Средства для измерения основных технологических параметров (температура, давление, расход, уровень)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУ ВПО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

Новомосковский институт (филиал)

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

по предмету

«Автоматика»

на тему

«Средства для измерения основных технологических параметров (температура, давление, расход, уровень)»

г. Новомосковск

2014

Введение

В общем случае измерением называется процесс нахождения опытным путем с помощью специальных технических средств соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Основные термины и определёния, встречающиеся при измерении, даны по ГОСТ 16263--70.

Средства измерений представляют собой совокупность технических средств, используемых при различных измерениях и имеющих нормированные метрологические свойства, т. е. отвечающих требованиям метрологии в части единиц и точности измерений, надежности и воспроизводимости получаемых результатов, а также требованиям к их размерам и конструкции. Основными видами средств измерений являются меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные установки.

Измерительным прибором (или просто прибором) называют средство измерений, служащее для выработки сигнала измерительной информации (электрического, пневматического и др.) в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. По форме выдачи информации приборы подразделяются на аналоговые, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины, и цифровые, показания которых являются дискретными и представляются в цифровой форме.

термометр давление уровнемер

1. Средства для измерения температуры

В зависимости от принципа действия промышленные приборы для измерения температуры классифицируются по ГОСТ 13417--76 на следующие группы.

Манометрические термометры основаны на изменении давления рабочего вещества при постоянном объеме с изменением температуры.

Термоэлектрические термометры включают термоэлектрический преобразователь (термопару), действие которого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Термометры сопротивления содержат термопреобразователь сопротивления, действие которого основано на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.

Пирометры излучения; из них наиболее распространены:

- квазимонохроматический пирометр, действие которого основано на использований зависимости температуры от спектральной энергетической яркости;

- пирометры спектрального отношения, действие которых основано на зависимости от температуры тела отношений энергетических яркостей в двух или нескольких спектральных интервалах;

- пирометры полного излучения, действие которых основано на использовании зависимости температуры от интегральной энергетической яркости излучения.

1.1 Манометрические термометры

Вся система прибора (термобаллон, капиллярная трубка, манометрическая пружина) заполнена рабочим веществом. Термобаллон помещают в зону измерения температуры. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.

Различают следующие типы манометрических термометров:

- газовые, в которых вся система заполнена газом под некоторым начальным давлением;

- жидкостные, в которых система заполнена жидкостью;

- конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное пространство термобаллона заполнено парами этой жидкости.

1.1.1 Манометрические газовые термометры

Манометрические газовые термометры основаны на зависимости между температурой и давлением газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме.

Начальное давление в газовых термометрах зависит от пределов температуры и составляет обычно 0,98--4,9 МПа. Чем выше температура, тем ниже давление и наоборот.

1.1.2 Манометрические жидкостные термометры

В приборах этого типа всю систему термометра заполняют жидкостью под некоторым начальным давлением. К жидкостям, применяемым для заполнения, предъявляют следующие требования: возможно больший коэффициент объемного расширения, высокая теплопроводность,- небольшая теплоемкость и химическая инертность к материалу термометра. Обычно применяют силиконовые жидкости. Предел измерения температуры от --150 до +300 °С.

1.1.3 Манометрические конденсационные термометры

В конденсационных термометрах термобаллон обычно заполняют на 2/3 объема низкокипящей жидкостью. Перед заполнением термометра воздух из системы удаляют. В замкнутой системе термометра всегда поддерживается динамическое равновесие одновременно протекающих процессов испарения и конденсации. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в связи с этим усиливается также и процесс конденсации. В конечном итоге насыщенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего температуре.

1.2 Термоэлектрические термометры

В основу измерения температуры термоэлектрическими термометрами положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи термоэлектрического преобразователя (термопары), состоящего из двух (рисунок 2.1) или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разные температуры.

Рисунок 2.1 - Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Спай, имеющий температуру t, называется рабочим, а спай, имеющий постоянную температуру t₀, -- свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. Предположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается положительно, а металл В -- отрицательно. Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует этой диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов.

1.2.1 Магнитоэлектрические милливольтметры

Магнитоэлектрические милливольтметры основаны на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита.

Магнитная система милливольтметра обычно состоит из подковообразного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника. Наличие сердечника в междуполюсном пространстве магнита уменьшает магнитное сопротивление и формирует радиальный магнитный поток. В кольцевом воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка, изготовленная из изолированного медного (реже алюминиевого) провода.

В регистрирующих приборах рамка обычно подвешена на тонких металлических лентах которые создают противодействующий момент и одновременно служат для подвода тока. К рамке милливольтметра крепится стрелка, имеющая два усика с резьбой, по которым перемещаются грузики. С помощью грузиков подвижную систему уравновешивают так, чтобы центр ее тяжести находился на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в разные стороны и стремящихся повернуть рамку.

1.2.2 Потенциометр

Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой термо-ЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока.

Рисунок 2.2 - Принципиальная схема потенциометра

Принципиальная схема потенциометра приведена на рисунке 2.2. Ток от вспомогательного источника Е (сухого элемента) проходит по цепи, в которую между точками А и В включен компенсирующий переменный резистор R_АB (КПР), представляющий собой калиброванную проволоку длиной L. Разность потенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой D пропорциональна сопротивлению резистора R_AD (в точке D находится скользящий контакт). Последовательно с ТЭП включен чувствительный милливольтметр НП с нулем посредине шкалы (нуль-прибор, нуль-индикатор). ТЭП подключен таким образом, что ток на участке сопротивления R_AD идет в том же направлении, что и от вспомогательного источника. Следовательно, термо-ЭДС преобразователя Е (tt₀) определяется падением напряжения на участке компенсирующего переменного резистора (КПР), т. е. не зависит от сопротивления НП и внешнего сопротивления цепи R_BH. КПР R_AB может быть снабжен шкалой, отградуированной в единицах напряжения (милливольтах) или в градусах. В последнем случае для каждого типа термометра необходима своя шкала.

1.3 Термометры сопротивления

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры. Таким образом, омическое сопротивление проводника или полупроводника представляет некоторую функцию его температуры R=ѓ(t). Вид этой функции зависит от природы материала. В качестве измерительных приборов термометров сопротивления применяют уравновешенные мосты и логометры (омметры). Для полупроводниковых терморезисторов измерительными приборами обычно служат неуравновешенные мосты.

1.3.1 Уравновешенные мосты

Уравновешенные мосты делятся на лабораторные (неавтоматические) и производственные (автоматические). Автоматические уравновешенные мосты выполняют в виде указывающих, регистрирующих и регулирующих.

Мост состоит из двух резисторов R1 и R3 с постоянными и равными сопротивлениями, переменного резистора R2 и термометра R_t. К сопротивлению термометра присоединяются сопротивления 2R_пр двух соединительных проводов. В одну диагональ моста включен источник постоянного тока, в другую -- нуль-прибор НП.

При равновесии моста, которое достигается перемещением движка по резистору R2, сила тока в диагонали моста I₀ = 0. В этом случае потенциалы на вершинах моста b и d равны, ток от источника питания разветвляется на две ветви I1 и I3, падение напряжения на резисторах R1 и R3 одинаковое. Падение напряжения на плечах моста bc и cd также одинаковое. При изменении сопротивления R_t мост можно уравновесить изменением сопротивления КПР R2.

1.3.2 Неуравновешенные мосты

Возможность непосредственного отсчета температуры -- преимущество неуравновешенного моста перед лабораторным уравновешенным мостом.

Для определения сил токов в плечах моста воспользуемся методом контурных токов. Принимая ЭДС источника питания постоянной, рассмотрим три контура с силами тока I_a, I_b, I_c. Cила тока зависит от Е или разности потенциалов U_ab на вершинах моста. Следовательно, необходимым условием правильного измерения является поддержание разности потенциалов постоянной, для чего в цепь источника тока вводят регулировочный реостат R.

1.3.3 Логометры

Логометры -- это магнитоэлектрические приборы, подвижная система которых состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, расположенных под некоторым углом (в предельном случае в одной плоскости).

Постоянный магнит снабжен полюсными наконечниками N и S с цилиндрическими выточками. Центры выточек полюсных наконечников смещены относительно центра сердечника. Между полюсными наконечниками расположен цилиндрический сердечник из стали, вокруг которого вращается подвижная система из двух рамок R1 и R2. К рамкам прикреплена стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы, проградуированной в градусах. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником неравномерный, поэтому магнитная индукция меняется (наибольшее значение в середине полюсных наконечников, наименьшее -- у края), являясь функцией угла поворота от среднего положения.

Если сопротивление рамок одинаковое и R = R_t, то I1 = I2, т. е. вращающие моменты рамок равны. При этом подвижная система находится в среднем положении. При изменении сопротивления термометра вследствие нагрева (или охлаждения) через одну из рамок потечет ток большей силы, равенство моментов нарушится, и подвижная система начнет поворачиваться в сторону действия большего, момента. При вращении подвижной системы рамка, по которой течет ток большей силы, попадает в зазор с меньшей магнитной индукцией, вследствие чего действующий на нее момент уменьшается. При этом другая рамка входит в зазор с большей магнитной индукцией, и ее момент увеличивается.

1.4 Пирометры излучения

Принцип действия пирометров излучения основан на использовании теплового излучения нагретых тел.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 °С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. По мере повышения температуры цвет тела меняется от темно-красного до белого, содержащего волны всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает спектральная энергетическая яркость (СЭЯ), т. е. излучение определенной длины волны (яркости), а также заметно увеличивается суммарное (интегральное) излучение. Указанные свойства нагретых тел используют для измерения их температуры и в соответствии с этими свойствами пирометры излучения делятся на квазимонохроматические, спектрального отношения и полного излучения.

1.4.1 Квазимонохроматический пирометр

Принцип действия квазимонохроматических пирометров основан на сравнении яркости монохроматического излучения двух тел: эталонного тела и тела, температуру которого измеряют. В качестве эталонного тела обычно используют нить лампы накаливания, яркость излучения которой регулируют.

1.4.2 Пирометры спектрального отношения (цветовые)

В цветовых пирометрах, применяемых для промышленных измерений, определяется отношение СЭЯ реального тела в лучах двух заранее выбранных длин волн, т. е. показания пирометра являются функцией ѓ(Ел₁/Ел₂). Это отношение для каждой температуры различно, но вполне однозначно.

Большая часть конструкций цветовых пирометров основана на определении цвета измеряемого тела по отношению энергетических яркостей для двух длин волн, не очень близких одна к другой в видимой части спектра.

1.4.3 Пирометры полного излучения

Пирометры полного излучения измеряют температуру по мощности излучения нагретого тела. Пирометр снабжен оптической системой (линзой, зеркалом), собирающей испускаемые нагретым телом лучи на каком-либо теплоприемнике. Теплоприемник обычно состоит из миниатюрной термоэлектрической батареи (из нескольких малоинерционных последовательно соединенных ТЭП), термометра сопротивления или полупроводникового терморезистора. В качестве измерительных приборов применяют милливольтметры, автоматические потенциометры и уравновешенные мосты.

2. Средства для измерения давления

Приборы для измерения давления обычно классифицируют (по ГОСТ 2405--80) по принципу действия и по роду измеряемой величины.

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на:

- жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

- деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой ими силе;

- электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления.

По роду измеряемой величины приборы для измерения давления и разрежения делят на:

- манометры - приборы для измерения абсолютного и избыточного давления;

- вакуумметры - приборы для измерения разрежения (вакуума);

- мановакуумметры - приборы для измерения избыточного давления и вакуума;

- напоромеры (микроманометры) - приборы для измерения малых избыточных давлений;

- тягомеры (микроманометры) - приборы для измерения малых разрежений;

- тягонапоромеры (микроманометры) - приборы для измерения малых давлений и разрежений;

- дифференциальные манометры - приборы для измерения разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды;

- барометры - приборы для измерения атмосферного давления.

Для описания приборов наиболее удобна классификация по принципу действия.

2.1 Жидкостные приборы

Жидкостные приборы отличаются простотой устройства и относительно высокой точностью измерения; их широко применяют как для лабораторных, так и для технических измерений. Жидкостные приборы служат для градуировки и поверки приборов других систем, измерения небольших избыточных давлений, разрежений, разности давлений, а также атмосферного давления.

2.1.1 Приборы с видимым уровнем

Приборы для измерения температуры с видимым уровнем разделяются на:

- двухтрубный U-образный прибор;

- однотрубный (чашечный) прибор;

- микроманометр с наклонной трубкой.

Двухтрубный U-образный прибор представляет собой стеклянную трубку, изогнутую в виде буквы U. Трубка укреплена на доске со шкалой, расположенной между ветвями трубки. Трубка прибора заполнена жидкостью (ртутью, водой, спиртом).

Система находится в равновесии, если гидростатическое давление столба жидкости в открытом колене уравновешивается давлением в другом колене.

Если давление в пространстве, с которым соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в трубках переместится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответствовать разрежению (вакууму). Присоединив оба свободных конца трубки прибора к двум полостям с разными давлениями, можно по разности уровней жидкости в приборе определить разность давлений.

Прибор наполнен жидкостью до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба жидкости необходимо делать два отсчета (снижения в одном колене, подъема в другом) и суммировать замеренные величины.

Однотрубный (чашечный) прибор представляет собой модификацию двухтрубного, одно из колен которого заменено широким сосудом (чашкой). Сосуд соединен с вертикальной стеклянной трубкой. Резервуар, в котором измеряют давление, подключают к сосуду, а резервуар, в котором измеряют разрежение, -- к трубке. О величине давления или разрежения судят по высоте столба жидкости в вертикальной трубке прибора.

Микроманометр с наклонной трубкой. При измерении малых давлений применяют приборы с наклонной трубкой . Прибор состоит из стеклянного сосуда к которому под некоторым углом ц к горизонту припаяна стеклянная трубка. Сосуд с трубкой укреплен на деревянной доске со шкалой. Шкала сделана подвижной, чтобы при заполнении прибора жидкостью можно было совместить нуль шкалы с мениском жидкости в трубке. Конец трубки присоединен к полости, в которой измеряют разрежение.

2.1.2 Приборы без видимого уровня

Для технических измерений жидкостные приборы выполняют в виде так называемых комбинированных жидкостно-механических приборов. К ним относятся поплавковые, кольцевые и колокольные.

Поплавковые приборы представляют собой U-образные жидкостные приборы, у которых одно из колен расширено, и в нем помещен поплавок, связанный со стрелкой, движущейся вдоль шкалы. Поплавковые приборы чаще всего используют как дифференциальные манометры (дифманометры) для измерения разности давлений.

Кольцевые приборы предназначены для измерения малых давлений, разрежений и разности давлений. Кольцевой прибор состоит из полого замкнутого кольца, разделенного вверху перегородкой. Кольцо подвешено на ножевой опоре в геометрическом центре. По обе стороны от перегородки в кольцо входят трубки, служащие для соединения кольца с полостью, в которой измеряют давление или разрежение. К нижней части кольца прикреплен груз. Полость кольца до половины заполнена жидкостью (водой, маслом, ртутью).

Колокольные приборы используют для измерения малых давлений и разрежений (тягомеры и напоромеры) и в качестве дифференциальных манометров. Прибор состоит из сосуда с жидкостью, в которую погружен колокол. Под колокол введена трубка для соединения подколокольного пространства с объемом, в котором измеряют давление или разрежение. Если под колоколом создается избыточное давление, то он поднимается, так как на него действует дополнительная сила, направленная вверх.

В существующих колокольных приборах для создания противодействующей силы используют архимедову силу, силу тяжести груза или силу сжатия пружины.

2.2 Приборы с упругими чувствительными элементами (деформационные)

Действие деформационных приборов основано на использовании деформации или изгибающего момента различных упругих элементов, воспринимающих измеряемое давление среды и преобразующих его в перемещение или усилие.

2.2.1 Приборы с трубчатыми пружинами

Наиболее широко применяют приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной.

Приборы с одновитковой трубчатой пружиной. Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной - согнутая по дуге окружности трубка 1 эллиптического или плоскоовального сечения (рисунок 2.1). Одним концом трубка заделана в держатель 2, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки.

а - схема трубчатой пружины;

б - эллиптическое поперечное сечение;

в - плоскоовальное поперечное сечение

Рисунок 2.1 - Прибор с одновитковой трубчатой пружиной

Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшается и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора.

Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной отличаются от одновитковых формой рабочего органа, имеющего вид цилиндрической спирали с шестью -- девятью витками, свернутой из плоской трубки. Геликоидальную трубку можно рассматривать как ряд одновитковых трубок, соединенных последовательно. Вследствие этого перемещение свободного конца трубки значительно больше перемещения одновиткового манометра.

2.2.1 Мембранные приборы

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры). Величина прогиба мембраны является сложной функцией действующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа и формы гофров), а также модуля упругости материала мембраны. Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежений) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) в мембранные коробки, а коробки -- в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными и манометрическими.

Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки. Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Деформация анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций составляющих ее мембран.

2.2.2 Пружинно-мембранные приборы

Пружинно-мембранные приборы отличаются от описанных тем, что мембрана, воспринимающая давление, выполнена из гибкого материала (вялая мембрана), а давление уравновешивается цилиндрической винтовой пружиной. Гибкие мембраны обычно изготовляют из резины с тканевой основой, ткани с газонепроницаемой пропиткой или особых пластмасс. Вялые мембраны применяют в тягомерах, напоромерах, тягонапоромерах и дифманометрах. Неметаллические мембраны, как правило, снабжают жестким центром.

2.2.3 Сильфонные приборы

Чувствительным элементом сильфонных приборов является цилиндрический тонкостенный сосуд с кольцевыми складками (гофрами), называемый сильфоном. Сильфоны изготовляют из латуни, бериллиевой бронзы и коррозионно-стойкой стали (обычно марки 12Х18Н9Т). При действии нагрузки (внешнего или внутреннего давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы.

2.3 Электрические приборы

Действие приборов этой группы основано на прямом или косвенном преобразовании давления в электрический параметр, функционально связанный с давлением.

Эти приборы применяют главным образом в лабораторной практике для исследовательских целей.

2.3.1 Манометры сопротивления

Действие приборов основано на изменении электрического сопротивления проводника под действием внешнего избыточного давления. Электрическими проводниками принципиально могут служить любые металлы и сплавы, а также полупроводники.

2.3.2 Пьезоэлектрические манометры

Действие пьезоэлектрических манометров основано на свойстве некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Особенностью пьезоэффекта является его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические манометры незаменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих процессов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т. п.).

2.3.3 Теплопроводные манометры

При низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с геометрическими размерами системы, теплопроводность газа зависит от давления. Эту зависимость используют в теплопроводных манометрах, применяемых для измерения давления газа в пределах от 0,0133 до 1333 Па. Манометр состоит из нагревателя и измерителя температуры, помещенных в сосуд, в котором контролируют давление. В качестве измерителей температуры применяют терморезисторы и термоэлектрические термометры.

2.3.4 Ионизационные вакуумметры и манометры

Действие вакуумметра основано на ионизации молекул газа потоком электронов, испускаемых раскаленным катодом или излучаемых радиоактивным веществом. В первом случае преобразователем является трехэлектродная манометрическая лампа, баллон которой соединен с измеряемой средой. В баллоне расположена вольфрамовая нить (катод), сетка и анод-коллектор. Электроны, вылетающие из катода, притягиваются положительно заряженным анодом. В зависимости от давления газа электроны на своем пути ионизируют большее или меньшее число молекул. Ионы собираются коллектором и создают ток, сила I_к которого пропорциональна силе анодного тока и давлению газа.

Во втором случае при небольших измеряемых давлениях и небольших размерах радиоизотопных манометров эффективнее применять б-излучение, обладающее наивысшей ионизирующей способностью на 1 см длины пробега частиц.

3. Средства для измерения количества и расхода

Приборы, измеряющие количество вещества, называют счетчиками. Счетчики измеряют протекающий через них объем вещества за любой промежуток времени: сутки, месяц и т. п.

Расходом вещества называется количество вещества, проходящего через данное сечение канала в единицу времени. Приборы, измеряющие расход, называют расходомерами.

В зависимости от принятого метода измерения наиболее распространены расходомеры:

- переменного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода перепада давлений в сужающем устройстве вследствие частичного перехода потенциальной энергии потока в кинетическую;

- скоростного напора для измерения расхода по динамическому напору потока с помощью пневмометрических трубок;

- переменного уровня, основанные на зависимости от расхода высоты уровня жидкости в сосуде при свободном истечении ее через отверстие в дне или боковой стенке сосуда;

- постоянного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела (поплавка), изменяющего при этом площадь сечения проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давлений по обе стороны поплавка остается постоянным;

- бесконтактные.

3.1 Счетчики

Счетчики для измерения количества жидкости по принципу действия делятся на объемные, весовые и скоростные. Преимущественно применяют объемные и скоростные счетчики. Для измерения количества газа используют объемный метод.

3.1.1 Объемные счетчики для жидкостей

Принцип действия объемных счетчиков основан на измерении объема жидкости, вытесняемой из измерительной камеры под действием разности давлений, и суммировании результатов этих измерений.

В основном применяют счетчики с овальными зубчатыми колесами. Проходя через счетчик, поток жидкости теряет часть своей энергии на вращение овальных колес. В зависимости от расположения колес относительно входа потока жидкости каждое из них является поочередно то ведущим, то ведомым.

При вращении овальных колес периодически отсекается определенный объем жидкости, ограниченный овалом колеса и стенкой измерительной камеры. За один оборот колес отсекается четыре определенных объема жидкости, которые в сумме равны, свободному объему измерительной камеры счетчика.

Количество жидкости, прошедшей через счетчик, определяют по числу оборотов овальных колес.

3.1.2 Скоростные счетчики для жидкостей

Скоростные счетчики для измерения количества жидкостей работают по принципу измерения средней скорости движущегося потока. Объемный расход Q жидкости связан со средней скоростью движущегося потока соотношением

Q = ?_cps,

где ?_ср - средняя скорость движения вещества, м/с; s - площадь поперечного сечения потока, м2.

Количество жидкости, прошедшей через прибор, пропорционально частоте вращения лопастной турбинки, расположенной на пути потока.

Частота вращения турбинки также пропорциональна расходу жидкости. Однако при малых расходах эта зависимость не соблюдается из-за утечки жидкости через зазоры между лопастями турбинки и корпусом счетчика, а также из-за трения в опорах подвижной системы. Частота вращения турбинки счетчика заметно зависит от характера протекающего потока. Для успокоения потока перед турбинкой со стороны входа жидкости устанавливают струевыпрямитель; участки трубопровода до счетчика и после него делают прямыми.

3.1.3 Счетчики количества газов

Из счетчиков для газов наиболее распространены ротационные счетчики. Они предназначены для измерения больших количеств газа. Счетчик состоит из кожуха, внутри которого вращаются на параллельных горизонтальных валах роторы. Валы роторов связаны зубчатыми колесами, находящимися вне кожуха. От одного из валов вращение передается счетному механизму.

Перепад давлений газа в счетчике контролируется дифференциальным манометром.

3.2 Расходомеры

3.2.1 Расходомеры переменного перепада давлений

Наиболее распространенным методом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада давлений. Измерение расхода по этому методу основано на изменении потенциальной энергии (статического давления) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В измерительной технике в качестве сужающих устройств (первичных преобразователей) используют диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

Диафрагма представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода.

Сужение потока начинается до диафрагмы, затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.

Давление потока около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и снижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении потока. Далее по мере расширения струи давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения.

3.2.2 Расходомеры динамического давления (скоростного напора)

Измерение расхода основано на зависимости динамического давления (напора) от скорости потока контролируемой среды.

Динамический напор, а следовательно, и скорость измеряют скоростными трубками в комплекте с дифференциальным манометром. По приведенной схеме левой трубкой измеряют статическое давление, а правой (изогнутой под углом) -- полное давление. Дифференциальный манометр, соединяющий обе трубки, показывает разность между полным и статическим давлением, т. е. динамическое давление

3.2.3 Расходомеры переменного уровня

Расходомеры переменного уровня основаны на зависимости уровня от расхода жидкости, поступающей в сосуд.

Расходомер переменного уровня включает в себя приемную емкость (сосуд) с отверстием истечения той или иной формы и измеритель уровня жидкости. В качестве измерителей уровня можно применять любые стандартные приборы. Приемными емкостями служат цилиндрические или прямоугольные сосуды с круглым (диафрагма) или щелевым отверстием истечения.

Расходомеры с круглым отверстием истечения. Расходомер переменного уровня с нормальной диафрагмой, установленной в дне цилиндрического сосуда, состоит из цилиндрического сосуда с подводящим жидкость патрубком. В дне сосуда установлена нормальная диафрагма, через которую жидкость может свободно вытекать в отводящий трубопровод. По уровнемерному стеклу определяют уровень жидкости в сосуде

Расходомеры со щелевым отверстием истечения. В сосуде со щелевым отверстием истечения расход определяется высотой уровня жидкости над нижней кромкой отверстия.

Расходомер представляет собой прямоугольный корпус с двумя штуцерами: боковым - для ввода измеряемой жидкости и нижним - для слива жидкости в открытый приемник. Внутри корпус разделен глухой перегородкой, к которой герметично прикреплен щит с профилированной щелью. В данном случае уровень жидкости измеряют пьезометрическим методом. В сосуд, перед сливной щелью в защитном чехле погружена пьезометрическая трубка, через которую непрерывно продувается воздух.

3.2.4 Расходомеры постоянного перепада давлений

К приборам постоянного перепада давлений относятся ротаметры, поплавковые и поршневые расходомеры. Наибольшее применение имеют ротаметры и поплавковые расходомеры, шкалы которых практически равномерны. Ротаметры и поплавковые расходомеры имеют большой диапазон измерения (Q_max/Qmin = 10 : 1).

Проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются. При равновесии сил поплавок устанавливается на некоторой высоте, зависящей от расхода.

3.2.5 Бесконтактные расходомеры

В последнее время создан ряд бесконтактных методов и приборов для измерения расхода:

- электромагнитные расходомеры;

- ультразвуковые расходомеры;

- калориметрические расходомеры.

Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости (кислоты, щелочи, соли) под действием внешнего магнитного поля.

Трубопровод из немагнитного материала (фторопласта, эбонита и др.) с перемещающейся в нем жидкостью расположен между полюсами и магнита перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. В стенки трубопровода диаметрально противоположно (заподлицо с внутренней поверхностью трубы) заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам, создавая в них ЭДС Е, пропорциональную скорости течения жидкости. К электродам подключен измерительный прибор, шкала которого отградуирована в единицах расхода.

Ультразвуковой (частота более 20 кГц) метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся жидкой средой.

Принцип действия калориметрических расходомеров основан на нагреве потока жидкости или газа посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур, зависящую от скорости потока и расхода теплоты в нагревателе.

4. Средства для измерения уровня

4.1. Указательные стекла

Работа указательных стекол для жидкостей основана на принципе сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединяют с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разрежением). Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде.

4.2 Поплавковые уровнемеры

В поплавковом уровнемере перемещение поплавка на поверхности жидкости передается на показывающее устройство или преобразователь для преобразования перемещения или силы в выходной сигнал.

Подъемная (выталкивающая) сила, действующая на поплавок произвольной формы, по закону Архимеда.

4.3 Гидростатические уровнемеры

В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т. е. р = Hсg. Существуют гидростатические уровнемеры с непрерывным продуванием воздуха или газа (пьезометрические уровнемеры) и с непосредственным измерением столба жидкости.

4.4 Электрические уровнемеры

В электрических уровнемерах положение уровня жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Из электрических уровнемеров наиболее распространены емкостные и омические. В емкостных уровнемерах используются диэлектрические свойства контролируемых сред, в омических - свойство контролируемой среды проводить электрический ток.

4.5 Радиоизотопные уровнемеры

Положение уровня жидкостей или сыпучих материалов в закрытых емкостях можно контролировать с использованием проникающего г-излучения. Измерение уровня основано на поглощении г-лучей при прохождении их через слой вещества. Интенсивность г-излучения при поглощении его веществом выражается экспоненциальной зависимостью

J_х = J_o exp (--мx),

где J_x -- интенсивность г-лучей после прохождения слоя вещества толщиной х; J_o -- начальная интенсивность г-излучения; м -- коэффициент ослабления г-излучения, зависящий от природы и толщины слоя вещества.

Наиболее употребительные изотопы, испускающие г-лучи, -- это ⁶⁰Со и ^l73Cs.

Радиоизотопный уровнемер со следящей системой типа УР-8 предназначен для непрерывного бесконтактного контроля границы раздела двух сред различной плотности: газ -- жидкость, жидкость -- жидкость, газ -- твердое или сыпучее тело, жидкость -- твердое или сыпучее тело, кипящая жидкость -- пар (условный уровень).

Действие прибора основано на сравнении интенсивностей потоков у-лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред равной плотности.

4.6 Ультразвуковые и акустические уровнемеры

Ультразвуковые и акустические уровнемеры позволяют измерять уровень при отсутствии контакта с контролируемой средой и в труднодоступных местах. В этих уровнемерах используется принцип отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. В ультразвуковых уровнемерах используется принцип отражения ультразвуковых колебаний со стороны жидкости, а в акустических -- со стороны газовой среды.

4.7 Уровнемеры для сыпучих тел

Для ряда технологических процессов в химической промышленности нередко возникает необходимость непрерывного измерения уровня сыпучих материалов в бункерах. Для этой цели наиболее часто применяют поплавковые, емкостные и весовые уровнемеры.

Работа поплавкового уровнемера с поплавком постоянного погружения основана на поддерживающей способности сыпучего тела, выражающейся в том, что опущенный на открытую поверхность поплавок прибора не проваливается в глубь сыпучего материала.

Весовые уровнемеры сыпучего материала применяют в случаях, когда подвеска бункера не вызывает конструктивных осложнений, а загрузка и выгрузка материала происходят не периодически, а равномерным потоком. При нагружении бункера происходят сжатие опорных пружин и линейное перемещение бункера по вертикали. Штанга, укрепленная на бункере, взаимодействуя с конечными выключателями, обеспечивает срабатывание при наполнении и опорожнении бункера.

В качестве преобразователей в весовых уровнемерах можно использовать динамометрические датчики (ДД) и тензометры. В первом случае измеряют давление, передаваемое на опору бункера. Это давление является функцией степени наполнения бункера материалом. Во втором случае измеряют сопротивление проводника, пропорциональное уровню материала в бункере.

Список литературы

1. Кулаков М.В. «Технологические измерения и приборы для химических производств» - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1983.-- 424 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...