Термоэлектрические первичные преобразователи: теоретические основы работы; наиболее распространенные типы термопар, их характеристики, особенности эксплуатации, диапазоны измерений и точность.

Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки жидкостных манометров.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Механические и жидкостные манометры:

1. Жидкостные, в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты;

2. Деформационные, в которых измерение давления определяется по величине деформации различных упругих, чувствительных элементов или по развиваемой ими силе (пружинные, мембранные и сильфонные).

Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то выходной сигнал первичного механического преобразова­теля в виде силы или перемещения преобразуется в унифицированный электрический сигнал.

В отличие от манометра датчик давления предназначен для преобразования, а не измерения давления. Основными отличиями одних датчиков от других являются пределы изме­рений, динамические и частотные диапазоны, точ­ность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, мас­согабаритные характеристики, которые зависят от принципа пре­образования давления в электрический сигнал.

3. электрические датчики давления, пер­вичные преобразователи которых бывают тензометрическими, пьезорезистивными, емкостными, индуктив­ными, резонансными, ионизационными.

Одними из первых появились жидкостные датчики давления прямого действия, использующие принцип измерения высоты столба жидкости в закрытом с одного конца сосуде (стеклянной трубке) в зависимости от давления среды, прила­гаемого с другой стороны трубки.

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, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по положению которого определяется значение из­меряемого давления. Эти приборы используются в лабораторной практике и в некоторых отраслях промышленности.

Существует группа жидкостных манометров и дифманометров, в которых уровень рабочей жидкости непосред­ственно не наблю­дается. Изменение последнего вызывает перемещение поплавка или изменение характеристик другого устройства, обеспечивающих либо непосредственное показание измеряемой величины с помощью отсчетного устрой­ства, либо преобразование и передачу ее значе­ния на расстояние (поплавковые манометры).

Стеклянные жидкостные датчики дифференциального давления/ разрежения обладают неоспоримыми преимуще­ствами – очень малой стоимостью и наглядностью показаний. Но данные приборы, к сожалению, практически невоз­можно подключить к системам АСУ ТП. Их использование в системах защит и сигнализации весьма проблематично, точность измерений невысока. В связи с этим приборы данного типа чаще всего используются в качестве индикаторов на небольших котельных и вспомогательных производствах предприятий для индикации небольших давленийразрежений в топках, технологических процессах, сливных коллекторах, слабона­порных трубопроводах.

Для измерения давления и разности давлений используют двухтрубные манометры и дифманометры с видимым уровнем, часто называемыми U-образными.

Для повышения точности отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные) манометры.

У однотрубного манометра одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряе­мых давлений. Трубка, при­крепленная к шкальной пластинке, является измерительной и сообщается с атмосферой, при измерении разности давлений к ней под­водится меньшее из давлений. Рабочая жидкость заливается в манометр до нуле­вой отметки. Измерение в однотрубных манометрах высоты только одного столба рабочей жидкости приводит к сниже­нию погрешности считывания, которая с учетом погрешности гра­дуировки шкалы не превышает  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.

В качестве рабочей жидкости используются вода, ртуть, спирт, трансформаторное масло. Таким образом, в жидкост­ных маномет­рах функции чувствительного элемента, воспринимающего изменения изме­ряемой величины, выполняет рабочая жидкость, выходной величиной яв­ляется разность уровней, входной — давление или разность давлений. Кру­тизна статической характеристики зависит от плотности рабочей жидкости.

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.

 Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа используются микроманометры, которые являются разновид­ностью одно­трубных манометров и снабжены специальными при­способлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств.

К группе жидкостных приборов относятся также поплавковые ма­нометры. По принципу действия поплавковый ма­нометр подобен ча­шечному манометру с той разницей, что для измерения давления ис­пользуется изменение уровня жид­кости не в трубке, а в чашке. В чашке плавает поплавок, который перемещается вместе с изменением уровня жидкости. Перемещение поплавка посредством того или иного переда­точного устройства преобразуется в перемещение показыва­ющей стрелки по шкале, а также может быть использовано для регистра­ции измеряемой величины и для целей телеизме­рения, сигнализации и автоматического регулирования.

 

 

Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки манометров с упругими чувствительными элементами.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Действие манометров с упругими чувствительными элементами основано на использовании деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов, воспринимающих измеряемое давление и преобразующих его в перемещение или усилие, либо преобразование линейного перемещиния в электрический сигнал. В качестве упругих чувствительных элементов используются трубчатые пружины, мембраны, сильфоны. Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды. С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие, это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее смещению. Процесс изменения статической характеристики ускоряется при повышенной температуре и пульсации измеряемого давления. Конструкция деформационных манометров и дифманометров обычно предусматривает возможность коррекции отклонений показаний или выходного сигнала, вызванных старением упругого чувствительного элемента.

 

 

3. Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки индукционных и тензометрических датчиков давления.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Недостатком механических датчиков давления была необходимость привязки датчика к месту отбора импульса давления. Так, для отображения информации на щитах управления необходимо было прокладывать импульсные линии от точек отбора к операторской, что не всегда было возможно. Появлялись ограниения как по длине импульсных линий (при большой длине линий возникали погрешности передачи импульсов дав­ления), так и по составу рабочих сред.

Выхо­дом из ситуации стало создание индукционных датчиков давления и дифференциального давления. Суть данного метода измерений состоит в следующем. С мембраной или трубчатой пружиной, воспринимаю­щей давление среды посредством механических устройств, связан дифференциальный трансформатор, пе­ремещение сердечника которого вызывает эквивалентное изменение напряжения на выходе трансформа­тора. Так появились индукционные датчики давления с электрической дифференциально-трансформаторной системой.

Тензометрические датчики давления (дифференциального давления) С изобретением тензорезистора на­стала эра тензометрических датчиков давления. Тензорезисторы (пьезорезисторы) могут быть двух основ­ных типов:

1. Тонкопленочный полупроводниковый резистор на  сапфировой подложке (КНС – “кремний на сап­фире”), сопротивление которого изменяется от величины приложенного усилия деформации подложки;

2. Проволочные тензорезисторы или тензорезисторы в виде фольги (константин, манганин). Прово­лока закрепляется на бумажной подложке. Подложка прикрепляется к деформируемой под действием давления диафрагме.

Коэффициент тензочувствительности полупроводниковых кремниевых тензорезисторов во много раз пре­вышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Кроме того кремниевые тензоре­зисторы очень компактны. Основное достоинство приборов давления стензопреобразователями - использо­вание малых деформаций чувствительных элементов, что повышает их надежность и стабильность харак­теристик, а также обеспечивает виброустойчивость. При осуществлении тщательной температурной компен­сации предельная приведенная погрешность приборов составляет ±0,075 %, ±0,1 %.

Недостатком преобразователей этого типа особенно низкопредельных является значительный темпера­турный коэффициент, составляющий около 0,1 %/°С. В связи с этим во всех преобразователях произво­дится температурная компенсация, которая исходит из индивидуальных температурных характеристик каж­дого прибора.

Промышленностью предприятий стран СНГ и зарубежья освоен выпуск датчиков давления, разреже­ния на диапазоны давлений до 160 МПа с приведенной погрешностью измерения до 0,1 % и дифференциаль­ного давления на диапазоны перепада давлений от 0,04 до 630 кПа с приведенной погрешностью измерения до 0,075 %.

Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров, принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки пьезорезистивных датчиков давления.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Пъезорезистивные датчики это тензометрические датчики давления на основе кремниевых мембран, полученных методами микротехнологий.

Мембрана - это тонкая диафрагма, так как толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в200 раз). Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом кремниевых преобразователей в виде резисторов. Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается механическое напряжение, вследствие пьезорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину ∆R,  что приводит к изменению выходного напряжения датчика. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости,в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже привысоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника.

Таким образом, в пьезорезистивных (тензорезистивных на основе кремниевых мембран) датчиках

чувствительным элементом, преобразующим механические напряжения в колебания электрического тока или изменение сопротивления, являются пластины из монокристаллического кремния с встроенными тензорезисторами. Российские производители используют аббревиатуру "кремний-на-кремнии" (КНК)для определения таких датчиков.

Конструкционно они бывают двух типов:

• Датчики давления и дифференциального давления используют ранее отработанную конструкцию механической мембраны с установленным на ней  чувствительным элементом – пьезорезистором (тензорезистором) в виде монокристалла кремния. Пьезорезистор (тензорезистор) КНКвключен в диагональ измерительного моста. Напряжение разбаланса с диагонали моста усиливается высокоточным дифференциальным усилителем и в виде унифицированного токового сигнала (например, 4…20 мА) поступает на выход датчика.

• Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost (дешевые) - решения, основанные на использовании чувствительныхэлементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем. Для измерения агрессивных сред и большинствапромышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.

Малогабаритные пьезорезистивные датчики давления жидкости в индустриальном исполнении производства американской компании Honeywell, применяются во многих высокотехнологичных отраслях

производства. Их отличают широкий диапазон измеряемых величин и рабочих температур, прецизионная точность измерения, разнообразие корпусных исполнений и возможность работы в агрессивных средах.

 

 

Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров, принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки резонансных и емкостных датчиков давления.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Фирмой «Якогава» разработаны частотные датчики с кремниевыми резонаторами (наподобие кварцевых резонаторов). Сам кремниевый резонатор рас­полагается на механической измерительной кремниевой мембране, упругие деформа­ции которой приводят к изменению его параметров и, соответственно, к изменению генерируемой частоты. Это значение измеряется микропроцессорным контроллером (МПК), обеспечивающим выдачу результатов измерений в виде унифицированного токового сигнала или в цифровой форме по протоколу HARTна выход датчика.

Данному типу датчиков присущи те же недостатки что и тензорезистивным (пьезорези­стивным) датчикам, – размещение резонатора на мембране и возможность егоусталост­ного разрушения в процессе эксплуатации.

Одно из преимуществ состоит в том, что "кремниевый резонатор" является чисто цифровым сенсором (из инструментальной погрешности прибора исключена составляю­щая, приходящаяся на аналого-цифровое преобразование) - деформация сразу преобразу­ется в частоту в отличие от емкостного и пьезорезистивного датчиков, где промежуточ­ный аналоговый параметр обязательно присутствует (деформация-емкость-частота, де­формация - сопротивление -частота).

Этот факт, вкупе с чисто линейной зависимостью частоты резонатора от давле­ния, дает преимущество "кремниевому резонатору", так как для достижения более высокой точности требуется только увеличить точность калибровки, а перестройка шкалы не требует подстройки нуля и калибровки, обязательных для емкостного и пьезорезистивного датчиков.

Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меняет ем­кость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих характеристик из-за от­сутствия деформируемых тензорезисторов (пьезорезисторов) или кремниевых резонато­ров на поверхности мембраны (кремниевой диафрагмы). Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возмож­ным проведение прямой оцифровки результатов измерений. В то время как для диафрагм используемых в пьезорезитивных датчиках, необходимо обеспечивать максимальное ме­ханическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных датчиках существенным яв­ляется перемещение их центральной части. Диафрагмы в емкостных датчиках могут быть защищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для дифференциальных датчиков давления).

Фирмой АВВ разработаны частотные ёмкостные датчики, принцип работы которых основан на измерении частоты генерации колебаний резонанс­ным генератором.

 

 

Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки расходометров переменного и постоянного перепада давления.

Расходомеры переменного перепада давлений :

Действие этих расходомеров основано на возникновении перепада давлений на сужающем устройстве в трубопроводе при движении через него потока жидкости или газа. При изменении расхода Q величина этого перепада давлений р также изменяется.

 Для некоторых сужающих устройств как преобразователей расхода в перепад давлений коэффициент передачи определен экспериментально и его значения сведены в специальные таблицы. Такие сужающие устройства называются стандартными.

Наиболее простым и распространенным сужающим устройством является диафрагма Стандартная диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым отверстием в центре. От стойкости диафрагмы и особенно входной кромки отверстия существенно зависит ее коэффициент передачи. Поэтому диафрагмы изготовляют из материалов, химически стойких к измеряемой среде и устойчивых против механического износа. Кроме диафрагмы в качестве стандартных сужающих устройств применяют также сопло Вентури, трубу Вентури, которые создают меньшее гидравлическое сопротивление в трубопроводе.

Сужающее устройство расходомера переменного перепада давлений является первичным преобразователем, в котором расход преобразуется в перепад давлений.

Промежуточными преобразователями для расходомеров переменного перепада давлений служат дифманометры. Дифманометры связаны с сужающим устройством импульсными трубками и устанавливаются в непосредственной близости от него. Поэтому в расходомерах переменного перепада давлений обычно используют дифманометры, снабженные промежуточным преобразователем для передачи результатов измерений на щит оператора (например, мембранные дифманометры ДМ).

Так же как при измерении давления и уровня, для защиты дифманометров от агрессивного воздействия измеряемой среды применяют разделительные сосуды и мембранные разделители.

Особенностью первичных преобразователей расходомеров переменного перепада давлений является квадратичная зависимость перепада давлений от величины расхода. Чтобы показания измерительного прибора расходомера линейно зависели от расхода, в измерительную цепь расходомеров переменного перепада давлений вводят линеаризующий преобразователь. Таким преобразователем служит, например, блок линеаризации в промежуточном преобразователе НП-ПЗ. При непосредственной связи дифманометра с измерительным прибором (например, КСД) линеаризация производится в самом приборе с помощью лекала с квадратичной характеристикой.

Расходомеры постоянного перепада давлений

Расход жидкости или газа можно измерять и при постоянном перепаде давлений. Для сохранения постоянного перепада давлений при изменении расхода через сужающее устройство необходимо автоматически изменять площадь его проходного сечения. Наиболее простой способ — автоматическое изменение площади проходного сечения в ротаметре.

Ротаметр представляет собой вертикальную конусную трубку, в которой находится поплавок. Измеряемый поток Q проходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и после поплавка. Этот перепад давлений, в свою очередь создает подъемную силу, которая уравновешивает вес поплавка.

Если расход через ротаметр изменится, то изменится и перепад давлений. Это приведет к изменению подъемной силы и, следовательно, к нарушению равновесия поплавка. Поплавок начнет перемешаться. А так как трубка ротаметра конусная, то при этом будет изменяться площадь проходного сечения в зазоре между поплавком и трубкой, в результате произойдет изменение перепада давлений, а следовательно, и подъемной силы. Когда перепад давлений и подъемная сила снова вернутся к прежним значениям, поплавок уравновесится и остановится.

Таким образом, каждому значению расхода через ротаметр Q соответствует определенное положение поплавка. Так как для конусной трубки площадь кольцевого зазора между ней и поплавком пропорциональна высоте его подъема, то шкала ротаметра получается равномерной.

Промышленность выпускает ротаметры со стеклянными и металлическими трубками. У ротаметров со стеклянной трубкой шкала нанесена прямо на поверхности трубки. Для дистанционного измерения положения поплавка в металлической трубке используют промежуточные преобразователи линейного перемещения в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

В ротаметрах с электрическим выходным сигналом вместе с поплавком перемещается плунжер дифференциально-трансформаторного преобразователя. В ротаметрах с пневматическим выходным сигналом для передачи положения поплавка преобразователю используется магнитная муфта. Она состоит из двух постоянных магнитов. Один — сдвоенный — перемещается вместе с поплавком, другой, укрепленный на рычаге преобразователя перемещения в давление сжатого воздуха, двигается вместе с рычагом вслед за первым магнитом.

Выпускаются также ротаметры для измерения расхода сильноагрессивных сред. Ротаметры снабжены рубашкой для парового обогрева. Они предназначены для измерения расхода кристаллизующихся сред.

 

 

7. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки электромагнитных и ультразвуковых расходомеров.

Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения объемного расхода электропроводных жидкостей, растворов и пульп с неферромагнитными частицами, со­держащими до 60% инородных включений, горячих щелочных растворов, алюминиевых сплавов. Они не пригодны для измерения расхода газов, легких нефтепродуктов, спиртов.

Удельная электрическая проводимость измеряемой среды должна быть не ниже 10^-3– 10 Сименс/м, т.е. не ниже, чем у технической воды.

В литейном производстве с помощью таких приборов можно измерять расход практи­чески любой жидкости, применяемой при приготовлении формовочных и стержневых смесей.  

В проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, воз­никающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля.

Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея.

Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полю­сами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно по­лучить принципиальную схему электромагнитного расходомера, предложенную ещё са­мим Фарадеем. Величина ЭДС определяется из выражения E=V_ср.*B*D, где V- средняя скорость движения жидкости; B- индукция магнитного поля; D- внутренний диаметр тру­бопровода.

Конструктивно электромагнитные расходомеры выпускаются двух типов: для запол­ненных и частично заполненных трубопроводов. И в том, и в другом случае электропро­водящая среда протекает в круглом трубопроводе, в котором создается магнитное поле с силовыми линиями, перпендикулярными направлению потока. В полностью запол­ненных трубопроводах индуцированное в рабочей среде напряжение снимается одной парой диаметрально установленных электродов. В частично заполненных трубопроводах индуцированное в рабочей среде напряжение снимается несколькими парами электро­дов, установленных на хордах, поэтому при опускании уровня жидкости всегда оказыва­ются задействованными несколько пар электродов.

Электромагнитные расходомеры могут быть выполнены как с постоянными магнитами, так и с электромагнитами, питаемыми переменным током. Электромагнитные расходо­меры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Применение постоянных электромагнитов в расходомерах позволяет облегчить борьбу с помехами от внешних электромагнитных полей, увеличить быстродействие прибора. Основным недостатком их использования является поляризация электродов: концентрация у положительного электрода отрицательных ионов, а у отрицательного положительных.

Преимущества электромагнитных расходомеров:

• Идентичность показаний величины расхода в полностью заполненных трубопрово­дах как для турбулентного, так и для ламинарного потоков;

• Первичные преобразователи не создают потерь рабочего давления при прохож­дении через них рабочей среды;

• Возможность реализации метода для очень больших диаметров трубопроводов;

• Работоспособность при высоких давлениях среды – вплоть до 100 МПа (1000 Bar);

• на показания электромагнитных расходомеров не влияют физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т.п.), если они не из­меняют её электропроводность;

• Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3·10⁻⁹м³/с) расходов (например, для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м³/с). Причём диапазон измерения расходомера одного типораз­мера достигает значения 500:1;

• Высокое быстродействие.

К недостаткам следует отнести:

• Невозможность использования расходомеров для непроводящих жидкостей (уг­леводороды, аммиак, кислоты и др.);

• Наличие дополнительной погрешности от величины электропроводности жидко­сти, что вообще невозможно учесть в практике измерений, так как электропроводность среды (например, сетевой воды) может изменяться в течение года в десятки раз;

• Возможность отложения магнетита на стенках измерительного трубопровода расхо­домера и значительное увеличение погрешности при наличии окислов железа вводе.

Наибольшее применение расходомеры нашли в учёте водных и энергетических ресурсов (в  частности в отопительных системах). Электромагнитные расходомеры ши­роко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности (производства соков, молока, жидкого хмеля и т.д., где эти продукты нужно смешивать, дозировать и разливать в гигиеничных условиях), в строительстве и руднообогатительном производстве, в медицине, так как они малоинерционны по сравнению с расходоме­рами других типов. Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регу­лирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро ме­няющихся расходов. Электромагнитные расходомеры используются также в металлур­гии и горнодобывающей промышленности, где ежедневно приходится работать со сре­дами с высоким содержанием твердых частиц (руда или шлам).

Ультазвуковые 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.

В последнее время используются две разновидности ультразвуковых расходомеров: расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой и доплеровский. Наибольшее распространение получила первая группа прибо­ров. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения 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.

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико-химических свойств последней: темпе­ратуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде.

Ультразвуковые расходомеры имеют следующие положительные черты:

• значительный динамический диапазон, достигающему 25—30;

• высокой точности измерения, составляющей до ± 0,1% у лучших моделей с 4-мя лу­чами и калибровкой;

• возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), за­грязненных сред, суспензий;

• широкому диапазону диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений; • малой инерционности; • отсутствию потери давления;

• измерение потока в любом направлении;

• широкому диапазону температур (от -220 до 600 °С) и давлений.

К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:

• необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;

• влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;

• необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;

• сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3—4 раза превышает

стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;

• ограничения по минимальной скорости потока.

Все ультразвуковые стационарные расходомеры являются микропроцессорными, на выходе они имеют токовый и импульсный выходные сигналы, цифровой дисплей, ин­терфейсы RS-232, RS-485, цепь сигнализации, значение суммарного расхода архивиру­ется вместе с указанием нештатных ситуаций. Многие приборы могут измерять рас­ход реверсивного потока.

8. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки тепловых расходомеров.

Тепловой расходомер - расходомер, в котором для измерения скорости потока жидкости или газа используется эффект переноса тепла от нагретого тела подвижной средой.

Существует два способа измерения потока тепловыми расходомерами. В первом методе мощность нагревателя постоянна, а в качестве выходного сигнала использу­ется разность температур на двух температурных сенсорах, расположенных до и после нагревателя (калориметрические расходомеры). Во втором методе при помощи регуля­тора, управляющего подачей напряжения на нагреватель, разница температур на сен­сорах поддерживается постоянной.

Выходной сигнал в этом случае – величина напряжения или тока нагревателя (термо­анемометрические расходомеры).

Наибольшее распространение приобрели калориметрические трехэлементные модули, состоящие из нагревателя и двух термометров сопротивления, основанные на измере­нии разницы температуры газа до и после нагревания.

Достоинством такого модуля является ясный физический принцип действия и использование в качестве активных элементов традиционных проволочных, а в новей­ших конструкциях – тонкопленочных терморезисторов.

Чувствительным элементом термометрического анемометра является саморазогре­вающийся детектор температуры (проволока или поверхность (тонкопленочный рези­стор)), обычно из платины или вольфрама. Ток, проходящий по терморезистору выпол­няет две функции: измеряет сопротивление резистора с целью определения его тем­пературы и используется для генерации тепла.

Тепловой расходомер FMT200Dгаза немецкого концерна АВВ работает по принципу пленочного термоанемометра. Этот метод позволяет осуществлять непосредственное из­мерение массового расхода воздуха. В связи с этим не требуется компенсация давления и температуры, благодаря чему не нужна установка дополнительных датчиков давления и температуры. Расходомер выпускается в виде законченного изделия, устанавливаемого при помощи резьбовых соединений непосредственно в технологические трубопроводы предприятия. Датчик состоит из чувствительного элемента, установленного в измеритель­ном трубопроводе, и блока обработки результата. Показания считываются по линеаризо­ванной шкале и передаются в виде унифицированного токового сигнала 4-20 мА.

Следует отметить, что тепловые расходомеры могут работать только с ламинарными потоками при отсутствии каких-либо завихрений. Поэтому в их состав часто входят гаси­тели завихрений или сетки, которые часто называют выравнивателями массы. По сравне­нию с другими типами аналогичных измерителей обладают высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном, т.е. их можно использовать для регистрации очень маленьких перемещений жидкостей и газов, а также и высоких скоростей потоков.

9. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки массовых кориолисовых и вихревых расходомеров.

Массовые расходомеры определяют массовый расход напрямую, а не через измерение скорости или объема. Их показания не зависят от температуры, давления, вязкости и плотности жидкости. Поэтому такие датчики не требуют повторных калибровок и под­строек под конкретный тип измеряемой среды. Первые кориолисовы расходомеры рабо­тали только с жидкими средами, в настоящее время они адаптированы для работы и с га­зами.

Конструктивно расходомеры отличаются геометрией измерительных трубок (в основ­ном используются три варианта: U -образная трубка, петля и прямая трубка). Все трубки крепятся в двух точках, и колебания постоянной частоты сообщаются точке, самой удаленной от точки крепления при помощи электромеханического задающего устрой­ства.

Жидкость или газ поступают во впускное отверстие. При движении жидкости от входа к выходу на неё действует виброционное  ускорение, всё время меняющее своё направление. Поскольку потоки жидкости в двух ветвях трубки имеют противопо­лож­ные направления, то и возникающие там силы кориолиса также будут направ­лены в разные стороны. В результате этого две части трубки смещаются друг относи­тельно друга в соответствии с цикломвибраций. Величина изгиба трубки прямо про­порциональна мас­совому расходу вещества через трубку.

Кориолисовы силы вызывают поперечные колебания входной и выходной сторон петли и, как следствие, фазовые смещения их частотных характеристик, пропорцио­наль­ные массовому расходу. Деформация трубки или разность фаз колебаний восприни­мается сенсорами и преобразуется в массовый расход.

Массовые кориолисовыерасходомеры в основном применяются для измерения не­боль­ших массовых расходов в трубопроводах диаметром 1,5... 150 мм. Предел основ­ной по­грешности в различных моделях этих расходомеров составляет ±(0,1...0,5) % при динами­ческом диапазоне до 500:1. Преимуществами данных расходомеров является очень высокая точность измерения, стабильность показаний, независимость результатов измерений расхода жидкости и газа от температуры, давления, вязкости, плотности, на­личия твердых частиц и режима течения  измеряемой среды. Среди недостатков – ма­лые диаметры трубопро­водов, зависимость показаний от отложений шлаков в трубо­проводах и сравнительно высокая стоимость.

Вихревые расходомеры

Принцип измерения расхода основан на том эффекте, что при внесении в ламинарный поток цилиндра или призмы за ними образуется вихревая дорожка, частота образования вих­рей в которой прямо пропорциональна скорости потока.

Таким образом, измерив скорость потока, величину избыточного давления, тем­пера­туру среды и зная диаметр трубопровода, можно вычислить величину объемного расхода протекающей по трубопроводу жидкости, пара или газа.

Вихреобразование приводит к появлению за телом обтекания пульсаций давле­ния среды. Частота пульсаций давления идентична частоте вихреобразования и в данном случае служит мерой расхода.     Разработаны два метода детектирования пульсаций давления среды за телом обтека­ния. В первом, более раннем методе пульсации давления воспринимались пьезоэлек­триче­скими  преобразователями, сигналы с которых в форме электрических импульсов посту­пали в микропроцессорный вычислитель, обеспечивающий в совокупности с сигна­лами дат­чиков избыточного давления и температуры вычисление объемного расхода жид­кости, пара или газа.

Несмотря на существенную простоту конструкции прибора и метода измерения, приборам данного класса присущи серьезные недостатки. Это, прежде всего, чувст­ви­тельность к загрязнению и обмерзанию тела обтекания за счет присутствия в изме­ряемой среде тяжелых углеводородов, пыли, паров воды (газ), солей железа и кальция (вода).

Все это приводит к изменению структуры вихрей за телом обтекания и срыву их де­тек­тирования пьезоэлектрическими преобразователями. Единственным реальным местом их применения являются системы измерения расхода пара на диаметры условного про­хода от 32 до 150 мм.

В более позднем втором методе была изменена конфигурация тела обтекания и при­менен ультразвуковой метод детектирования вихрей однолучевым или  двухлучевым преобразо­вателем. Это позволило повысить надежность детектирования вихрей в ус­ловиях реаль­ных измеряемых сред, однако полностью не устранило чувствительность к загрязне­ниям тела обтекания.

Лучшие характеристики имеют вихревые расходомеры, где в качестве источника образования вихрей используются жестко закрепленные в трубопроводе лопасти тур­бинки, обеспечивающие превращение линейного потока во вращающийся. При этом получается более высокая точность измерения расхода и меньшая зависимость от за­грязнения ло­пастей турбинки. Фактически, здесь большой накопленный опыт созда­ния турбинных расходомеров соединен с преимуществами электронных приборов по­следних поколений.

10. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, способы бесконтактной передачи вращения, область использования, преимущества/недостатки тахометрических счетчиков расхода.

Для измерения объемного или массового количества жидких и газообразных сред на за­водах применяют счетчики расхода. Они состоят из тахометрического преобразова­теля расхода и счетного суммирующего механизма.

Тахометрический преобразователь расхода – это первичный преобразователь, в ко­тором скорость движения рабочего элемента, взаимодействующего с потоком веще­ства, пропорциональна объемному расходу. По принципу действия тахометрические счетчики подразделяются на скоростные и объемные (камерные).

В скоростных счетчиках рабочим элементом являются вертушка (крыльчатка, турбина и др.тела) с вертикальной или горизонтальной осями вращения. Под действием потока веще­ства вертушка совершают непрерывное вращательное движение с угловой скоро­стью, пропорциональной скорости потока, а, следовательно, и расходу. Число оборо­тов сум­мируется счетным механизмом в приборах с механической передачей и вы­дается на табло. Для бесконтактного измерения скорости вращения турбины или крыльчатки их лопасти либо изготавливаются из ферромагнитного материала, либо оснащаются магни­тами.

Счетчики могут быть местными и дистанционными. У местных счетчиков чувст­ви­тельный элемент и суммирующее устройство объединены в одном общем корпусе. Суммирующее и показывающее устройства дистанционных счетчиков выполнены в раз­ных корпусах и соединены линиями связи. Все счетчики сделаны так, что служат для измерения расхода одной какой-либо жидкости (вода, мазут) или газа.

Тахометрические расходомеры (счетчики) содержат электрические тахометрические преобразователи частоты вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, измеряемый затем вторичным прибором. Электрические преобразователи скорости ока­зывают незначительное тормозящее действие на подвижный элемент (по сравне­нию с механической передачей), в силу чего точность таких приборов выше точности счетчиков с механическим редуктором.

Тахометрические приборы измеряют объемные расходы. При необходимости измере­ния массовых расходов они должны снабжаться либо измерителями температуры и давле­ния, либо плотномерами, вычислительными устройствами.

Наиболее широко тахометрические расходомеры (счетчики) используются в ком­му­нальном хозяйстве для  учета индивидуального потребления горячей и холодной воды, газа и выпускаются многими фирмами и заводами.

 

11. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, область использования, преимущества/недостатки объемных счетчиков.

В промышленности в большинстве случаев для измерения расхода газа и нефте­про­дуктов применяются объемные (камерные счетчики). Достоинствами их является вы­сокая точность измерения, составляющая ±(0,2... 1) % для жидкостей и ±(1... 1,5) % для га­зов, дос­таточно большой диапазон измерения и слабое влияние вязкости среды.

В объемных(камерных) счетчиках вещество измеряется отдельными равными по объему порциями (дозами).

Применяются счетчики ротационного, поршневого принципа действия и мембранные счетчики.

Ротационные газовые счетчики обладают сравнительно большой пропускной спо­соб­ностью и значительным диапазоном измерений при сравнительно небольших габа­рит­ных размерах, не требуют электроэнергии для работы, долговечны, имеют возмож­ность контроля исправности работы по перепаду давления на счетчике во время его ра­боты, не­чувствительность к кратковременным перегрузкам.

Ротационный (роторный) счетчик — камерный счетчик газа, в котором в качестве пре­об­разовательного элемента применяются восьмиобразные роторы (лопости). Действие ос­но­вано на превращении части энергии газа в механическую энергию вращения лопастей, яв­ляющихся чувствительным элементом счетчика.

Счетчик состоит из корпуса 3, в котором на неподвижных осях размещены две (в виде восьмерок) подвижные лопасти 4, находящиеся в постоянном скользящем зацеп­лении. Газ под давлением р поступает во входной патрубок 1, а из него в корпус 3счетчика. Давле­ние воспринимается обеими лопастями, но начальный вращательный момент создает левая лопасть которая, вращаясь против часовой стрелки, вращает правую лопасть по часовой стрелке.

Синхронизация вращения роторов достигается с помощью двух пар одинаковых зубча­тых колес, укрепленных на обоих концах роторов в торцевых коробках вне пределов измерительной камеры-корпуса. Для уменьшения трения и износа шестерни роторов по­стоянно смазываются маслом, залитым в торцевые коробки.

В момент вращения правая лопасть захватывает определенный объем газа, отсе­кает его от общего объема и перемещает в выходной патрубок 5. Одновременно левая лопасть, изменяя свое рабочее положение, становится ведомой, захватывает такую же порцию газа в левую рабочую полость и перемещает ее к выходу. За один рабочий цикл транспор­тируется четыре рабочих объема газа.

К одной из лопастей присоединен магнит, который вращается одновременно с ней. Магнитный момент через немагнитную перегородку передается муфте, подклю­ченной к счетному устройству расходомера. Давление газа за счетчиком р всегда меньше давления р. Энергия напора тратится в приборе на преодоление сил трения, пре­вращение потенци­альной энергии в кинетическую (вращение и гидравлические сопротив­ления). Зазор между корпусом и прямоугольными площадками, расположенными на концах наибольших диаметров роторов, колеблется от 0,04 до 0,1 мм в зависимости от типа счетчика. При изго­товлении счетчиков особое внимание уделяется статической ба­лансировке и обработке роторов. Для контроля работы счетчика предназначен U-об­разный дифманометр 2. Для поршневых счетчиков по сравнению с другими типами объемных счетчиков характерна большая потеря давления. Поршневые счетчики используются для измере­ния суммарного количества мазута, нефти, бензина и других жидкостей.

Поршневые счетчики особенно удобны для измерения малых расходов жидкости при малых давле­ниях. Они обычно применяются на энергетических объектах, потребляющих жидкое топ­ливо. В объемном поршневом счетчике имеется четырехходовой кран, соединенный трубами с цилиндром, в котором располагается поршень. При подаче жидкости четырехходовой кран поочередно занимает два определенных положения, которые заставляют поступать жид­кость в цилиндр под поршень или над поршнем, который, перемещаясь, выдает опреде­ленные дозы жидкости в трубопровод. На штоке поршня имеется специальный ме­ханизм, который переключает четырехходовой кран. Число доз за определенный проме­жуток вре­мени суммируется счетным механизмом, а количество доз, равное сумме объе­мов доз пока­зывается счетным указателем.

Промышленные поршневые счетчики жидкости выпускаются с двумя и четырьмя порш­нями. Последние получили наибольшее распространение. В этих счетчиках поверх­ностью, воспринимающей энергию движения жидкости, является поршень с манжетами; жидкость распределяется золотником. Под давлением жидкости каждый из поршней по­очередно пе­ремещается к центру счетчика, вытесняя жидкость из противоположного ци­линдра через зо­лотник и трубопровод. При этом движение поршней передается коленча­тому и вертикаль­ному валикам, связанным со счетным устройством.

Мембранный счетчик (диафрагменный, камерный) — счетчик газа, принцип дей­ст­вия которого основан на том, что при помощи различных подвижных преобразова­тель­ных элементов газ разделяют на доли объема, а затем производят их циклическое сум­мирование.

Детали и узлы изме­рительного механизма для мембранных счетчиков изготавливают из пластмасс. Приме­нение пластмассовых измерительных механизмов значительно снижает себе­стоимость продукции, увеличивает стойкость к воздействию химических компонентов, находя­щихся в газах, значительно уменьшает коэффициент трения в движущихся частях счет­чика.

В зависимости от конструкции и объемов измеряемого газа измерительный механизм может состоять из двух или четырех гофрированных камер.

Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки жидкостных и дилатометрических термометров.

Действие термометров расширения основано на тепловом расширении (изменении объема) тер­мометрического ве­щества (жид­костные и газовые) или линейных размеров твердых тел (дилатомет­рические и биметаллические) в зависи­мости от температуры.

1. Ртутные жидкостные стеклянные термометры имеют пределы измерения -60… + 650°С, тер­мометры, заполненные органиче­ской жидкостью (спирт, керосин, метилкарбитол) – 200…+200°С (согласно ГОСТ 28498-90 ≪Термометры жид­костные стеклянные≫). Термометры на основе легко­плавкого сплава - галлий 67 %, индий 20,5 %, олово 12,5 % имеют температурный диапазон 10…+1200°С.

Термометры, в зависимости от условий эксплуатации, бывают следующих исполнений:

• полного погружения;

• частичного погружения.

Предел допускаемой погрешности технических термометров при цене деления шкалы и классе точности находятся в пределах от ±1°С при цене деления 0,5°С в температурном диапазоне -38….+100°С и ±5°С при цене деления 5°С в тем­пературном диапазоне +100….+300°С до ±10°С при цене деления 10°С в температурном диапазоне +300….+600°С.

Предел допускаемой погрешности лабораторных термометров с ценой деления 0,1°С – от ±0,2°С до ±1°С.

Ртутные электроконтактные термометры с преобразованием механического перемещения стол­бика ртути в электри­ческий сигнал (столбик ртути замыкает электрическую цепь) имеют не только шкалу для визуального контроля темпера­туры, но их также можно ис­пользовать в качестве релейных датчиков температуры для двухпозиционного регулирования температуры печей сопротивления.

Дилатометричекий термометр состоит из металлической трубки из материала с высоким коэф­фициентом линейного расширения (например, латунь, медь, алюминий), внутри которой к донышку крепится стержень из инвара, коэффициент линейного расширения материала которого очень мал. При измерении температуры трубка удлиняется, вследствие чего стержень перемещается вниз. Пе­ре­мещение стержня через систему рычагов передается стрелке. Применяется для темпе­ратур до +500°С.

К преимуществам дилатометрических термометров относятся высокая надежность и большие усилия, развиваемые чувствитель­ным элементом. Последнее позволяет встраивать в дилатометры контактные устройства и использовать их в виде температурных реле и для электрической сигнали­зации предельных значений температуры, а также в схемах авто­матического регулирования темпера­туры. Для измерений температуры используются сравнительно редко.

Чувствительным элементом является металлическая трубка, изготовленная из материала с доста­точно большим ко­эффициентом линейного расширения. Внутри трубки находится жестко соединен­ный с ней стержень из материала с ма­лым коэффициентом расши­рения. Другим концом стержень шарнирно соединен с рычагом, представляющим собой по­движный контакт замкнутой контактной группы. При погружении чувствительного элемента в измеряемую среду метал­лическая трубка при повышении температуры будет увеличивать свою длину в большей степени, чем стержень. Поэтому стержень, перемещая рычаг, при заданной температуре разомкнет контакты, связанные посредством клемм с соедини­тельной линией системы контроля или управления.

 

13. Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки биметаллических термометров.

Действие биметаллического термометра основано на измерении разности линейных расширений при нагревании двух сваренных, спаянных или склепанных между собой по всей плоскости сопри­косновения разнородных металлов, об­ладающими различными коэф­фициентами линейного расши­рения. По-видимому, биметаллические пластины были со­зданы в XVIII веке в Англии часовщиком Джоном Харрисоном для термокомпенсации его морского хронометра.

До сих пор применяются для термокомпенсации хода механических часов.

Один из металлов (обычно это медь) при нагреве расширяется сильнее, чем другой (обычно ин­вар), отчего и проис­ходит раскру­чивание спирали Инвар — обладает низким коэффициентом тепло­вого расширения.

Пластина может быть завернута в виде плоской спирали либо пружины.

Для показывающих приборов пластина сворачивается в форме плоской спирали, один конец ко­торой зафиксирован на корпусе, а ко второму прикреплена стрелка. При нагревании такой биметал­лической спи­рали происходит ее раскручи­вание с соответствующим перемещением стрелки вдоль шкалы.

В термометре с биметаллической пластиной в форме спирали имеется закрученная по спирали метал­лическая по­лоска, которая раскручивается при нагреве и вращает стрелку по калиброванной шкале. Чув­ствительный элемент заклю­чен в защитный стальной ко­жух.

Кроме показывающих биметаллических термометров очень широко используются реле темпера­туры с плоскими би­металличе­скими элементами различной геометрии. При нагревании такого биме­таллического элемента он изгибается в сторону металла с мень­шим коэффициентом линейного рас­ширения и при задан­ной температуре замыкает сигнальные контакты. Такие датчики температуры релейного типа широко ис­пользуются в качестве тепловых реле защиты в разно­образных нагрева­тельных бытовых устройствах (утюги, фены, радиаторы масляные и вентиляторные, электрочайники и т.д.) и промышленных устрой­ствах.

Общая принципиальная схема устройства биметаллического реле тем­пературы приведена на ри­сунке. Реле состоит из прямоуголь­ной би­ме­таллической пластины 1 с электриче­ским подвижным кон­тактом 2, винта-задатчика (непо­движного контакта) 3, предна­значен­ного для изменения преде­лов срабатывания, изолирующей пла­стины 4, клемм 5 и защит­ных кожухов 6 и 7. Часть устройства, за­кры­тую кожу­хом 7, по­гружают в измеряемую среду. При повы­шении температуры среды биме­тал­лическая пластина резко ис­кривля­ется и при заданной тем­пературе происхо­дит замыкание контактов 2 и 3. Со­едини­тельную линию системы кон­троля или управления подключают к клеммам 5.

14.Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки манометрических термометров и термостатов.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления рабо­чего вещества в герметичной замкнутой термосистеме. Он состоит из термобаллона и чувствительного элемента (трубчатая одновитковая пружина, многовитковая пружина или трубка Бурдона), соединенных между собой гибким капилляром длиной до десятков мет­ров. Один конец чувствительного элемента закреплен, а второй соединен через механиче­скую систему с показывающей стрелкой. Диапазон измеряемых температур -100…600°С. Для уменьшения погрешностей рабочие шкалы можно сделать короткими 0…100°С, -30…30°С. Погрешность 1,0 – 2,5%. Заполнители: газовые (азот), жидкости (керосин, силико­новые жидкости), парожидкостные (ацетон, хладон – 22, пропилен и т.д.).

Парожидкостной манометрический термометр состоит из металлического баллончика 2, за­полненного легко кипящей жидкостью на 60%. Диаметр баллончика для измерения темпе­ратур до 300°С равен 17-18 мм, а длина капиллярной трубки 4 составляет 100-1000 мм. Внутренний ее диаметр не превышает 0,1-0,4 мм при внешнем диаметре 2-7 мм. Ка­пиллярная трубка требует очень аккуратного обращения. Для защиты ее от коррозии на нее наносят резиновое либо полиэтиленовое покрытие.

Давление пара 3 жидкости экспоненциально возрастает с повышением температуры среды 1 и не зависит от количества жидкости в баллончике. Изменение давления восприни­мает упругий элемент 5 термометра (одновитковая полая пружина), который приводит в дви­жение стрелку 6, показывающую по шкале 7 температуру измеряемой среды. Производи­тели выпускают парожидкостные манометрические термометры с пропаном (от -40 до +40°С), диэтиловым эфиром (от +40 до 160 °С), диоксидом серы (от 0 до 160°С), этано­лом (от 85 до 245°С), ксилолом (от 150 до 360 °С).

У жидкостных манометрических термометров баллончик 2 и капилляр 4, а также упругий элемент 5 (трубка Бурдона) полностью заполнены жидкостью. При повышении темпера­туры среды 1объем, занимаемый жидкостью, увеличивается соответственно разности теплового расширения жидкости и баллончика. Увеличение объема раскручивает упругий эле­мент 5, представляющий собой трубку Бурдона, которая свя­зана с механизмом движения стрелки 6 по шкале 7, откалиб­рованной в градусах Цельсия.

Труба Бурдона - французский механик, ввел в практику пру­жинный манометр и металлический барометр) - это трубка, которая закручена несколько раз в спираль. Указа­тель прибора может соединяться непосредственно с кончи­ком трубки без промежуточного механизма. Из-за того, что трубка имеет форму спирали она, вследствие повышения давления равномерно раскручивается.

Измерительная система, заполненная газом, менее инерционна по сравнению с заполнен­ной жидкостью (значение постоянной времени 2 сек. против 8 сек.). Изменение внеш­ней температуры также оказывает меньшее влияние на точность показаний газового прибора по сравнению с жидкостным прибором.

Благодаря тому, что в системе термобаллон-капилляр-пружина создается давление, трубча­тая пружина в состоянии механически перемещать  не только стрелку указателя температуры, но и замыкать контакты переключателей, а также перемещать клапана запор­ных устройств (например, в радиаторных терморегуляторах), осуществляя, таким обра­зом, не только контроль, но и регулирование.

Манометрические термометры с электроконтактной группой для управления внеш­ними электрическими цепями используются для сигнализации и двухпозиционного регулиро­вания в качестве регуляторов температуры. Манометрический регулятор темпера­туры, который не отображает ее текущее значение, называют термостатом.

Такие термостаты не содержат электроконтактных групп. Расширяющееся вещество внутри термобаллона изменяет его линейный размер. Этой энергии расширения хватает для механического перемещения упругим элементом штока клапана, что приводит к увеличе­нию либо уменьшению подачи горячей воды через радиатор. Установка температуры осуществ­ляется вращением белого колпачка.

Достоинствами манометрических термометров являются сравнительная простота конструк­ции и применения, возможность дистанционного измерения температуры, для измере­ний не требуется подвод электрической энергии. К недостаткам манометрических тер­мометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы. Использу­ются также в случаях, когда по условиям взрыво– или пожаробезопасности нельзя использо­вать электрические методы дистанционного измерения температуры.

Применяются в литейном производстве для измерения температур емкостей с мазутом, во­дой, компонентами формовочных смесей, температуры воздуха в сушильных шкафах.

Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; принцип действия, конструкции, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки платиновых термосопротивлений.

Температура является важнейшим и часто основным параметром технологических процессов в металлургии.

Так как каждая частица нашей вселенной находится в постоянном движении, то можно считать, что температура яв­ляется мерой кинетической энергии колеблющихся частиц. Чем быстрее движе­ние, тем выше температура частицы.

Средняя кинетическая энергия большого количе­ства двигающихся частиц определяет макроскопическую тем­пературу объекта.

Когда различные материалы соприкасаются, атомы и молекулы, двигающиеся в них, взаимодей­ствуют друг с другом. Более того, каждый колеблющийся атом ведет себя как микроскопический пе­редатчик, посылающий электромагнитное излучение в окружающее пространство. Все это позволяет осуществлять передачу тепла от теплых объектов к холодным. Чем интенсивнее движение атомов, тем выше температура и тем сильнее электромагнитное излучение. Для измерения температуры ис­пользуют термометры, которые либо контактируют с объектом, либо принимают его электромагнит­ное излучение и вырабатывают физический сигнал на выходе. Этот сигнал и является мерой темпе­ратуры объекта.

В настоящее время в научных и технических разработках обычно применяются две шкалы: Цель­сия и Кельвина,Шкала Кельвина базируется на, так называемой, тройной точке воды, соответству­ющей давлению 4.58 мм ртутногостолба, при котором вода одновре­менно находится в трех состоя­ниях: в виде пара, жидкости и льда. Температура трой­ной точки воды равна 273.16 К (Кельвин) или 0°С. Шкала Кельвина является линейной, где нулевая точка (0 К) соответ­ствует температуре, при ко­торой кинетическая энергия всех дви­гающихся частиц равна нулю. Эту точку невозможноре­ализо­вать на практике, она является чисто теоретической величиной, называе­мой абсолютным нулем. Между шкалами Кельвина и Цельсия существует разница в 0.01°С, вызванная тем, что нуль градусов Цельсия определяется не тройной точкой воды, а температурой, при которой лед и насыщенный вла­гой воздух при атмосферном давлении находятся вди­намическом равновесии. Эти две шкалы имеют одинаковый наклон (т.е. 1°С = 1К, а 0К= -273.16°С):

Температура кипения воды равна 100°С = 373.16 К. Шкала Фаренгейта имеет более крутой наклон, поскольку 1°С= 1.8°F. Её применяют в США и Англии. На этой шкале температура таяния льда и температура кипения воды обозначены соответственно через 32°F и 212°F.

Реперные точки — точки, на которых основывается шкала измерений. На реперных точках (таб­лица 1) построенаМеждународ­ная (практическая) температурная шкала, их число в МПТШ-68 со­ставляло 11, а в современной МТШ-90(ITS-90) — 18.

Поэтому в 1927 г. и была введена практическая температурная шкала МТШ-27, основу которой составляют темпера­туры репер­ных точек (фазовых переходов чистых веществ), определенные мето­дами первичной термометрии. В данных точках градуируются практические термометры (например, термометры сопротивления), которые затем ислужат для из­мерения температуры и передачи раз­мера единицы температуры.

С 1927 г. шкала несколько раз переопределялась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): менялись ре­перные температуры, методы ин­терполяции, но принцип остался тот же – основой шкалы является набор фазовых переходов чистых веществ с определенными значе­ниями термодинамических темпе­ратур и интерполяционные приборы, градуированные вэтих точ­ках.

Последняя редакция Междуна­родной температурной шкалы - шкала МТШ-90, которая счита­ется очень близкоаппроксимирующей термодинамическую шкалу температур, поэтому слово ≪практическая≫ было опущено в ее назва­нии.

Международная температурная шкала постоянно развивается и дополняется. Так, в октябре 2000 г. Международный комитет по мерам и весам при МВМВ утвердил новую предварительную низко­температурную международнуюшкалу ПНТШ-2000 (PLTS-2000), которая расширяет диапазон МТШ-90 в низкотемпературной области. Шкала начинается с температуры 0,902 К,соответствую­щей твердому состоянию 3He и доходит до температуры 1К, таким образом, пере­крывая диапазон МТШ-90 в интервале 0,65…1К.

Средство измерений, предназначенное для контактного измерения температуры веществ и преоб­разования ее всиг­нал темпера­турной информации в форме удобной для непосредственного восприя­тия наблюдателем, для автоматической выработки, передачи и использования в автоматических си­стемах управления, называется термометром.

Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температур. В первом случае необ­ходимо обеспечитьнадежный тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом изме­рения, при этом верхний предел измере­ния температуры ограни­чен жаропрочностью и химической стоимостью применяемых чувствительных элементов. Приневозможности обеспечить надежный тепловой контакт чувствительного элемента с объектом измерения применяютбесконтактные ме­тоды измерения.

По принципу действия термометры могут быть разделены на группы:

• термометры расширения (измеряющие температуру по тепловому расширению жидкостей или твердых тел);

• манометрические термометры (использующие зависимость давления газа или насыщенных па­ров жидкости оттем­пературы);

• термометры (датчики) сопротивления;

• термоэлектрические термометры (датчики).

Для измерения температуры бесконтактным методом используют оптические пирометры:

• яркостные (измеряющие температуру по яркости раскаленного тела в заданном узком диапазоне длин волн);

• частичного излучения (измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излуче­ния нагретого тела вограниченном диапазоне длин волн);

• полного излучения (измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излучения нагретого тела в ши­роком диапа­зоне длин волн в соответствии с законом Стефана-Больцмана для ≪абсолютно черного тела≫);

• спектрального отношения (принцип действия которых основан на измерении отношения энер­гий, излучаемых те­лом в двух или более узких спектральных диапазонах).

Платиновые термосопротивления можно использовать для измерения высоких температур до 1100°С. Однако здесь возникает ряд проблем негативно сказывающихся на точности измерений.

Один из важнейших процессов, заметно сказывающийся на сопротивлении чистой платины, это изменение концен­трации вакансий в кристаллической решетке при изменении температуры (эффект закалки вакансий). Практически это приводит к изменению удель­ного электросопротивления при быстром извлечении чувствительного элемента из печи, нагретой до температуры выше 600°С.

Платина - мягкий и пластичный металл. Одним из источников нестабильности характеристик пла­тиновых термомет­ров является возникновение напряжений и деформаций проволоки чувствитель­ного элемента. В данном случае высока роль конструкции термо­метра, толщины и конфигурации проволоки, способа крепления ее на каркасе. Проблемы, свя­занные с деформациями обостряются во время использования термометра в области температур выше 420°С. Несколько различных типов деформаций возникает при цикличе­ском изменении температуры. Изменяются размеры проволоки. Со­стояние чувствительного элемента не восстанавливается при устра­нении усилия. В эталонных платиновых термометрах пластическая деформация - явление не частое и может возникнуть при ме­ханиче­ских ударах, тряске, резких тепловых ударах. Способствует деформации жесткое закрепление проволоки и сильное трение о каркас. В связи с этим стандарт­ные платиновые термосопротивления имеют верхний предел измерения 650°С.

Таким образом, платина применяется в стандартных технических термометрах для измерений в диапазоне температур от -200 до +650°С, а в термометрах специальных конструкций - до + 750°С и даже до 1200°С.

16.Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; зависимость температуры от сопротивления (статическая характеристика) и методики её определения для платиновых термосопротивлений.

Принцип действия металлического терморезистора сопротивления основан на измерении калиб­рованного платино­вого (Pt), нике­левого (Ni) или медного (Cu) сопротивления. Металлические дат­чики температуры обладают положитель­ным температурным коэф­фициентом сопротивления (ТКС), так как с ростом температуры сопротивление металла растет. Зависимость сопротивления от темпе­ратуры и методика её определения влияют на точность измерения температуры.

Статическая характеристика платинового терморезистора не является идеально линейной. В за­висимости от требуе­мой точности измерений можно использовать несколько способов её нахожде­ния.

1. Самый ≪грубый≫ способ - провести линеаризацию нелинейной статической характеристики методом наимень­ших квадратов во всем диапазоне измерений от -200 до +650°С.

Для терморезисторов уравнение прямой связывает сопротивление R и температуру T при помощи температурного коэффициента сопротивления (ТКС) α: ,где R₀ – сопротивление Ом при эталонной температуре T₀ (для платиновых датчиков 0°С).

ГОСТ 6651-2009 разрешает использовать термомосопротивления любого номинала, а рекоменду­емые значения со­противлений при 0°C - 10, 50, 100, 500 и 1000 Ом. Платиновые датчики выпускают номинальным сопротивлением 100, 500 и 1000 Ом

ТКС α рассчитывается по формуле: , где - значения сопротивления термопреобразователя сопротивления при 100°С и 0°С с округле­нием до пятого знака после запя­той.

ГОСТ 6651-2009 регламентирует два значения ТКС α : 0,00385 °С-1 для термосопротивлений с обозначением Pt (иностранного производства) и 0,00391 °С-1 с обозначением П (российского произ­водства). Таким образом, исходное уравнение для термосопротив­ления Pt100 примет вид R =100 + 0,385⋅T , где множитель при Т определяет угол наклона прямой и называется чувствительностью термосопротивления.

Коэффициент α имеет в разных странах мира свою величину, отличающуюся от значений МТШ-90.

Практические расчеты показывают, что отклонение от линейной характеристики не превышает 5% в интервале 0….+500°С, и 19% в интервале -200….0°С.

2. Второй способ линеаризации состоит в разбиении нелинейной функции на участки, каждый из которых линеари­зуется своим отрезком (кусочно-линейная аппроксимация). Это позволяет на каж­дом интервале иметь своё уравнение прямой и существенно уменьшить ошибку вычисления темпе­ратуры по сопротивлению терморезистора.

3. Использование стандартной экспериментально-статистической математической модели (квад­ратичное уравнение Каллендара Ван Дьюзена) со стандартными коэффициентами.

Для промышленных платиновых термометров сопротивления используется уравнение Каллен­дара-ВанДьюзена, с известными ко­эффициентами, которые установлены экспериментально и нор­мированы.

При этом используются два уравнения для диапазонов -200…0 и 0…850°С.

Промышленные платиновые термометры сопротивления (таблица 2 ГОСТ 6651-2009) в большин­стве случаев ис­пользуются с та­кой стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает точность с исполь­зованием стандартных коэф­фициентов (А, В и С) не лучше 0,1°С.

4. Использование стандартной экспериментально-статистической математической модели (квад­ратичное уравнение Каллендара Ван Дьюзена) с уточненными коэффициентами.

Однако высокая стабильность некоторых термометров позволяет делать их индивидуальную гра­дуировку и опреде­лять характер­ную именно для них зависимость сопротивление-температура. Кон­станты А, В и С определяются свой­ствами платины, а их значения рассчитываются из уравнения Каллендара Ван Дьюзена

Эталонные платиновые термометры и термометры-рабочие эталоны изготавливаются из платины высокой чистоты и по точности превосходят промышленные термометры сопротивления (абсолют­ная погрешность ±0,0015°С и ниже), но они требуют очень осто­рожного обращения, не выносят тряски и резких тепловых перепадов. Кроме того, их стоимость в десятки раз выше стоимости рабо­чих термометров сопротивления.

Сопротивление изготовленного термометра может быть любым. Рекомендуемые значения сопро­тивлений при 0°C - 10, 50, 100, 500 и 1000 Ом. Максимальный температурный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для прово­лочных чувствительных элементов составляет 660 ｡ﾆC , для плёночных 600 ｡ﾆC.По конструкции чувствительного элемента металличе­ские терморезисторы бывают проволочными и тонкопленочными.

Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; вторичные приборы и схемы подключения для измерения величины сопротивления платиновых терморезисторов.

Самая распространенная конструкция – так называемая ≪свободная от напряжения спираль≫ (Strain-free). Эта кон­струкция вы­пускается многими российскими предприятиями и считается самой надежной. Вариации основного дизайна заключаются в размерах деталей и материалах, используе­мых для герметизации корпуса чувствительного элемента. Для различных диапазонов температур ис­пользуются разные виды глазури. Эта конструкция чувствительного элемента также очень распро­странена за рубежом. Примерная схема данного типа чувствительного элемента приведена на ри­сунке.

Чувствительный элемент представляет собой платиновую спираль, четыре отрезка которой укла­дываются в каналы трубки из ок­сида алюминия и засыпаются мелкодисперсным порошком из оксида алюминия высокой чистоты. Таким об­разом, обеспечивается изоляция витков спирали друг от друга, амортизация спирали при термическом расширении и вибропроч­ность. Герметизация концов ЧЭ проводится с помо­щью цемента, приготовленного на основе оксида алю­ми­ния, или специальной гла­зури.

Вторая конструкция – это новая разработка, кото­рая используется в ЧЭ значительно реже из-за высокой стоимости. Так называе­мая полая конструкция ≪Hollowannulus≫ (рисунок 3.13б). Эта кон­струкция применяется на особо важных объектах, в атомной про­мышленности, т.к. обладает повы­шенной надежно­стью, стабильностью метрологических пара­метров и низкий коэффициент тепловой инерции.

Термоэлектрические первичные преобразователи - определение температуры по ТЭДС термопары: получение градуировочных характеристик; НИСТ и НСХ; полиномы; точность дляпромышленных и эталонных термопар; причины нестабильности градуировочных характеристик.

Зависимость ТЭДС от температуры горячего спая при температуре свободного спая 0°C называ­ется градуировочной характери­стикой термопары. Градуировка производится двумя методами: по реперным точкам или сличениием.

Градуировка по постоянным (реперным) точкам является наиболее точной и применяется для об­разцовых термопар. Поверяемую термопару помещают в тигель с металлом высокой чистоты, уста­новленной в печи, и регистрируют пло­щадку на кривой изменения ТЭДС по мере повышения или понижения температуры металла. Данная площадка соответ­ствует температуре плавления или кри­стал­лизации металла, причем более предпочтительно вести градуировку по точке кристаллизации. В качестве реперных металлов исполь­зуют металлы, определенные в МТШ-90.

Метод сличения заключается в непосредственном измерении ТЭДС градуируемой термопары при постоянной тем­пературе сво­бодных концов 0°C и различных температурах рабочего спая, которые определяются с помощью образцо­вого термометра.

Для стандартных термопар градуировочные (статические) характеристики приводятся в литера­туре в виде таблиц или математи­ческих моделей – полиномов, полученных на основе эксперимен­тальных данных. Эти полиномы использу­ются в микропроцессоре мо­дуля ввода современных циф­ровых приборов для перевода ТЭДС в температуру.

Эталоном являются градуировочные таблицы для термопар НИСТ (Национальный институт стан­дартов и технологии США). Стан­дартная зависимость ТЭДС от температуры (которая в терминоло­гии Российских стандартов называется ≪Номинальные статические характеристики≫ (НСХ)) опре­деляется экспериментально по результатам измерений в эта­лонной лаборатории, полученным для большого количества термопар.

Для вычисления напряжения как холодного, так и горячего спая используется одна и та же граду­ировочная таблица или получен­ный на её основе полином. Это становится возможным благодаря ≪правилу промежуточных проводов≫, согласно которому если контакт двух металлов сделан через промежуточный металл (например, константан и железо со­единены через медь, как на рисунке 3.26, то промежуточный металл не влияет на результирующую ТЭДС, если его концы имеют одинаковую температуру. Таким обра­зом, на данной схеме измерительная микросхема замыкает через медные провода и свои внутренние цепи холодный спай. Эту замы­кающую цепь можно рассматривать как второй кон­такт между константаном и железом, не влияющий на величину ТЭДС. Точки со­единения термоэлектродов с медными проводами в данном случае имеют температуру, совпадающую с темпе­ратурой холодного спая.

Зависимость величины ТЭДС термопары от температуры, не линейны в широком диапазоне тем­ператур, но на опре­деленном участке их можно считать линейными и пользоваться для расчета ли­нейными зависимостями.

Для образцовых высокоточных измерений с использованием высококачественных калиброванных термоэлектродов точная нели­нейная зависимость ТЭДС E термопары от температуры при условии, что температура холодных концов ста­билизирована на уровне 0°С, в стандартах НИСТ и ГОСТ Р описывается полиномом вида: , где A_i - коэффициенты полинома; N = 4….14 - сте­пень полинома. Для обеспечения необходимой точности аппрокси­мации весь температурный диапазон разбивается на 1...3 поддиа­пазона, для каж­дого из которых используется отдельный полином.

Обратная зависимость описывается аналогичным выражением:

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.

Основные принципы регулирования. Примеры, преимущества и недостатки.

Создание систем автоматизации литейных процессов неразрывно связано с глубоким знанием и правили использова­нием основ­ных принципов классической теории регулирования.

В общем случае система автоматического управления любым литейным процессом состоит из объекта управления (например, пи­тателя в процессе составления шихты, плавильного агрегата в про­цессе плавки, смесителя в процессе сме­сеприготовления и др.) и устройства управления — регуля­тора.

Система автоматического управления (регулирования) должна поддерживать выходную вели­чину объекта, называе­мую регулиру­емой (например, расход материала, влажность смеси, темпера­туру расплава и др.), равной заданному зна­чению, при действии на объ­ект возмущений. Значение выход­ной величины может быть постоянным (системы стабилиза­ции) или изменяться во времени (системы программного управления и следящие системы). Выполнение этого основного требования может быть достигнуто применением при построении системы автоматического управления различных принципов регулирования: регулирование по отклонению;     компенсация возмущений; комбинированное управление.

Принцип регулирования по отклонению регулируемой величины от заданной (принцип обратных связей) основан на измерении выходной величины объекта управления (температуры в печи, напри­мер), и ее сравнении с заданным значе­нием на входе регулирую­щего устройства. Система, построен­ная по такому принципу, представляет замкнутую систему управления с отрицательной обратной связью. Для реализации такой системы не требуется детальное знание всех харак­теристик печи и действующих на нее возмущений - управление температурой осуществляется всегда независимо от при­чин отклонения заданного значения.

В качестве примера - регулирование температуры в газовой печи. Термопара фиксирует измене­ние температуры в печи, а регуля­тор сравнивает текущее ее значение с заданным (например, 700°С). Он вырабатывает управляющее воздей­ствие, которое приводит в действие исполнительный меха­низм (редуктор), который перемещает регулирующий орган за­слонку крана, что приводит к измене­нию размера факела газовой горелки и, таким образом, поддерживает заданное зна­чение темпера­туры при любых внешних возмущениях, о которых нам ничего не нужно знать. Понятно при этом, что абсо­лютно точно поддерживать заданное значение система не в состоянии, поскольку сначала темпера­тура должна изме­ниться, затем это изменение должен зафиксировать регулятор и только по­том вы­работать управляющий сигнал.

Принцип компенсации возмущений основан на измерении возмущений, дей­ствующих на объект управления, и их последующей компенсации. В этом случае регулирующее воздействие вырабаты­вается регулятором в зависи­мости от величины возмущения. Такие системы являются разомкнутыми, так как в них от­сутствует обратная связь по регулируемому параметру. Для построения системы управления по принципу компенсации необходимо точно знать характеристики объекта управле­ния и возмущения. При воздействии на объект нескольких воз­муще­ний требуется знание характеристик каждого возмущения.

Таким образом, системы с регулированием по возмущению используют информацию о возмуще­ниях и принимают меры, чтобы эти возмущения не оказали влияния на выходную величину, т.е. компенсируют возмущения.

Рассмотрим систему регулирования температуры в печи, отапливаемой газом. Основное возму­щение – изменение давления газа в газопроводе, которое вызывает изменение расхода топлива и, следовательно, температуры в печи. Для компенсации бросков давления газа применяется регулятор, который получает информацию о давлении газа от датчика давления газа в подводящей газовой ма­ги­страли, и по предварительно заданному закону регулирования изменяет поло­жение задвижки крана. Давление в трубопроводе после регулирующего крана, а, соответственно, и перед горелкой будет стабильным, и перепады давления в трубе не будут влиять на темпе­ратуру в печи. Темпера­туру в печи при этом мы про­сто регистрируем при помощи термопары, подключенной к измеритель­ному при­бору, но не используем в системе регу­лирования, т.е. обратная связь отсутствует, и в си­стеме ре­гулирования отсутствует замкнутый контур регулирования по температуре. Установка кон­кретного значения температуры в печи, например, в 700°С в данном примере бу­дет осу­ществляться при по­мощи второго крана, установленного после стабилизирующего давление первого крана. Таким обра­зом, установку конкретной температуры будем производить вручную поворотом на заданный угол ручки крана подачи газа по шкале, зара­нее нанесенной на крышку под ручкой. А система регу­лиро­вания (работает по отклонению давления) постоянного давления на входе горелок как раз и обеспе­чивает постоянство температуры в печи за счет стабилизации ве­личины факела пламени, но только при неиз­менных остальных условиях плавки, так существуют другие возмущения, способные изме­нить температуру в печи. К ним относятся изменение температуры окружающей среды (зимой тем­пера­тура в печи при таком же расходе газа, как и летом, будет ниже), открыва­ние загрузочного окна (тепло интенсивно ухо­дит в атмосферу), загрузка шихты разной массы.

Еще одно возмущение – открывание дверцы печи. Поставим датчик открытия двери, датчик из­мерения угла ее от­крытия и таймер, регистрирующий длительность открытия. Тогда, но уже не регу­лятор, а компьютер системы регулиро­вания по заранее полученным специально для этой системы математическим моделям в зависимости от угла и продолжи­тельности открытия дверцы дополни­тельно воздействует на газовый кран, который откроется на дополнительный угол, вбросит опреде­ленное количество тепла в печь и вернется к своему исходному положению. Рукоятка основного крана, которым установлена нужная температура вручную, по-прежнему на за­данной позиции.

Таким образом, реализация принципа компенсации обусловливается необходимостью измерения каждого возмуще­ния, действу­ющего на объект, что в реальных условиях не всегда можно осуще­ствить.

Но если удается найти и скомпенсировать все возмущения, то такая система способна поддержи­вать абсолютно точно заданную температуру, при наличии достаточного запаса подводимой к печи энергии. На практике же все возму­щения сложно и дорого компен­сировать. Нескомпенсированность приводит к увеличению ошибки управления, которая может превысить допустимое значение, осо­бенно при управлении астатическими объектами, когда ошибки компенсации накапливаются и регу­лируемая величина отклоняется от заданного значения. Это основной недостаток принципа компен­сации возмущений.

Однако у таких систем есть большой плюс - управляющее воздействие на выходе регулятора со­здается непосред­ственно возму­щениями, причем формирование такого воздействия не зависит от прохождения возмущения через объект управления, т. е. система управления по возмущению прин­ципиально обладает свойством мгновенного формирования управляющего воздействия при появле­нии возмущения, что позволяет создавать системы управления с высоким быстро­действием. Поэтому принцип компенсации возмуще­ний приобретает особое значение при управлении сложными объек­тами, обладающими большими постоянными времени, существен­ным транспортным запаздыванием, когда применение принципа регулирования по отклонению затруднено. При этом создаются усло­вия для прогнозирования изменений вы­ходной величины объекта, т. е. реализации управления с упре­ждением, что повышает быстро­действие и точность работы всей системы управления.

Принцип комбинированного управления объединяет два ранее рассмотренных принципа и имеет два канала получе­ния каче­ственной информации — результаты измерения отклонения регулируемой переменной и результаты измерения возмущающих воздей­ствий. В комбинированной системе один регулятор компенсирует главное возмущение, действую­щее на объект управления, а второй регуля­тор, измеряя изменение регулируемой величины, подавляет остальные возму­щения, которые или не поддаются измерению, или для их компенсации требуется создание сложных устройств. Комби­ниро­ванное управление позволяет создать совершенные системы управления сложными объектами, под­верженными воз­действию многих возмущений в широком спектре, частот и амплитуд.

В нашем примере можно поставить на печь два регулятора – регулятор температуры из первого примера и регулятор давления из второго примера – получим комбинированную систему управле­ния, где регулятор давления учитывает и компенсирует основной воз­мущающий фактор, а регулятор тем­пературы скомпенсирует все остальные возмущения. При этом для чистоты эксперимента можно по­ставить на трубопровод для регулятора температуры свой второй кран сразу после крана, управляе­мого регулятором давления.

 

7.Объект управления и его свойства: определение, связи объекта, основные свой­ства, статические и динамиче­ские характе­ристики, примеры.

Процессы управления совершаются над объектами управления (ОУ), которыми являются части технологического процесса или агрегата, целиком технологические процессы, агрегаты, цехи, произ­водственные предприятия и т. д.

Объект автоматизации является основной составной частью автоматической системы, определя­ющей характер си­стемы, поэтому его изучению уделяется исключительное внимание. Сложность объекта определяется главным образом степенью его изученности и многообразием выполняемых им функций.

Проектированию автоматической системы управления должно предшествовать изучение объекта с целью установле­ния связей объекта и составления его математического описания (получение мате­матической модели объекта). В общем случае эти связи можно представить в виде четырех групп пе­ременных:

ü контролируемые возмущающие воздействия (управляющие воздействия), т.е. входные вели­чины Х;

ü выходные величины Y (регулируемые параметры);

ü неконтролируемые возмущающие воздействия.

На примере работы электрической печи с одним регулируемым пара­метром, можно опре­делить, что выходной величиной Y является температура, входной – количество энергии, подводимое к печи, неконтро­лируемые возмущающие воздействия – открывание двери печи, которое приводит к уводу тепла из её пространства, по­тери тепла через теплоизоляцию, изме­нение температуры окружающей среды.

Различие математических моделей объектов обуславливается их назначением. Эти модели опи­сывают различные ре­жимы работы объекта или системы управления и могут быть получены одним из способов: экспериментальным, анали­тическим, комбинированным или экспериментально-анали­тическим.

При экспериментальном способе уравнения моделей получают путем постановки специальных экспериментов (ме­тод активного эксперимента) или путем статистической обработки результатов длительной регистрации переменных объекта в условиях его нор­мальной эксплуатации (метод пас­сивного эксперимента).

При аналитическом описании уравнения моделей получают на основании физико-химических за­кономерностей про­текающих процессов.

При экспериментально-аналитическом подходе уравнения моделей получают аналитическим пу­тем с последующим уточнением параметров этих уравнений экспериментальными методами.

Уравнения, описывающие поведение системы регулирования в установившемся режиме при по­стоянных воздей­ствиях, называ­ются уравнениями статики.

Уравнения, описывающие поведение системы регулирования при неустановившемся режиме при произвольных входных воздей­ствиях, называются уравнениями динамики.

Статическая характе­ристика в математической или графической форме выражает зависимость выходных параметров от вход­ных Y=f(X), а динамическая характеризует поведение объекта в переходном процессе, является зависимостью величины выходного параметра от времени Y=f(t), а математически описывается диф­ференциальным уравнением.

Статическую хар-ку можно построить экспериментально, если подавать на вход объекта постоянные воз­действия и заме­рять выходную переменную после окончания переходного процесса. 

Для изучения сложных объектов используют прием, который заключается в условном представ­лении объекта в виде ≪черного ящика≫. При этом изу­чают, что делает объект, а не как он функционирует. Пове­дение объекта определяют по реакции выходных величин на изменение входных. Основным инстру­ментом для изучения такого объекта являются экспериментально-статистические математиче­ские методы. Методически изучение объ­екта осуществляется следующим образом: определяют главные па­раметры, устанавливают дискретный ряд изменения главных пара­метров, искусственно изменяют входные параметры объекта в пределах уста­новленного дискретного ряда, фиксируют все изменения выходов и статистически обрабатывают полученные результаты (т.е. проводят ряд экспериментов и опреде­ляют математическую зави­симость выходных пара­метров от входных – строят экс­перимен­тально-статистические модели).

 Примером простейшего объекта автоматического управления является гидрав­лический резер­вуар, в котором имеется приток и сток жидкости. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы представ­лены на рисунке ниже.

 Выходным параметром, характеризующим со­стояние рассматриваемого объ­екта, яв­ляется уровень жидкости Н, который выби­рается в качестве выходной регулируемой вели­чины. Входным и соответственно регулирующим воздействием является скорость при­тока воды в резер­вуар Q, внешним возмущением – рас­ход воды из резервуара G. При постоянной степени откры­тия дросселя на при­токе жидкости, уровень определяется разностью (Q – G). По условиям работы объ­екта величина расхода G изменя­ется произвольно во времени. Уравнение динамики, описываю­щее зависи­мость уровня H в переходном режиме от G, в соответствии с законом гидравлики записы­вается в виде: , где S – площадь поперечного сечения резервуара.

Данное уравнение представляет собой математическое описание объекта регулирования – гид­равлической емкости и является обыкновен­ным дифференциальным уравнением 1-го порядка.

Из всех свойств объектов можно выделить главные, наиболее харак­терные: емкость, время раз­гона, способность к самовыравни­ванию (само­регулирование) и запаздывание.

Емкостью называют способность объекта аккумулировать рабочую среду и запасать ее внутри объекта. Накопление вещества или энергии возможно благодаря тому, что в каждом объекте имеется сопротивление выходу. В литейном про­изводстве емкостью обла­дают плавильные печи, разливоч­ные ковши, смесители, бункеры с исходными литейными мате­риалами, компрессоры и т.д. Чем больше емкость объекта, тем меньше скорость изменения параметра при одном и том же изменении количе­ства подаваемого (расходу­емого) вещества (энергии).

 Рассмотрим пример с электропечами сопротивления разной емкости. При одинаковой мощности нагревателей ско­рость нагрева до установленной температуры при включении печи будет выше у печи меньшего объема. Зависимость температуры в печи от величины подводимой мощности опре­деляется по статической характери­стике.

Статическая характеристика печи представляет собой зависимость вы­ходного параметра - темпе­ратуры от входного параметра – подводимой мощ­ности и может быть определена эксперимен­тально на объекте и изображена в виде гра­фика. Получить статическую ха­рактеристику печи на этапе её проектирования можно и теорети­чески.

Временем разгона объекта называют период, в течение которого регули­руемый параметр изменя­ется от исходной ве­личины до величины, соответ­ствующей номинальной (расчетной) нагрузке объ­екта при условии, что ско­рость поступле­ния регулирующей среды в течение этого времени остается постоянной – включаем электрическую холодную печь без системы регули­рования, и ждем, пока температура не выйдет на максимум. Время разгона определяем экспериментально по секундомеру.

Таким образом, кривой разгона называется реакция объекта (системы) на единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях. На практике кривая разгона определяется экспери­ментальным путем и используется в ка­честве исходных данных для ана­лиза и синтеза систем автома­тического управления исследуемом объектом.

Регулируемый параметр объекта без вмешательства извне после нарушения равенства между притоком и расходом может само­стоятельно через некоторое время принимать новое постоянное значение. Это явление называют самовырав­ниванием (саморегулиро­ванием). Самовыравнивание способствует устойчивости регулируемого параметра, более быст­рой стабилизации регулируемой вели­чины в переходном процессе и, следовательно, облегчает работу регулятора.

Отсутствие самовыравнивания в объекте усложняет процесс регулирования и приводит к необхо­димости применять более слож­ные схемы регулирования.

Для электрической печи сопротивления самовыравнивание означает, что рано или поздно темпе­ратура в печи оста­новится без всякого регулирования, и произойдет это в момент установления рав­новесия между отводом тепла в окру­жающую среду и подачей энергии в печь.

Объекты, обладающие самовыравниванием, называют статическими, а не обладающие этим свой­ством — нейтраль­ными или астатическими.

Как правило, все объекты с тепловыми процессами обладают самовыравниванием, в том числе и те, в которых регу­лируется дав­ление пара или газа. Пример объекта с самовыравниванием - духовка газовой плиты (при увеличении подачи газа к горелке наступает равновесие между притоком тепла в духовку и его уводом в окружающее пространство, но уже при более высокой температуре).

Примером объекта без самовыравнивания может служить испарительный бак с непрерывной подпиткой (котел паро­вой машины). При соблюдении баланса между количеством испаряющейся жидкости и вливающимся потоком воды, уровень в баке сохраняется неизменным. Если скачкооб­разно изменить поток вливающейся жидкости, например, увели­чить, - уровень в баке начнет повы­шаться. Изменение уровня будет продолжаться до тех пор, пока жидкость не начнет переливаться.

Запаздывание — это время, проходящее между моментом нарушения равновесия и началом из­менения управляемой величины объекта. Оно обусловливается наличием сопротивлений и инерци­онностью системы. Различают два вида за­паздывания: чистое (или транспортное) и переходное (или емкостное), которые в сумме составляют общее запаздывание в объекте.

Примером объекта с транспортным запаздыванием является ленточный конвейер для подачи сы­пучих материалов.

Изменение толщины слоя смеси на выходе транспортера Y_o произойдет через какое-то время τ_o после изменения толщины слоя на входе ленты X_o. Время τ_o определяется скоростью движения ленты v и длиной ленточного конвейера L.

 

Измерения

1. Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки жидкостных манометров.

2. Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки манометров с упругими чувствительными элементами.

3. Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки индукционных и тензометрических датчиков давления.

4. Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров, принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки пьезорезистивных датчиков давления.

5. Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров, принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки резонансных и емкостных датчиков давления.

6. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки расходометров переменного и постоянного перепада давления.

7. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки электромагнитных и ультразвуковых расходомеров.

8. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки тепловых расходомеров.

9. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки массовых кориолисовых и вихревых расходомеров.

10. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, способы бесконтактной передачи вращения, область использования, преимущества/недостатки тахометрических счетчиков расхода.

11. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, область использования, преимущества/недостатки объемных счетчиков.

12. Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки жидкостных и дилатометрических термометров.

13. Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки биметаллических термометров.

14.Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки манометрических термометров и термостатов.

15.Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; принцип действия, конструкции, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки платиновых термосопротивлений.

16.Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; зависимость температуры от сопротивления (статическая характеристика) и методики её определения для платиновых термосопротивлений.

17.Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; вторичные приборы и схемы подключения для измерения величины сопротивления платиновых терморезисторов.

18.Термоэлектрические первичные преобразователи: теоретические основы работы; наиболее распространенные типы термопар, их характеристики, особенности эксплуатации, диапазоны измерений и точность.

19.Термоэлектрические первичные преобразователи - определение температуры по ТЭДС термопары: получение градуировочных характеристик; НИСТ и НСХ; полиномы; точность дляпромышленных и эталонных термопар; причины нестабильности градуировочных характеристик.

20.Термоэлектрические первичные преобразователи: теория и практика подключения термопар к измерительным приборам; термокомпенсация; термопарные сборки; тонкоплёночные термопары; соединение термопар.

21. Вторичные приборы для измерения ТЭДС термопары.

22.Теоретические основы пирометрии.

23.Классификация оптических пирометров. Яркостные оптические и монохроматические пирометры: принцип действия, рабочие длины волн, погрешность, преимущества/недостатки.

24.Классификация оптических пирометров. Пирометры полного и частичного излучения: принцип действия, рабочие длины волн, погрешность, преимущества/недостатки.

25.Классификация оптических пирометров. Пирометры спектрального отношения: принцип действия.рабочие длины волн, погрешность, преимущества/недостатки.

26. Общие сведения о датчиках информации: понятие датчика и чувствительного элемента;аналоговые стандарты передачи данных: преимущества промышленного стандарта подключения датчика по двухпроводной линии; варианты подключения к вторичным приборам.

27.Общие сведения о датчиках информации: основные промышленные стандарты передачи данных между датчиками, регуляторами, компьютерами, исполнительными устройствами.

28. Основные показатели работы датчиков. Сведения о точности и погрешности измерений.

29.Классификация датчиков/первичных преобразователей.

 

Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки жидкостных манометров.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Механические и жидкостные манометры:

1. Жидкостные, в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты;

2. Деформационные, в которых измерение давления определяется по величине деформации различных упругих, чувствительных элементов или по развиваемой ими силе (пружинные, мембранные и сильфонные).

Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то выходной сигнал первичного механического преобразова­теля в виде силы или перемещения преобразуется в унифицированный электрический сигнал.

В отличие от манометра датчик давления предназначен для преобразования, а не измерения давления. Основными отличиями одних датчиков от других являются пределы изме­рений, динамические и частотные диапазоны, точ­ность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, мас­согабаритные характеристики, которые зависят от принципа пре­образования давления в электрический сигнал.

3. электрические датчики давления, пер­вичные преобразователи которых бывают тензометрическими, пьезорезистивными, емкостными, индуктив­ными, резонансными, ионизационными.

Одними из первых появились жидкостные датчики давления прямого действия, использующие принцип измерения высоты столба жидкости в закрытом с одного конца сосуде (стеклянной трубке) в зависимости от давления среды, прила­гаемого с другой стороны трубки.

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, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по положению которого определяется значение из­меряемого давления. Эти приборы используются в лабораторной практике и в некоторых отраслях промышленности.

Существует группа жидкостных манометров и дифманометров, в которых уровень рабочей жидкости непосред­ственно не наблю­дается. Изменение последнего вызывает перемещение поплавка или изменение характеристик другого устройства, обеспечивающих либо непосредственное показание измеряемой величины с помощью отсчетного устрой­ства, либо преобразование и передачу ее значе­ния на расстояние (поплавковые манометры).

Стеклянные жидкостные датчики дифференциального давления/ разрежения обладают неоспоримыми преимуще­ствами – очень малой стоимостью и наглядностью показаний. Но данные приборы, к сожалению, практически невоз­можно подключить к системам АСУ ТП. Их использование в системах защит и сигнализации весьма проблематично, точность измерений невысока. В связи с этим приборы данного типа чаще всего используются в качестве индикаторов на небольших котельных и вспомогательных производствах предприятий для индикации небольших давленийразрежений в топках, технологических процессах, сливных коллекторах, слабона­порных трубопроводах.

Для измерения давления и разности давлений используют двухтрубные манометры и дифманометры с видимым уровнем, часто называемыми U-образными.

Для повышения точности отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные) манометры.

У однотрубного манометра одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряе­мых давлений. Трубка, при­крепленная к шкальной пластинке, является измерительной и сообщается с атмосферой, при измерении разности давлений к ней под­водится меньшее из давлений. Рабочая жидкость заливается в манометр до нуле­вой отметки. Измерение в однотрубных манометрах высоты только одного столба рабочей жидкости приводит к сниже­нию погрешности считывания, которая с учетом погрешности гра­дуировки шкалы не превышает  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.

В качестве рабочей жидкости используются вода, ртуть, спирт, трансформаторное масло. Таким образом, в жидкост­ных маномет­рах функции чувствительного элемента, воспринимающего изменения изме­ряемой величины, выполняет рабочая жидкость, выходной величиной яв­ляется разность уровней, входной — давление или разность давлений. Кру­тизна статической характеристики зависит от плотности рабочей жидкости.

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.

 Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа используются микроманометры, которые являются разновид­ностью одно­трубных манометров и снабжены специальными при­способлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств.

К группе жидкостных приборов относятся также поплавковые ма­нометры. По принципу действия поплавковый ма­нометр подобен ча­шечному манометру с той разницей, что для измерения давления ис­пользуется изменение уровня жид­кости не в трубке, а в чашке. В чашке плавает поплавок, который перемещается вместе с изменением уровня жидкости. Перемещение поплавка посредством того или иного переда­точного устройства преобразуется в перемещение показыва­ющей стрелки по шкале, а также может быть использовано для регистра­ции измеряемой величины и для целей телеизме­рения, сигнализации и автоматического регулирования.

 

 

Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки манометров с упругими чувствительными элементами.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Действие манометров с упругими чувствительными элементами основано на использовании деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов, воспринимающих измеряемое давление и преобразующих его в перемещение или усилие, либо преобразование линейного перемещиния в электрический сигнал. В качестве упругих чувствительных элементов используются трубчатые пружины, мембраны, сильфоны. Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды. С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие, это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее смещению. Процесс изменения статической характеристики ускоряется при повышенной температуре и пульсации измеряемого давления. Конструкция деформационных манометров и дифманометров обычно предусматривает возможность коррекции отклонений показаний или выходного сигнала, вызванных старением упругого чувствительного элемента.

 

 

3. Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки индукционных и тензометрических датчиков давления.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Недостатком механических датчиков давления была необходимость привязки датчика к месту отбора импульса давления. Так, для отображения информации на щитах управления необходимо было прокладывать импульсные линии от точек отбора к операторской, что не всегда было возможно. Появлялись ограниения как по длине импульсных линий (при большой длине линий возникали погрешности передачи импульсов дав­ления), так и по составу рабочих сред.

Выхо­дом из ситуации стало создание индукционных датчиков давления и дифференциального давления. Суть данного метода измерений состоит в следующем. С мембраной или трубчатой пружиной, воспринимаю­щей давление среды посредством механических устройств, связан дифференциальный трансформатор, пе­ремещение сердечника которого вызывает эквивалентное изменение напряжения на выходе трансформа­тора. Так появились индукционные датчики давления с электрической дифференциально-трансформаторной системой.

Тензометрические датчики давления (дифференциального давления) С изобретением тензорезистора на­стала эра тензометрических датчиков давления. Тензорезисторы (пьезорезисторы) могут быть двух основ­ных типов:

1. Тонкопленочный полупроводниковый резистор на  сапфировой подложке (КНС – “кремний на сап­фире”), сопротивление которого изменяется от величины приложенного усилия деформации подложки;

2. Проволочные тензорезисторы или тензорезисторы в виде фольги (константин, манганин). Прово­лока закрепляется на бумажной подложке. Подложка прикрепляется к деформируемой под действием давления диафрагме.

Коэффициент тензочувствительности полупроводниковых кремниевых тензорезисторов во много раз пре­вышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника. Кроме того кремниевые тензоре­зисторы очень компактны. Основное достоинство приборов давления стензопреобразователями - использо­вание малых деформаций чувствительных элементов, что повышает их надежность и стабильность харак­теристик, а также обеспечивает виброустойчивость. При осуществлении тщательной температурной компен­сации предельная приведенная погрешность приборов составляет ±0,075 %, ±0,1 %.

Недостатком преобразователей этого типа особенно низкопредельных является значительный темпера­турный коэффициент, составляющий около 0,1 %/°С. В связи с этим во всех преобразователях произво­дится температурная компенсация, которая исходит из индивидуальных температурных характеристик каж­дого прибора.

Промышленностью предприятий стран СНГ и зарубежья освоен выпуск датчиков давления, разреже­ния на диапазоны давлений до 160 МПа с приведенной погрешностью измерения до 0,1 % и дифференциаль­ного давления на диапазоны перепада давлений от 0,04 до 630 кПа с приведенной погрешностью измерения до 0,075 %.

Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров, принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки пьезорезистивных датчиков давления.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Пъезорезистивные датчики это тензометрические датчики давления на основе кремниевых мембран, полученных методами микротехнологий.

Мембрана - это тонкая диафрагма, так как толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в200 раз). Датчик давления с кремниевой диафрагмой состоит из самой диафрагмы и встроенных в нее диффузионным методом кремниевых преобразователей в виде резисторов. Когда к полупроводниковому резистору номинала R прикладывается механическое напряжение, вследствие пьезорезистивного эффекта его сопротивление меняется на величину ∆R,  что приводит к изменению выходного напряжения датчика. Поскольку монокристаллический кремний обладает очень хорошими характеристиками упругости,в таком датчике отсутствует ползучесть и гистерезис даже привысоком давлении. Коэффициент тензочувствительности кремния во много раз превышает аналогичный коэффициент тонкого металлического проводника.

Таким образом, в пьезорезистивных (тензорезистивных на основе кремниевых мембран) датчиках

чувствительным элементом, преобразующим механические напряжения в колебания электрического тока или изменение сопротивления, являются пластины из монокристаллического кремния с встроенными тензорезисторами. Российские производители используют аббревиатуру "кремний-на-кремнии" (КНК)для определения таких датчиков.

Конструкционно они бывают двух типов:

• Датчики давления и дифференциального давления используют ранее отработанную конструкцию механической мембраны с установленным на ней  чувствительным элементом – пьезорезистором (тензорезистором) в виде монокристалла кремния. Пьезорезистор (тензорезистор) КНКвключен в диагональ измерительного моста. Напряжение разбаланса с диагонали моста усиливается высокоточным дифференциальным усилителем и в виде унифицированного токового сигнала (например, 4…20 мА) поступает на выход датчика.

• Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost (дешевые) - решения, основанные на использовании чувствительныхэлементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем. Для измерения агрессивных сред и большинствапромышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.

Малогабаритные пьезорезистивные датчики давления жидкости в индустриальном исполнении производства американской компании Honeywell, применяются во многих высокотехнологичных отраслях

производства. Их отличают широкий диапазон измеряемых величин и рабочих температур, прецизионная точность измерения, разнообразие корпусных исполнений и возможность работы в агрессивных средах.

 

 

Измерение давления и характеристики: единицы измерения; классификация манометров, принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки резонансных и емкостных датчиков давления.

Устройства для измерения давления и разности давлений получили общее название манометры. По назначению ма­нометры клас­сифицируются согласно ГОСТ 2405-88:

Барометры - для измерения атмосферного давления.

Манометры избыточного давления - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (измеряют избыточное давление — положитель­ную разность между абсолютным и барометрическим давлением).

Манометры абсолютного давления.

Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) до минус 100 кПа.

Напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) избыточного давления вентиляционных систем и разря­жения возду­хопроводов сушильных аппаратов и топок.

Мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разряжения одновременно.

Тягонапоромеры – для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разряжений газовых сред одновременно.

Дифференцальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Фирмой «Якогава» разработаны частотные датчики с кремниевыми резонаторами (наподобие кварцевых резонаторов). Сам кремниевый резонатор рас­полагается на механической измерительной кремниевой мембране, упругие деформа­ции которой приводят к изменению его параметров и, соответственно, к изменению генерируемой частоты. Это значение измеряется микропроцессорным контроллером (МПК), обеспечивающим выдачу результатов измерений в виде унифицированного токового сигнала или в цифровой форме по протоколу HARTна выход датчика.

Данному типу датчиков присущи те же недостатки что и тензорезистивным (пьезорези­стивным) датчикам, – размещение резонатора на мембране и возможность егоусталост­ного разрушения в процессе эксплуатации.

Одно из преимуществ состоит в том, что "кремниевый резонатор" является чисто цифровым сенсором (из инструментальной погрешности прибора исключена составляю­щая, приходящаяся на аналого-цифровое преобразование) - деформация сразу преобразу­ется в частоту в отличие от емкостного и пьезорезистивного датчиков, где промежуточ­ный аналоговый параметр обязательно присутствует (деформация-емкость-частота, де­формация - сопротивление -частота).

Этот факт, вкупе с чисто линейной зависимостью частоты резонатора от давле­ния, дает преимущество "кремниевому резонатору", так как для достижения более высокой точности требуется только увеличить точность калибровки, а перестройка шкалы не требует подстройки нуля и калибровки, обязательных для емкостного и пьезорезистивного датчиков.

Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меняет ем­кость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих характеристик из-за от­сутствия деформируемых тензорезисторов (пьезорезисторов) или кремниевых резонато­ров на поверхности мембраны (кремниевой диафрагмы). Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возмож­ным проведение прямой оцифровки результатов измерений. В то время как для диафрагм используемых в пьезорезитивных датчиках, необходимо обеспечивать максимальное ме­ханическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных датчиках существенным яв­ляется перемещение их центральной части. Диафрагмы в емкостных датчиках могут быть защищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для дифференциальных датчиков давления).

Фирмой АВВ разработаны частотные ёмкостные датчики, принцип работы которых основан на измерении частоты генерации колебаний резонанс­ным генератором.

 

 

Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки расходометров переменного и постоянного перепада давления.

Расходомеры переменного перепада давлений :

Действие этих расходомеров основано на возникновении перепада давлений на сужающем устройстве в трубопроводе при движении через него потока жидкости или газа. При изменении расхода Q величина этого перепада давлений р также изменяется.

 Для некоторых сужающих устройств как преобразователей расхода в перепад давлений коэффициент передачи определен экспериментально и его значения сведены в специальные таблицы. Такие сужающие устройства называются стандартными.

Наиболее простым и распространенным сужающим устройством является диафрагма Стандартная диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым отверстием в центре. От стойкости диафрагмы и особенно входной кромки отверстия существенно зависит ее коэффициент передачи. Поэтому диафрагмы изготовляют из материалов, химически стойких к измеряемой среде и устойчивых против механического износа. Кроме диафрагмы в качестве стандартных сужающих устройств применяют также сопло Вентури, трубу Вентури, которые создают меньшее гидравлическое сопротивление в трубопроводе.

Сужающее устройство расходомера переменного перепада давлений является первичным преобразователем, в котором расход преобразуется в перепад давлений.

Промежуточными преобразователями для расходомеров переменного перепада давлений служат дифманометры. Дифманометры связаны с сужающим устройством импульсными трубками и устанавливаются в непосредственной близости от него. Поэтому в расходомерах переменного перепада давлений обычно используют дифманометры, снабженные промежуточным преобразователем для передачи результатов измерений на щит оператора (например, мембранные дифманометры ДМ).

Так же как при измерении давления и уровня, для защиты дифманометров от агрессивного воздействия измеряемой среды применяют разделительные сосуды и мембранные разделители.

Особенностью первичных преобразователей расходомеров переменного перепада давлений является квадратичная зависимость перепада давлений от величины расхода. Чтобы показания измерительного прибора расходомера линейно зависели от расхода, в измерительную цепь расходомеров переменного перепада давлений вводят линеаризующий преобразователь. Таким преобразователем служит, например, блок линеаризации в промежуточном преобразователе НП-ПЗ. При непосредственной связи дифманометра с измерительным прибором (например, КСД) линеаризация производится в самом приборе с помощью лекала с квадратичной характеристикой.

Расходомеры постоянного перепада давлений

Расход жидкости или газа можно измерять и при постоянном перепаде давлений. Для сохранения постоянного перепада давлений при изменении расхода через сужающее устройство необходимо автоматически изменять площадь его проходного сечения. Наиболее простой способ — автоматическое изменение площади проходного сечения в ротаметре.

Ротаметр представляет собой вертикальную конусную трубку, в которой находится поплавок. Измеряемый поток Q проходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и после поплавка. Этот перепад давлений, в свою очередь создает подъемную силу, которая уравновешивает вес поплавка.

Если расход через ротаметр изменится, то изменится и перепад давлений. Это приведет к изменению подъемной силы и, следовательно, к нарушению равновесия поплавка. Поплавок начнет перемешаться. А так как трубка ротаметра конусная, то при этом будет изменяться площадь проходного сечения в зазоре между поплавком и трубкой, в результате произойдет изменение перепада давлений, а следовательно, и подъемной силы. Когда перепад давлений и подъемная сила снова вернутся к прежним значениям, поплавок уравновесится и остановится.

Таким образом, каждому значению расхода через ротаметр Q соответствует определенное положение поплавка. Так как для конусной трубки площадь кольцевого зазора между ней и поплавком пропорциональна высоте его подъема, то шкала ротаметра получается равномерной.

Промышленность выпускает ротаметры со стеклянными и металлическими трубками. У ротаметров со стеклянной трубкой шкала нанесена прямо на поверхности трубки. Для дистанционного измерения положения поплавка в металлической трубке используют промежуточные преобразователи линейного перемещения в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

В ротаметрах с электрическим выходным сигналом вместе с поплавком перемещается плунжер дифференциально-трансформаторного преобразователя. В ротаметрах с пневматическим выходным сигналом для передачи положения поплавка преобразователю используется магнитная муфта. Она состоит из двух постоянных магнитов. Один — сдвоенный — перемещается вместе с поплавком, другой, укрепленный на рычаге преобразователя перемещения в давление сжатого воздуха, двигается вместе с рычагом вслед за первым магнитом.

Выпускаются также ротаметры для измерения расхода сильноагрессивных сред. Ротаметры снабжены рубашкой для парового обогрева. Они предназначены для измерения расхода кристаллизующихся сред.

 

 

7. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки электромагнитных и ультразвуковых расходомеров.

Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения объемного расхода электропроводных жидкостей, растворов и пульп с неферромагнитными частицами, со­держащими до 60% инородных включений, горячих щелочных растворов, алюминиевых сплавов. Они не пригодны для измерения расхода газов, легких нефтепродуктов, спиртов.

Удельная электрическая проводимость измеряемой среды должна быть не ниже 10^-3– 10 Сименс/м, т.е. не ниже, чем у технической воды.

В литейном производстве с помощью таких приборов можно измерять расход практи­чески любой жидкости, применяемой при приготовлении формовочных и стержневых смесей.  

В проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, воз­никающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля.

Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея.

Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полю­сами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно по­лучить принципиальную схему электромагнитного расходомера, предложенную ещё са­мим Фарадеем. Величина ЭДС определяется из выражения E=V_ср.*B*D, где V- средняя скорость движения жидкости; B- индукция магнитного поля; D- внутренний диаметр тру­бопровода.

Конструктивно электромагнитные расходомеры выпускаются двух типов: для запол­ненных и частично заполненных трубопроводов. И в том, и в другом случае электропро­водящая среда протекает в круглом трубопроводе, в котором создается магнитное поле с силовыми линиями, перпендикулярными направлению потока. В полностью запол­ненных трубопроводах индуцированное в рабочей среде напряжение снимается одной парой диаметрально установленных электродов. В частично заполненных трубопроводах индуцированное в рабочей среде напряжение снимается несколькими парами электро­дов, установленных на хордах, поэтому при опускании уровня жидкости всегда оказыва­ются задействованными несколько пар электродов.

Электромагнитные расходомеры могут быть выполнены как с постоянными магнитами, так и с электромагнитами, питаемыми переменным током. Электромагнитные расходо­меры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Применение постоянных электромагнитов в расходомерах позволяет облегчить борьбу с помехами от внешних электромагнитных полей, увеличить быстродействие прибора. Основным недостатком их использования является поляризация электродов: концентрация у положительного электрода отрицательных ионов, а у отрицательного положительных.

Преимущества электромагнитных расходомеров:

• Идентичность показаний величины расхода в полностью заполненных трубопрово­дах как для турбулентного, так и для ламинарного потоков;

• Первичные преобразователи не создают потерь рабочего давления при прохож­дении через них рабочей среды;

• Возможность реализации метода для очень больших диаметров трубопроводов;

• Работоспособность при высоких давлениях среды – вплоть до 100 МПа (1000 Bar);

• на показания электромагнитных расходомеров не влияют физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т.п.), если они не из­меняют её электропроводность;

• Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3·10⁻⁹м³/с) расходов (например, для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м³/с). Причём диапазон измерения расходомера одного типораз­мера достигает значения 500:1;

• Высокое быстродействие.

К недостаткам следует отнести:

• Невозможность использования расходомеров для непроводящих жидкостей (уг­леводороды, аммиак, кислоты и др.);

• Наличие дополнительной погрешности от величины электропроводности жидко­сти, что вообще невозможно учесть в практике измерений, так как электропроводность среды (например, сетевой воды) может изменяться в течение года в десятки раз;

• Возможность отложения магнетита на стенках измерительного трубопровода расхо­домера и значительное увеличение погрешности при наличии окислов железа вводе.

Наибольшее применение расходомеры нашли в учёте водных и энергетических ресурсов (в  частности в отопительных системах). Электромагнитные расходомеры ши­роко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности (производства соков, молока, жидкого хмеля и т.д., где эти продукты нужно смешивать, дозировать и разливать в гигиеничных условиях), в строительстве и руднообогатительном производстве, в медицине, так как они малоинерционны по сравнению с расходоме­рами других типов. Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регу­лирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро ме­няющихся расходов. Электромагнитные расходомеры используются также в металлур­гии и горнодобывающей промышленности, где ежедневно приходится работать со сре­дами с высоким содержанием твердых частиц (руда или шлам).

Ультазвуковые 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.

В последнее время используются две разновидности ультразвуковых расходомеров: расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой и доплеровский. Наибольшее распространение получила первая группа прибо­ров. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения 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.

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико-химических свойств последней: темпе­ратуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде.

Ультразвуковые расходомеры имеют следующие положительные черты:

• значительный динамический диапазон, достигающему 25—30;

• высокой точности измерения, составляющей до ± 0,1% у лучших моделей с 4-мя лу­чами и калибровкой;

• возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), за­грязненных сред, суспензий;

• широкому диапазону диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений; • малой инерционности; • отсутствию потери давления;

• измерение потока в любом направлении;

• широкому диапазону температур (от -220 до 600 °С) и давлений.

К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:

• необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;

• влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;

• необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;

• сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3—4 раза превышает

стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;

• ограничения по минимальной скорости потока.

Все ультразвуковые стационарные расходомеры являются микропроцессорными, на выходе они имеют токовый и импульсный выходные сигналы, цифровой дисплей, ин­терфейсы RS-232, RS-485, цепь сигнализации, значение суммарного расхода архивиру­ется вместе с указанием нештатных ситуаций. Многие приборы могут измерять рас­ход реверсивного потока.

8. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки тепловых расходомеров.

Тепловой расходомер - расходомер, в котором для измерения скорости потока жидкости или газа используется эффект переноса тепла от нагретого тела подвижной средой.

Существует два способа измерения потока тепловыми расходомерами. В первом методе мощность нагревателя постоянна, а в качестве выходного сигнала использу­ется разность температур на двух температурных сенсорах, расположенных до и после нагревателя (калориметрические расходомеры). Во втором методе при помощи регуля­тора, управляющего подачей напряжения на нагреватель, разница температур на сен­сорах поддерживается постоянной.

Выходной сигнал в этом случае – величина напряжения или тока нагревателя (термо­анемометрические расходомеры).

Наибольшее распространение приобрели калориметрические трехэлементные модули, состоящие из нагревателя и двух термометров сопротивления, основанные на измере­нии разницы температуры газа до и после нагревания.

Достоинством такого модуля является ясный физический принцип действия и использование в качестве активных элементов традиционных проволочных, а в новей­ших конструкциях – тонкопленочных терморезисторов.

Чувствительным элементом термометрического анемометра является саморазогре­вающийся детектор температуры (проволока или поверхность (тонкопленочный рези­стор)), обычно из платины или вольфрама. Ток, проходящий по терморезистору выпол­няет две функции: измеряет сопротивление резистора с целью определения его тем­пературы и используется для генерации тепла.

Тепловой расходомер FMT200Dгаза немецкого концерна АВВ работает по принципу пленочного термоанемометра. Этот метод позволяет осуществлять непосредственное из­мерение массового расхода воздуха. В связи с этим не требуется компенсация давления и температуры, благодаря чему не нужна установка дополнительных датчиков давления и температуры. Расходомер выпускается в виде законченного изделия, устанавливаемого при помощи резьбовых соединений непосредственно в технологические трубопроводы предприятия. Датчик состоит из чувствительного элемента, установленного в измеритель­ном трубопроводе, и блока обработки результата. Показания считываются по линеаризо­ванной шкале и передаются в виде унифицированного токового сигнала 4-20 мА.

Следует отметить, что тепловые расходомеры могут работать только с ламинарными потоками при отсутствии каких-либо завихрений. Поэтому в их состав часто входят гаси­тели завихрений или сетки, которые часто называют выравнивателями массы. По сравне­нию с другими типами аналогичных измерителей обладают высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном, т.е. их можно использовать для регистрации очень маленьких перемещений жидкостей и газов, а также и высоких скоростей потоков.

9. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки массовых кориолисовых и вихревых расходомеров.

Массовые расходомеры определяют массовый расход напрямую, а не через измерение скорости или объема. Их показания не зависят от температуры, давления, вязкости и плотности жидкости. Поэтому такие датчики не требуют повторных калибровок и под­строек под конкретный тип измеряемой среды. Первые кориолисовы расходомеры рабо­тали только с жидкими средами, в настоящее время они адаптированы для работы и с га­зами.

Конструктивно расходомеры отличаются геометрией измерительных трубок (в основ­ном используются три варианта: U -образная трубка, петля и прямая трубка). Все трубки крепятся в двух точках, и колебания постоянной частоты сообщаются точке, самой удаленной от точки крепления при помощи электромеханического задающего устрой­ства.

Жидкость или газ поступают во впускное отверстие. При движении жидкости от входа к выходу на неё действует виброционное  ускорение, всё время меняющее своё направление. Поскольку потоки жидкости в двух ветвях трубки имеют противопо­лож­ные направления, то и возникающие там силы кориолиса также будут направ­лены в разные стороны. В результате этого две части трубки смещаются друг относи­тельно друга в соответствии с цикломвибраций. Величина изгиба трубки прямо про­порциональна мас­совому расходу вещества через трубку.

Кориолисовы силы вызывают поперечные колебания входной и выходной сторон петли и, как следствие, фазовые смещения их частотных характеристик, пропорцио­наль­ные массовому расходу. Деформация трубки или разность фаз колебаний восприни­мается сенсорами и преобразуется в массовый расход.

Массовые кориолисовыерасходомеры в основном применяются для измерения не­боль­ших массовых расходов в трубопроводах диаметром 1,5... 150 мм. Предел основ­ной по­грешности в различных моделях этих расходомеров составляет ±(0,1...0,5) % при динами­ческом диапазоне до 500:1. Преимуществами данных расходомеров является очень высокая точность измерения, стабильность показаний, независимость результатов измерений расхода жидкости и газа от температуры, давления, вязкости, плотности, на­личия твердых частиц и режима течения  измеряемой среды. Среди недостатков – ма­лые диаметры трубопро­водов, зависимость показаний от отложений шлаков в трубо­проводах и сравнительно высокая стоимость.

Вихревые расходомеры

Принцип измерения расхода основан на том эффекте, что при внесении в ламинарный поток цилиндра или призмы за ними образуется вихревая дорожка, частота образования вих­рей в которой прямо пропорциональна скорости потока.

Таким образом, измерив скорость потока, величину избыточного давления, тем­пера­туру среды и зная диаметр трубопровода, можно вычислить величину объемного расхода протекающей по трубопроводу жидкости, пара или газа.

Вихреобразование приводит к появлению за телом обтекания пульсаций давле­ния среды. Частота пульсаций давления идентична частоте вихреобразования и в данном случае служит мерой расхода.     Разработаны два метода детектирования пульсаций давления среды за телом обтека­ния. В первом, более раннем методе пульсации давления воспринимались пьезоэлек­триче­скими  преобразователями, сигналы с которых в форме электрических импульсов посту­пали в микропроцессорный вычислитель, обеспечивающий в совокупности с сигна­лами дат­чиков избыточного давления и температуры вычисление объемного расхода жид­кости, пара или газа.

Несмотря на существенную простоту конструкции прибора и метода измерения, приборам данного класса присущи серьезные недостатки. Это, прежде всего, чувст­ви­тельность к загрязнению и обмерзанию тела обтекания за счет присутствия в изме­ряемой среде тяжелых углеводородов, пыли, паров воды (газ), солей железа и кальция (вода).

Все это приводит к изменению структуры вихрей за телом обтекания и срыву их де­тек­тирования пьезоэлектрическими преобразователями. Единственным реальным местом их применения являются системы измерения расхода пара на диаметры условного про­хода от 32 до 150 мм.

В более позднем втором методе была изменена конфигурация тела обтекания и при­менен ультразвуковой метод детектирования вихрей однолучевым или  двухлучевым преобразо­вателем. Это позволило повысить надежность детектирования вихрей в ус­ловиях реаль­ных измеряемых сред, однако полностью не устранило чувствительность к загрязне­ниям тела обтекания.

Лучшие характеристики имеют вихревые расходомеры, где в качестве источника образования вихрей используются жестко закрепленные в трубопроводе лопасти тур­бинки, обеспечивающие превращение линейного потока во вращающийся. При этом получается более высокая точность измерения расхода и меньшая зависимость от за­грязнения ло­пастей турбинки. Фактически, здесь большой накопленный опыт созда­ния турбинных расходомеров соединен с преимуществами электронных приборов по­следних поколений.

10. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, способы бесконтактной передачи вращения, область использования, преимущества/недостатки тахометрических счетчиков расхода.

Для измерения объемного или массового количества жидких и газообразных сред на за­водах применяют счетчики расхода. Они состоят из тахометрического преобразова­теля расхода и счетного суммирующего механизма.

Тахометрический преобразователь расхода – это первичный преобразователь, в ко­тором скорость движения рабочего элемента, взаимодействующего с потоком веще­ства, пропорциональна объемному расходу. По принципу действия тахометрические счетчики подразделяются на скоростные и объемные (камерные).

В скоростных счетчиках рабочим элементом являются вертушка (крыльчатка, турбина и др.тела) с вертикальной или горизонтальной осями вращения. Под действием потока веще­ства вертушка совершают непрерывное вращательное движение с угловой скоро­стью, пропорциональной скорости потока, а, следовательно, и расходу. Число оборо­тов сум­мируется счетным механизмом в приборах с механической передачей и вы­дается на табло. Для бесконтактного измерения скорости вращения турбины или крыльчатки их лопасти либо изготавливаются из ферромагнитного материала, либо оснащаются магни­тами.

Счетчики могут быть местными и дистанционными. У местных счетчиков чувст­ви­тельный элемент и суммирующее устройство объединены в одном общем корпусе. Суммирующее и показывающее устройства дистанционных счетчиков выполнены в раз­ных корпусах и соединены линиями связи. Все счетчики сделаны так, что служат для измерения расхода одной какой-либо жидкости (вода, мазут) или газа.

Тахометрические расходомеры (счетчики) содержат электрические тахометрические преобразователи частоты вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, измеряемый затем вторичным прибором. Электрические преобразователи скорости ока­зывают незначительное тормозящее действие на подвижный элемент (по сравне­нию с механической передачей), в силу чего точность таких приборов выше точности счетчиков с механическим редуктором.

Тахометрические приборы измеряют объемные расходы. При необходимости измере­ния массовых расходов они должны снабжаться либо измерителями температуры и давле­ния, либо плотномерами, вычислительными устройствами.

Наиболее широко тахометрические расходомеры (счетчики) используются в ком­му­нальном хозяйстве для  учета индивидуального потребления горячей и холодной воды, газа и выпускаются многими фирмами и заводами.

 

11. Измерение расхода: определение расхода и классификация приборов; принцип действия, устройство, область использования, преимущества/недостатки объемных счетчиков.

В промышленности в большинстве случаев для измерения расхода газа и нефте­про­дуктов применяются объемные (камерные счетчики). Достоинствами их является вы­сокая точность измерения, составляющая ±(0,2... 1) % для жидкостей и ±(1... 1,5) % для га­зов, дос­таточно большой диапазон измерения и слабое влияние вязкости среды.

В объемных(камерных) счетчиках вещество измеряется отдельными равными по объему порциями (дозами).

Применяются счетчики ротационного, поршневого принципа действия и мембранные счетчики.

Ротационные газовые счетчики обладают сравнительно большой пропускной спо­соб­ностью и значительным диапазоном измерений при сравнительно небольших габа­рит­ных размерах, не требуют электроэнергии для работы, долговечны, имеют возмож­ность контроля исправности работы по перепаду давления на счетчике во время его ра­боты, не­чувствительность к кратковременным перегрузкам.

Ротационный (роторный) счетчик — камерный счетчик газа, в котором в качестве пре­об­разовательного элемента применяются восьмиобразные роторы (лопости). Действие ос­но­вано на превращении части энергии газа в механическую энергию вращения лопастей, яв­ляющихся чувствительным элементом счетчика.

Счетчик состоит из корпуса 3, в котором на неподвижных осях размещены две (в виде восьмерок) подвижные лопасти 4, находящиеся в постоянном скользящем зацеп­лении. Газ под давлением р поступает во входной патрубок 1, а из него в корпус 3счетчика. Давле­ние воспринимается обеими лопастями, но начальный вращательный момент создает левая лопасть которая, вращаясь против часовой стрелки, вращает правую лопасть по часовой стрелке.

Синхронизация вращения роторов достигается с помощью двух пар одинаковых зубча­тых колес, укрепленных на обоих концах роторов в торцевых коробках вне пределов измерительной камеры-корпуса. Для уменьшения трения и износа шестерни роторов по­стоянно смазываются маслом, залитым в торцевые коробки.

В момент вращения правая лопасть захватывает определенный объем газа, отсе­кает его от общего объема и перемещает в выходной патрубок 5. Одновременно левая лопасть, изменяя свое рабочее положение, становится ведомой, захватывает такую же порцию газа в левую рабочую полость и перемещает ее к выходу. За один рабочий цикл транспор­тируется четыре рабочих объема газа.

К одной из лопастей присоединен магнит, который вращается одновременно с ней. Магнитный момент через немагнитную перегородку передается муфте, подклю­ченной к счетному устройству расходомера. Давление газа за счетчиком р всегда меньше давления р. Энергия напора тратится в приборе на преодоление сил трения, пре­вращение потенци­альной энергии в кинетическую (вращение и гидравлические сопротив­ления). Зазор между корпусом и прямоугольными площадками, расположенными на концах наибольших диаметров роторов, колеблется от 0,04 до 0,1 мм в зависимости от типа счетчика. При изго­товлении счетчиков особое внимание уделяется статической ба­лансировке и обработке роторов. Для контроля работы счетчика предназначен U-об­разный дифманометр 2. Для поршневых счетчиков по сравнению с другими типами объемных счетчиков характерна большая потеря давления. Поршневые счетчики используются для измере­ния суммарного количества мазута, нефти, бензина и других жидкостей.

Поршневые счетчики особенно удобны для измерения малых расходов жидкости при малых давле­ниях. Они обычно применяются на энергетических объектах, потребляющих жидкое топ­ливо. В объемном поршневом счетчике имеется четырехходовой кран, соединенный трубами с цилиндром, в котором располагается поршень. При подаче жидкости четырехходовой кран поочередно занимает два определенных положения, которые заставляют поступать жид­кость в цилиндр под поршень или над поршнем, который, перемещаясь, выдает опреде­ленные дозы жидкости в трубопровод. На штоке поршня имеется специальный ме­ханизм, который переключает четырехходовой кран. Число доз за определенный проме­жуток вре­мени суммируется счетным механизмом, а количество доз, равное сумме объе­мов доз пока­зывается счетным указателем.

Промышленные поршневые счетчики жидкости выпускаются с двумя и четырьмя порш­нями. Последние получили наибольшее распространение. В этих счетчиках поверх­ностью, воспринимающей энергию движения жидкости, является поршень с манжетами; жидкость распределяется золотником. Под давлением жидкости каждый из поршней по­очередно пе­ремещается к центру счетчика, вытесняя жидкость из противоположного ци­линдра через зо­лотник и трубопровод. При этом движение поршней передается коленча­тому и вертикаль­ному валикам, связанным со счетным устройством.

Мембранный счетчик (диафрагменный, камерный) — счетчик газа, принцип дей­ст­вия которого основан на том, что при помощи различных подвижных преобразова­тель­ных элементов газ разделяют на доли объема, а затем производят их циклическое сум­мирование.

Детали и узлы изме­рительного механизма для мембранных счетчиков изготавливают из пластмасс. Приме­нение пластмассовых измерительных механизмов значительно снижает себе­стоимость продукции, увеличивает стойкость к воздействию химических компонентов, находя­щихся в газах, значительно уменьшает коэффициент трения в движущихся частях счет­чика.

В зависимости от конструкции и объемов измеряемого газа измерительный механизм может состоять из двух или четырех гофрированных камер.

Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки жидкостных и дилатометрических термометров.

Действие термометров расширения основано на тепловом расширении (изменении объема) тер­мометрического ве­щества (жид­костные и газовые) или линейных размеров твердых тел (дилатомет­рические и биметаллические) в зависи­мости от температуры.

1. Ртутные жидкостные стеклянные термометры имеют пределы измерения -60… + 650°С, тер­мометры, заполненные органиче­ской жидкостью (спирт, керосин, метилкарбитол) – 200…+200°С (согласно ГОСТ 28498-90 ≪Термометры жид­костные стеклянные≫). Термометры на основе легко­плавкого сплава - галлий 67 %, индий 20,5 %, олово 12,5 % имеют температурный диапазон 10…+1200°С.

Термометры, в зависимости от условий эксплуатации, бывают следующих исполнений:

• полного погружения;

• частичного погружения.

Предел допускаемой погрешности технических термометров при цене деления шкалы и классе точности находятся в пределах от ±1°С при цене деления 0,5°С в температурном диапазоне -38….+100°С и ±5°С при цене деления 5°С в тем­пературном диапазоне +100….+300°С до ±10°С при цене деления 10°С в температурном диапазоне +300….+600°С.

Предел допускаемой погрешности лабораторных термометров с ценой деления 0,1°С – от ±0,2°С до ±1°С.

Ртутные электроконтактные термометры с преобразованием механического перемещения стол­бика ртути в электри­ческий сигнал (столбик ртути замыкает электрическую цепь) имеют не только шкалу для визуального контроля темпера­туры, но их также можно ис­пользовать в качестве релейных датчиков температуры для двухпозиционного регулирования температуры печей сопротивления.

Дилатометричекий термометр состоит из металлической трубки из материала с высоким коэф­фициентом линейного расширения (например, латунь, медь, алюминий), внутри которой к донышку крепится стержень из инвара, коэффициент линейного расширения материала которого очень мал. При измерении температуры трубка удлиняется, вследствие чего стержень перемещается вниз. Пе­ре­мещение стержня через систему рычагов передается стрелке. Применяется для темпе­ратур до +500°С.

К преимуществам дилатометрических термометров относятся высокая надежность и большие усилия, развиваемые чувствитель­ным элементом. Последнее позволяет встраивать в дилатометры контактные устройства и использовать их в виде температурных реле и для электрической сигнали­зации предельных значений температуры, а также в схемах авто­матического регулирования темпера­туры. Для измерений температуры используются сравнительно редко.

Чувствительным элементом является металлическая трубка, изготовленная из материала с доста­точно большим ко­эффициентом линейного расширения. Внутри трубки находится жестко соединен­ный с ней стержень из материала с ма­лым коэффициентом расши­рения. Другим концом стержень шарнирно соединен с рычагом, представляющим собой по­движный контакт замкнутой контактной группы. При погружении чувствительного элемента в измеряемую среду метал­лическая трубка при повышении температуры будет увеличивать свою длину в большей степени, чем стержень. Поэтому стержень, перемещая рычаг, при заданной температуре разомкнет контакты, связанные посредством клемм с соедини­тельной линией системы контроля или управления.

 

13. Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки биметаллических термометров.

Действие биметаллического термометра основано на измерении разности линейных расширений при нагревании двух сваренных, спаянных или склепанных между собой по всей плоскости сопри­косновения разнородных металлов, об­ладающими различными коэф­фициентами линейного расши­рения. По-видимому, биметаллические пластины были со­зданы в XVIII веке в Англии часовщиком Джоном Харрисоном для термокомпенсации его морского хронометра.

До сих пор применяются для термокомпенсации хода механических часов.

Один из металлов (обычно это медь) при нагреве расширяется сильнее, чем другой (обычно ин­вар), отчего и проис­ходит раскру­чивание спирали Инвар — обладает низким коэффициентом тепло­вого расширения.

Пластина может быть завернута в виде плоской спирали либо пружины.

Для показывающих приборов пластина сворачивается в форме плоской спирали, один конец ко­торой зафиксирован на корпусе, а ко второму прикреплена стрелка. При нагревании такой биметал­лической спи­рали происходит ее раскручи­вание с соответствующим перемещением стрелки вдоль шкалы.

В термометре с биметаллической пластиной в форме спирали имеется закрученная по спирали метал­лическая по­лоска, которая раскручивается при нагреве и вращает стрелку по калиброванной шкале. Чув­ствительный элемент заклю­чен в защитный стальной ко­жух.

Кроме показывающих биметаллических термометров очень широко используются реле темпера­туры с плоскими би­металличе­скими элементами различной геометрии. При нагревании такого биме­таллического элемента он изгибается в сторону металла с мень­шим коэффициентом линейного рас­ширения и при задан­ной температуре замыкает сигнальные контакты. Такие датчики температуры релейного типа широко ис­пользуются в качестве тепловых реле защиты в разно­образных нагрева­тельных бытовых устройствах (утюги, фены, радиаторы масляные и вентиляторные, электрочайники и т.д.) и промышленных устрой­ствах.

Общая принципиальная схема устройства биметаллического реле тем­пературы приведена на ри­сунке. Реле состоит из прямоуголь­ной би­ме­таллической пластины 1 с электриче­ским подвижным кон­тактом 2, винта-задатчика (непо­движного контакта) 3, предна­значен­ного для изменения преде­лов срабатывания, изолирующей пла­стины 4, клемм 5 и защит­ных кожухов 6 и 7. Часть устройства, за­кры­тую кожу­хом 7, по­гружают в измеряемую среду. При повы­шении температуры среды биме­тал­лическая пластина резко ис­кривля­ется и при заданной тем­пературе происхо­дит замыкание контактов 2 и 3. Со­едини­тельную линию системы кон­троля или управления подключают к клеммам 5.

14.Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; принцип действия, устройство, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки манометрических термометров и термостатов.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления рабо­чего вещества в герметичной замкнутой термосистеме. Он состоит из термобаллона и чувствительного элемента (трубчатая одновитковая пружина, многовитковая пружина или трубка Бурдона), соединенных между собой гибким капилляром длиной до десятков мет­ров. Один конец чувствительного элемента закреплен, а второй соединен через механиче­скую систему с показывающей стрелкой. Диапазон измеряемых температур -100…600°С. Для уменьшения погрешностей рабочие шкалы можно сделать короткими 0…100°С, -30…30°С. Погрешность 1,0 – 2,5%. Заполнители: газовые (азот), жидкости (керосин, силико­новые жидкости), парожидкостные (ацетон, хладон – 22, пропилен и т.д.).

Парожидкостной манометрический термометр состоит из металлического баллончика 2, за­полненного легко кипящей жидкостью на 60%. Диаметр баллончика для измерения темпе­ратур до 300°С равен 17-18 мм, а длина капиллярной трубки 4 составляет 100-1000 мм. Внутренний ее диаметр не превышает 0,1-0,4 мм при внешнем диаметре 2-7 мм. Ка­пиллярная трубка требует очень аккуратного обращения. Для защиты ее от коррозии на нее наносят резиновое либо полиэтиленовое покрытие.

Давление пара 3 жидкости экспоненциально возрастает с повышением температуры среды 1 и не зависит от количества жидкости в баллончике. Изменение давления восприни­мает упругий элемент 5 термометра (одновитковая полая пружина), который приводит в дви­жение стрелку 6, показывающую по шкале 7 температуру измеряемой среды. Производи­тели выпускают парожидкостные манометрические термометры с пропаном (от -40 до +40°С), диэтиловым эфиром (от +40 до 160 °С), диоксидом серы (от 0 до 160°С), этано­лом (от 85 до 245°С), ксилолом (от 150 до 360 °С).

У жидкостных манометрических термометров баллончик 2 и капилляр 4, а также упругий элемент 5 (трубка Бурдона) полностью заполнены жидкостью. При повышении темпера­туры среды 1объем, занимаемый жидкостью, увеличивается соответственно разности теплового расширения жидкости и баллончика. Увеличение объема раскручивает упругий эле­мент 5, представляющий собой трубку Бурдона, которая свя­зана с механизмом движения стрелки 6 по шкале 7, откалиб­рованной в градусах Цельсия.

Труба Бурдона - французский механик, ввел в практику пру­жинный манометр и металлический барометр) - это трубка, которая закручена несколько раз в спираль. Указа­тель прибора может соединяться непосредственно с кончи­ком трубки без промежуточного механизма. Из-за того, что трубка имеет форму спирали она, вследствие повышения давления равномерно раскручивается.

Измерительная система, заполненная газом, менее инерционна по сравнению с заполнен­ной жидкостью (значение постоянной времени 2 сек. против 8 сек.). Изменение внеш­ней температуры также оказывает меньшее влияние на точность показаний газового прибора по сравнению с жидкостным прибором.

Благодаря тому, что в системе термобаллон-капилляр-пружина создается давление, трубча­тая пружина в состоянии механически перемещать  не только стрелку указателя температуры, но и замыкать контакты переключателей, а также перемещать клапана запор­ных устройств (например, в радиаторных терморегуляторах), осуществляя, таким обра­зом, не только контроль, но и регулирование.

Манометрические термометры с электроконтактной группой для управления внеш­ними электрическими цепями используются для сигнализации и двухпозиционного регулиро­вания в качестве регуляторов температуры. Манометрический регулятор темпера­туры, который не отображает ее текущее значение, называют термостатом.

Такие термостаты не содержат электроконтактных групп. Расширяющееся вещество внутри термобаллона изменяет его линейный размер. Этой энергии расширения хватает для механического перемещения упругим элементом штока клапана, что приводит к увеличе­нию либо уменьшению подачи горячей воды через радиатор. Установка температуры осуществ­ляется вращением белого колпачка.

Достоинствами манометрических термометров являются сравнительная простота конструк­ции и применения, возможность дистанционного измерения температуры, для измере­ний не требуется подвод электрической энергии. К недостаткам манометрических тер­мометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы. Использу­ются также в случаях, когда по условиям взрыво– или пожаробезопасности нельзя использо­вать электрические методы дистанционного измерения температуры.

Применяются в литейном производстве для измерения температур емкостей с мазутом, во­дой, компонентами формовочных смесей, температуры воздуха в сушильных шкафах.

Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; принцип действия, конструкции, диапазон и точность, область использования, преимущества/недостатки платиновых термосопротивлений.

Температура является важнейшим и часто основным параметром технологических процессов в металлургии.

Так как каждая частица нашей вселенной находится в постоянном движении, то можно считать, что температура яв­ляется мерой кинетической энергии колеблющихся частиц. Чем быстрее движе­ние, тем выше температура частицы.

Средняя кинетическая энергия большого количе­ства двигающихся частиц определяет макроскопическую тем­пературу объекта.

Когда различные материалы соприкасаются, атомы и молекулы, двигающиеся в них, взаимодей­ствуют друг с другом. Более того, каждый колеблющийся атом ведет себя как микроскопический пе­редатчик, посылающий электромагнитное излучение в окружающее пространство. Все это позволяет осуществлять передачу тепла от теплых объектов к холодным. Чем интенсивнее движение атомов, тем выше температура и тем сильнее электромагнитное излучение. Для измерения температуры ис­пользуют термометры, которые либо контактируют с объектом, либо принимают его электромагнит­ное излучение и вырабатывают физический сигнал на выходе. Этот сигнал и является мерой темпе­ратуры объекта.

В настоящее время в научных и технических разработках обычно применяются две шкалы: Цель­сия и Кельвина,Шкала Кельвина базируется на, так называемой, тройной точке воды, соответству­ющей давлению 4.58 мм ртутногостолба, при котором вода одновре­менно находится в трех состоя­ниях: в виде пара, жидкости и льда. Температура трой­ной точки воды равна 273.16 К (Кельвин) или 0°С. Шкала Кельвина является линейной, где нулевая точка (0 К) соответ­ствует температуре, при ко­торой кинетическая энергия всех дви­гающихся частиц равна нулю. Эту точку невозможноре­ализо­вать на практике, она является чисто теоретической величиной, называе­мой абсолютным нулем. Между шкалами Кельвина и Цельсия существует разница в 0.01°С, вызванная тем, что нуль градусов Цельсия определяется не тройной точкой воды, а температурой, при которой лед и насыщенный вла­гой воздух при атмосферном давлении находятся вди­намическом равновесии. Эти две шкалы имеют одинаковый наклон (т.е. 1°С = 1К, а 0К= -273.16°С):

Температура кипения воды равна 100°С = 373.16 К. Шкала Фаренгейта имеет более крутой наклон, поскольку 1°С= 1.8°F. Её применяют в США и Англии. На этой шкале температура таяния льда и температура кипения воды обозначены соответственно через 32°F и 212°F.

Реперные точки — точки, на которых основывается шкала измерений. На реперных точках (таб­лица 1) построенаМеждународ­ная (практическая) температурная шкала, их число в МПТШ-68 со­ставляло 11, а в современной МТШ-90(ITS-90) — 18.

Поэтому в 1927 г. и была введена практическая температурная шкала МТШ-27, основу которой составляют темпера­туры репер­ных точек (фазовых переходов чистых веществ), определенные мето­дами первичной термометрии. В данных точках градуируются практические термометры (например, термометры сопротивления), которые затем ислужат для из­мерения температуры и передачи раз­мера единицы температуры.

С 1927 г. шкала несколько раз переопределялась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): менялись ре­перные температуры, методы ин­терполяции, но принцип остался тот же – основой шкалы является набор фазовых переходов чистых веществ с определенными значе­ниями термодинамических темпе­ратур и интерполяционные приборы, градуированные вэтих точ­ках.

Последняя редакция Междуна­родной температурной шкалы - шкала МТШ-90, которая счита­ется очень близкоаппроксимирующей термодинамическую шкалу температур, поэтому слово ≪практическая≫ было опущено в ее назва­нии.

Международная температурная шкала постоянно развивается и дополняется. Так, в октябре 2000 г. Международный комитет по мерам и весам при МВМВ утвердил новую предварительную низко­температурную международнуюшкалу ПНТШ-2000 (PLTS-2000), которая расширяет диапазон МТШ-90 в низкотемпературной области. Шкала начинается с температуры 0,902 К,соответствую­щей твердому состоянию 3He и доходит до температуры 1К, таким образом, пере­крывая диапазон МТШ-90 в интервале 0,65…1К.

Средство измерений, предназначенное для контактного измерения температуры веществ и преоб­разования ее всиг­нал темпера­турной информации в форме удобной для непосредственного восприя­тия наблюдателем, для автоматической выработки, передачи и использования в автоматических си­стемах управления, называется термометром.

Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температур. В первом случае необ­ходимо обеспечитьнадежный тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом изме­рения, при этом верхний предел измере­ния температуры ограни­чен жаропрочностью и химической стоимостью применяемых чувствительных элементов. Приневозможности обеспечить надежный тепловой контакт чувствительного элемента с объектом измерения применяютбесконтактные ме­тоды измерения.

По принципу действия термометры могут быть разделены на группы:

• термометры расширения (измеряющие температуру по тепловому расширению жидкостей или твердых тел);

• манометрические термометры (использующие зависимость давления газа или насыщенных па­ров жидкости оттем­пературы);

• термометры (датчики) сопротивления;

• термоэлектрические термометры (датчики).

Для измерения температуры бесконтактным методом используют оптические пирометры:

• яркостные (измеряющие температуру по яркости раскаленного тела в заданном узком диапазоне длин волн);

• частичного излучения (измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излуче­ния нагретого тела вограниченном диапазоне длин волн);

• полного излучения (измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излучения нагретого тела в ши­роком диапа­зоне длин волн в соответствии с законом Стефана-Больцмана для ≪абсолютно черного тела≫);

• спектрального отношения (принцип действия которых основан на измерении отношения энер­гий, излучаемых те­лом в двух или более узких спектральных диапазонах).

Платиновые термосопротивления можно использовать для измерения высоких температур до 1100°С. Однако здесь возникает ряд проблем негативно сказывающихся на точности измерений.

Один из важнейших процессов, заметно сказывающийся на сопротивлении чистой платины, это изменение концен­трации вакансий в кристаллической решетке при изменении температуры (эффект закалки вакансий). Практически это приводит к изменению удель­ного электросопротивления при быстром извлечении чувствительного элемента из печи, нагретой до температуры выше 600°С.

Платина - мягкий и пластичный металл. Одним из источников нестабильности характеристик пла­тиновых термомет­ров является возникновение напряжений и деформаций проволоки чувствитель­ного элемента. В данном случае высока роль конструкции термо­метра, толщины и конфигурации проволоки, способа крепления ее на каркасе. Проблемы, свя­занные с деформациями обостряются во время использования термометра в области температур выше 420°С. Несколько различных типов деформаций возникает при цикличе­ском изменении температуры. Изменяются размеры проволоки. Со­стояние чувствительного элемента не восстанавливается при устра­нении усилия. В эталонных платиновых термометрах пластическая деформация - явление не частое и может возникнуть при ме­ханиче­ских ударах, тряске, резких тепловых ударах. Способствует деформации жесткое закрепление проволоки и сильное трение о каркас. В связи с этим стандарт­ные платиновые термосопротивления имеют верхний предел измерения 650°С.

Таким образом, платина применяется в стандартных технических термометрах для измерений в диапазоне температур от -200 до +650°С, а в термометрах специальных конструкций - до + 750°С и даже до 1200°С.

16.Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; зависимость температуры от сопротивления (статическая характеристика) и методики её определения для платиновых термосопротивлений.

Принцип действия металлического терморезистора сопротивления основан на измерении калиб­рованного платино­вого (Pt), нике­левого (Ni) или медного (Cu) сопротивления. Металлические дат­чики температуры обладают положитель­ным температурным коэф­фициентом сопротивления (ТКС), так как с ростом температуры сопротивление металла растет. Зависимость сопротивления от темпе­ратуры и методика её определения влияют на точность измерения температуры.

Статическая характеристика платинового терморезистора не является идеально линейной. В за­висимости от требуе­мой точности измерений можно использовать несколько способов её нахожде­ния.

1. Самый ≪грубый≫ способ - провести линеаризацию нелинейной статической характеристики методом наимень­ших квадратов во всем диапазоне измерений от -200 до +650°С.

Для терморезисторов уравнение прямой связывает сопротивление R и температуру T при помощи температурного коэффициента сопротивления (ТКС) α: ,где R₀ – сопротивление Ом при эталонной температуре T₀ (для платиновых датчиков 0°С).

ГОСТ 6651-2009 разрешает использовать термомосопротивления любого номинала, а рекоменду­емые значения со­противлений при 0°C - 10, 50, 100, 500 и 1000 Ом. Платиновые датчики выпускают номинальным сопротивлением 100, 500 и 1000 Ом

ТКС α рассчитывается по формуле: , где - значения сопротивления термопреобразователя сопротивления при 100°С и 0°С с округле­нием до пятого знака после запя­той.

ГОСТ 6651-2009 регламентирует два значения ТКС α : 0,00385 °С-1 для термосопротивлений с обозначением Pt (иностранного производства) и 0,00391 °С-1 с обозначением П (российского произ­водства). Таким образом, исходное уравнение для термосопротив­ления Pt100 примет вид R =100 + 0,385⋅T , где множитель при Т определяет угол наклона прямой и называется чувствительностью термосопротивления.

Коэффициент α имеет в разных странах мира свою величину, отличающуюся от значений МТШ-90.

Практические расчеты показывают, что отклонение от линейной характеристики не превышает 5% в интервале 0….+500°С, и 19% в интервале -200….0°С.

2. Второй способ линеаризации состоит в разбиении нелинейной функции на участки, каждый из которых линеари­зуется своим отрезком (кусочно-линейная аппроксимация). Это позволяет на каж­дом интервале иметь своё уравнение прямой и существенно уменьшить ошибку вычисления темпе­ратуры по сопротивлению терморезистора.

3. Использование стандартной экспериментально-статистической математической модели (квад­ратичное уравнение Каллендара Ван Дьюзена) со стандартными коэффициентами.

Для промышленных платиновых термометров сопротивления используется уравнение Каллен­дара-ВанДьюзена, с известными ко­эффициентами, которые установлены экспериментально и нор­мированы.

При этом используются два уравнения для диапазонов -200…0 и 0…850°С.

Промышленные платиновые термометры сопротивления (таблица 2 ГОСТ 6651-2009) в большин­стве случаев ис­пользуются с та­кой стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает точность с исполь­зованием стандартных коэф­фициентов (А, В и С) не лучше 0,1°С.

4. Использование стандартной экспериментально-статистической математической модели (квад­ратичное уравнение Каллендара Ван Дьюзена) с уточненными коэффициентами.

Однако высокая стабильность некоторых термометров позволяет делать их индивидуальную гра­дуировку и опреде­лять характер­ную именно для них зависимость сопротивление-температура. Кон­станты А, В и С определяются свой­ствами платины, а их значения рассчитываются из уравнения Каллендара Ван Дьюзена

Эталонные платиновые термометры и термометры-рабочие эталоны изготавливаются из платины высокой чистоты и по точности превосходят промышленные термометры сопротивления (абсолют­ная погрешность ±0,0015°С и ниже), но они требуют очень осто­рожного обращения, не выносят тряски и резких тепловых перепадов. Кроме того, их стоимость в десятки раз выше стоимости рабо­чих термометров сопротивления.

Сопротивление изготовленного термометра может быть любым. Рекомендуемые значения сопро­тивлений при 0°C - 10, 50, 100, 500 и 1000 Ом. Максимальный температурный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для прово­лочных чувствительных элементов составляет 660 ｡ﾆC , для плёночных 600 ｡ﾆC.По конструкции чувствительного элемента металличе­ские терморезисторы бывают проволочными и тонкопленочными.

Измерение температуры контактным способом: единицы измерения и шкалы, понятие опорных точек и МТШ-90; классификация терморезисторов; вторичные приборы и схемы подключения для измерения величины сопротивления платиновых терморезисторов.

Самая распространенная конструкция – так называемая ≪свободная от напряжения спираль≫ (Strain-free). Эта кон­струкция вы­пускается многими российскими предприятиями и считается самой надежной. Вариации основного дизайна заключаются в размерах деталей и материалах, используе­мых для герметизации корпуса чувствительного элемента. Для различных диапазонов температур ис­пользуются разные виды глазури. Эта конструкция чувствительного элемента также очень распро­странена за рубежом. Примерная схема данного типа чувствительного элемента приведена на ри­сунке.

Чувствительный элемент представляет собой платиновую спираль, четыре отрезка которой укла­дываются в каналы трубки из ок­сида алюминия и засыпаются мелкодисперсным порошком из оксида алюминия высокой чистоты. Таким об­разом, обеспечивается изоляция витков спирали друг от друга, амортизация спирали при термическом расширении и вибропроч­ность. Герметизация концов ЧЭ проводится с помо­щью цемента, приготовленного на основе оксида алю­ми­ния, или специальной гла­зури.

Вторая конструкция – это новая разработка, кото­рая используется в ЧЭ значительно реже из-за высокой стоимости. Так называе­мая полая конструкция ≪Hollowannulus≫ (рисунок 3.13б). Эта кон­струкция применяется на особо важных объектах, в атомной про­мышленности, т.к. обладает повы­шенной надежно­стью, стабильностью метрологических пара­метров и низкий коэффициент тепловой инерции.

Термоэлектрические первичные преобразователи: теоретические основы работы; наиболее распространенные типы термопар, их характеристики, особенности эксплуатации, диапазоны измерений и точность.

В 1821 году физик Т.Зеебек (1770-1831), родившийся в Эстонии, а учившийся в германии, изучая тепловые эффекты в гальвани­ческих устройствах, соединил полукруглые элементы, изготовленные из висмута и меди. Неожиданно стрелка компаса, случайно ле­жавшего рядом, отклонилась. Однако,Зеебек не догадался, что при этом через элементы течет элек­трический ток, поэтому назвал это явле­ние термомагнетизмом. Последующие исследования показали, что эффект Зее­бека является по своей природе электрическим.

Причиной возникновения тока в такой цепи является диффузия свободных электронов из одного термоэлектрода в другой. При этом вещество термоэлектрода, менее прочно удерживающее свои электроны, заряжается положительно, а другое – отрицательно. При комбинировании двух разных материалов (А и Б) всегда требуется определить напряжение Зеебека (термоэлектродвижущую силу - ТЭДС), зависящее от разности температур на концах элементов. Эталонное со­единение, находящееся при более холодной темпера­туре, называется холодным спаем, а второе соединение – горячим спаем. Физическая природа соединения горячего спая при этом не имеет значения: металлы могут быть скручены, сва­рены, спаяны, заклепаны и т.д. Имеет значения только температура спаев и свой­ства материалов (проводников в метал­лических термопарах и полупроводников в неметаллических тер­мопарах). Термин “спай” сло­жился исторически, так как вначале надежный контакт между прово­лочными или иными металлическими электродами обеспечивали пайкой. Таким образом, эффект Зе­ебека является прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую, а в 1826 году Бекке­рель предложил использовать эффект Зеебека для измерения температуры. Первая конструкция термо­пары была разработана Генри Ле-Шателье почти шестьюдесятью годами позже, а полученные им данные по термоэлектрическим свойствам комбинаций металлов до сих пор используются при про­ведении температурных измерений.

Эффект Зеебека также используется термоэлементах (термобатареях), которые, по существу представляют собой не­сколько по­следовательно соединенных термопар. В настоящее время полу­проводниковые термоэлементы на основе кремния, легированного раз­личными добавками, часто ис­пользуются для детектирования тепловых излучений.

Таким образом, термоэлектрический ток приводит к появлению термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), а создающий эту ТЭДС преобразователь называется термоэлектрическим чувствительным элементом (термопарой). Это надежные и недорогие датчики тем­пературы, широко используемые в различных измерительных системах. Термопары являются единственными температурными датчи­ками, позволяющими измерять сверхвысокие температуры (до +2300°С).

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100°С, и обычно не пре­вышает по аб­солютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять темпера­туру в диапазоне от –200 до 2200°С.

Для измерения средних температур (до 1100°С) используют в основном термопары из неблаго­родных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600°С – термопары из благородных метал­лов и сплавов платиновой группы, а для из­мерения более высоких температур – термопары из жаро­стойких сплавов (на основе вольфрама).

Наиболее распространенным типом термопары для измерения средних температур является тер­мопара хромель—алюмель. Тер­моэлектроды данной термопары изготовлены из сплавов на никеле­вой основе. Хромель (НХ9,5) содержит 9...10 %Сr; 0,6...1,2 % Со; алюмель (НМцАК) — 1,6...2,4 % Al, 0,85...1,5 Si, 1,8...2,7 % Mn, 0,6...1,2 % Со. Алюмель свет­лее и слабо притягивается магнитом; этим он отличается от более темного в отожженном состоянии совершенно немаг­нитного хромеля. Благодаря высокому содержанию никеля хромель и алюмель лучше других неблагородных металлов по стойкости к окислению. Ещё одним положительным свойством данного типа термопар – хромель-алюмелевые термо­пары обладают наиболее близкой к прямой линии статической характеристикой. Эти тер­мопары для большинства прак­тических случаев можно считать линейными преобразовате­лями с линейной статической характеристи­кой.

Это существенно упрощает процедуру калибровки конкретной термопары для получения инди­видуальной статиче­ской характери­стики с целью увеличения точности измерений.

Измерение высоких температур связано с трудностями, обусловленными большими скоростями процессов диффу­зии, окисления, изменения кристаллической структуры и т. п. Поэтому только пла­тина и ее сплавы с металлами платино­вой группы пригодны для дли­тельной эксплуатации в окисли­тельных средах. При этом платина проявляет склонность к выделению из сплавов в виде летучей окиси, которая в определенных условиях восстанавливается до платины. При дли­тельной эксплуата­ции восстановленная платина образует нитевидные кристаллы, которые могут шунтировать элек­троды термопары, снижая ее показания. Статическая характеристика термо­пар ПП (R и S) и ПР (B) является нелинейной.

Термопары из чистых металлов - золото-платиновые и платино-палладиевые являются термопа­рами повышенной точности и ис­пользуются в основном в исследовательских лабораториях, а также в системах точного контроля темпера­туры. Для них характерна значительно меньшая термоэлектри­че­ская неоднородность и большая чувствительность по сравнению с платино-родиевыми термопа­рами.

Таким образом, для измерений температуры в литейном производстве и металлургии наибольшее распространение для изготовле­ния термоэлектрических преобразователей получили платина, плати­нородий, хромель, алюмель.

Термоэлектрические первичные преобразователи - определение температуры по ТЭДС термопары: получение градуировочных характеристик; НИСТ и НСХ; полиномы; точность дляпромышленных и эталонных термопар; причины нестабильности градуировочных характеристик.

Зависимость ТЭДС от температуры горячего спая при температуре свободного спая 0°C называ­ется градуировочной характери­стикой термопары. Градуировка производится двумя методами: по реперным точкам или сличениием.

Градуировка по постоянным (реперным) точкам является наиболее точной и применяется для об­разцовых термопар. Поверяемую термопару помещают в тигель с металлом высокой чистоты, уста­новленной в печи, и регистрируют пло­щадку на кривой изменения ТЭДС по мере повышения или понижения температуры металла. Данная площадка соответ­ствует температуре плавления или кри­стал­лизации металла, причем более предпочтительно вести градуировку по точке кристаллизации. В качестве реперных металлов исполь­зуют металлы, определенные в МТШ-90.

Метод сличения заключается в непосредственном измерении ТЭДС градуируемой термопары при постоянной тем­пературе сво­бодных концов 0°C и различных температурах рабочего спая, которые определяются с помощью образцо­вого термометра.

Для стандартных термопар градуировочные (статические) характеристики приводятся в литера­туре в виде таблиц или математи­ческих моделей – полиномов, полученных на основе эксперимен­тальных данных. Эти полиномы использу­ются в микропроцессоре мо­дуля ввода современных циф­ровых приборов для перевода ТЭДС в температуру.

Эталоном являются градуировочные таблицы для термопар НИСТ (Национальный институт стан­дартов и технологии США). Стан­дартная зависимость ТЭДС от температуры (которая в терминоло­гии Российских стандартов называется ≪Номинальные статические характеристики≫ (НСХ)) опре­деляется экспериментально по результатам измерений в эта­лонной лаборатории, полученным для большого количества термопар.

Для вычисления напряжения как холодного, так и горячего спая используется одна и та же граду­ировочная таблица или получен­ный на её основе полином. Это становится возможным благодаря ≪правилу промежуточных проводов≫, согласно которому если контакт двух металлов сделан через промежуточный металл (например, константан и железо со­единены через медь, как на рисунке 3.26, то промежуточный металл не влияет на результирующую ТЭДС, если его концы имеют одинаковую температуру. Таким обра­зом, на данной схеме измерительная микросхема замыкает через медные провода и свои внутренние цепи холодный спай. Эту замы­кающую цепь можно рассматривать как второй кон­такт между константаном и железом, не влияющий на величину ТЭДС. Точки со­единения термоэлектродов с медными проводами в данном случае имеют температуру, совпадающую с темпе­ратурой холодного спая.

Зависимость величины ТЭДС термопары от температуры, не линейны в широком диапазоне тем­ператур, но на опре­деленном участке их можно считать линейными и пользоваться для расчета ли­нейными зависимостями.

Для образцовых высокоточных измерений с использованием высококачественных калиброванных термоэлектродов точная нели­нейная зависимость ТЭДС E термопары от температуры при условии, что температура холодных концов ста­билизирована на уровне 0°С, в стандартах НИСТ и ГОСТ Р описывается полиномом вида: , где A_i - коэффициенты полинома; N = 4….14 - сте­пень полинома. Для обеспечения необходимой точности аппрокси­мации весь температурный диапазон разбивается на 1...3 поддиа­пазона, для каж­дого из которых используется отдельный полином.

Обратная зависимость описывается аналогичным выражением:

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.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: