аудиторлық сағаттардың шектелген болғандықтан қажетті ақпаратты толық мөлшерде беруге мүмкіндік жоқ, сондықтан материалдың үлкен бөлігін студенттер өзіндік жұмыста (ӨЖ) оқиды. ӨЖ қарастырылатын техникалық өлшеу құралдарының сұлбалары дәрістер жинағында қосымшаларда келтірілген.

Ұсынылып отырған дәрістер жинағы пәннің жұмыс бағдарламасына сәйкес құрастырылған және он үш тақырыптан тұрады. Ұсынылған құрал  дәрістердің жинағы қысқаша болады және барлық керекті мәліметтерді қамтымайтынын ескеру керек. Мәтіндегі негізгі анықтамалар курсивпен ерекшеленген. Материалды жан-жақты және табысты оқып білу үшін басқа оқу көздерін қолданған жөн.

№1 дәріс. Технологиялық өлшеулер туралы жалпы мәліметтер

 

Дәрістің мазмұны:

- технологиялық өлшеулер туралы жалпы мәліметтер. Өлшеу техникасының қазіргі әлемдегі орны. Өндірістердің түрлері. Технологиялық өлшеулердің өндірістегі ролі. Өлшенетін көрсеткіштердің түрлері. ТП және өндірісті автоматтандыру сұлбалары.

 

Дәрістің мақсаты:

- технологиялық өлшеулер, техникалық өлшеу құралдары және технологиядық процестерді автоматтандырудың туралы негізгі түсініктер мен ұғымдарын оқып білу.

 

ХХІ ғасыр ғылым және өндіріс орындарының қарқынды дамуымен сипатталады. Олар әр түрлі өлшеулерді және өлшеу құрылғыларды кең қолданусыз тіпті іске асырылмайды. Өлшеу құралдарының қазіргі әлемдегі орнын келесі мәліметтер сипаттайды: өлшеу құралдарына кететін шығын бүкіл өндіріске кететін материалдық шығынның 10-15% құрайды, ал сондай сияқты мұнайды өңдейтін, мұнай химиялық, радио электрондық, ұшақ жасау және басқа өнеркәсіптің салаларында, бұл шығындар 25% жетеді. Қазіргі уақытта адам қызмет ететін бір де бір облыс өлшеу құралдарынсыз бола алмайды.

Технологиялық процестерде қолданылатын өлшеу құрылғылары мен өлшеу әдістерін біріктіретін өлшеуіш техниканың облысын бір ұғыммен анықтайды -  бұл технологиялық өлшеулер.

Өлшеу техникасының негізгі тұтынушысы - өнеркәсіп. Мұнда өлшеу техникасы – технологиялық процестердің бір бөлігі, өйткені олар өнеркәсіптегі өнім мен шикізат сапасын және басқа процестерді бақылауға қажетті әртүрлі режимдік көрсеткіштер жайлы ақпарат алуда қолданылады.

Өлшеулер арнайы техникалық өлшеу құралдарының көмегімен жүреді. Ал олардың күрделілгі және жұмыс істеу принциптері әртүрлі.

Өлшеу кезінде қолданатын және нормаланған метрологиялық сипаттамалары бар  техникалық құралдарды - өлшеу құралдары (ӨҚ) деп атайды. ӨҚ негізгі түрлері – өлшенетін шамалар, өлшеу құрылғылары  (аспаптар және түрлендіргіштер) болып табылады. Жұмысшы ӨҚ деп барлық халық шаруашылық салаларында, күнделікті өлшеулерге арналған барлық өлшемдерді, аспаптарды және түрлендіргіштерді айтады. Олар техникалық және жоғары дәлдікті (зертханалық) өлшеу құралдарына бөлінеді. Өлшеулерді орындауға, өлшеулерді өткізуге арналған әдістерді және олардың нәтижелеріне түсініктеме беретін техникалық ӨҚ жиынтығын  өлшеу техникасы ұғымымен түсіндіреді.

Әртүрлі саладағы өндірістерді технологиялық процесінің сипатына қарай екі топқа бөлуге болады: үздіксіз (ТПҮС) және дискреттік (ТПДС) өндірістер. Бірінші топқа мұнай өңдеу, газ өңдеу, мұнай химиялық, химиялық, металлургиялық, жылуэнергетикалық және т.б. жатады, ал екіншісіне радио электрондық, машина құру, аспап құру, тамақ өндіру  және басқалар.

 

1.1 Кесте – Технологиялық процестің сипатына байланысты өлшенетін көрсеткіштердің түрлері

Өлшенетін көрсеткіштер

ҮСТП

ТПДС

Температура  

50%

8%

Зат шығыны                       

15%

4%

Зат мөлшері               

5%

5%

Қысым

10%

4%

Деңгей

6%

4%

Бұйымдар саны

-

25%

Өлшемі, арақашықтығы

-

25%

Уақыт

4%

15%

Заттың құрамы                          

4%

-

Басқалар (тоқ, жылдамдық..)          

6%

10%

 

1.1 кестеден көрініп тұрғаны,  ТПҮС өндірістерінде температура, қысым, шығын, деңгей мен зат мөлшері  көрсеткіштерін өлшеу барлық өлшеулердің 86%-ын құрайды, ал ТПДС өндірістерінде көбінесе бұйымдар саны, уақыт, ұзындық, электрлік шамалар барлық өлшеулердің 75%-ын  құрап тұр.

 

 

 

Химия-технологиялық процестердегі технологиялық өлшеулер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

жылутехникалық

 

физика - химиялық

 

электрлік

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

қысым

 

 

 

Зат құрамы

 

 

 

кернеу

 

 

температура

 

 

 

 

 

 

тоқ

 

 

шығын

 

 

 

физико - хим. қасиеттері

 

 

 

қуат

 

 

деңгей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 СуретТехнологиялық өлшеулердің классификациясы

 

         ТПҮС типіне жататын жылуэнергетикалық өндіріс химия-технологиялық процестерден тұрады. Химия-технологиялық процестердің технологиялық өлшеулерінің классификациясы 1.1 суретте келтірілген, одан жылуэнергетикалық өнеркәсіпте жылутехникалық өлшеулер негізгі орын алатыны көрінеді.

Қазіргі өндірістерде технологиялық аппараттар күрделі және қуаттылығы жоғары, өлшенетін әртүрлі көрсеткіштер көп болып келеді. Яғни қазіргі технологиялық процестерді толығымен немесе бөліктеп автоматтандырмай жүргізу мүмкін емес.

Технологиялық процесті және өндірісті автоматтандыру (ТПӨА) дегеніміз - процестің технологиялық операцияларын адамның тікелей қатысуынсыз автоматты түрде арнайы техникалық құралдар көмегімен орындауды ұйымдастыру (сурет 1.2).

 

 

 

ТПӨА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

автоматты бақылау БЖ)

 

 

Автоматты реттеу (АРЖ)

 

 

 

 

 

 

автоматты басқаруБЖ)

 

 

Автоматтандырылған басқару БЖ)

 

 

 

 

 

 

 

 

Апатты режим кезінде

процестерді қорғау

 

 

Қоршаған ортаны қорғау

 

 

 

 1.2 Сурет – ТПӨА құрамы

 

Автоматты бақылау жүйелерінің (1.3 сурет), автоматты реттеу жүйелерінің  (1.4 сурет) және  ТП АБЖ (1.5 сурет) жұмысы техникалық ӨҚ-мен орындалатын өлшеулер негізінде жүреді.

 

 

 Подпись: ҚӘ - қоздырушы әсер;
ОМ-орындаушы механизм;
АР - автоматты реттеуіш; 
Z - реттеуші әсер;
У, Ук (задание) - керек мәні;
Ук ~ Хшығ

 

1.3 Сурет –  Автоматты бақылау жүйесінің сұлбасы

 


1.4 Сурет – Автоматты реттеу жүйесінің
сұлбасы

 

Подпись: ґнім

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 1.5 Сурет – ТП АБЖ сұлбасы

 

Автоматтандыру объектісіне (ОА) әрқашан  сыртқы факторлар әсер етіп тұрады, сондықтан Хкір және Хшығ арасындағы тепе-теңдік байланысы бұзылып тұрады. Бұл факторлар – қоздырушы әсерлер (ҚӘ). Олардың әсерінен Хкір қажетті мәннен ауытқиды. Автоматты  реттеуіштерге (АР) У және Ук сигналдары түседі. Ук берілген Хшығ-қа  тура пропорционал. АР өзіне орнатылған заңдылыққа сәйкес есептеу амалдарын орындайды және ОМ-ға түсетін Z сигналын өңдеуден өткізеді, ал ол Хшығ керек мәнге жететіндей етіп Хкір өзгертеді.

          Тақырып бойынша қосымша мәліметтерді [1-6] алуға болады.

         

          2 дәріс. Температураны өлшеу

 

Дәрістің мазмұны:

- температураны өлшеу туралы жалпы мәліметтер. Шартты және абсолютті температуралық шкалалар. Газдық термометр. Температураны өлшеу құралдарының классификациясы.

Дәрістің мақсаты:

- температураны өлшеу туралы негізгі түсініктерді және анықтамаларды, температуралық шкалаларды және температураны өлшеу құралдарының  классификациясын оқу.

 

2.1            Жалпы мәліметтер

Температура дененің қызу деңгейін сипаттайтын физикалық шама. Барлық технологиялық процестер және заттың әртүрлі қасиеттері температураға тәуелді.

Температураны өлшеу тек қана жанама жолымен жүруі мүмкін – дененің температураға тәуелді, тікелей өлшенетін физикалық қасиеттері арқылы. Бұл қасиеттер термометрлік деп аталады. Оларға ұзындық, көлем, тығыздық, термоЭҚК (термоЭДС), электрлік кедергі және тағы басқалар жатады. Термометрлік қасиеттермен сипатталатын заттарды термометрлік деп атайды.

Температураны өлшейтін құралдарды термометрлер дейді. Термометрді құру үшін температуралық шкалалар болуы керек.

Температуралық шкала деп өлшенетін термометрлік қасиеттердің мәндерімен температураның арасындағы нақты функционалды сандық байланысты айтады. Бірінші температуралық шкалалар (1.1 кесте) температура және термометрлік қасиет арасындағы сызықты байланысқа негізделген, термометрлік қасиет ретінде сұйықтық көлемінің кеңеюі қолданылған.

Температуралық шкаланы құру үшін таза заттың фазалық тепе-теңдіктегі температуралары - t1 және t2 екі тіректі (реперлі) нүкте таңдалған. (t2 – t1) – температуралық интервал деп аталады. Фаренгейт (1715ж.), Цельсий (1742ж.) және Реомюр (1776) шкаласында мұздың еру температурасы t1  +32 оF, 0 oC, 0 oR, ал судың қайнау температурасы t2  212oF, 100oC, 80oR. (t2 – t1) бұл шкалаларға сәйкес N = 180, 100, 80 бірдей бөліктерге бөлінеді. Және жеке интервалдың бөлігі 1/N  Фаренгейт градусы – оF,  Цельсий градусы – о С және  Реомюр градусы – оR деп аталады. Сонымен,

Сонымен, градус бұл шкалалар үшін өлшеу бірлігі болмайды, ол шкаланың масштабы болады. Сондықтан мұндай шкалаларды шартты деп атайды.    

Әртүрлі термометрлік қасиеттері бар (мысалы, сынап, спирт және т.б.) заттан жасалған, градустық шкаласы бірдей термометрлердің көрсетулері тек реперлік нүктелерде ғана сәйкес келеді (мұздың еру температурасы және судың қайнау температурасы), ал басқа нүктелерде көрсетулері әртүрлі болады. Бұл температура to мен термометрлік қасиеттердің арасындағы байланыс сызықсыз болғандықтан.

 

2.1 Кесте Шартты температуралық шкалалар

Шартты температуралық шкалалар

Фаренгейт(оF) шкаласы

Цельсий

(оC) шкаласы

Реомюр (оR) шкаласы

Мұздың еру температурасы

32

0

0

Судың қайнау температурасы

212

100

80

1о =

1/180

1/100

1/80

 

Термометрикалық қасиеттерден тәуелсіз болатын температуралық шкаланың құру мәселесін 1848 жылы Кельвин шешті, ал ол ұсынған шкала термодинамикалық деп аталды.

Температураның термодинамикалық шкаласы термодинамиканың екінші заңын пайдалануға негізделген: қайтымды Карно циклымен жұмыс істейтін  жылулық машинаның пайдалы әсер коэффициенті тек қана жылытқыш және мұздатқыштың температураларымен анықталады, жұмысшы зат қасиеттерінен тәуелсіз болады. Алынған температуралар шкаласы жұмысшы (термометрикалық) заттың қасиеттеріне тәуелсіз және абсолютті шкала деп аталады. Абсолютті температураның нақты мәні болу үшін судың қайнау және мұздың еру температурасының айырмасына  тең алу ұсынылды. Айырманың мұндай мәні болғаны, температураның термодинамикалық шкаласында Цельсийдің жүзградустық температуралық шкаласының сандық мәнін сақтау мақсатында анықталған.

Сонымен, Кельвиннің бір градусы (1К) Цельсийдің бір градусына (1) сәйкес, өйткені шкаланың екеуі де бірдей реперлік нүктелерге негізделген. Мұндай температуралық шкаланы жүзеге асыру үшін газдық  термометр  құрылған. Оның жұмысы идеалды газдар заңдарында негізделген, өйткені газдық термометр идеалды газға жуық – термометрлік затпен толтырылады. Барлық газдар үшін қысым нөлге ұмтылғанда, температура 0100 интервалында, көлемдік ұлғаюдың температуралық коэффициенті 1/273,15 тең болғаны тәжірибе жүзінде табылған.

Сонымен, абсолюттік температураның нөлдік мәні (-273,15) сәйкес. Бұл шкала бойынша мұздың еру температурасы 273,15К болады.

1874ж. Менделеев және Кельвин бір уақытта, бірақ бір-бірінен тәуелсіз, қателігі 0,0001К үлкен болмайтын бір реперлік нүктеде температураның термодинамикалық шкаласын тұрғызуды ұсынды. Ол – судың үштік нүктесі СҮН (судың қатты, сұйық және газ фазаларындағы фазалық тепе-теңдік нүктесі). Бұл нүктенің температурасы СҮН= 273,16 К болып алынды, яғни мұздың еру температурасынан 0,01К жоғары. Екінші реперлік нүкте тәжірибеде жүзеге аспайтын, бірақ белгілі қатаң қалпында болатын абсолютті нөл болды.

1967 жылы салмақ пен өлшемдер бойынша XIII Генералды конференция термодинамикалық температураның бірлік анықтамасын қабылдады: «Кельвин – бұл судың үштік нүктесінің термодинамикалық температурасының 1/273,16 бөлігі»:    1К = 1/273,16  СҮН. Термодинамикалық температура Цельсий градустарында өрнектелуі мүмкін: t=T-273,15 K.

Қазіргі күнде салмақ пен өлшемдер бойынша XIII Генералды конференциядағы қабылданған «Халықаралық практикалық температуралық шкала 1968» МПТШ-68 қолданыста. 11 негізгі және 27 қосымша реперлік нүктелерде негізделген, 13,956-дан 3660К дейінгі (-259,1943387) температуралар диапазонын қамтиды. 2.2 кестеде МПТШ-68 бойынша негізгі реперлік нүктелер келтірілген.

 

 

 

 

  2.2 Кесте – МПТШ-68 негізгі реперлік нүктелері

т

Фазалық тепе-теңдік күйі

Температураның мәні

К

1

Тепе-теңдіктегі сутектің қатты,  сұйық және бу фазаларының арасындағы тепееңдік күйі (тепе-теңдіктегі сутектің үштік нүктесі)

13,81

-259,34

2

Тепе-теңдіктегі сутектің қысым 33,330кПа (250 мм сын.бағ.) болған кездегі сұйық және бу фазаларының арасындағы тепееңдік күйі

17,042

-256,108

3

Тепе-теңдіктегі сутектің сұйық және бу фазаларының арасындағы тепееңдік күйі (тепе-теңдіктегі сутектің қайнау нүктесі)

20,28

-252,87

4

Тепе-теңдіктегі неоннің сұйық және бу фазаларының арасындағы тепееңдік күйі (тепе-теңдіктегі неоннің қайнау нүктесі)

27,102

-246,048

5

Тепе-теңдіктегі оттектің қатты, сұйық және бу фазаларының арасындағы тепееңдік күйі (тепе-теңдіктегі оттектің үштік нүктесі)

54,361

-218,789

6

Оттектің сұйық және бу фазаларының арасындағы тепе-теңдік күйі (тепе-теңдіктегі оттектің қайнау нүктесі)

90,188

-182,962

7

Судың қатты, сұйық және бу фазаларының арасындағы тепе-теңдік күйі (тепе-теңдіктегі судың үштік нүктесі)

273,16

0,01

8

Судың сұйық және бу фазаларының арасындағы тепе-теңдік күйі (судың қайнау нүктесі)

373,15

100

9

Цинктің қатты, сұйық фазаларының арасындағы тепе-теңдік күйі (цинктің қату нүктесі)

692,73

419,58

10

Күмістің қатты,  сұйық фазаларының арасындағы тепе-теңдік күйі (күмістің қату нүктесі)

1235,08

961,93

11

Алтынның қатты,  сұйық фазаларының арасындағы тепе-теңдік күйі (алтынның қату нүктесі)

1337,58

1064,43

 

2.2 Температураны өлшеу құралдарының классификациясы

Техника мен ғылымның әртүрлі облыстарында температураны өлшеудің көптеген құралдары мен принциптері қолданылады. Мұнай өндеу және жылу энергетикалық өнеркәсіптерінде кең колданатын температураны өлшеу құралдарының қолданылатын термометрлік қасиетіне байланысты классификациясы  2.3 кестеде көрсетілген.

 

2.3 Кесте Температураны өлшеудің техникалық құралдары

Термометрлік

қасиеті

Өлшеу құралының аты

Өлшеу диапазоны, оС

Тұрақты көлем болғанда жұмысшы заттың қысымының өзгеруі

Манометрлік термометр:

- газдік

- сұйықтық

- конденсациондық

 

-150  600

-150  600

-50  350

Термоэлектрлік эффект (термоЭҚК)

Термоэлектрлік түрлендіргіш

-200  2200

Электрлік кедергінің өзгеруі

Кедергілік термотүрлендіргіш:

- металл

- жартылайөткізгіш

 

-260  1100

-240  300

Жылулық сәулелену

Сәулелену пирометрлері

1400  6000

 

          Манометрлік термометрлер мен сәулелену пирометрлері СӨЖ ішінде оқылады қосымшасы, А.1 сурет).

          Тақырып бойынша қосымша мағлұматты [4-7] алуға болады.

 

№3 дәріс.  Температураны өлшеу құралдары. Термоэлектрлік түрлендіргіштер (ТЭТ)

 

Дәрістің мазмұны:

- термоэлектрлік эффект, ТЭТ негізгі теңдеуі, ТЭТ бос ұштарының температурасын түзеу, ТК құрылғысы, қалыпты термоэлектрод.

 

Дәрістің мақсаты:

- термоЭҚК алу теориясын оқып білу, ТЭТ негізгі теңдеуі мен қасиеттері.

 

Температураны термоэлектрлік термометрмен, яғни термоэлектрлік түрлендіргішпен (ТЭТ) өлшеу 1821 жылы Зеебек ашқан термометрлік эффектті қолдануға негізделген.

Термоэлектрлік түрлендіргіш – екі немесе бірнеше өзара байланысқан, әртекті өткізгіштерден тұратын тізбек (3.1 сурет).

 

                                  А, В – термоэлектродтар; 1, 2-дәнекерлер (спайка).

 

Зеебек эффектісі: егер екі өзара байланысқан әртекті өткізгіштерді алып және дәнекерлерді t ≠ to температурамен қыздырса, онда тұйық тізбекпен электрлік тоқ өтеді.

Егер t>to, онда тоқтың бағыты 3.1-суреттегідей болады (1 дәнекерде В-дан А-ға).

Ондай тізбекті ажыратқан кезде оның соңында термоЭҚК пайда болады.

Зеебектің эффектісі кері қасиетпен сипатталады (Пельтье эффектісі): егер мұндай тізбекке сырттан электрлік тоқ берсе, онда тоқтың бағытына байланысты бір дәнекер қызады да, басқасы салқындайды.

Егер термоэлектродта кіші температурасы бар дәнекерден тоқ басқа термоэлектродқа жүретін болса, бұл электрод «+» оң таңбалы, ал басқа электрод «–» теріс таңбалы болып саналады.

Мысалы, to<t, онда 2 дәнекердегі тоқ А-дан В-ға өтеді, яғни А- оң таңбалы, В-теріс таңбалы термоэлектродтар. T температурасы өлшенетін нысанға орналасатын дәнекер (1 дәнекер) – жұмысшы дәнекер деп, ал нысанның сыртындағы дәнекер – бос дәнекер деп аталады (ұшы – 2 дәнекер).

Келесі белгілерді еңгізейік:

еАВ(t) – t=t болғанда 1 дәнекердегі А және В термоэлектродтар арасындағы термоЭҚК;

еАВ(tо) - t=to болғанда 2 дәнекердегі А және В термоэлектродтар арасындағы термоЭҚК;

ЕАВ(t, tо) –  жұмысшы дәнекердің температурасы t және бос дәнекердің температурасы tо  болғанда А және В термоэлектродтардан тұратын контурдың термоЭҚК.

еАВ(t) = - еВА(t);    еАВ(tо) = - еВА(tо) деп алайық. Онда тұйық тізбек үшін  (2.1 сурет)   ЕАВ(t, tо) = еАВ(t) + еВА(tо)   немесе

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

 

(2.1) теңдеуі –  ТЭТ негізгі теңдеуі деп аталады.

Егер 1 және 2 дәнеркерлерде бірдей температура болса (t = tо), онда әрбір дәнекерде контакттық термоЭҚК бір-біріне тең және бір-біріне қарсы бағытталған, яғни бұл контурдың термоЭҚК ЕАВ(tо, tо) 0-ге тең.

ЕАВ(tо, tо)=еАВ(tо) - еАВ(tо) = 0. Егер tо=const, онда   еАВ(tо) = С = const, яғни   

 

.                   (3.2)   

Егер f(t) тәуелділігі белгілі болса, онда контурдағы термоЭҚК-ті өлшеп, өлшеу нысанының t анықтауға болады.  f(t) тәуелділік керекті дәлдікпен анықтау қазірше мүмкін емес, ол тәжірибе арқылы табылады және  ТЭТ градуировкасы деп аталады, яғни ол  - термоЭҚК-тің температураға тәуелділік графигін тұрғызу. Градуирлеу процесінде бос ұштардың температурасы tо= const, көбінесе tо = 0 оС.

ТЭТ контурында пайда болатын термоЭҚК тек электродтардың химиялық құрамына және дәнекерлердің температурасына тәуелді, термоэлектродтардың геометриялық өлшемдеріне және дәнекерлер өлшемдеріне тәуелсіз.

 

3.1 ТЭТ-тің бос ұштарының температурасын түзету

to ≠ 0 болғанда және t температураны анықтау кезінде ТЭТ-ке сәйкес келетін термопараның граудировка кестесін қолдану үшін, ТЭТ бос ұштарының температурасына түзету енгізіледі.

Егер бос ұштарының температурасы  нөл емес және  тең болса, онда жұмысшы соңдардың температурасы t болғанда, өлшеуші аспап пайда болатын термоЭҚК-ті  көрсетеді (3.2 бойынша).

ЕАВАВ(t) - еАВ().                                   (3.3) 

Градуировка кестесі to=0 шартына сәйкес келеді

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

(3.4) теңдеуден (3.3) алып тастаса, онда

 

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

мұндағы ЕАВ() – бос ұштарының температурасына түзету.

 

3.2 Термопараның бос ұштарының температурасын компенсациялау (ТК) құрылғысы

Егер бос ұштардың температурасы 0оС тең емес болса, онда олардың температурасын автоматты компенсациялау үшін ТК қолданады.

ТК құрылғысы көпірлі сұлба ретінде ұйымдастырылады (3.2 сурет).

R1, R2, R3 – манганин ре-зисторлар;

Rммыс резистор; 

ӨАөлшеуіш аспап.

to=0 кезінде көпір тепе-теңдікте, яғни диагональ кернеуі Ucd=0.

Көпірдің тепе-теңдік шарты:

R1∙ R3 = R2∙ Rм,  яғни

Rм = (R1∙ R3)/ R2.

3.2 Сурет - ТК құрылғысы

 

 
to>0 = болғанда Rм ұлғаяды да түзетуге қажетті термоЭҚК-ті компенсациялайтын Ucd пайда болады (2.5 қарау), яғни  

Ucd = ЕАВ(, tо).

 

Онда ӨА кірісінде  ЕАВ(t, tо) = ЕАВ(t, ) + Ucd.

to = (0 –50) оС өзгеру аралығында ТК құрылғының қателігі ±3 оС тең.

 

3.3 Қалыпты термоэлектрод

 

Әртүрлі екі термоэлектродтардан құрылған ТЭТ­-тің қасиетін бағалау үшін термоэлектродтың  қалыпты термоэлектродпен  бірге жұптасып түзетін термоЭҚК-ін білсе жеткілікті. Стандарт бойынша қалыпты термоэлектрод ретінде таза платина электроды қарастырылады.

Егер әртүрлі А,В,.....,N  термоэлектродтық материалдармен платина П жұптасып түзетін термоЭҚК-і белгілі болса, онда Вольт заңы бойынша термоэлектродтардың кез-келген комбинациясы үшін жұмысшы ұшы және бос ұштарындағы белгілі температураға сәйкес термоЭҚК-ті анықтауға болады.

П платина термоэлектродына қатысты екі А және В өткізгішінің  термоЭҚК-і белгілі болсын делік (жұмысшы ұшының температурасы tоС және бос ұштарындағы toоС): А термоэлектроды мен қалыпты термоэлектродпен бірге  ЕАП(t, tо) түзеді, В термоэлектроды мен термоэлектродпен бірге ЕВП(t, tо) түзеді.

ТЭТ-тің басты теңдеуі

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

және       

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

 

(3.7) және (3.6) айырмасын есептегенде

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).

 

 Осыдан

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

 

(3.8) теңдеуінен келесі белгілі, екі А және В өткізгіштің үшінші қалыпты өткізгішпен жұптасып түзетін термоЭҚК-і белгілі болса, онда А және В өткізгіштен құрылған ТЭТ-тің термоЭҚК есептеп анықтауға болады.

         (3.8) формуласында ЕАВ(t, tо) оң болуы, ал А термоэлектроды В-мен жұптасқанда оң болатынын көрсетеді. Ал мәні ЕАВ(t, tо) теріс болса А термоэлектрод теріс болатынын көрсетеді.

         Анықтама кітаптардан t=100оС және t=0оС кезіндегі әртүрлі материалдардың платинамен жұптасқандағы термоЭҚК-ін табуға болады.

          Әртүрлі материалдарың термоЭҚК-ін анықтаудың қарастырылған әдісі  құнсыз металдардан ТЭТ құрастырғанда қолданылады.

        

         Тақырып бойынша қосымша мағлұматты [1, 4-7] алуға болады.

 

№4 дәріс.  Температураны өлшеу құралдары. Термоэлектрлік түрлендіргіштер (ТЭТ) (жалғасы)

 

Дәрістің мазмұны:

-          ТЭТ термоэлектродтарының материалдарына қойылатын талаптар, ТЭТ стандартты  градуировкалары, ұзартқыш сымдар, ТЭТ тізбегіне өлшеуіш құралды қосу.

 

Дәрістің мақсаты:

- термоэлектродтардың материалдарына қойылатын талаптарды, ТЭТ құру сұрақтарын, ұзартқыш сымдар теориясын оқып білу.

 

4.1 ТЭТ термоэлектродтарының материалдарына қойылатын    талаптар

 

Кез келген екі өткізгіш жұптасып термоЭҚК түзеді, бірақ ТЭТ құру үшін шектелген термоэлектродтар саны пайдаланылады.

       Термоэлектродтардың материалдарына қойылатын талаптар:

а) термоЭҚК температураға тәуелділігі жуықтап сызықты болу;

б) жоғары температураларды өлшеу мақсатында қызуға төзімді және механикалық берік болу;

в) химиялық инерттілігі;

г) өткізгіштің ұзындығы бойында материал термоэлектрлік біртекті болуы керек, ол жұмысшы дәнекерді қайта градуирлеусіз қалпына келтіруге және оны батыру тереңдігін өзгертуге мүмкіндік береді;

д) материалдың термоэлектрлік қасиеттері бойынша бір-бірін ауыстыру  мақсатында даярлаудың технологиялық жеңілдігі;

е) арзандық;

ж) стандартты градуировка құруға беретін термоэлектрлік қасиеттердің тұрақтылығы мен қайта өндіру.

Ешбір материал барлық талаптарды толық қанағаттандырмайды, сондықтан әртүрлі температуралық интервалдар үшін әртүрлі  материалдан жасалған термоэлектродтар колданылады.

Қазіргі уақытта Қазақстан Республикасында қабылданған 5 стандартты ТЭТ градуировкасы пайдалынады, олар 2.1 кестеде көрсетілген.

 

2.1 Кесте Стандартты ТЭТ градуировкасы

Стандартты өлшемдеулер

Диапазон,  оС

ҚателікоС

Хромель-копель (ХК)

-50600

±(2,25,8)

Хромель-алюмель (ХА)

-501000

±(4,09,7)

Платинородий-платина (ПП)

01300

±(1,23,6)

Платинородий-платинородий (ПР)

3001600

±(3,25,2)

Вольфрамрений-вольфрамрений (ВР)

02200

±(5,49,7)

4.2 Ұзартқыш термоэлектродтық сымдар

ТЭТ-тің бос ұштарына және оларға қосылатын екінші реттік өлшеуіш аспапқа өлшенетін нысан температурасы әсерін тигізбеуі үшін, оларды айнымалы температура аумағынан алысқа орналастыру керек. Ол үшін ТЭТ термоэлектродтарын ұзартпай-ақ, арнайы ұзартқыш сымдар қолдану керек (4.1 сурет).

 

 

 

 

 


4.1 Сурет – ТЭТ-ті F және D ұзарқыш сымдармен ӨА-на жалғау сұлбасы

                        

Бұл тізбекте түзілетін термоЭҚК

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

Егер барлық дәнекерлердің температурасы tболса, онда

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

Бұл теңдеуді алдыңғы теңдеуден алып тастасақ

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

Егер F және D сымдары таңдалу кезінде екеуінің термоэлектрлік сипаттамасы, А және В термоэлектродтардан құрылған ТЭТ сипаттамасымен бірдей болса, онда

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

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

Сонымен, ТЭТ тізбегіне (4.3) сәйкес термоэлектродтық  сымдарды  жалғаса тізбекте ешбір қосымша термоЭҚК туғызбайды,сондықтан өлшеудің нәтижесінде қателік болмайды. Сонымен қатар А және В термоэлектродын  F и D ұзартқыш сымдармен жалғау орындарында температуралар бірдей болуы керек. Олардың абсолютты мәні әсер етпейді.

Термоэлектродтық сымдардың негізгі сипаттамалары 4.2 кестеде  берілген.

 

 4.2 Кесте – Стандартты ұзартқыш термоэлектродтық сымдардың негізгі

техникалық сипаттамалары

 ТЭТ түрі

Термоэлектродтық сымдар

Қателік,

         мВ

Белгілеу

Оң таңбалы

Теріс таңбалы

ТХК

ХК

Хромель

Копель

0,20

ТХА

М

Мыс

Константан

0,15

ТПП

ПП

Мыс

Қоспа ТП (99,4%Cu +0,6% Ni)

0,03

         Кейбір жағдайда ТХА үшін  хромель мен алюмельден термоэлектродтық сымдарды қолданады. ТВР және ТПР  үшін  мыс және мыс-никельді (98,2% Cu + 1,8% Ni)   сымдарды пайдаланады.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

 

 

4.3 ТЭТ тізбегіне өлшеуіш құралды қосу

 

ТЭТ-тің термоЭҚК-ін өлшеу үшін оның тізбегіне өлшеуіш құралды ӨҚ көрсетілген екі сұлба бойынша қосу керек.

 Екі сұлбада да өлшеуіш құралды тізбекке С өткізгіші арқылы қосылған деп қарастыруға болады (4.2 сурет).

Бірінші сұлбада (4.2 сурет, А) ТЭТ-те бір 1-жұмысшы дәнекер және 2, 3 екі бос дәнекер бар. Мұндай тұйық тізбектің термоЭҚК-і мынаған тең

 

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

 

немесе t = tо (яғни, дәнекердің температуралары бірдей), онда

 

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

 

                                              еВC(tо) + еCA(tо) = еВА(tо)

болғандықтан

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

 

(4.6) теңдеуі – ТЭТ-тің негізгі теңдеуі.

 

А)

Б)

4

 

        4.2 Сурет – ТЭТ тізбегіне өлшеу құралын қосу сұлбалары        

 

Екінші сұлбада (сурет 4.2, Б) ТЭТ-тің 1- жұмысшы дәнекер, 2-бос дәнекер, 3,4 екі бейтарап дәнекер. 3 және 4 ұштарының t1 температуралары бірдей болуы тиіс.  t1 тұрақты температурасы болса   

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

 

еВC(t1) = - еCВ(t1)   және   еВA(tо) = - еAВ(tо) болғандықтан,

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

 

(4.8) теңдеуі - ТЭТ-тің негізгі теңдеуі.

Сонымен, егер де А және В термоэлектродтары бірдей болса, және де жұмысшы және бос ұштарының температурасы бірдей болса, онда ТЭТ тізбегіне ӨҚ-дың қосылу сұлбаларының айырмашылығына қарамастан, термоэлектрлік термометрлер арқылы түзілетін термоЭҚК екі жағдайда да бірдей болады.

Жоғарыда көрсетілгендей, егер өткізгіштің ұштарының температурасы бірдей болатын болса, онда термометрдің термоЭҚК-і сол тізбекке жаңа С өткізгішін енгізген жағдайда да өзгермейді.

Тақырыпқа байланысты қосымша мағлұматтарды [1,4-7] қарауға болады.

 

№5 дәріс.  ТЭТ сигналдарын өлшеу құралдары

 

Дәрістің мазмұны :

- ТЭТ сигналдарын милливольтметрлер, потенциометрлер және нормалаушы түрлендіргіштер көмегімен өлшеу.

 

Дәрістің мақсаты :

- ТЭТ-пен бірге жұмыс істейтін екінші реттік аспаптардың жұмыс істеу принципін және сұлбаларын оқып білу.

 

ТЭТ-пен бірге жұмыс істейтін екінші реттік аспаптар:

а) магнитоэлектрлік жүйенің милливольтметрлері;

б) потенциометрлер;

в) нормалаушы түрлендіргіштер.

 

5.1 ТермоЭҚК-ті милливольтметрмен өлшеу

Милливольтметрдің ТЭТ-ке қосылу сұлбасы және милливольтметрмен термоЭҚК өлшеу 5.1 суретте көрсетілген.

Rу – теңестіруші катушканың кедергісі;

Rp – рамканың кедергісі;

Rд – қосымша катушканың кедергісі;

Rм=Rp+Rд – mV ішкі кедергісі;

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

аспаптың  а, b қысқыштарына

                                                                               қатысты тізбектің сыртқы   

кедергісі. 

mV

 

5.1 Сурет – ТермоЭҚК-ті милливольтметрмен (mV) өлшеу сұлбасы

Егер ТЭТ градуировкасы, шкаладағы көрсетілген градуировкаға сәйкес келсе, онда милливольтметрдің градустік шкаласын қолдануға болады. Ол үшін сыртқы линияның кедергісін Rу кедергісінің көмегімен Rс кедергісіне жуықтату керек.

Өнеркәсіпте градус шкаласының дәлдік дәрежесі 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 болатын стационарлы милливольтметрлер шығарылады.

Магнитоэлектрлік жүйедегі милливольтметрдің сұлбасы А қосымшасы, А.2 суретінде келтірілген және СӨЖ-да қарастырылады.

 

5.2 Потенциометрлер

5.2.1 Өлшеудің компенсациялық әдісі

Потенциометрдің жұмыс істеу принципі өлшеудің компенсациялық әдісінде негізделген. Ол әдіс – белгісіз кернеуді қосымша ток көзі түзетін белгілі кернеумен теңестіру (компенсациялау) әдісі.

Компенсациялық контур I  қосымша ЕБ көзінен және Rab реохордтан (компенсациялық резистор) тұрады.

Өлшеу контуры II  - EAB(t, to) термоЭҚК-кі өлшенетін ТЭТ-тен, нуль-индикатор (НИ) міндетін атқаратын сезгіштігі жоғары гальванометр және  а нүктесінен  реохорд қозғалтқышының жылжымалы с түйіспесіне дейінгі реохордтың Rac бөлігінен тұрады.

EAB(t , to) және ЕБ  бір-біріне қарама-қарсы қосылған, сондықтан екі көзден келетін тоқ Rac бөлігінде бір бағытта жүреді:  IБ – жұмысшы тоқ, Iт – II контур үшін қозғалтқыштың қандай да бір с қалпындағы тоқ.

 

 

5.2 сурет – Өлшеудің компенсациялық әдісінің сұлбасы

 

Кирхгоф заңы бойынша II контур үшін

                                              

мұнда  Rвн, Rни – ТЭТ және нуль-индикатордың ішкі кедергілерімен қоса сыртқы сымдардың кедергілері.

Өлшенетін ЭҚК көзі орналасқан контурда Iт=0 және Rac бөлігінде кернеудің түсуі өлшенетін ЭҚК өлшемі болып саналады

                                                .                                     (5.1)

IБ∙Rac компенсациялаушы кернеуді екі әдіспен өзгертуге болады:

а) IБ = const, Rac = var;

б) Rac = const, IБ = var ұстап тұру.

Потенциометрдің сұлбасы бірінші әдіспен кең тараған (жұмысшы тоқ күші тұрақты).

 

5.2.2 Жұмысшы тоқ күші тұрақты  потенциометрдің сұлбасы

 

5.3 суретте келтірілген потенциометр сұлбасының 5.2 сұлбадан айырмашылығы қосымша III контурдың қосылуында, ол IБ  жұмысшы тоқтың тұрақтылығын бақылау үшін керек.

Белгілі:

         Енэ = 1.0186 В

R= 509,3 Ом

I = 2 мА

                                                                                  .

        

 

 

 

 

 

5.3 Сурет – Жұмысшы тоқ күші тұрақты потенциометрдің сұлбасы

Реохордтың орамасы бірқалыпты болса   осы арадан     және  , онда

.                                                (5.2)

Сонымен, EAB(t, to) термоЭҚК-ті өлшеу реохорд бөлігінің   ұзындығын кернеу бірлігінде өлшеуге әкеледі. Мұндай потенциометрлерде дәлдік дәрежесі  0,0005 дейін болады.

 

5.2.3 Жұмысшы тоқ күші айнымалы потенциометрдің сұлбасы

 

5.4 суретте көрсетілген потенциометрдің сұлбасында EAB(t,to) мәні IБRab кернеуінің түсуімен компенсацияланады. Бұл жағдайда Rab белгілі және тұрақты, RБ өзгерту арқылы IБ тоғы  өзгертіледі.

RБ қозғалтқышы НИ нөл мәнін көрсеткенге дейін жылжып тұрады және IБ миллиамперметр шкаласы бойынша көрсетіледі. Яғни EAB(t,to) мәні миллиамперметр дәлдігіне байланысты, сондықтан бұл потенциометрдің дәлдігі алдыңғыға қарағанда төмен.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4 сурет - Жұмысшы тоқ күші айнымалы потенциометрдің сұлбасы

 

5.2.4 ТермоЭҚК нормалаушы түрлендіргіштері

ТермоЭҚК нормалаушы түрлендіргіштер (НТ) ТЭТ сигналын 0-5 мА тұрақты тоқтың унификацияланған сигналына түрлендіруге арналған. НТ жұмысы термоЭҚК-ті компенсациялық әдіспен өлшеуге негізделген (жұмысшы тоқ күші айнымалы болатын сұлба бойынша).

 

 

 5.5 Сурет – ТермоЭҚК нормалаушы түрлендіргіштің сұлбасы

  

Суреттегі белгілеулер:

I – өлшеу контуры: ТК – түзетуші көпір (R1, R2, R– манганин резисторлар, Rм – мыс); К1 – НИ функциясын атқаратын, шығысы тоқ  күші болатын күшейткіш, (МК – магниттік күшейткіш; ЖК – жартылайөткізгіш  күшейткіш);

 II – компенсациялық контур: RКБ және К2 – IКБ күшейткіштің шығыс тоғы бойынша терең кері байланыспен (КБ) қамтылған, кері байланыс күшейткіші, II контурдың IКБ жұмысшы тоғы.

Компенсациялайтын кернеу UКБ = IКБ∙RКБ. Өлшенетін EAB(t,to) Uкб-пен салыстырылады.  Балансқа қажетті ΔU = EAB(t,to)–UКБ күшейткішке К1 беріледі, мұнда ΔU тұрақты тоқ сигналы МК-те айнымалы тоқ сигналына түрлендіріледі, содан кейін ЖК-те күшейтіледі де, қайтадан тұрақты тоқ сигналына  түрлендіріледі.

К1 күшейткіші Iшығ тоғын тудырады, ал ол Rсырт сыртқы тізбекке түсіп, одан кейін бөлгіш арқылы КБ-тың К2   күшейткішіне барады.

ТЭТ-пен жұмыс істейтін НТ-дің кіріс сигнал диапазонына байланысты дәлдік дәрежесі 0,6 – 1,5 болады.

 

Тақырып бойынша қосымша мағлұматты [3-5,9-12] алуға болады.

 

№6 дәріс.  КТТ сигналдарын өлшеу құралдары

 

Дәрістің мазмұны:

- кедергілік термотүрлендіргіштер (КТТ), теңестірілген және теңестірілмеген көпірлер, логометрлер.

 

Дәрістің мақсаты:

-          Логометрлердің, теңестірілген және теңестірілмеген көпірлердің сұлбаларын және жұмыс істеу принципін оқып білу.

 

6.1 Кедергілік термотүрлендіргіштер (КТТ)

КТТ көмегімен температураны өлшеу – ол температура өзгергенде металлдар мен жартылай өткізгіштердің өзінің электрлік кедергісін өзгерту қасиетіне негізделген: егер градуирлеу сипаттамасы (түрлендіру функциясы)   белгілі болса Rt=f(t), онда Rt-ні өлшеу арқылы КТТ салынған ортаның температурасын анықтауға болады.

КТТ -260+1100 оС шектеріндегі температураны сенімді өлшейді.

Металл КТТ-тер: стандартталған КТТ жасау үшін платина (КТП) және мыс (КТМ) қолданады.

Платина – КТТ үшін ең күшті материал: α = 3,94∙10-3 (оС-1); ρ = 0,1∙10-6 Ом∙м; өлшеу диапазоны Δtо = -260+1100оС. Pt жасалған КТТең дәл бірінші реттік түрлендіргіштер болып табылады, сым диаметрі 0,050,5мм. Олар жұмысшы, үлгілік, эталондық термометрлер ретінде қолданылады.

Мыс – таза түрде оңай алынады, арзан металл, Rt=f(t) тәуелділігі сызықты, α = 4,26∙10-3 (оС-1); өлшеу диапазоны Δtо = -50 +200 оС. t >200оС болғанда мыс тотығады, сондықтан қолданылмайды.

Никель және темір:  өлшеу ауқымы Δtо = -50+250 оС; α жоғары, бірақ бұл КТТ кең қолданылмайды, себебі градуирлеу сипаттамасы сызықсыз, ал ең бастысы – тұрақсыз және қайталанылмайды, сондықтан никельден және темірден жасалған КТТ стандартталмаған.

Жартылай өткізгішті КТТ: өлшеу ауқымы Δtо=-100+300оС. Қолданылатын жартылай өткізгіштер:  магний, кобальт, марганец, титан, мыс оксидтері, германий кристалдары.

Жартылай өткізгішті КТТ температураны өлшеуде сирек қолданылады. Олар температура жайлы сигнал беру үшін қолданылады, өйткені өздеріне тән релелік эффект береді, яғни белгілі бір температураға жеткенде кедергі секірмелі өзгере бастайды. Олар әртүрлі автоматты газталдауыш аспаптарда сезімтал элементтер ретінде қолданылады. Жартылай өткізгіштен жасалатын сезгіш элементтер цилиндр, шайба, кішкентай моншақ түрінде жасалынады.

 

6.2 КТТ мен кешенді жұмыс жасайтын өлшеу құралдары

КТТ мен бірге жұмыс істейтін өлшеу құралдары:

а) көпірлер (теңестірілген және теңестірілмеген);

б) логометрлер

в) нормалаушы түрлендіргіштер.

 

6.2.1 Теңестірілген көпірлер

Теңестірілген көпірлерде (6.1 сурет) нөлдік өлшеу әдісі қолданылады Зертханалық жағдайларда қолданылатын автоматты емес теңестірілген көпірлер көмегімен 0,5–тен 107 Ом дейін кедергіні өлшейді, КТТ градуировкасын жүзеге асырады және температура өлшейді.

 

 НИ – нуль-индикатор (гальванометр);

R1, R2 тұрақты резисторлар;

R3 – реттелетін резистор;

Rtөлшенетін кедергі;

RС сымдар кедергісі (жалғау сымдары);

ab – қоректендіру диагоналі;

cd – өлшеу диагоналі.

 

 

6.1 Сурет – Теңестірілген көпір сұлбасы

 

Көпір теңестірілген кезде, IНИ =0 және  R2∙(Rt + 2∙RС)= R1∙R3 , 

бұдан                                     ,                                       (6.1)

мұнда R1/R2 = const; 

R3 – var; 

RС=сonst болуы керек, бірақ RС қоршаған орта температурасының өзгерісіне байланысты өзгереді, сондықтан Rt бүлінеді, қоршаған орта температурасына қатысты қателік пайда болады.

Бұл кемшілік КТТ-ті көпірге үшсымды сұлбамен қосқан кезде жоғалады (6.1 сурет). Сонда көпір теңдігінің шарты  R1∙(R3 + RС) = R2∙(Rt + RС).  Бұдан

  .                                     (6.2)

Егер көпір симметриялы болса (R1 = R2), онда   Rt = R3, яғни Rt құрамында RС  болмайды,  сөйтіп Rt қоршаған орта температурасына тәуелсіз.

Теңестірілген көпірлер кемшілігі: реттелетін R3 иығында түйіспенің өткізгіштік кедергісінің болуы.

Артықшылығы: қоректендіруші кернеуге тәуелсіз, оның ең кіші мәнін НИ сезетін болады.

 

6.2.2 Теңестірілмеген көпірлер (ТМК)

ТМК өзінің өлшеу диагоналінен өтетін токтың 0-мен теңесуін талап етпейді. Осы тоқтың мәні көпірге қосылған өлшенетін кедергінің мөлшері болып табылады. ТМК температураны өлшеу үшін өте сирек қолданылады. Олар газталдауыштарда кең қолданылады, сезімтал элемент ретінде электр тоғымен қыздырылатын металл немесе одан да жиірек жартылай өткізгішті резисторлар қолданылады.

 

 R1, R2, R3тұрақты резисторлар;

RБ қоректендіру диагоналіндегі реостат;

Rt өлшенетін кедергі;

RК бақылаушы кедергі;

IД өлшеу диагоналі бойынан өтетін тоқ;

П ауыстырып қосқыш;

 

 

6.2 Сурет Теңестірілмеген көпір сұлбасы

 

6.2.3 Логометрлер

Логометр (грек тілінен «логос» - қарым-қатынас) деп аталатын магнитэлектрлік жүйенің аспаптары іс жүзінде КТТ-мен бірге температураны өлшеуге және жазуға, технологиялық бақылауда кең қолданылады. КТТ-мен бірге магнитэлектрлік жүйе логометрінің сұлбасы 6.3 суретте келтірілген.

Логометрдің өлшеу механизмі екі рамкадан тұрады, олар NS тұрақты магнит пен 4 өзекше полюстерінің арасындағы ауа саңылауына орналастырылған. Құрылымы бойынша саңылау бірқалыпсыз болып құрастырылған, х-х осі бойынша ол максимал болып табылады және вертикаль бойынша азая бастайды.

 

 

1,2 – изоляцияланған мыс сымдардан жасалған рам-ка (r1, r2);

3 – аспап көрсеткіші;

1,2,3 – ортақ оське орнатылған;

4 – жұмсақ болаттан  жасалған цилиндр өзекше;

R1,R2қосымша манганин резисторлар;

Rt – термометр кедергісі.

 

 

 

6.3 Сурет Магнитэлектрлік жүйе логометрінің сұлбасы

 

Магниттік моменттері М1 = с∙I1В1 М2 = с∙I2В2 , мұнда коэффициент с=const, рамкалар өлшеміне байланысты ; В1, В2 – магниттік индукция.

М1 моментін теңестіру М2 моментінің көмегімен жүреді.

.

Яғни жылжымалы жүйенің бұрылу бұрышы  (немесе логометр көрсеткіштері) екі ток қатынасымен анықталады.

мұнда

логометр Rt-ні өлшейді, яғни температураны.

Қоршаған орта температурасының әсерін төмендету үшін R1, R2 манганин резисторлары тізбектей жалғанады, олардың кедергісі r1, r2 рамкаларының кедергісіне қарағанда жоғары. Бірақ бұл логометр сезігіштігін төмендетеді, себебі r1, r2 арқылы өтетін тоқ азаяды. Аспаптың сезігіштігін арттыру және температуралық коэффициентін азайту үшін симметриялы теңестірілмеген көпір сұлбасы қолданылады, оның өлшеу диагоналіне логометр рамкасы қосылады (А қосымшасы, А.3 сурет). Дәл осы сұлбаға үш сымды жалғау сұлбасы бойынша КТТ қосылуы мүмкін.

КТТ-пен бірге жұмыс істейтін нормаландыратын түрлендіргіш сұлбасы А қосымшасында келтірілген (А.4 сурет).

 

Тақырыпқа байланысты қосымша мағлұматтарды [1-7,9-12] алуға болады.

 

№7 дәріс.  Жылулық сәулеленуді өлшеу

Дәрістің мазмұны:

- жылулық сәулелену, абсолютті қара дене, денелердің сәулелену қасиеті, жарықтық және түстілік (цветовая) температурасы.

 

Дәрістің мақсаты:

-  нақты денелердің және абсолютті қара дененің жылулық сәулеленуі, денелердің жарықтық сәулеленуі арқылы температурасын өлшеудің жарықтық және түстілік әдістерінің теорияларын оқып-білу.

 

7.1 Теориялық кіріспе

Температуралары абсолютті нөлден үлкен барлық физикалық денелер жылулық сәуле шығарады. Жылулық сәулелену – заттың ішкі энергиясы есебінен пайда болатын электромагниттік сәулелену.

Жылулық сәулеленудің қарқындылығы дененің температурасы төмендеуінен бірден кемиді. Қатты және сұйық денелердің көбісінің сәулелену спектрі толық (сплошной), яғни λ ұзындықтағы барлық сәулелерді шығарады.

Адамның көзіне көрінетін (жарық):  λ = 0,40—0,75 мкм.

Инфрақызыл (көрінбейтін жарық):  λ = 0,75—400 мкм. Ары қарай радиосәулелік диапазон.

Ультракүлгін (көрінбейтін):  λ < 0,40 мкм. Ары қарай рентгендік және гамма-сәулелер.

Дененің температурасын оның жылулық сәулеленуі арқылы анықтайтын құралдар сәулелену пирометрі деп аталады. Пирометрлер 300—6000 оС диапазонындағы температураны өлшеуге арналған. Пирометрлер контактсыз болғандықтан, 3000 оС жоғары температураны өлшеуде жалғыз ӨҚ болып табылады (контактсыз - температурасы өлшенетін ортамен тікелей қатынасы болмайды). Теориялық тұрғыдан пирометрлердің өлшеу шегі шексіз. Пирометрлерде көбінесе көрінетін жарық пен инфрақызыл диапазон қолданылады.

Денелердің температурасын оның жылулық сәулеленуі арқылы өлшеу абсолютті қара дене үшін алынған заңдылықтарға негізделген. Егер дененің сыртқы бетіне Ф сәулелік энергияның ағыны түссе, онда ол жарым-жартылай Фп жұтады, Фот шағылыстырады және Фпр өткізеді. Осы ағындардың арақатынасы дененің қасиеттеріне байланысты және жеке жағдайда оның бетінің қалпына байланысты (бүдірлік дәрежесіне, түсіне, температурасына). Егер дене түсетін сәуле ағынының барлығын жұтып алатын болса, онда оның жұту коэффициенті  және ондай дене абсолютті қара дене деп аталады.

Нақты денелер абсолютті қара болмайды және олардың кейбіреулері ғана оптикалық қасиеттері бойынша оған жақын, мысалы мұнай күйесі, платина күйесі, қара барқыт, көрінетін жарық аймағында олардың α-сы 1-ге жуық.

Денелердің сыртқы беті жарықты тек жұтып қана қоймай, температураға байланысты өзінің сәулесін шығарады.

Кирхгоф заңына сәйкес денелердің сәуле шығару қасиеті олардың жұту коэффициентіне пропорционал. Өйткені абсолютті қара дененің жұту коэффициенті αабс.қ.д. =1, онда оның сәулелену қасиеті максималды.

Периометрияда денелердің жылулық сәулеленуін сипаттайтын шамалар ретінде энергетикалық сәулелену (излучательность) және энергетикалық жарықтық (лучистость) қолданылады. Олар толық және спектрлік сәулелену мен жарықтық болып бөлінеді.

Толық энергетикалық сәулеленуді толық (интегралды) сәулеленетін қуатының беттік тығыздығы деп түсіну қажет.

Дененің энергетикалық жарықтығы – бұл бірлік бұрыштан алынған сәулелену қуаты (сәуле түскен бағытқа перпендикуляр дененің бетінің бірлік ауданынан алынады). Энергетикалық жарықтық адамның көзі арқылы қабылданады және де температураны жылулық сәулеленуге негізделіп өлшейтін барлық пирометрлер үшін негізгі шама болып табылады.

Барлық нақты денелер сәулелік энергияны жұту дәрежесіне байланысты қара денеден айырмашылығы бар және жұту коэффициенті  α<1. Нақты денелердің сәулелену қасиеті де қара дененің сәуле шығару қасиетінен ерекшеленеді және де толық ε және спектрлік ελ сәулелену коэффициенттерімен сипатталады.

Нақты денелер бірдей температурада әртүрлі сәулелену қасиеттеріне ие, оны абсолютті қара дененің сәулелену қасиетіне байланысты бағалайды.

                        ,                                       (7.1)

мұнда ελ спектрлік сәулелену коэффициенті (монохроматты сәулеленудің қаралық дәрежесі);

ε – толық сәулелену коэффициенті (толық сәулеленудің қаралық дәрежесі);

Еλ, Еλ* - спектрлік энергетикалық сәулелену;

Вλ, Вλ* - спектрлік энергетикалық жарықтық (көзбен көрінетін);

Е, Е* - толық энергетикалық сәулелену.

* белгісі абсолютті қара денеге сәйкес, ελ  λ толқын ұзындығы мен Т температурасының функциясы болып табылады.  ελ   температураға және λ  тәуелді болмаса, онда ол денені сұр деп атайды.

Абсолютті қара дененің спектрлік энергетикалық сәулеленуі Еλ*, оның температурасы Т және λ толқын ұзындығы арасындағы тәуелділігі Планк заңы деп аталады (7.1 сурет)

                       ,                                (7.2)              

мұнда с1, с2 – тұрақты шамалар.

Таңдалған λ  үшін температура жоғарлауына байланысты Еλ* немесе Вλ* бірден өседі, өйткені

Вλ*=kλ∙ Еλ*.                       (7.3)

 

Көрсетілген факт дененің температурасын жоғары сезгіштікпен спектрлік жарықтығы арқылы өлшеуге мүмкіндік береді.

 

 

 

 

7.1 Сурет – Планк заңы бойынша салынған Еλ* қисықтар  жиыны

 

Графиктен (7.1 сурет) температура жоғарылаған сайын λmax кемитіні көрініп тұр. Абсолютті қара дененің температурасы төмендеген сайын  оның сәулелену энергиясының максимум таралуы спектрдің ұзын толқындық аймағына жылжиды. Міне осы жағдай денелердің жарықтық температурасын өлшеуде спектрдің инфрақызыл аймағын қолдануға негіз болды.

Өзінің ελ  бар нақты денелер үшін

Вλ = ελ∙  Вλ*                                                                                                    (7.4)                    

Егер нақты денелер бірдей температурада болса, онда ελ айырмашылығына байланысты Вλ өлшенген мәндері өзгеше болады. Сондықтан әртүрлі объекттердің нағыз температурасында градуирленген аспаптың барлығына бірдей шкала қолдануға мүмкіндік бермейді. Осыған байланысты пирометр шкаласын қара дененің сәулеленуіне сәйкес градуирлеуге тура келеді.

Нақты денелердің сәулелену қасиеті қара дененікіне қарағанда аз болғандықтан, пирометрдің көрсетуі нақты денелердің жалған температурасына сәйкес келіп, шартты температураны көрсетеді, яғни жарықтық температурасын береді.

Нақты дененің жарықтық температурасы деп абсолютті қара дененің спектралді жарықтығы В*(λ,Тж) нағыз Т температурада нақты дененің спектральді жарықтығына В(λ,Т) тең келетін абсолютті қара дененің температурасын айтады.

(7.2), (7.3), (7.4) пайдалана отырып, мынаны аламыз

                                          .                                        (7.5)

Мұнда көрініп тұрғандай жарықтық температура әрқашанда нағыз температурадан кем  болады, өйткені ελ < 1.

Спектрдің көрінетін бөлігіндегі жарықтық температураны өлшеуге арналған аспаптарды оптикалық және фотоэлектрлік пирометрлер деп атайды.

Спектрдің көрінетін бөлігінде λmax   ығысуы (7.1 суретті қараңыз), сондықтан дене температурасының өзгеруінен пайда болатын энергияның таралуы оның түсінің өзгеруіне әкеледі. Бұл жағдай денелердің температурасын өлшеудің түстілік әдісіне негіз болады.

Спектрдің көзге көрінетін бөлігінде екі спектрлік интервалдағы энергетикалық жарықтыққа қатысты  түстілік температурасын өлшеу әдісі кең тараған. Т температурадағы нақты дененің түстілік температурасы деп λ1 және λ2 ұзындықтарында нақты дененің спектрлік энергетикалық жарықтықтарының қатынасы  абсолютті қара дененің спектрлік жарықтықтарының қатынасына тең болғандағы абсолютті қара дененің температурасын айтады.

 екені белгілі. (7.2), (7.3), (7.4) ескере отырып келесіні аламыз                  

                                                                       (7.6)

Сұр денелер үшін  λ1 = λ2  және  , онда .

Практикада нақты денелер сұр дене ретінде саналады: керамика, металл тотықтары, отқа төзімді материалдар, гранит және т.б. Түстілік әдістің артықшылығы айдан анық, өйткені жарықтық температура түстілік температураға қарағанда нағыз температурадан төменірек.

Спектрлік энергетикалық жарықтыққа қатысты жарықтық температурасын өлшейтін аспаптарды спектрлік қатынас немесе түстілік пирометрлері деп атайды.

 

Тақырыпқа қатысты қосымша мәліметті [4-7,11] алуға болады.

 

 

 

№8 дәріс.  Жылулық сәулеленуді ӨҚ. Сәулелену пирометрі.

         Дәрістің мазмұны:

- оптикалық, фотоэлектрлік пирометрлер, спектрлік қатынас пирометрі.

        

Дәрістің мақсаты:

- сәулелену пирометрінің сұлбасын және жұмыс істеу принциптерін оқып білу.

 

8.1 Оптикалық пирометр

Жұмыс істеу принципі градуирленген сәулелену көзінің спектрлік жарықтығын нақты дененің спектрлік жарықтығымен салыстыруға негізділген. Спектрлік жарықтықтардың сәйкестігін анықтайтын сезгіш элементтің рөлін адамның көзі атқарады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   ТжО > Тжж                            ТжО = Тжж                                       ТжО < Тжж              

 

8.1 Сурет – Көрінбей кететін жібі бар оптикалық пирометрдің сұлбасы

 

Суреттегі белгілеулер: 1 – аспап объективі; 2 – жұтқыш жарық фильтрі; 3 – кіріс диафрагма; 4 – оптикалық лампа; 5 – шығыс диафрагма;     6 – қызғылт жарық фильтрі; 7 – окуляр; ӨО – өлшеу объектісі.

Объект температурасын өлшеу үшін 1-ді ӨО-не  бағыттағанда 4 оптикалық лампаның жібі 7 окулярда көрінуі тиіс. ӨО және 4 лампа жібінін  спектрлік жарықтықтарын салыстыру 0,65 мкм толқын ұзындығына жүреді, ол үшін окуляр алдында 6 қызғылт жарық фильтрі орнатылған. 3 және 5 диафрагма пирометрдің кіріс және шығыс бұрыштарын шектейді, олардың тиімді мәнінің арқасында ӨО мен объектив ара қашықтығының өзгеруі аспап көрсетуіне әсері болмайды.

         RБ  реостат көмегімен жіп жарықтығы өлшеу объектісінің көрінетін жарықтығына (ТжО = Тжж ) тең болғанша батареядан лампа жібіне баратынын тоқ күшін өзгертеді. Берілген теңдік орындалғанда  жіп объект фонында көрінбей кетеді (8.1 сурет). жетістігі жоғалып фондағы сурет объективті өлшеуде қарастырылады. Осы моментте лампа жібінің Тжж  жарықтық температурасы бойынша градуирленген миллиамперметр  көмегімен объекттің  ТжО жарықтық температурасын өлшейді. Содан кейін ТжО және ελ бойынша объекттің нақты Т  температурасын анықтайды (7.5 формула).

Оптикалық лампадағы жіп вольфрамнан жасалған, сондықтан 1400 оС-тан жоғары температурада аса қызбас үшін лампа алдына әлсіретуші немесе 2 жұтқыш жарық фильтрін орнатады. Жарық фильтрінің арқасында ӨО-нің көрінетін жарықтығы азаяды, бұл жіпті аса қыздырмауға және пириометрдің тұрақтылығын сақтауға мүмкіндік береді.

Оптикалық пириометрде екі шкала пайдаланылады, біреуі жұтқыш жарық фильтрін қолданбағанда (800—1200 оС), екіншісі жұтқыш жарық фильтрін қолданғанда (1200—2000 оС) қарастырылады.

Оптикалық пириометрлердің өлшеу диапазоны 800-1200оС, дәлдік класы 1,5-4,0.

 

8.2 Фотоэлектрлік пирометр

Фотоэлектрлік пириометрлер (ФП) автоматикалық болып саналады. Сәулелік энергияны қабылдаушы сезгіш элемент ретінде фотоэлементтер, фотокөбейткіштер, фотокедергілер және фотодиодтар қолданылады.

ФП жұмыс істеу принципі бойынша екі типке бөлінеді:

1.     Аспап қабылдайтын сәулелік энергия сезгіш элементке түскенде оның  көрсеткіштерін өзгертеді (фототок, кедергі);

2.     Сәулелік энергияны өлшеу компенсациялық әдіспен жүреді, мұда сезгіш элемент нуль-индикатор ретінде жұмыс істейді.

Екінші типтегі ФП әдісі қиынырақ, бірақ дәлдігі жоғары, өйткені оның көрсетуі сезгіш элемент сипаттамасына және электрондық сұлбаға тәуелсіз.

 

Сұлбадағы белггілер:

1 – реттелетін жарық көзі;

2 – объектив;

3, 5 – диафрагма;

4– вибрациялық бөгет;

6– қызғылт жарық фильтрі;

7 – фотоэлемент;

8–электрондық күшейткіш;

9 – күштік блок;

10 – резистор.

 

8.2 Сурет – Компенсациялық әдіспен жұмыс істейтін ФП сұлбасы

ОИ -өлшеу объектісінің және  1-нің жарық ағыны 7 фотоэлементке кезектесіп түседі. Әрбір жарық ағыны фотоэлементтке түсіп, фаза бойынша қарама-қарсы синусоидалды тоқты тудырады. ОИ -өлшеу объектісінің және  1-нің спектрлік жарықтықтары бірдей болғанда фотоэлементте тұрақты ток туындайды.

Егер спектрлік жарықтықтар өзара тең болмаса (мысалы температураны өлшегенде), онда фотоэлементте фототоктың айнымалы құрамы пайда болады, ол 8 күшейткішпен  күшейтіледі және 9 күштік блоктың фазасезгіш каскадына  түседі. Нәтижесінде фотоэлементте ОИ және 1-нің жарық ағыны теңескенге дейін 1 лампа тоғы өзгереді.

Спектрлік жарықтыққа тәуелді лампаның тогы объекттің жарықтық температурасының мөлшері ретінде қолданылады. Сондықтан автоматты потенциометрмен 10 резистордағы кернеудің құлауын өлшейді, ал потенциометр шкаласын жарықтық температурасы бойынша градуирлейді.

ФП басты қателігі  ±1% (800—2000 оС) және ±1,5%(>2000оС).

 

8.3 Спектрлік қатынас пирометрі (түстілік пирометр)

Бұл пирометрлер екі толқын ұзындығына сәйкес спектрлік энергетикалық жарықтықтардың қатынасын өлшеу арқылы түстілік температурасын өлшеуге арналған.

Екі арналы және бір арналы түстілік пирометрлері  (ТП) бар.

Екі арналыда ТП-де әрбір сәулелену толқын ұзындығына сәйкес өлшенетін сигнал бір уақытта екі тәуелсіз арна бойынша жіберіледі. Осы сигналдардың қатынасынан объекттің түстілік температурасы ТТ анықталады.

Бір арналыда ТП-де екі әр түрлі монохраматты ағын оптикалық коммутатор көмегімен алма-кезек фотоэлектрлік қабылдауышқа жіберіледі.

 Екі арналы ТП көбінесе ТТ үлкен жылдамдықпен анықтау қажет болғанда зертханалық жағдайда қолданылады. Ал бір арналы ТП тұрақтылығы жоғары болғандықтан кең қолданыста болады.

 

 

 

 

                                                                                      

 

 

 

 

 

 8.3 Сурет – Бір арналы ТП сұлбасы

 

Суреттегі белгілеулер: Т–телескоп; 1–өлшеу объектісі; 2–оптикалық жүйе; 3–обтюратор (екі тесігі бар диск, біреуі қызғылт жарық фильтрі, екіншісі көк); 4–фотоэлемент; 5–алдын-ала күшейткіш; 6–сигналдар түрлендіру блогы ТБ (оның ішінде: дифференциалды тізбек, пик-детектор, RC тізбекті логарифмдік түйін,   амплитудалық кернеу шектегіш, фильтр); 7 – синхронды ауыстырып-қосқыш; 8–синхронды қозғалтқыш;  9–автоматты потенциометр.

Синхронды қозғалтқыш көмегімен обтюраторды бұрағанда фотоэлементке кезктесіп қызғылт және көк спектрлік жарықтық сәулесі  түседі, нәтижесінде фотоэлементте фототок импульстері қалыптасады, олар спектрлік жарықтыққа тура пропорционал.

Фототоктың импульсы 5 күшейткіште күшейтіліп, трапеция формасындағы кернеу импульстері түрінде  ТБ-ға келіп түседі.

ТБ шығысындағы автоматты потенциометр тоқтың тұрақты құрамын өлшейді: , онда ТП =>ТТ => Т қатынасын өлшейдіі.

ТП диапазоны  1400-2800 оС, дәлдік классы 1,0.

Тақырыпқа қатысты қосымша мәліметті [4-7,11] алуға болады.

 

№9 дәріс.  Қысымды өлшеу. Қысымды өлшеу құралдары

Дәрістің мазмұны:

- қысымды өлшеу жайлы негізгі деректер, қысымды ӨҚ жіктелуі, деформациялық қысым ӨҚ, пьезоэлектрлік қысым өлшегіш түрлендіргіштер.

 

Дәрістің мақсаты:

- қысымның түрлері мен бірліктерін оқып білу, қысым ӨҚ жіктелуі, деформациялық қысым ӨҚ сезгіш элементтері, секторлы беріліс механизмі бар өлшегіш түрлендіргіш, пьезоэлектрлік қысым өлшегіш түрлендіргіштер.

 

9.1 Қысымды өлшеу туралы жалпы мағлұматтар

 

Ғылыми зерттеулерде және өнеркәсіптің әртүрлі салаларында қысымның кең қолданылуына байланысты қысымды және қысымдар айырмасын өлшеу құралдарының жұмыс істеу принципі, құрылымы, арналуы және дәлдігі бойынша көп түрлі болады.

Қысым дегеніміз бетке перпендикуляр әсер ететін күштің сол беттің ауданына қатынасы. Қысым – заттың термодинамикалық күйін анықтайтын негізгі шамалардың бірі. Қысымды өлшеу мәселесімен кейбір технологиялық параметрлерді өлшеу кезінде соқтығысады, мысалы газ, бу шығынын, сұйықтық деңгейін және т.б.

Қысым келесі түрлерге бөлінеді: атмосфералық, абсолютті, артық, вакуум. Абсолютті қысым атмосфералық қысымның әсерін елемеуге мүмкін емес болған керек, мысалы жұмысшы денелер күйін зерттеуде, әртүрлі сұйықтықтардың қайнау температурасын анықтау кезінде және басқа да осы сияқты жағдайларда.

Технологиялық процестерді бақылау кезінде және ғылыми зерттеулерді жүргізгенде көп жағдайда вакуумметриялық және артық қысым, қысымдар айырмасымен жұмыс істеуге тура келеді.

Атмосфералық қысым - жер атмосферасының ауа бағанының салмағымен пайда болатын қысым. Абсолютті қысым – абсолютті нөлден бастап саналған қысым. Абсолютті қысымды санағының басы болып  ішінен толығымен ауасы сорып алынған ыдыстағы қысым алынады. Р абсолютті қысым термині ретінде сұйықтық, газ немесе буға әсер еткен толық қысым айтылады. Ол артық Ра  және атмосфералық Ратм қысым қосындысына тең болады

                                Р = Ри + Ратм.                                        (9.1)

 

Артық қысым  – атмосфералық қысымнан жоғары абсолютті қысым мен атмосфералық қысым айырымасы

                                     Ри = Р – Ратм.                                       (9.2)

 

 Вакуум – атмосфералық қысым мен атмосфералық қысымнан кіші абсолютті қысымның айырымасы

                                      Рв = Ратм – Р.                                       (9.3)

 

СИ жүйесінде қысым бірлігі ретінде  1 Паскаль (Па) қабылданады – ол 1 м ауданда бірқалыпты тараған және бетке бағытталған 1 Ньютон (Н) күш тудыратын қысым.

  Қолданысқа МКГСС қысым бірлігі – килограмм-күш шаршы метрге ()  жарамды болып табылады және жүйеден тыс қысым бірліктері: техникалық атмосфера деп аталатын (ат) килограмм-күш шаршы сантиметрге (), су бағанының миллиметрі (мм су.бғ.), сынап бағанының миллиметрі (сын.бағ.мм) және бар (қолдануға ұсынылмайды). 9.1 кестеде қысым бірліктері арасындағы қатынастар келтірілген.

 

9.1 К е с т е  -  Қысым бірліктері арасындағы қатынастар

Бірлік

 

су бағ.мм

сын.бағ.мм

бар

1 Па

0,10197

10,197

0,101197

7,50

 

9.1.1 Қысымды өлшеу құралдарының жіктелуі  

Қысымды ӨҚ келесідей жіктеледі:

а) өлшенетін қысым түріне қарай: артық қысым манометріабсолютті қысым манометрі; барометрлер; вакуумметрлер;  мановакуум-метрлер ( артық қысым мен вакуумды өлшеу үшін );  напоромерлер (  40 кПа дейінгі кіші артық қысымды өлшеу үшін);  тягомерлер ( 40 кПа дейінгі газ сорылуын «вакуумдық күйін» өлшеу үшін);  тягонапоромерлер (-20+20 кПа диапазонындағы кіші қысымдар мен газ сорылуын өлшеу үшін); дифманометрлер (қысымдар айырмасын өлшеу үшін);

б) жұмыс істеу принципі бойынша: сұйықтықтық; поршеньдік;  деформациялық; иондықжылулықэлектрлік.

Қысымды ӨҚ бұлай жіктеу толық емес болып табылады.

Төменде технологиялық өлшеулерде техникалық құрал ретінде кең қолданылатын қысымды ӨҚ қарастырамыз.

 

9.2 Пьезоэлектрлік  қысым өлшегіш түрлендіргіштер

1-     мембрана,

2-     кварц пластинасы,

3-     электрондық күшейткіш

      (Rкір=Ом)

 

Өлшенетін қысым СЭ (мембрана) деформациясы арқылы күшке түрленеді. СЭ деформациясы пьезооэлектрлік элемент көмегімен өлшенетін ақпарат сигналына түрленеді. Пьезоэлектрлік түрлендіргіш элементінің жұмыс істеу принципі кристаллдарда байқалатын пьезоэффектке негізделген: кварц, турмалин, барий және басқалары. Пьезоэлектрлік қысым түрлендіргіш сұлбасы 9.2 суретте көрсетілген.

 

9.2 Сурет - Пьезоэлектрлік  қысым өлшегіш түрлендіргіш

«Мембрана–кварц пластина» жүйесінің тербеліс жиілігі ондаған килогерцке тең болғандықтан осы типтегі өлшеугіш түрлендіргіштің динамикалық сипаттамасы да жоғары болады. Сондықтан оларды процестері тез өтетін жүйелердегі қысымды өлшеуде кең қолданады.

 

9.3 Дифференциалды-трансформаторлы қысым өлшегіш түрлендіргіш

 

 Дифференциалды-трансформаторлы қысым өлшегіш түрлендіргіш тура түрлендіру әдісіне негізделген. Сезгіш элементтің орын ауысуын өлшенетін сигналға түрлендіру үшін  келесі түрлендіргіштер қолданылады: индуктивті; дифференциалды-трансформаторлы; сыйымдылықтық; тензорезисторлық және басқа да түрлендіргіш элементтер қолданылады.

 

 

9.3 Сурет - Дифференциалды-трансформаторлы қысым өлшегіш түрлендіргіш

 

Суреттегі белгілеулер: 1 – деформациялық сезгіш элемент, 2 – деформациялық-трансформаторлы түрлендіргіш элемент, 3 – тартқыш, 4,5 – екінші реттік орама секциясы, 6 – қозғалтқыш өзекше (сердечник), 7 - бірінші реттік орама.

Екінші реттік орама  шығысына (R1, R2) бөлгіш жалғанған, бұл түрлендіргішті қажет диапазон реттеу үшін керек.

Бірінші реттік ораммен I1 тоғы өткенде магниттік ағын пайда болады, ол магнит ағыны екінші реттік ораманың екі секциясы да арақала өтіп онда ЭҚК е1 және е2 тудырады. ЭҚК мәндері М1 және М2 индуктивтілікпен өзара байланыста: е1= 2*f*I1*M1,   е2= 2*f*I1*M2,  мұнда f  - I1 тоғының жиілігі.

Секцияның  4 және  5 орамаларын қарсы қосқанда

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

 Унифицирленген ДТ- түрлендіргіш  үшін

 

                                   ,                                         (9.4)

 

мұнда δ – СЭ-тің деформациясы (орын ауысуы),  δ мах=1,6; 2,5; 4 мм,

                                              δ = к*Р,                                                     (9.5)        

мұнда к –  түрлендіргіш коэффициенті

ДТ – түрлендіргіштің дәлдік класы 1,0 – 1,5 .

 

Тақырып бойынша қосымша мәліметті  [2, 4-6,9-12] алуға болады.

 

№10 дәріс. Қысымды өлшеу құралдары (жалғасы)

 

Дәрістің мазмұны:

- деформациялық қысым ӨҚ, олардың сезгіш менттері, бір орамды түтікшелі серіппелі ӨА, сильфонды дифманометр, қысымды өлшеуге арналған әдістемелік нұсқаулар.

 

Дәрістің мақсаты:

- деформациялық қысым өлшеу  құралдарының сұлбалары мен жұмыс істеу принциптерін және қысымды өлшеуге арналған әдістемелік нұсқауларды оқу.

 

10.1 Деформациялық қысым өлшеу құралдары

Деформациялық қысым ӨҚ-ның жұмыс істеу принципі сезгіш элементтің (СЭ) серіппелі деформациясын немесе оның көмегімен алынатын күшті қолдануға негізделген.

 

10.1.1 Сезгіш элементтер

Берілген типтегі ӨҚ өлшенетін қысым мөлшері ретінде СЭ-тің серіппелі деформациясы немесе оның көмегімен алынатын күш алынады.

СЭ негізгі үш түрі бар:  түтікшелі серіппелер (пружина), сильфондар, мембраналар. СЭ құрылымы Б қосымшасында көрсетілген.

 10.1.1.1 Түтікшелі серіппе –  манометрлік серіппе (Бурдон пружинасы) – бұл бір ұшы еркін қозғала алатын, ал екінші ұшы қатты бекітілген серіппелі қисықсызықты металл іші бос түтікше.

Көлденең қимасы сопақ болатын бір орамды түтікшелі серіппе ең көп таралған (Б қосымшасы, Б.1, а сурет). Түтікшенің бұрылу бұрышын көбейту үшін іс жүзінде түтікшелі серіппенің орам санын арттыру керек. Бұл көпорамды винттік түтікшелі серіппеден айқын көрінеді (Б қосымшасы, Б.1, б сурет). Р1000кПа жоғары қысымды өлшеу үшін қисықсызықты және түзусызықты түтікшелі серіппелер қолданылады (Б қосымшасы, Б.1, в,г сурет). Қысымды бос ұшының орын ауыстыруынан тік қимасының өзгеруіне байланысты өлшемейді, ал бүгуші моментке сәйкес өлшейді.

10.1.1.2 Сильфондар – қысым немесе күш әсерінен біршама орын ауыстыра алатын тік гофралары (ирек) бар жұқа қабырғалы цилиндрлік қап (Б қосымшасы, Б.1, д сурет).

Сильфонға әсер етуші күш пен деформацияның қатынасы тұрақты болып қалады да, ол сильфон қатаңдығы деп аталады. Сильфон қатаңдығын арттыру үшін олардың ішіне серіппе орналастырады.

10.1.1.3  Мембраналар серіппелі және икемді болады.

Серіппелі мембрана бұл қысым әсерінен майысатын иілгіш дөңгелек жазық немесе гофрленген пластинаБ қосымшасындағы Б.1 суретінде  жазық (е) және гофрленген (ж) серіппелі мембраналардың сұлбалық суреттері көрсетілген. Сипаттамасының сызықсыздығы аз болғандықтан, гофрленген мембрана жазық мембранаға қарағанда үлкен майысулар кезінде қолданыла алады. Гофраның тереңдігі статикалық сипаттаманың сызықтығына зор әсер етеді: неғұрлым тереңдігі үлкен болған сайын соғұрлым сипаттамасы сызықты.

Икемді мембраналар кіші қысымдар мен қысымдар айырмасын өлшеуге арналған. Олар резиналанған матадан, тефлон және т.б. жасалған жазық және гофрленген дисктер болып табылады. Сызықсыздығын азайту үшін қатаң центрлі мембрана қолданылады: мембрананың екі жағынан бекітілген екі металл дисктер қосымшасы, Б.1, м,н сурет).

Барлық СЭ көп рет қолдануға тыйым салынады, себебі өлшеу қателіктеріне әкеліп соқтыратын қалдық деформация жиналып қалады. Өлшеу шегі сипаттамасының шегіне сәйкес келетін қысымның жартысымен шектеледі (жұмысшы СЭ үшін).

 

10.1.2 Бірорамды түтікшелі серіппелі ӨА

 Өлшеуіш аспап (ӨА) агрессивті емес сұйық және газ тәрізді орталардың артық қысымын және вакуумдық күйін (разряжение) өлшеуге арналған. 10.1 суретте бірорамды түтікшелі серіппесі және секторлы беріліс механизмі бар ӨА сұлбасы келтірілген.

 

 

1 – ұстағыш;

2 – плата;

3 – шкала;

4 – аспап тілі (стрелка);

5 – түтікшелі серіппе;

6 – спираль серіппе;

7 – тісті доңғалақ;

8 – тісті сектор;

9 – ұштама;

10 – тартқыш.

 

 

 

 

10.1 суретСекторлы беріліс механизмді ӨА

 

Деформацияланған СЭ бос шетінің орын ауыстыруын манометр шкаласында тілшемен көрсету үшін секторлы немесе рычагты беріліс механизмдері қолданылады. Осы беріліс механизмдері түтікшелі серіппенің бос шетінің бірнеше градусқа немесе мм орын ауысуын тілшенің бұрыштық орын ауысуына 270300 градусқа түрлендіреді. Рычагты беріліс механизмдері өлшеудің жоғары дәлдігі қажет емес болса және вибрация жағдайы мүмкін аспаптарда қолданылады. Секторлы беріліс механизмдері үлгілік және қолдану шарты бойынша вибрация болмайтын аспаптарда қолданылады.

Бірорамды түтікшелі серіппелі вакуумметрлер манометрлерге ұқсайды, бірақ аспап тілшесі сағат тілімен де, сағат тіліне қарсы да қозғала алады.

 

10.1.3       Сильфонды сезгіш элементі бар ӨА

Сұйықтықтар және газтәріздес орталардың қысымдарының айырымасы  мен шығындарын өлшеу үшін сильфонды дифманометрлер кең қолданылады  (10.2 сурет).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 10.2 Сурет -  Сильфонды дифманометр

 

Суреттегі белгілеулер: 1,4–жұмысшы сильфондар; 2–шток; 3–рычаг; 5–қарсы әсер етуші серіппелер.

Өлшенетін қысымдар айырмашылығының нәтижесінде 1 жұмысшы сильфон қысылады да, дифманометрдің ішін толтыратын жұмысшы сұйықтықты 4 жұмысшы сильфонның ішіне ығыстырады. Сильфон деформациясынан шток 2 ығысады және қарсы әсер етуші серіппелердің 5 тартылыс күші өзгереді. Сильфон деформациясының күші қарсы әсер етуші серіппелердің күшімен теңескенде шток ығысуы тоқталады. Штоктың 2 ығысуы кезінде ол рычагты 3 сағат тіліне қарсы бұрады. Рычаг жазушы механизммен байланысқан.

Қысымдар айырмасының шегі 0,0063-0,25 Мпа.

Дәлдік класы 1,0 және 1,5.

 

10.2      Қысымды өлшеуге арналған жалпы әдістемелік нұсқаулар

Жоғарыда қарастырылған артық, абсолютті және вакуумдық қысым және қысымдар айырмасын өлшеуге арналған ӨҚ технологиялық процестерді автоматтандыру кезінде, ғылыми зерттеулер жүргізгенде кең қолданылады.

Қысым және қысымдар айырмасын өлшеу дәлдігі таңдалған өлшеу әдісіне, өлшеу құралдарының метрологиялық сипаттамасына, өлшеу жағдайына  және басқа да себептерге тәуелді.

Әдісті және ӨҚ-ын қойылған шарттарға, талап етілетін дәлдікке және өлшеу жағдайына  байланысты таңдау керек.

ӨҚ таңдау кезінде оның қалыпты жағдайға тән дәлдігін емес, аспаптың қолдану ортасында қамтамасыз ете алатын дәлдігін алған жөн.

ӨҚ таңдаумен қатар өлшенетін қысым диапазонын және  аспаптың шкаласын таңдау керек. Шкаланы таңдау кезінде қысым аспаптарының, дифманометрлердің және екіншілік аспаптардың жіберетін рұқсат етілген қателіктері өлшеу диапазонынан алынған келтірілген қателік (℅) түрінде көрсетіледі. Сондықтан аспап шкаласының бірінші жартысының өлшеу қателігі  екінші жартысына қарағанда көп болады.   

Біріншілік аспапты таңдау кезінде бірінші реттік құрылғының шығыс сигналы энергиясының түрін мен екінші реттік өлшеу құрылғысының кіріс сигналымен сәйкестендіруге қажетті қосымша түрлендіргішті қажет ететін аспаптарды алмаған жөн. Өлшеу сұлбасында қосымша түрлендіргішті пайдалану өлшеу қателігін арттыра түседі. АБЖ жасау кезінде шығыс сигналы унифицирленген тұрақты тоқ болатын бірінші реттік аспап қолданған жөн.

Сыртқы жағдайлар өлшеу дәлдігіне қатты әсер етеді, сондықтан аспапты орналастыру орнын таңдау кезінде оны да ескеру керек.

Аспаптарды орналастыру орны қызмет көрсетуге және олардың жұмысын бақылауға ыңғайлы болуы тиіс. Қысымды алу орны мен аспапты байланыстырушы жолдың ұзындығы минимал болуы керек. Байланыстырушы жолдардың ең үлкен ұзындығы 50м аспауы керек. Сонымен қатар, байланыстырушы жол ұзындығы артқан сайын берілген аспап үшін өткізу жиіліктері азаяды. Қысымы өлшеніп жатқан ортаның ыстық температурасының әсерінен сақтандыру үшін арнайы қосымша құрылғылар орнату керек.

Тақырыпқа байланысты қосымша мағлұматтарды [2,4-6,9-12] алуға болады.  

 

№11 дәріс. Заттың мөлшері мен шығынын өлшеу. Зат мөлшерін және шығынын ӨҚ

 

Дәрістің мазмұны:

- зат мөлшері мен шығыны, олардың өлшем бірліктері, көлемдік санағыштар, айнымалы қысымдар айырымасының шығынөлшегіштері, электромагниттік және жылулық шығынөлшегіштер.

 

Дәрістің мақсаты:

- газ және бу, сұйықтық шығынын және мөлшерін өлшеудің техникалық ӨҚ-ның сұлбасы мен жұмыс істеу принципін зерттеу.

Зат мөлшері оның массасы немесе көлемі арқылы анықталады және сәйкесінше масса бірлігінде (кг, т) немесе көлем бірлігінде  (, л) өлшенеді. Белгілі бір уақыт аралығында зат мөлшерін өлшеу құралдары санағыштар деп аталады.

Құбырмен өтетін зат шығыны технологиялық процестің маңызды көрсеткіштерінің бірі болып табылады. Зат шығыны – арнаның берілген қимасы бойынан бірлік уақыт ішінде өтетін зат мөлшері. Түрлері:

а) көлемдік шығын  Q, /с, /сағ. , л/мин өлшенеді;

б) массалық шығын  G,  кг/с, кг/сағ. , т/сағ. өлшенеді;

в) орташа шығын:   Q=V/(τ2-τ1 ), мұнда V - санағышпен τ уақыт аралығында өлшенетін зат көлемі;

г) шынайы немесе лездік шығын:  Q= dV/dτ  немесе  G1= dm/dτ    - зат мөлшерінің уақыт бойынша туындысы.

Шығынды өлшейтін құралдар  шығынөлшегіштер деп аталады.

 

11.1 Көлемдік санағыш

Көлемдік санағыштың жұмыс істеу принципі көлемі белгілі камераның көмегімен көлем өлшеуге және санағыштан өткен порция санын санауға негізделген.

Көлемдік санағыштар босатылатын және ығыстырылатын болып бөлінеді. Босатылатын санағыштың көлемдік камералары қатаң бекітілген, оның ішінен өлшенетін орта еркін ағып кете береді. Олар газ мөлшерін өлшеуге жарамсыз. Көлемдік санағыштардың осы түріне барабандық және аударылмалы санағыштар да жатады. Ығыстырылатын көлемдік санағышта камераны келесі порция үшін босату мақсатында өлшенген фазаны ығыстыратын жылжымалы қабырғалары болады. Көлемдік санағыштың бұл түріне жататындар: бір поршеньді; көп поршеньді; сақиналы; ротациондық;  құрғақ газды; ылғал газды; дискті.

11.1.1  Сопақ тісті доңғалақтан тұратын көлемдік санағыштар

Сопақ тісті доңғалақтан тұратын көлемдік санағыштар әртүрлі сұйықтарды, соның ішінде мұнай және мұнай өнімдерін өлшеу үшін қолданады (11.1 сурет).

1 – корпус;

2,3 – сопақ тісті доңғалақ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.1 Сурет - Сопақ тісті доңғалақтан тұратын көлемдік санағыштар

 

Артықшылықтары: өлшеу дәлдігі жоғары, өлшеу мәнінен (0,51,0)%, қысым шығындары елеусіз, көрсетуі тұтқырлыққа тәуелсіз. Кемшіліктері: өлшенетін ортаны механикалық қоспалардан жақсылап тазарту қажет. Өлшеу шектері: 0,01250 /сағ. D=12250 мм.

 

11.2 Айнымалы қысымдар айырымасының шығынөлшегіштері

Сұйық, газ және бу шығынын өлшеудің ең көп тараған принциптерінің түрі тарылатын құрылғыда айнымалы қысымдар айырмасын өлшеу принципі болып табылады. Қарастырылып отырған принципке сәйкес құбырға тарылатын құрылғы (ТҚ) орнатылады. Ағын А – А қимасмен өткенде (11.2,а сурет) қысылады да, инерцияға байланысты ТҚ-ның шығысында қысылу жалғаса береді, белгілі бір қашықтықта ең жоғары мәнге ие болады. Ағынның азаюы ағын жылдамдығының W тарылуға дейінгі жылдамдыққа қарағанда артуына әкеп соғады (11.2,в сурет). Ағынның кинетикалық энергиясы артады. Энергияның сақталу заңына сәйкес кинетикалық энергияның артуы потенциалдық энергияның кемуі есесінде жүзеге асады. Ал бұл өз кезегінде ТҚ-ның шығысында ағын қысымының Р азаюына себеп болады. Тарылатын құрылғыда дифманометрмен өлшенетін  қысымдар айырмасы пайда болады Р = Р1 – Р2 (11.2,б сурет).

 

 

а)          А

 

11.2 Сурет – ТҚ айнымалы қысымдар айырмасының принципі

 

Стандартты ТҚ түрлері (11.3 суретте): стандартты диафрагма (а), стандартты сопло (б), Вентури құбыры (в), Вентури соплосы (г).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.3 Сурет – Тарылатын стандартты құрылғылар

 

11.3 Электромагниттік шығынөлшегіштер

Электромагниттік шығынөлшегіштердің жұмыс істеу принципі (11.4 сурет) электромагниттік индукция заңына негізделген (Фарадей заңы). Заңға сәйкес магниттік күшпен қиылысатын өткізгіштерде өткізгіштің қозғалыс жылдамдығына пропорционал болатын ЭҚК пайда болады. Егер өткізгіш ретінде магниттік полюстер ортасында ағатын электртоғын өткізетін сұйықтықты қолдансақ және сұйықта пайда болған ЭҚК өлшесек, ағын жылдамдығын немесе сұйықтық шығынын анықтауға болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

11.4 Сурет -  Электромагниттік шығынөлшегіш сұлбасы

 

Суреттегі белгілеулер: 1 – магнит емес металл түтік; 2,3 – электродтар; 4 – өлшегіш аспап. Түтіктің ішкі беті электрқорғағыш материалмен қапталған  (эмаль, шыныпластик, резина).

Электромагниттік шығынөлшегіштер электрлік өткізгіштігі 1010 См/м төмен емес сұйықтықтар үшін қолданыла алады.

Тұрақты магнит өрісі бар электромагниттік шығынөлшегіштердің елерліктей кемшілігі бар электродтарда гальваникалық ЭҚК және полярлық ЭҚК пайда болуы. Бұл кемшілікті жою үшін магнит өрісі айнымалы болатын электромагниттік шығынөлшегіштер қолданылады. Бірақ кемшіліктердің көп болғанына қарамай пайдалы сигналды бүлдіретін эффекттер, мысалы трансформаторлық бөгет және оларды жою қиындығына қарамастан өнеркәсіпте айнымалы магнит өрісі бар электромагниттік шығынөлшегіштер қолданыс табуда.

 

11.4 Жылулық шығынөлшегіштер сұлбасы В қосымшасында В.1 суретте көрсетілген және ОСӨЖ сабақтарында қарастырылады.

 

Тақырыпқа байланысты қосымша мағлұматтарды [1-4,7,8] қарауға болады.

 

12 Дәріс

12.  Деңгей және концентрацияны өлшеу

         Дәрістің мазмұны:

- деңгей және концентрацияны өлшеу тіралы жалпы мәліметтер, деңгей және концентрацияны өлшеудің техникалық ӨҚ.

        

Дәрістің мақсаты:

- электрлік және акустикалық деңгей өлшеу құралдарының, магниттік және оптикалық газталдағыштар (газанализатор) сұлбасын және жұмыс істеу принципін оқып білу.

 

Технологиялық аппаратты жұмысшы ортамен – сұйықпен немесе сусымалы затпен толтыру биіктігін деңгей деп айтады. Деңгейді  ұзындық бірлігімен өлшейді (мм, см, м). Деңгей өлшеу құралын деңгейөлшегіштер деп атайды. Өлшеу диапазоны бойынша оларды кең диапазонды және тар диапазонды деп ажыратуға болады.

Кең диапазонды деңгейөлшегіштер (0,5-20м) көбінесе тауар санау процестерінде қолданылады. Тар диапазонды деңгейөлшегіштерді (0-100мм), (0-450 мм) әдетте автоматты реттеу жүйелерінде (АРЖ) қолданады.

Қазіргі таңда деңгейөлшегіштерді (жұмыс істеу принципі бойынша) келесідей бөледі: визуалды; қалтқымалы; буёкты, гидростатикалық; электрлік; акустикалық; радиоизотоптық.

 

12.1 Электрлік деңгей ӨҚ

Сезгіш элемент түріне байланысты олар сыйымдылықтық деңгейөлшегіштер және кондуктометрлік деңгей сигнализаторлары болып бөлінеді.

 

12.1.1  Сыйымдылықтық деңгейөлшегіштер

Сыйымдылықтық деңгейөлшегіштердің жұмысында 1-нші реттік аспаптың сезгіш элементінің электрлік сыйымдылығының сұйықтық деңгейіне тәуелділіг қолданылады.   СЭ бұл конструкциясы жағынан  арақашықтықта орналасқан екі цилиндрлік электрод. Олардың конструкциясы сұйықтықтың физика-химиялық қасиетіне байланысты:

·    электрлік өткізгіштігі 10 См/м кем электрөткізгішемес сұйықтықтар үшін (диэлектриктер)  12.1, а суретінде көрсетілген СЭ қолданылады, электродтар қорғанысы (изоляциясы) болмайды;

·    электрөткізгіш сұйықтықтар деңгейін өлшеу үшін 12.1, б суретінде көрсетілген СЭ қолданылады (меншікті электрөткізгіштік > 10См/м).

12.1 суретіндегі белгілеулер: 1,2 – арақашықтықта орналасқан электродтар (цилиндрлік конденсаторлар); 3 – изолятор.

 

  

12.1 Сурет-  Сыйымдылықтық  деңгейөлшегіштердің сұлбасы

 

Сыйымдылықтық  деңгейөлшегіштердің өлшеу диапазоны: (0¸0,4м) және  (0¸20м); жұмысшы қысымы 2,5¸10 МПа; дәлдік класы 0,5; 1,0; 2,5.

 

12.1.2 Кондуктометрлік деңгей сигнализаторлары


Меншікті электрөткізгіштігі 10См/м жоғары болатын сұйықтықтар мен сусымалы ортаның деңгейі жайлы сигнал беруге арналған (12.2 сурет).

 

12.2 Сурет – Сұйықтықтың жоғарғы шектік деңгейінің сигнализаторы

 

12.1.3 Акустикалық деңгей ӨҚ

Акустикалық деңгейөлшегіштерді құрудың әртүрлі принциптері бар.  бір тектес әр түрлі принциптерде құрылады. Локация принципі кең тараған: шыққан ультрадыбыстық тербелістің екі ортаның шекарасына жету және кері қайту уақытын өлшеу бойынша деңгейді өлшеу.

Екі ортаның локациясы газ арқылы жүретін деңгейөлшегіштер  акустикалық деп, ал жұмысшы орта арқылы жүретін (су және т.б.) болса онда ол құрал ультрадыбыстық  деңгейөлшегіш деп аталады.

Акустикалық деңгейөлшегіштің артықшылығы: ол жұмысшы ортаның физика-химиялық қасиетіне тәуелсіз. Кемшілігі – газ температурасына және Р қысымына тәуелді.

Сусымалы ортада жұмыс істеу принципі тура осылай. Түйіршіктер өлшемі  2¸200мм.

         Өлшеу диапазоны : (0¸2,5 м), (0¸30м). Дәлдік класы: 1,0; 1.5.

 

12.2 Концентрацияны өлшеу

         Жалған бинарлық қоспаның  құрамының концентрациясын анықтау үшін көпқұрамды қоспа бинарлық деп қарастырылып физика-химиялық қасиеттерін өлшейді.

         Сұйықтықтар мен газдың бинарлық және жалған бинарлық қоспаларының құрамын талдау үшін әртүрлі физика-химиялық талдауыштар қолданылады.

Автоматты газталдауыштар жану процесін бақылау және ауаның артықтығын анықтау үшін  ЖЭС-да органикалық жанармайды өртеген кезде қолданады. Газталдауыш аспаптар технологиялық объекттердің қауіпсіз жұмыс істеуін қамтамасыз ететін жүйелерде қолданылады. Мысалы, турбогенераторларды суыту жүйесінде Н2 сутегінің концентрациясын өлшейтін газталдауыштар, АЭС-да радиоактивті жылутасушы аппараттарды үрлегіштердің газын және т.б.

 Қоршаған ортаны қорғауға қатты көңіл аударуға байланысты ауада, кәсіпорын ғимараттарында және атмосферада өндірістік кәсіпорындар мен электрлік станциялар шығаратын газдық қалдықтардың зиянды қоспаларын бақылау үшін арналған газталдауышты өндіру мен қолдану бірден кеңейіп кетті.

 

12.2.1 Магниттік газталдауыштар

Олардың жұмыс істеу негізінде талданып жатқан қоспаның магниттік өріс әсері кезінде байқалатын құбылыстар жатыр.

Магниттік өріске тартылатын газдарды парамагнитті, ал кері ығыстырылатын газдарды диамагнитті деп атайды. Парамагнитті газдардың магниттік сезгіштігі оң шама, ал диамагнитті газдардікі теріс шама болады. Магнитті сезгіштік аддитивті қасиетке ие. Парамагнитті қасиетке оттегі, азот тотығы ие және де олардың магниттік сезгіштігі абсолютті мәнінде басқа газдар мен булардың магниттік сезгіштігінен 100 есе артық. Сондықтан көпқұрамды қоспада оттегі концентрациясын анықтау осыған негізделген.

Ең көп тараған термомагнитті газталдауыштың сұлбасы 12.3 суретте көрсетілген.

12.3 суреттегі белгілеулер: 1 – дайындау блогы; 2 – тұрақты магнит; 3 – сақиналы камера; 4 – жұқа қабатты шыны түтік; 5 - терморезисторлар;   6 – теңеспеген көпір; 7 – потенциометр.

  

 

 

 

 12.3 Сурет -  Термомагнитті газталдауыш сұлбасы

 

Өлшеу диапазоны 0 –1%  бастап 0 – 100% дейін.  Дәлдік класы 2,5 – 5.

 

12.2.2 Оптикалық газталдауыштар

Оптикалық газталдауыштарда анықталып жатқан компоненттің концентрациясы газдық қоспаның оптикалық қасиеттерінің өзгеруіне байланысты анықталады. Оптикалық қасиеттері: сыну көрсеткіштері, спектральді жұтылу мен сәулелену, спектральді тығыздық және т.б.

Оптикалық газталдауыштарды үш топқа бөлуге болады: инфрақызыл және ультракүлгін – жұтылу; спектрфотометрикалық; фотокалориметриялық. Оптикалық газталдауыштар үлкен рұқсаттық қасиетке ие, осыған байланысты оны кәсіпорын ғимараттарында және атмосферада ауаны бақылау кезінде өндірістік газдардағы токсикалық және жарылыс қаупі жоғары қоспалардың микроконцентрациясын талдаған кезде қолданады.

Әрбір газ белгілі жұтылу спектрімен сипатталады: өзінің құрамында екі не одан көп әртүрлі атомдары (СО, СО2, СН4, NН3) бар газдардың жұтылу спектрі инфрақызыл ИҚ бөлігінде. Біратомды газдар спектрдің ультракүлгін бөлігімен сипатталады.

Мұндай талдауыштардың өлшеу диапазоны 0 –1%  бастап 0 – 100% дейін. Дәлдік класы 2,5-10 (өлшеу диапазонына байланысты).

Кәсіпорындарда шығарылатын инфрақызыл спектр бөлігіндегі оптико-акустикалық газталдауыштардың типтері: ГИП 10МБ-1 – СО, ГИП 10МБ-2 – СО; ГОА–4 – СО; СО2; С2Н2; СН4 т.б.; спектрдің ультракүлгін бөлігінде: УФА 1 – Сl2.

Инфрақызыл газталдауыштың сұлбасы Г қосымшасында Г.1 суретінде көрсетілген және ОСӨЖ- да қарастырылады.

Тақырып бойынша қосымша мәліметтерді [1-6] қарауға болады.

№13 дәріс. Газдар мен сұйықтықтардың  физика-химиялық          қасиеттерін өлшеу

 

Дәрістің мазмұны:

- тығыздықты өлшеу және тұтқырлық туралы жалпы мағлұмат, тығыздық және тұтқырлықты ӨҚ.

 

Дәрістің мақсаты:

- салмақтық және гидростатикалық тығыздықөлшегіш пен вискозометрдің сұлбалары мен жұмыс істеу принциптерін оқу.

 

Химия-технологиялық процестердің автоматты бақыланатын физика-химиялық қасиеттерінің қатарына тығыздық және тұтқырлық жатады.

                                     

          13.1 Сұйықтықтар мен газдар тығыздығын ӨҚ

Сұйықтықтар мен газдардың тығыздығын өлшеу химия технологиялық үрдістерді басқару мен шикізат, отын, реагенттердің мөлшерін санау операцияларын орындау мақсатында жүзеге асырылады. Заттың тығыздығы заттың массасының m оның алатын көлеміне v қатынасы.

Тығыздықты ӨҚ-ын тығыздықөлшегіштер немесе денсиметрлер (денситометрлер) деп атайды, латынның densus – тығыз, қою деген сөзінен.

         Тығыздықөлшегіштер: салмақтық, қалытқылы, гидроаэростатикалық,         гидрогазодинамикалық, радиоизотопты, акустикалық, вибрациалық және т.б.

 

13.1.1 Салмақтық тығыздықөлшегіштер

         Салмақтық немесе пикнометриялық тығыздықөлшегіш сұлбасы 13.1 суретте көрсетілген. Суреттегі белгілеулер: 1 - сильфондар; 2 – жылжымайтын құбырлықтар; 3 - U-бейнелі құбыр; 4 – ауырлық; 5 – рычаг; 6 – түрлендіргіш; 7 – қарсы салмақ.

 

13.1 СуретСалмақтық тығыздықөлшегіш сұлбасы

 

Өлшеу диапозоны 0,5 ¸ 2,5 г/см.  Дәлдік класы 1¸1,5. Maксимал жұмыс істеу  температурасы  t°жұм=100°С.

 

13.1.2 Гидростатикалық тығыздықөлшегіш

         Гидростатикалық тығыздықөлшегіш жұмыс істеу принципі талданатын газ немесе сұйықтықтың P қысым бағанының осы ортаның  тығыздығына тәуелділігіне негізделген P = *g* h.

  

 

13.2 Сурет - Гидростатикалық тығыздықөлшегіштің сұлбасы

 

Суреттегі белгілеулер: 1 – тіректік плата; 2,3,4 - сильфондар; 5 – камера; 6 –түрлендіргіш; 7 – өлшеуіш рычаг; 8 – рычаг.

Өлшеу диапазоны 0¸0,5 г/см. Дәлдік класы 1. Сұйықтықтың  мaксимал температурасы  200°C.

                    

13.2 Сұйықтықтардың тұтқырлығын ӨҚ

Тұтқырлық мұнай майы, консистентті жағатын майлар, полимерлер, еріткіштерді өндірумен байланысты химия-технологиялық процестердегі өнімнің сапасын анықтайды.

Тұтқырлық (ішкі үйкеліс) – ағатын заттардың (сұйықтардың және газдардың) бір бөлігінің келесі бөлігіне ығысуына кедергі келтіретін қасиеттері. Тұтқырлықты ӨҚ вискозиметрлер деп аталады. Қазіргі таңда автоматты вискозиметрлер құрастырылған: капиллярлы; ротациондық; вибрациалық; құламалы денелі вискозиметрлер және басқалар.

 

13.2.1 Капиллярлы вискозиметрлер

Механикалық визкозиметрдің жұмыс істеу принципі (13.3 сурет) Пуазель заңымен сипатталатын капилляр арқылы сұйықтың ағуының заңдылықтарына негізделген. 

                                                                                     (13.1)

мұнда Q – сұйықтықтың көлемдік шығыны;

- капиллярдың ішкі диаметрі және ұзындығы; 

P1, P2 – ағынның капиллярға дейінгі және одан кейінгі қысымы;      

h - динамикалық тұтқырлық. 

Q = const болғанда

                                                    P1- P2= k*h                                                        (13.2)

мұнда –қабылданған шығын үшін тұрақты коэффициент.

          

13.3 Сурет – Капиллярлы вискозиметрдің сұлбасы

 

         Суреттегі белгілеулер: 1–сорғыш; 2 - синхронды қозғалтқыш;  3 – ирек түтік;  4 – капилляр;  5 – дифманометр;  6 – термостат.

Сонымен, динамикалық тұтқырлықты өлшеу үшін сұйықтықтың көлемдік шығыны тұрақты болса капиллярдағы қысымдар айырмасын өлшеу жеткілікті. Өлшеу диапазоны  (0¸2)*10Па*с бастап (0¸1000)*10Па*с дейін. Дәлдік класы  1,5;  2,5.

  

13.2.2 Ротациондық вискозиметрлер

Механикалық вискозиметрдің жұмыс істеу принципі (13.4 сурет) өлшенетін ортаға салынған ротордың (цилиндр, диск) осінде пайда болған айналу моментін өлшеуге негізделген. Айналу моменті:

       M = k*w*h                                             (13.3)

мұнда k – ротор конструкциясына тәуелді тұрақты коэффициент;                     

w - ротор  айналуының бұрыштық жылдамдығы (const болуы мүмкін);


h
- тұтқырлық.

 

13.4 Сурет- Ротациондық вискозиметрдің сұлбасы

 

Суреттегі белгілеулер: 1 – синхронды қозғалтқыш; 2,3 – дисктер; 4 – вал; 5 – шкив; 6 – майысқақ жіп; 7 – пружина; 8 – шкала; 9 – түрлендіргіш.

 

Өлшеу диопозоны үлкен 0,01-1000 Па *с. Дәлдік класы 1-2,5.

 

Тақырып бойынша қосымша мағлұматты [2-7] алуға болады.

             

А Қосымшасы


Температураның техникалық өлшеу құралдары

 

        

          А.1 Сурет Манометрлік термометрдің сұлбасы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 А.2 СуретМагнитэлектрлік жүйедегі милливольтметрдің сұлбасы

 

 

 

 

 

 А.3 Сурет Теңестірілмеген симметриялық көпірдің сұлбасы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А.4 Сурет  КТТ мен жұмыс атқаратын нормалаушы түрлендіргіш

 

 

 

Б Қосымшасы

Қысымның техникалық өлшеу құралдары

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б.1 Сурет – Деформациялық қысым ӨҚ сезгіш элементтері

                                           

В Қосымшасы

Шығынның  техникалық өлшеу  құралдары

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        

         В.1 Сурет –  Жылулық шығынөлшегіштің сұлбасы

 

 

               Г Қосымшасы

                Концентрацияның техникалық өлшеу құралдары

 

 

 

 

         

         Г.1 Сурет Инфрақызыл газталдауыштың сұлбасы

          Әдебиеттер тізімі

 

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.- 392с.

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

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

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

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.