Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

 

ГЛАВА 1

 

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

 

Методы измерения. Под методом измерения понимают совокуп­ность приемов использовании принципов и средств измерений. Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: непосредственной оценки, сравнения с мерой, диффе­ренциальный, нулевой, совпадения.

Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерение давления пружинным манометром. Точность измерений этим методом бывает ограниченной, но быстрота процесса измерения делает его незаме­нимым для практического применения. Наиболее многочислен­ной группой средств измерений этим методом являются пока­зывающие, в том числе и стрелочные приборы (манометры, вольтметры, расходомеры).

В случае выполнения особо точных измерении применяют метод сравнения с мерой: измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение мас­сы на рычажных весах с уравновешиванием гирями.

По дифференциальному (разностному) методу измеряют разность между значениями измеряемой и известной (воспро­изводимой мерой) величин. Например, сравнение измерений с образцовой мерой на компараторе при поверке мер длины. Диф­ференциальный (разностный) метод позволяет получать резуль­таты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Но осуществлять лот метод можно только при условии воспроизведения с большой точ­ностью известной величины, значение которой близко к значе­нию измеряемой. Это во многих случаях легче, чем изготовить средство измерений высокой точности.

Качество измерений. По ["ОСТ 16263- -70 качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью н воспроизводимостью измерений, а также разме­ром допускаемых погрешностей.

Точность — это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Вы­сокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов.

Достоверность измерении характеризует степень доверия крепльтатэм измерений.

Под правильностью измерений понимают качество измере­ний, отражающее близость к пулю систематических погрешно­стей в результатах измерении.

Сходимость — это качество измерении, отражающее бли­зость результатов измерений, выполняемых в одинаковых усло­виях.

Воспроизводимость — это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выпол­няемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерения есть отклонение результатов изме­рения от истинного значения измеряемой величины. По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные. Абсолютной называется по­грешность измерения, выраженная в единицах измеряемой ве­личины. Она определяется выражением

 (1.1)

А результат измерений:» значение измеряемом величины. И

Поскольку истинное значение измеряемой величины остает­ся неизвестным, на практике ПОЛЬЗУЮТСЯ ЛИШЬ приближенной оценкой абсолютной погрешности измерения, определяемой вы­ражением

 (1.2)

где А., — действительное значение измеряемой величины, которое с погрешно­стью ее определении принимают за истинное значение.

Относительной погрешностью измерения Ь называют отно­шение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины

 (1.3)

Систематической погрешностью называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной пли законо­мерно изменяемая при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайной погрешностью называется составляющая погреш­ности измерения, изменяющаяся случайным образом при по­вторных измерениях одной и той же величины. Случайные по­грешности можно обнаружить только при многократных изме­рениях. Они являются результатом случайных изменений мно­гочисленных условий измерений, учет которых практически неосуществим.

Иногда в результатах наблюдений может появиться погреш­ность, существенно превышающая ожидаемую при данных усло­виях, — это так называемая грубая погрешность. Результаты наблюдений, содержащие грубые погрешности, при обработке исключают, используя различные критерии, в соответствии с ГОСТ 11.002—72.

Для оценки метрологических характеристик средств изме­рений в отечественном приборостроении используют классы точности. ГОСТ 8.401—80 регламентирует способы назначения классов точности в зависимости от способа выражения преде­лов допускаемых погрешностей средств измерений. Этим стан­дартом предусмотрено выражение предельно допускаемых по­грешностей средств измерений в виде абсолютных, относитель­ных и приведенных погрешностей.

Абсолютная погрешность должна быть выражена как

 (1.4)

предел допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в едини­цах величины на входе (выходе), либо условно в .имениях шкалы: о имено­ванное положительное число, выраженное и rex же единицах.

Относительная погрешность выражается формулой

 (1.5)

где о предел допускаемой относительной погрешности, %: А— интервал из­мерений прибора.

Приведенную погрешность определяют по формуле

 (1.6)

где — предел допускаемом приведенной погрешности. %; Хц — нормирующее таченне, которое при установлении приведенной погрешности принимают рав­ным: конечному значению шкалы прибора, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы; сумме конечных значений шкалы прибора (без учета таков), если нулевая отметка находится вн\трн шкалы; номинальному значе­нию измеряемой величины, если таковое установлено; длине шкалы, если шка­ла неравномерная (логарифмическая или гиперболическая). В этом случае по­грешность и длина шкалы выражаются в одних и тех же единицах.

Средствам измерений, пределы допускаемых погрешностей которых выражаются в единицах измеряемой величины пли в делениях шкалы (абсолютная погрешность), должны быть при­своены классы точности, обозначаемые порядковыми номерами, причем средствам измерении с большим значением допускае­мых погрешностей должны соответствовать большие порядко­вые номера.

Средствам измерении, пределы допускаемых погрешностей которых выражены как относительные или приведенные по­грешности, должны быть присвоены классы точности, выби­раемые из ряда чисел: (1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6)10. где л = = 0.1-1.

Класс точности устанавливают при выпуске прибора, гра­дуируя его по образцовому прибору в нормальных условиях. Показание образцового прибора принимают за истинное значе­ние измеряемой величины

Чтобы уменьшить относительную погрешность, нужно выбирать верхний предел шкалы измерительного прибора таким, чтобы ожидаемое значение из­меряемой величины (показание) находилось в последней трети (или полови­не) ее.

Абсолютной погрешностью меры Л называют разность меж­ду номинальным ее значением и истинным (действительным) значением воспроизводимой ею величины

 (1.7

(с Л'н — номинальное Значение меры; А'_л — действительное значение меры.

Пример. Погрешность гири 4-го класса с номинальным значением 2 кг и истинным значением 2,00010 кг равна —0.10 г ( — 100 мг). а отклонение от номинального значения для ЭТОЙ меры равно 0.10 г (100 мг).

Абсолютная погрешность измерительного прибора .А'„ — это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины

 (1.8)

— показания прибора: Д., действительное значение измеряемой вели­чины

За действительное значение измеряемой величины принима­ют показания образцового прибора, если его погрешность в че­тыре—пять раз меньше погрешности поверяемого.

Если же погрешность образцового прибора только в 2—3 раза меньше погрешности поверяемого, то за действительное значение измеряемой величи­ны принимают показания образцового прибора плюс поправка по свидетель­ству на данное значение.

Относительная погрешность меры или измерительного при­бора 6_П — это отношение абсолютной погрешности меры или измерительного прибора к истинному (действительному) значе­нию воспроизводимой пли измеряемой величины. Относительная погрешность меры или измерительного прибора может быть выражена как (в %)

Приведенная погрешность у измерительного прибора — это отношение погрешности измерительного прибора к нормирую­щему значению. Нормирующее значение Л \ — это условно при­нятое значение, равное или верхнему пределу измерений, или находится в интервале измерений или в интервале длины шка­лы. Приведенную погрешность обычно выражают как (в %)

 (1.101

П р и м е р. Определить абсолютную, относительную И приведенную по­грешности потенциометра с верхним пределом измерений 150"С при показа­нии его л,.= 120°С и действительном значении измеряемой температуры Х_л— = 120,6 °С, За нормирующее значение принят верхний предел измерения Х\-**

= 150°С.

Абсолютная погрешность но формуле— 0.6 Т.. относительная погрешность по формуле (1.9) 6п=±0.5%: приведенная погрешность по фор­муле (1.10) ,« ±0,4%.

Основная погрешность средства измерений — это погреш­ность средства измерении, используемого в нормальных усло­виях, которые обычно определены в нормативно-технических документах на данное средство измерении.

Под дополнительными погрешностями понимают изменение погрешности средств измерений вследствие отклонения влияю­щих величин от нормальных значений или выхода за пределы нормальной области значении.

Погрешности средств измерений, являющиеся определенны­ми неслучайными функциями каких-либо факторов, относят к систематическим погрешностям. Они остаются постоянными или закономерно изменяются. Например, причиной систематической погрешности измерительного прибора может служить неточное нанесение отметок шкалы.

Случайная погрешность средства измерений — составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом.

При определении модели основной погрешности следует учи­тывать и погрешности, вызываемые такими явлениями, как тре­ние, люфт, гистерезис и т. п. Погрешность, порождаемую этими явлениями, называют погрешностью средства измерения вслед­ствие вариации.

Вариация показаний измерительного прибора — разность между значениями показаний измерительного прибора, соот­ветствующими данной точке интервала измерения при двух на­правлениях подхода к данной точке.

ГЛАВА 2

 

Глава з

 

КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ

 

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Давление — один из важнейших параметров технологических процессов. За единицу измерения давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль (Па). Однако до настоя­щего времени используют также внесистемные единицы: кг/см-, мм вод. ст. и бар. Эти единицы связаны следующими соотно­шениями: 1 кгс/см² —98 066,5 Па; I мм вод. ст. = 9,80665 Па, 1 мм рт. ст. = 133,322 Па, i бар- 10"' Па.

При измерении давления необходимо различать абсолютное, избыточное и атмосферное давление, а также вакуум.

Абсолютное давление Р_л -- параметр состояния вещества (жидкостей, газов и паров). Избыточное давление Р„ — разность между абсолютным давлением Р_л и атмосферным давле­нием Рь (т. е. давлением окружающей среды)

 (3,11

Если абсолютное давление ниже атмосферного, то

 (3.2»

Рв давление (разрежение), измеряемое вакуумом

По ГОСТ 2405—80 (СТ СЭВ 1641-79) приборы для изме­рения давления классифицируются по принципу действия и по

роду измеряемой величины.

По принципу действия приборы для измерения давления

подразделяются на следующие: 2Я

жидкостные, основанные па уравновешивании измеряемого давления давлением соответствующего столба жидкости;

деформационные, измеряющие давление по величине дефор­мации различных упругих элементов или по развиваемой силе;

грузопоршневые которых измеряемое давление уравнове­шивается внешней силой, действующей на поршень;

электрические, основанные или на преобразовании давления в одну из электрических величин, или на изменении электриче­ских свойств материала под действием давления.

По роду измеряемой величины приборы для измерения дав­ления делятся на:

манометры — приборы для измерения абсолютного и избы­точного давления;

вакуумметры — приборы для измерения вакуума;

мановакуумметры — приборы для измерения избыточного давления и вакуума;

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

барометры — приборы для измерения атмосферного воздуха; .

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

тягомеры (микроманометры)—приборы для измерения ма­лых разрежений;

тягонапоромеры (микроманометры) — приборы для измере­ния малых давлений и разрежении.

 

ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРЫ

 

Жидкостные манометры отличаются простотой конструкций и сравнительно высокой точностью измерения. Их широко при­меняют как в качестве переносных (лабораторных), так и тех­нических приборов для измерения давления.

Переносный U-образные манометр, представляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку /, показан на рис. 3.1. Трубка закреплена на доске 2 со шкалой 3. расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью (спиртом, во­дой, ртутью). Один коней трубки соединен с полостью, в кото­рой измеряется» давление, другой конец трубки сообщается с атмосферой. Под действием измеряемого давления жидкость в трубке перемещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в коленах переместится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответствовать вакууму.

Присоединив оба колена трубки к полостям с различными давлениями Р, и Р-2, можно определить, разность давлений.

 

Рис. 3.1. U-образный манометр

 

Манометр заполняют жидкостью

и- нулевой отметки шкалы. Для он ределепия высоты столба жидкости необходимо сделать два отсчета (сип жоние в одном колене и подъем и другом) и суммировать их величины, т. 'е.

Чашечный манометр, являющийся разновидностью L'-образного, показан на рис. 3.2. Одно из колеи чашечного манометра выполнено в виде сосуда (чашки) /, диаметр которого больше диаметра трубки 2, представляющей собой другое колено. Полость с изме­ряемым давлением (больше атмосферного) соединяется с чашечкой, а трубка соединяется с атмосферой. Так как площадь сечения чашки больше площади сечения трубки, жидкость иод действием давления в чашке опускается на высоту, которая меньше высоты подъема в трубке. Обычно площадь сечения чашки значительно больше сечения трубки, поэтому величиной понижения уровня жидкости в чашке пре­небрегают, и результат отсчитывают только но высоте столба жидкости в трубке от начального значения. Однако при атом возникает погрешность, вызванная понижением уровня жидкости в чашке, что изменяет положение нуля шкалы. Напри­мер, при диаметре чашки D , в десять раз большем диаметра трубки d . получим

т. е. относительная погрешность составит 1% погрешность прибора зависит от отношения площадей сечений трубки и чашки и может быть сколько угодно малой. На прак­тике площади сечений чашки s и трубки S выбирают обычно такими, чтобы отношением можно было пренебречь. В ос­новном для чашечных приборов 1/400.

Микроманометр с наклонной трубкой. При измерении малых давлений и разрежений порядка миллиметров или десятков мил­лиметров столба жидкости ошибка отсчета становится весьма значительной. Например, при высоте столба жидкости, равною 10 мм. ошибка отсчета 0,5 мм дает погрешность измерения, равную 5% измеряемой величины. Поэтому при измерении ма­лых давлений приходится применять приборы, обеспечивающие большую точность измерения, чем L'-образные или чашечные манометры.

    

Рис. 3.2. Чашечный (однотрубный) манометр

Одним из наиболее распространенных приборов этого типа является манометр с наклонной трубкой (рис. 3.3). Прибор со­стоит из стеклянного сосуда 2. к которому припаяна стеклянная трубка наклонен­ная под некоторым углом а к горизонту. Сосуд с трубкой укреплены на деревянной доске / со шкалой, градуированной в мм водяного столба. Для удобства шкала сде­лана подвижной, чтобы при заполнении прибора жидкостью можно было совме­стить нуль шкалы с мениском жидкости в трубке. При измерении давления ниже ат­мосферного (разрежения) к пространству присоединяют конец трубки 3. Для точной установки в горизонтальной плоскости при­бор снабжен уровнем 4. Поскольку трубка I 3 наклонена, высота столба жидкости уравновешивающая измеряемое давление, будет равна:

(3.-11)

где перемещение мениска жидкости в трубке, отсчитанное по шкале.

Таким образом, иена деления шкалы в 1 sin а раз больше высоты столба жидкости. Изменение уровня жидкости в сосу­де 3 при подъеме жидкости в трубке учитывается при градуи­ровке шкалы и поэтому не вносит ошибки в измерение. Мик­романометры с наклонной трубкой изготовляют обычно для измерения давления в интервале 1.57—980 Па.

 

3.3. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

 

В промышленной практике измерения давления и разности дав­лений широкое применение получили деформационные (с упру­гим чувствительным элементом) приборы. В этих приборах дав­ление определяется по деформации упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими силе, которые преобразуют­ся передаточными механизмами в угловое пли линейное перемещения

 

                         

указателя по шкале прибора. В качестве упругих эле­ментов используют трубчатые пружины, мембраны, мембранные коробки и сильфоны.

По виду упругого чувствительного элемента пружинные при­боры делятся на следующие мембранные приборы, упругим элементом которых служи мембрана (рис. 3.4, в), мембранная коробка (рис. 3.4, г и д), мембранных коробок (рис. 3.4, е и др.

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 3.4, з);

4) приборы с упругой гармониковоп мембраной (сильфоном)

(рис. 3.4, к); 5) пружинно-сильфонные (рис. 3.4, и).

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применя­ют для измерения небольших избыточных давлений и разреже­ний (манометры, наноромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифференциальные манометры). Зависимость проги­ба мембраны от измеряемого давления и общем случае не ли­нейна. Число, форма и размеры гофра зависят от назначения прибора, пределов измерения и других факторов.

Чтобы увеличить прогиб в приборах для малых давлений, мембраны попарно соединяют в мембранные коробки, а короб­ки в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными (рис. 3.4, г) и манометрическими (рис. 3.4, d). Анероидные коробки, применяемые в барометрах, герметизированы и заполнены воздухом или инертным газом при давлении 1 Па. Деформация аиерондноп коробки происходит под воздействием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки. Так как давление в полости коробки очень мало, можно

 

 

Рис. 3.5, Принципиальная схема ма­нометра с трубчатой пружиной

но считать, что ее деформация определяется     атмосферным

давлением. Деформация анероидной или манометрической коробки равна сумме дефор­маций составляющих ее мем­бран.

Третий вид упругих эле­ментов манометров составля­ют  особые гофрированные ко­робки, называемые енльфонами. Снльфон представляет со бой цилиндрический  тонко­стенный сосуд, .на боковой по­верхности которого выдавле­ны глубокие параллельные волны (рис. 3.4,к). При ноздейснни осевой нагрузки, внешнего пли внутреннего давлении дли на енльфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь н весомости от направления приложенной силы.

Манометры с трубчатой пружиной один из наиболее рас иностранных видов деформационных приборов (рис. 3.5).

Чувствительным элементом таких приборов является, согну­тая по дуге круга и запаянная с одного конца трубка хэллнп тического или овального сечения. Открытым концом трубки 7 через .держатель и ниппель//) присоединяют к источнику изме­ряемого давления. Свободный (запаянный) копен грудки 7 через передаточный механизм соединен осью 75 стрелки пе­ремещающейся по шкале манометра.

Трубки манометров, рассчитанных на давление до 500 кПа (50 кгс/см²), изготовляют из меди, а трубки манометров, рас считанных на большее давление,— из стали.

Свойство изогнутой трубки некруглого сечения—изменят величину изгиба при изменении давления—обусловлено изме­нением формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или овальное сечение, деформируясь, приближа­ется к круговому, что приводит к раскручиванию трубки, т. е к угловому перемещению ее свободного конца. Это перемещение в определенных пределах пропорционально измеряемому давле­нию. Поэтому максимальное рабочее давление манометра должно быть ниже предела пропорциональности с некоторым запасом прочности.

В соответствии с этим шкал манометра (верхний предел измерения) выбирают таким образом, чтобы рабочий предел измерения (наибольшее рабочее давление) был не менее верхнего предела измерения при постоянном давлении не  нее верхнего предела измерения при переменном давления

Рис. 3.6. Мембранный манометр

Верхние пределы измерения манометра выбирают из ряда: 1; 1,6; 2,5; 4 и 6 10, где п — любое целое положительное или отрицательное число.

Перемещение свободного конца трубки под действием давления весьма невелико, по­этому в конструкцию прибора введен передаточный меха­низм, увеличивающий мас­штаб перемещения конца трубки.

Зубчато-секторный пере­даточный механизм показан на рис. 3.5. Он состоит из зубчатого сектора( шестер­ни сцепляющейся с секто­ром, и спиральной пружины 6. На оси шестерни 5 закреплена указывающая стрелка манометра. Пружина 6 одним концом прикреплена к оси шестерни, а другим — к неподвижной точке даты механизма: Пружи­на, выбирая зазоры в зубчатом зацеплении и шарнирных со­единениях передаточного механизма, исключает люфт стрелки. Мембранный манометр (рис. 3.6). Упругим элементом мано­метра является гофрированная мембрана 3, края которой за­жаты между фланцами чашек / и 7. Чашка имеет ниппель 2, которым манометр присоединяют к измеряемому давлению. Верхняя чашка 7 представляет собой одно целое с корпусом манометра 5. В центре мембраны 3 закреплена стойка 4, шарнирно соединенная с поводком 6. Последний соединен с секто­ром зубчато-секторного передаточного механизма.

Наиболее удобны мембранные манометры для измерения давления вязких жидкостей или химически агрессивных сред.

 

3.4. ГРУЗОПОРШНЕВОЙ МАНОМЕТР

 

Принцип действия поршневого манометра основан па уравно­вешивании сил, создаваемых, с одной стороны, измеряемым давлением, а с другой стороны — грузами, действующими па поршень, помешенный в цилиндр (рис. 3.7).

Прибор состоит из колонки 7 с цилиндрическим шлифован­ным каналом и поршня 6, несущего на своем верхнем конце та­релку 4 для нагружения ее эталонными грузами 5. Поршень / винтового пресса служит для подъема и опускания поршня 6 так, чтобы при любых нагрузках поршень в был погружен в цилиндр примерно на ²/з своей высоты. Камеру 2 поршневого манометра заполняют трансформаторным, вазелиновым или касторовым маслом через воронку 8. Давление в системе созда­ют с помощью винта с маховиком 9 и поршня /. Штуцеры 3 служат для установки поверяемого и образцового манометров. Вентиль 10 предназначен для слива масла. В процессе измере­ний для устранения вредных сил трения поршня в о стенки ци­линдрического канала колонки 7 поршень 6 вручную приводят во вращение. Поршневой манометр может быть использован для поверки манометров как с помощью грузов, так и с помощью образцового манометра.

 

3.S. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ

 

Тензорезисторные измерительные преобразователи ИП «Сап­фир» обеспечивают непрерывное преобразование давления в унифицированный электрический токовый сигнал дистанцион­ной передачи. Действие прибора основано на использовании тензометрического эффекта в полупроводниковом материале.'

Воздействие измеряемого параметра, преобразованное в уси­лие, вызывает изменение напряженного состояния тензорезисторов, жестко соединенных (нанесенных в виде монокристаллической пленки) с чувствительным элементом тензомодуля, ко­торый размещен внутри измерительного блока первичного пре­образователя. Изменение сопротивления тензорезисторов, про­порциональное изменению величины измеряемого параметра, преобразуется встроенным электронным устройством в токовый выходной сигнал (4-20 мА) первичного преобразователя]

Сигнал 4—20 мА передается по искробезопасной двухпро­водной линии дистанционной передачи к блоку питания БПЗ-24

 

Рис. 3.8. Измерительный блок разно­сти давлений

(по этим же проводам подает­ся питание), где преобразует­ся в унифицированный токо­вый выходной сигнал (0—5, 0—20 или 4—20 мА) в зависи­мости от исполнения прибора.

ИП «Сапфир» состоит из двух конструктивных блоков: первичного преобразователя и блока питания типа БПЗ-24, связанных двухпроводной ли­нией связи. Первичные преоб­разователи включают измерительный блок, встроенное унифи­цированное электронное устройство, и различаются лишь кон­струкцией измерительных блоков.

Измерительные блоки выполнены на основе тензомодулей двух типов (в зависимости от пределов измерения): рычажно-мембранного и мембранного. Схема измерительного блока раз­ности давлений с тензомодулем рычажно-мембранного типа по­казана на рис. 3.8.

Тензомодуль рычажно-мембранного типа 4 размешен внутри основания 2 в заполненной полиметилсилоксановой жидкостью замкнутой полости и отделен от измеряемой среды металличе­скими гофрированными мембранами 1. Мембраны по наружно­му контуру приварены к основанию и соединены между собой центральным щитком 3, который связан с концом рычага тензомодуля. Разность давлений вызывает прогиб мембран 1 ч 8 тензомодуль а также изменение сопротивления тензорезисторов 5. Электрический сигнал с тензомодуля передается из по­лости высокого давления во встроенное электронное устройст­во 6 по проводам через герметичный вывод 7. При односторонней перегрузке рабочим давлением мембра­на после дополнительного перемещения ложится на профили­рованную подушку, поэтому измерительный блок выдерживаем эту перегрузку, не разрушаясь.

В преобразователях избыточного давления, разрежения избыточного давления — разрежения используются одни и те же измерительные блоки, которые отличаются от измерительных блоков преобразователей разности давлений конструкцией фланцев.

Промышленность выпускает следующие типы ИП «Сапфир»: 651 ДИ и 652 Да для избыточного давления; 651 ДА и 652 ДА — для абсолютного давления; 651 ДВ — для разрежения. 651 ДД и 652 ДД — для разности давления, 651 ДГ—для гидростатического

 

Для измерения давления неагрессивных жидких и газооб­разных сред и сигнализации при его отклонении от заданного интервала используют приборы типа МП4-Ш. Прибор состоит из четырех основных узлов (рис. 3.9): узла измерения величи­ны давления, трибкосекторного механизма, контактного уст­ройства, сигнального блока. Перемещение свободного конца манометрической пружины / через тягу 9, сектор 10 и трубку 2 преобразуется в поворот показывающей стрелки 6 относитель­но шкалы 4. Вместе с показывающей стрелкой поворачивается ведущий поводок 7, который перемещает подвижные контакт­ные поводки 5.

Сигнальный блок питается от сети переменного тока через однополупериодный выпрямитель Д, и стабилизатор Д-₂. На­грузкой предельных контактов 3 и 8 являются электромагнитные реле Р и Pi , служащие для коммутации внешних цепей. Когда величина измеряемого параметра находится в пределах, заданных сигнальными указателями, контакты поводкового контактного устройства разомкнуты: нормально замкнутые кон­такты реле Р и Р-2 замыкают цепь выдачи сигнала «Норма». При выходе величины измеряемого параметра за пределы, установленные сигнальными указателями, замыкаются соответ­ствующие контакты поводкового контактного устройства, нор­мально разомкнутые контактные реле Р и Р замыкают цепь выдачи сигнала «Минимум» или «Максимум».

На рис. 3.10 показана принципиальная схема еильфонного электрического взрывозащищенного манометра типов МС-Э1-В4 и МС-Э2-В4.

Манометр предназначен для непрерывного преобразования давления жидких и газообразных сред, в том числе азотоводородных и аммиачных, в пропорциональный унифицированный электрический выходной сигнал постоянного тока.

 

 

Рис. 3.9. Принципиальная схема прибора типа МП 4-III

 

 

Рис. 3.10. Принципиальная схема сильфонного взрывозащищенного электриче­ского манометра:

И - рычаги: 1 — лента. 4 — пружинный корректор нуля; 3 — плунжер: 6 - индикатор рассогласования; 7 — электромагнитный механизм силовой обратной сияли: й — электрон­ный усилитель; 9 — енльфомный чувствительный элемент 10 — штуцер для подводя из­меряемого давления: // — корпус измерительного блока; 1? — мембранный вывод изме­ряемого усилии из полости измерительного блока

Преобразователи имеют взрывонепроницаемое исполнение (ВЧаТЗ) и могут применяться во взрывоопасных помещениях и на взрывоопасных установках всех классов, где возможно обра­зование взрывоопасных смесей категорий 1, 2, 3 и подкатегорий

4а групп Ti.T2.T3.

Принцип действия преобразователей — силовая компенса­ция. Начальное (нулевое) значение токового выходного сигнала устанавливается пружинным корректором нуля 4. Интервал из­мерения настраивают изменением передаточного отношения ры­чажного механизма, для этого перемещают ленту 2, передаю­щую усилие с рычага / на рычаг 3. Настройка нулевого значе­ния выходного сигнала и диапазона измерения может произво­диться во взрывоопасном помещении без отключения электри­ческого питания.

 

3.6. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ

 

На рис. 3.11 показана принципиальная схема сильфонного манометра абсолютного давления типа МАС-П. Манометр абсолютного давления сильфонный пневматический МАС-П предназначен для непрерывного преобразования абсолютного давления газа в пропорциональный пневматический сигнал дистанционной передачи. Выпускается двух типоразмеров (МАС-П 1 и МАС-П2) на одиннадцать различных пределов измерения.

Датчик состоит из блока сдвоенных сильфонов 12 (рис. 3.12), полости которых заполнены кремнийорганической жидкостью. Полости сильфонов сообщаются между собой каналом, который перекрывается клапаном 11 при увеличении деформации силь­фонов выше предельной рабочей деформации. При нарушении герметичности мембраны .9 одновременно закрываются оба кла­пана сильфонных чувствительных элементов, обеспечивая на­дежную защиту от выброса наружу измеряемой среды в случае разрушения сильфонов, что особенно важно при измерениях перепада давления токсичных и взрывоопасных сред.

На рис. 3.13 показана принципиальная схема пружинного манометра тина МП4-У с пневматической передачей показаний на расстояние. Принцип действия измерительной части прибора основан на уравновешивании величины измеряемого давления силой упругой деформации одновитковой трубчатой пружины.

 

Рис, 3.11. Принципиальная схема манометра МАС-П:

 

Рис. 3.12. Принципиальная схема дифманометра ДС-П:

Рис. 3.13. Принципиальная схема манометра МГ14-У

а принцип действия пневматической части—на компенсации сил.

Изменение давления, пе­редаваемого во внутреннюю полость трубчатой пружи­ны //, вызывает перемеще­ние ее свободного копна, которое преобразуется передаточно множительным механизмом (тяги 17, ры­чага 18 и трибко-секторной  пары 14) в движение стрелки 12 относительно шкалы 13. Одновременно перемещение кон­ца манометрической пружины передается на заслонку 9 пневмопреобразователя через тягу 16, рычажный механизм 6 и ци­линдрическую пружину 7. Заслонка может перемещаться от­носительно сопла 8.

Пневмоиреобразователь работает следующим образом. Пи­тающий воздух под давлением 140±14 кПа, которое контроли­руется манометром 21, поступает через входное отверстие в уси­лительное пневмореле 19, где редуцируется шариковым клапа­ном напора давления 2 до 3—4 кПа и через камеру давления командного воздуха А, а также дроссель 3 поступает в линию сопла 8. При полном открытии сопла 8 заслонкой 9 избыточное давление в линии перед соплом равно нулю, так как отверстие сопла значительно больше отверстия дросселя, а давление командного воздуха определяется силами пружин 4 и составля­ет 4 кПа. Увеличение давления в ЛИНИИ перед соплом 8 при закрывании его передается на мембрану 15, и шариковый клапан сброса 5 приоткрывает отверстие для выпуска воздуха в атмос­феру, а мембрана 20, воздействуя на шариковый клапан напора давления 2, открывает входное отверстие питания. При этом в камере давления командного воздуха давление возрастает на величину повышения давления в линии перед соплом; это дав­ление передается во внутреннюю полость трубчатой пружины обратной связи 10 и на выход прибора. Давление воздуха конт­ролируется по манометру /.

Под действием давления, передаваемого во внутреннюю по­лость трубчатой пружины обратной связи 10, пружина дефор­мируется, отводит заслонку 9 от сопла на расстояние, обеспечи­вающее поддержание в системе давления воздуха, пропорцио­нального измеряемому параметру. Как только заслонка оста­навливается, увеличение давления в камере давления командно­го воздуха прекращается, на дросселе 3 устанавливается преж­ний перепад давления, и вся система уравновешивается. При уменьшении измеряемого прибором давления среды за­слонка 9 отходит от сопла 8, что приводит к уменьшению давле­ния в линии перед соплом, а следовательно, и в камере команд­ного воздуха, так как мембраны 15 и 20 перемещаются так, что открывается клапан сброса давления 5 и перекрывается клапан напора 2. Сброс давления будет продолжаться до прекращения движения заслонки, т. е. до установления нового равновесия сил на мембранах. Уменьшенное давление в камере давлении командного воздуха А будет передано на выход прибора и во внутреннюю полость пружины обратной связи 10, которая, де­формируясь, приблизит заслонку к соплу на расстояние, обес­печивающее поддержание в системе давления, пропорциональ­ного измеряемой величине.

Приборы выпускаются с классом точности 1,0 и 1,5. Интер­вал изменения выходного сигнала 20—100 кПа (0,2—1,0 кгс /см²).

 

РАЗНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

 

Электромагнитные расходомеры. Эти расходомеры подразделяются на приборы с электромагнитным преобразователем рас­хода и приборы с электромагнитными преобразователями ско­рости потока.

Рис. 4.23. Электромагнитный расходомер

 

 

Приборы с электромагнитным преобра­зователем   расхода основаны на взаимо­действии движущейся жидкости с магнитным нолем. Это взаимодействие подчиняется закону Фарадея, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле.

индуцируется э. д. с, пропорциональная скорости движения жидкости.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера по­казана на рис. 4.23. Трубопровод с перемещающейся в нем жидкостью помещен в магнитное ноле. Трубопровод изготов­ляют из изоляционного материала, для этой цели используют фторопласт, эбонит, резину и другие материалы в зависимости от свойств измеряемой жидкости.

Известно, что в движущемся проводнике, пересекающем си­ловые линии магнитного поля, индуктируется электродвижу­щая сила, величина которой определяется по формуле

где £—индуктируемая в проводнике 9. д. с; В магнитная индукция; I -длина проводника; и — скорость движения проводника.

В случае измерения расхода жидкости можно записать

где d — внутренний диаметр трубопровода; е_ср средняя скорость протекания жидкости через поперечное сечение трубы в зоне индуктируемой э, д. с.

Следовательно, электромагнитный расходомер является ни существу генератором, в котором проводником, перемещаю­щимся в магнитное поле, служит электропроводная жидкость. Проводимость жидкости должна быть не ниже от 10 ⁵ до 10 ⁶ См, что соответствует проводимости водопроводной воды

В стопки трубопровода диаметрально противоположно в ОД­НОМ поперечном сечении введены электроды (заподлицо с внутренним диаметром трубы). К электродам подключают какой-либо высокочувствительный измерительный прибор, шкала которого градуирована в единицах скорости пли единицах рас­хода. Измерительный прибор выбирают с большим входным сопротивлением в соответствии с неравенством В качестве измерительного прибора можно использовать потенциометры или милливольтметры.

Комплект общепромышленного электромагнитного расходо­мера (Э.М. Р.) состоит из преобразователя расхода и измери­тельного блока. Конструктивно преобразователь включает дна узла -трубу и электромагнит. Преобразователь содержит мк же контур для подавления трансформаторной э.д.с

Электромагнитные расходомеры имеют ряд преимуществ Прежде всего они практически безынерционны, что очень важ­но при измерении быстроизменяющихся расходов и при ис­пользовании их в системах автоматического регулирования. Результат измерения не зависит от наличия взвешенных частил в жидкости и пузырьков газа. Показания расходомера не за висят от свойств измеряемой жидкости (вязкости, плотности) и от характера потока (ламинарный, турбулентный).

Вследствие линейной зависимости возникающей э. д.с от расхода шкала вторичного прибора линейна, Электромагнит­ные расходомеры обеспечивают измерение расхода в интерва­ле 1—2500 м'/ч и трубопроводах с внутренним дна метром от 1С, до 300 мм при линейной скорости движения жид­кости (»ср) ОТ 0,6 ДО 10

Промышленность выпускает Э. Л\. Р. с различными электро­магнитными полями возбуждения Расходомеры типов ИР-51. ИР-51А, 4-РИМ, ЗРИМ имеют равномерное магнитное поле возбуждения. Это обеспечивает независимость показаний от профиля распределения скорости при асимметричном потоке Расходомеры типов «Индукцня-51 н «Индукциям» имеют неоднородное магнитное поле возбуждения. Основная погреш­ность от верхнего предела измерения по токовому выходном) сигналу расходомеров типов ИР-51. ИР-51Л. «Индукция-51* (с О_у до 300 мм) равна ±1 %..

Турбинные расходомеры Турбинный расходомер — счетчик газа «Тургас» предназначен для измерения объемного расхода и учета объемного количества, природного горючего газа (ме тана) Он основан на принципе вращения натекающим пото­ком газа измерительной крыльчатки. Угловая скорость крыльчатки преобразуется в электрические импульсные сигналы, частота следования которых пропорциональна объемному рас* оду.

Рис. 4.24. Преобразователь-счетчик «Тургас»

Комплект расходомера счетчика «Тургас» состоит из тур бииного преобразователя (датчика) объемного расхода ПРГ и электронного блока измерения.

Ряд приборов включает пять типоразмеров преобразователей по пределам измерения: ПРГ-100, ПРГ-200. ПРГ-400, ПРГ-800 и ПРГ-1600.

Конструкция преобразователя типа ПРГ-400 показана на рис. 4.24.

Преобразователь расхода представляет собой цилиндрический корпус / с фланцами, в проточной части которого последовательно по потоку расположены передний направляющий аппарат 18 и опора 16, внутри которой проходит вал 14 с дву­мя парами подшипников. На каждой паре вращаются измери­тельная и приводная винтовые крыльчатки 13 и 17 Далее ус­тановлен задний направляющий аппарат 12. Втулки // и 19 служат для стягивания в осевом направлении узлов деталей.

проточной части ПРГ. Проточная часть разделена на два трак­та — основной канал 6, в котором вращается измерительная крыльчатка, и концеитрнчно основному — байпасный 7, в ко­тором расположена приводная крыльчатка.

Система труб 5, 9. 10 вместе с впускным штуцером 4 слу­жит для подачи масла к подшипникам, для этого вместо проб­ки 3 на период смазки устанавливают масленку. Во входной части корпуса ПРГ находится металлическая сетка 2. Изме­рительная крыльчатка 13 расположена в зоне магннтоиндукцнонного преобразователя (расположен на корпусе ПРГ) и яв­ляется чувствительным элементом при преобразовании скоро­сти потока газа в электрические импульсы. Приводная крыль­чатка 17 расположена в байпасном канале и служит для вра­щения вала 14, с которым она жестко связана.

На радиально расположенных лопастях опоры 16 перед крыльчаткой 13 установлено кольцо 8, которое выполняет функции элемента, улучшающего при его обтекании газовой средой характеристику прибора, что обусловлено воздействи­ем определенным образом кольца 8 на вращение крыльчатки 13. Трубка 15 служит для сбора и слива излишков масла из зоны подшипников.

Средний ресурс расходомера-счетчика не менее 10 000 ч. Вероятность безотказной работы за 2000 ч составляет 0,95.

Ультразвуковые расходомеры. Эти расходомеры основаны на смещении ультразвуковых колебаний движущейся жид­костью.

В трубопроводе установлены два источника и два приемни­ка ультразвуковых колебаний частотой 1—3 МГц. Если жил кость в трубопроводе неподвижна, то при скорости ультра длительность прохождения импульса.

При перемещении жидкости со скоростью с время прохож­дения ультразвука по направлению потока и навстречу ему 1-2 составит

Откуда. Эта разность времен прохождения импульсов по потоку и против потока является мерой расхода.

Приборы данного типа применяют для измерения расхода пульп при малых диаметрах трубопроводов (от 10 мм) и ско­ростях потоков не менее 0,02 м/с.

 

ГЛАВА 5

 

КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

Температура является одним из важнейших параметров хнми-ко- технологических процессов.

По современным представлениям температура — ^то услов­ная статистический величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии частиц вещества (молекул или атомов). Практически температуру можно измерять лишь методом сравнения нагретости двух тел. причем степень нагретости од­ного из тел предполагается известной. Для сравнения степени нагретости тел используют изменение какого-.тибо физическо­го их свойства, зависящего от температуры и легко поддаю­щегося измерению. Установление единицы измерения темпе­ратуры связано с установлением температурной шкалы. Допу­скается применение двух температурных шкал: абсолютной термодинамической в градусах Кельвина (К) и международ­ной практической в градусах Цельсия (°С) в зависимости от начала отсчета (положение нуля) но шкале. Абсолютную тем­пературу обозначают буквой Т. а температуру по шкале Цель сия и ^г =273,15 К. Например, если температура, измеряемая в градусах Цель­сия, равна 7(1 С, то по абсолютной термодинамической температурной шкале она равна

Г 70 273,15 -- 343,15 К.

Международная практическая температурная шкала (МПТШ—68), принятая в 1968 г. и введенная как обязатель­ная с 1 января 1971 г., является практическим осуществлени­ем абсолютной термодинамической температурной шкалы. Она выбрана так, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре и разность между ними оставалась в пределах современной точности из­мерений. МПТШ— 68 основывается па системе постоянных, точно воспроизводимых температурах равновесия (постоянных

! к), которым присвоены числовые значения.

Определяющие постоянные точки МПТШ—68 приведены в табл. 6.1

Классификация приборов для измерения температуры. В за­висимости от принципа действия приборы для измерения тем­пературы по ГОСТ 13417- 76 подразделяются на следующие группы:

Tuft ищи 6.1 Определяющие постоянные гонки МПТ ill 68

При военное шаченне мр жду народной практиче­ски оин г . i .                                         _____ской И'Уни'рачуры

г .... к           :. с

Равновесие между Твердой, жидкой и газообраi-ной фазами равновесного водорода (тронная точ-

-,< равновесного водорода) Равновесие межд> жидкой и газообразном фаза ми равновесного водорода при давлении 33330.6 Па (25/75 нормальной атмосферы) Равновесие между жидкой и газообразной фаза­ми равновесного водорода (топка кипения равно­весного водорода)

Равновеси «ежду жидкой и газообразной фаза­ми неона (точка кипения пеона! Равновесие межд) твердой, ЖИДКОЙ и  газообраз поп фазами кислорода (тройная точка кислор i Равновесие между жидкой и газообразной фазами ipo.i (• а кипения кислорода)

Р HOW  МСЖД\ П Р 011 / I'. :■■ I и   ЮОбра*

НОЙ фазами воды (тройная гочкн ВОДЫ) Равновесие           .i ikoiI и па юбразной > Ь а ,ч а -

411 воды (точка кипе пи воды]

Равновесие между твердой и жидкой фазами цин­ка (точка затвердевания цинка) Равпонееие между твердой и жидкой фазами се­ребра (точка затвердевания серебра) Равпонееие между твердой и жидкой фазами зо­лота (точка затвердевания юлога)

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

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

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

Пирометры излучения, из них наиболее распространены: к в а з и м о и о х р о м а т и ч с с к и й п и р о м е т р, действие ко­торого основано на использовании зависимости температуры 01 спектральной энергетической яркости, описываемой для аб­солютно черного тела с достаточным приближением уравнения­ми Планка и Вина;

пирометры спектрального о т и о ш е и и я, дейст­вие которых основано на зависимости or температуры тела от­ношений энергетических яркостей в двух или нескольких спектральных интервалах;

и и р о м с т р ы п о л н о г о п з л у ч е н и я, действие которых основано на использовании зависимости температуры от интег-ральной энергетической яркости излучения.

6.2. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ И МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Термометры расширения. Это такие приборы, в которых ис­пользуется наблюдаемое при изменении температуры измене­ние объема пли линейных размеров тел. В зависимости от ви­та термометрических веществ термометры расширения подраз­деляются на жидкостные и термометры, основанные на расши­рении твердых тел.

Измерение температуры жидкостными стеклянными термо­метрами основано па различии коэффициентов объемного рас­ширения жидкости и материала оболочки термометра Пока­яния жидкостного термометра принято характеризовать ко­эффициентом расширения жидкости в стекле, определяемым уравнением

где Р температурный коэффициент расширении жидкости в интервале температур температурным коэффициент расширения стекла в том же интервале температур.

Для изготовления термометров применяют стекла специаль­ных сортов (термометрические), обладающие малым значени­ем коэффициента В зависимости от интервала измеряемых температур в ка­честве рабочей жидкости в жидкостных термометрах применя­ют нентан (от —190 до 20°С), петролейный эфир (от —130 до 25 °С). этиловый спирт (от —100 до 75°С), толуол (от —90 до 100°С) и ртуть (от —30 до 700°С).

Наибольшее распространение получили ртутные стеклянные термометры. Коэффициент расширения ртути мало изменяет­ся при изменении температуры, поэтому шкала ртутного тер­мометра до 200°С практически линейна. Термометры с орга­ническими жидкостями из-за ряда недостатков применяют только для измерения низких температур. Из всех таких тер­мометров наибольшее распространение получили спиртовые.

Несмотря на большое разнообразие конструкций, все жид­костные стеклянные термометры относятся к одному из двух основных типов: палочные (рис. 6.1) и со вложенной шкалой (рис. 6.2).

Палочные термометры имеют толстостенный капилляр на­ружным диаметром 6—8 мм. нижний конец которого образует

Рис. 6.1. Палочный термометр расширения

Рис. 6.2. Термометр расшире­ния с пложенной шкалой резервуар для жидкости. Шкалу на­носят на внешнюю поверхность ка­пилляра. Термометры со вложенной шкалой имеют тонкостенный капил­ляр с расширенным резервуаром для ртути. Шкалу наносят на пластинку из молочного стекла, которая вместе С капилляром заключена в стеклян­ную оболочку, прикрепленную к ре-червуару термометра. пические. Образцовые термометры 1-го разряда изготовляют только палоч­ного типа, а образцовые 2-го разряда и лабораторные — палочного тина или со вложенной шкалой. Технические [ термометры изготовляют только со вложенной шкалой. Технические и ла­бораторные термометры могут .иметь шкалы с различными пределами.

Разновидностью ртутных являют­ся контактные термометры, использу­емые в основном для сигнализации о нарушении заданного температурного режима. На рис. 6.3. а показан одно­контактный термометр с контактами из платиновой проволоки, впаянными в нижнюю часть капилляра на уров­не отметки, соответствующей той тем­пературе, о которой нужно сигнализи­ровать или которую необходимо под­держивать постоянной. К контактам припаяны проводники из медной проволоки, которые через соответствующие реле вклю­чены в пень электрического нагревателя или сигнализации. В тот момент, когда оба контакта соединяются столбиком ртути, происходит замыкание электрической цепи реле, которое вы­ключает электрический нагреватель или включают сигнализа­цию.

Контактные термометры бывают с двумя и тремя кон­тактами, с переменным положением верхнего контакта и т. д.

N Если термометр, градуированный при полном погружении в среду по условиям эксплуатации не может быть полностью погружен в измеряемую среду, то резервуар его и жидкостный столбик будут находиться при разных температурах. Поправ­ку на выступающий столбик вычисляют по формуле

где п — число градусов на выступающем столбике; &/,./, — коэффициент рас­ширения жидкости в стекле (для ртути 0,00016. дли спирта 0.001): 1₂ — темпе-гура, показываемая термометром: t \— средняя температура выступающего столбика, измеряемая вспомогательным термометром, резервуар которого при­креплен к середине выступающего столбика основного термометра.

Если температура выступающего столбика ниже измеряе­мой, то поправка < Lt имеет положительный знак, а если вы­ше— отрицательный. Ошибки, вызванные выступающим стол­биком, могут достигать значительной величины, и пренебрегать

ими не следует.

Ртутные стеклянные термометры широко применяют в ла­бораторной и производственной практике.

Биметаллические термометры. Чувствительным элементом таких термометров является биметаллическая пластинка. Обычно внутренний слой этой пластинки изготовляют из ме­талла, имеющего большой коэффициент линейного расширения, а наружный из металла с малым коэффициентом (из инвара). При повышении температуры пластинка разгибается. Деформа­ция пластинки через тягу, зубчатый механизм и шестеренку передается стрелке. Верхний предел измерения этих термомет­ров ограничивается пределом упругости материалов. Основная область их применения — автоматическое регулирование тем­пературы и сигнализация предельных значений температур.

Биметаллические элементы применяют также для защиты электрических испей от перегрузок. В этом случае биметаллическая пластинка при повыше­нии тока нагрузки сверх допустимого значения деформируется и разрывает электрическую цепь пускателя, отключающего нагрузку.

Манометрические термометры. Действие манометрических термометров основано на изменении давления рабочего веще­ства, заключенного в емкость постоянного объема, при измене­нии его температуры (рис. 6.4).

Прибор состоит из термобаллона /, капиллярной трубки 2 и манометрической части 3—6.

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

Манометрическая пружина выполняется как в виде одио-нли многовнтковой пружины, так и в виде сильфона (как у следующих типа)

 

Рис. 6.4. .Манометрический термометр с трубчатой пружиной:

 

рассмотренных выше манометров). Дли­на и диаметр термобаллона могут быть различными. Термобаллоны обычно из­готовляют из стали или латуни, облада­ющей высокой теплопроводностью, а ка­пилляр — из медной или стальной труб­ки с внутренним диаметром от 0,15 до 0,5 мм. Длина капилляра может быть различной (от 0.25 см до 60 м). Для за­щиты от механических повреждений ка­пилляр часто помещают в защитную оболочку из оцинкованного стального провода.

Манометрические термометры широ­ко применяют в химических производст­вах. Этими приборами можно измерять температуру в интервале от —120 до 600 "С.

Различают манометрические термометры нов:

газовые, вся система которых заполнена газом под некото­рым начальным давлением. В качестве заполнителя термоси­стем в газовых манометрических термометрах применяют азот, аргон, гелий;

жидкостные, система которых заполнена жидкостью; в ка­честве заполнителя используют полиметилсилоксановые жидко­сти;

конденсационные, в которых термобаллон частично запол­нен низкокипящей жидкостью, а остальное его пространство заполнено парами этой жидкоеги. В конденсационных мано­метрических термометрах термосистемы заполняют ацетоном, метилом хлористым, фреоном.

Устройство манометрических термометров всех типов ана­логично. Они бывают показывающими, самопишущими и кон­тактными. Основная погрешность манометрических термомет­ров всех видов равна ±1,5% от максимального значения шка­лы при нормальных условиях. При отклонении условий от нор­мальных возникают дополнительные погрешности, которые рассчитывают пли компенсируют.

Работа газового манометрического термометра основана на законе Шарля, устанавливающего прямую зависимость между давлением и температурой идеального газа

 

Шкала термометра получается равномерной, что является его преимуществом. Отклонение температуры окружающей сре­ды от —|—20°С вызывает погрешность измерения, которую мож­но рассчитать по приближенной формуле

M_M =-( V »/ V ₆ ) (!„-'„),                              (6.4)

где Ум — объем манометрической пружины; Vn — объем тер.чобаллопз; /»,— температура среды, окружающей манометр, °С; 1„ — температура градуировки прибора (20 С). .

Погрешность от нагревания капиллярной трубки

Ы*=*(Уя1Уд(*ж—*ш),                               (6. S )

где V,, объем капиллярной трубки; I , — температура среды, окружающей капилляр, "С.

Из- формулы (6-5) видно, что погрешность возрастает про­порционально объему, а следовательно, и длине капилляра. Ее можно уменьшить, увеличив объем термобаллона при той же длине капилляра. Обычно объем термобаллона составляет 90% общего объема термометра. При правильно выбранном соот­ношении объема термобаллона, капилляра и трубчатой пру­жины термометры с достаточной точностью могут работать без температурной компенсации при длине капилляра до 40 м.

Во всех случаях при эксплуатации необходимо предохра­нять манометр и капилляр от действия теплового излучения окружающих нагретых предметов.

Иногда для компенсации погрешностей от колебания тем­пературы манометра применяют компенсационное устройство в виде биметаллической спирали, встроенной в передаточный \ме-ханизм манометра. Биметаллическая спираль при изменении температуры манометра действует в обратном направлении относительно основной пружины.

К специфическим недостаткам газовых манометрических термометров относится их значительная тепловая инерция, обу­словленная низким коэффициентом теплоотдачи от стенки тер­мобаллона к наполняющему его газу и малой теплопровод­ностью последнего.

Действие жидкостных манометрических термометров осно­вано на зависимости изменения давления от температуры

АР = (р/и) А/,                                   (6.6)

где ДР — изменение давления, МПа; ji — коэффициент объемного расширения жидкости, 1/~С; р.— коэффициент сжимаемости жидкости, см²/кс; Д/ — изме­нение температуры, °С.

Из уравнения 6.5 видно, что изменение объема жидкости является линейной функцией температуры. Это определяет равномерность шкалы жидкостных термометров. Следует от­метить, что погрешности от колебания температуры окружаю­щей среды для жидкостных термометров больше, чем для га­зовых. Эти погрешности вычисляют по тем же формулам, что н для газовых термометров. Особенно значительные погрешности

86

Рис. G.5. Схема температуркой компенсации ртутного манометрического тер­мометра:

гермобаллок: ? — основной капилляр; Я - дополнительный капилляр; •/ —основная пшральная грубчатая пружина: :> вспомогательная спиральная грубчатая пружина

Рис. 6.6. Термобаллон манометрического термометра п защитной гильзе: >' }ащнтная гильза; -' термобаллон; 3 наполнитель гильзы; ' футеровка; 5 ниж­няя разъемная шайба; 6 - уалотннтельвая набивка; 7— иерхняя разъемная шайба; 8 — и улка: 9 ■ капилляр

получаются при колебании температуры капилляра, поэтому при значительной его длине необходимо применять компенсацион­ное устройство.

На рис. 6.5 показана схема компенсационного устройства, имеющего рядом с основным капилляром дополнительный (компенсационный) капилляр, один конец (у термобаллона) запаяй, а другой соединен со вспомогательной (компенсацион­ной) пружиной. Оба капилляра и обе пружины заполнены од­ной и той же рабочей жидкостью и имеют одинаковые харак­теристики. С изменением температуры окружающей среды дав­ление жидкости в обоих капиллярах и в обеих пружинах из­меняется, поэтому вспомогательная пружина действует в нап­равлении, противоположном действию основной пружины и тем самым исключается влияние температуры окружающей среды па показания прибора.

Для жидкостных термометров следует также учитывать по­грешность, вызванную различным положением термобаллона относительно манометра по высоте; эту погрешность можно скомпенсировать, корректируя нуль после установки прибора.

В конденсационных манометрических термометрах термо

 

баллон обычно заполнен на 2/3 объема низкокипящей жид­костью. В замкнутой системе термометра всегда существует динамическое равновесие одновременно протекающих процес­сов испарения и конденсации При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а следовательно, усиливается также и процесс конден­сации. В результате этого насыщенный пар достигает некото­рого определенного давления, строго отвечающего температу­ре. Изменение давления насыщенного пара непропорционально изменению температуры, поэтому шкала конденсационного термометра получается неравномерной. Это — один из его не­достатков.

Манометрические термометры всех видов характеризуются значительным запаздыванием показаний, зависящим от физического состояния наполнителей к их теилофнзпческнх характеристик. Газовые термометры имеют наибольшее запаздывание, а паро-жндкостные наименьшее (примерно в 2.5 раза меньше, чем газозаполненные); жидкостные термометры занимают промежуточное по­ложение. При измерении температуры агрессивных сред или продуктов в ап­паратах, работающих при высоких давлениях, термобаллон манометрического термометра устанавливают в защитную гильзу (рис. 6.6).

Для работы со вторичными приборами изготовляют мано­метрические термометры с электрической и пневматической ди­станционными передачами показаний.

Приборостроительная промышленность выпускает термометры манометри­ческие различных видов. Например, термометры манометрические газовые са­мопишущие одно- и днухзаннсные С дисковой диаграммой; имеют обозначение ТГС-71 I, ТГС-712, а термометр манометрический показывающий местный кон­денсационный — ТКП-160.

6.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Измерение температуры по электрическому сопротивлению тел основано на зависимости его от температуры.

Электрические термометры сопротивления позволяют изме­рять температуру с высокой степенью точности — до 0,02°С, а при измерениях небольшой разности температуры — до 0,0005 °С.

Термометры сопротивления по сравнению с манометрическими термометра­ми обладают следующими преимуществами: более высокой точностью изме­рения, возможностью передачи показаний па большие расстояния; возможно­стью централизации контроля температуры, достигаемой присоединением (че­рез переключатель) нескольких термометров к одному измерительному прибо­ру, и меньшим запаздыванием показаний.

Промышленные термометры сопротивления ГСП конструк­тивно состоят из термоэлемента (чувствительного элемента) н наружной (защитной) арматуры. В качестве материала для чувствительных элементов промышленных термопреобразовате­лей сопротивления используют металлы с хорошей электро­проводностью, такие как платина, медь. Чувствительны.

 

 

Рис. 6.7. Конструкция платинового чувствительного элемента;

/ --платиновая спираль; .' выводы; з - гермоцемеит: ■/ — керамический каркас: S — пйй-ка спиралей

мент металлического термопреобразователя сопротивления представляет собой тонкую платиновую или медную проволоку, намотанную на каркас или свернутую в спираль, помещенную в каналы защитного каркаса (рис. 6.7).

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) предназна­чены для измерения температур от —260 до 750°С. Для изме­рения низких температур (до —260°С) применяют ГСП. за­щитная гильза которых заполнена гелием.

Медные термометры изготовляют только технические (тип ТСМ) по ГОСТ 6651—78. Конструктивная форма их показана на рис. 6.8.

Медную изолированную проволоку / диаметром 0,08 мм на­матывают обычно без каркаса бпфилнрно и покрываю! фторо­пластовой пленкой 2. Концы проволоки припаивают к выво­дам 3, которые присоединяют к зажимам головки термометра. Медные термометры выпускают для измерения температуры от —50 до 180 °С.

Типы, основные параметры и размеры термометров сопро­тивления, выпускаемых промышленностью, регламентированы ГОСТ 6651—78. Условные обозначения градуировки термомсь ров сопротивления ТСП установлены следующие: гр. 20, гр. 21. гр. 22, гр. 23 и гр. 24.

Для термометров с градуировкой 20, 21 и 22 начальное со­противление ( Ra ) составляет соответственно 10; 46 и 100 Ом Термометры сопротивления медные ТСМ выпускаются с сопро­тивлением /?о=53 Ом (гр. 23) и /?о=Ю0 Ом (гр. 24).

Полные градуировочные таблицы с интервалами темпера­тур в 1 °С приведены в приложении к ГОСТ 6651—78.

Терморезисторы. Для изготовления термопреобразователей сопротивления применяют также полупроводники, оксиды тита­на, магния, железа, никеля, меди или кристаллы некоторых

Рис. 6.8. Конструкция медного термометра сопротивления

 

 

Рис. 6.9. Бусинковое полупроводниковое термосопротивле-ние

металлов (например, германия). Существенным преимуществом полупроводниковых термомет­ров (терморезиеторов) является их большой температурный коэффициент электрическою сопротивления. Поэтому из полупроводников можно делать термометры с большим началь­ным сопротивлением, что позволяет снизить до незначительных величин погрешности, вызывае­мые изменением температуры соединительных

проводов.

Для измерения температуры наиболее часто применяют терморезнсторы типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6, КМТ-4. сопротивление которых в рабочих интервалах температур изменяется по экспоненциальному закону. Основными недостатками, препятствующими широкому внедрению терморезиеторов в практику систем автоматическо­го контроля, являются низкая воспроизводимость параметров, что исключает их взаимозаменяемость, а также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от —60 до

180°С).

На рис. 6.9 показан стержневой терморезистор, представля­ющий собой цилиндр / с контактными колпачками 2, к кото­рым припаяны выводы 3. Цилиндр покрыт эмалевой краской и обмотан металлической фольгой 4. Снаружи терморезнстор за­щищен металлическим чехлом 5, в верхней части которого име­ется стеклянный изолятор 6'.

Измерительные приборы термометров сопротивления. Соп­ротивление термометров можно измерить но обычным в элект­ротехнике мостовым схемам: уравновешенным н неуравнове­шенным.

Простейшая схема уравновешенного моста показана на рис. 6.10,а. Термометр сопротивления R , и расположенные по­следовательно с ним два сопротивления R ., соединительных ли­ний включаются в плечо СВ мостовой схемы. В диагональ DB моста подается напряжение от батареи Б. Изменяя величин;, сопротивления R , добиваются равенства напряжения в точках А и С что констатируется отсутствием тока в диагонали АС гальванометром С, Такое положение соответствует равному отношению падения напряжения в плечах обеих ветвей моста.

Сопротивление линии 2R.^ подгоночной катушкой устанав­ливается постоянным. Сопротивления R ₂ и Ri постоянны и вы­полнены (так же как и сопротивление R ,.) из манганина. Мо­стовая схема, изображенная на рис. 6.10. и, отличается высо­кой точностью измерении и практически не зависит от напряжения батареи В. При нулевом отсчете по гальванометру от­падают погрешности, обусловленные температурой окружаю­щей среды и посторонними магнитными воздействиями. Неко­торую неопределенность в эту схему может внести переходное сопротивление передвижного контакта а также возможное изменение сопротивления соединительных проводов по­скольку изменяется их температура. Эти неопределенности практически можно исключить, если собрать мостовую схему, показанную на рис. 6.10,6. В этом случае передвижной кон­такт не относится к сопротивлению плеча Л В, а включен в диа­гональ СА, сопротивление которой в момент отсчета (при ну­левом токе) практически не имеет значения. Для устранения влияния возможного изменения сопротивления R_n соединитель­ных линий на показания моста (точка В) перенесено к термо­метру.

В трехпроводной схеме влияние величины Л/?., на показа­ния будет существенно меньше (на порядок и больше), чем и двухпроводной схеме, даже для самой неблагоприятной точки шкалы. В трехпроводных схемах сопротивление каждой линии доводится до установленного значения R „ при помощи отдель­ных подгоночных сопротивлений в каждой линии.

На рис. 6.10, в показана схема неуравновешенного моста для измерения сопротивления R ,, включенного по трехпровод­ной схеме. В диагональ моста СА включается вместо гальва­нометра миллиамперметр тА. Напряжение питания моста в

 

диагонали BD должно поддерживаться постоянным. Контроль напряжения в диагонали ВО осуществляется включением конт­рольного сопротивления R_K при переключателе в положении 2.

Для установленного значения напряжения при постоянных сопротивлениях плеч R_u R ₂ , R -, и /?_R сила тока в диагонали СА будет иметь определенное значение, что контролируется миллиамперметром. Отклонение от установленной величины то­ка корректируется сопротивлением /?_рег. После того, как уста­новится напряжение в точках В и D , переключатель ставят в положение / и измеряют сопротивление Rt no силе тока /о в диагонали СА.

Недостаток схемы — необходимость поддержания постоян­ного напряжения в вершинах СА — можно легко устранить, применив источники стабилизированного питания типа ИПС по ГОСТ 1198—70.

В последние годы неуравновешенные мосты для измерения температур применяют редко, лишь в приборах для измерения величин, преобразуемых в активное сопротивление.

Логометры. Эти приборы предназначены в основном для из­мерения температуры при помощи термометров сопротивления. Логометры построены на принципе сравнения сил токов в це­пях термометра и постоянного сопротивления.

Логометр представляет собой двух рамочный магнитоэлект­рический миллиамперметр. Подвижная часть его (рис. 6.II,и) состоит из двух рамок /?, жестко соединенных одна с дру­гой и со стрелкой, конец которой перемешается вдоль шкалы. Рамки охватывают неподвижный сердечник С и могут перемещаться в зазоре переменной ширины между полюсами 5 и А' постоянного магнита и сердечника. Вся подвижная система укреплена по центру сердечника, обычно на керповых опорах. Для подвода тока к рамкам применяют либо безмоментные вводы, практически не создающие противодействующего мо­мента, либо спиральные пружины, протнводейст

 

вующий момент которых много меньше магнито-электрического момента рамок.

Обе рамки питаются от общего источника постоянного тока В (рис. 6.11,6) с напряжением £г>. Последовательно с рам­кой включено постоянное сопротивление R_K , а поеледона с рамкой R -2 — термометр R_t . Магнитные моменты, воз­никающие в рамках, соответственно равны

— постоянные коэффициенты, определяемые геометрическими раз херами рамок и числом витков проводов в них; В, и У? -магнитные им в местах расположения рамок.

В различных точках зазора переменной ширины магнит индукция будет различной. Отношение индукции В В₂ для жестко скрепленных рамок зависит от их угла поворота положении равновесия магнитные моменты рамок будут равны откуда угол поворота рамок

Учитывая, что R , и /?2 н R_K практически постоянны,

Напряжение батареи Б теоретически совсем не влияет на поворота рамок. Практически изменение напряжения становится заметным лишь при отклонениях, больших ±20% 01 поминального (расчетного) значения.

Для повышения чувствительности в реальные схемы в i рамки логометра R_p ' и R_P " в диагональ неуравновешен­ного моста с постоянными сопротивлениями R \, /?: и R (рис. 6.11,6). Манганиновое R_A н медное R $ сопротивления служат уменьшения общего температурного коэффициент логометра (при изменении температуры окружающей среды). Термометр R_t с сопротивлениями линий /?_л может быть включ и трехпроходной схеме. В цепь термометра сопротивления инлигея нормально закороченное сопротивление R „ (иногда ). При контроле работы логометра снимают за­корачивающий шунт сопротивления R_H и закорачивают термо­метр Ri , соединяя точки / и 2 схемы. Стрелка логометра долж­на мри этом устанавливаться на определенном значении шкала прибора (красной черте).

Класс точности переносных логометров (по ГОСТ 9736— (>К) составляет 0,2; 0,5 и 1,0. а стационарных шитовы.

 

Рис. 6.12. Автоматический уравновешенный электронный мост типа КСМ-4 (СД — синхронный двигатель)

1,5; 2,0 и 2,5. Логометры могут быть показывающими самопи­шущими до 12 точек измерения, а также иметь дополнительные устройства для регулирования и сигнализации.

Автоматические мосты. В автоматических уравновешенных мостах (рис. 6.12) движок реохорда перемещается автоматиче­ски. Измерительная схема мостов питается как постоянным, так и переменным током. В автоматических мостах переменно­го тока решающее влияние па измерение имеют активные соп­ротивления, поэтому приведенные выше соотношения для мо­стов постоянного тока сохраняются и для автоматических мо­стов переменного тока. Последние имеют ряд преимуществ перед мостами постоянного тока: измерительная схема питает­ся от одной из обмоток силового трансформатора электронного усилителя, т. е. не требуется дополнительного источника пи­тания и отпадает необходимость в применении вибрационного преобразователя.

Существует много различных модификаций автоматических уравновешенных мостов, однако принцип их работы одинаков. В качестве примера здесь рассматривается принципиальная

Электронного автоматического уравновешенного моста типа КСМ-4. Питание моста подается в диагональ 3D от ot­ic .иной обмотки трансформатора в усилителе ЭУ. Для полу­чения расчетного напряжения на вершинах В и D в диагональ Включается балластное сопротивление Термометр R , вклю­чен но трехпроводиой схеме в плечо моста АВ. Реохорд R_p вместе с шунтирующим сопротивлением как обычно, име­ет приведенное сопротивление, равное 90 Ом.

Сопротивления определяют пределы измерения по шкале. Значения сопротивлений моста определяются соответствующим расчетом. Измерительная схема питается переменным током. Это исключает необходи­мость применения вибрационного преобразователя Поскольку мост является уравновешенным, нет необходимости строго вы­держивать постоянство напряжения на вершинах В и D . По-•тому никаких стабилизаторов напряжения не предусмотрено. Уравновешенные мосты выпускают нескольких модификаций Они могут быть одноточечными п многоточечными на 6, 12 и I точки; класс точности уравновешенных мостов 0,5. Для дистанционного измерения температуры применяют преобразователи различных типов. Они рассмотрены выше.

 

6.4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

измерение температуры термоэлектрическими преобразовате­лями основано на термоэлектрическом эффекте цепи, состоящей из двух пли нескольких разно­родных проводников, возникает электрический ток. если хоти бы два места соединения (спая) проводников имеют разную температуру.

Цепь, состоящая из двух разнородных проводников (рис 6.13) называется термоэлектрическим преобравателем (ТЭП ) Спай, имеющий температуру называется горячим или рабо­чим, а второй, имеющий постоянную температуру (о—холод­ным или свободным. Проводники А и В называются термомчиродами. Термоэлектрический эффект объясняется м в металле свободных электронов, число которых в единице  различно для разных металлов. В спае с температурой электроны из металла А диффундируют в металл В в боль­шем количестве, чем обратно. Поэтому металл А заряжается Положительно, а металл В отрицательно.

Если для данной термопары найдена зависимость определяемая градуировкой, то измерение температуры сводится к определению т. э. д. с. термопары.

Для включения измерительного прибора и цепь ТЭП не­обходимо разорвать электрическую цепь. Сделать это можно В спае с температурой /₀ (рис. 6.14,а) или в одним из термородов (рис. 6 14.).

 

Рис. 6.13. Термоэлектрическая цепь из двух проводников

Рис. 6.14. Цепь с третьим проводником С. включенным в спай термоэлектрч преобразователя » включенным в термоэлектрод термопары (б)

Несмотря на внешнее различие схем, показанных на рис. 6.14, т.э.д.с, развиваемые термоэлектрическими преобразова­телями ТЭП одинаковы, если температуры /, (₀ и температуры концов проводника С также одинаковы. Из этого следует, что т. э. д. с. ТЭП не изменяется от введения в его цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры. На этом основании в цепь ТЭП включают соеди­нительные провода, измерительные приборы и подгоночные сопротивления.

При неравенстве температур концов третьего проводника т. э. д. с. ТЭП уменьшится на величину э. д. с. паразитной пары АС (рис. 6.14, а) при температурах концов проводника t \ :i и t \ и /о п to '. Из этого следует, что в цепи ТЭП желательно применять проводники, термоэлектрические свойства которых незначительно отличаются от таковых свойств термоэлектродоз термоэлектрических преобразователей.

Как уже говорилось, т. 9. д. с. ТЭП является функцией из­меряемой температуры лишь при условии постоянства темпе­ратуры холодного спая 

ТЭП градуируют при определенной постоянной температуре холодного спая (обычно при /о = 0°С, реже при /₀ = 20°С). При измерениях температура холодного спая может быть иной не равной температуре градуировки. Несовпадение температур необходимость внесения поправки. Величину поправки можно получить для данного ТЭП из градунровочной таблицы или при небольших значениях разности /о'—

характеристической кривой. При этом можно принять прямо­линейную зависимость E = f ( t ).

В дальнейшем величину т. э. д. с. ТЭП будем обозначать Е_л. По ГОСТ 3044—77 принято шесть видов технических термо­электрических преобразователей с металлическими термоэлект­родами. Платинородий (90% платины+10% родня)—плати­новые ТЭП (тип ТПП имеет градуировку ПП₆8). В зависимости от назначения эти ТЭП разделяют на эталонные, образцовые п рабочие.

Платинородий — платиновые преобразователи надежно ра­ботают в нейтральной и окислительных средах, но быстро вы ходят из строя в восстановительной среде. К недостаткам пре­образователей этого типа следует отнести малую т. э. д. с. по сравнению с т. э. д. с. других ТЭП. Диаметр термоэлектродной проволоки, применяемой для ТЭП типа ТПП, составляет 0,3 или 0,5 мм.

Платинородий (30% родия)—платинородиевый (6% ро­дия) ТЭП (тип ТПР) имеет градуировку ПР 30/бвв. Особен­ностью преобразователя данного типа является то, что он раз­вивает очень малую т.э.д.с. (0,04 мВ при 120°С и 0,002 мВ при 20°С), что не требует поправки на температуру холодных спаев.

Хромель — алюмелевый преобразователь (94% Ni+2% AI + +2,5% Мп+1% Si+0,5% примеси) ТЭП (тип ТХА) имеет гра­дуировку XAes. Эти ТЭП применяют для измерения температур in 1300°С. Кривая зависимости т. э. д. с. для данного преобра­зователя близка к прямой. ТЭП типа ТХА хорошо работает в окислительных средах и сравнительно быстро разрушается в восстановительной среде.

Хромель — копелевый преобразователь (56% Cu+44% Ni) ТЭП (тип ТХК) имеет градуировку ХК₆₈. Эти ТЭП развивают наибольшую т. э. д. с. из всех стандартизованных ТЭП, что по­зволяет изготовлять измерительные комплекты с узкой темпе­ратурной шкалой, например 0—300°С.

Стандартные ТЭП типа ТХК и ТХА изготавливают из тер­моэлектродной проволоки диаметром от 0,7 до 3,2 мм.

Вольфрамрениевый преобразователь (20% рения, тип ВР-5/20) применяют для измерения температуры до 2300°С н нейтральной и восстановительной средах, а также для изме­рения температуры расплавленных металлов.

Иногда применяют и нестандартизованные преобразователи. Из них широко используют медь — копелевые, железо — констаитановые и мен констаитановые ТЭП. Нестандартизованные ТЭП после изготовления подвергают обязательной индивидуальной градуировке.

Конструктивное оформление термоэлектрических преобразо-11.1 гелей разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. На рис. 6.15 показан ТЭП типичной конструк­ции. Как правило, рабочий спай промышленных ТЭП изготов

 

Рис. 6.15. Термопара в защитной арматуре! передвижным фланцем:

представляют сваркой в пламени вольтовой дуги. ТЭП из неблагород­ных металлов сваривают под слоем флюса, а ТЭП из плати новой группы — без флюса.   Пайку применяют только при из­готовлении нестандяртизованных ТЭГ1 из очень тонкой термо­электродной проволоки.

Из специальных следует назвать многозонный ТЭП (рис б.16), применяемый для позонного измерения температуры в вертикальных аппаратах (в колоннах синтеза аммиака, мета пола и др.). Чехол такого ТЭП представляет собой труб  которую помешен пучок изолированных один 01 другого ТЭП 1личной длины. Провода, соединяющие ТЭП с измерительным прибором, изготавливают из материалов, которые в паре между собой развивают тс же э.д. с. (при тех же температу­рах), что и ТЭП, к которому они подсоединены. Такое требо­вание ограничивается температурой примерно 100"С. выше ко­брой характеристики ТЭП и соединительных проводов могу! различаться. Это допустимо, так как температура соединитель­ных проводов обычно не бывает высокой. При соблюдении указанного требования провода удлиняют ТЭП па длину со­единительных проводов, а свободные концы ТЭП оказываются па клеммах прибора, предназначенного для измерения т.э.д.с.

Несоблюдение указанного выше требования привело бы к возникновению «паразитных» э.д. с. в результате образования спаев в местах соединения свободных концов ТЭП с соедини  проводами. Например, для ТЭП типа ТХК применяют хромелькопелевые провода, а для ТЭП типа ТХА — один провод медный, а второй константановый (60% Си и 40% Ni). Измерительные преобразователи для ТЭП рассмотрены выше.

Приборы для измерения термоэлектродвижущих сил. Для измерения т. э. д. с. в комплектах термоэлектрических термомет­ров применяют магнитоэлектрические милливольтметры и по генциометры.

Милливольтметры делятся иа переносные и стационарные, потенциометры — на лабораторные, переносные и автоматические. Милливольтметры — магнитоэлектрические приборы, работа их основана на взаимодействии проводника, но которо­му течет ток, и магнитного поля постоянного магнита. Магнит имя система милливольтметра (рис. 6.17) состоит из магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника. В коль цепом воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка из медного или реже алюминие­вого изолированного провода. Чаше всего рамки крепятся на кернах, которые опираются на подпятники из агата пли руби-п.1. Момент, противодействующий вращению рамки, создается

 

спиральными пружинками, которые одновременно служат и для подвода тока к рамке.

В регистрирующих приборах рамка подвешена па тонких металлических лентах (рис. 6.18). Грузиками подвижная сис­тема уравновешивается так. что центр ее тяжести находится на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в разные стороны и стре­мящихся повернуть рамку.

Сила тока, протекающего по рамке, определяется т. э. д. с. термоэлектрического преобразователя £_т и сопротивлением электрической цепи R , т. е.

Сопротивление цепи складывается из сопротивления ТЭП Rv , сопротивления соединительных проводов /?_с.„ и сопротивле­ния рамки /?_Р, т. е.

Следовательно, для угла поворота рамки получим

Из уравнения (6.14) следует, что для получения однознач­ной зависимости угла поворота рамки со стрелкой от т, э. д. с. ТЭП £т необходимо, чтобы сопротивление цени оставалось всегда постоянным. Но если при стационарных условиях ра­боты милливольтметра сопротивление рамки /?_Р можно считать

 

Рис. 6.17. Магнитная и пидкнжная системы милливольтметра

 

Рис 6.18. Схема крепления рамки на ленточных подвесках

 

 

Практически постоянным, то сопротивление ТЭП R \ колеб­лется при изменении измеряе­мой температуры. Сопротивле­ние соединительных проводов при изменении темпера­туры окружающей среды так­же приводит к появлению погрешности измерения.

Схема включения соединительных проводов показана и I рис. 6.19. Точность измерения температуры милливольтметром / тем выше, чем большая часть сопротивления приходится на рамку и чем меньшие сопротивления имеют соединительные провода 3 и термоэлектродные провода 2 ТЭП. Для снижения указанной погрешности увеличивают сопротивление цепи по­следовательным подключением к рамке дополнительного соп­ротивления /(,; в виде катушки из манганиновой проволоки (практически с неизменяющимся сопротивлением при измене или температуры). Практически сопротивление в миллн вольтметрах колеблется от 100 до 500 Ом. Для получения правильных показаний действительное значение

должно соответствовать расчетному. В приборах отечественно­го производства расчетная величина /?„„ равна одному из елетощих значений: 0,6; 1.6; 5; 15 и 25 Ом. Под это расчетное сопротивление, указанное на шкале милливольтметра, подгоняется при монтаже фактическое сопротивление ТЭП { R \) и сопротивление соединительных проводов.

Чтобы исключить погрешности, связанные с изменением сопротивления соединительных проводов и ТЭП при эксплуата­ции, температура соединительных линий должна быть близкой к 20''С, а глубина погружения ТЭП должна соответствовать радуировочной. Если шкала милливольтметра выражена толь­ко в милливольтах, то к нему можно подключить термопару любой градуировки. Определив по шкале милливольтметра напряжение и зная величины R_B И /?„„, можно найти величин) Э. д. с. из уравнения

где Ум напряжение, намеряемое милливольтметром

Зная по градунровочным таблицам для применяемого

ТЭП определяют температуру. Если температура свободных концов ТЭП в процессе измерения изменяется в широких пре­делах, применяют метод компенсации температуры холостых

 

 

Рис. 6.20. Электрическая схема автоматической компенсации температуры хо­лодных спаев:

 — компенсационный мост: :> —ТЭП; 3— милливольтметр; 4- источник питании

Рис. 6.21. Принципиальная схема потенциометра с постоянной силон тока в компенсационной цепи

спаев, используя для этого мостовую схему типа КТ-54 (рис. 6.20).

ТЭП включается последовательно с неуравновешенным мо­стом, три плеча которого R_u R -₂ и R _{: i} выполнены из манганина, а четвертое R *—медное. Схема питается от стабилизирован­ного источника питания. Добавочное сопротивление R_a служит для подгонки напряжения, подаваемого на мост, до нужного значения. Ирм постоянном напряжении источника питания (4 В), изменяя сопротивление R_a , можно настраивать мост для работы с ТЭП различных градуировок. От ТЭП до компенса­ционного моста прокладываются термоэлектродные провода, от моста до измерительного прибора — медные.

При градировочной температуре холодных спаев ТЭП мост находится в равновесии, и разность потенциалов на вершинах моста cd равна нулю. С изменением температуры холодных-спаев одновременно изменяется сопротивление /?₄. что наруша­ет равновесие моста и на вершинах моста cd возникает раз­ность потенциалов. Вследствие изменения температуры холод­ных спаев ТЭП одновременно изменяется его т. э. д. с. на вели­чину указанной разности потенциалов. Так как изменение т. э. д. с. равно разности потенциалов и имеет противоположное направление, происходит автоматическая компенсация. Следо­вательно, компенсация может быть достигнута при условии равенства температур сопротивления R ₄ и холодных спаев ТЭП. что достигается размещением моста рядом с холодными спая­ми ТЭП.

Милливольтметры выпускаются нескольких модификаций: показывающие переносные приборы МПП и показывающие для щитового монтажа с профильной шкалой М-64. Класс точности

102

приборов 1,0 и 1,5. При измерении температуры в нескольких местах одного и того же объекта применяют милливольтметры ( многоточечными переключателями.

В качестве примера такого прибора может служить милливольтметр типа 111 69004, причем встроенный в общий корпус милливольтметра многоточечный Переключатель типа П 691 позволяет измерять температуру в двенадцати том ках, т. е. одним прибором с 12 термоэлектрическими преобразователями.

Потенциометры. Принцип действия потенциометров основан На уравновешивании (компенсации) измеряемой т.э.д.с. с из­вестной разностью потенциалов. Эта разность потенциалов со­здается в потенциометре посторонним источником энергии Принципиальная схема потенциометра показана на рис. 6.21.

В этой схеме имеются три электрические цепи. В цепь ис­точника тока (компенсационную) входит источник тока Б. сопротивление R_B (реостат), постоянное сопро­тивление Rh , и сопротивление реохорда R_p с перемещающимся вдоль него контактом D . В цепь нормального элемента входи! нормальный элемент НЭ, сопротивление R_Hi п нулевой прибор II П. В цепь ТЭП входят ТЭП, нулевой прибор НП и часть из­мерительного сопротивления R_p . Нормальный элемент, предна­значенный для контроля постоянства разности потенциалов Между конечными точками реохорда, развивает постоянную во времени э. д. с.

Обычно применяют ртутно-кадмиевый гальванический эле­мент Вестоиа, развивающий при 20°С э. д. с. 1.01830 В. Поль зуясь нормальным элементом, можно довольно точно уста но нить постоянство разности потенциалов на концах реохорда Для этой цели переключатель П переводят на контакт К. Включая НП в цепь НЭ и одновременно разрывая цепь ТЭП.

Нормальный элемент присоединяется к концам сопротивления R_Ki так, что его э. д. с. оказывается направленной навстречу > д. с. источника тока Б. Регулируя силу тока в компенсацион­ной цепи реостатом добиваются такого положения, при котором разность потенциалов на концах сопротивления равна с. НЭ. При этом сила тока в цепи нормального элемент;: равна нулю и стрелка НП устанавливается на нуле шкалы И лом случае сила тока в компенсационной цепи

Для измерения т. э. д. с. ТЭП переключатель II переводя; На контакт И, подключая тем самым ТЭП последовательно с //// к измерительному сопротивлению в точке в н скользящему контакту. Термо э. д.с. ТЭП тогда будет действовать в сторону, Противоположную э. д. с. источника тока Б.

Перемещая контакт I ). находят такое его положение, при котором разность потенциалов чсжд\ точками в и I ) измерительного сопротивления равна т.Э.Д.С термопары, при этом Сила тока в цепи ТЭП равна нулю, тогда

 

Рис. 6.22. Принципиальная схема электронного автоматического по­тенциометра

Так как Е»₃ и #„_э посто­янны, определение т. э. д. с. ТЭП сводится к определе­нию участка измерительно­го сопротивления Reo - Из­мерение т. э.д. с. компенса­ционным методом осущест­вляется в отсутствие тока в цепи термоэлектроиреобразователя, поэтому сопро­тивление цепи ТЭП, соединительных проводов, НП, а следова­тельно, и его зависимость от температуры не оказывает влия­ния на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода измере­ния. Промышленность выпускает большое количество перенос­ных технических и лабораторных потенциометров различных типов. В зависимости от назначения и точности показаний они подразделяются на три класса: 1-й, 2-й и 3-й. Потенциометры 1-го и 2-го классов снабжены свидетельством с указанием их погрешностей и используются в качестве образцовых. Потен­циометры 3-го класса используются как рабочие.

В автоматических потенциометрах в отличие от рассмот­ренных выше взамен стрелочного нулевого прибора установле­ны электронные нуль-инднкаторы. Автоматические электронные потенциометры работают в комплекте с одним из стандартных ТЭП. Измерительные схемы всех автоматических потенциомет­ров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру свободных концов ТЭП. Поэтому их выполняют в виде неуравновешенного моста.

Все сопротивления измерительной схемы (рис. 6.22), кроме R_K , выполнены из манганина, сопротивление R_K — из меди или никеля. Цепь источника тока состоит из двух ветвей: рабочей, в которую включен реохорд R_p , и вспомогательной, состоящей из двух сопротивлений R_{H 3} и R *. Наличие вспомогательной вет­ви позволяет автоматически ввести поправку на температуру холодных спаев термопары. Сопротивление R_K и холодные спаи термопары должны находиться при одинаковой температуре. В приборе сопротивление R_K расположено недалеко от места подключения термопар.

Измеряемая т. э.д. с. ТЭП компенсируется падением напря­жения на сопротивлении R_p , зависящего от положения движка реохорда, и сопротивлениях R_H и R_K

Повышение температуры холодных спаев вызывает умень­шение т. э.д. с. ТЭП на величину При этом падение напряжения на сопротивлении R_K одновременно возрастает, тогда

Чтобы движок реохорда сохрани свое положение и потен­циометр показывал измеряемую температуру, необходимо обес­печить равенство

Если т.эд. с. ТЭП Е_т не равна падению напряжения Ubd , ТО напряжение небаланса подается на вход преобразовательного каскада.

В преобразовательном каскаде постоянное напряжение не­баланса преобразуется в переменное, которое затем усилива­ется до значения, достаточного для вращения реверсивного PR , который передвигает движок реохорда и восста­навливает равновесие измерительной схемы. Одновременно РД перемещает показывающую стрелку и записывающее перо. При равновесии измерительной схемы, когда, ревер­сивный двигатель не вращается, так как на вход преобразова-гельного каскада напряжение не подается.

Чтобы установить силу рабочего тока Л, переключатель Я, нормально находящийся в положении И (измерение), нажати­ем кнопки механизма установки рабочего тока переводится и положение К (контроль). При этом одновременно устанавли­вается кинематическая связь реверсивного двигателя с движком реостата /?,-i и подключается электронный усилитель к це­ни нормального элемента.

Если падение напряжения J \ R , i ₃ не равно э.д.с. нормально­го элемента, то электронный усилитель, как при измерении i ».д.с. ТЭП, получает сигнал, равный разности между э.д.с. Нормального элемента и падением напряжения на сопротивле­ние Реверсивный двигатель, вращаясь по часовой стрелке пли против нее, в зависимости от знака небаланса, передвига­ет движки реостата R_B , изменяя величину питающего напряже­ния. В момент равновесия, когда на электронный усилитель сигнал не подается, и реверсивный двигатель оста­навливается. В этот момент устанавливается вполне опреде­ленное значение силы рабочего тока /,.

В электронных потенциометрах для усиления напряжения небаланса применяют электронные усилители переменного тока.

Приборостроительные заводы нашей страны выпускают мно­го разновидностей электронных автоматических потенциомет­ров. Все они соответствуют требованиям общесоюзного ГОСТ 7164—78 «Приборы автоматические следящего ) ранновещнвання ГСП»; принципиальные схемы, точность из­мерения и другие технические показатели этих приборов мало нем различаются.

Унифицированная система автоматических потенциометров, автоматических измерительных уравновешенных мостов и мил­лиамперметров получила общее условное обозначение КС (Комплекс самописцев).

Промышленность выпускает потенциометры нескольких ти­ной. К ним относятся потенциометр типа КПП 1 — электронный автоматический показывающий; КСП 1, КСП 2 — электронный автоматический показывающий и самопишущий с записью на .ленточной диаграмме; КСПЗ-П — электронный автоматический показывающий и самопишущий одноточечный с записью на ди­сковой диаграмме; КСПЗ-ПИ — автоматический показываю­щий, самопишущий и регулирующий с пскробезопасной измери­тельной схемой; КСП 4 — автоматический показывающий, са­мопишущий и регулирующий на складывающейся диаграмме; КСПП 4 — двухкапальный автоматический самопишущий.

В XII пятилетке взамен приборов серии КС будут выпус­каться аналоговые приборы серии А, которые выполняются на микроэлектронной базе. Приборами А550-001—А550-001-05 за­меняются однокапальные потенциометры КСУ 4 без регулирую­щих устройств; А682-002 — 682-002-03 заменяются многоканаль­ные приборы КСП 4, КСЛ\ 4 без регулирующих устройств; Л683-001-4— Л683-001-07 заменяются многоканальные приборы КСП 4. КСМ 4 с двухпозиционнымн регулирующими устрой­ствами; приборы А550. А650, А660, А682, А683 имеют равно­мерные шкалы.

В приборах серии А применяется лента диаграммная тина ЛПГ-250 с намоткой координатной сетки наружу.

Взамен приборов КСПЗ-П, КСМЗ-П будут выпускаться электронные приборы «Дпск-250». В этих приборах используют­ся резпеторные микросборки. Применение в приборах «Диск-250» схемы с предварительным усилением позволяет ре­ализовать функции сигнализации, регулирования и преобразо­вания входного сигнала в выходной электрическими методами с применением элементов микроэлектроники.

Потенциометры выпускаются как одноточечными, так и мно­готочечными. Последние снабжены переключателями ТЭП. Ос­новная погрешность показаний потенциометров лежит в преде­лах от ±0.25 до ±0,5% от диапазона измерений, записи ±1,0% от диапазона измерений. Вариация показаний не превышает 0,5 абсолютного значения основной погрешности.

 

 

6.5. ОБЩИЕ УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР КОНТАКТНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

При использовании контактных методов измерения температу­ры необходимо создать такие условия, при которых термопреобразователь принимает температуру, наиболее близкую к тем­пературе измеряемой среды, и возможно меньше искажает тем­пературное поле измеряемой среды.

Основные специфические погрешности контактных методов измерения стационарных температур, помимо чисто инстру­ментальных, обусловлены; а) лучистым теплообменом между прмоприемнпком и окружающими его течами; б) отводом Ten­ia теплопроводностью по арматуре и деталям термопреобразо­вателя и в) дополнительным нагревом газа вследствие трения элементов в области расположения термопреобразонателяу

Пели объем тела достаточно большой и возможно погруже­ние термопреобразователя на достаточную глубину, то вполне обеспечивается тепловое равновесие между измеряемым телом  термопреобразоватслем. Большие трудности возникают при измерении температуры твердых тел с небольшим объемом, особенно если в них имеются значительные температурные пе­репады. Применяемые в этом случае термопреобразователь должны иметь малые размеры. При этом между термопреобраователем и измеряемым твердым телом должен быть обеспечен хороший тепловой контакт.

Наиболее сложно измерять температуру движущихся поверх­ностей (вальцов, каландров и т. п.). В этом случае при измере­ниях контактным способом возникает ряд дополнительных по­грешностей, связанных с трением термоприемника о поверх­ность, температуру которой измеряют. Погрешности эти 1авися1 от правильности контакта Термоприемника, чистоты контролируемой поверхности и др.

Для контроля температуры поверхностей вращающихся вал­ковых машин применяют как переносные, так и стационарные ТЭП различных конструкций. Измерение температуры почти всегда сопровождается теплообменом между термопреобразова­телем п окружающими его телами. Часто затруднительно обес­печить равенство температур преобразователя и измеряемой среды. Разность между указанными температурами составляет ошибку измерения. Величина ошибки зависит от разности тем­ператур термопреобразователя н стенки трубопровода. Умень­шение ошибки в этом случае достигается тепловой изоляцией трубопровода на том участке, где установлен термопреобразо­ватель. Кроме погрешностей, вызванных лучистым теплообме­ном, могут возникать погрешности вследствие отвода тепла по защитной трубке ТЭП к более холодным стенкам трубы (рис. 6.23).

Общих правил установки термопреобразователя не сущест­вует. Можно указать лишь на те условия, которых необходимо придерживаться при установке термопрпемников. При измере­нии температуры газон или паров, протекающих по трубопро­воду, термонрпемнпки всех видов (стеклянных термометров, монометрическнх термометров, ТЭП, термометров сопротивле­ния) следует располагать против направления потока в его центре, где скорости максимальны, В этом случае коэффици­ент теплоотдачи в месте соприкосновения потока с термопри­ем инком возрастает вследствие разрушения пограничного слоя.

Радиальное расположение термоприемника допустимо лишь тогда, когда возможно его погружение па достаточную глубину, г. е. в трубопроводах большого диаметра. Если термоприемник невозможно установить против потока, то следует устанавли­вать его наклонно к оси трубопровода.

 

6.6. ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Пирометры излучения основаны на измерении лучистой энер­гии, испускаемой нагретым телом. Наибольшее распростране­ние пирометры излучения получили в металлургии, однако и в химической промышленности они находят некоторое приме­нение (печи, топки котельных установок и др.).

Пирометры излучения по сравнению с другими приборами измерения температуры имеют следующие преимущества: а) измерение осуществляется бесконтактным способом, следо­вательно, отсутствует искажение температурного поля, вызван­ное введением датчика прибора в измеряемую Среду; б) верх­ний предел измерения температуры теоретически не ограничен; в) возможность измерения высоких температур газовых пото­ков при больших скоростях.

Тепловое излучение представляет собой процесс распрост­ранения внутренней энергии излучаемого тела электромагнит­ными волнами. При поглощении электромагнитных волн от излучающего тела другими телами электромагнитные волны вновь превращаются в тепловую энергию Тела излучают электромагнитные ВОЛНЫ широкого диапазона длин от /. = 0 до /,

Большинство твердых и жидких тел обладают непрерывным спектром излучения, т. е. излучают волны всех длин. Другие-тела (чистые металлы и газы) обладают селективным спектром излучения, т. е излучают волны только на определенных участ­ках спектра. Участок, начиная от волн длиной /. = 0.4

 (Рис. 6.23. Положение чувствительного элемента измерителя в трубе

словно, так как в сплошном видимом спектре переход от одного цвета к другому происходит непрерывно.

Волны длиной /. = 0.76 мкм относятся к невидимым инфра­красным тепловым лучам. По мере повышения температуры на­гретого тела и изменения 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.

Теоретически можно обосновать лишь явление лучеиспускания абсолютно черного тела, коэффициент лучеиспускания которого принимают за единицу. реальные физические тела обладают способностью отражать часть падаю­щих на Нил лучей, и поэтому коэффициент лучеиспускания их меньше единицы, причем он зависит как от природы данного тела, так и от состояния его по­верхности. В природе нет абсолютно черных тел. но есть тела, близкие по своим свойствам к абсолютно черному телу. Так. тело, покрытое черной шеро­ховатой краской (нефтяной сажей), поглотает до 96% всей лучистой энергии.

Свойством абсолютно черного тела обладает также поверхность отверстии и замкнутой полости (топки печей, паровых котлов и др.) с непрозрачными и равномерно нагретыми стенками. Это объясняется тем, что все лучи, попа­дающие в такое отверстие извне, практически полностью поглощаются внутри 1ела вследствие многократного отражения от внутренней поверхности,

СЭЯ и интегральное излучение зависят от физических свойств вещества, поэтому шкалы пирометров градуируют по истечению абсолютно черного тела. Возрастание СЭЯ с повы­шением температуры различно для волн разных длин и в об­ласти сравнительно невысоких температур для абсолютно чер­ного тела описываются уравнением Вина

Уравнением Вина можно пользоваться до температуры при­мерно 3000 К. При более высоких температурах интенсивность излучения абсолютно черного тела характеризуется уравнени­ем Планка

 

 

Рис. 6.24. Схема квазимонохро­матического пирометра

квазимонохроматическими пирометрами и пиро­метрами полного излуче­ния получают так назы­ваемую условную тем­пературу. Для перехода от условной (яркостной) температуры к истинной используют преобразо­ванное уравнение Вина. Квазимонохроматические пирометры. Действие квазимоно­хроматических (оптических) пирометров основано на сравне­нии яркости монохроматического излучения двух тел: эталон­ного и тела, температуру которого измеряют. В качестве эта­лонного тела обычно используют нить лампы накаливания, яр­кость излучения которой регулируется.

Наиболее распространенным прибором этой группы являет­ся монохроматический оптический пирометр с исчезающей ни­тью, принципиальная схема которого приведена на рис. 6.24. Пирометр представляет собой телескопическую трубку с линзой / объектива и линзой 4 окуляра. Внутри телескопиче­ской трубки в фокусе линзы объектива находится пирометри­ческая лампа накаливания 3 с подковообразной питью. Лампа питается ОТ аккумулятора 7 через реостат 6". В цепь питания пирометрической лампы включен милливольтметр 6, конструк­тивно объединенный с трубкой телескопа. Шкала милливольт­метра градуирована в градусах температуры. Для получения монохроматического света окуляр снабжен красным свето­фильтром 5, пропускающим только лучи определенной длины волны. В объективе находится серый поглощающий свето­фильтр 2, служащий для расширения пределов измерения.

При подготовке оптической системы к измерению трубки наводят на тело и передвигают объектив до получения четко­го, ясного изображения тела и нити лампы (в виде резкой чер­ной подковки). Включив источник тока, реостатом регулируют яркость нити до тех пор, пока средняя часть ее не сольется с ос­вещенным телом. В этот момент по шкале милливольтметра отсчитывают температуру тела.

Приборостроительная промышленность выпускает перенос­ные оптические пирометры с исчезающей нитью н различном конструктивном оформлении для температур от восьмисот до нескольких тысяч градусов. Пирометры работают с эффектив­ной длиной волны /. = 0,65 или /. — 0,66 мкм.

Фотоэлектрические пирометры. В этих пирометрах чаще всего используют фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых возникает электрический ток (фототок), пропорциональный падающему па него световому потоку или, точнее, пропорциональный энергии излучения волн определенного уча­стка спектра.

Фототок, создаваемый фотоэлементами, может непосредст­венно служить мерой температуры измеряемого тела. Такие приборы не отличаются высокой точностью. Более совершенны приборы, фотоэлемент которых используется в нулевом режи­ме как устройство для сравнения двух источников излучения: измеряемого тела и регулируемого источника света.

В фотоэлектрических пирометрах типа ФЭП (рис. 6.25) изображение измеряемого раскаленного тела при помощи объ­ектива / и диафрагмы 2 создается в плоскости одного из от­верстий диафрагмы 3, расположенной перед фотоэлементом 5. Через другое отверстие диафрагмы 3 фотоэлемент освещается регулируемым источником света — электрической лампой 6. Перед фотоэлементом расположен красный светофильтр 4,

Фотоэлемент поочередно с частотой 50 Гц освещается то измеряемым телом, то лампой. Поочередность освещения созда­ется колеблющейся заслонкой в модулятора света 7 вибраци­онного типа. Оба световых потока, попадающие на фотоэле­мент, изменяются в протнвофазе по синусоидальному закону. что достигается специальным профилированием заслонки и от­верстий.

На выходе фотоэлемента возникает фототок. величина ко­торого определяется освещенностью от тема и лампы. При не­равенстве этих освещенности в цепи фотоэлемента возникает переменная фототока, совпадающая по фазе либо с фототоком тела, либо с фототоком от лампы. Переменная составляющая фототока усиливается электронным усилителем 9, имеющим фазо-чувствительную схему. Выходной сигнал усилителя управ­ляет цепью питания лампы 6. Сила тока накала лампы будет изменяться до тех пор, пока освещенности от измеряемого тела и лампы не уравняются и переменная составляющая фототока не станет равной нулю. Тем самым сила тока в лампе окажет

Рис. 6.25. Упрощенная схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП

 

 

Рис. 6.25. Упрощенная схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП

однозначно связанной с яркостной температурой измеряемо­го тела.

Сила тока, питающего лампу, измеряется быстродействую­щим автоматическим потенциометром по величине падения на­пряжения на сопротивлении в цепи лампы. Потенциометр градуируют в градусах яркостной температуры. При измерени­ях температуры выше допустимой для лампы 6 (1400—1500°С) вводится ослабляющий светофильтр, что позволяет довести предел измерения до 4000 °С.

Пирометры типа ФЭП выпускаются одношкальными для измерений температур от 600 до 2000°С или двухшкальными для измерения более высоких температур.

Пирометры спектрального отношения. В пирометрах спект­рального отношения (цветовых), применяемых для промыш­ленных измерений, определяется отношение СЭЯ реального те­ла в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны. Это отношение для каждой температуры различно, то вполне однозначно.

В большинстве случаев для реальных тел кривые при различных температурах совершенно подобны кривым для абсолютно черного тела, поэтому практически не требуется вводить поправки на неполноту излучения, что является основ­ным преимуществом цветовых пирометров. Принципиальная схема цветового пирометра с фотоэлементом показана на рис. 6.26.

Измеряемое излучение через защитное стекло и объектив 2 попадает на фотоэлемент 4. Между объективом и фотоэле­ментом установлен обтюратор 3, вращаемый синхронным дви­гателем. Обтюратор выполнен в виде диска с двумя отверстия­ми, одно из которых закрыто красным светофильтром К, дру­гое— сипим С. При вращении обтюратора па фотоэлемент по­переменно попадают излучения через красный пли синий свето­фильтр. Спектральная характеристика фотоэлемента зависит от температуры, поэтому фотоэлемент в пирометре заключен в термостат с автоматическим регулированием.

Электрический ток, напряжение которого пропорционально соответствующим интенсивностям излучения, предварительно

Рис. 6.26. Схема пирометра спектрального отношения

усиливается электронным усилителем 5 и преобразуется специ­альным электронным логарифмическим устройством 6 в посто­янный ток, величина постоянного тока зависит от I / T . Выход­ной ток логарифмирующего устройства измеряется указываю­щим или регистрирующим милливольтметром 7. Пределы изме­рения пирометра от 1400 до 2500 ^СС; основная погрешность при измерении температуры физических тел не превышает ±1% т верхнего предела измерений.

 

ГЛАВА 7

АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

 

ГЛАВА 1

 

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

 

1.1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Системой автоматического контроля называют систему, состоя­щую из объекта контроля и различных устройств, выполняющих функции измерения. Под объектом контроля понимают агрегат или процесс, в котором одну или несколько величин измеряют.

В большинстве случаев система автоматического контроля одной величины включает четыре элемента: объект, чувстви­тельный элемент, линию связи и измерительное устройство. Чув­ствительный элемент устанавливают непосредственно в объекте контроля, он воспринимает величину контролируемого (измеряе­мого) параметра и преобразует ее в соответствующий сигнал, поступающий по линии связи к измерительному устройств)'. Структурная схема такой системы показана на рис. I.1, где каждый из элементов представлен прямоугольником; стрелки между прямоугольниками показывают направление передачи сигналов с одного элемента на другой. Элементы характеризу­ются сигналами на входе и выходе, называемыми также вход­ными и выходными сигналами. Здесь передача сигнала идет в одном направлении, т. е. от объекта к измерительному устрой­ству. Такие системы автоматического контроля называют разомкнутыми. В некоторых системах контроля чувствительный элемент является элементом измерительного устройства. В этом случае линия связи между чувствительным и измерительным элементами отсутствует, а структурные схемы системы контро­ля соответствуют схемам, приведенным на рис. 1.2.

Если измерительный прибор, например термометр пли мано­метр (прибор для измерения давления) устанавливают непо­средственно на объекте, то системе контроля соответствует схема на рис. 1.2,а. Если же измерительный прибор, например манометр, установлен на небольшом расстоянии от объекта и соединен с объектом .пиши связи (трубкой), то системе контро­ля соответствует схема на рис. 1.2. б

Системы автоматического контроля подразделяются на мест­ные, дистанционные и телеизмерительные.

Системы контроля, в которых измерительные устройства расположены вблизи объекта (вблизи места установки чувстви­тельного элемента), называются местными.

Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического контроля:

О — объект; ЧЭ— чувствительный элемент; ЛС — линия связи; ИЪ тмернтельное ycf-

ройсгно

Рис. 1.2. Структурные схемы систем автоматического контроля без чувстви­тельных элементов (обозначения те же, что и на рис. II):

а — прибор установлен на объекте: ft — прибор установлен пне объекта

Автоматический контроль можно осуществлять И на расстоя­нии от контролируемого объекта, удлинив линию связи между чувствительным элементом и измерительным устройством. В этих случаях система местного контроля усложняется введением в из­мерительное устройство преобразователя для преобразования результата измерения в пропорциональный пневматический или электрический сигнал. Последний содержит информацию о ве­личине измеряемого параметра и по соответствующей линии связи передает ее другому измерительному устройству, распо­ложенному на расстоянии от объекта контроля. Во втором из­мерительном приборе осуществляется обратное преобразование сигнала, переданного по линии связи, в результат измерении. Подобная система автоматического контроля называется ди­станционной. Таким образом, дистанционная система контроля имеет два измерительных устройства: первичный и вторичный приборы.

В зависимости от вида используемой энергии дистанционные системы подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические.

В пневматических системах используется энергия сжатого воздуха. К первичному прибору подводится воздух под посто­янным избыточным давлением 0,14 МПа (1,4 кгс/см²), а на его выходе давление изменяется в зависимости от величины изме­ряемого параметра в пределах от 0,02 до 0,1 МПа (от 0,2 до 1,0 кгс/см²).

В электрических системах используется электроэнергия. В первичном приборе результат измерения преобразуется в си­лу или напряжение постоянного электрического тока или на­пряжение переменного электрического тока, величины которых пропорциональны результату измерения. В электрических си­стемах дистанционной передачи используются также частотные преобразователи, которые преобразуют результат измерения в пропорциональную величину частоты переменного тока.

В химической, нефтехимической и промышленности по про­изводству минеральных удобрении в основном применяют пнев­матические дистанционные системы автоматического контроля. Электрические системы используют значительно реже, а гид­равлические— не применяют вообще. Для передачи результатов измерения на расстояние десят­ков и сотен километров применяют телеизмерительные системы контроля. В таких системах результат измерения при помощи преобразователя в первичном приборе преобразуется в коди­рованные, обычно дискретные сигналы, передаваемые по кана­лу (линии) связи. Во вторичном приборе, установленном на другом конце канала связи, эти сигналы преобразуются в ре-iy-чьтат измерении и фиксируются в цифровой или аналоговой

форме.

Для контроля за работой сложных производственных про­цессов находят применение системы централизованного конт­роля. В этом случае вторичные приборы устанавливают на центральном щите. В крупных цехах с большим числом точек контроля центральный щит может достигать десятков метров в длину и становится недоступным для обозрения оператора. Для наилучшей организации централизованного контроля применя­ют специальные машины — машины централизованного конт­роля (МЦК), которые собирают и автоматически обрабатыва­ют информацию при контроле сложных производственных про­цессов.

Выходная информация, которая используется для воздейст­вия на контролируемый процесс, называется оперативной. Что­бы сократить выходную информацию о большинстве контроли­руемых величин, ее можно заменить сигнализацией, которая включается только тогда, когда какая-либо контролируемая величина достигает некоторого наперед заданного значения. Обычно при отклонении контролируемого параметра от задан­ного значения машина выдает световой (зажигание пли мига­ние лампочки) или звуковой (звонок, гонг) сигнал. Значения контролируемых величин могут быть также получены операто­ром по вызову. Отклонения контролируемых параметров от установленных пределов измерения по вызову регистрируются в непрерывной или цифровой форме.

Для контроля за работой сложных производственных про­цессов промышленность выпускает управляющие пневматиче­ские установки «Номинал», «Ритм», «Рацион», «Бином» и агре­гатную пневматическую систему «Курс-2».

 

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

 

Методы измерения. Под методом измерения понимают совокуп­ность приемов использовании принципов и средств измерений. Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: непосредственной оценки, сравнения с мерой, диффе­ренциальный, нулевой, совпадения.

Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерение давления пружинным манометром. Точность измерений этим методом бывает ограниченной, но быстрота процесса измерения делает его незаме­нимым для практического применения. Наиболее многочислен­ной группой средств измерений этим методом являются пока­зывающие, в том числе и стрелочные приборы (манометры, вольтметры, расходомеры).

В случае выполнения особо точных измерении применяют метод сравнения с мерой: измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение мас­сы на рычажных весах с уравновешиванием гирями.

По дифференциальному (разностному) методу измеряют разность между значениями измеряемой и известной (воспро­изводимой мерой) величин. Например, сравнение измерений с образцовой мерой на компараторе при поверке мер длины. Диф­ференциальный (разностный) метод позволяет получать резуль­таты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Но осуществлять лот метод можно только при условии воспроизведения с большой точ­ностью известной величины, значение которой близко к значе­нию измеряемой. Это во многих случаях легче, чем изготовить средство измерений высокой точности.

Качество измерений. По ["ОСТ 16263- -70 качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью н воспроизводимостью измерений, а также разме­ром допускаемых погрешностей.

Точность — это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Вы­сокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов.

Достоверность измерении характеризует степень доверия крепльтатэм измерений.

Под правильностью измерений понимают качество измере­ний, отражающее близость к пулю систематических погрешно­стей в результатах измерении.

Сходимость — это качество измерении, отражающее бли­зость результатов измерений, выполняемых в одинаковых усло­виях.

Воспроизводимость — это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выпол­няемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерения есть отклонение результатов изме­рения от истинного значения измеряемой величины. По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные. Абсолютной называется по­грешность измерения, выраженная в единицах измеряемой ве­личины. Она определяется выражением

 (1.1)

А результат измерений:» значение измеряемом величины. И

Поскольку истинное значение измеряемой величины остает­ся неизвестным, на практике ПОЛЬЗУЮТСЯ ЛИШЬ приближенной оценкой абсолютной погрешности измерения, определяемой вы­ражением

 (1.2)

где А., — действительное значение измеряемой величины, которое с погрешно­стью ее определении принимают за истинное значение.

Относительной погрешностью измерения Ь называют отно­шение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины

 (1.3)

Систематической погрешностью называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной пли законо­мерно изменяемая при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайной погрешностью называется составляющая погреш­ности измерения, изменяющаяся случайным образом при по­вторных измерениях одной и той же величины. Случайные по­грешности можно обнаружить только при многократных изме­рениях. Они являются результатом случайных изменений мно­гочисленных условий измерений, учет которых практически неосуществим.

Иногда в результатах наблюдений может появиться погреш­ность, существенно превышающая ожидаемую при данных усло­виях, — это так называемая грубая погрешность. Результаты наблюдений, содержащие грубые погрешности, при обработке исключают, используя различные критерии, в соответствии с ГОСТ 11.002—72.

Для оценки метрологических характеристик средств изме­рений в отечественном приборостроении используют классы точности. ГОСТ 8.401—80 регламентирует способы назначения классов точности в зависимости от способа выражения преде­лов допускаемых погрешностей средств измерений. Этим стан­дартом предусмотрено выражение предельно допускаемых по­грешностей средств измерений в виде абсолютных, относитель­ных и приведенных погрешностей.

Абсолютная погрешность должна быть выражена как

 (1.4)

предел допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в едини­цах величины на входе (выходе), либо условно в .имениях шкалы: о имено­ванное положительное число, выраженное и rex же единицах.

Относительная погрешность выражается формулой

 (1.5)

где о предел допускаемой относительной погрешности, %: А— интервал из­мерений прибора.

Приведенную погрешность определяют по формуле

 (1.6)

где — предел допускаемом приведенной погрешности. %; Хц — нормирующее таченне, которое при установлении приведенной погрешности принимают рав­ным: конечному значению шкалы прибора, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы; сумме конечных значений шкалы прибора (без учета таков), если нулевая отметка находится вн\трн шкалы; номинальному значе­нию измеряемой величины, если таковое установлено; длине шкалы, если шка­ла неравномерная (логарифмическая или гиперболическая). В этом случае по­грешность и длина шкалы выражаются в одних и тех же единицах.

Средствам измерений, пределы допускаемых погрешностей которых выражаются в единицах измеряемой величины пли в делениях шкалы (абсолютная погрешность), должны быть при­своены классы точности, обозначаемые порядковыми номерами, причем средствам измерении с большим значением допускае­мых погрешностей должны соответствовать большие порядко­вые номера.

Средствам измерении, пределы допускаемых погрешностей которых выражены как относительные или приведенные по­грешности, должны быть присвоены классы точности, выби­раемые из ряда чисел: (1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6)10. где л = = 0.1-1.

Класс точности устанавливают при выпуске прибора, гра­дуируя его по образцовому прибору в нормальных условиях. Показание образцового прибора принимают за истинное значе­ние измеряемой величины

Чтобы уменьшить относительную погрешность, нужно выбирать верхний предел шкалы измерительного прибора таким, чтобы ожидаемое значение из­меряемой величины (показание) находилось в последней трети (или полови­не) ее.

Абсолютной погрешностью меры Л называют разность меж­ду номинальным ее значением и истинным (действительным) значением воспроизводимой ею величины

 (1.7

(с Л'н — номинальное Значение меры; А'_л — действительное значение меры.

Пример. Погрешность гири 4-го класса с номинальным значением 2 кг и истинным значением 2,00010 кг равна —0.10 г ( — 100 мг). а отклонение от номинального значения для ЭТОЙ меры равно 0.10 г (100 мг).

Абсолютная погрешность измерительного прибора .А'„ — это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины

 (1.8)

— показания прибора: Д., действительное значение измеряемой вели­чины

За действительное значение измеряемой величины принима­ют показания образцового прибора, если его погрешность в че­тыре—пять раз меньше погрешности поверяемого.

Если же погрешность образцового прибора только в 2—3 раза меньше погрешности поверяемого, то за действительное значение измеряемой величи­ны принимают показания образцового прибора плюс поправка по свидетель­ству на данное значение.

Относительная погрешность меры или измерительного при­бора 6_П — это отношение абсолютной погрешности меры или измерительного прибора к истинному (действительному) значе­нию воспроизводимой пли измеряемой величины. Относительная погрешность меры или измерительного прибора может быть выражена как (в %)

Приведенная погрешность у измерительного прибора — это отношение погрешности измерительного прибора к нормирую­щему значению. Нормирующее значение Л \ — это условно при­нятое значение, равное или верхнему пределу измерений, или находится в интервале измерений или в интервале длины шка­лы. Приведенную погрешность обычно выражают как (в %)

 (1.101

П р и м е р. Определить абсолютную, относительную И приведенную по­грешности потенциометра с верхним пределом измерений 150"С при показа­нии его л,.= 120°С и действительном значении измеряемой температуры Х_л— = 120,6 °С, За нормирующее значение принят верхний предел измерения Х\-**

= 150°С.

Абсолютная погрешность но формуле— 0.6 Т.. относительная погрешность по формуле (1.9) 6п=±0.5%: приведенная погрешность по фор­муле (1.10) ,« ±0,4%.

Основная погрешность средства измерений — это погреш­ность средства измерении, используемого в нормальных усло­виях, которые обычно определены в нормативно-технических документах на данное средство измерении.

Под дополнительными погрешностями понимают изменение погрешности средств измерений вследствие отклонения влияю­щих величин от нормальных значений или выхода за пределы нормальной области значении.

Погрешности средств измерений, являющиеся определенны­ми неслучайными функциями каких-либо факторов, относят к систематическим погрешностям. Они остаются постоянными или закономерно изменяются. Например, причиной систематической погрешности измерительного прибора может служить неточное нанесение отметок шкалы.

Случайная погрешность средства измерений — составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом.

При определении модели основной погрешности следует учи­тывать и погрешности, вызываемые такими явлениями, как тре­ние, люфт, гистерезис и т. п. Погрешность, порождаемую этими явлениями, называют погрешностью средства измерения вслед­ствие вариации.

Вариация показаний измерительного прибора — разность между значениями показаний измерительного прибора, соот­ветствующими данной точке интервала измерения при двух на­правлениях подхода к данной точке.

ГЛАВА 2