68399

Измерение технологических параметров

Лекция

Физика

Первичный преобразователь датчик сенсор наиболее многочисленная группа преобразователей предназначенных для измерения состояния окружающей среды и диагностики. Для оценки количественного значения температуры используют температурные шкалы имеющие начало отсчета ноль...

Русский

2014-09-21

396 KB

6 чел.

Лекции 9-12

Лекция № 9

измерение технологических параметров

Измерение технологических параметров осуществляется посредством первичных преобразователей в механический, пневматический или электрический сигнал.

Первичный преобразователь (датчик, сенсор) – наиболее многочисленная группа преобразователей, предназначенных для измерения состояния окружающей среды и диагностики.

Измерение температуры

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств как: длина, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление, которые поддаются непосредственному измерению.

Для оценки количественного значения температуры используют температурные шкалы, имеющие начало отсчета (ноль температурной шкалы) и единицу измерения температурного интервала (1 градус).

В 1927  году на VII Генеральной конференции по мерам и весам была принята международная «практическая» температурная шкала. Она согласована со 100С шкалой. Сейчас действует МПТШ-68 («международная практическая температурная шкала - 1968»). Она базируется на 11 основных рейперных точках (температуры кипения, затвердевания) и 27 вторичных. Эта шкала охватывает диапазон от -259,194 до +3387 С.

Классификация средств измерения температуры по принципу действия

Термометрическое свойство

Наименование средства

Диапазон измерения, С

1. Изменение объема жидкости или твердого тела

Термометры расширения

-260 … +600

2. Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме

Манометрические термометры:

- газовые;

- жидкостные;

- конденсационные

-150 … + 600

-150 … +600

-50 … +350

3. Термоэлектрический эффект (термоЭДС)

Термоэлектрический преобразователь

-200 … +2200

4. Изменение электрического сопротивления

Термометры сопротивления:

- металлические;

- полупроводниковые

-260 … +1100

-240 … 300

5. Теплое излучение

Пирометры излучения:

- квазимонохромные;

- спектрального отношения;

- радиационные

+700 … + 6000

+1400 … + 2800

+50 … +3500

  1.  Термометры расширения
    1.  Жидкостные термометры расширения

Принцип действия основан на различие коэффициентов теплового расширения термометрического вещества (ртуть, спирт, эфиры) и оболочки, в которой оно находится (термометрическое стекло).

  1.  Термометры расширения твердого тела

Принцип действия основан на расширение при нагреве стержня, изготовленного из сплава с большим коэффициентом теплового расширения ( никель и железо).

1 – шкала;

2 – рычаг;

3 – защитный кожух;

4 – стержень.

Применяется для местного контроля.

Достоинства: - простота конструкции.

Недостатки: - ограниченный диапазон измерения;

  - без дистанционной передачи данных.

  1.  Манометрические термометры

Принцип действия основан на зависимости давления рабочего вещества (газ, жидкость) в замкнутом объеме от температуры.

Диапазон измерения определяется наполнителем термосистемы, например, при использовании расплавленных металлов (сплав Вуда) диапазон составляет +100 … + 1000С.

Наиболее часто используемые наполнители термосистемы:

  1.  газы – гелий, азот;
  2.  жидкости – ртуть (при давлении 10-15МПа), толуол, ксенол, пропиловый спирт;
  3.  легкокипящие (парожидкостные) жидкости – пропан, этиловый эфир, ацетон.

Схема манометрического термометра

   1 – чувствительный элемент – термобалон из латуни или стали (диаметром 5-30 мм и высотой – 60-500 мм);

2 капилляр – медная или стальная трубка d = 0,1 – 0,5 мм, защищенная гофрированной трубкой, длинной от 10 см до 60 м;

3 – измерительный прибор – манометрическая  пружина;

4 – поводок;

5 – биметаллический капилляр;

6 – зубчатая передача;

7 – отсчетное устройство.

 

Применяется для местного контроля (показывающие и самопишущие приборы) и для дистанционной передачи показаний (бесшкальные) с электрическим или пневматическим токовым выходным сигналом.

Достоинства:  - применяется для взрывоопасных объектов;

  - простота конструкции;

  - высокая чувствительность (класс точности 1, 1,5, 2).

Недостатки:  - частые проверки на предмет разгерметизации;

  - сложность ремонта;

  - большие размеры термобалона для газовых термосистем.

  1.  Термоэлектрический термометр

Принцип действия основан на использовании, открытого в 1821 году Зеебеком, термоэлектрического эффекта, который состоит в следующем:

в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников возникает электрический ток, если хотя бы два мета соединения (спая) этих проводников имеют разную температуру.

А и В – термоэлектроды;

1 и 2 – спам.

Если t1  t2, то в замкнутой цепи протекает ток. Существует и обратный эффект – эффект Пельтье. Он состоит в следующем: если цепь из нескольких разнородных проводников подать ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет греться.

Если t1 < t2, то направление тока от электрода А к электроду В и в этом случае А – термоположительный электрод, а В – термоотрицательный.

Причины возникновения термоэлектрического эффекта характеризуют по разному. Например, различные металлы обладают различной работой выхода электронов и поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. При различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах.

Возникающая в системе термоЭДС зависит от температур t1 и t2:

ЕАВ = f (t1 , t2)

Если t2 = const, то ЕАВ = еАВ (t1) – С

В этом случае спай 1 – рабочий спай, а спай 2 – свободный спай.

Зависимость термоЭДС от температуры устанавливается экспериментально, путем градуировки и последующего построения графика. ТермоЭДС зависит от температуры концов спаев, химического состава термоэлектродов и от их длины. В соответствии со стандартами  t2 = 0 С.

Способы включения измерительного прибора в

измерительную цепь:

  •  в разрыв спая

В цепь измерения включается еще один третей проводник С, при этом спай 1 – рабочий, а спаи 2 и 3 - свободные.

  •  в разрыв термоэлектрода

В цепь измерения включается третей проводник С, при этом спай 1 – рабочий, спай 2 – свободный, а спаи 3 и 4 - нейтральные. t3 должна быть постоянной

Несмотря на внешнее различие схем термоЭДС в обоих случаях одинаковая, если температуры концов третьего проводника С будут равны.

Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы термопары последние удаляют из зоны с переменной температурой, используя не сами электроды, а удлиняющие термоэлектродные провода. Места подключения термоэлектродных проводов рассматриваются, как свободные концы.

Для предохранения от механических повреждений и вредного воздействия объекта термоэлектроды помещают в защитную арматуру (защитная гильза, изоляционные бусы и головка).

Применяемые термоэлектродные преобразователи:

  •  ТХК (хромель-копель) ХК68 (-50 … +60 С);
  •  ТХА (хромель-алюмель) ХА68 (-50 … +1000С);
  •  ТПП (платинородий-платина) ПП68 (0 - 1300С);
  •  ТПР (платинородий-платинородий) ПР30/668 (300 - 1600С);
  •  ТВР (вольфрамрений-вольфрамрений) ВР5/2068 (0-2200С).

Данный преобразователь работает с магнитоэлектрическими милливольтметрами, потенциометрами или нормирующими преобразователями с получением на выходе унифицированного сигнала.

Достоинства:

- измерение высоких температур;

- точность измерения.

Недостатки:

- сложность изготовления и монтажа;

- сложность градуировки.

  1.  Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия основан на свойстве металлов и полупроводников менять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Металлы

Полупроводники

Платина, медь, никель, железо

(Pt, Cu, Ni, Fe)

Окислы металлов: магния, кобальта, титана, меди (Mg, Co, Ti, Cu)

Статическая характеристика

Rt = R0 (1++t2)

и - коэффициенты, зависящие от свойств металлов;

R0 – сопротивление при t = 0С

Rt = А еВ/t

А и В - коэффициенты, зависящие от свойств полупроводников.

- датчики, имеющие нелинейную характеристику (не стандартизованы).

Т   R

Cu, Ni, Fe – имеют ограниченный диапазон измерений.

Т   R

Диапазон измерения

(-200 … + 650) С

(-60 … + 280) С

Достоинства:

- линейность характеристик;

- простота изготовления;

- относительно широкий диапазон измерения;

- высокая надежность;

- удобство согласования со средствами измерения.

- малые габариты и поэтому применяются в труднодоступных местах;

- высокая чувствительность;

- низкая инерционность.

Недостатки:

- большие габариты;

- сравнительно низкая чувствительность.

- плохая воспроизводимость характеристик;

- ограниченный диапазон измерения;

- ограниченный срок службы;

- невозможность прямого контакта с измерительной техникой (большое выходное сопротивление).

Для защиты от повреждений датчик помещается в алюминиевую гильзу. Саму проволоку наматывают на каркас (керамика, слюда, кварц). Бифилярная намотка необходима для исключения индукционного сопротивления. Длина намотанной части может быть разной, например, для платины: 50-100мм, для меди: 40 мм.

Данный преобразователь работает с уравновешенными мотами, автоматическими уравновешенными мостами, неуравновешенными мостами, логометрами, нормирующими преобразователями с получением на выходе унифицированного сигнала.

измерение давления

Важен как сам параметр, так и его функция для косвенного отображения другого параметра, например, уровня, расхода.

В системе СИ измеряется в Па.

Обычно измеряют избыточное давление (манометрическое):

РИЗБ = РАБС – РАТМ,

где РАБС – абсолютное давление (полное);

РАТМ – атмосферное давление (начало отсчета), равное 760 мм.рт.ст. или 0,1 МПа (бараметрическое).

Если абсолютное давление меньше атмосферного, то их разница называется вакуумом или разряжением:

РВАК = РАТМ – РАБС.

В большинстве случаев датчик давления имеет неэлектрический выходной сигнал в виде силы  или перемещения и объединены в единый блок с измерительным прибором.  Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то применяются промежуточные преобразователи этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический или пневматический. При этом  первичный и промежуточный преобразователи объединены в один блок.

Приборы для измерения давления условно делят

-0,04МПа

-0,02МПа

АТМ = 0,1МПа

+0,02 МПа

+0,04МПа

Вакууметры

Барометры

Маномерты

Тягомер

Напоромер

Тягонапоромер

Средства измерения давления

10-2

100

101

102

104

106

108

109

1010

Деформационные

Поршневые

Тепловые

Жидкостные

Ионизационные

Электрические

Дифференциальные манометры – средства измерений разности давлений.

Приведенное подразделение средств измерения давления по принципу действия не является исчерпывающим и может быть дополнено средствами измерений, основанными на иных физических явлениях.

Рассмотрим средства измерения, наиболее широко применяемые в качестве рабочих,  а именно деформационные.

Принцип действия деформационных средств измерений давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента или развиваемой им средой. Различаются три основные формы элементов, получивших распространение в практике измерения: трубчатые пружины, сильфоны, мембраны.

Основные упругие деформационные элементы

1. Мембрана – зажатый между фланцами гофрированный диск, чаще всего из прорезиненной ткани с жестким диском в центре.

преобразователь  давления в силу.

Статическая характеристика – линейная: F = PS,

Где S – площадь, на которую действует давление.

     2. Трубчатая пружина – согнутая в виде дуги трубка овального сечения, один конец которой запаян, а другой – неподвижно закреплен и через него подается измеряемое давление.

преобразователь  давления в перемещение.

Под действием давления трубка пытается распрямиться, вследствие чего ее свободный запаянный конец перемещается. Это перемещение пропорционально измеряемому давлению: l= kP, где k – коэффициент передачи трубчатой пружины.

  1.  Сильфон – гофрированная трубка, один конец которой закрыт (дно сильфона), а к другому подводится давление.

           преобразователь давления в перемещение.

        Под действием давления сильфон растягивается. Статическая характеристика линейная: l=kP.

Если перемещению дна сильфона препятствует неподвижная опора, то выходным сигналом будет не перемещение, а действующая на опору сила.

Основные требования к упругому элементу – коррозийная стойкость, стабильность, отсутствие гистерезиса.

Достоинства деформационных средств измерения: простота, удобство и безопасность в работе.

1. Пружинные манометры

Упругий элемент – одно- и многовитковая пружина.

Измеряемое давление меняет кривизну трубчатой пружины 1. Ее свободный конец через тягу 2 перемещает зубчатый сектор и находящуюся с ним в зацепление шестерню 3. Вместе с шестерней поворачивается стрелка 4 отсчетного устройства.

Выпускают манометры и выкууметры.

Выпускают показывающие и самопишущие приборы, а также бесшкальные с дистанционной передачей показаний через электрический (токовый, напряжение переменного тока) или пневматический сигналы.

Снабжают приборы электроконтактным устройством, которые имеют два подвижных контакта, посредством которых можно выставить максимальное и минимальное пороговые значения.

 2. Мембранные манометры

 Упругие элементы – мембрана или мембранная коробка:

  •  гофрированная мембрана;

  •  мембранная коробка.

Наиболее широкое применение нашли дифманометры, напоромеры и тягонапоромеры, построенные на этом принципе действия.

Пример дифманометра, снабженного дифференциально-трансформаторным преобразователем перемещения в напряжение переменного тока.

Мембранный блок состоит из двух сообщающихся мембранных коробок, заполненных жидкостью. Перепад давлений в камерах дифманометра вызывает деформацию мембранных коробок.

При этом сжатие нижней коробки больше и жидкость вытесняется из нее в верхнюю мембранную коробку, вызывая тем самым ее расширение.

Деформация верхней мембраны передается жестко связанному с ней плунжеру дифференциально-трансформаторного преобразователя.

Дифманометр устанавливают для измерения перепада давлений до 0,63 МПа при статическом давлении до 63 МПа. Выпускаются дифманометры с промежуточными преобразователями, имеющими унифицированный токовый или пневматический сигналы.

Например, для получения токового сигнала применяются тензорезисторные промежуточные преобразователи, в которых сопротивление резистора изменяется при растяжении или сжатии. Это кремневые полупроводниковые резисторы, обладающие повышенной чувствительностью, т.к. перемещение мембраны мало.

Для манометров тензорезистор устанавливают на жесткой измерительной мембране, для дифманометров тензорезистор крепится к блоку неупругих мембран, соединенных между собой штоком.

Смещение штока 1под действием перепада давлений приводит к изгибу рычага 2 и деформации измерительной мембраны 3.

Для измерения агрессивных сред применяются датчики, снабженные защитной мембраной, изготовленной из коррозийно-стойкого материала. Тогда измеряемое давление передается к измерительной мембране через силиконовое масло, которым заполнена внутренняя полость датчика.

Примеры способов защиты материалов датчика от агрессивных сред.

  1.  Разделительные сосуды.

Полость сосуда заполнена жидкостью, инертной по отношению к материалу прибора, соединительных трубок и сосуда. Она не должна взаимодействовать с измеряемой средой и смешиваться с ней. Обычно это – глицерин, эфирные масла.

  1.  Мембранные разделители.

Измеряемая среда отделена от прибора мембраной с малой жесткостью из нержавеющей стали или фторопласта. Для переджачи давления верхнее полость заполняется жидкостью.

Измерение уровня

Важен как сам параметр-уровень, так и уровень, как косвенный параметр измерения другого параметра, например давления или количества вещества.

В зависимости от условий измерения применяются разные методы измерения уровня:

Уровнемер

Контактный/безконтактный

1. Поплавковый

Контактные

2. Буйковый

3. Гидростатический

Контактный или без- в зависимости от датчика давления

4. Емкостной

Контактный

5. Акустический и ультразвуковой

Безконтактные

6. Радиоизотопный

  1.  Поплавковый уровнемер

Принцип действия основан на преобразовании уровня в перемещение поплавка, плавающего на поверхности жидкости. Поплавок должен быть легким и изготовленным из коррозионно стойкого материала.

Используется в аппаратах, работающих под атмосферным давлением и в неагрессивных средах.

  1.  Буйковый уровнемер

Принцип действия основан на законе Архимеда. На погруженный (80% погружения) в жидкость буек действует сила равная весу жидкости, вытесненной буйком.

При неизменности площади резервуара по высоте и плотности жидкости изменение вытесненного ее количества будет пропорционально изменению высоты бака, т.е. уровню жидкости. Таким образом, измерение уровня преобразуется в выталкивающую силу..

В буйковых уровнемерах буек передает усилие на рычаг промежуточного преобразователя.

Выходной сигнал ППр либо унифицированный электрический, либо унифицированный пневматический.

Достоинства:

- линейность характеристик;

- широкий диапазон измерения (0-40мм до 0-16м) за счет смены буйка изменение передаточного отношения рычажного механизма.

  1.  Гидростатический уровнемер

Принцип действия основан на существовании гидростатического давления пропорционального уровню, т.е. расстояние от поверхности жидкости.

Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут использоваться приборы для измерения давления (рис. а) или разности давлений, дифманометры (рис. б).

Р или РГС (гидростатическое давление) Н.

Схема с дифманометром целесообразна, если аппарат, в котором измеряется уровень находится под давлением. Тогда плюсовая камера дифманометра соединяется с пространством над жидкостью через уравнительный сосуд, который заполнен жидкостью и создает столб постоянного гидростатического давления в плюсовой камере:

Р = Р + РГ – РГС – РГ = Р – РГС  НУС(const) – Н Н.

Для измерения уровня агрессивных сред дифманометр снабжается разделительным сосудом или мембранным разделителем, что позволяет заполнить его камеры неагрессивной жидкостью.

Еще один способ построения гидростатического уровнемера – это использование принципа барбатирования:

РГС = Н,

где - удельный вес жидкости.

  1.  Емкостной уровнемер

Принцип действия основан на различии диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха.

1 – электрод;

2 – вертикальная труба.

Вместе эти два коаксиально расположенных электрода образуют цилиндрический конденсатор, емкость которого зависит от уровня диэлектрической проницаемости и будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости:

СЖ = f(T) конденсационный конденсатор.

Электрическая измерительная схема (электронный блок) – это электрический неуравновешенный мост постоянного тока.

Достоинства:

- измерение уровня не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов (например цемента);

- емкостные сигнализаторы уровня, при этом электрод располагается горизонтально и погрешность измерения не превышает 3 мм;

- диапазон измерения от 0-0,4 м до 0-20 м.

  1.  Акустический и ультразвуковой уровнемер

Принцип действия основан на измерении интервала времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно.

При приеме отраженного импульса излучатель становится приемником.

1 и 2 – излучатель/приемник.

           Если излучатель установлен над жидкостью (рис. а.), то уровнемер называется акустическим, а если – внутри жидкости (рис. б.), то – ультразвуковым.

Измерительная схема состоит из первичного преобразователя и промежуточного преобразователя (электронный блок). Расстояние между последними может быть до 25м.            

Электронный блок, работающий в комплекте с излучателем, служит для формирования излучаемых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути и преобразование этого времени в унифицированный электрический сигнал.

Достоинства:

- независимость показаний от физико-химических свойств среды;

- диапазон измерения 0-3 м;

Недостатки:

- влияние на показания изменения условий окружающей среды (температура, давление газа для акустического и свойства жидкости для гидростатического).

  1.  Радиоизотопный уровнемер

Принцип действия основан на поглощении -лучей при прохождении через слой вещества.

Источник -лучей – Со 60 или цезий 13’7. Приемник – счетчик Гейгера.

Может использоваться для контроля и сигнализации уровня, тогда источник и приемник закреплены на поверхности бака (рис. а.). Для непрерывного контроля датчик опускается и поднимается вместе с уровнем (рис. б).

1 – источник;

2 – приемник;

3 – трубы;

СР – система рычагов;

БУ – блок управления.

Источник и приемник в схеме рис. б. подвешены на стальных лентах, а за перемещение приемника отвечает блок управления.

Если источник расположен выше уровня, то -излучение поглощается слабо на блок управления поступает сильный сигнал измерительная схема спускается.

Иначе, если источник ниже уровня, то -излучение поглощается сильно подъем измерительной схемы. Таким образом, измерительная схема будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня. Использовать такую схему целесообразно тогда, когда нет возможности применить другую схему.

Достоинства:

- измерение уровня сыпучих сред.

Измерение расхода и количества

Расход – количество жидкости, пара или газа, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Различают объемный расход (F м3/ч) и массовый расход (Gкг/ч), которые связаны следующей зависимостью через плотность среды: F = G.

Для измерения расхода используются расходомеры разного принципа действия:

1. Расходомеры переменного перепада давлений

Контактные

2. Расходомеры постоянного перепада давлений (ротаметры)

3. Расходомеры переменного уровня

Контактные или безконтактные в зависимости от датчика уровня

4. Электромагнитные расходомеры

Безконтактные

5. Тепловые расходомеры

6. Ультразвуковые расходомеры

 

Для измерения количества вещества применяют расходомеры с интегратором или счетчики. Интегратор непрерывно суммирует показания прибора, а количество вещества определяют по разности его показаний за требуемый промежуток времени.

На показания расходомеров значительно влияют свойства измеряемых потоков. Свойства зависят от условий эксплуатации: температуры, давления и т.д. Если условия эксплуатации резко отличаются от тех, при которых проводилась градуировка, то ошибки в показаниях приборов могут резко превысить допустимые значения, поэтому на серийно выпускаемые приборы накладывают ограничения по свойствам измеряемые потоков, максимальным температуре и давлении и т.д.

  1.  Расходомеры переменного перепада давлений

Принцип действия основан на возникновении перепада давлений на сужающем устройстве в трубопроводе при давлении движении через него потока жидкости или газа.

Применяют следующие сужающие устройства.

  •  Диафрагма – диск с круглым отверстием в центре. Материал диафрагмы должен быть химически стойким по отношению к измеряемой среде и устойчивым к механическому износу.

Выбор диафрагмы осуществляется по модулю: .

Формирование типа выбранной диафрагмы:

 ДК 10 – 100,

где  100 – диаметр условного прохода Dу мм;

10 – рабочее давление в трубопроводе Р МПа

          ДК или ДБ – диафрагма камерная или бескамерная, что определяется из следующих соображений:

  •  если  Dy > 400 мм, то рекомендуется бескамерная диафрагма

  •  если  Dy < 400 мм, то рекомендуется камерная диафрагма.

  •  Сопло Вентури

Выбор сопла осуществляется через подбор соответствующих радиусов кривизны.

Такое сопротивление создает меньшее, нежели диафрагма, сопротивление в трубопроводе.

  •  Труба Вентури

 

Статическая характеристика таких расходомеров нелинейная (квадратичная):

,

где S – площадь проходного сечения сужающего устройства, м2;

 Р = Р1 – Р2 – перепад давлений на сужающем устройстве, МПа;

  - плотность среды, расход которой измеряется, кг/м3;

  - коэффициент расхода, зависящий от многих факторов, определяющийся экспериментально (существуют специальные таблицы значений коэффициентов).

В измерительной цепи этих преобразователей последователь соединяются три устройства.  Промежуточный преобразователь – дифманометр, который связывается с трубопроводом импульсными трубками и устанавливается в непосредственной близости от него и должен иметь встроенный нормирующий преобразователь. Для защиты от действия агрессивных сред дифманометр снабжается разделительными сосудами или мембранными разделителями.

Т.к. статическая характеристика первичного преобразователя расхода квадратичная, то чтобы показания измерительного прибора линейно зависели от расхода, в измерительную цепь вводят линеаризующий преобразователь или линеаризация может производиться в самом измерительном приборе с помощью лекала квадратичной характеристики.

Достоинства:

- малые перепады давлений;

- стабильность показаний;

- стойкость к агрессивным средам и загрязнений.

  1.  Расходомеры постоянного перепада давлений

Принцип действия основан на зависимости расхода вещества от вертикального перемещения тела, изменяющего площадь проходного сечения преобразователя.

Для сохранения постоянства перепада давления при изменении расхода через сужающее устройство необходимо автоматически изменять площадь его проходного сечения. Такой преобразователь называется ротаметром. Конструктивно ротаметр представляет собой вертикальную конусную трубку с поплавком внутри. Измеряемый поток, проходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и после поплавка.

На поплавок непрерывно действуют следующие силы:

  •  сверху вниз:

- статическое давление за поплавком: FC = P2SПЛ;

- вес поплавка: FВ = VПЛg;

  •  снизу вверх:

          - сила потока: FC = P1SПЛ;

          - сила трения потока о боковую поверхность

            поплавка: FТР = КWKn SБ.

SПЛ – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка;

Р1 – полное давление потока;

SБ – площадь боковой поверхности поплавка;

ПЛ – плотность материала поплавка;

К – коэффициент сопротивления, зависящий от шероховатости поплавка;

WK – средняя скорость потока в кольцевом пространстве;

n – показатель степени, зависящий от WK.

FП + FТР = FC + FB;

FП  FC = FВFТР;

WK практически не меняется при Р = const. Поэтому этот расходомер обтекания называется расходомером постоянного перепада давлений.

При изменении расхода на входе в расходомер равновесие нарушается и при перемещении поплавка определяется следующее состояние равновесия:

Q  Pl(перемещение)SПРС (площадь проходного сечения)новое состояние равновесия.

Достоинства:

- линейность шкалы { SПРС  l};

- измерение малых расходов;

- измерение агрессивных сред.

Недостатки:

- невозможность использования в загрязненных средах;

- измерение только малых расходов.

Для дистанционной передачи сигнала используются промежуточные преобразователи линейного перемещения в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

  1.  Ротаметр с электрическим выходом включает дифференциально-трансформаторный преобразователь, связанный через плунжер с поплавком.

  1.  Ротаметр с пневматическим выходом.

Для передачи положения поплавка используется магнитная муфта, которая состоит  из двух магнитов. Один сдвоенный, который перемещается вместе с поплавком, а другой укреплен на рычаге преобразователя перемещения в давление и двигается вместе с рычагом за первым магнитом.

  1.  Расходомер переменного уровня

Принцип действия основан на зависимости уровня от расхода жидкости, поступающей в сосуд с калиброванным отверстием.

Из гидравлики известно, что если жидкость свободно вытекает через отверстие в дне бака, то ее расход и уровень в баке связаны между собой. В качестве первичного преобразователя используется любой преобразователь уровня.

 L = f (Q) – зависимость линейная.

Достоинства:

- служат для изменения пульсирующих потоков и двухфазных сред;

- измерение агрессивных и загрязненных сред.

  1.  Электромагнитный расходомер

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции (закон Фарадея), согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле будет наводится э.д.с., пропорциональная скорости движения проводника.

Проводником является электропроводная жидкость, протекающая в трубопроводе из немагнитного материала и пересекающая поле электромагнита.

1 – электромагнит;

2 – измерительные электроды;

3 – трубопровод.

Результирующее напряжение пропорциональное расходу вещества в трубопроводе можно рассчитать следующем образом:

,

где В – магнитная индукция;

 Dy – внутренний диаметр трубопровода (от 3 мм до 1 м);

      VCP – средняя скорость потока;

      Q – объемный расход жидкости.

Трубопровод с перемещающимся в нем потоком жидкости располагается между полюсами постоянного магнита перпендикулярно силовым линиям. В стенках трубопровода диаметрально противоположно заподлицо заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости перемещаются к электродам и отдают свой заряд. Созданная э.д.с. пропорциональна скорости потока, т.е. расходу жидкости.

Участок трубопровода по обе стороны от электродов покрывают электроизоляцией, чтобы исключить шунтирование наводимой э.д.с.

Измерительная схема для этих расходомеров, как правило, выполнена в виде отдельного блока, преобразующего наводимую э.д.с. в унифицированный сигнал.

Ограничением в использовании этого расходомера является электропроводность жидкости, которая должна быть не менее 10-5-10-3 См/м. Диапазон измеряемых расходов: 1 - 2500 м3/ч. Класс точности 1,0 – 2,5.

Расстояние от датчика до вторичного преобразователя зависит от электропроводности жидкости:

5*10-2 См/м

расстояние до 100 м

10-3 См/м

расстояние до 10 м

Достоинства:

- использование для измерения расходов жидких металлов;

- измерение расходов пульсирующих потоков, потоков агрессивных сред (условие допустимости использования – стойкость изоляции электродов и материала трубопровода);

- отсутствие дополнительных потерь давления на участке измерения, т.к. нет частей, выступающих внутрь трубопровода;

- безинерционность.

  1.  Тепловой расходомер

Принцип действия основан на измерении зависимого от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком.

Зависимость перепада температур до и после участка нагрева связана с расходом следующей закономерностью:

T = f(G), где T = Т2 – Т1

где N – мощность нагревателя;

     СР – теплоемкость вещества при ;

К – поправочный множитель на неравномерность распределения температур.

 При постоянной мощности нагревателя (UПИТ = const) количество  тепла, забираемое потоком постоянно: G  T2(нагрев потока)  T .

Для измерения больших расходов нагревают не весь поток, только часть, которую пропускают по байпасной трубке.

Недостатки:

- тепловое воздействие на измеряемый поток.

  1.  Ультразвуковой расходомер

Принцип действия основан на сложении скорости распространения ультразвука в жидкости и скорости самого потока.

1 – излучатель;

2 – приемник;

3 – электронный блок.

Излучатель и приемник располагаются на торцах измерительного участка трубопровода.

Электронный блок содержит генератор импульсов и измеритель времени прохождения импульсом этого расстояния (между 1 и 2).

Источник и приемник – пьезоэлектрические элементы. При движении потока его скорость будет складываться со скоростью ультразвука, что приведет к уменьшению времени пробега импульса.

Достоинства:

- диапазон измерения практически на ограничен;

- отсутствие влияния на свойства измеряемой среды.

Измерение качественных характеристик вещества

Измерение таких характеристик, как плотность, вязкость, состав, уровень рН необходимо для управления по прямым показателям качества.

Для измерения состава смеси используются различные методы: химические, физические, химикофизические. Рассмотрим наиболее часто используемые методы измерения качественных характеристик.

1. Потенциометрический метод анализа (рН-метры).

Принцип действия основан на зависимости между э.д.с., развиваемой датчиком и концентрацией водородных ионов в анализируемой жидкости.

Концентрацию водородных ионов, характеризующую кислотность и щелочность раствора, принято измерять в единицах водородного показателя рН:

- при рН =7 раствор нейтрален;

- при рН > 7 щелочная среда;

- при рН < 7 кислотная среда.

,

где аН+ - концентрация ионов водорода.

1 – измерительный электрод;

2 – сравнительный электрод.

Датчик рН-метра состоит из двух электродов. Измерительный электрод – это стеклянная трубка, к нижней части которой приварен шарик из специального стекла, содержащего металл (Li, Na).

Ионы водорода из раствора проникают в стекло шарика, а ионы металла переходят из стекла в раствор. На поверхности шарика возникает потенциал, величина которого зависит от концентрации водородных ионов в растворе: U = EИЗМ + ЕСР.

Сравнительный электрод в отличии от измерительного не меняет свой потенциал относительно раствора. Поэтому э.д.с. датчика зависит только от потенциала измерительного электрода.

Поскольку сопротивление электродной системы имеет очень высокое значение (десятки МОм), то для измерения выходного сигнала датчика используется специальный преобразователь с высокоомным выходом. Выходной сигнал такого преобразователя – это унифицированный токовый сигнал.

2. Плотномеры

По плотности можно судить о концентрации, составе, однородности среды. При измерении плотности необходимо обеспечить стабильность температуры.

2.1. Весовой плотномер

Принцип действия основан на непрерывном взвешивании постоянного объема жидкости. Жидкость протекает по петлеобразному участку трубы, который соединяется с основным трубопроводом гибкими соединителями (сильфонами).

1 – петлеобразный участок трубы;

2 – сильфоный;

3 – основной трубопровод;

4 – вторичный преобразователь.

Вес трубы F с жидкостью пропорционален плотности, протекающей в петле жидкости. Измерение веса петли производится преобразователем, к рычагу которого подвешена труба.

2.2. Буйковый плотномер

По принципу действия аналогичен действию буйкового уровнемера. Но в отличие от уровнемера буек должен быть полностью погружен в измеряемую среду и поэтому ее объем, выталкиваемый буйком постоянен.

Сила F в соответствие с законом Архимеда будет изменяться только в зависимости от плотности среды.

3.Измерение вязкости

Вязкость – свойство жидкости, характеризующее сопротивлению сдвигу или скольжению при перемещении смежных слоев потока относительно друг друга.

, где  F – тангенсальная сила; dV/dt – градиент скорости; - коэффициент динамической вязкости; S – площадь сдвига; V – скорость течения движущегося слоя; t – толщина движущегося слоя.

Жидкость, не имеющая предела текучести, т.е. вязкость которых не зависит от сдвигающих напряжений (dV/dt =0), называются ньютоновскими жидкостями. Это, например, вода, расплавленное стекло и другие высокотемпературные материалы.

Кинетическая вязкость:  м2/с.

Одним из самых простых методов измерения вязкости является вибрационные вискозиметры.

Принцип действия основан на стремлении жидкости затормозить колебания опущенной в нее плоской пластины, причем сила торможения зависит от вязкости жидкости.

1 – пластина;

2 – эластичная мембрана;

3 – катушка;

4 – генератор импульсов;

5 – электронный блок.

Пластина 1 закреплена на мембране 2. Нижняя часть пластины погружена в жидкость, а верхняя находится в катушке 3, соединенной с генератором импульсов 4. при включении катушки в пластине возникают продольные колебания. Затем катушка отключается от генератора, и колебания затухают.

В процессе свободных колебаний пластины в катушке наводится э.д.с., имеющая частоту ее свободных колебаний. Она обеспечивает запирание генератора до момента полного прекращения колебаний и цикл повторяется. Чем больше вязкость жидкости, тем быстрее затухают колебания пластины и тем меньше интервалы между включениями генератора. Прибор 5 измеряет величину этих интервалов.

Вибрационный вискозиметр выпускается для работы в диапазоне 0-50сПз или 0-0,5 106 сПз.

PAGE  77


4

3

2

1

1

2

3

4

5

6

7

А

В

1t1

2t2

РИЗМ

РМАСЛА

РИЗМ

Р2 «-»

Р1 «+»

4

3

2

1

 UИЗМ

 UПИТ

Р1 «+»

Р2 «-»

Р2

Р1

Р

min

max

4

3

2

1

EAB

t

4   t3

B

t2  2

C

B

A

3   t3

t1 спай 1

t2  2

C

B

A

2  3

t1

спай 1

Fe*

Ni*

Cu

Pt

Т

R

R

Т

100

200Cu

l

Р

Dу

d

+

-+

Р

Р

-+

+

r2

r1

dy

Р

-

+

Р

-

+

1

2

FП

FТР

FС

FВ

 UИЗМ

 UПИТ

S

N

Q

Магнитная муфта

Q

N

S

S    N

l P

LT

калиброванное отверстие

В

3

2

1

U

UПИТ

N

S

G

UПИТ

Т2

Т1

Т

G

Т

ЭБ

1

2

3

Q

3

2

2

1

1

СР

БУ

М

Н

Н

Рис. а.                                    Рис. б.  

Рис. а.                         Рис. б.  

2

1

Н

Н

2

1

U

Н

РГС

Н

+

-

+

Р

Р

РГС

Н

РГС

Н

Рис. а.     Рис. б

H

F

ППр

2

1

U

Вода +100С

Вода +22С

Кислота

Концентри-

  рованная

Разбавленная

Слабая щелочь

Щелочь

рН

14

10

6

2

-2

          10-16         10-12        10-8          10-4          1        аН+

F

2

1

2

3

4

H

F

ППр

1

2

3

4

5

Р

F

l

Р


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63207. Спадкове право 27.55 KB
  Мета: розкрити основні поняття спадкового права; познайомити учнів з особливостями спадкового права з умовами відкриття спадщини й винесення права на спадщину; виховувати в учнів правову культуру та правову свідомість.
63211. Узагальнення знань за темою «Київська Русь у другій половині XI — першій половині XIII ст.» 380 KB
  Мета: повторити та узагальнити матеріал, вивчений із теми «Київська Русь у другій половині XI — першій половині XIII ст.», підготуватися до уроку тематичного оцінювання; розвивати в учнів уміння аналізувати матеріал, робити висновки, виділяти головне, удосконалювати навички роботи з історичними джерелами...
63214. Сім’я і шлюб 31.36 KB
  Мета: ознайомити учнів з основами сімейного права; залучити їх до роботи з текстом Сімейного кодексу; підвести учнів до розуміння важливості знання та дотримання норм сімейного права; виховувати повагу до людей старшого покоління.