Алматинский институт энергетики и связи 

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

Конспект лекций по  дисциплине

Теплотехнические измерения и контроль

для студентов всех форм обучения специальности

050717 - Теплоэнергетика

 

 

 

Алматы 2009 

СОСТАВИТЕЛИ: Н.К. Бекалай, Н.О.Джаманкулова. Конспект лекций по дисциплине «Теплотехнические измерения и контроль» для студентов всех форм обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика. -  Алматы: АИЭС, 2008. -70 с.

 

Конспект лекций по дисциплине «Теплотехнические измерения и контроль» содержит краткие теоретические сведения по методам и средствам измерения таких теплотехнических величин как температура, давление, уровень, расход, состав газов.

Конспект лекций по дисциплине «Теплотехнические измерения и контроль» предназначен для студентов всех форм обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика.

1 Лекция. Общие сведения о средствах измерений.  

Содержание лекции: Основные задачи курса. Понятие об измерениях. Виды и методы измерений. Общие сведения о средствах измерений. Структурные схемы средств измерений. Метрологические характеристики средств измерений и способы их нормирования.

Теплотехнические измерения широко применяются во всех отраслях народного хозяйства и в энергетике, используются для контроля за основными технологическими процессами, с целью обеспечения надежной работы оборудования, повышения качества продукции и экономичности производства.

Изучение устройства, принципа действия и методики  применения средств измерения и контроля теплотехнических и других величин при производстве и потреблении тепловой энергии; умение самостоятельно обосновать и выбрать средство измерения для решения измерительной задачи; ознакомление с современными методами и средствами измерения теплотехнических величин и других являются основными задачами курса.

 

1.1  Понятие об измерениях. Виды измерений

 

Измерение представляет собой процесс нахождения значения физической величины посредством опытов с помощью специальных технических средств. Во многих случаях в процессе измерения происходит сравнение измеряемой величины с другой, которой присвоено числовое значение, равное 1, и которая называется единицей физической величины, или единицей измерения. Результат измерения - это численное значение величины, найденное вследствие ее измерения, например сравнением ее с единицей измерения. Результат может быть выражен следующим образом:

R = Q/q,                                                         (1.1)

где Q - измеряемая физическая величина, q - единица измерения,

 R - результат измерения, или численное значение измеряемой величины.

По способу получения численного значения измеряемой величины все технические измерения можно разделить на прямые и косвенные. В лабораторной практике и научных исследованиях имеют место также совокупные и совместные измерения, которые с внедрением микропроцессорных средств измерения стали использоваться и в промышленных условиях.

Прямыми измерениями называются такие, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение температуры термометром, давления - манометром. Результат может быть получен также с помощью косвенных измерений, когда численное значение находят на основании результатов прямых измерений, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью

                                     ,                                                (1.2)

где у - искомая величина, - числовые значения величин, измеренных прямым способом. Примерами косвенных измерений могут быть определение плотности тела по результатам измерения массы и объема, определение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства, называется средством измерения. Совокупность правил, определяющих принципы и средства измерения, называется методом измерения.

В технических измерениях широкое распространение получили методы непосредственной оценки, дифференциальный и компенсационный (нулевой). В методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора или сигналу преобразователя прямого действия, например, при измерении давления пружинным манометром, силы тока-амперметром, температуры - термопреобразователем сопротивления.

В дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и базовой (значение которой известно) величин, например, измерение массы тела более одного килограмма при использовании гирь и показывающих весов с диапазоном измерения один килограмм.

В компенсационном (нулевом) методе измеряемую величину компенсируют другой величиной, значение которой известно с высокой степенью точности, разность между ними сводится к нулю за счет изменения известной величины. Применяемый в этом методе измерительный прибор (нуль-прибор) служит только для установления факта равенства двух величин или равенства нулю их разности. Примером компенсационного метода измерения может служить компенсационный метод измерения термоЭДС, измерение сопротивления уравновешенным мостом.

 

1.2 Средства измерений

 

Средства измерений имеют нормированные метрологические характеристики, т.е. определенные численные значения величин и свойств, определяющих точность и достоверность результатов измерения. Средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, называется измерительным прибором

Измерительные приборы бывают аналоговые и цифровые. В аналоговом измерительном приборе показания являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. В цифровом приборе показания даются в цифровой форме, которая является результатом дискретного преобразования сигналов измерительной информации.

Измерительные приборы подразделяются на показывающие и регистрирующие. В показывающих - значения считываются по шкале или цифровому табло. В регистрирующих приборах предусмотрена запись показаний на диаграммной бумаге, с помощью печати в цифровой форме или хранения информации в памяти запоминающего устройства. В измерительных приборах могут выполняться различные преобразования измеряемой величины, ее интегрирование по времени либо по другой независимой переменной.

Измерительным преобразователем называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Первичный измерительный преобразователь - это измерительный преобразователь, на вход которого воздействует измеряемая величина (их часто называют датчиками). Часть первичного измерительного преобразователя, находящегося под непосредственным воздействием измеряемой величины, называется чувствительным элементом (или сенсором). Измерительные приборы и преобразователи в зависимости от рода измеряемой величины имеют соответствующие названия: термометры, термопреобразователи, манометры, преобразователи давления, расходомеры, преобразователи расхода и т.п.

Отсчетное устройство показывающих аналоговых измерительных приборов состоит из шкалы и указателя (стрелочного либо светового). Разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам, называется ценой деления шкалы. Область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений, называется диапазоном измерений измерительного прибора или измерительного преобразователя. Пределами измерений называются наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений, называемых верхним и нижним пределами измерений.

Средства измерений делятся на рабочие, образцовые и эталоны. Рабочие средства измерений предназначены для практических измерений, они подразделяются на средства измерений повышенной точности и технические. Образцовые средства измерений предназначены для передачи размеров единиц физических величин от эталонов рабочим средствам измерений. По образцовым средствам измерений поверяются и градуируются рабочие средства измерений. Эталоны служат для воспроизведения и хранения единиц физических величин и передачи их размера с помощью образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

 

1.3 Погрешности измерения

 

При измерениях обычно получается значение измеряемой физической величины, отличающееся от ее истинного значения. Как правило, истинное значение неизвестно и вместо него используют действительное значение. Значение величины, найденное вследствие ее измерения, назы­вается результатом измерения. Отклонение результата измерения х от действительного значения измеряемой величины хд. называется погрешностью измерения. Погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины, называется абсолютной погрешностью измерения

= х  − хд ,                                                          (1.3)

Отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины называется относительной погрешностью измерения, выражаемой в процентах

 = 100/ хд  ,                                                                             (1.4)

Измерительные приборы часто характеризуются приведенной погрешностью, которая определяется как отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению . Нормирующее значение принимается равным диапазону измерения прибора D

γ= 100/ = 100/ D ,                                                                            (1.5)

Погрешности измерений разделяют на систематические, случайные и грубые. Составляющая погрешности измерений, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины, называется систематической погрешностью измерений. Составляющая погрешностей измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины, называется случайной погрешностью измерений. Погрешность измерений, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях, называется грубой погрешностью (промахи).

Систематические погрешности имеют определенное значение и знак, они могут быть устранены введением поправки. Поправкой называется значение величины, прибавляемой к полученному при измерении значению в целях исключения систематической погрешности.

Случайную погрешность, которая является результатом воздействия множества факторов, можно оценить на основании теории вероятностей и математической статистики.

Для оценки точности результата измерения служит среднее квадратическое отклонение результата измерения , квадрат этой величины называется рассеянием или дисперсией результата измерения . Определим

                                          (1.6)

где n - число наблюдений, - значение величины, полученное при i-м наблюдении, - среднее арифметическое значение (результат измерений). Для получения полного представления о точности и надежности оценки случайного отклонения результата измерения должны быть указаны доверительные границы, доверительный интервал и доверительная вероятность. При известном σ указываются границы доверительного интервала () в виде

                                                                                     (1.7)

где () - нижняя граница, () - верхняя граница интервала.

Согласно теории погрешностей, оценка среднего квадратического отклонения результата измерения   в  раз меньше оценки среднего квадратического отклонения результата измерения. Таким образом, при числе измерений n оценка среднего квадратического отклонения результата измерения определится

                                       (1.8)

и границы доверительного интервала () определятся в виде

                                             (1.9)

Все рассмотренные выражения справедливы для большого числа однородных измерений, когда имеет место нормальный закон распределения погрешностей. В этом заключается особенность измерения случайных величин. При малом числе измерений (менее 20—30) для оценки доверительного интервала используется распределение Стьюдента, тогда

                                             (1.10)

где   , и   - аргумент функции распределения Стьюдента.

 

1.4 Метрологические характеристики средств измерений

 

Измеряемая величина, поступающая на вход средства измерений, называется входным сигналом (величиной) средства измерений, например давление, подводимое к манометру; температура среды для термоэлектрического преобразователя, погруженного в эту среду. Сигнал или показания, получаемые на выходе средства измерений, называются выходным сигналом (величиной) средства измерений, например показание манометра, считываемое по шкале; значение термоЭДС, развиваемой термоэлектриче­ским преобразователем. Зависимость выходного сигнала средства измерений у от входного сигнала х, представленная в виде таблицы, графика или формулы, называется номинальной статической характеристикой (НСХ) средства измерений (или градуировочной). Отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора Δу к изменению входной величины Δх называется чувствительностью средства измерения. Применительно к измерительным преобразователям это отношение называют коэффициентом преобразования (коэффициентом передачи). Чувствительность определяется формулой  

 S = Δу / Δх .                                                   (1.11)

 

Условия применения средств измерений, при которых влияющие величины находятся в пределах нормальной области значений, называются нормальными условиями. При нормальных условиях определяется основная погрешность средств измерений. Кроме нормальных значений в стандартах или технических условиях на средства измерений устанавливается рабочая область значений влияющих величин, в пределах которой нормируется дополнительная погрешность этих средств измерений. Дополнительные погрешности средств измерений суммируются с основной

Для характеристики погрешностей рабочих средств измерений используется такая характеристика как класс точности. Классом точности называется обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность. В соответствии с ГОСТ класс точности может определять пределы основных допускаемых погрешностей как абсолютных (1.1), так относительных (1.2) и приведенных (1.3).

Предел абсолютной основной погрешности нормируется в виде числа или выражения

 = ± [a+b(│Х│−)],                           (1.12)

 

где a  и b - постоянные,  - начальное значение измеряемой величины X.

При нормировании предела основной приведенной погрешности класс точности задается числом, выбираемым из ряда (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6), где n может иметь значения 1; 0; -1; -2 и т.д. Cпособы нормирования метрологических характеристик средств измерения позволяют получать наиболее вероятные значения результатов измерений и оценки погрешностей, близкие к действительным значениям.

 

2 Лекция. Измерение температуры

 

Содержание лекции: Основные сведения о температуре и температурных шкалах. Классификация методов измерения температуры. Термометры расширения (для самостоятельной работы). Термоэлектрический метод измерения температуры. Термоэлектродные материалы. Прямой метод измерения термо-эдс. Компенсационный метод измерения термо-эдс. Лабораторный и автоматический потенциометры.

 

2.1 Основные сведения о температуре и температурных шкалах

 

Температура - величина, которая характеризует степень нагрева тела. Зависимость между средней кинетической энергией поступательно движущихся молекул и температурой идеального газа определяется выражением

Е=(3/2) kТ

 где  k = 1,380∙10 ‾23 Дж / К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура тела, К.

Если тела имеют разную температуру, то при их контакте происходит выравнивание энергий: тело, имеющее более высокую температуру, а значит, большую среднюю кинетическую энергию молекул, передает свою теплоту (энергию) телу, имеющему меньшую температуру, а значит, и меньшую среднюю кинетическую энергию молекул. Таким образом, температура является параметром, характеризующим как качественную, так и количественную сторону процессов теплообмена, теплопереноса.

Непосредственное измерение температуры невозможно. В принципе все явления, происходящие под воздействием тепла (например, расширение веществ, изменение электрического сопротивления, излучение нагретых тел), можно использовать для измерения температуры. Однако количественная оценка возможна лишь при соотнесении показаний термометра с некоторой эталонной температурой, например с температурой тройной точки воды. Впервые прибор для измерения температуры был предложен в 1598г. Галилеем. Затем М. В. Ломоносовым, Фаренгейтом были разработаны термометры, появились шкалы Реомюра и Цельсия. Все эти температурные шкалы строились следующим образом. Выбирались две опорные (или реперные) точки. Как правило, для этого брались точки фазового равновесия чистых веществ. Изменение термометрического свойства в интервале между реперными точками аппроксимировались линейной зависимостью от температуры

T = T0 + kC

где Т0 — значение температуры в одной из реперных точек; С — значение термометрического свойства при температуре Т; k -коэффициент пропорциональности, определенный по значениям термометрических свойств и температур в реперных точках.

Для унификации результатов измерений различными средствами, основанными на различных методах, применяется международная температурная шкала. По мере развития техники температурных измерений использовались различные температурные шкалы:  МТШ-27,  МПТШ-68, МТШ-90 (цифры указывают год международного принятия шкалы).

Идеальная температурная шкала — это термодинамическая температурная шкала, основанная на втором законе термодинамики. Единицей термодинамической температуры Т является Кельвин К-1/273,16 часть температуры тройной точки воды. Широко применяется практика выражения температуры в виде ее значения относительно точки плавления льда (273,15 К). Выраженная таким образом температура известна как температура Цельсия (символ t ) и определяется как t = Т - 273,15. Единицей температуры Цельсия является градус Цельсия (символ °С), размер которого равен Кельвину (это означает, что температурный интервал 1°С = 1,К). В Международной температурной шкале 1990г. (МТШ-90) используются как температура Кельвина, так и температура Цельсия.

Для измерения аддитивных величин (например, длины, массы) можно опираться на воспроизведение размеров их единиц. Так как температура не подчиняется закону аддитивности, то воспроизведение одной эталонной точки (тройной точки воды) не позволит точно определить другие температурные точки. Поэтому необходимо точное воспроизведение нескольких температурных точек (они называются реперными), которым присвоено определенное значение температур, совокупность их образует температурную шкалу. Между реперными точками шкала воспроизводится с помощью эталонных средств, в которых температура определяется через какую-либо аддитивную величину, связанную с температурой функциональной зависимостью заданного вида. Коэффициенты этой зависимости находятся по температурам реперных точек.

Международная температурная шкала МТШ-90 охватывает диапазон от 0,65 К до наивысшей температуры, доступной измерению в соответствии с законом излучения Планка для монохроматического излучения. Она разбита на ряд поддиапазонов, содержащих реперные точки, внутри которых используются определенные типы термометров. До принятия МТШ-90 использовалась Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68), которая обеспечивала измерение температур в интервале  от 13,81 - 6300,К и явилась основой для принятия МТШ-90.

 

2.2    Средства измерения температуры

 

Средства измерения температуры производят значительное количество отечественных и зарубежных фирм. В настоящее время используются различные методы измерения температуры, которые можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные.

Таблица 2.1 - Средства измерения температуры

 

Тип средства измерения

Разновидность средства измерения или первичного преобразователя

Предел длительного применения, °С

 

 

 

 

нижний

верхний

Термометры расширения

Жидкостные стеклянные Манометрические Биметаллические

-100

-200

-70

600

600

600

Термометры сопротивления

Металлические (проводниковые) термопреобразователи сопротивления Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

-260

 

 

 

-100

1100

 

 

 

300

Термоэлек­трические термометры

Термоэлектрические термопреобразователи (при длительном применении)

-200

2200

Кварцевые термометры

Терморезонансные преобразователи

0

200

Пирометры

Монохроматические Полного и частичного излучения

Спектрального отношения

800

30

 

-35

4000

2500

 

2800

В контактных методах требуется непосредственный контакт первичного преобразователя с контролируемым объектом или средой. К ним относятся термометры расширения (стеклянные, манометрические и биметаллические), термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, кварцевые преобразователи температуры в частоту.

Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на расстоянии от контролируемого объекта или среды. Этот метод используется в пирометрах.

В таблице 2.1 приведены наиболее распространенные средства измерения температуры и примерные пределы их применения.

Все средства измерения, предназначенные для измерения температуры контактным методом, называются термометрами, а для измерения температуры бесконтактным методом - пирометрами. В состав термометра, как правило, входят термопреобразователь, линия связи и измерительный прибор. В состав пирометра часто входит пирометрический преобразователь.

По указателю  государственных стандартов, принятых в Республике Казахстан, можно найти действующие стандарты  с описанием приборов для измерения температуры (17.200.20 Приборы для измерения температуры).

СТ РК 2.25.-2001 Государственная система обеспечения единства измерений РК. Государственный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений температуры.

 

2.3    Термоэлектрический метод измерения температуры и термоэлектродные материалы.

 

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-эдс), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. Термо-эдс возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов) А и В  (смотри рисунок 2.1а), если значения температуры мест соединения t и t0 не равны (при равенстве температур термо-эдс равна нулю).

б)

 

 

 

 

 


 в)

 

 

 

 

 


 г)

 

 

 

 

 


 


 


 Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона. Первый связан с появлением ЭДС в месте спая

 



Рисунок  2.1а - соединение двух проводников, б - включение третьего проводника, в, г - варианты включения измерительного прибора ИП

 

двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая, Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах.

Развиваемая термо-эдс зависит от значения обеих температур t°С и t0°С, причем она увеличивается с ростом разности (tt0). В силу этого термо-эдс термопары условно обозначается символом Е (t, t0). Очевидно, что температуру

можно измерить с помощью термопары, если выполнить следующие условия:

–рабочий конец термопары поместить в измеряемую среду (t°С), а температуру другого спая (свободных концов t0°С) стабилизировать;

– измерить термо-эдс, развиваемую термопарой;

– иметь градуировочную характеристику Е (t, t0) термопары - зависимость термо-эдс от температуры рабочего конца t°С при определенном значении t0.

Действующая в контуре результирующая термоЭДС  ЕАВ (t, t0)  равна алгебраической сумме еАВ ( t ) и еВА ( t0 ), взятых при обходе контура против часовой стрелки  (смотри рисунок 2.1а)   

                               ЕАВ (t, t0) = еАВ ( t ) + еВА ( t0 )                                    (2.1)

 

но если учесть что еВА ( t0 ) = – еАВ ( t0 ), то получим

 

ЕАВ (t, t0) = еАВ ( t ) – еАВ ( t0 )                                (2.2)

        

Следовательно, вырабатываемая термометром  термо-эдс  равна разности двух действующих навстречу суммарных термо-эдс, появляющихся на концах термоэлектродов. 

Включение в цепь термопары третьего проводника из любого материала «С» не вызывает искажения термо-эдс, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. Поэтому термо-эдс, развиваемые в схемах (рисунок 2.1б, в, г), будут одинаковыми, если только будут равны между собой температуры t' и t", т.е. при соблюдении условия t' = t". На основании изложенного можно представить два способа включения измерительного прибора (ИП) в цепь термопары: в разрыв свободных концов (рисунок 2.1,в) или в разрыв электрода (рисунок 2.1,г).

Рассмотрим включение измерительного прибора (ИП) соединительным проводником С в разрыв свободных концов (рисунок 2.1,в). Действующая в контуре результирующая термоЭДС согласно (2.1) равна

 

      ЕАВ (t, t0) = еАВ ( t ) + еВС ( t0 ) + еСА ( t0 ).                          (2.3)

 

Если принять, что температуры мест присоединения одинаковы и равны t0  ,то в замкнутой цепи результирующая термо-эдс будет равна нулю, т.е.

 

ЕАВ ( t0 ) = еАВ ( t0 ) + еВС ( t0 ) + еСА ( t0 ) = 0                        (2.4)

откуда следует, что

еВС ( t0 ) + еСА ( t0 ) =  – еАВ ( t0 ).                                   (2.5)

Подставим (2.5)  в (2.3) и получим выражение  (2.2)

Рассмотрим  включение измерительного прибора (ИП) проводником С в разрыв электрода (рисунок 2.1,г). Если температуры мест присоединения одинаковы и равны t' = t" = t то результирующая термо-эдс будет равна  

 

ЕАВ (t, t0 ) = еАВ ( t ) + еВС ( t1 ) + еСВ ( t1 ) + еВА( t0 )                          (2.6)

 

где    еВС ( t1 ) =  –  еСВ ( t1 ) и  еВА ( t0 )  еАВ ( t0 )                                      (2.7)

Подставим (2.7)  в (2.6) и получим выражение  (2.2)

Таким образом, включение в контур термометра третьего разнородного проводника С не влияет на развиваемую им термо-эдс, если места присоединения проводника имеют одинаковую температуру.

Измерение температуры возможно лишь при постоянной и известной температуре свободного конца t0. В этом случае уравнение (2.2) принимает вид Е (t, t0 ) = f(t). Зависимость развиваемой термопреобразователем термо-эдс от температуры рабочего конца (при нулевой температуре свободных концов t0=0°С (т.е. Е(t,0)=f(t)) называется номинальной статической характеристикой преобразования (НСХ). Она задается в виде таблиц (градуировочных) или формул и обозначается условным символом в русском и международном обозначении. Если температура свободных концов термометра при измерении температуры равна 0°С, то измеряемая температура определяется сразу из градуировочной характеристики (смотри рисунок 2.2), устанавливающей зависимость термо-эдс от температуры рабочего спая.

Чтобы ввести поправку на температуру свободных  концов t0, если t0 ≠ 0, необходимо к термо-эдс, развиваемой термоэлектрическим термометром

 Е (t, t0 ), прибавить Е(t0, 0), чтобы получить значение термо-эдс Е (t, 0 ):

 

Е (t, t0 ) + Е(t0,0) =  Е (t, 0 )                                         (2.8)

 

Такую термо-эдс Е(t,0) развивает термоэлектрический термометр при температуре рабочего спая t и температуре свободных концов 0°С, т. е. при условиях градуировки.

Если в процессе измерения температура свободных концов примет какое-то новое значение t0, то термо-эдс, развиваемая термометром, будет Е (t, t0 ) (рисунок 2.2) и величина поправки на температуру свободных концов будет Е(t0, 0), а термо-эдс, соответствующая условиям градуировки,

  

     Е (t, t0  ) + Е(t0,0) = Е (t, 0 )             (2.9)

 

 

Рисунок 2.2 - Введение поправки на температуру свободных концов

                        термоэлектрического термометра

 

Два любых разнородных проводника могут образовать термопару, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: жаростойкость, жаропрочность, химическая стойкость, воспроизводимость, стабильность, однозначность и линейность градуировочной характеристики, и ряд других.

Термопара - это соединение двух разнородных проводников - электродов. Для практического использования термопары ее электроды должны быть изолированы и помещены в защитную арматуру. Такая конструкция называется термоэлектрическим преобразователем. По определению «термоэлектрический преобразователь» (ТЭП) - это термопреобразователь, действие которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры. Термопара является основным элементом средств измерения температуры - термоэлектрических преобразователей (ТЭП). В таблице 2.2 приведены пределы длительного (кратковременного) применения для различных ТЭП, имеющих следующие обозначения:

 

Таблица 2.2 - Стандартные термоэлектрические преобразователи

 

Подгруппа

ТЭП

Условное обозначение НСХ

Диапазон длительного (кратковременного) применения, °С

Коэффициент преобразования мВ/°С *10 ‾3  

ТВР

ВР(А)-1 (А-1)

ВР(А)-2 (А-2)

ВР(А)-3 (А-3)

0...2200 (2500)

0...1800 (2500)

0... 1800 (2500)

       12,1. ..9,2

11,8. ..11,4

11,9. ..11,3

ТПР

ПР(В)

300. ..1600 (1800)

3,1. -.5,9

ТПП

ПП(S)

ПП(R)

0...1300 (1600)

0...1300 (1600)

5,5. ..12,1

5,4. ..14,1

ТХА

ХА(К)

-200. ..1000 (1300)

16,1. ..39,0

ТХК

ХК (L)

 ХК(Е)

-200... 600 (800)

-200... 700 (900)

28,5. ..87,8

26,3. ..79,8

ТНН

НН(N)

    -270. ..1300 (1300)

0,9. ..36,2

ТМК

МК(T)

-200... 700 (900)

16,4. ..61,7

 ТЖК    

ЖК(J)

-200... 700 (900)

23,1. ..62,0

 

ТВР(А)       — вольфрамрений-вольфрамрениевые;

ТПР(В)       — платинородий-платинородиевые

ТПП(S, R)  — платинородий платиновые;

ТХА(К)      — хромель-алюмелевые;

ТХК(L)      — хромель-копелевые;

ТХК(Е)      — хромель-константановые;

ТHH (N)     — никросил-нисиловые;

ТМК(T)      — медь-константановые;

ТЖК(J)       — железо-константановые.

В обозначениях преобразователей первым указывается положительный

электрод (например, у преобразователя ТХК положительный электрод хромелевый, отрицательный - копелевый). Состав термоэлектродов сильно влияет на значение развиваемой ими термо-эдс. Для оценки значения термо-эдс различных термометров обычно пользуются опытными значениями термо-эдс  металлов и сплавов в паре с чистой платиной. В таблице 2.3 даны значения термо-эдс различных термоэлектродов в паре с платиной при t=100°C, =0°C, а также указана допускаемая конечная температура применения этих материалов. (знак + или – перед термо-эдс означает, что данный термоэлектрод в паре с платиной является положительным или отрицательным.

 

    Таблица 2.3 Характеристики различных материалов в паре с платиной

 

 

Термоэлектрод

 

Состав

 

Термо-эдс,мВ,

при t=100°C, =0°C

Предельная допускаемая температура,°С

Хромель

90%Ni, 10%Cr

2.95

1250

Алюмель

95%Ni, 5%(Al,Si,Mn)

-1,2

1250

Нихром

90% Ni, 20% Cr

2,0

1100

Копель

56%Cu, 44%Ni

-4.0

800

Манганин

84%Cu, 3%Mn,

2%Ni,    1%Fe

0.8

800

Константан

60%Cu, 40%Ni

-3,4

800

Платинородий

90%Pt, 10%Rh

0.64

1600

 

2. 4 Прямой метод измерения термо-эдс. Компенсационный метод измерения термо-эдс

 

2.4.1 Пирометрические милливольтметры

 

В настоящее время для измерения термо-эдс термоэлектрических термо­метров наибольшее распространение получили пирометрические мил­ливольтметры, потенциометры лабораторные и автоматические, а также нормирующие преобразователи.

Пирометрические милливольтметры - приборы магнитоэлектрической системы получили широкое применение для измерения температур в комплек­те с термоэлектрическими термометрами.

Принцип действия милливольтметра основан на взаимодействии тока, проходящего через подвижную рамку прибора, с магнитным полем постоянного магнита. Направление силы, действующей на проводник в магнитном поле, определяется правилом левой руки, а ее значение

                                                                                               (2.10)

где l - длина проводника, м,  В - магнитная индукция, Т,  I - сила тока в проводнике, А. Полюсные наконечники постоянного магнита делаются концентричными с сердечником, расположенным внутри рамки (рисунок 2.3), состоящей из n витков размером ().  Рамка, вращаясь в зазоре между наконечниками и сердечником, всегда располагается параллельно магнитным силовым ли­ниям, так что вращающий момент определяется уравнением

                .                                                   (2.11)

Для того чтобы угол поворота рамки был пропорционален силе проходящего

по ней тока, необходимо приложить к рамке противодействующий момент, пропорциональный углу поворота рамки. Такой момент создается спиральными пружинами (или подвеской), соединенными с осью рамки:

                                                                                                          (2.12)

где С - удельный противодействующий момент, φ - угол поворота рамки.

При прохождении тока рамка с прикрепленной к ней стрелкой начнет поворачиваться до тех пор, пока не будет выполнено условие

                                                                                                         (2.13)

или                                         ,                                                         (2.14)

откуда

                                                .                                                   (2.15)           

Коэффициент S представляет собой чувствительность прибора.

Основными частями милливольтметра являются постоянный магнит с полюсными наконечниками, сердечник из магнитомягкой стали, рамка из большого числа витков (как правило, медной проволоки), скрепленных лаком (смотри рисунок 2.3). Рамка жестко скреплена со стрелкой и образует подвижную систему милливольтметра, которая может поворачиваться вокруг своей оси. Подвод тока к рамке осуществляется через спиральные пружинки, которые одним концом соединены с рамкой, а другим - с неподвижными контактами. Последовательно с рамкой включен добавочный резистор, выполненный из манганина (смотри  рисунок 2.4).

 

                                                              

           Рисунок 2.3                                      Рисунок 2.4

 

Изменение температуры воздуха, окружающего прибор, изменяет сопротивление рамки. При постоянной термо-эдс термометра это приводит к изменению тока, протекающего через прибор, соответствующему изменению его показаний. Температурный коэффициент манганина на два порядка меньше температурного коэффициента меди и составляет около 2*10 ‾5   1/°С.

Оценим температурный коэффициент милливольтметра, состоящего из рамки, выполненной из медной проволоки, и добавочного манганинового резистора (), сопротивление которого равно сопротивлению рамки, т. е.

                                    ,             ,                                       (2.16)

Изменение сопротивления прибора при изменении температуры на Δt составляет

                      ,                 (2.17)

так как », получим          .                                                   (2.18)         

Температурный коэффициент милливольтметра

                                        .                                     (2.19)

В нашем случае  и .

Как правило , поэтому , т.е температурный коэффициент милливольтметров примерно  в (4÷5) раз меньше

температурного коэффициента меди и составляет 0,08÷0,1%  на 1°С.

 

2.4.2           Измерение термо-эдс милливольтметром

 

Термо-эдс термометра однозначно зависит от температуры рабочего спая, если температура свободных концов постоянна.

Рассмотрим возможные причины, вызывающие погрешности при измерении термо-эдс милливольтметром. Показания милливольтметра определяются формулой

                                  ,                                     (2.20)

 

где Е (t, t0 ) - термо-эдс термометра при температурах рабочего конца t и свободного конца t0,  Rмв- сопротивление милливольтметра; Rт -сопротивление термометра, - сопротивление соединительных и удлиняющих проводов, - сопротивление подгоночной катушки.

На рисунке 2.4 представлена схема подключения термоэлектрического термометра к милливольтметру. На схеме термоэлектрический термометр 1 подключается к милливольтметру 2 удлиняющими термоэлектродными 3 и соединительными 4 проводами. Для подгонки сопротивления внешней цепи до градуировочного значения применяется подгоночная катушка. Изменение показаний милливольтметра может возникнуть в результате изменения сопротивления внешней цепи и милливольтметра ().

Чтобы уменьшить влияние изменения сопротивления внешней цепи на показания милливольтметра, необходимо уменьшить сопротивления термометра, соединительных и удлиняющих проводов, чтобы их доля в общем сопротивлении всей цепи термоэлектрический термометр-милливольтметр была незначительной. Для этого термоэлектроды термометра изготавливаются в большинстве случаев из проволоки диаметром 2-3 мм, а удлиняющие и соединительные провода применяют сечением 2-2,5 мм. В этом случае сопртивление внешней цепи не превышает, как правило, 3 - 5 Ом.

Для однозначной зависимости показаний милливольтметра от термо-ЭДС сопротивление всей цепи термометр - милливольтметр должно быть постоянным и равным градуировочному значению. Для обеспечения этого постоянства милливольтметр находится в помещении с меньшими колебаниями температуры, чем у соединительных и удлиняющих проводов, а его сопротивление делается в сотни раз больше, чем сопротивление внешней цепи.

 Внутреннее сопротивление милливольтметра может изменяться от температуры окружающего воздуха. Но температурный коэффициент милливольтметра уменьшен за счет добавочного манганинового сопротивления [формула (2.19)]. Таким образом, изменение сопротивления цепи термометр -милливольтметр, вызываемое изменением температуры окружающей среды, существенно уменьшено, а вместе с ним и уменьшены температурные погрешности измерительной системы термометр-милливольтметр.

В измерительной цепи термоэлектрический термометр — милливольтметр может возникнуть большая погрешность вследствие несоответствия температуры свободных концов термоэлектрического термометра градуиро-вочному значению. Градуировочные характеристики (таблицы) термоэлек­трических термометров составлены для температуры свободных концов 0°С. Если температура свободных концов термометра не равна 0°С, то необходимо вводить поправку на изме­нение термо-ЭДС относительно градуировочного значения [формула (2.8)].

В этом случае часто применяют устройство для автоматического введения поправки на температуру свободных концов. Это устройство (рисунок 2.5) представляет собой мостовую схему, питаемую постоянным током. Три плеча моста  выполнены из манганина, а четвертое - из меди, которое изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. При температуре 0°С мост находится в равновесии. Если температура моста будет отличаться от 0°С, то между вершинами а и b возникнет разность потенциалов - . При этом должно выполняться условие  Резистор  может быть

использован как для корректировки

 


сигнала  так и при необходимости его существенного изменения, например при переходе от одной градуировки термометра к другой. Таким образом, разность  

           Рисунок 2.5                                 потенциалов  изменяется в зави-

                                                                          симости от температуры так же,

как и термо-эдс термометра. Напряжение  равно значению поправки на температуру свободных концов Е(t0,0). Свободные концы термоэлектрического термометра располагаются на зажимах этого устройства, т.е. температура свободных концов термометра и температура устройства равны t0 для того, чтобы  соответствовало именно той поправке, которую надо вводить для данной температуры свободных концов. Устройство для автоматического введения поправки включается последовательно с термоэлектрическим термометром так, чтобы поправка  суммировалась с термо-эдс термоэлектрического термометра. Таким образом, на входе в измерительный прибор сигнал равен Е (t, 0).

 

2.4.3 Компенсационный метод измерения термо-эдс

 

Компенсационный метод измерения основан на уравновешивании измеряемой ЭДС падением напряжения, значение которого может быть определено. На рисунке 2.6 изображен простейший вариант компенсационного метода измерения термо-эдс. Источник термо-эдс Ет подключен к делителю напряжения , питаемому от источника питания Е, таким образом, что падение напряжения на делителе   включено навстречу Ет. Перемещая движок делителя, можно найти положение, когда  =. В этом случае термо-эдс Ет будет уравновешена падением напряжения, ток в цепи источника термо-эдс (например, термоэлектрического термометра) будет отсутствовать и высокочувствительный нуль-гальванометр НГ покажет нуль. Чтобы определить значение термо-эдс Ет, надо определить падение напряжения: . Значение тока I, протекающего в рабочем контуре, может быть определено по показаниям миллиамперметра. На этом примере видно главное преимущество компенсационного метода измерения термо-эдс, заключающееся в том, что результаты измерения не зависят от сопротивления цепи термоэлектрического термометра.

                                                                                 

                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          

            Рисунок 2.6

При измерении термо-эдс милливольтметром сопротивление цепи определяло результаты измерения. Поэтому компенсационный метод измерения принципиально лучше, чем измерение термо-эдс милливольтметром. Однако точность измерения в этом случае не будет существенно выше, чем при измерении милливольтметром, так как классы точности миллиамперметра, которым измеряют ток I в рабочем контуре, и милливольтметра практически одинаковы. Для более эффективного использования преимущества компенсационного метода измерения термо-эдс надо повысить точность определения рабочего тока. Эта задача решается в схеме потенциометра с постоянной силой рабочего тока (смотри  рисунок 2.7).

 

2.4.4           Лабораторные и автоматические потенциометры

 

На рисунке 2.7 изображена упрощенная схема лабораторного потенциометра с постоянной силой рабочего тока. Ее рассмотрение позволяет разобрать основные черты компенсационного метода измерения термо-эдс, которые характерны и для автоматических потенциометров. Схема рассматриваемого прибора содержит три контура: А - рабочего тока I, В- нормального элемента НЭ; С - измеряемого сигнала Е (t, t0 ). В контур рабочего тока входят источник питания ИП, реостат регулировки тока , контрольное сопротивлениеи реохорд . Высокочувствительный гальванометр НП, выполняющий функции нуль-прибора, подключается в положении К переключателя П к цепи нормального элемента, а в положении И - к цепи измеряемого сигнала.

Одним из основных факторов, определяющих высокую точность измерения напряжения, является обеспечение постоянства рабочего тока строго определенного значения. Для контроля за значением рабочего тока используется электрохимический нормальный элемент, который является источником высокостабильной ЭДС, составляющей 1,086 В. Нормальные элементы даже кратковременно нельзя нагружать током более 1 мкА.

Рисунок 2.7

 
 Для установки рабочего тока выполняется операция контроля, при которой замыкается цепь нормального элемента. Ток через нуль-прибор будет отсутствовать , если . При выполнении этого условия рабочий ток составит . Если при операции контроля рабочего тока нуль-прибор показывает наличие тока (), то установка требуемого значения рабочего тока, при котором , производится изменением сопротивления . После установления рабочего тока нуль-прибор подключают к цепи измеряемого сигнала, переместив переключатель «П» в положение «И». Реохорд служит делителем напряжения. Если движок реохорда находится в крайнем левом положении, то m = 0, и снимаемый с реохорда сигнал , в крайнем правом положении m = 1 и снимаемый с реохорда сигнал составит . При произвольном положении движка реохорда этот сигнал составляет .

С движком реохорда связана показывающая стрелка, что позволяет при известном токе I шкалу потенциометра проградуировать в мВ. При измерении напряжения ток через нуль-прибор будет отсутствовать (), если Е (t, t0 ) = . В противном случае, если , то перемещают движок реохорда в такое положение, при котором выполняется равенство  и Е (t, t0 ) =. Последнее уравнение называют уравнением компенсации. В момент компенсации нет тока в цепи источника измеряемого сигнала, из чего следует:

-отсутствие влияния внешнего сопротивления

-бесконечно большое входное сопротивление потенциометра в момент компенсации сигналов.

Автоматические потенциометры типа КСП предназначены для автоматического измерения термо-эдс преобразователей компенсационным методом. Измеряемая термо-эдс компенсируется (уравновешивается) напряжением между точками а и b измерительной схемы (рисунок 2.8):

t

 
Е (t, t0 ) = . Основным элементом измерительной схемы потенциометра является реохорд - проволочный резистор строго определенного сопротивления (обычно 90 Ом), равномерно распределенного на длине, равной длине шкалы потенциометра (например, 100 мм у КСП1 и 160 мм у КСП2). По реохорду реверсивным двигателем

                       Рисунок 2.8                             РД передвигается движок, жестко  

                                                                        сочлененный со стрелкой, перемещающийся вдоль неподвижной шкалы. Через реохорд пропускается постоянный ток от стабилизированного источника ИПС. Точка а является точкой контакта движка с проволочной намоткой реохорда. Поскольку через реохорд проходит ток, то потенциал точки а будет зависеть от положения движка, т.е. от поло­жения стрелки на шкале. Например, при смещении движка справа налево потенциал точки а уменьшается (так как движение осуществляется по направлению тока ).

  

3 Лекция. Термометры сопротивления. Мостовые и потенциометри

ческий методы измерения сопротивлений термометров сопротивления.

 

3.1 Общие сведения

 

Принцип действия термометров сопротивления основан на способности различных материалов изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры

                                                                                             (3.1)

Параметр, характеризующий изменение электрического сопротивления с температурой, называют температурным коэффициентом электрического сопротивления

                                                                          (3.2)

 

где  и  — сопротивление при тем­пературе t и 0°С.

Для большинства чистых металлов температурный коэффициент находится в пределах . У сплавов этот коэффициент мал и, в некоторых случаях приближается к нулю (для манганина составляет). Для полупроводниковых материалов температурный коэффициент отрицательный и на порядок больше, чем у металлов.

Простейший комплект термометра сопротивления состоит из термопреобразователя сопротивления (ТС), вторичного прибора (ВП) для измерения сопротивления и соединительной линии (ЛС) между ними (она может быть двух, трех или четырехпроводной). В качестве вторичного прибора обычно используются аналоговые или цифровые приборы, логометры. Шкалы вторичных приборов градуируются в градусах Цельсия.

Материалы, применяемые для изготовления термопреобразователей сопротивления (ТС), должны отвечать тем же обязательным требованиям, которые предъявляются к материалам, идущим на изготовление термоэлектрических преобразователей. В настоящее время ТС могут изготавливаться из платины (обозначение ТСП), из меди (обозначение ТСМ) или никеля (обозначение ТСН).

По допускаемым погрешностям ТС подразделяются на три класса - А, В, С, при этом платиновые ТС обычно выпускаются классов А, В, медные - классов В, С. Существует несколько стандартных разновидностей ТС. Номинальной статической характеристикой (НСХ) ТС является зависимость его сопротивления R, от температуры = f(t)

 

3.2 Конструкция  термопреобразователей сопротивления и их виды

 

Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов, получившие наибольшее распространение, изготавливают обычно из тонкой проволоки в виде намотки на каркас или спирали внутри каркаса. Такое изделие называется чувствительным элементом ТС. Для предохранения от повреждений чувствительный элемент помещают в защитную арматуру. Достоинством металлических ТС является высокая точность измерения температуры (при невысоких температурах выше, чем у термоэлектрических преобразователей), а также взаимозаменяемость. Металлы для чувствительных элементов (ЧЭ) должны отвечать требованиям, основными из которых являются требования стабильности градуировочной характеристики и воспроизводимости. Желательно также выполнение дополнительных условий: высокий температурный коэффициент электрического сопротивления, линейность градуировочной характеристики = f(t), большое удельное сопротивление, химическая инертность.

Чувствительный элемент (ЧЭ) металлического термометра сопротивления состоит из проволоки или ленты, которая намотана на каркас из стекла, кварца, керамики, слюды или пластмассы. От чувствительного элемента идут выводы к зажимам головки термометра, к которым подсоединяются провода, идущие затем к измерительному прибору. Вариант устройства термометра сопротивления приведен на рисунке 3.1. Чувствительный элемент термометра сопротивления выполняется в виде спирали из проволоки 1, помещенной в четырехканальный керамический каркас 2. Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия измеряемой или

 

 

 

 

 

 

 

  Рисунок 3.1

 

 

 

 

Рисунок 3.2

окружающей среды (ЧЭ) помещен в защитную оболочку 3, которая уплотнена керамической втулкой 4. Выводы 5 чувствительного элемента проходят через изоляционную керамическую трубу 6. Все это находится в защитном чехле 7, установленном на объекте измерения с помощью резьбового штуцера 8. На конце защитного чехла располагается соединительная головка 9 термометра. В головке находится изоляционная колодка 10 с винтами 11 для крепления выводов термометра и подключения соединительных проводов. Головка закрывается крышкой. Соединительные провода выводятся через штуцер. Длина платиновых ЧЭ обычно равна 50... 100 мм при диаметре 3...6 мм.

Чувствительный элемент платиновых термометров состоит из двух или четырех платиновых спиралей 1, расположенных в капиллярных каналах керамического каркаса 2 (смотри рисунок 3.2). Каналы каркаса заполняются керамическим порошком 3, который служит изолятором и создает подпружинивание спиралей. К концам спиралей припаяны выводы 4 из платиновой или иридиево-родиевой проволоки. Чувствительный элемент в керамическом каркасе герметизируется специальной глазурью 5.

Платиновые термопреобразователи сопротивления (ТСП) могут иметь следующие сопротивления при 0°С: 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом, и поэтому имеют следующее обозначение номинальных статических характеристик 1П, 5П, 10П, 50П, 100П и 500П. ТСП используются для измерения температуры в интервале (-260... 1100) °С и являются наиболее распространенным типом ТС. (В эксплуатации находятся термометры с= 46 Ом, обозначаются гр.21)

Недостатком платиновых ТС является нелинейность статической характеристики, особенно в области высоких и отрицательных температур, возможность загрязнения платины при высоких температурах, подверженность воздействию восстановительных и агрессивных газов. В интервале температур (0...600) °С зависимость сопротивления от температуры описывается нелинейным выражением     

                                                      .                                         (3.4)

Медные термопреобразователи сопротивления (ТСМ) применяются для длительного измерения температуры в интервале от -200 до 200 °С. Достоинством меди как материала для ЧЭ является дешевизна, возможность получения в чистом виде, хорошая технологичность, линейность зависимости сопротивления от температуры. Статическая характеристика преобразования у ТСМ описывается уравнением , где α - температурный коэффициент, равный , - сопротивление ТСМ при 0°С. Линейность статической характеристики является достоинством меди, а ее недостатком - интенсивная окисляемость, что ограничивает диапазон применения ТСМ температурой 200 °С. Проволока может покрываться либо эмалью, либо другой изоляцией. Чувствительный элемент медного ТС состоит из медной изолированной проволоки диаметром 0,1 мм.

ТСМ должны иметь номинальное сопротивление при 0 °С, равное 10, 50, 100 Ом, при этом номинальные (т.е. идеальные) статические характеристики преобразования (НСХ) условно обозначаются 10М, 50М, 100М (таким образом, в обозначении НСХ цифра - это сопротивление ТС при 0 °С в Омах, буква - обозначение материала - медь). Для всех разновидностей ТСМ аналитическое выражение НСХ одинаково: .Медные ТС обычно выпускаются с классами допуска В и С (в эксплуатации находятся термометры с= 53 Ом, обозначаются гр.23).

Кроме металлов для изготовления термометров сопротивления применяют также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси. Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и также очень большим удельным сопротивлением. Поэтому можно изготавливать очень малые по размерам чувствительные элементы ТС, обладающих значительным коэффициентом преобразования. Зависимость сопротивления полупроводникового термопреобразователя (терморезистора) от температуры может быть описана выражением

                                                                                     (3.5)

Значениеопределяется сопротивлением термометра при температуре (20°С), а значение В зависит от материала полупроводника, из которого изготовлен термометр. Терморезисторы  используются для измерения температур в интервале  (-100…300 °С). Их достоинства – высокое значение ТКС (на порядок больше, чем у металлов), малая тепловая инерция. Недостатками являются нелинейность номинальной статической характеристики, нестабильность статической характеристики. Они используются в целях температурной компенсации и сигнализации, где не предьявляются высокие требования к точности измерения температуры.

 

3.3 Средства измерения и преобразования термосопротивлений

 

К измерительным приборам

 
Подпись:  
Рисунок 3.3

При измерении температуры термометрами сопротивления возникает необходимость измерения сопротивлений термометра, который подсоединяется к измерительному прибору соединительными проводами. Поэтому сопротивление, подключенное к измерительному прибору, больше, чем сопротивление термометра. Чтобы исключить или уменьшить влияние этого дополнительного сопротивления на резуль­таты измерения, используют различные способы. Различают двух-, трех- и четырехпроводные схемы подсоединения термометров

б)

 

в)

 

а)

 
сопротивления к измерительному прибору (смотри рисунок 3.3 а, б, в)-соответственно.

 

 

Для измерения сопротивления термопреобразователей использу­ются три метода:

- потенциометрический - по  падению  напряжения  на  ТС,  создаваемому  известным рабочим током

- мостовые методы измерений, - с использованием логометров.

3.3.1 Потенциометрический метод измерения сопротивлений

 

Суть метода легко пояснить схемой измерения с использованием образцового резистора  с известным сопротивлением  (смотри рисунок 3.4). С помощью потенциометра ИП измеряется падение напряжения  на термопреобразователе и напряжение  на образцовом резисторе . По значению  можно определить ток I=/, а зная ток можно определить сопротивление термопреобразователя  = (/).

 

Рисунок 3.4

 

 

 

 

 
Такой метод используется для точного измерения температуры. При измерении  потенциометром показания снимаются при ком­пенсации измеряемого напряжения внутренним напряжением прибора, известным с высокой точностью. При компенсации этих

                                      напряжений в соединительных проводах 3, 4 ток

                                      отсутствует. Это позволяет исключить влияние подводящих проводов на результат измерения сопротивлений. При этом методе измерения сопротивлений используются термопреобразователи с четырьмя выводами от одного чувствительного элемента (смотри рисунок 3.4).

 

3.3.2 Мостовые методы измерения сопротивления

 

Одними из наиболее распространенных средств измерения сопротивления являются мостовые. Простейшая схема четырехплечного моста изображена на рисунке 3.5. Схема содержит резисторы, источник питания  и измерительный прибор (ИП). При анализе мостовых схем следует пользоваться общепринятой терминологией. Точки а и b, к которым в параллельной цепи подводится напряжение питания, образуют диагональ питания. Точки с и d, с которых напряжение  снимается на измерительный прибор, образуют измерительную диагональ. Точки а, b, с, d называются вершинами моста.

Рисунок 3.5

 

 

 

 

 
Резисторы между двумя соседними вершинами - образуют плечи моста, - резистор, сопротивление которого нужно измерить. Плечи, не имеющие общих вершин, называются противолежащими. В данном случае это резисторы , и ,  и . Плечи, имеющие общую вершину, называются смежными

                                                    (прилежащими). Плечи могут состоять из многих резисторов, включенных различными способами, резисторы могут входить и в диагонали. Плечи моста могут быть образованы не только активными сопротивлениями, но и индуктивными, емкостными или их сочетаниями. Типовой схемой является включение переменного резистора в качестве корректора нуля в одну из вершин моста, например, между  и .

 

Уравновешенные мосты. Мосты подразделяются на уравновешенные и неуравновешенные. Состояние моста, при котором =0, называется равновесным состоянием, а мост в таком состоянии называется уравновешенным. Этот метод измерения сопротивлений является разновидностью компенсационного (нулевого) метода измерений. Для уравновешивания моста при изменениях  используется известное переменное сопротивление. На схеме уравновешенного моста (рисунок 3.5) это магазин сопротивлений . При  = 0 и  = 0, через  и  протекает один и тот же ток , а через ,- ток, тогда  =  и  = . Разделив эти равенства, получим /=/ или

                                                                       =                                       (3.6)

Из (соотношения 3.6) следует, что            =/                                      (3.7)

Уравнение (3.7) определяет положительные стороны измерения сопротивления с помощью уравновешенного моста: независимость результата измерения от напряжения питания; линейная зависимость от; измерительный прибор выполняет только функции чувствительного нуль-прибора (НП), фиксирующего отклонение напряжения измерительной диагонали от нулевого значения.

При нарушении условия равновесия мост становится неуравновешенным, напряжение небаланса  растет с увеличением разности произведений сопротивлений противоположных плеч и ростом напряжения питания моста. На рисунке 3.6-а приведена двухпроводная схема подключения ТС. Термосопротивление =, которое удалено от моста и соединено с ним двумя протяженными проводами с сопротивлением  для каждого. В этом случае выражение (3.6) можно записать (2) =    откуда   получим

                       / −2.                           (3.8)

Однако при изменении температуры окружающей среды  будет изменяться, что приводит к дополнительной погрешности. Для ее снижения используется трехпроводная схема подключения ТС (рисунок 3.6-б). Для перехода к трехпроводной линии необходимо один из зажимов источника питания третьим проводом соединить с зажимом . Переход от двух- к трехпроводной линии осуществ-   ляется следующим образом: нужно источник питания отключить от точки а на рисунке 3.6-а и третьим проводом подключить его к точке е на рисунке 3.6-б.

Рисунок 3.6

 

 

 

 

 
 

 


 Перенос диагонали питания приводит к изменению плеч моста, условия равновесия и уравнения измерения (3.8):

              () = (+),

                                                   / + /                       (3.9)

в случае =, получим  =, влияние сопротивления линий будет отсутствовать. Упрощенная схема автоматического уравновешенного моста приведена на рисунке 3.7. Уравновешивание моста при изменениях производится автоматически реверсивным двигателем,

Рисунок 3.7

 

 

 
 

 


перемещающим движок реохорда. При любом изменении измеряемой температуры t движок m устанавливается в новое положение равновесия автоматической системой следящего уравновешивания, состоящей из усилителя УС, двигателя Д и кинематической связи от двигателя к движку (условно показана штрихом).

В неуравновешенных мостах напряжение измерительной диагонали изменяется с изменением измеряемого сопротивления, и плечи моста не содержат уравновешивающих элементов. Неуравновешенные мосты широко используются в различных типах преобразователей неэлектрических величин. Мост на рисунке 3.8 будет неуравновешенным, если три его плеча образованы резисторами с постоянным сопротивлением, а в четвертое плечо вклю­чен измеряемый резистор  (в мостовых измерительных схемах термометров это ). При постоянном напряжении  с изменением сопротивления  изменяется напряжение  в измерительной диагонали. По известной градуировочной характеристике =f() можно определить значение. При необходимости шкала измерительного прибора ИП (например, милливольтметра) может быть отградуирована в единицах сопротивления, температуры или другой величины.

Рисунок 3.8

 

 

 

 

 
На значение выходного напряжения моста влияют не только сопротивления плеч, но так же сопротивление диагонали питания  (включая внутреннее сопротивление источника) и измерительной диагонали (включая входное сопротивление измерительного прибора). Недостатками неуравновешенного моста являются: нелинейная статическая характеристика

=f(), зависимость от напряжения.

 

3.4 Логометры

 

Магнитоэлектрический логометр является одним из средств измерения, применяемых в комплекте с техническими ТС для измерения температуры. Принцип действия логометра основан на измерении отношения токов в двух электрических цепях. В одну из них включен ТС, а в другую - резистор с постоянным сопротивлением. На рисунке 3.9 представлена схема магнитоэлектрического логометра, состоящего из двух рамок: компенсирующей 1 и рабочей 2, жестко скрепленных друг с другом и со стрелкой 3 и помещенных в воздушном зазоре между полюсными наконечниками 4 и 5 постоянного магнита.6 и сердечника 7.

Обе рамки логометра питаются от одного источника постоянного тока Е и включены таким образом, что их вращающие моменты направлены навстречу друг другу. Значения вращающихся моментов  могут быть определены из выражения (310):

                                                (3.10)

                                              (3.11)

При равенстве вращающих моментов  ,

с учетом     .        можно записать  или                            (3.12)

 

Обе ветви электрической цепи питаются паралелльно от одного источника питания Е. В сопротивление одной из ветвей входят сопротивление рамки  и сопротивление добавочного резистора . Ток в этой ветви   = E/(+)

Сопротивление другой ветви состоит из сопротивления второй рамки , сопротивления добавочного резистора  и сопротивления термометра . Ток во второй ветви   = E/(++). Отношение токов

,                                               (3.13)

Если сопротивления  остаются постоянными, то можно записать

     или      .                                 (3.14)

Таким образом, угол поворота подвижной системы, при котором моменты будут равны (положение равновесия системы), зависит от сопротивления термометра и не зависит от напряжения питания.

  

4 Лекция. Измерения температуры по их излучению

 

Содержание лекции: Яркостные, радиационные и цветовые пирометры. Термометры специального назначения. Погрешности бесконтактных методов измерения температуры.

 

4.1 Краткие сведения по теории измерения температуры тел по тепловому излучению

 

Все тела излучают электромагнитные волны различной длины λ. Если излучение какого-либо тела падает на другое тело, то оно может полностью или частично отражаться от поверхности, поглощаться телом, проходить через тело. Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом. Отношение  спектральной  энергетической  яркости  любого  источника теплового излучения  к спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела при одной и той же длине волны λ и температуре Т называется спектральным коэффициентом излучения (спектральная степень черноты)

                                                              ε=/.                                           (4.1)

Полная (интегральная) энергетическая яркость тела  при температуре Т может быть определена по спектральной энергетической яркости при интегрировании по всему диапазону длин волн

                                                                                                       (4.2)

Отношение полной энергетической яркости  любого источника теплового излучения к полной энергетической яркости  абсолютно черного тела при той же температуре называется полным коэффициентом излучения (интегральной степенью черноты):

                                                               ε=/.                                          (4.3)

Интенсивность теплового излучения реальных тел зависит от физической природы тела и коэффициента излучения (степени черноты), значение которого определяется температурой и состоянием поверхности. Значение коэффициента излучения изменяется при измене­нии состояния поверхности и температуры, поэтому пирометры излучения градуируются по абсолютно черному телу, для которого ε=ε=1. При измерении температуры реальных тел, пирометры оценивают некоторую условную температуру. Действительная температура тела рассчитывается по пересчетным формулам с использованием значения коэффициента излучения. В современных пирометрах такой пересчет осуществляется автоматически.

По используемому методу измерения пирометры подразделяются на группы:

- монохроматические (квазимонохроматические);

- полного излучения и частичного излучения;

- спектрального отношения.

 

4.2 Монохроматические пирометры

 

Монохроматические пирометры (иногда называют оптическими или визуальными) воспринимают излучение в узком диапазоне длин волн, что оно считается монохроматическим (обычно это излучение красной части спектра с А. = 0,65 мкм). Этот участок спектра выделяется светофильтром в сочетании с кривой спектральной чувствительности измерения. В этом случае зависимость энергетической яркости тела от температуры описывается уравнением Планка

                                                                                        (4.4)

где С12 - первая и вторая физические константы излучения, λ- длина волны, м;

T- абсолютная температура, К.

Для малых значений λT < 2 формула Планка (4.4) может быть заменена формулой Вина:

                                                     .                                (4.5)

 

Для больших значений λT > 0,2  формула Планка может быть заменена формулой Релея-Джинса:

                                                           .                                       (4.6)

В монохроматическом (квазимонохроматическом) пирометре температура тела определяется по спектральной энергетической яркости излучения при определенной длине волны λ. Пирометры градуируются по излучению черного тела и при измерении он покажет температуру абсолютно черного тела Тя, при которой спектральные энергетические яркости реального тела  и абсолютно черного тела  будут равны. Условная температура Тя называется яркостной температурой тела.

Яркостной температурой Тя называется условная температура реального тела, численно равная такой температуре абсолютно черного тела, при которой спектральные энергетические яркости абсолютно черного тела при температуре Тя и реального тела  при температуре T равны.  с учетом (4.1) и (4.5) запишем

                                                 .                             (4.7)

 

После преобразований получим                                             (4.8)

где λ - используемая длина волны излучения, мкм; С2 = 14388 мкм-К (константа излучения), ε- коэффициент излучения на длине волны λ .

Из определения яркостной температуры, а также из выражения (4.8) видно, что для реальных тел яркостная температура всегда меньше действительной, так как ε< 1. Выражение (4.8) устанавливает связь между действительной температурой тела Т и яркостной температурой Тя, показываемой пирометром. Из формулы видно, что для определения действительной температуры тела по яркостной температуре необходимо знать длину волны λ и коэффициент теплового излучения ε.

Рисунок 4.1

 

 

 

 

 
Принципиальная схема квазимонохроматического пирометра с исчезающей нитью представлена на рисунке 4.1. Излучение от объекта измерения 1 проходит через объектив 2 и фокусируется в плоскости 3. В этой же плоскости расположена нить пирометрической лампы 4. Изображе-

                                                                      ние объекта измерения и нити пирометрической лампы видны наблюдателю 6 через окуляр 5. Между нитью пирометрической лампы и окуляром располагается красный светофильтр 7. Между объективом и нитью пирометрической лампы может вводиться поглощающее стекло 8. Для изменения накала нити примеряется электронный блок 9, который изменяет ток, проходящий через нить пирометрической лампы. Значение тока измеряется цифровым индикатором, отградуированным в значениях яркостной температуры.

Для монохроматизации (выделения определенной длины волны) излучения в пирометре устанавливается светофильтр. В принципе он может быть любого цвета (например, красный, зеленый, синий). Обычно применяется красный светофильтр, так как у излучающего тела при низких температурах большая доля энергии приходится на длинноволновый участок спектра. Кроме того, человеческий глаз воспринимает больше оттенков красного цвета, что позволяет более тщательно устанавливать равенство яркостей объекта и нити пирометрической лампы.

Процесс измерения сводится к изменению наблюдателем накала нити пирометрической лампы (рисунок 4.1), а значит, и ее яркости до тех пор, пока глаз наблюдателя не перестанет различать нить пирометрической лампы на фоне объекта измерения (нить «исчезает»). И в этот момент производят отсчет значения температуры.

Одной из основных составляющих погрешности измерения температуры монохроматическими пирометрами излучения является погрешность за счет неопределенности коэффициента теплового излучения измеряемого тела. Монохроматический коэффициент εдля одного и того же тела в зависимости от состояния поверхности может различаться в 2-3 раза. Отклонение от действительного значения εможет достигать ±(10...20) %. Предел допускаемой основной погрешности измерения яркост­ной температуры изменяется в пределах ±14 °С (при температуре 800 °С) до ± 80 °С (при температуре 4000 °С).

 

 

4.3 Пирометры полного излучения и частичного излучения

 

Пирометры полного излучения (обычно называются радиационными) воспринимают излучение в широком спектральном интервале. Зависимость интегральной энергетической яркости от температуры  описывается законом Стефана-Больцмана, связывающим энергию излучения абсолютно черного тела с его температурой. Эту зависимость можно получить, интегрируя функцию Планка по длинам волн от нуля до бесконечности:

                                      ,                        (4.9)

В пирометре полного излучения температура тела определяется по интегральной энергетической яркости излучения. Для реального тела, действительная температура которого равна Т,К интегральная энергетическая яркость будет . Пирометр градуировался по излучению черного тела и при измерении он покажет температуру абсолютно черного тела Т0, при которой интегральные энергетические яркости реального тела и абсолютно черного тела будут равными . Радиационной температурой называется условная темпера­тура реального тела, численно равная такой температуре абсолютно черного тела, при которой  интегральные энергетические яркости реального и абсолютно черного тела равны. С учетом (4.3), запишем

.                                                 (4.10)

Исходя из (4.9)      ,    получим                                   (4.11)                                                 

Для реальных тел радиационная температура всегда меньше действительной, т.к. для реальных тел ε< 1. Для определения действительной температуры Т по радиационной температуре тела необходимо знать только значение интегрального коэффициента излучения ε. Погрешность определения Δε составляет ±(10...20) , иногда доходит до ±50 %.

Пирометрические преобразователи полного излучения входят в агрегатный комплекс пирометров излучения АПИР-С и могут использоваться для измерения радиационных температур поверхностей в диапазоне (30...2500) °С.

Принципиальная схема пирометра с термобатареей приведена на рисунке 4.2. Излучение от измеряемого тела 1 поступает на объектив (линзу) телескопа 2 и через диафрагму 3 фокусируется на горячих спаях термобатареи 4, заключенной в специальную колбу. Термо-эдс батареи

Рисунок 4.2

 

 

 

 

 
                                                                     поступает на вход вторичного измери-

                                                                     тельного преобразователя (ПВ-0) 5.

Для визирования первичного преобразователя на объект измерения служит окуляр 6 и диафрагма 7, через которые наблюдатель 8 осуществляет визирование. На практике трудно осуществить приемник излучения, который поглощал бы излучение всех длин волн от 0 до ∞. Поэтому часто применяются

пирометры с приемниками, воспринимающими излучение в ограниченном интервале длин волн (более узком, чем у пирометров  полного излучения). Пирометр, действие которого основано на зависимости энергетической яркости излучения от температуры в ограниченном интервале длин волн, называется пирометром частичного излучения.

 

4.4 Пирометры спектрального отношения

 

Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости от температуры тела отношения спектральной энергетической яркости для двух фиксированных длин волн, называется пирометром спектрального отношения (цветовым).

В пирометре спектрального отношения температура тел опреде­ляется по отношению спектральных энергетических яркостей для двух длин волн. Так как пирометр градуировался по излучению черного тела, то он покажет тем­пературу абсолютно черного тела , при которой отношение спек­тральных энергетических яркостей реального тела будут равны:

.                                          (4.12)

Цветовой температурой  называается условная температура реального тела численно равная такой температуре абсолютно черного тела, при которой отно

шение спектральных энергетических яркостей абсолютно черного тела при длинах волн равно отношению спектральных энергетических яркостей при тех же длинах волн реального тела с температурой Т.    С учетом (4.12) и (4.5) получим

                   и           .                                  (4.13)

При определении действительной температуры Т по ее цветовой температуре , показываемой пирометром, необходимо знать длины волн , при которых вычисляется отношение спектральных энергетических яркостей и отношение коэффициен­тов излучения. При оценке отношения ошибка меньше, чем при определении каждой величины отдельно, их отношение изменяется незначительно. Поэтому изменение показаний цветового пирометра будет незначительно. Кроме того, отличие цветовой температуры от действительной также незначительно.

На рисунке 4.3 представлена упрощенная блок-схема пирометра спектрального отношения «Спектропир». В качестве приемников излучения используются германиевые и кремневые фотодиоды 1 и 2. Разделение поступающего от объекта потока излучения осуществляется светоделительным фильтром 3. Каждый из фотодиодов включен свой измери-

Рисунок 4.3

 

 

 

 

 
                                                           тельный канал с предварительными

                                                           усилителями 4 и 5. Сигналы с обоих усилителей поступают в устройство преобразования УП, в котором производится вычисление отношения сигналов от фотодиодов. В УП размещены также блоки унифицированных сигналов  (токовых или напряжения).

Достоинствами методов измерения температуры тел по излучению являются:

-все методы измерения могут измерять температуру на расстоянии бесконтактным способом и поэтому не искажают температурного поля объекта измерения,

-верхний предел измерения некоторых пирометров излучения не ограничен,

-все методы очень чувствительны.

Недостатком является, что все бесконтактные методы при измерении температуры реальных тел дают значения условной температуры (яркостной, цветовой, радиационной), а не действительной температуры тела.

В общем случае наименьшее отклонение от действительной имеет цветовая температура, а наибольшее - радиационная:

 .                                 (4.14)

Основной источник погрешности измерения действительной тем­пературы тела пирометрами излучения - большая погрешность в оценке коэффициента излучения. Эта погрешность наибольшая у пирометров полного излучения и наименьшая - у пирометров спектрального отношения.

 

5 Лекция. Измерение давления, разности давлений

 

Содержание лекции: Общие сведения и единицы давления. Жидкостные приборы для измерения давления и перепадов давления. Деформационные приборы для измерения давления. Разновидности, свойства и характеристики упругих элементов. Электрические методы измерения давления. Грузопоршневые манометры (для самостоятельного изучения)

 

5.1 Общие сведения

 

Давлением жидкости или газа, пара называют, действующую со стороны одного тела на единицу поверхности другого, направленную по нормали.

Давление, характеризует внутреннюю энергию среды и является одним из основных параметров состояния .

Единица измерения давления в системе СИ 1Па=1(Н/м2), равный давлению, создаваемому силой в один ньютон, действующей на площадь в один квадратный метр (Н/м2). Широко применяются кратные единицы кПа и МПа. Используются внесистемные единицы: килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2) и квадратный метр (кгс/м2), бар., атм., мм вод.ст., мм рт.ст.

 

 1 кгс/см = 0,98 Па

 1 кгс/м2    = 1 мм вод.ст  =  9,8 Па

 1 атм = 760 мм рт.ст. = 0,1 МПа

 1 мм рт.ст. = 133,3 Па

 1 бар = Па

 

При измерениях различают атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуумметрическое и полное давление.

- атмосферное (барометрическое) давление зависит от высоты, географической широты, метеорологических условий  Pбар;

- избыточное  давление (превышение давления среды над атмосферным) Pцзб;

- под абсолютным давлением Pа понимают давление, которое равно сумме - атмосферного давления  и избыточного     Pа  =   Pбар  + Pцзб ;

- вакуумметрическое давление-давление ниже атмосферного(разрежение) Pв ;

- полное давление ;

- статическое давление (может быть атмосферным, вакуумметрическим, избыточным);

- динамическое давление зависит от скорости движения потока при средних скоростях       .

Средства измерения, предназначенные для измерения давления и разности давлений, называются манометрами. Последние подразделяются на барометры, манометры избыточного давления, вакуумметры и манометры абсолютного давления в зависимости от измеряемого ими соответственно атмосферного, избыточного, вакуумметрического и абсолютного давлений. Манометры, предназначенные для измерения давления или разрежения в диапазоне до 40 кПа (0,4 кгс/см2), называются напоромерами и тягомерами. Дифференциальные манометры применяются для измерения разности давлений.

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической величины, средства измерения давления разделяются на жидкостные, деформационные, электрические, ионизационные, тепловые и грузопоршневые.

Устройство перечисленных приборов давления разнообразно. Среди них можно выделить пять основных групп измерительных приборов и преобразователей: механические, с дифференциально-трансформаторными преобразователями, с компенсацией магнитных потоков, с силовой компенсацией и с тензопреобразователями. Каждая из групп при общей элементной базе и установочных размерах обеспечивает измерение и преобразование давления в унифицированный сигнал в пределах, регламентируемых соответствующими ГОСТами.

 

5.2 Жидкостные манометры и дифманометры

 

В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними.

Для жидкостных манометров величиной, характеризующей измеряемое  давление, служит высота столба (уровень) уравновешивающей жидкости в стеклянной измерительной трубке. Уравновешивающей жидкостью служат – ртуть, дистиллированная вода, этиловый спирт, трансформаторное масло и др. Жидкостные манометры бывают  двухтрубные (U-образные) и однотрубные (чашечные). Эти приборы используются в лабораторной практике и в некоторых отраслях промышленности.

Двухтрубные манометры. Для измерения давления и разности давлений используют двухтрубные манометры и дифманометры с видимым уровнем, часто называемыми (U-образными). Принципиальная схема такого манометра представлена на рисунке 5.1, а. Две вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки 1, 2 закреплены на металлическом или деревянном основании 3, к которому прикреплена шкальная пластинка 4. Трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки. В трубку 1 подается измеряемое давление, трубка 2 сообщается с атмосферой. При измерении разности давлений к обеим трубкам подводятся измеряемые давления. Столб жидкости высотой h, м,  уравновешивает разность давлений

                                 ,                                              (5.1)

 где ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м3; g- местное ускорение свободного падения, м/с2.

В жидкостных манометрах функции чувствительного элемента, воспринимающего изменения измеряемой величины, выполняет рабочая жидкость, выходной величиной является разность уровней, входной - давление или разность давлений. В соответствии с выражениями (5.1) крутизна статической характеристики зависит от плотности рабочей жидкости. С увеличением плотности чувствительность (коэффициент преобразования) снижается, поскольку

.


б)


                                           Р2                                                                                          Р2


Рисунок 5.1 - Схемы двухтрубного (а) и однотрубного (б) манометра:

 


Высота столба h определяется как сумма высот  и . Удвоение высоты  либо  недопустимо, так как из-за непостоянства внутреннего сечения стеклянных трубок 1, 2 высоты ,  могут различаться. Для исключения влияния капиллярных сил в манометрах используются стеклянные трубки с внутренним диаметром 8... 10 мм. Если рабочей жидкостью служит спирт, то внутренний диаметр трубок может быть снижен.

Двухтрубные манометры с водяным заполнением применяются для измерения давления, разрежения, разности давлений воздуха и неагрессивных газов в диапазоне до ±10 кПа. Заполнение манометра ртутью измерения расширяет пределы до 0,1 МПа, при этом измеряемой средой может быть вода, неагрессивные жидкости и газы.

Однотрубные манометры. Для повышения точности отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные) манометры (рисунок 5.1, б). У однотрубного манометра одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряемых давлений. Под действием давления часть рабочей жидкости из широкого сосуда перетекает в измерительную трубку. Поскольку объем жидкости, вытесненный из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившему в измерительную трубку

                                                                                                (5.3)

где f, F- площади поперечного сечения измерительной трубки и широкого сосуда. При f « F,  « , и если F/f ≥ 400, то при измерениях учитывают только изменение уровня в измерительной трубке, а изменением уровня в широком сосуде пренебрегают. Если для повышения точности измерения необходимо учесть это изменение, то шкала градуируется в единицах давления в соответствии с уравнением  

                             .                                    (5.4)

Измерение в однотрубных манометрах высоты только одного столба рабочей жидкости приводит к снижению погрешности считывания, которая с учетом погрешности градуировки шкалы не превышает ± 1 мм при цене деления 1 мм. Другие составляющие погрешности, обусловленные отклонениями от расчетного значения ускорения свободного падения, плотности рабочей жидкости и среды над нею, температурными расширениями элементов прибора, являются общими для всех жидкостных манометров.

У двухтрубных и однотрубных манометров основной погрешностью является погрешность  считывания разности уровней. При одной и той же абсолютной погрешности приведенная погрешность измерения давления снижается при увеличении верхнего предела измерения манометров. Минимальный диапазон измерения однотрубных манометров с водяным заполнением составляет 1,6 кПа (160 мм вод. ст.), при этом приведенная погрешность измерения не превышает ±1 %. Конструктивное выполнение манометров зависит от статического давления, на которое они рассчитаны.

Рисунок 5.2

 

 

 

 

 
Микроманометры. Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа (300 кгс/м2), используются микроманометры, которые являются разновидностью однотрубных манометров.Наиболее распространенные лабораторные микроманометры - это микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой

                                                          (рисунок 5.2).Показания микроманометра

определяются по длине столбика рабочей жидкости n в измерительной трубке l, имеющей угол наклона α. На рисунке 5.2 кронштейн 3 с измерительной трубкой 1 крепится на секторе 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют к = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 и пять диапазонов измерения прибора от 0,6 кПа (60 кгс/м2) до 2,4 кПа (240 кгс/м2). Приведенная погрешность измерений не превышает 0,5%. Минимальная цена деления при к = 0,2 составляет 2 Па (0,2 кгс/м2). Исходя из равенства объемов рабочей жидкости, вытесненной из широкого сосуда 2 в измерительную трубку 7, получаем

              ,                                            (5.5)

где - изменение уровня в широком сосуде; F, f - площади поперечного сечения широкого сосуда и трубки.

Поскольку     , то ,            (5.6)

Обозначим    ,             получим       .                            (5.7)

5.3 Деформационные манометры

 

а)

Рисунок 5.3 - Упругие чувствительные элементы:

а - трубчатые пружины, б - сильфоны, в, г - плоские и гофрированные

мембраны, д - мембранные коробки, е - вялые мембраны с жестким центром

В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Деформация или сила преобразуются в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержат упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки.

Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рисунке 5.3. К их числу относятся трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром. В зависимости от назначения приборы давления с упругими чувствительными элементами разделяются на образцовые и рабочие.

Одной из основных характеристик упругого чувствительного элемента является зависимость перемещения определенной его точки от действующей нагрузки р (давления или разности давлений) или сосредоточенной силы q. Статическая характеристика λ = f (р) или  λ = f (q) упругого чувствительного элемента в зависимости от конструкции и способа его нагружения может быть линейной и нелинейной.

Важными параметрами, определяющими рабочие качества упругого, чувствительного элемента, являются его жесткость, а также чувствительность-величина, обратная жесткости. Если статическая характеристика λp = f(р) упругого чувствительного элемента линейна, то жесткость равна отношению давления к соответствующему перемещению λ, а чувствительность упругого элемента представляет собой величину, обратную жесткости  

                                             kp = р/ λp               sp  λp / р                                     (5.8)

где  kp - жесткость по давлению в (кгс/см2)/мм (Па/м),  sp  - чувствительность по давлению в (мм/ кгс/см2), (м/Па).

При нелинейной статической характеристике жесткость и чувствительность упругого элемента изменяются с давлением р и определяются следующими выражениями

                                             kp = dр/ dλp               sp  dλp /dр                                      (5.9)

Вследствие несовершенства упругих свойств реальных материалов ход статической характеристики λ = f (р) чувствительного элемента при увеличении

 и уменьшении нагрузки в пределах упругих деформаций неоднозначен и

 

Рисунок 5.4- Статическая характеристика упругого чувствительного элемента с гистерезисом                                                                   Рисунок 5.5

 

образует так называемую петлю гистерезиса (смотри рисунок 5.4). Размер гистерезиса является важной характеристикой и определяет погрешность прибора. Существенное влияние на размер гистерезиса оказывают химический состав, структура материала и значение напряжений в материале чувствительного элемента.

Полые одновитковые трубчатые пружины (см. рисунок 5.3, а), имеют эллиптическое или плоскоовальное сечение. Один конец пружины, в который поступает измеряемое давление, закреплен неподвижно в держателе, второй (закрытый)- может перемещаться. Под действием разности измеряемого внутреннего давления и внешнего атмосферного трубчатая пружина деформируется: малая ось сечения трубки увеличивается, большая уменьшается, при этом пружина раскручивается и ее свободный конец совершает перемещение (Δ h) в 1 ...3 мм. Для давлений до 5 МПа трубчатые пружины изготовляют из латуни, бронзы, а для более высоких давлений - из легированных сталей и сплавов никеля.

Сильфонные и мембранные чувствительные элементы имеют более широкие возможности для увеличения эффективной площади, что позволяет использовать их для измерения малых избыточных давлений и разрежения. Сильфон (смотри рисунок 5.3, б) - это тонкостенная трубка с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Жесткость сильфона зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки заготовки, радиуса закругления гофр г и угла их уплотнения α, числа гофр. Сильфоны бывают цельнотянутыми и сварными. Они получили широкое распространение в манометрах и дифманометрах с силовой компенсацией.

Плоская или пластинчатая мембрана (рисунок смотри 5.3, в)- представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по окружности. Под влиянием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет нелинейную упругую харак­теристику и малые перемещения рабочей точки, поэтому ее применяют для преобразования давления в силу (пьезоэлектрические преобразователи), поверхностные деформации (тензопреобразователи) и малые перемещения (емкостные и резонансные преобразователи).

Для улучшения статической характеристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки (смотри рисунок 5.3, г, д). Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными, синусоидальными. Гофрирование мембраны приводит к увеличению ее жесткости, спрямлению статической характеристики. Более широко используются мембранные коробки, которые представляют собой сваренные или спаянные по внешней кромке мембраны. Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В дифманометрах, чувствительных элементах регуляторов прямого действия используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.

Для измерения малых давлений применяются вялые мембраны (смотри рисунок 5.3, е), изготовленные из бензомаслостойкой прорезиненной ткани. В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина, выполняющая функции упругого элемента.

В соответствии с используемым в приборах типом рассмотренных чувствительных элементов деформационные манометры подразделяются на пружинные, сильфонные и мембранные, существуют разные виды этих групп приборов (показывающие и с дистанционной передачей показаний).

Схема показывающего пружинного манометра представлена на рисунке 5.5. Одновитковая трубчатая пружина 1 с одного конца приварена к держателю 2, прикрепленному к корпусу манометра. Нижняя часть держателя заканчивается шестигранной головкой и штуцером, с помощью которого к манометру подсоединяется трубка, подводящая давление. Свободный конец пружины 1 припаян к пробке 3, шарнирно соединенной с поводком 4. При перемещении свободного конца пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относительно оси О, вызывая поворот шестерни 6 и сидящей на одной оси с ней показывающей стрелки 7.

Пружинные показывающие манометры выпускаются с верхним пределом измерения от 0,1 МПа (1 кгс/см2) до 103 МПа (104кгс/см2) в соответствии со стандартным рядом. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения - 0,1- 0 МПа, а мановакуумметры - от 0,1 до 2,4 МПа. Образцовые показывающие пружинные манометры имеют класс точности 0,15; 0,25 и 0,4; рабочие 1,5; 2,5; 4, рабочие повышенной точности 0,6 и 1.

 

6 Лекция. Измерения уровня

 

Содержание лекции: Общие сведения о методах измерения уровня жидкости и сыпучих тел. Уровнемеры с визуальным отсчетом. Гидростатические уровнемеры. Другие способы измерения уровня и измерение уровня сыпучих тел (для самостоятельного изучения)

 

6.1 Введение

 

Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел играет важную роль при автоматизации технологических процессов. Уровнемеры широко используются в пищевой, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленностях. Уровнемеры применяются либо для контроля отклонения уровня от номинального и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу, либо для определения количества вещества (в сочетании с известными размерами емкости) и в этом слу­чае они имеют одностороннюю шкалу. Большую группу составляют сигнализаторы уровня, в которых выходной сигнал возникает при дос­тижении уровнем верхнего или нижнего предельных значений.

В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, то уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом (указательные стекла). При необходимости дистанционного измерения уровня применяются более сложные уровнемеры: гидростатические (дифманометрические и барботажные), буйковые и поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические. Разнообразие принципов действия и конструктивных исполнений уровнемеров обусловлено их исполь­зованием для измерения уровня воды, растворов и суспензий, неф­тепродуктов, границ раздела сред, содержащих взвеси, сыпучих тел в различных отраслях народного хозяйства.

 

6.2 Уровнемеры с визуальным отсчетом

 

Такие уровнемеры основаны на визуальном измерении высоты уровня жидкости. При невысоких давлениях среды высота уровня измеряется в стеклянной трубке (указательном стекле), сообщающейся с жидкостным и газовым пространствами контролируемого резервуара. На рисунке 6.1 приведена схема уровнемера с визуальным отсчетом. При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности которых со стороны жидкости нанесены вертикальные граненые канавки. Из условий прочности не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при большом диапазоне изменения уровня устанавливается несколько стекол в шахматном порядке таким образом, чтобы их диапазоны измерения перекрывались.

Основным источником дополнительной погрешности таких уровнемеров является разница плотностей жидкости в контролируемом резервуаре и в стекле, вызываемая различием температур (особенно если жидкость в резервуаре имеет высокую температуру, а указательное стекло находится на значительном удалении). Различие плотностей приводит к различию уровней в резервуаре , и указательном стекле  (уровень в стекле иногда называют «весовым» уровнем); при этом абсолютная погрешность измерения может быть

вычислена по формуле

 ,                                (6.1)                                                         

Рисунок 6.1

 
 где , - плотности жидкости в резервуаре и указательном стекле. Погрешность может достигать существенных значений, поэтому для ее уменьшения необходима либо тепловая

изоляция уровнемера, либо продувка его

                                             жидкостью из резервуара перед отсчетом.

6.3 Гидростатические уровнемеры

 

В этих уровнемерах измерение уровня жидкости H постоянной плотности  сводится к измерению гидростатического давления создаваемого жидкостью

.                                                          (6.2)

Измерение высоты уровня непосредственно по величине гидростатического давления можно производить в резервуарах, находящихся как под атмосферным, так и под отличающимся от него давлением.

Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости измеряется дифманометром, называется дифманометрическим. Схема подключения дифманометра (ДМ) к открытому резервуару, находящемуся под атмосферным давлением, изображена на рисунке 6.2. Обе импульсные трубки дифманометра 2 заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна). ДМ измеряет разность давлений , действующих на его чувствительный элемент. Согласно (6.2) для этих давлений можно записать

,      .

Тогда ДМ будет измерять перепад давлений, выражающийся через контролируемый уровень Н

               .          (6.3)

Если   и , тогда    .      (6.4)

Рисунок 6.2

 
Из (7.3) и (7.4) видно, что дифманометрический уровнемер измеряет «весовой» уровень, т.е. его показания будут изменяться при изменении плотности среды. Погрешность в показаниях также

                                                 появится, если имеется разность плотностей и  

 

в импульсных трубках (для исключения этой погрешности импульсные трубки прокладываются рядом).

Соотношение (6.4) справедливо только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке (обозначенной знаком «–») будет неизменным при изменении контролируемого уровня Н. Для чего на этой импульсной трубке устанавливается уравнительный сосуд 1. Сосуд и импульсная трубка заливаются жидкостью до уровня «0», принятого за начальную отметку шкалы уровнемера.

Рисунок 6.3

 
Необходимость установки уравнительного сосуда легко пояснить с помощью рисунка 6.3. Предположим, что при Н =0 уровень жидкости в минусовой импульсной трубке соответствует линии «00». Очевидно, что убрать минусовую импульсную трубку и соединить минусовую камеру ДМ с атмосферой нецелесообразно, так как в этом случае при Н =0 на ДМ будет действовать перепад , т.е. диапазон измерения ДМ будет использован не полностью. При увеличении Н будет расти давление в плюсовой (нижней) камере ДМ, что

                                             вызовет сжатие плюсовой (нижней на рисунке 6.3) мембранной коробки. В соответствии с принципом действия ДМ это приведет к расширению и увеличению объема мембранной коробки в минусовой (верхней на рисунке 6.3) камере (изменение объема коробок на рисунке 6.3 заштриховано). Очевидно, что такой же объем жидкости будет вытолкнут из верхней камеры в импульсную линию, что приведет к увеличению уровня в ней на . При этом перепад, действующий на ДМ равен . Поскольку (6.4), показания уровнемера будут заниженными. В этом случае абсолютная погрешность измерения увеличивается с увеличением контролируемого уровня Н. Установкой уравнительного сосуда большого диаметра можно уменьшить , так как один и тот же объем жидкости, вытолкнутой из минусовой камеры ДМ, в широком сосуде вызовет меньшее изменение уровня, чем в тонкой импульсной трубке.

Рисунок 6.4

 
В случае измерения уровня агрессивной жидкости на импульсных линиях устанавливаются разделительные устройства. При этом ДМ и импульсные трубки ниже разделительных устройств заполняются неагрессивной жидкостью. Простейшей схемой измерения уровня жидкости в резервуаре под давлением является представленная

                                       на рисунке 6.4 схема измерения уровня в барабане котла с использованием однокамерного уравнительного сосуда. Уравнительный сосуд 1 подсоединяется к паровому пространству, причем и сосуд и труба 2 тепловой изоляцией не покрываются, что обеспечивает постоянство уровня за счет стока излишков конденсата в барабан. Трубка 3 непосредственно подключается к водяному пространству барабана. Выражение измеряемой дифманометром 4, можно получить через давления, создаваемые в плюсовой  и минусовой  камерах ДМ

                                              (6.5)

где- плотность воды в уравнительном сосуде и импульсной трубке 2.

Давление  представляет собой сумму гидростатических давлений столба жидкости h в барабане, имеющего плотность , столба жидкости Н в импульсной трубке 3 плотностью  и столба пара в барабане высотой (Н-h) и плотностью :

                                      .                                          (6.4)

Таким образом, перепад , действующий на дифманометр, определяется выражением:

                .              (6.5)

 

Из (6.5) можно заметить, что показания уровнемера зависят не только от текущего значения, но и от плотностей воды  и пара , которые в свою очередь зависят от температуры и давления среды в барабане. Поэтому расчет шкалы дифманометров-уровнемеров производят на рабочее (номинальное) давление в барабане.

Также на результат измерения оказывает влияние изменения плотности водыв импульсной трубке, так как при этом изменяется гидростатическое давление столба высотой Н в импульсной трубке 2, в то время как давление  должно оставаться постоянным. Это может происходить при изменении температуры окружающей среды или температуры среды в барабане.

Метод измерения уровня ДМ обладает рядом достоинств: механической прочностью, простотой монтажа, надежностью.

Недостатком является: чувствительный элемент ДМ находится в контакте с измерительной средой (необходимость использования специальных материалов для ДМ при измерении в агрессивных средах).

 

 

7 Лекция. Измерение расхода жидкостей, газов и пара

 

Содержание лекции: Элементы теории измерения расхода по перепаду давления в сужающем устройстве. Стандартные сужающие устройства. Расходомеры постоянного перепада давления. Виды расходомеров: тахометрические, электромагнитные, ультразвуковые. Измерение количества вещества. Счетчики количества для измерения жидкостей и газов. Измерение количества и расхода тепла. Современные универсальные теплоэнергоконтроллеры (газа, пара, жидкости).

 

7.1 Общие сведения

При измерениях, связанных с учетом количества вещества, важнейшими исходными понятиями являются количество вещества и расход.

Расход есть количество вещества, протекающего через сечение трубопровода в единицу времени. В соответствии с выбранными единицами может производиться измерение:

-массового расхода Q ;                                                               (7.1)

-объемного расхода .                                                                       (7.2)

 Единицы массы и массового расхода дают более полные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема, так как объем вещества, особенно газов, зависит от давления и температуры. При измерении объемных расходов газов для получения сопоставимых значений результаты измерения приводят к определенным (так называемым нормальным) условиям. Такими нормальными условиями принято считать температуру ( = 20 °С, давление Р = 101,325 кПа (760 мм рт. ст.) и относительную влажность φ = 0.

Измерительный прибор, служащий для измерения расхода вещества, называется расходомером, а прибор для измерения количества вещества -счетчиком количества (счетчиком). В каждом конкретном случае к этим терминам следует добавлять наименование контролируемой среды. Во многих случаях показания расходомеров суммируются во времени и используются, как и  показания  счетчиков, для определения количеств израсходованного газа, отпущенной горячей воды или пара при проведении коммерческих расчетов или определении экономических показателей работы оборудования.

Существует большое разнообразие методов измерения расхода и конструктивных разновидностей расходомеров и счетчиков. Наибольшее распространение получили следующие разновидности расходомеров:

- переменного перепада давления с сужающими устройствами;

- постоянного перепада давления (расходомеры обтекания);

- тахометрические, электромагнитные, ультразвуковые, вихревые, массовые. Большинство выпускаемых, в настоящее время, расходомеров и счетчиков являются микропроцессорными  приборами с широкими  функциональными возможностями.

 

7.2 Краткая теория измерения расхода по перепаду давления в сужающих устройствах

 

Данный метод измерения расхода основан на зависимости перепада давления в неподвижном сужающем устройстве (СУ), устанавливаемом в трубопроводе, от расхода измеряемой среды. Это устройство является первичным преобразователем расхода. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром (вторичный прибор), который может быть показывающим со шкалой в единицах расхода. При необходимости дистанционной передачи показаний дифманометр снабжается преобразователем, который линией связи соединяется со вторичным прибором и другими устройствами. Метод измерения расхода является наиболее отработанным, сужающие устройства и дифманометры для них выпускают все крупнейшие приборостроительные фирмы мира. Для измерения расхода пара, газа, жидкостей в трубопроводах диаметром свыше 300 мм в основном используется этот метод.

Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления. Расход может быть определен при известной градуировочной характеристике Q = f (Δр) по перепаду давления Δр на сужающем устройстве, измеренному дифманометром. Использование рассматриваемого метода измерения требует выполнения определенных условий:

-характер движения потока до и после сужающего устройства
должен быть турбулентным и стационарным;

-поток должен полностью заполнять все сечение трубопровода;

-фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство (пар является перегретым, при этом
для него справедливы все положения, касающиеся измерения рас
хода газа);

-во внутренней полости трубопровода до и после сужающего устройства не образуются осадки и другие виды загрязнений;

-на поверхностях сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его геометрию.

Сужающие устройства условно подразделяются на стандартные, специальные и нестандартные. Стандартными называются сужающие устройства, которые рассчитаны, изготовлены и установлены в соответствии с нормативным документом. К числу специальных относятся стандартные диафрагмы для трубопроводов с внутренним диаметром менее 50 мм. Сужающие устройства, не относящиеся к этим двум группам, называются нестандартными. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств определяется с помощью расчетов без индивидуальной градуировки. Это нашло широкое применение данного метода для измерения расходов воды, пара, газа в трубопроводах больших диаметров. Градуировочные характеристики нестандартных сужающих устройств определяются в результате индивидуальной градуировки.

В качестве стандартных сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара используются диафрагмы, сопла и значительно реже трубы и сопла Вентури. Диафрагма (смотри рисунок 7.1,а) представляет собой тонкий диск с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы.

Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка отверстия должна быть

 

а)               б)                                            в)

Рисунок 7.1 - Стандартные сужающие устройства:

а – диафрагма,  б – сопло, в - сопло Вентури

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. Стандартные диафрагмы устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм. Диапазон рабочих чисел Rе зависит от относительного диаметра СУ и для диафрагмы он составляет от 105 до 108 .

 Сопло (смотри рисунок 7.1, б) имеет спрофилированную входную часть, переходящую затем в цилиндрический участок диаметром d. При измерении расхода газа стандартные сопла устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм (при измерении расхода жидкости - не менее 30мм), числа Rе потока при этом должны составлять 2*104…107

Сопла Вентури (смотри рисунок 7.1, в) содержит входную часть с профилем сопла, переходящую в цилиндрическую часть, и выходной конус. Минимальный диаметр трубопровода для стандартных сопл Вентури составляет 65 мм. Диапазон числа Rе составляет от  1,5*105 до 2*106

Рассмотрим движения потока через сужающее устройство на примере диафрагмы. На рисунке 7.2 показаны профиль потока, проходящего через диафрагму, а также распределение давления вдоль стенки трубы (сплошная линия) и по оси трубы (штрихпунктирная линия). После сечения А струя сужается и, следовательно, средняя скорость потока возрастает. Вследствие инерции струя продолжает сужаться и на некотором расстоянии после диафрагмы, место наибольшего сужения находится в сечении В. Увеличение скорости на участке АВ сопровождается уменьшением статического давления от первоначального значения  до минимального значения . После сечения В начинается расширение струи, которое заканчивается в сечении С. Этот процесс сопровождается уменьшением скорости и увеличением статического давления. В сечении С скорость примет первоначальное значение  (как в сечении А), но давление  будет меньше первоначального на , называемое потерей давления в сужающем устройстве. Наличие потери давления вызвано потерей энергии потока в мертвых зонах, находящихся за диафрагмой, из-за сильного вихреобразования в них. Для определения общей зависимости между расходом и перепадом давления предположим:

-жидкость несжимаема (т. е. плотность жидкости не изменяется при прохождении через сужающее устройство);

-отсутствует теплообмен с окружающей средой и трубопровод горизонтален.

В этом случае закон сохранения энергии для сечений А и В может быть записан в виде уравнения Бернулли

/ρ+(2)/2=/ρ+(2)/2         (7.3)

 

Рисунок 7.2

 
где  и - поправочные коэффициенты на неравномерность распределения скоростей в сечениях А и В, , - средние скорости потока в сечениях А, В. Для неразрывной струи несжимаемой жидкости плотностью ρ, движущейся по трубе сечением F со скоростью v, массовый расход можно выразить формулой Q= ρvF. Из этого уравнения неразрывности легко полу-

                                                                    чить соотношение   

                                                                                    =                          (7.4) 

где  и - площади струи в сечениях А и В.Отношение площади отверстия сужающего устройства  к площади трубопровода F называется относительной площадью (модулем) сужающего устройства m =/F =(d/D)2 где d и D - диаметры отверстия сужающего устройства и трубы.

Отношение μ = / называется коэффициентом сужения струи. С учетом этого можно получить другую запись выражения (8.4)  = μ m. Подставим это значение  в уравнение (8.3), получим

                                      .                            (7.5)

В расходомерах, обычно измеряется перепад давления не в сечениях А и В

(т.е. не -), а непосредственно до и после сужающего устройства (перепад (-) на рисунке 7.2 отмечены точки отбора давлений на дифманометр). Эти перепады различаются по значению.

Отношение этих перепадов ξ  =(-) /(-), тогда

, и учитывая, что Q= ρ= ρμ, получим             или       .                   (7.6)

 

Величина α называется коэффициентом расхода, который определяется формулой    α . Для объемного расхода выражение, учитывая   Q= Q/ρ,      имеет вид     Q α    .                         (7.7)

При измерении расхода газа или пара плотность среды изменяется при прохождении через сужающее устройство вследствие изменения давления. Это учитывается введением в уравнение расхода поправочного множителя на расширение  измеряемой среды ε. Окончательно получим выражение вида

 

                                     ,                                                             (7.8)

                                   ,              где , Па.                 (7.9)

Входящие в формулы для определения расхода значения α и ε находятся из соответствующих таблиц и графиков.

Коэффициент расхода α зависит от типа СУ и определяется α=f (m, Re). Он характеризует реальные условия работы СУ и является расчетным.

Поправочный  множитель на расширение  измеряемой среды ε  вводится в уравнение расхода вследствие изменения плотности среды при прохождении через сужающее устройство и определяется  ε = f (, m, к), где к - показатель адиабаты.

Расходомеры с сужающими устройствами получили широкое применение из-за следующих их основных достоинств:

-СУ простые, дешевые и надежные средства измерения расхода;

-СУ универсальны, т.е. могут применяться для измерения расхода практически любых однофазных (иногда и двухфазных) сред в широком диапазоне давлений, температур, расходов и диаметров трубопровода;

-градуировочная характеристика стандартных СУ может быть определена расчетным путем, поэтому отпадает необходимость в образцовых расходомерных установках;

-возможность использования для различных условий измерения однотипных по устройству дифманометров и вторичных приборов (индивидуальным для каждого расходомера является только СУ).

К недостаткам относят следующие факторы:

-нелинейная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять малые расходы из-за высокой погрешности измерения;

- необходимость индивидуальной градуировки СУ при измерении расходов при малых числах Re или в трубах малого диаметра;

- расходомеры с СУ имеют ограниченную точность, причем, погрешность измерения колеблется в широких пределах (1,5-3%) в зависимости от состояния СУ, диаметра трубопровода, постоянства давления и тем­пературы измеряемой среды;

- ограниченное быстродействие (инерционность).

 

7.3 Расходомеры постоянного перепада давления

 

Расходомерами постоянного перепада являются ротаметры. Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы от 0,002 до 70 м3) или газов (верхние пределы от 0,05 до 600 м3) в вертикальных трубопроводах диаметром 3...150 мм.

В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную стеклянную трубку 1 (смотри рисунок 7.3), внутри которой располагается поплавок 2. Поплавки могут иметь различную форму. Одна из форм - цилиндрическая с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки.

Между бортиком поплавка и стенкой трубки и стенкой трубки образуется кольцевой зазор при прохождении через который  поток сужается, скорость его растет, и возникает разность между давлением  в сечении АА до начала сужения и давлением  в самом узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь  увеличивается. Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании силы тяжести поплавка силами,  действующими на него со стороны

             Рисунок 7.3                    жидкости. При этом вертикальное положение         

                                                    поплавка будет однозначно связано с расходом.

Рассмотрим силы, действующие на поплавок, находящийся в среде плотностью ρ. На поплавок, имеющий объем V, наибольшее сечение f, среднюю плотность  сверху вниз действует сила тяжести

                                                   .                                 (7.10)

Снизу вверх на поплавок действуют:

-сила, обусловленная разностью статических давлений , возникающая вследствие ускорения потока в кольцевом зазоре между стенкой и поплавком,                                                                                      (7.11)

-динамический напор   где φ – коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от его формы, ρ- плотность среды, υ - ее скорость в сечении АА;

-сила трения потока о боковую поверхность поплавка ;

k - коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поплавка, -средняя скорость потока в кольцевом зазоре, n - показатель степени, зависящий от скорости,  - площадь боковой поверхности поплавка.

Поплавок будет висеть в потоке жидкости или газа, если соблюдается равенство сил, действующих на него сверху и снизу:

                                                                                     (7.12)

Отсюда можно получить уравнение                              (7.13)

 

Так как силы W, N малы, то можно записать        ,                  (7.14)     

 

т.е. перепад давления на поплавке оказывается не зависящим от расхода (в действительности из-за увеличения W и N перепад с увеличением  расхода  несколько  уменьшается).   Поэтому  ротаметры относятся к группе расходомеров постоянного перепада.

Уравнение, связывающее  и , обычно записывается в виде, аналогичном уравнению расхода для расходомеров переменного перепада:

 

                                             .                                 (7.15)

 

Из уравнения (7.15) следует, что при α = const существует линейная зави­симость между  и . Это позволяет использование равномерной шкалы для ротаметров.

Из-за большого разнообразия контролируемых сред ротаметры подразделяются на две группы: для жидкостей, которые градуируются на воде  и для газов, которые градуируются на воздухе.

Погрешность измерения расхода ротаметром может быть определена через погрешности величин, входящих в формулу (7.15). Наибольшее влияние на погрешность оказывает изменение α (из-за изменения структуры потока вследствие турбулентности), погрешность определения плотности среды, отличие действительных размеров трубки и поплавка от расчетных, отличие массы поплавка от расчетной. Эти погрешности имеют достаточно большие значения, причем некоторые из них возрастают к началу шкалы. Основная погрешность ротаметров обычно равна ±(2...3)%, при индивидуальной градуировке она может быть уменьшена до ±(0,5...1) %.

Ротаметры обладают рядом достоинств:

 простота устройства, возможность измерения малых расходов однофазных жидкостей и газов в трубопроводах малых диаметров, высокая точность при индивидуальной градуировке прибора, малая потеря давления, практически равномерная шкала.

Недостатками ротаметров являются:

 необходимость установки только на вертикальных участках трубопроводов; трудности дистанционной передачи показаний и записи; непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой.

 

 

7.4 Тахометрические, индукционные, ультразвуковые расходомеры

 

7.4.1 Тахометрические расходомеры

 

Тахометрическими называются расходомеры, в которых скорость движения рабочего тела пропорциональна объемному расходу измеряемой среды. В большинстве случаев рабочее тело - преобразователь расхода (крыльчатка, турбинка, шарик и т.п.) - под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства рабочего тела тахометрические расходомеры подразделяются на крыльчатые, турбинные, шариковые, камерные, кольцевые и др.

Тахометрические преобразователи расхода могут использоваться как в счетчиках количества, так и в расходомерах, и измеряют объемные расходы. При необходимости измерения массовых расходов они должны снабжаться либо измерителями температуры и давления, либо плотномерами, вычислительными устройствами. Тахометрические расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей (реже газов), причем некоторые их разновидности могут использоваться на загрязненных жидкостях. Наиболее широко эти расходомеры используются в коммунальном хозяйстве для учета индивидуального потребления горячей и холодной воды, газа.

          а)                                     б)

Рисунок 7.4

 

 

 

 

 
При диаметрах трубопроводов от 15 до 40 мм применяются крыльчатые расходомеры, а от 50 до 250 мм - турбинные. На рисунке 7.4, а схематично показано устройство турбинного преобразователя расхода преобразователя

                                                                                       представляет собой отрезок

                                                                                       трубы с двумя фланцами

для присоединения его к трубопроводу. Внутри корпуса установлены струе выпрямители 2 и 3, соединенные осью, на которой расположена турбинка 4. В расходомерах частота вращения турбинки, пропорциональная объемному расходу, с помощью тахометрического преобразователя 5 преобразуется в частоту импульсов выходного сигнала. В счетчиках количества число оборотов турбины, пропорциональное количеству протекшего вещества, измеряется счетным механизмом, соединенным с осью турбинки шестеренчатым редуктором и магнитной муфтой. Счетчики могут давать импульсный сигнал, пропорциональный числу оборотов. Турбинки тахометрических расходомеров подразделяются на аксиальные (смотри рисунок 7.4,а) и тангенциальные (смотри рисунок 7.4,б). У первых - ось совпадает с направлением потока, у вторых - она перпендикулярна потоку. При незначительных нагрузках на турбинку ее частота вращения ω пропорциональна объемному расходу .

 

Тахометрические расходомеры обладают следующими положительными чертами: широкий динамический диапазон, достигающий; высокая точность, получаемая за счет индивидуальной градуировки приборов; простота получения и съема показаний.

К числу их недостатков относятся значительная потеря давления, требования к длинам линейных участков до (свыше 10D) и после (более 3D) счетчика, износ подшипников при наличии загрязнений в воде и газах, ограничения по диаметру трубопровода.

 

7.4.2 Электромагнитные расходомеры

 

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. В настоящее время электромагнитные расходомеры это самые распространенные приборы для измерения расхода воды в трубопроводах диаметром менее 250 мм. Это объясняется их положительными чертами, такими как независимость показаний от вязкости и плотности среды; большой динамический диапазон  и др. Электромагнитные  расходомеры могут быть использованы
в ряде случаев, когда применение расходомеров других типов
затруднено или невозможно вовсе: при измерении расхода агрессив
ных, абразивных и вязких жидкостей, пульп, жидких металлов.

Рисунок 7.5

 

 

 

 

 
Принципиальная схема первичного преобразователя электромагнитного расходомера показана на рисунке 7.5. Рабочий участок трубы преобразователя 1, изготовленный из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической изоляцией 2

                                                      (резиной, эмалью, фторопластом и т.п.), распо-

ложен между полюсами электромагнита. Через стенку трубы изолированно от нее по диаметру введены электроды 3, находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов. Согласно закону электромагнитной индукции при осесимметричном профиле скоростей в жидкости между электродами будет наводиться ЭДС

                                                                                               (7.16)

где В(Тл) - индукция магнитного поля, υ (м/с) - средняя скорость жидкости, D(м) -длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы. Учитывая, что ,              получаем:                  ,                                (7.17)

Отсюда следует, что Е прямо пропорциональна объемному расходу. Измерение наведенной ЭДС осуществляется измерительным прибором ИП.

7.4.3 Ультразвуковые расходомеры

 

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток жидкости или газа.

Наибольшее распространение получили расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения Δτ ультразвуковыми импульсами расстояния между излучателем и приемником по потоку и против потока пропорциональна скорости потока, т.е. скорость ультразвука относительно стенок трубы зависит от скорости потока.

Ультразвуковые расходомеры в последние годы получают все более широкое распространение благодаря следующим достоинствам:

высокой точности измерения, составляющей ±(1;2) %; широкому диапазону диаметров трубопроводов  от 10 мм и выше без ограничений; малой инерционности и отсутствию потери давления; широкому диапазону температур (от -220 до 600°С) и давлений.

К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:

сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих
равных условиях в 3-4 раза превышает стоимость тахометрических
и электромагнитных расходомеров; ограничения по скорости потока.

Основными элементами преобразователей ультразвуковых расходомеров являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые колебания, попадающие на приемник, вызывают его механическую деформацию в виде периодических сжатий и растяжений, которые преобразуются в переменное электрическое напряжение.

Расходомеры с излучением, перпендикулярным потоку приведен на рисунке 7.6 пьезоэлемент 1, возбуждаемый генератором 2, создает ультразвуковые колебания, направленные перпендикулярно оси трубы. По мере увеличения средней скорости потока  ультразвуковой луч все более отклоняется по направлению скорости V. Угол отклонения луча θ будет определяться выражением

   ,                       (7.18)                            

где с — скорость ультразвука в непод­вижной среде.

Линейное отклонение луча у прием­ных пьезоэлементов 3 и 4

 

Рисунок 7.6

 

 

 

 

 
           .                   (7.19)

 

                                                               

С увеличением  количество энергии, поступающей на пьезоэлемент 3, уменьшается, а поступающей на пьезоэлемент 4, растет и, таким образом, разностный сигнал, поступающий на вход усилителя 5, увеличивается. Расходомеры с такой схемой просты по устройству, но обладают ограниченной точностью из-за малого отклонения луча.

Все ультразвуковые расходомеры являются микропроцессорными, на выходе они имеют токовый и импульсный выходные сигналы, цифровой дисплей, интерфейсы, цепь сигнализации, значение суммарного расхода архивируется вместе с указанием нештатных ситуаций. Многие приборы могут измерять расход реверсивного потока.

 

7.4.4 Теплосчетчики

 

Измерение расхода и количества теплоты играет важную роль при автоматизации систем теплоснабжения. Прибор, измеряющий количество теплоты, перенесенной теплоносителем в единицу времени, называется тепломером. Прибор, измеряющий количество теплоты, перенесенной теплоносителем за некоторый промежуток времени, называется теплосчетчиком. Количество теплоты обычно выражается в гигаджоулях (ГДж) или гигакалориях (Гкал), 1 Гкал = 4,1868 ГДж.

Теплосчетчики получили широкое распространение, поскольку по их показаниям производятся расчеты за полученную потребителями теплоту. Они устанавливаются как на источниках теплоты: ТЭЦ, РТС (районные тепловые станции), так и у потребителей, теплоносителем служит вода, редко - пар. Все выпускаемые в настоящее время теплосчетчики являются многофункциональными микропроцессорными приборами, включающими в свой состав измерители температуры, расхода, давления и тепловычислители. Они имеют защиту от несанкционированного доступа, а используемые в них программы и заложенные функциональные возможности исходят из действующих правил как учета теплоты и теплоносителя, так и теплопотребления.

Реализуемые в теплосчетчиках алгоритмы расчета теплоты зависят от вида теплоносителя и структуры системы отпуска теплоты. На рисунке 7.7 изображена закрытая система теплоснабжения, когда количество теплоносителя в системе остается постоянным, если количество теплоносителя меняется из-за отпуска теплоносителя на нужды горячего теплоснабжения, подпитку системы,

Рисунок 7.7

 

 

 

 

 
                                                                      то система называется открытой.

 

 

В закрытой системе теплоснабжения количество отданной теплоты q за интервал времени ,  рассчитывается по формуле

                                           q =                                   (7.20)

где  Q- массовый расход теплоносителя, ,- энтальпии теп­лоносителя на входе и выходе системы теплоснабжения, Т- время. Для расчета количества теплоты, отданной водой в открытой системе теплоснабжения, используются несколько алгоритмов, зависящих от структуры системы, используемых средств измерения расхода теплоносителя и места их установки.

Для расчета количества теплоты необходимо измерять расходы теплоносителя, температуры, давления и суммировать результаты расчета во времени. Определение количества теплоты представляет собой  косвенное измерение, его погрешность зависит

- от погрешностей первичных средств измерений расхода или его разности, температуры, давления

- от алгоритма расчета, от погрешности тепловычислителя.

 

8 Лекция. Методы  и средства анализа состава газов

 

Содержание лекции: Методы анализа состава газов. Виды анализаторов: химические, тепловые, магнитные, оптические. Электрохимический метод измерения состава газа. Газовые хроматографы. Методы определения концентрации водных растворов.  Кондуктометрические анализаторы. Анализаторы кислорода и водорода в воде.

 

8.1 Общие сведения о методах анализа состава газов

 

Средства измерений, применяемые в различных отраслях промышленности, научных исследованиях для анализа состава газов, называются газоанализаторами. Необходимость контроля состава газов в химико-технологических процессах связана с получением и использованием газов в металлургии, коксохимическом производстве, нефтепереработке, газовой промышленности. При сжигании органических топлив на тепловых электрических станциях автоматические газо­анализаторы используются для контроля за процессом горения и определения требуемого избытка воздуха.

Приборы газового анализа обеспечивают безопасное функционирование технологических объектов. К числу таких приборов относятся газоанализаторы, измеряющие концентрацию водорода в системе охлаждения турбогенераторов, в газах сдувок аппаратов с радиоактивным теплоносителем на АЭС и т.п.

В последние годы в связи с усилением внимания к охране окружающей среды расширилось производство и использование газоанализаторов. Они предназначенных для контроля содержания вредных примесей в газовых выбросах промышленных предприятий и электрических станций, в воздухе производственных помещений и атмосфере (таких как сернистый газ, оксид углерода, оксид и диоксид азота, пыль).

Существуют газоанализаторы, предназначенные для анализа различных составляющих многокомпонентных газовых смесей, в большинстве случаев эти приборы используются в лабораторной практике. Газоанализаторы градуируются в % по объему, г/м3, мг/л. Первая единица измерения является более удобной, поскольку процентное содержание компонентов газовой смеси сохраняется при изменении температуры и давления. При измерении малых концентраций используется единица млн1 (ррm), составляющая одну часть на миллион частей анализируемого газа или 0,0001 %, и млрд1  (ррb) -одну часть на миллиард. Воспроизведение единиц измерения (концентрации компонентов газовых смесей) производится с помощью аттестованных эталонных газовых смесей.

Существующая классификация газоанализаторов основывается на физико-химических свойствах, положенных в основу измерения концентрации определяемых компонентов смеси, и включает следующие основные группы приборов: механические, тепловые, магнитные, оптические, электрические, хроматографические и масс-спектрометрические.

Газоанализаторы в отличие от средств измерения температуры, давления представляют собой установки, содержащие кроме измерительного преобразователя (приемника) ряд устройств, обеспечивающих отбор, подготовку и транспортирование пробы газа через прибор. Для газоанализаторов характерно разделение на две группы приборов. В первую группу входят измерительные приборы, во вторую – индикаторы, сигнализаторы, детекторы утечки газов. Приборы второй группы часто являются переносными, более простыми по конструкции и имеют меньшее число вспомогательных устройств.

 

8.2 Химические газоанализаторы

 

В механических газоанализаторах измерение содержания опреде­ляемых компонентов производится по изменению механи­ческих параметров состояния или свойств газовой смеси. К таким величинам в этих приборах относятся изменения объема или давления пробы газовой смеси, ее вязкости, плотности, скорости распространения звука.

Объемные химические газоанализаторы являются наиболее распространенными приборами механического типа (волюмометрические). О содержании в них определяемого компонента судят по изменению объема газовой смеси в результате избирательного поглощения, каталитического окисления или сжигания определяемого компонента. Для определения компонентов используются химические реакции, поэтому приборы часто называют объемными химическими газоанализаторами. С их помощью можно произвести измерение концентрации в смеси газов следующих компонентов: диоксида углерода, сероводорода, диоксида серы (сумма кислых паров и газов), кислорода, оксида углерода, водорода, непредельных и предельных углеводородов, азота.

При определении содержания ,  используется раствор щелочи, при этом протекают следующие реакции:

,                                           (8.1)

.                                            (8.2)

Для поглощения водорода и оксида углерода используется щелочной раствор полухлористой меди. Кислород поглощается щелочным раствором пирогаллола, а непредельные углеводороды - бромной водой. Водород и предельные углеводороды могут удаляться из смеси сжиганием, а оксид углерода - каталитическим окислением. Погрешность рассматриваемого метода в значительной мере определяется погрешностью измерения изменения объема, поэтому начальный и остаточный объемы пробы газа должны иметь одинаковые температуру и давление.

Газ

 

 
Газоанализаторы, основанные на этом принципе измерения, относятся к лабораторным приборам периодического действия, в которых отбор пробы и другие операции выполняются вручную

 


Рисунок 8.1- Схема газоанализатора ГХП-2:

1 - измерительная бюретка, 2 – гребенка, 3, 4 - поглотительные сосуды,

5 – трубка, 6 - резиновая груша, 7 - напор­ный сосуд, 8,9 – краны, 10 – фильтр

 

Принцип действия объемных химических газоанализаторов рассматривается на примере газоанализатора ГХП-2 (рисунок 8.1), предназначенного для измерения двух компонентов газовой смеси:  и . Прибор включает в себя измерительную бюретку 1, соединенную с гребенкой 2, к которой подключены два поглотительных сосуда 3, 4. Сосуд 3 заполнен раствором едкого калия и предназначен для поглощения , сосуд 4 содержит щелочной раствор пирогаллола для поглощения . Поскольку последний раствор поглощает  при проведении анализа, вначале определяют содержание , а затем . Внутри мерной бюретки находится сообщающаяся с атмосферой трубка 5, которая используется для контроля давления пробы газа после поглощения определяемого компонента. Мерная бюретка термостатирована. Отбор пробы при открытом кране 9 и прокачивание газа через прибор осуществляются резиновой грушей 6. При прокачивании газа кран 8 находится в положении, показанном на рисунке, напорный сосуд 7 с запирающей жидкостью опущен и газ через трубку 5 выталкивается в атмосферу. При подъеме напорного сосуда 7 запирающая жидкость при достижении конца трубки 5 отсекает от атмосферы пробу газа объемом 50 см3.

В двух других положениях крана 8 проба газа в мерной бюретке 1 сообщается с сосудами 3 и 4. Фильтр 10 служит для очистки газа. В качестве запирающей используется жидкость, не поглощающая компоненты анализируемой газовой смеси (насыщенные растворы поваренной соли или хлористого кальция).

Достоинствами данного метода являются:

- возможность измерения широкого круга компонентов газовых смесей;

- возможность анализа многокомпонентных газовых смесей;

- простота устройства.

Недостатками метода являются:

- низкая точность анализа (не выше 0,1...0,2 % общего объема пробы);

- периодичность действия; необходимость частой замены реактивов;

- сложность создания на этом принципе автоматических приборов;

- громоздкость прибора из-за большого числа элементов из стекла.

 

8.3 Тепловые газоанализаторы

 

В тепловых газоанализаторах измерение концентрации опре­деляемого компонента производится измерением тепловых свойств газовой смеси, зависящих от концентрации определяемого компонента. Наиболее распространенными приборами этого типа является газоанализаторы, основанные на измерении теплопроводности смеси (термокондуктометрические) и теплоты, выделяющейся при реакции каталитического окисления определяемого компонента (термохимические).

Эти группы приборов, как правило, являются автоматическими устройствами, работающими в составе информационно-измерительных и управляющих систем. Тепловые газоанализаторы предназначены для непрерывного анализа состава бинарных смесей.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Измерения основаны на том, что между теплопроводностью газовой смеси λ, теплопроводностьюи концентрацией сi входящих в ее состав n компонентов существует близкая к линейной зависимость:

                                ,                                        (8.3)

 

Для измерения теплопроводности газовой смеси используется нагреваемый током проводник, помещенный в камеру, заполненную анализируемой смесью рисунок 8.2. Если теплоотдача от проводника к стенкам камеры в основном осуществляется в результате теплопроводности, то имеет место следующая зависимость:

                           Q = 2π/ λ (tп - tс ) / ln(D/d)                                               (8.4)

 

где (Q - количество теплоты, отдаваемой проводником, l,d - длина и диаметр проводника, D - диаметр камеры,  λ - теплопроводность смеси газов, tс,tп,-температуры проводника и стенок камеры. При постоянстве отдаваемой проводником теплоты Q и температуры стенок камеры tс, теплопроводность газовой смеси будет однозначно определять температуру проводника, а следовательно, и его сопротивление. В качестве проводника используется проволока из металла, обла­дающего высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления и химической стойкостью (платина, вольфрам, никель, тантал).

Рисунок 8.2

 

 

 

 

 
Схема двух типов рабочих чувствительных элементов из плати­новой проволоки представлена на рисунке 8.2. В стеклянном корпусе 1 к платиновым токоподводам 2 диаметром 0,15 мм подпаяна платиновая спираль 3 диаметром 0,02 мм открытая (рисунок 8.2-а) либо

остеклованная 4 (рисунок 8.2-б). В первом

 

случае сопротивление чувствительного элемента составляет 10 Ом, во втором - 40 Ом. Чувствительный элемент второго типа защищен от агрессивных воздей­ствий среды, но имеет большую инерционность.

Устройство рабочих чувствительных элементов с открытой (а) и остеклованной (б) платиновой спиралью: 1- стеклянный корпус, 2- платиновый токоподвод, 3,4- открытая и остеклованная платиновые спирали.

Термохимические газоанализаторы. В термохимических газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по количеству теплоты, выделившейся при реакции каталитического окисления. В число определяемых по этому методу газов входят СО, Н2, О2, МН3, СН4. Термохимические газоанализаторы используются как сигнализаторы взрывоопасных концентраций газов, измерителей химического недожога топлива, детекторов газовых хроматографов и др.

 

8.4 Магнитные газоанализаторы

 

В магнитных газоанализаторах, относящихся к анализаторам бинарных смесей, концентрация определяемого компонента измеряется по изменению магнитных свойств газовой смеси. Газы по их магнитной восприимчивости делятся на парамагнитные, втягивае­мые в магнитное поле, и диамагнитные, выталкиваемые из него. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладает кислород, относящийся к парамагнитным газам.

Газы, кроме кислорода, окиси и диоксида азота, являются практически немагнитными, поскольку их объемная магнитная восприимчивость на два порядка ниже, чем у кислорода. Таким образом, магнитные свойства газовой смеси определяются концентрацией кислорода, поскольку и NО2, являющиеся продуктами высоко­температурных окислительных реакций, встречаются в малых кон­центрациях.

Объемная магнитная восприимчивость кислорода χ связана с удельной магнитной восприимчивостью μ и плотностью ρ зависи­мостью поскольку , а

 

                                                     (8.5)

где С - постоянная Кюри; р, Т- абсолютное давление и температура кислорода с молекулярной массой М; К - газовая постоянная. Таким образом, магнитная восприимчивость кислорода линейно зависит от давления и снижается с ростом температуры пропорционально 1/ Т 2.

Объемная магнитная восприимчивость смеси газов определяется соотношением

                                       (8.6)

где ,- объемные концентрации компонентов газовой смеси и их объемные магнитные восприимчивости; ,-объемная концентрация кислорода и его магнитная восприимчивость; - усредненная магнитная восприимчивость неопределяемых компо­нентов. В соответствии с (8.6), так как «, изменение объемной магнитной восприимчивости газовой смеси однозначно определяется концентрацией кислорода при условии стабилизации температуры и давления.

Существует несколько методов измерения магнитной воспри­имчивости смеси газов, наиболее распространенный из них связан с использованием явления термомагнитной конвекции. Последняя представляет собой движение кислородосодержащего газа в неодно­родном магнитном и тепловом полях.

Рисунок 8.3-а

 

 

 

 

 
Схема чувствительного элемента кислородомера(а) и преобразователя с внешней магнитной конвекцией (б):

1-платиновая проволока,

2- стеклянный капилляр,

3 -стеклянное покрытие,

4-токоввод, 5-постоянный магнит; 6- немагнитный медный блок, 7 - труба

Рисунок 8.3-б

 

 

 

 

 
 


                     

На рисунке 8.3 представлены схема чувствительного элемента, применяемого в газоанализаторах типа МН, ГТМ (на рисунке 8.3-а), и размещение его между полюсами магнита (на рисунке 8.3-б). Чувствительный элемент представляет собой платиновую проволоку 7 диаметром 0,02 мм, намотанную на стеклянный капилляр 2 и остеклованную с внешней стороны 3. Концы спирали подпаяны к токовводам 4. Наружный диаметр чувствительного элемента составляет 0,5...0,6 мм, сопротивление резистора 40 Ом. Кислородосодержащий газ, протекающий по трубке 7, втягивается в  магнитное поле, при этом он  нагревается от резистора  и его магнитная восприимчивость снижается. Холодный газ выталкивает нагретый, создавая поток магнитной конвекции q, охлаждающий резистор . Резистор  для обеспечения одинаковых условий теплоотдачи размещен внутри немагнитного медного блока 6, имеющего ту же конфигурацию, что и постоянный магнит 5. На рисунке 8.3-б, направления тепловой и магнитной конвекции совпадают, при размещении крышки с линиями подвода газа 7 под магнитом направления конвекции становятся встречными.

В газоанализаторах МН используется двухмостовая измерительная схема, представленная на рисунке 8.4. В первичном преобразователе (приемнике) размещены два моста, питаемых от вторичных обмоток 1, 2 силового трансформатора Тр. Мост I является рабочим, его резисторы , представляющие собой платиновые чувствительные элементы с внешним теплообменом, омываются анализируемым газом. Резистор , находится в неоднородном магнитном поле,  -между полюсами ложного магнита (медного блока). Резисторы , являются постоянными и выполнены из манганиновой проволоки.

Рисунок 8.4 - Схема автоматического магнитного газоанализатора типа МН: 1,2 — вторичные обмотки силового трансформатора Тр

 

При наличии кислорода в смеси газов мост I работает в неравновесном режиме и напряжение в измерительной диагонали зависит от концентрации кислорода. Для проверки начальной точки шкалы вторичного прибора приемник снабжается металлическим шунтом. При его опускании снимается магнитное поле, резисторы ,попадают в одинаковые условия и мост I должен быть урав­новешен.

Мост II является мостом сравнения. Его плечи и, выполненные из платиновой проволоки, омываются воздухом, причем , как и  находится между полюсами ложного магнита. Резисторы  и  выполнены подобно и  из манганиновой проволоки. Поскольку концентрация кислорода в воздухе является стабильной, мост II развивает постоянный сигнал небаланса . Колебания  обусловлены только отклонениями напряжения питания, температуры и давления окружающей среды. Для измерения сигнала рабочего моста используется компенсационный метод, причем сигналом компенсации служит доля напряжения небаланса моста сравнения , снимаемая с реохорда,  =α, где  α- изменяется от 0 до 1.

 

8.5 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 т.п. Наиболее распространенными являются четыре группы оптических газоанализаторов: инфракрасного и ультрафиолетового поглощения, фотоколориметрические, люминесцентные, ослабления видимого излучения. 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.

Газоанализаторы инфракрасного и ультрафиолетового поглощения

Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения. Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов, такие как СО, С02, СН4, КН3, С2Н2 имеют спектры поглощения в инфракрасной области. Одноатомные газы характеризуются линейчатыми спектрами поглощения, лежащими в ультрафиолетовой области. Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси.

В фотоколориметрических газоанализаторах концентрация определяемого компонента  измеряется по изменению оптической плотности индикаторного раствора, окраска которого избирательно меняется в присутствии определяемого компонента.

К оптическим методам  анализа относятся методы, использующие различные методы люминесценции. Люминесценция представляет собой холодное свечение, вызываемое светом (фотолюминесценция, флюоресценция), электрическим полем (электролюминесценция), химическими реакциями (хемилюминесценция).

Ослабления светового потока за счет его поглощения и рассеивания взвешенными частицами, находящимися в газе, применяются для измерения содержания золы в уходящих газах котлоагрегатов, для контроля запыленности воздуха в производственных помещениях и содержания в нем частиц влаги. В этих приборах производится просвечивание слоя или потока газа, при этом может измеряться как ослабленный частицами прямой поток, так и отраженный.

В электрических газоанализаторах концентрация того или иного компонента определяется по изменению электрических свойств газовой смеси или жидкости, с которой прореагировал определяемый компонент. К числу наиболее распространенных электрических газоанализаторов относятся  электрохимические – устройства, в которых  выходной сигнал определяется электрохимические явлениями, происходящими в электродных системах, погруженных в анализируемый газ или контактирующий с ним раствор. Электрохимические методы в основном используются  для анализа жидкостей.

 

8.6  Хроматографические газоанализаторы

 

Хроматографические газоанализаторы предназначены для анализа многокомпонентных газовых смесей, состава жидкостей и твердых тел. Хроматографы являются приборами периодического действия, более сложными по устройству, чем рассмотренные газоанализаторы. Процесс измерения в этих приборах распадается на две стадии: хроматографическое разделение газовой смеси на отдельные компо­ненты и идентификация (детектирование) компонентов, включаю­щая качественный и количественный их анализ. Хроматографическое разделение смеси на отдельные компоненты, открытое в 1903 г. М.С. Цветом, осуществляется за счет различной скорости движения газов  вдоль  слоя  сорбента,  обусловленной  характером  внешних и внутренних межмолекулярных взаимодействий.

В настоящее время по возможностям разделения и анализа многокомпонентных смесей хроматография не имеет конкурирующих методов. Хроматографию можно использовать для анализа низкокипящих газов, смесей летучих и термически стойких твердых и жидких веществ, температура кипения которых достигает 500°С и выше. К числу преимуществ этого метода относится также высокая чувствительность в сочетании с малым объемом отби­раемой пробы, сравнительно высокой точностью и малым временем анализа.

Существует три разновидности хроматографического метода измерения, различающиеся способом перемещения анализируемой смеси: проявительный, фронтальный и вытеснительный. Первый метод является наиболее распространенным.

Принципиальные схемы хроматографа и разделения смеси газов в колонке представлены на рисунке 8.5. Из баллона 1 газ-носитель поступает в хроматограф. Для поддержания в процессе работы постоянной скорости газа-носителя используется регулятор 2, содержащий редуктор, манометр и измеритель расхода газа.  В газ-носитель дозатором 3 периодически вводится проба анализируемого газа. В разделительной колонке 4, заполненной твердым или жидким сорбентом, анализируемая смесь разделяется на компоненты. Вдоль слоя сорбента с большей скоростью движутся наименее сорбируемые газы. Поэтому в пробе смеси газов (рисунок 8.5, б), содержащей три компонента А, В и С, первым выносится наименее сорбируемый газ А, а последним - хорошо сорбируемый С. После разделения каждый компонент с газом-носителем образует бинарную смесь, анализ которой может быть произведен различными методами, в том числе рассмотренными выше и реализуемыми в детекторе 6.

 

                       Анализируемый   

               газ

 

                           3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газ-       --- Г£

 

 

Проба газа        Разделительная колонка

                                       б)

                    носитель

                                               

 

 Рисунок 8.5 - Принципиальная схема газового хроматографа: 1 – баллон,

2 – регулятор, 3 – дозатор, 4 - разделительная колонка, 5 - терморегу­лятор, 6 –детектор, 7 - регистрирующий прибор, 8, 9- цифропечатающее устройства

 

Для улучшения разделения компонентов температурный режим колонки может меняться с помощью терморегулятора 5 с програм­мным управлением. Выходной сигнал детектора 6 подается на реги­стрирующий прибор 7, микропроцессорное 8 и цифропечатающее 9 устройства. На диаграмме самопишущего прибора 7 выход каждого из компонентов сопровождается пиком, площадь которого зависит от концентрации этого газа. График, фиксирующий выход компонен­тов, называют хроматограммой. Использование микропроцессорно­го измерительного устройства с соответствующим интерфейсом обеспечивает автоматический анализ хроматографического разделения и позволяет ввести информацию о составе газов в АСУ ТП.

Хроматограмма (смотри рисунок 8.6) является носителем как качественной информации о виде компонентов смеси, так и количественной - об их концентрации. Концентрации определяются площадью пика или его высотой. Поскольку разделение газов осуществляется за счет их различных сорбционных свойств, время выхода того или иного компонента при постоянной скорости газа-носителя определяет вид газа. Эта характеристика называется временем удерживания . Она численно равна интервалу времени от момента ввода пробы газа до момента, соответствующего максимуму пика. Более устойчивой характеристикой, не зависящей от колебаний объемной скорости газа-носителя

v, является удерживаемый объем газа-носителя

= v. На рисунке 8.6 приведена хроматограмма разделения смеси трех компонентов. Время удерживания, как и ширина пика, может выражаться в единицах времени , τ и единицах длины l, μ, измеренных по диа­граммной ленте. Ширина пика определяется у его основания τ, μ или на половине высоты- τ и

                             Рисунок 8.6                                      отношение к последним вели

                                                                                       чинам времени удерживания

характеризует эффективность хроматографической колонки

 

N = 5.545() 2   =  5.545( l/ μ) 2                 

                                 

Хроматографы выпускаются лабораторные и промышленные. Первые характеризуются  повышенной точностью, универсальностью, большим числом элементов и повышенными требованиями к условиям эксплуатации. Промышленные хроматографы имеют более узкое назначение, а вырабатываемый ими сигнал представляется в форме, удобной для использования при оперативном и автоматическом управлении технологическими процессами.

 

                            

Список литературы 

     1. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -М.: Энергия, 1978. -703с.

     2. Иванова Г.М., Кузнецова Н.Д., Чистяков И.С. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергоиздат, 2005. -458с.

     3. Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. - М.: Энергия, 1979.

     4. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Высшая школа, 1972. -392с.

     5. Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям и приборам. - М.: Энергия, 1985. -216с.

     6. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. - Л.: "Энергия", 1978. -262с.

     7.Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. -Л.: Энергия, 1978.-262с.

8. Аубакиров Т.О. Практикум по метрологии, стандартизации и управлению качеством.- Алматы: МГП "Демеу", 1992.- 96с.

 

 

Содержание

 

1 Лекция. Общие сведения о средствах измерений.                                              3

1.1 Понятие об измерениях. Виды измерений                                                         3

1.2 Средства измерений                                                                                             4

1.3 Погрешности измерения                                                                                      5

1.4 Метрологические характеристики средств измерений                                     7

2 Лекция. Измерение температуры                                                                           8

2.1 Основные сведения о температуре и температурных шкалах                         8

2.2 Средства измерения температуры                                                                     10

2.3 Термоэлектрический метод измерения температуры и термоэлектродные материалы                                                                                                                   11

2.4 Прямой метод измерения термо-эдс. Компенсационный метод измерения термо-эдс                                                                                                                    15

2.4.1 Пирометрические милливольтметры                                                              15

2.4.2 Измерение термо-эдс милливольтметром                                                      17

2.4.3 Компенсационный метод измерения термо-эдс                                            19

2.4.4 Лабораторные и автоматические потенциометры20

3 Лекция. Термометры сопротивления. Мостовые и потенциометрический методы измерения сопротивлений термометров сопротивления                         22

3.1 Общие сведения                                                                                                   22

3.2 Конструкция  термопреобразователей сопротивления и их виды                 22

3.3 Средства измерения и преобразования термосопротивлений                        25

3.3.1 Потенциометрический метод измерения сопротивлений                            26

3.3.2 Мостовые методы измерения сопротивления                                               26

3.4 Логометры                                                                                                            29 

4 Лекция. Измерения температуры по их излучению                                          30

4.1 Краткие сведения по теории измерения температуры тел по тепловому излучению                                                                                                                 30

4.2 Монохроматические пирометры                                                                       31

4.3 Пирометры полного излучения и частичного излучения                               33

4.4 Пирометры спектрального отношения                                                             34

5Лекция. Измерение давления, разности давлений                                               35

5.1 Общие сведения                                                                                                  35

5.2 Жидкостные манометры и дифманометры                                                      37

5.3 Деформационные манометры                                                                            40

6 Лекция. Измерения уровня                                                                                   43

6.1 Введение

6.2 Уровнемеры с визуальным отсчетом                                                               43

6.3 Гидростатические уровнемеры                                                                         44

7 Лекция. Измерение расхода жидкостей, газов и пара                                        46

7.1 Общие сведения                                                                                                  47

7.2 Краткая теория измерения расхода по перепаду давления в сужающих устройствах                                                                                                               47

7.3 Расходомеры постоянного перепада давления                                                52

7.4 Тахометрические, индукционные, ультразвуковые расходомеры                 54

7.4.1 Тахометрические расходомеры                                                                      54

7.4.2 Электромагнитные расходомеры                                                                   55

7.4.3 Ультразвуковые расходомеры                                                                        56

7.4.4 Теплосчетчики                                                                                                  57

8 Лекция. Методы  и средства анализа состава газов                                            58

8.1 Общие сведения о методах анализа состава газов                                           58

8.2 Химические газоанализаторы                                                                            59

8.3 Тепловые газоанализаторы                                                                                 61

8.4 Магнитные газоанализаторы                                                                              62

8.5 Оптические газоанализаторы                                                                             65

8.6  Хроматографические газоанализаторы                                                            66

Список литературы                                                                                                   69

Содержание                                                                                                               69