Рисунок 1.3

                                                    измерительные преобразователи разделяют на

                                                    первичные ПП1, промежуточные ПП2,

масштабные (усилительные) МП и передающие ППЗ.

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.

Преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного, называют промежуточным. Преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, называют масштабным или усилительным (например, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения, измерительный усилитель), а предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации,— передающим (например, индуктивный или пневматический преобразователь).

Отсчетное устройство показывающих аналоговых измерительных приборов состоит из шкалы и указателя (см. рисунок 1.4). Разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам (3), называется ценой деления шкалы (4). Область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений, называется диапазоном измерений(5) измерительного прибора или измерительного преобразователя. Пределами измерений называются наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений, называемых верхним (2) и нижним (1) пределами измерений.

Рисунок 1.4 - Шкала измерительного прибора

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.

Задача. Милливольтметр имеет равномерную шкалу, разделенную на 50 интервалов. Нижний и верхний пределы измерения шкалы равны U_н = (─)10 мВ и U_к = (+)10 мВ, соответственно. Определите цену деления шкалы и чувствительность милливольтметра.

Решение. Стрелка милливольтметра переместится с одной отметки шкалы на соседнюю при изменении входного напряжения на ΔU, следовательно, цена деления С =0,4 мВ, D - диапазон измерений.

.

Если за изменение выходной величины прибора принять перемещение стрелки на один интервал, то чувствительность S определится как S=1/C, отсюда S =l/C= 1/0,4 = 2,5 ().

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 х_д. называется погрешностью измерения. Погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины, называется абсолютной погрешностью измерения

= х  − х_д .                                                      (1.3)

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

 = 100/ х_{д  .}                                                                          (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.

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   ;

 - 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, называется номинальной статической характеристикой (НСХ) средства измерений (или градуировочной, или уравнением шкалы прибора) и может быть представлена в виде таблицы, графика (см. рисунок 1.5,б) или формулы

.                                            (1.11)

В общем случае линейная статическая характеристика средства измерения описывается уравнением

                                                    (1.12)

где а – постоянная, имеющая размерность у;

k – коэффициент, имеющий размерность у/х.

Коэффициент k называют коэффициентом преобразования (коэффициентом передачи). Если линейная статическая характеристика средства измерения проходит через начало координат (см. рисунок 1.5,а), то уравнение имеет вид

.                                                      (1.13)

В общем случае уравнение шкалы измерительного прибора с линейной связью между входной величиной и показаниями записывается в виде

                                         (1.14)

где - начальные значения выходной и входной величин.

Отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора Δу к изменению входной величины Δх называется чувствительностью (S) средства измерения и определяется          .                    (1.15)

Чувствительность и цена деления шкалы прибора две взаимно обратные

величины, и цена деления шкалы прибора определяется как

.                                                  (1.16)

Чувствительность средства измерения с нелинейной статической характеристикой (см. рисунок 1.5,в) определяется соотношением

Если относительная нелинейность статической характеристики невелика или диапазон изменения х ограничен, то можно линеаризовать характеристику, т. е. заменить реальную нелинейную зависимость у от х приближенной линейной. Линеаризацию заданной графически характеристики осуществляют методом касательной или секущей. При линеаризации касательной (см. рисунок 1.5, в) коэффициент передачи (или чувствительность) определяют тангенсом угла наклона касательной в данной точке:

где n_x, n_y  определяются по графику (см. рисунок 1.5,в).

Выходной сигнал средства измерений при малых изменениях входной величины может на них не реагировать. Поэтому вводится такая характеристика, как порог чувствительности средства измерения. Он определяется минимальным значением изменения входного сигнала, вызывающим видимые изменения выходного сигнала.

Выходной сигнал средств измерений зависит от направления подхода к значению измеряемой величины: со стороны меньших (снизу) или больших (сверху) значений. Неоднозначность градуировочной характеристики при увеличении и уменьшении входной величины характеризуется вариацией. Вариацией называется наибольшая разность между выходными сигналами (показаниями) средства измерений, соответствующими одному и тому же значению входной величины (разность хода).

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 (1.3), так относительных (1.4) и приведенных (1.5). Этим случаям соответствуют его различные обозначения в технической документации, на шкалах и шильдиках (таблички, закрепленные на видимом месте корпусов приборов, с указанием их характеристик).

Предел абсолютной основной погрешности нормируется в виде числа или выражения

 = ± [a+b(│Х│−)]                           (1.19)

где a, b – постоянные;

- начальное значение измеряемой величины X.

Предел основной относительной погрешности выражается в процентах и нормируется в виде числа или выражения

 = ± [с+d(/X−1)]                             (1.20)

где с, d – постоянные;

X – измеряемая величина;

– верхний предел измерения.

Класс точности при таком способе нормирования обозначается на шкале прибора числом, обведенным окружностью, или дробью с/d. Так, если на шкале цифрового вольтметра указано 0,1/0,02,

то  = ± [0,1+0,02(/X−1)].

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.

Примеры форм нормирования пределов основных погрешностей и обозначения соответствующих им классов точности приведены в таблице 1.1.

Способы нормирования метрологических характеристик средств измерения позволяют получать наиболее вероятные значения результатов измерений и оценки погрешностей, близкие к действительным значениям.

Таблица 1.1 - Примеры форм нормирования погрешностей и обозначений

классов точности

Контрольные вопросы

1        Чем отличаются прямые измерения от косвенных?

2        Какие виды средств измерений вы знаете?

3        Какие бывают методы измерений?

4        В чем состоит преимущество дифференциального и компенсационного методов измерения по сравнению с методом непосредственного измерения?

5        Каково назначение эталонов и рабочих средств измерений?

6        В чем состоит отличие приведенной и относительной погрешности измерений?

7        Поясните понятия доверительной вероятности и доверительного интервала.

8        Перечислите основные метрологические характеристики средств измерений?

9        Какие виды погрешностей определяют классы точности и как они обозначаются на шкалах и шильдиках измерительных приборов и преобразователей?

2 Измерение температуры

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. Например, по шкале Фаренгейта

0 град.С = 32 град.F,

100 град.С = 212 град.F,

тогда  1° F    определяется      F = 1.8C+32        или          (F = C+32).

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 (см. Приложение 2).

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.

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.

Таблица 2.1 - Средства измерения температуры

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    Термометры расширения

2.3.1 Жидкостные стеклянные термометры

Термометр жидкостный (Т.ж.), прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на тепловом расширении жидкости. Жидкостные стеклянные термометры используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).

 На рисунке 2.1 показаны жидкостные термометры: а — комнатный термометр с наружной шкалой; б — лабораторный термометр с вложенной шкалой, имеющий на шкале точку 0°С.

Жидкостный термометр состоит из стеклянных баллона 1, капиллярной трубки (см. рисунок 2.1,в). Термометрическое вещество 2 заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться вакуумом. Запасной резервуар или выступающая за верхним

                    делением шкалы часть капиллярной

Рисунок 2.1

                    трубки служит для предохранения термо-

                                                                метра от порчи при чрезмерном

                                                                перегреве.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути, в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.

Т.ж. широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от –200 до 750 °С. Шкала в °С наносится непосредственно на толстостенный капилляр (так называемый палочный Т. ж.) или на пластинку, жестко соединённую с ним. Термометр жидкостный с наружной шкалой (см. рисунок 2.1,а), Т. ж. с вложенной шкалой (см. рисунок 2.1,б) имеет внешний стеклянный (кварцевый) чехол. Термометрическая жидкость заполняет весь резервуар и часть капилляра. В зависимости от диапазона измерений Т. ж. заполняют пентаном (от -200 до 20 °С), этиловым спиртом (от -80 до 70 °С), керосином (от -20 до 300 °С), ртутью (от -35 до 750 °С) и др.

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.

Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей:

- технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые;

- лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра;

- жидкостные термометры (не ртутные);

- повышенной точности и образцовые ртутные термометры;

- электроконтактные ртутные термометры с вложенной шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи;

- специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и другие), минимальные, метеорологические и другого назначения.

У лабораторных и других термометров, градуируемых и предназначенных для измерения при погружении в измеряемую среду до отсчитываемого деления, могут возникать систематические погрешности за счет выступающего столбика термометра. Если капиллярная трубка будет погружена в измеряемую среду не полностью, то температура выступающей части капиллярной трубки будет отличаться от температуры измеряемой среды, в результате возникнет погрешность измерения.

Поправку в градусах на выступающий столбик в показания термометра можно внести по уравнению:

 

где γ – коэффициент видимого объемного теплового расширения термометрической жидкости в стекле ;

t – действительная температура измеряемой среды °С;

t_в.с. – температура выступающего столбика, измеренная с помощью вспомогательного термометра °С;

n – число градусов в выступающем столбике.

Поправка может иметь большие значения у термометров с органическими термометрическими жидкостями, для которых коэффициент γ примерно на порядок выше, чем у ртутных термометров.

Задача. Лабораторный стеклянный термометр, заполненный пентаном, показывает по шкале (–40)°С. Термометр погружен в измеряемую среду до отметки (–100)°С. Температура выступающего столбика составляет 20°С. Коэффициент видимого объемного теплового расширения пентана в стекле γ=0,0012 (К^–1). Определите действительное значение температуры.

Решение. Показания термометра отличаются от действительной температуры за счет выступающего столбика. Поправка на выступающий столбик подсчитывается по формуле

где γ — коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле;

t – температура, показываемая термометром, °С;

t_в.с.— температура выступающего столбика, °С;

n — число градусов в выступающем столбике, °С.

Следовательно, Δ t = 0,0012 (– 40 – 20)[ – 40 (– 100)] = – 4,32 °С.

Определим действительную температуру t_д = – 40 –  4,32= –  44,32 °С.

 

2.3.2 Манометрические термометры.

Действие манометрических термометров (м.т) основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система м.т состоит из (см. рисунок 2.2) чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. М.т часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики). (М.т) подразделяют на три основные разновидности:

1) жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью;

2) конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью;

3) газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.

Достоинствами м.т являются сравнительная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры и возможность автоматической записи показаний. К недостаткам м.т относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

                          

             Рисунок 2.3 а)                                                Рисунок 2.3 б)

 

На рисунке 2.3 приведены различные виды манометрических термометров. Термометр манометрический, конденсационный, показывающий, сигнализирующий ТКП-160-СГ-М2 (см. рисунок 2.3,а)

предназначен для измерения теплотехнических параметров и управления внешними электрическими цепями от сигнализирующих устройств приборов.

Термометр манометрический, конденсационный, показывающий ТКП-60С, ТКП-100С (см.рисунок 2.3,б) предназначен для непрерывного измерения температуры воды, масла и других неагрессивных жидкостей

Область применения: Электрические отопительные котлы, водонагреватели, термостаты, масляные трансформаторы, сауны, управление температурными режимами нагревательных элементов промышленных и бытовых установок.

 

Контрольные вопросы

 

1 Каков принцип действия  термометров расширения?

2 Какие термометрические вещества используются для заполнения стеклянных термометров?

3 Чем отличаются методики измерения температуры стеклянными термомет-

рами лабораторными и техническими?

4 Как вводится поправка на выступающий столбик?

5 Какие типы манометрических термометров вы знаете?

6 Какой тип манометрических термометров имеет наиболее широкий диапазон
измерения?

7 Как влияют температура и давление окружающей среды на показания манометрических термометров?

 

2.4    Термоэлектрический метод измерения температуры и термоэлектродные материалы.

 

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термоэдс), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. Термоэдс возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов) А и В (см. рисунок 2.4,а), если значения температуры мест соединения t и t₀ не равны (при равенстве температур термоэдс 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  2.4 а - 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 термоэдс зависит от значения обеих температур t°С и t₀°С, причем она увеличивается с ростом разности (t–t₀). В силу этого термоэдс 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 термоэдс, развиваемую термопарой;

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

Действующая в контуре результирующая термоэдс  Е_АВ (t, t₀)  равна алгебраической сумме е_АВ ( t ) и е_ВА ( t₀ ), взятых при обходе контура против часовой стрелки  (см. рисунок 2.1,а)   

 

                               Е_АВ (t, t₀) = е_АВ ( t ) + е_ВА ( t₀ ) ,                                  (2.1)

 

но если учесть что е_ВА ( t₀ ) = – е_АВ ( t₀ ), то получим

 

Е_АВ (t, t₀) = е_АВ ( t ) – е_АВ ( t₀ ) .                                  (2.2)

 

Следовательно, вырабатываемая термометром  термоэдс  равна разности двух действующих навстречу суммарных термоэдс, появляющихся на концах термоэлектродов. 

Включение в цепь термопары третьего проводника из любого материала «С» не вызывает искажения термоэдс, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. Поэтому термоэдс, развиваемые в схемах (см. рисунок 2.4 б, 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 (см. рисунок 2.4,в) или в разрыв электрода (см. рисунок 2.4,г).

Рассмотрим включение измерительного прибора (ИП) соединительным проводником С в разрыв свободных концов (см. рисунок 2.4,в). Действующая в контуре результирующая термоэдс согласно (2.1) равна

 

      Е_АВ (t, t₀) = е_АВ ( t ) + е_ВС ( t₀ ) + е_СА ( 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.

 

Е_АВ ( t₀ ) = е_АВ ( t₀ ) + е_ВС ( t₀ ) + е_СА ( t₀ ) = 0,                       (2.4)

откуда следует, что

е_ВС ( t₀ ) + е_СА ( t₀ ) =  – е_АВ ( t₀ ).                                   (2.5)

 

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

Рассмотрим  включение измерительного прибора (ИП) проводником С в разрыв электрода (см. рисунок 2.1,г). Если температуры мест присоединения одинаковы и равны t' = t" = t₁  то результирующая термоэдс будет равна  

 

Е_АВ (t, t₀ ) = е_АВ ( t ) + е_ВС ( t₁ ) + е_СВ ( t₁ ) + е_ВА( t₀ )                 (2.6)

 

где  е_ВС ( t₁ ) =  –  е_СВ ( t₁ )    и      е_ВА ( t₀ ) =  –  е_АВ ( 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 термоэдс, 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 термоэдс 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 (см. рисунок 2.5), устанавливающей зависимость термоэдс от температуры рабочего спая.

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

 Е (t, t₀ ), прибавить Е(t₀, 0), чтобы получить значение термоэдс Е (t, 0 ):

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

 

Рисунок 2.5 - Введение поправки на температуру свободных концов термоэлектрического термометра

Такую термоэдс 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 t′₀, то термоэдс, развиваемая термометром, будет Е (t, t′₀ )

(см. рисунок 2.5) и величина поправки

 на температуру свободных концов будет

 Е(t′₀, 0), а термо-эдс, соответствующая

условиям градуировки,

 

 Е (t, t′₀  ) + Е(t′₀,0) = Е (t, 0 ).                                  (2.9)

 

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).

На рисунке 2.6 представлены: а) - устройство ТЭП, б) - конструкция ТЭП в разрезе, в) - внешний вид ТЭП, г) - спай ТЭП в изолированном корпусе (разрез).

 

 

а)                          б) 

 

Рисунок 2.6 - а) устройство ТЭП, б) конструкция ТЭП в разрезе

 

Устройство ТЭП показано на рисунке 2.6,а. В нижней части ТЭП находится его рабочий конец 9, состоящий из двух сваренных термоэлектродов, на каждый из которых в качестве изоляции надеты фарфоровые трубки 8. В головке 3 термометра расположена изоляционная колодка 6 с зажимами 1 для термоэлектродов и соединительных проводов 5. Для механической прочности и защиты от вредного воздействия измеряемой и окружающей ТЭП помещают в специальный чехол из металлических материалов, выдерживающих высокую температуру и давление среды. Чехол состоит из гильзы 10, неподвижного 7 (или подвижного) штуцера с сальниковым уплотнением и головки, снабженной крышкой 2 и выходным патрубком 4 с уплотнением. В настоящее время конструкции защитной арматуры унифицированы; они отличаются лишь видами штуцеров и чехлов, выполняемых на различные давления измеряемой среды.

 

                    

                          Рисунок 2.6 - в) внешний вид ТЭП

 

 

        

Рисунок 2.6 - г) спай ТЭП в изолированном корпусе (разрез).

 

Рисунок 2,6-д

Для измерений наиболее широко применяются ТЭП со стандартной градуировкой: платинородий-платиновые (ТПП), платинородий-платинородиевые (ТПР), хромель-алюмелевые (ТХА), хромель-капелевые (ТХК), вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР). В ряде случаев используют также ТЭП с нестандартной градуировкой: медь-константановые, вольфрам-молибденовые (ТВР) и др. На рисунке 2.6,д приведены градуировочные кривые различных термопар. В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах и агрессивном воздействии сред появляется нестабильность градуировочной характеристики, которая является следствием ряда причин: загрязнения материалов термоэлектродов примесями из защитных чехлов, керамических изоляторов и атмосферы печи; испарения одного  из компонентов сплава; взаимной диффузии через спай. Величина отклонения может быть значительной и резко увеличивается с ростом температуры и длительностью эксплуатации. Указанные обстоятельства необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры в производственных условиях.

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 термоэдс. Для оценки значения термоэдс различных термометров обычно пользуются опытными значениями термоэдс  металлов и сплавов в паре с чистой платиной. В таблице 2.3 даны значения термоэдс различных термоэлектродов в паре с платиной при t=100°C, =0°C, а также указана допускаемая конечная температура применения этих материалов. (знак + или – перед термоэдс 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, 13%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. 5 Прямой метод измерения термоэдс. Компенсационный метод измерения термоэдс

 

2.5.1 Пирометрические милливольтметры.

В настоящее время для измерения термоэдс 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 (см. рисунок 2.7), 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 (см. рисунок 2.7). 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 (см. рисунок 2.8). Изменение температуры воздуха, окружающего прибор, изменяет сопротивление рамки. При постоянной термоэдс 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.

                                            

                            Рисунок 2.7                                      Рисунок 2.8

 

 

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.

 

2.5.2           Измерение термо-эдс милливольтметром.

Термоэдс термометра однозначно зависит от температуры рабочего спая, если температура свободных концов постоянна.

Рассмотрим возможные причины, вызывающие погрешности при измерении термоэдс милливольтметром. Показания милливольтметра определяются формулой

                                    (2.20)

 

где Е (t, t₀ ) - термоэдс 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 2.8 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 термоэдс относительно градуировочного значения формула (2.8).

Рисунок 2.9

в

а

В этом случае часто применяют устройство для автоматического введения поправки на температуру свободных концов. Это устройство (см. рисунок 2.9) 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 потенциалов  изменяется в зависимости от температуры так же, как и термоэдс 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).

 

2.5.3 Компенсационный метод измерения термоэдс.

Компенсационный метод измерения основан на уравновешивании измеряемой ЭДС падением напряжения, значение которого может быть определено. На рисунке 2.10 изображен простейший вариант компенсационного метода измерения термоэдс. Источник термоэдс 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 термоэдс Ет будет уравновешена падением напряжения, ток в цепи источника термоэдс (например, термоэлектрического термометра) будет отсутствовать и высокочувствительный нуль-гальванометр НГ покажет нуль. Чтобы определить значение термоэдс 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. При измерении термоэдс милливольтметром сопротивление цепи определяло результаты измерения. Поэтому компенсационный метод измерения принципиально лучше, чем измерение термоэдс 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 термоэдс надо повысить точность определения рабочего тока. Эта задача решается в схеме потенциометра с постоянной силой рабочего тока (см. рисунок 2.11).

 

2.6                 Лабораторные и автоматические потенциометры

 

На рисунке 2.11 изображена упрощенная схема лабораторного потенциометра с постоянной силой рабочего тока. Ее рассмотрение позволяет разобрать основные черты компенсационного метода измерения термоэдс, 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 сопротивление и 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 2.11

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 (см. рисунок 2.12):

t

Рисунок 2.12

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 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 ). В настоящее время, наряду с потенциометрами типа КСП, широко используются современные виды потенциометров. На рисунках 2.13-2.14 приведены некоторые из них.

  

 

Приборы Мемограф предназначены для измерения, показания и регистрации

сигналов от одного до шестнадцати аналоговых датчиков уровня температуры, расхода, давления и других параметров технологических процессов. Мемограф

 

Рисунок 2.13

 (см. рисунок 2.13) это безбумажный самописец современной технологии и компактной системы регистрации результатов измерения. Он записывает ход сигналов, контролирует предельные значения, анализирует точки измерения, сохраняет и архивирует данные как во внутренней памяти (статическое ОЗУ), так и на обычной дискете в интегрированном в прибор дисководе. Мемограф функционирует как самостоятельная система - альтернатива традиционным самописцам и системам сбора данных. Приборы нашли применение на Электростанциях и энергоснабжении, химической индустрии, металлургии.

Имеет следующие преимущества:

- многоканальный: 8 или 16 универсальных, 7 цифровых и 4 математических канала;

- не требует расходных материалов: работает без использования бумаги и перьев;

- универсальный: свободный выбор формы отображения результатов измерения;

- безопасный: программа сохранения данных;

- надёжный: функция самоконтроля и контроля предельных значений;

- информативный: поиск событий, автоматическая обработка сигналов;

- практичный: наглядное группирование по каналам

- коммуникативный;

- компактный, корпус из нержавеющей стали.

На рисунке 2.14 показан регистратор (логгер) температуры. Они широко применяются для измерения и контроля температуры. Регистратор (логгер) температуры КТ200 применяется для складских помещений, пищевой промышленности, мониторинга окружающей среды.

Задача. Определите изменение показаний милливольтметра градуировки К (ТХА), вызванное изменением температуры помещения, в котором находится милливольтметр, от 20 до 40 °С. Сопротивление внешней цепи 5 Ом, сопротивление милливольтметра при 20 °С R_МВ =302 Ом, сопротивление рамки, выполненной из меди, R_Р =65 Ом, показание прибора 540°С. Измерительная схема милливольтметра состоит из рамки и последовательно включенного манганинового резистора. Температурный коэффициент электрического сопротивления меди  α = 4,26∙10 ‾³   (1/К).

Решение. Определим сопротивление милливольтметра при 0°С и 40°С.

 

R_МВ (0°С ) = R_МВ – R_Р () = 302 – 65 () = 296,9 Ом.

 

R_МВ (40°С ) = R_МВ – R_Р () = 296,9 – 65() = 307,1 Ом.

Относительное изменение показаний, вызванное изменением темпе­ратуры милливольтметра,

 = [(R_МВ (0°С ) – R_МВ (40°С )] 100% / R_МВ (40°С ) =

(302 -307,10) 100% /307,10 = – 1,65 %.

Если определить температуру в абсолютных единицах (из градуировки ТХА) Е(540°С, 0°С)*0,0166 = 0,371 мВ, или это равняется 8,8 0°С.

Таким образом, хотя температурный коэффициент прибора и невелик, изменение показаний, вызванное изменением температуры милливольтметра

оказывается значительным, что обусловлено довольно большим сопротивлением рамки.

 

Контрольные вопросы

 

1        В каком случае в цепи из двух проводников возникает термоэдс и какие эффекты вызывают ее появление?

2        Какие существуют способы включения измерительных приборов в цепь тер­мопары?

3        Какие стандартные термопары обладают максимальной и минимальной чув­ствительностью, максимальным и минимальным диапазоном измерения?

4        Каково устройство кабельных термопар и в какой области они в основном
применяются?

5        Для чего нужны удлиняющие термоэлектродные провода и какие требования к ним предъявляются?

6        Какие устройства используются для введения поправки на изменение температуры свободных концов?

7        Что такое градировочная характеристика термоэлектрического термометра?

8        В чем преимущество компенсационного метода измерений термоэдс?

9        Какие вторичные приборы применяют при измерении температуры термоэлектрическими термометрами?

3 Термометры сопротивления. Мостовые и потенциометрический

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, а также взаимозаменяемость.  При невысоких температурах их точность выше, чем у термоэлектрических преобразователей. 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 3.2

 

 

                                                                                    

Рисунок 3.1

                       

 

 

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 (см. 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, обладающие 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.

Задача. Медный термометр сопротивления имеет сопротивление при 20°С = 1,75 Ом. Необходимо определить его сопротивление при 100°С и 150°С Температурный коэффициент .

Решение. Для медного термометра сопротивления при температуре t°С сопротивление R_t можно определить по уравнению      .

Если известно сопротивление R_t1 при температуре t₁, то для определения сопротивления R_t2  при температуре t₂  нужно предварительно определить R₀, а затем по найденному R₀ определить R_t2

Определим       ,      где    .

Подставим числовые значения и получим  R₁₀₀ = 2,3 Ом;      R₁₅₀ = 2,64 Ом.

 

3.3 Средства измерения и преобразования термосопротивлений

 

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

а)

б)

в)

сопротивления на результаты измерения, используют различные способы. Различают двух-, трех- и четырехпроводные схемы подсоединения термометров

К измерительным приборам

а)

б)

сопротивления к измерительному прибору (см. рисунок 3.3 а, б, в) соответственно. Для измерения сопротивления термопреобразователей используются три метода:

а)

б))

- 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  (см. 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  = (/).

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

Рисунок 3.4

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

              () = (+),

 

            =  / + /−                       (3.9)

	Рисунок 3.6

 

 

в случае =, получим  =, влияние сопротивления линий будет отсутствовать. Упрощенная схема автоматического уравновешенного моста приведена на рисунке 3.7. Уравновешивание моста при изме- нениях производится автоматичес- ки реверсивным двигателем, пере- мещающим  движок  реохорда  .  

Рисунок 3.7

При  любом  изменении  измеряемой

температуры t движок m устанавлива-

ется 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

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.

Рисунок 3.9

Значения вращающихся моментов  могут быть определены из выражения:

                                                      ,                                      (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.

 

3.5 Погрешности при измерении температуры контактными методами

 

Условием правильного измерения температуры является равенство температур термопреобразователя и измеряемой среды или измеряемого тела. Передача теплоты между телами или средами может происходить тремя способами — теплопроводностью, конвекцией и излучением.

В общем случае, если имеет место теплообмен между термопреобразователем и окружающей средой, собственная температура термопреобразователя не будет равна температуре измеряемой среды, то есть существует погрешность измерения.

Эта погрешность зависит от конструкции термопреобразователя и особенностей его установки на объекте измерения, от условий теплообмена термопреобразователя с измеряемой и окружающей средой, от режима работы оборудования или постоянства измеряемых параметров. Влияние тех или иных факторов определяется конкретным методом измерения.

В состоянии теплового равновесия, термопреобразователь будет иметь статическую погрешность измерения. В нестационарном режиме, когда, либо сам измеряемый параметр, либо другие параметры измеряемой среды меняются, может иметь место динамическая погрешность измерения, определяемая конструкцией, теплофизическими свойствами термопреобразователя и условиями теплообмена с измеряемой средой.

 

3.5.1 Погрешности, обусловленные теплообменом за счет  теплопроводности

При измерении температур жидкости, газа или пара термопреобразователь устанавливается в трубопроводе, газоходе, в других местах технологического оборудования. При этом в общем случае имеет место сложный теплообмен между термопреобразователем, измеряемой и окружающей средами и частями технологического оборудования.

Если считать, что передача теплоты по термопреобразователю осуществляется только за счет теплопроводности, то можно оценить погрешность измерения для термопреобразователя, который представляет собой однородный стержень, заделанный одним концом в стенку трубопровода. Для такого полуограниченного стержня отклонение температуры термопреобразователя t_T от температуры измеряемой среды t _C определяется уравнением

                         (3.15)

где t_CТ - температура стенки трубопровода (°С);

ℓ -длина термопреобразователя (стержня);

Р -периметр,м и сечение- S,м²;

α_k –коэффициент конвективной теплоотдачи между измеряемой средой и термопреобразователем, Вт/(м² К);

λ- коэффициент теплопроводности чехла, Вт/(м ∙К).

Зная температуры термопреобразователя и стенки, можно определить температуру измеряемой среды t_C или по температуре среды и температуре стенки t_CТ  оценить температуру термопреобразователя t_Т. Эти расчеты носят приближенный, оценочный характер, так как реальные термопреобразователи имеют более сложную конструкцию.

Кроме того, учитывается только передача теплоты теплопроводностью. Можно приближенно считать, что передача теплоты по термопреобразователю только за счет теплопроводности имеет место при измерении температуры жидкостей, полностью заполняющих пространство, в котором он расположен.

Чем меньше теплоты будет передаваться через термопреобразователь, тем меньше будет погрешность, обусловленная теплообменом.

Рассмотрим способы уменьшения этой погрешности, анализируя выражение (3.15). Увеличение длины ℓ повышает термическое сопротивление и уменьшает погрешность. В связи с тем, что размеры трубопровода часто ограничены, то увеличивают длину термопреобразователя, устанавливая его наклонно, в колене трубопровода, либо в расширителе, представляющем вставку ограниченного участка трубы большего диаметра.

Увеличение конвективного коэффициента теплоотдачи α_k уменьшает погрешность измерения. Однако увеличение α_k за счет увеличения скорости потока не всегда может быть осуществлено на конкретном технологическом оборудовании. Возможность уменьшения сечения S или увеличения периметра Р определяется механической и термической прочностью материала чехла термопреобразователя.

Приближение температуры стенки t_CТ к температуре среды t_C уменьшает теплопередачу теплопроводностью. Во многих случаях тепловая изоляция трубопровода делает температуру стенки близкой к температуре измеряемой среды и тогда, эта погрешность практически будет отсутствовать. Например, тепловая изоляция паропроводов на электростанциях такова, что температура стенки отличается от температуры измеряемой среды не более чем на 2...3 °С.

Задача. Термопреобразователь, измеряющий температуру воздуха, стоит в воздухопроводе. Температура термопреобразователя =356°С, температура стенки воздухопровода =270°С, термопреобразователь погружен в воздухопровод на глубину ℓ=100мм, защитный чехол термопреобразователя  выполнен из стали с теплопроводностью , наружный диаметр чехла , внутренний диаметр чехла , коэффициент теплоотдачи от воздуха к термопреобразователю .

Решение. Погрешность вызываемая отводом тепла по чехлу термопреобразователя, определяется выражением (3.15).Подставляя значения величин, получаем

,

откуда получим       °       и        °С.

 

3.5.2 Погрешности, обусловленные влиянием лучистого теплообмена

При измерении высоких температур газового потока можно считать, что определяющее влияние имеет передача теплоты излучением. Если предположить, что термопреобразователь отдает (воспринимает) теплоту только за счет конвективного   Q_К   и   лучистого   Q_Л   теплообмена,

то при   ,    ,

 

                                                        (3.16)

 

где ;

 - постоянная Стефана-Больцмана;

-приведенный коэффициент теплового излучения при «;

 и  - площадь термопреобразователя и стенки, м;

и - температуры термопреобразователя и стенки, К.

По температуре термопреобразователя и температуре стенки, зная α_k и ε_ПР можно определить температуру измеряемой среды t_C.

Хотя расчет делается для идеализированных условий, он дает возможность оценить порядок погрешности за счет излучения. Теплообмен излучением может быть уменьшен в результате уменьшения ε_ПР. Для этого поверхность термопреобразователя полируют, делая зеркальной. Однако в реальных условиях эта поверхность быстро окисляется и ε_ПР увеличивается. Поэтому этот путь может быть использован только в отдельных случаях.

Повышение температуры стенки за счет ее внешней изоляции также приводит к снижению погрешности за счет лучистого теплообмена. Однако не всегда можно осуществить такую изоляцию. Поэтому одним из способов приближения температуры окружающей термопреобразователь поверхности к температуре среды является применение экранов. Для уменьшения лучистого теплообмена вокруг термопреобразователя располагается двух- или трехслойный экран. Поскольку его температура практически совпадает с температурой газов, то существенно снижается теплообмен излучением.

Задача. Металлический термопреобразователь стоит в газоходе, футерованном огнеупорным кирпичем. Температура термопреобразователя =1420°С, температура стенки газохода °С, коэффициент теплоотдачи от газового потока к термопреобразователю , коэффициент излучения чехла термопреобразователя . Необходимо определить действительную температуру газа t_C, если принять, что погрешность измерения вызвана лучистым теплообменом между термопреобразователем и стенкой.

Решение. Абсолютная погрешность измерения температуры газа за счет теплообмена излучением между термопреобразователем и стенкой определяется выражением (3.16)

 

°С.

Действительная температура газа равна        °С.

 

Контрольные вопросы

 

1        В чем состоит преимущество потенциометричсекого метода измерения   сопротивления термометров сопротивления?

2        Дайте сравнительную характеристику уравновешенных и неуравновешенных  мостов для измерния сопротивления.

3        Чем определяется преимущество трехпроводного подключения термометров сопротивления к мосту по сравнению с двухпроводным?

4        Какие вторичные приборы применяют при измерении температуры термометрами сопротивления?

5        Каков принцип действия логометра?

6        Какие погрешности возникают при контактных методах измерения температуры?

 

 

4 Измерения температуры тел по их излучению

 

4.1 Краткие теоретические сведения

 

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)

 

В таблице 5.1 приведены величины и постоянные, применяемые в пирометрии излучения. 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.

 

Таблица 5.1 - Величина и постоянные, применяемые в пирометрии излучения

Величина или постоянная	Обозначение	Определение
Энергия излучения, Дж	W	Энергия излучения, эквивалентная работе в 1Дж
Поток излучения, Вт		Поток излучения, эквивалентный мощности в 1 Вт
Энергетическая сила света, Вт/ср		Энергетическая сила света, создающая в телесном угле 1ср  поток излучения 1 Вт
Энергетическая яркость, Вт/()		Энергетическая яркость тела, перпендикулярно поверхности которого площадью 1 испускается свет энергетической силой 1 Вт/ср
Спектральная энергетическая яркость, Вт/		Спектральная энергетическая яркость тела, при которой в диапазоне  длин волн 1м равномерно распределена энергетическая яркость 1 Вт/()
Постоянная Планка, Дж·с	Һ	Һ=6,6256 Дж·с
Постоянная Больцмана, Дж/К	k	k=1.38054 Дж/К
Скорость света в вакууме, м/с	с	с=2,997925 м/с
Первая постоянная излучения, Вт·		С=3,7415 Вт·
Вторая  постоянная излучения, м·К		м·К
Постоянная Стефана-Больцмана, Вт/	σ	Вт/

 

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  λ = 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 С₁,С₂ - 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 Т_я, при которой спектральные энергетические яркости реального тела  и абсолютно черного тела  будут равны. Условная температура Т_я называется яркостной температурой тела.

Яркостной температурой Т_я называется условная температура реального тела, численно равная такой температуре абсолютно черного тела, при которой спектральные энергетические яркости абсолютно черного тела при температуре Т_я 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 Т_я, показываемой пирометром. Из формулы видно, что для определения действительной температуры тела по яркостной температуре необходимо знать длину волны λ и коэффициент теплового излучения ε.

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. Изображение

 

Рисунок 4.1

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 (см. 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.

Рисунок 4.2

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. Термоэдс батареи

                                                                     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 отношение 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 светоделитель

Рисунок 4.3

ным фильтром 3.Каждый из фотодиодов

                                                        включен свой измерительный 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.

 

Контрольные вопросы

 

1        Как связаны спектральные энергетические яркости физического  и абсолютно черного тела?

2        Почему при измерении температуры физического тела по излучению измеряются условные температуры?

3        Какие разновидности пирометров вы знаете?

4        Какие соотношения, связывают яркостную и цветовую температуры с истинной температурой физического тела?

5        Какие факторы обеспечивают измерение  монохроматической энергетической яркости в оптических пирометрах?

6        Для каких тел цветовая температура совпадает с истиной?

 

5 Измерение давления, разности давлений

 

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/см²  = 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  P_бар;

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

- под абсолютным давлением P_а понимают давление, которое равно сумме - атмосферного давления  и избыточного     P_а  =   P_бар  + P_цзб ;

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

- 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 (см. 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.

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

Рисунок 5.2

                                                          трубкой (см. 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)

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.

 

г)

Рисунок 5.3 - Упругие чувствительные элементы

 

Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рисунке 5.3: а) трубчатые пружины, б) сильфоны, в), г) плоские и гофрированные мембраны, д) мембранные коробки, е) 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 λ_p = f(р) упругого чувствительного элемента линейна, то жесткость равна отношению давления к соответствующему перемещению λ, а чувствительность упругого элемента представляет собой величину, обратную жесткости  

k_p = р/ λ_p               s_p  =  λ_p / р                                     (5.8)

 

где  k_p - жесткость по давлению в (кгс/см²)/мм (Па/м);

 s_p  - 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

k_p = dр/ dλ_{p  ,}             s_p  =  dλ_p /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

 

 

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

 

неоднозначен и образует так называемую петлю гистерезиса (см. 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 (см. 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 (см. рисунок 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 (см. 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 (см. 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 «0», 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.

Мембранные упругие чувствительные элементы, чаще в виде мембранных коробок, используются в приборах для измерения напора и разрежения. Схема профильного напоромера типа НМП и его внешний вид представлены на рисунке 5.6. Измеряемое давление через штуцер 1 на задней стенке прибора

Рисунок 5.6 - Схема и внешний вид профильного мембранного  напоромера типа НМП

подается во внутреннюю полость мембранной коробки 2. С помощью системы рычагов и тяг 3, изображенных на схеме упрощенно, перемещение центра мембранной коробки преобразуется в пропорциональный угол поворота оси 4, на которую насажена показывающая стрелка 5, перемещающаяся вдоль профильной шкалы 6. Для настройки начального положения показывающей стрелки используется корректор 7, находящийся на лицевой панели. Эти приборы выпускаются так же, как тягомеры и тягонапоромеры. Диапазон измерения приборов достигает 25 кПа в соответствии со стандартным рядом при классе точности 1,5; 2,5. С использованием мембранных чувствительных элементов выпускаются реле (сигнализаторы) напора и тяги типа РД, которые работают в диапазоне от -12 до 12 кПа.

 

5.4 Грузопоршневые манометры

 

В этих приборах измеряемое давление определяется по величине нагрузки, воздействующей на поршень определенной площади. Грузопоршневые манометры имеют высокую точность (0,02; 0,05; 0,2) и широкий диапазон измерения (0,1-250 МПа). Обычно их применяют для градуировки и поверки грузопоршневых манометров.

Грузопоршневой образцовый манометр МП-60 (см. рисунок 5.7), предназначенный для поверки технических манометров с одновитковой трубчатой пружиной состоит из вертикального цилиндра 8 с тщательно пригнанным стальным поршнем 5, на верхнем конце которого закреплена тарелка 7 для укладки образцовых грузов 6, имеющих форму дисков. Воронка 4 служит для заполнения прибора минеральным маслом. Прибор имеет поршневой пресс 1 с манжетным уплотнением. Для установки поверяемых манометров предназначены штуцеры 3 и 10. Игольчатые вентили 2, 9, и 11 служат для перекрытия каналов, вентиль 12 для спуска масла. Создаваемое грузом давление Р = Mg/S, где М - масса поршня с тарелкой и грузом; S - эффективная площадь поршня, за которую принимают сумму площади сечения поршня и половину площади кольцевого

Рисунок 5.7- Схема грузопоршневого         зазора. Предел измерения  прибора

              манометра МП-60                     от 0÷0,6 МПа.

                                                                 

5.5 Электрические манометры

 

В отличие от первичных приборов давления и приборов со встроенными преобразователями(давление–перемещение–унифицированный электрический сигнал) существуют электрические приборы давления, в чувствительных элементах которых происходит прямое преобразование давления в электрический измерительный сигнал.

В электрических манометрах принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления веществ от измеряемого давления. Их называют тензопреобразователями. Тензопреобразователи изготовливают из полупроводников, константана, платины, сплавов меди и никеля. В приборах давления их используют в качестве чувствительных элементов, механически соединенных с мембраной или пружиной прибора, которая деформируется под действием измеряемого давления.

Пьезоэлектрические манометры. Схема пьезоэлектрического манометра представлена на рисунке 5.8. Принцип действия манометров этого типа основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, которая  выре       1                2     3

зается перпендикулярно электрической оси           Рисунок 5.8

кристаллов кварца. Измеряемое давление с

помощью мембраны -1 преобразуется в усилие, сжимающее кварцевые пластины -2. Электрический заряд Q, возникающий на металлизированных плоскостях -3 под действием усилия F со стороны мембраны, определяется выражением 

                                                           Q= k∙F = k∙S∙p

 

где р-давление, действующее на металлическую мембрану-1 с эффективной площадью S;

k- пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н.

 Напряжение на входе усилителя, подключенного к выходу пьезопреобразователя, определяется общей емкостью измерительной цепи С:  

                                                           U = Q/C.

Кварц в отличие от других сегнетоэлектриков, обладающих пьезоэффектом, является механически прочным и имеет высокую жесткость, что исключает влияние упругой характеристики мембраны -1 на коэффициент передачи  пьезоэлектрического преобразователя. В целях повышения чувствительности несколько кварцевых пластин включаются параллельно. Верхний предел измерения давления у этих приборов достигает 100 МПа (1000 кгс/см²).

Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Их чувствительные элементы (сенсоры) представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления.

 

Рисунок 5.9                        Рисунок 5.10                     Рисунок 5.11

 

Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых. В западной литературе тензопреобразователи давления обычно называют пьезопреобразователями, поскольку на греческом языке piezo означает давлю.

Существуют два типа тензопреобразователей: давления и силы. В тензопреобразователях давления (см. рисунок 5.9) измеряемое давление действует непосредственно на мембрану -1, которая связана с электронным блоком -2. При измерении давления в диапазоне 0,4 МПа и выше на мембране с тензопреобразователями диаметром 6.÷.8 мм развиваются усилия, достаточные для ее деформации. На рисунке 5.10 приведен малогабаритный преобразователь давления КРТ с использованием тензопреобразователя.

 

5.6 Методика измерения давления

 

Метод и средства измерений давления выбирают в зависимости от требуемой точности, условий проведения измерений, диапазона измеряемых давлений, способов отбора давления и его подвода к измерительным приборам. При этом имеют в виду точность, которую приборы смогут обеспечить в реальных условиях эксплуатации на ТЭС.

Исходя из надежности работы приборов, конечное значение их шкалы выбирают таким, чтобы оно превышало измеряемую величину при стабильном давлении в 1,5 раза, а при колеблющемся — в 2 раза. В обоих случаях минимальное измеряемое давление должно быть не меньше l/3 диапазона шкалы прибора.

При измерениях давления в трубопроводах 1 агрессивных сред, а также сред, застывающих при обычных температурах воздуха (например, мазут),  местах отбора давления размещают мембранные или жидкостные разделительные сосуды. На рисунке 5.11 приведена схема измерения давления среды установкой разделительных сосудов: а — при плотности агрессивной среды  меньше плотности "нейтральной жидкости", б — при плотности агрессивной  среды больше плотности "нейтральной жидкости".

В мембранном разделительном сосуде 2 внутреннюю полость пружины манометра 3 и пространство до мембраны заполняют специальной жидкостью, при этом жесткость мембраны разделительного сосуда должна быть намного меньше жесткости чувствительного элемента прибора. Мембранные разделители вносят в показания прибора дополнительную погрешность около 1 %. В жидкостных разделительных сосудах применяют нейтральную жидкость, контактирующую с пружиной манометра и с агрессивной средой, давление которой измеряют, при этом плотность жидкости должна существенно отличаться от плотности измеряемой среды.

Показания манометров обеспечивают не только экономичную, но и безопасную работу энергетического оборудования. Большинство приборов подвергаются периодическим поверкам, которые проводятся метрологическими службами.

 

Контрольные вопросы

 

1        Что такое избыточное, вакуумметрическое и абсолютные давления?

2        В чем преимущества однотрубных манометров по сравнению с U-образными манометрами?

3        Какие разновидности упругих чувствительных элементов вы знаете?

4        Как преобразуется измеряемое давление в пружинных и мембранных приборах для измерения давления?

5        Что определяет высокую точность  грузопоршневых манометров?

6        Какие тензопреобразователи используются в приборах, измеряющих давление?

7        Какие устройства используются для защиты манометров от действия высоких температур и агрессивных сред?

 

6 Измерения уровня

 

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)

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

Рисунок 6.1

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)

Рисунок 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	Рисунок 6.4

 

 

 

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.

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 :

.                            (6.6)

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

.         (6.7)

 

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).

 

6.4 Другие способы измерения уровня и измерение уровня сыпучих тел

 

6.4.1 Емкостные уровнемеры.

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимости электрической емкости первичного преобразователя, введенного в жидкость, от ее измеряемого уровня. Емкость преобразователя определяют как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован жидкостью и частью электродов, погруженных в нее, а второй - остальной частью электродов и газовым объемом. Емкостные уровнемеры служат для измерения уровня жидкостей с давлением до 6 МПа и температурой от (–)40° до +200°С. Конструкция уровнемеров зависит от электрической проводимости жидкостей. В случае электропроводных жидкостей удельное сопротивление r≤10⁵÷10⁶ (Ом-м) электроды первичного преобразователя покрывают изоляцией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Рисунок   6.5 - Схема                               Рисунок 6.6 - Емкостный  

            емкостного уровнемера                                        уровнемер Kotron 

 

Форма электродов может быть различной, чаще всего используют цилиндрические электроды, занимающие весь объем жидкости и газового пространства. Схема емкостного уровнемера для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей показана на рисунке 6.5,а.

 Преобразователь выполнен в виде цилиндрического конденсатора с двумя коаксиально расположенными электродами 2 и 3, опущенными в сосуд 1. На рисунке 6.5, б изображена эквивалентная электрическая схема замещения, в которую входят емкости С₁ (уровня жидкости h между электродами 2 и 3), С₂ (газового пространства между электродами 2 и 3), Си (проходного изолятора 4) и активное сопротивление R_и. Емкость С₂ зависит от уровня h и диэлектрической проницаемости ε жидкости, которая может изменяться с увеличением её температуры и изменением состава. Для устранения влияния диэлектрической проницаемости ε на уровень h используют компенсационный конденсатор, который целиком погружен в жидкость, вследствие чего его емкость (С) зависит только от ε. Изменение емкости компенсационного конденсатора используется в измерительной схеме уровнемера в качестве корректирующего сигнала. При наличии активного сопротивления R_и в выходном сопротивлении Z_пр (см. рисунок 6.5,б) в измерительной схеме уровнемера появляется сигнал помехи, который вызывает фазовое искажение полезного сигнала.

Электрическую емкость в уровнемерах измеряют с помощью резонансных и мостовых схем. Резонансные схемы применяют в емкостных сигнализаторах уровня жидкости и сыпучих веществ, а мостовые схемы – в уровнемерах, работающих в комплекте со вторичными показывающими приборами.

Диапазон измерения уровнемеров зависит от типа преобразователя и составляет от 1 до 20 м; допускаемая основная погрешность – 2,5%. Недостатками емкостных уровнемеров являются невозможность изменения уровня вязких, пленкообразующих, кристаллизирующихся жидкостей, а также высокая чувствительность к изменению диэлектрических свойств жидкости и емкости измерительных проводов.

Внешний вид современного емкостного уровнемера приведен на рисунке 6.6.

Kotron – измерительный преобразователь уровня с двух проводным питанием по токовой петле. Один из самых экономичных измерительных преобразователей уровня на данный момент. Используя самые современные технологии, Kotron показывает стабильные и точные измерения в широком спектре жидкостей. Использование современных технологий позволяет добиться стабильных и точных результатов.

Принцип работы: В результате изменения уровня жидкости изменяется емкость между чувствительным зондом и землей (стенки резервуара). Это изменение емкости преобразуется в соответствующий выходной сигнал 4÷20мА.

Применение: постоянное измерение уровня; измерение границы раздела сред; чистые и «грязные» жидкости; коррозийные жидкости; высокотемпературные жидкости; в пищевой и химической промышленности.

 

6.4.2 Ультразвуковой уровнемер

В ультразвуковом уровнемере используется импульсный способ измерения уровня по отражению ультразвуковых колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости. Мерой уровня жидкости h в этом случае является также время прохождения ультразвуковых колебаний t от пьезометрического преобразователя (излучателя) до плоскости границы раздела сред (жидкость — газ) и обратно до приемника. Время прохождения ультразвуковых колебаний t определяется выражением

                                                    

где а - скорость распространения звука в жидкости.

Пауза t_а между двумя последовательными посылаемыми импульсами определяется выражением

.

Схема ультразвукового уровнемера приведена на рисунке 6.7. Уровнемер состоит из пьезометрического преобразователя 1, электронного блока 7 и вторичного прибора 5. Электронный блок включает в себя генератор 6, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 2, посылаемых в жидкость, уровень которой измеряется; приемного устройства — усилителя 3; схемы измерения времени 4. Генератор, задающий частоту повторения импульсов, управляет работой генератора импульсов и схемой измерения времени. Генератор 2 вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения. Импульсы преобразуются в ультразвуковые при помощи пьезометрического преобразователя, который установлен с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от плоскости границы раздела жидкость — газ и поступают на тот же пьезометрический преобразователь. Отраженные импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются и формируются усилителем S и подаются на схему измерения времени. Выходным сигналом измерительной схемы являются постоянное напряжение, которое поступает на вход вторичного прибора 5. В качестве вторичного прибора может быть использован автоматический потенциометр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.7 - Схема                                    Рисунок 6.8 - Ультрозвуковой

 ультразвукового уровнемера                                        уровнемер ULM-55

 

Предел допускаемой основной погрешности ультразвукового уровнемера не превышает 2,5% диапазона измерения уровня жидкости.

Внешний вид современного ультразвукового уровнемера приведен на рисунке 6.8. Прибор предназначен для измерения уровня жидких сред (в том числе грязных) пастообразных веществ в открытых или закрытых резервуарах. В уровнемер используется принцип "Эхолота" - измеряется время прохождения ультразвука до среды. Полностью аналоговая электроника позволяет добиться высокого разрешения. Низкая стоимость позволяет широко использовать данный уровнемер в системах водоснабжения и водоочистки.

Особенности:

- выходной сигнал 4-20мА, питание 12-30VDC;

- двухпроводное подключение;

- диапазон измерений от 2 до 10м;

- точность от 0,3%;

- температурный диапазон от (–)30С до +70С;

- встроенная температурная компенсация;

- искробезопасное исполнение.

 

6.4.3 Измерение уровня сыпучих материалов

Измерение уровня сыпучих тел в бункерах и других устройствах значительно отличается от измерения уровня жидкостей, так как характер расположения материала в объекте не позволяет говорить о его уровне как о горизонтальной поверхности. Большое разнообразие материалов, уровень которых необходимо измерять в энергетике и промышленности, требует применения различных методов и  конструкций уровнемеров.

Отрицательными качествами сыпучих материалов является способность к налипанию и абразивное воздействие. Усложняет работу уровнемеров запыленность газового пространства, что влияет на электрические свойства среды.

Рисунок 6.9- Схема лотового уровнемера сыпучих материалов

Пример использования уровнемера для измерения уровня сыпучих материалов является лотовый (см. рисунок 6.9). Чувствительным элементом таких уровнемеров представляет массивное тело — лот 1, подвешенное на гибком тросе 2. В начале цикла измерений лот зафиксирован в предельном верхнем положении. Цикл измерения уровня начинается с момента растормаживания лота, при этом под действием собственного веса лот начинает опускаться. В этот же момент сигнальным устройством 3, реагирующим на натяжение троса, включается отсчетное устройство 4, регистрирующее смещение лота относительно первоначального предельного положения. В момент касания лотом поверхности натяжение троса уменьшается и

                                                 сигнальное устройство отключает отсчетное

                                                 устройство, одновременно включая механизм

                                                  подъема лота 5, возвращающее лот в

                                                  исходное положение, после чего цикл измерения повторяется. Показания отсчетного устройства позволяют определить текущее значение уровня. Перед началом следующего цикла измерения показания отсчетного устройства должны быть сброшены. По такой схеме работает уровнемер сыпучих тел УСТ-2 (пределы измерения 0...25 м, основная относительная погрешность ±2,5 %).Возможен бесконтактный вариант лотового уровнемера. В схеме такого уровнемера чувствительный элемент — лот не касается поверхности материала, а при любом уровне удерживается на определенном расстоянии от поверхности.

 

Контрольные вопросы

 

1        Какие виды уровнемеров вы знаете?

2        Как работают водомерные стекла и какие основные погрешности характерны для них?

3        Как устроен поплавковый уровнемер?

4        Для чего нужен уравнительный сосуд при измерении уровня дифманометрами?

5        Почему изменяется емкость между электродами в зависимости  от уровня?

6        Чем отличаются емкостные уровнемеры для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей?

7        Где размещаются источник и приемник ультразвуковых волн при измерении уровня?

8        Каковы причины недостоверности показаний прибора, измеряющего уровень сыпучих веществ?

 

7 Измерение расхода жидкостей, газов и пара

 

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 (см. 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

прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц

 

 

 

 

 

 

 

а)                           б)                         в) Рисунок 7.1 - Стандартные сужающие устройства

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 (см. 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 (см. 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

Рисунок 7.2

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)

 

где  и - поправочные коэффициенты на неравномерность распределения скоростей в сечениях А и В,;

, - средние скорости потока в сечениях А, В.

Рисунок 7.2

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 получить 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 (7.3), 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, поэтому для учета реальных условий в уравнение (7.5) вводится ξ – коэффициент, учитывающий вязкость и трение жидкости о стенки. В этом случае уравнение принимает вид

, и учитывая, что Q= ρ и  = 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 выражения вида

,                                         (7.8)

,                                                     (7.9)

где , Па.

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/ч) или газов (верхние пределы от 0,05 до 600 м³/ч) в вертикальных трубопроводах диаметром 3...150 мм.

В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную стеклянную трубку 1 (см. 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        .                                     (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. При

а)                                              б) Рисунок 7.4

 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 струевыпрямители 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 (см. рисунок 7.4,а) и тангенциальные (см. 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; 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 агрессивных, абразивных и вязких жидкостей, пульп, жидких металлов. 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.), расположен между полюсами электромагнита. Через стенку трубы изолированно от нее по диаметру введены электроды 3, находящиеся в электрическом

Рисунок 7.5

                                                      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.

Рисунок 7.6

Расходомер 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.

Рисунок 7.7

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 система теплоснабжения. Она является закрытой, когда количество теплоносителя в системе остается постоянным, если количество         теплоно-

                                                   сителя меняется из-за отпуска                                                   теплоносителя на нужды горячего теплоснабжения, подпитку системы, 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.

 

Контрольные вопросы

 

1        Какова область применения, достоинства и недостатки расходомеров переменного перепада давления?

2        Какие типы сужающих устройств вы знаете?

3        Каковы требования, предъявляемые к установке дифманометра при измерении расхода жидкостей и газов?

4        Какова область применения, достоинства и недостатки расходомеров постоянного перепада давления?

5        Какие силы обеспечивают нахождение в потоке поплавка во взвешенном состоянии?

6        Охарактеризуйте область применения тахометрических расходомеров?

7        Каковы достоинства и недостатки ультразвуковых расходомеров?

8        Какие функции выполняют теплосчетчики?

 

8 Методы и средства анализа состава газов

 

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 расширились производство и использование газоанализаторов. Они предназначены 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 млн‾¹ (ррm), составляющая одну часть на миллион частей анализируемого газа или 0,0001 %, и млрд‾¹  (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.

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

Принцип действия объемных химических газоанализаторов рассматривается на примере газоанализатора ГХП-2 (см. 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).

 

Газ

 

Рисунок 8.1- Схема газоанализатора ГХП-2

 

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 с_i 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 (см. рисунок 8.2). Если теплоотдача от проводника к стенкам камеры в основном осуществляется в результате теплопроводности, то имеет место следующая зависимость:

Q = 2πℓ λ (t_п - t_с ) / ln(D/d)                                               (8.4)

 

где (Q - количество теплоты, отдаваемой проводником;

ℓ,d - длина и диаметр проводника;

D - диаметр камеры;

λ - теплопроводность смеси газов;

t_с,t_п,-температуры проводника и стенок камеры.

 

При постоянстве отдаваемой проводником теплоты Q и температуры стенок камеры t_с, 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). Схема двух типов рабочих чувствительных элементов из платиновой проволоки

Рисунок 8.2

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 (см. рисунок 8.2,а) либо остеклованная 4 (см. 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, NН₃, 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 NО 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)

б)

На рисунке 8.3 представлены схема чувствительного элемента, применяемого в газоанализаторах типа МН, ГТМ (рисунок 8.3,а), и размещение его между полюсами магнита (рисунок 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.

 

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, NН₃, 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 8.4-а,б. 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 (см. рисунок 8.4,б), содержащей три компонента А, В и С, первым выносится наименее сорбируемый газ А, а последним - хорошо сорбируемый С.

 

 Анализируемый   

               газ

 

                           3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газ- носитель

 

 

Проба газа            Разделительная колонка                                             б)

               

                                                

 

Рисунок 8.4 - Принципиальная схема газового хроматографа

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. 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.

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.

 

8.7 Анализ состава водных растворов

 

Экономная и безаварийная работа основного и вспомогательного оборудования на ТЭС во многом зависит от качества питательной и добавочной химически обессоленной воды, а также качества насыщенного пара. Ухудшение качества воды и пара вызывает содержание солей натрия, кальция, магния, кремниевой кислоты, растворенного кислорода, ионов водорода (величина рН), характеризующих кислотные и щелочные свойства воды. При наличии этих примесей в питательной воде котлоагрегатов возникают коррозия металла труб, накипеобразование и выпадение шлама, что ухудшает теплоотдачу к воде и может вызвать пережог труб со стороны продуктов сгорания топлива.

Для определения концентрации солей в питательной воде и паре на ТЭС применяют солемеры, которые градуируются в единицах условного солесодержания. Принцип действия солемеров основан на измерении меняющейся в зависимости от солесодержания электрической проводимости жидкости или пара.

Качество питательной воды характеризуется не только солесодержанием, но и ее кислотностью или щелочностью. Кислотность или щелочность воды определяют по измерению активной концентрации ионов водорода, измерительные приборы называют рН-метрами.

 

Принцип измерения величины рН. Для измерения величины рН используется потенциометрический метод анализа, который основан на использовании зависимости электрического сигнала (потенциала) специального датчика, называемого измерительным электродом, от состава анализируемого раствора. Измерительный электрод реагирует на ионы водорода, а его потенциал зависит от содержания этих ионов в растворе и подчиняется уравнению Нернста:

                                 E - E_o+ R∙T/F∙ℓn а_н  =  E_o – 2,3R∙T/F∙рН    

где R - универсальная газовая постоянная;

Т   - температура раствора, К;

F - 96000 кулон/г экв (число Фарадея );

а_н - активность ионов водорода в растворе;

рН - величина рН раствора;

Е_о - потенциал стеклянного электрода по отношению к стандартному водородному электроду при а_н=1.

Абсолютную величину потенциала в настоящее время измерить невозможно, однако можно измерить потенциал относительно другого электрода, потенциал которого не зависит от состава раствора и условно равен нулю. Такой электрод называется электродом сравнения или вспомогательным электродом.

Таким образом, измерения всегда проводятся при помощи двух электродов: измерительного и электрода сравнения. Кроме того, в настоящее время существуют комбинированные электроды, которые в одном корпусе содержат оба электрода и измерительный, и сравнительный.

Рассмотрим измерительную систему со стеклянными измерительным и вспомогательным электродами, схема которой приведена на рисунке 8.5.

При погружении электрода в раствор между поверхностью шарика 1 стеклянного электрода и раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода, и стеклянный электрод приобретает свойства водородного электрода. Между поверхностью стекла и контролируемым раствором возникает разность потенциалов Е_Х, величина которой определяется активностью ионов водорода в растворе и его температурой. Для создания электрической цепи при измерении применяются контактные электроды: внутренний контактный электрод 3, осуществляющий электрический контакт с раствором, заполняющим внутреннюю часть стеклянного электрода, и внешний контактный электрод (вспомогательный электрод) 4, осуществляющий электрический контакт с контролируемым раствором.

Для защиты от воздействия высоких температур (при измерении рН растворов, температура которых выше температуры окружающего воздуха) вспомогательный электрод помещают вне контролируемого раствора и связь с ним осуществляется с помощью электролитического ключа 5 - трубки, наполненной раствором хлористого калия и заканчивающейся пробкой со стеклянным волокном 6.

 

Рисунок 8.5 - Схема измерения величины рН раствора

 

Раствор хлористого калия непрерывно просачивается через стеклянное волокно пробки, предотвращая проникновение из контролируемого раствора в систему электрода 4 посторонних ионов, которые могли бы изменить величину потенциала электрода. Электродвижущая сила электродной системы равна алгебраической сумме потенциалов контактов электродов Е_К и Е_ВСП потенциала, возникающего на внутренней поверхности стеклянного электрода и определяемого величиной рН внутреннего раствора Е_ВН и потенциала, возникающего на наружной поверхности стеклянного электрода Е_К.

Величины Е_К, Е_ВСП, и Е_ВН не зависят от состава контролируемого раствора и меняются только при изменении температуры

 

Е = Е_К + Е_ВСП + Е_ВН + Е_Х = Е₀ – 2,3·R∙T/F∙pH.

 

Суммарная электродвижущая сила электродной системы зависит от величины рН раствора. Измеряя ЭДС электродной системы с помощью милливольтметра, шкала которого градуирована в единицах рН, определяют величину рН контролируемого раствора.

 

Контрольные вопросы

 

1        Какие виды газоанализаторов  вы знаете?

2        Каков принцип действия объемных химических газоанализаторов?

3        На чем основана работа термокондуктометрического газоанализатора?

4        Опишите работу газового хроматографа?

5        Что такое солемеры и каков принцип их действия?

6        Как определяют активную концентрацию ионов водорода?

7        Каков принцип измерения величины рН водных растворов?

Приложение 1

Классификация методов измерений

 

 

 

 

 

 

 

 

Мера − средство измерений, предназначенное для воспроизведения и(или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Метод сравнения с мерой − метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод измерений − метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры доводят до нуля.

Метод измерений замещением − метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Дифференциальный метод измерений − метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, при котором измеряется разность между этими двумя значениями.

 

 

 

 

Приложение 2

Классификация средств измерений

 

 

Приложение 3

Основные постоянные точки МПТШ-68

 

Состояние равновесия	Присвоенные значения температуры по термоди намической шкале
	Т, К	t, °С
1 Равновесие между твердой, жидкой и газообразной фазами водорода (тройная точка водорода)   2 Равновесие между жидкой и газообразной фазами водорода при давлении 33 330,6 Па   (25/76 нормального атмосферного давления)   3 Равновесие между жидкой и газообразной фазами водорода (точка кипения водорода)   4 Равновесие между жидкой и газообразной фазами неона  (точка кипения неона)   5 Равновесие между твердой, жидкой и газообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода)   6 Равновесие между жидкой и газообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода)   7 Равновесие между твердой, жидкой и газообразной фазами воды (тройная точка воды)   8 Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды  (точка кипения воды)   9 Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка)   10 Равновесие между твердой и жидкой фазами серебра  (точка затвердевания серебра)   11 Равновесие между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота)	13,81     17,042   20,28   27,102   54,361   90,188     273,16   373,15   692,73   1235,08   1337,58	-259,34     -256,108   -252,87   -246,048   -218,789   -182,962     0,01   100   419,58   961,93   1064,43

 

  

Список литературы 

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

2        Иванова Г.М., Кузнецова Н.Д., Чистяков И.С. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Издательство МЭИ, 2005. -460 с.

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

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

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

6        Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям и приборам. - М.: Энергия, 1985. -328 с.

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

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

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

10   Справочник инженера по контольно-измерительным приборам и автоматике. Под. ред. А.В Калиниченко.- М.: Издательство «Инфра-Инженерия», 2008.-576 с.

11   Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. – 4-е изд., перераб. и доп.–Л.: Машиностроение, 1989.

12   Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Т2: Справочник. Теплоэнергетика и теплотехника.–М.: Издательство МЭИ, 2001.

 

 

 

Содержание 

Введение                                                                                                          4

1     Общие сведения о средствах измерений                                                       4

1.1 Понятие об измерениях. Виды измерений                                             4

1.2 Средства измерений                                                                                  5

1.3 Погрешности измерения                                                                           8

1.4 Метрологические характеристики средств измерений                        10

2 Измерение температуры                                                                                    12

2.1 Основные сведения о температуре и температурных шкалах            13

2.2 Средства измерения температуры                                                         15

2.3 Термометры расширения                                                                        17

2.4 Термоэлектрический метод измерения температуры и термоэле-

              тродные материалы                                                                                 21

2.5 Прямой метод измерения термоэдс. Компенсационный метод       измерения термоэдс                                                                                       27

2.6 Лабораторные и автоматические потенциометры                                32

3     Термометры сопротивления. Мостовые и потенциометрический методы

       измерения сопротивлений термометров сопротивления                            36

3.1 Общие сведения                                                                                       36

3.2 Конструкция  термопреобразователей сопротивления и их виды      36

3.3 Средства измерения и преобразования термосопротивлений             39

3.4 Логометры                                                                                                 43

3.5 Погрешности при измерении температуры контактными методми   44

4     Измерения температуры тел по их излучению                                            48

4.1 Краткие теоретические сведения                                                            48

4.2 Монохроматические пирометры                                                             49

4.3 Пирометры полного излучения и частичного излучения                     51

4.4 Пирометры спектрального отношения                                                   53

5      Измерение давления, разности давлений                                                     55

5.1 Общие сведения                                                                                        55

5.2 Жидкостные манометры и дифманометры                                            56

5.3 Деформационные манометры                                                                  59

5.4 Грузопоршневые манометры                                                                   62

5.5 Электрические манометры                                                                      63

5.6 Методика измерения давления                                                                65

6      Измерения уровня                                                                                          66

6.1 Введение                                                                                                    66

6.2 Уровнемеры с визуальным отсчетом                                                     67

6.3 Гидростатические уровнемеры                                                               67

6.4 Другие способы измерения уровня и измерение уровня

      сыпучих тел                                                                                               70

7      Измерение расхода жидкостей, газов и пара                                               74

7.1 Общие сведения                                                                                        74

7.2 Краткая теория измерения расхода по перепаду давления в

      сужающих устройствах                                                                            75

7.3 Расходомеры постоянного перепада давления                                      80

7.4 Тахометрические, индукционные, ультразвуковые расходомеры       82

8      Методы  и средства анализа состава газов                                                   86

8.1 Общие сведения о методах анализа состава газов                                 86

8.2 Химические газоанализаторы                                                                  88

8.3 Тепловые газоанализаторы                                                                      89

8.4 Магнитные газоанализаторы                                                                    91

8.5 Оптические газоанализаторы                                                                   92

8.6 Хроматографические газоанализаторы                                                   93

8.7Анализ состава водных растворов                                                            95

Приложения                                                                                                             98

Список литературы                                                                                               101

Содержание                                                                                                            102