Жидкостные манометрические термометры

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Измерение температуры. Стеклянные и манометрические термометры

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении жидкостей. При изменении температуры изменяется объем термометрической жидкости, при этом изменяется положение уровня жидкости в капилляре, по которому отсчитывается значение температуры. Жидкостные термометры изготавливаются из различных марок стекла резервуаров и наполняются различными термометрическими жидкостями или ртутью. Большим преимуществом последней является то, что она не смачивает стекло и легко может быть получена химически чистой. Цена деления стеклянных термометров находится в пределах (0,01... 10) °С и определяется назначением термометра и видом применяемой термометрической жидкости. Основная масса выпускаемых термометров по своей конструкции делится на две группы:

1) термометры с вложенной шкалой, у которых шкальная пластина вставлена внутрь оболочки и жестко скреплена с капилляром (рис. 1.1 а)\

2) термометры палочного типа, у которых шкала нанесена непосредственно на внешнюю поверхность толстостенного капилляра (рис.1.1, б).

По способу применения термометры рассчитаны либо на частичное погружение в контролируемую среду (неполное погружение), либо на погружение до считываемой температуры (полное погружение). Точные термометры полного погружения снабжаются графиком поправок, которые следует алгебраически суммировать с показаниями термометра. Если термометр полного погружения погружен неполностью, то необходимо вводить поправку на выступающий столбик термометрической жидкости (с учетом знака):

Рис. 1.1. Лабораторные ртутные термометры:

а -- с вложенной шкалой: 1 -- стеклянный резервуар; 2 -- капилляр; 3 -- шкальная пластина; 4 -- стеклянная оболочка; б -- палочный: 1 -- резервуар; 2 -- толстостенный капилляр; 3 -- шкала на наружной поверхности капилляра

At = 0,00016 к/(?-©),

где / -- длина выступающего столбика в градусах шкалы термометра; t -- температура контролируемой среды, отсчитанная по термометру; 0 -- средняя температура выступающего столбика, определяемая вспомогательным термометром; к -- коэффициент, индивидуальный для каждой термометрической жидкости и сорта используемого стекла.

По назначению жидкостные термометры подразделяются на лабораторные, технические (производственные) и рабочие эталоны (образцовые). Лабораторные используются при научных исследованиях и градуируются при полном погружении. Их нижний предел измерения лежит внутри диапазона от -30 до 300 °С, верхний -- внутри диапазона от 20 до 600 °С. Цена деления находится в пределах от 0,1 до 2 °С. Предельная погрешность зависит от цены деления и диапазона измерения и находится в пределах от 0,3 до 4 °С (она может превышать цену деления).

Технические термометры градуируются при погружении только суженной хвостовой части, которая может быть прямой и угловой (под углом 90 или 120 рис. 2). Они могут иметь специальное назначение (медицинские, метеорологические и т.д.) или особые технические характеристики (вибростойкие, электроконтактные). Допускаемая погрешность технических термометров зависит от цены деления и измеряемой температуры и может значительно превышать цену деления.

Образцовые термометры (для точных измерений типа TP) имеют небольшой диапазон измерения, но независимо от пределов измерения имеют отметку О °С. При работе термометр погружается в контролируемую среду на всю длину контролируемого столбика.

Основным производителем стеклянных термометров в РФ является з-д «Термоприбор» ( г. Клин). В табл.1 приведены технические характеристики некоторых разновидностей стеклянных термометров.

Рис 1.2 Технические стеклянные термометры

Жидкостные манометрические термометры находят небольшое распространение. Они используются для измерения температур в интервале от -50 до 300 °С. Нижний предел измерения выбирается из интервала от -50 до 100 °С, верхний -- из интервала от 50 до 300 °С, диапазон измерения колеблется в пределах от 50 до 300 °С. В качестве термометрических жидкостей используется жидкость ПМС-5 при низких температурах, при высоких -- жидкость ПМС-10. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо. Поэтому изменение объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры соответственно диапазону измерения вызовет такое увеличение давления в термосистеме, при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний объем соответственно изменению объема жидкости. При этом давление зависит от жесткости пружины и для различных манометрических пружин может быть различным.

Таблица 1.1 - Технические характеристики стеклянных термометров

В жидкостных манометрических термометрах погрешность, вызванная изменением барометрического давления, как правило, отсутствует, так как давление в системе значительно. Погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет место и в жидкостных манометрических термометрах. Для ее уменьшения применяют различные способы температурной компенсации.

В жидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая погрешность, возникающая при различных уровнях расположения термобаллона и измерительного прибора. Для снижения возможных гидростатических погрешностей длину капилляра уменьшают до Юм. Жидкостные термометры выпускаются показывающими класса 1 или 1,5.

Таблица 1.2 - Технические характеристики манометрических термометров

Манометрические термометры могут работать в условиях вибрации, а также во взрывоопасных и пожароопасных помещениях. Источники погрешностей термометров: изменение барометрического давления и температуры окружающей среды, характер взаимного расположения термобаллона и манометра. В табл. 4.2 приведены некоторые технические характеристики показывающих манометрических термометров ТГП-100М1 (газовые), ТКП-100М1 (конденсационные), ТЖП-100 (жидкостные). Для термометров ТКП-100М1 предельная основная погрешность устанавливается для последних двух третей температурной шкалы, а на первой трети не регламентируется. Для термометров с регламентированной погрешностью для первой трети устанавливается последующий низкий класс точности. Вариация показаний не превышает абсолютного значения предельной основной погрешности.

2. Методика измерения давления и разности давлений

Погрешность измерения давления зависит от инструментальных погрешностей измерительных приборов, условий эксплуатации манометров, способов отбора давления и его передачи к приборам. При выборе пределов измерения манометра руководствуются значениями измеряемого давления и характером его изменений. При стабильном измеряемом давлении его значение должно составлять 3/4 диапазона измерения прибора, а в случае переменного давления 2/3. Для исключения возможности образования взрывоопасных и горючих смесей манометры, предназначенные для измерения давления таких газов, как кислород, водород, аммиак, окрашивают в соответствии со стандартом в голубой, темно-зеленый, желтый цвета.

Правила установки манометров на промышленных объектах, отбора давления и его передачи к приборам с помощью импульсных линий регламентируются внутриведомственными нормалями, которыми руководствуются при монтаже измерительных устройств. Ниже рассмотрены основные положения этих руководящих материалов.

Манометры показывающие и с дистанционной передачей показаний, как правило, устанавливаются вблизи точек отбора давления в месте, удобном для обслуживания. Исключение составляют манометры, используемые для внутриреакторного контроля и контроля давления в устройствах, размещаемых на АЭС в зонах ограниченного доступа. Современные серийные преобразователи давления нельзя размещать внутри активной зоны, поэтому они находятся на значительном расстоянии от точек отбора давления, что приводит к росту инерционности показаний приборов. При этом необходимо учитывать, что наличие столба жидкости в импульсной линии создает систематическую погрешность показаний, которая будет иметь отрицательный или положительный знак в зависимости от того, находится манометр выше или ниже точки отбора давления. Импульсные линии дифманометров имеют большую длину, предельное значение которой составляет 50 м.

Отбор давления осуществляется с помощью труб, подсоединяемых к трубопроводу или внутреннему пространству объекта, где производится измерение давления. В общем случае трубка должна быть выполнена заподлицо с внутренней стенкой, чтобы у выступающей части не создавалось торможение потока. При измерении давления или разности давлений жидких сред не рекомендуется отбор давления производить из нижних и верхних точек трубопровода, с тем чтобы в импульсные линии не попадали шлам и газы, при газовых средах -- из нижних точек трубопровода, чтоб в импульсные линии не попадал конденсат.

При измерении напоров и разрежений в газоходах, воздуховодах, пыле- проводах часто возникает необходимость сглаживания пульсаций давления и отделения взвешенных частиц.

Рис 2.1. Схема отборного устройства с циклоном

1 -- циклон; 2 -- пылепровод; 3 -- металлическая стенка; 4,5 -- трубки; 6 -- отверстие с пробкой

На рис.2.1 показана установка циклона I на линии отбора давления в пылепроводе 2, имеющего металлическую стенку 3. Подвод пылевоздушной смеси к циклону осуществляется трубкой 4 тангенциально, отбор давления к прибору из циклона производится из его средней части трубкой 5.

В циклоне взвешенные частицы сепарируются и периодически удаляются из него через отверстие 6. Для сглаживания пульсаций перед измерительным прибором устанавливаются дроссели. Длина линий от точки отбора давления до прибора должна обеспечивать охлаждение измеряемой среды до температуры окружающего воздуха. С помощью кранов переключателей один напоромер или тягомер может подключаться к нескольким точкам отбора давления или разрежения.

Схема установки манометра 1 на трубопроводе представлена на рис. 2.2.. Для обеспечения возможности отклю чения манометра, продувки линии и подключения контрольного манометра используется трехходовой кран 2, при измерении давления свыше 10 МПа (100 кгс/см2), а также при контроле давления радиоактивного теплоносителя дополнительный запорный вентиль 3 устанавливается на выходе из трубопровода. При измерении давления сред с температурой выше 70 °С трубка 4 сгибается кольцом, в котором вода охлаждается, а пар конденсируется. На АЭС продувка импульсных линий манометров и дифманометров, работающих с радиоактивными средами, осуществляется в специальную дренажную систему.

Рис. 2.2 Схема установки манометра иа трубопроводе:

1 -- манометр; 2 -- трехходовой кран; 3 -- запорный вентиль; 4 -- изогнутая кольцом трубка

При измерении давления агрессивных, вязких и жидкометалличе- ских сред для защиты манометров и дифманометров применяются мембранные и жидкостные разделители. Схема манометра с мембранным разделителем представлена на рис. 2.3. Агрессивная среда подается под мембрану 7, нижняя часть которой и прилегающие стенки покрыты фторопластом. Пространство над мембраной 2 и внутренняя полость манометрической пружины тщательно заполнены кремнийорганической жидкостью. Для того чтобы в процессе измерения давление над мембраной соответствовало измеряемому, необходимо, чтобы жесткость мембраны была намного меньше жесткости чувствительного элемента.

При использовании жидкостных разделителей (рис. 2.4 6) это ограничение отсутствует. Нейтральная разделительная жидкость, заполняющая часть разделительного сосуда 2, измерительную камеру прибора и линии между ними 3, должна по плотности значительно отличаться от измеряемой среды 1 и не смешиваться с ней. На рис. 2.4, а плотность агрессивной среды меньше разделительной, а на рис. 2.4, б -- больше.

Рис. 2.3 Схема манометра с мембранным разделителем

При измерении разности давлений подключение дифманометров должно быть произведено таким образом, чтобы среда, заполняющая импульсные линии, не создавала погрешностей из-за разности плотностей или высот столбов жидкостей в них. Линии не должны иметь горизонтальных участков, минимальный угол наклона должен быть не менее 5°. При измерении разности давлений воды и пара измерительные камеры дифманометров предварительно должны быть заполнены водой.

От правильности показаний манометров зависит не только экономичность работы технологических объектов, но во многих случаях и безопасность, в связи с этим манометры и другие приборы давления подвергаются периодическим поверкам. Для большинства приборов межповерочный период составляет один год. Если приборы работают в условиях повышенной вибрации и температуры, то этот период может быть сокращен. Поверка приборов осуществляется представителями метрологических служб. стеклянный жидкостный термометр анализатор

Для проведения поверок рабочих приборов давления используются образцовые приборы и устройства, воспроизводящие давление. У грузопоршневых манометров эти функции могут быть совмещены. При поверке манометров, предназначенных для измерения давления химически активных газов, например кислорода, нельзя использовать грузопоршневые манометры, заполненные маслом.

3. Анализаторы жидкости

АНАЛИЗАТОРЫ ЖИДКОСТЕЙ, приборы, измеряющие содержание (концентрацию) одного или неск. компонентов в жидких средах; жидкостей анализаторами часто называют также приборы для определения св-в жидкостей (вискозиметры, плотномеры и др.). Различают жидкостей анализаторы лабораторные и промышленные (для контроля хим.-технол. процессов), стационарные, передвижные и переносные, непрерывного и циклич. действия и т. д. Метрологич. надежность жидкостей анализаторов обеспечивается комплексом проверок при их изготовлении и эксплуатации, базирующемся на использовании образцовых ср-в - исходных в-в и ср-в их аттестации, стандартных образцов и ср-в их приготовления, а также градуировочно-поверочных смесей высшей точности и образцовых приборов с повыш. точностными характеристиками (см. также Метрология химического анализа). Лабораторные жидкостей анализаторы отличаются от промышленных универсальностью, т. е. возможностью решения большого числа аналит. задач. В каждом конкретном случае определение состава жидкостей лаб. приборами осуществляется с использованием соответствующих методик анализа и индивидуальных градуировок. При исследовании сложных смесей на основе комбинир. методов анализа часто используют сочетания разных приборов, различающихся принципом действия (напр., хромато-масс-спектрометры). Совр. жидкостей анализаторы, как правило, автоматизированы, имеют микрокомпьютерные управление и обработку результатов измерений, снабжены разл. сервисными устройствами (напр., для предварит. подготовки пробы), расширяющими область применения и эксплуатац. возможности приборов. Ниже рассмотрены наиб. распространенные в химии и смежных областях приборы, к-рые м. б. изготовлены как в лаб., так и в пром. исполнении. Оптические жидкостей анализаторы. Действие их основано на взаимосвязи параметров (интенсивность, диапазон длин волн) электромагн. излучения с составом исследуемой жидкости. При прохождении излучения через жидкость его интенсивность ослабляется из-за поглощения (абсорбции), отражения и рассеяния. В дисперсионных жидкостей анализаторах используют излучение одной длины волны, полученное с помощью монохроматоров (призмы, дифракц. решетки); в недисперсионных приборах используют излучение, спектр к-рого состоит из набора длин волн. Различают жидкостей анализаторы, работающие в след. областях спектра электромагн. излучения: УФ (l < 0,5 мкм), видимой (l = 0,4-0,72 мкм), ближней и средней ИК (l = 0,72-20 мкм), длинноволновой (l > 20 мкм). Абсорбционные жидкостей анализаторы предназначены для определения изменения интенсивности излучения, прошедшего через анализируемую жидкость и поглощенного ею. Конструктивно распространены одно- и двулучевые приборы. В последних сравниваются интенсивности световых потоков, прошедших через исследуемую и эталонную жидкости. С помощью этих приборов определяют содержание, напр., в воде полициклич. ароматич. углеводородов (предел обнаружения в УФ области спектра 10-3-10-4%), растворенного сахара (0-0,005% в видимой области), воды в метаноле (диапазон 0-0,5% в ИК области). В атомно-абсорбционных жидкостей анализаторах измеряют изменение оптич. плотности атомного пара при поглощении атомами определяемого элемента светового излучения в диапазоне 0,3-0,8 мкм. Область применения: элементный анализ разных в-в, биол. жидкостей, электролитов, прир. и сточных вод и т. д. Число определяемых элементов достигает почти 70, предел обнаружения 10-4-10-8% (см. также Атомно-абсорбционный анализ). В атомно-эмиссионных жидкостей анализаторах элементный состав жидкостей устанавливают по атомным спектрам испускания. Число определяемых элементов превышает 40, предел обнаружения 10-4-10-6% (см. также Спектральный анализ). Люминесцентные жидкостей анализаторы служат для измерения интенсивности свечения (спектральных линий) жидкости, обусловленного воздействием света (фотолюминесценция) и хим. р-ций (хемилюминесценция). С помощью этих приборов определяют разл. элементы в р-рах, напр. РЗЭ (предел обнаружения 10-3-10-7 М), а также содержание в воде, напр., О3 (1 мг/л), полициклич. ароматич. углеводородов (10-8-10-9%), хлорсодержащих ароматич. соед. и пестицидов (10-5-10-6%) и др. (см. также Люминесцентный анализ). Действие флуоресцентных жидкостей анализаторов основано на измерении интенсивности и времени жизни флуоресценции жидкости или ее компонентов; рабочий диапазон длин волн обычно 0,2-1,2 мкм. Разновидность этих приборов - атомно-флуоресцентные, в к-рых мерой концентрации служит интенсивность флуоресцентного излучения атомов определяемого элемента, предварительно возбужденных светом (напр., в видимой области спектра). Преимуществ. область применения - элементный анализ смазочных масел; контроль качества пищ. продуктов; биохим., микробиол., цитологич., иммунохим. и геохим. исследования. Число определяемых элементов - св. 60, предел обнаружения 10-8-10-9% (см. также Атомно-флуоресцентный анализ). В рефрактометрических жидкостей анализаторах измеряют показатель преломления (коэф. рефракции) жидкости в видимой области спектра. Области применения: анализ многокомпонентных смесей (напр., определение концентрации соли в морской воде; предел обнаружения до 5.10-5 мг/мл); контроль качества пром. продукции (напр., измерение жирности молока и сливочного масла в пищ. произ-вах) и др. Действие поляризационных жидкостей анализаторов основано на измерении угла вращения плоскости поляризации монохроматич. света, прошедшего через р-ры оптически активных в-в.

Области применения: сахариметрия (напр., определение глюкозы), анализ масел (напр., эфирных), к-т (напр., винной), водных р-ров спиртов (напр., борнеола); предел обнаружения 2.10-4% (см. также Хироптические методы). Работа магнитооптических жидкостей анализаторов основана на изменении оптич. св-в жидкости под действием магн. поля, т. е. на использовании т. наз. магнитооптич. эффектов. К ним относятся вращение плоскости поляризации света (эффект Фарадея), термомагнитооптический (эффект Фарадея при повыш. т-ре), возникновение двойного лучепреломления (эффект Коттона - Мутона) и др. Распространенная область применения - определение концентраций бензола и его гомологов в технол. жидкостях. Электрохимические жидкостей анализаторы объединяют группу приборов, в к-рых значения выходных сигналов (эдс, сила тока и др.), пропорциональных концентрациям контролируемых компонентов, определяются электрохим. явлениями.

Последние происходят в электродных системах, погруженных в жидкости. Каждая система включает два и более электродов, электролит и внеш. элeктрич. цепь. Действие кондуктометрических жидкостей анализаторов основано на измерении электрич. проводимости электролитов. Области применения: определение концентраций к-т, солей и оснований, минер. в-в, растворенных, напр., в сахарном соке; контроль состава воды для питания энергетич. установок и т. д.; предел обнаружения 10-4 М (см. также Кондуктометрия). К этим приборам близки диэлькометрические, с помощью к-рых регистрируют зависимость диэлектрич. проницаемости от состава жидкости; эффективная область использования -анализ воды и орг. в-в (см. также Диэлькометрия). Действие потенциометрических жидкостей анализаторов основано на определении зависимости между равновесным электродным потенциалом (эдс системы) и термодинамич. активностью определяемого иона. Области применения: измерение рН р-ров, анализ нефти, сточных вод (определение содержания Сl2 и др.), аминокислот в белках (напр., L-глутаминовой к-ты с пределом обнаружения 5.10-4 М) и т. д. (см. также Потенциометрия). Вольтамперометрические жидкостей анализаторы предназначены для определения зависимости силы тока от напряжения поляризации при электролизе р-ров или расплавов.

Область применения - определение в широком диапазоне концентраций разл. в-в, напр., фенолосодержащих стабилизаторов в полимерах (предел обнаружения 5.10-7 М). Разновидность вольтамперометрических жидкостей анализаторов - полярографические, используемые, напр., для количеств. определения микроэлементов, NaClO и Н2О2 в отбеливающих р-рах, при исследовании белков, аминокислот, нуклеиновых к-т, ферментов и т. д.; предел обнаружения 10-8-10-9 М (см. также Вольтамперометрия). В кулонометрических жидкостей анализаторах измеряют кол-во электричества, израсходованного при электролизе. Область применения ограничена в осн. микроэлементным анализом, а также анализом углеводородов и др.; предел обнаружения 10-8-10-9 М (см. также Кулонометрия). Тепловые жидкостей анализаторы.

Действие их основано на зависимости состава жидкости от изменения ее тепловых св-в или протекающих в ней тепловых явлений. С помощью термохимических (калориметрических) жидкостей анализаторов измеряют тепловой эффект хим. р-ции, одним из реагентов к-рой является определяемый компонент; эти приборы применяют, напр., для количеств. анализа к-т (НСl, HF, HNO3, H2SO4) и оснований (NaOH, КОН). В основе работы термогравиметрических жидкостей анализаторов - изменение массы пробы жидкости при нагр. ее с постоянной скоростью, термокондуктометрических - определение теплопроводности жидкости, дистилляционных - измерение ее т-ры или степени перегонки; используют для определения мол. массы орг. в-в, при исследованиях иммунохим. р-ций, измерения осмотич. давления р-ров и др. Диапазоны измерений 0-100% (см. также, напр., Калориметрия, Термогравиметрия). Хроматографические жидкостей анализаторы. Действие их основано на разл. сорбционной способности компонентов, входящих в состав анализируемой жидкости. Последняя фракционируется в этих приборах, и затем разделенные компоненты детектируются посредством оптич., электро- и термохим. и др. методов. Области применения: анализ белков, антибиотиков, витаминов, углеводородов, спиртов, нуклеиновых к-т, нефти; определение содержания металлов в жидких средах, бензола и толуола в сточных водах и т. д. (см. также, напр., Жидкостная хроматография.

Тонкослойная хроматография, Эксклюзионная хроматография). Магнитные жидкостей анализаторы. Действие их основано на измерении электромагн. энергии при ее резонансном поглощении атомами и молекулами анализируемой жидкости, обладающей магн. св-вами (напр., магн. проницаемостью). Наиб. распространены магнитно-резонансные жидкостей анализаторы -ЭПР- и ЯМР-приборы. Область их применения ограничена анализом спиртов, к-т и своб. радикалов с пределом обнаружения 10-8 моль (см. также Электронный парамагнитный резонанс, Ядерный магнитный резонанс). Радиоизотопные жидкостей анализаторы. Действие их основано преим. на измерении интенсивности поглощения или испускания (ф-ция состава) ионизирующего излучения радиоактивным изотопом компонента анализируемой жидкости. Области применения: биохимия, медицина и др. Пределы обнаружения от 0,1-1 до 10-15% (см. также, напр., Мёссбауэровская спектроскопия, Рентгенорадиометрический анализ). Macс-спектрометрические жидкостей анализаторы. Действие их основано на разделении ионов по их массам в магн. или электрич. полях; предназначены для качеств. либо количеств. анализа состава жидких сред. Области применения: анализ галоген-и серосодержащих соед., углеводородов, спиртов, альдегидов, кетонов, эфиров и др.; предел обнаружения 10-4% (см. также Масс-спектрометрия).

Используемая литература

1. Г.М. Иванова, Н.Д. Кузнецов, В.С. Кузнецов Теплотехнические измерение и приборы. Учебник для вузов. Москва Издательство МЭИ 2005 г.

2. «ЖИДКОСТЕЙ АНАЛИЗАТОРЫ»: Андреев В. С., Попечителев Е. П., Лабораторные приборы для исследования жидких сред. Л., 1981; Оптические и титрометрические анализаторы жидких сред, под ред. М. А. Карабегова, М., 1983. А. И. Шapнonoльский. Страница «ЖИДКОСТЕЙ АНАЛИЗАТОРЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Размещено на Allbest.ru