Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Лекції 1-3

Конспект лекцій

Редагування та коректура Т.В. Чорної

Комп’ютерна верстка О.В. Кириченка

Підписано до друку	Формат 60х84 _1/16.
Папір офсетний. Гарнітура Таймс. Друк на різографі.
Ум. друк. арк. 3,49.	Обл.-вид. арк. 3,45.
Ум. фарбовідб. 32.	Тираж 50 прим. Вид. № 17/І-07.	Зам. №

КНУБА, Повітрофлотський проспект, 31, Київ, Україна, 03680
E-mail: red-isdat@knuba.edu.ua Віддруковано в редакційно-видавничому відділі Київського національного університету будівництва і архітектури Свідоцтво про внесення до Державного реєстру суб’єктів видавничої справи ДК № 808 від 13.02.2002 р.

С.В.Іносов, О.Г.Тімінський, О.В.Улітко, М.І.Самойленко

АВТОМАТИЗАЦІЯ СИСТЕМ

ВОДОПОСТАЧАННЯ І ВОДОВІДВЕДЕННЯ

Конспект лекцій

для студентів спеціальностей 7.092601 «Водопостачання
і водовідведення», 7.092109 «Споруди і обладнання водопостачання і водовідведення»

Київ 2008

УДК 004.021

ББК 22.161

І-68

Рецензент Л.І.Мазуренко, д-р техн. наук, професор

Затверджено на засіданні кафедри автоматизації технологічних процесів, протокол № 2 від 17 вересня 2007 року.

Іносов С.В., Тімінський О.Г., Улітко О.В., Самойленко М.І.

І-68 Автоматизація систем водопостачання і водовідведення: Конспект лекцій. – К.: КНУБА, 2008. – 52 с.

Розглянуто основні положення теорії і практики автоматизації систем водопостачання і водовідведення.

Призначений для студентів спеціальностей 7.092601 “Водопостачання і водовідведення”, 7.092109 “Споруди і обладнання водопостачання і водовідведення”.

УДК 004.021

ББК 22.161

ЗМІСТ

ВСТУП . 4

ЛЕКЦІЇ 1-3. Тема 1. Датчики і первинні перетворювачі інформації в системах автоматизації водопостачання і водовідведення. 5

ЛЕКЦІЇ 4-6. Тема 2. Регулюючі органи і виконавчі механізми.. 23

ЛЕКЦІЇ 7-9. Тема 3. Автоматизація насосних станцій.. 30

Завдання автоматики насосних станцій.. 30

Каналізаційні насосної станції (КНС). 32

Автоматизовані станції управління насосними станціями водопостачання першого, другого і третього підйомів. 37

Запитання для самоконтролю.... 47

Список літератури... 49

ВСТУП

Системи водопостачання та водовідведення відносяться до числа найбільш ресурсоємних технологічних об‘єктів в комунальному господарстві та промисловості. Найбільшою складовою ресурсоємності є енергоспоживання. Україна відноситься до енергодефіцитних країн. Тому економія електроенергії визнана найважливішим напрямком енергетичної політики в Україні. Розроблені комплексна державна і регіональні програми енергозбереження. Другою складовою ресурсоємності є витрата води, природні запаси якої обмежені. Третьою складовою являється дороге технологічне обладнання, особливо трубопровідні системи, термін служби якого залежить від частоти виникнення перевантажень. Тому актуальною є проблема зниження енергоємності технологічного процесу водопостачання. Вирішенням цієї проблеми досягаються соціальні та економічні результати, що поліпшують умови життя людей, підвищують економічний потенціал держави, зменшують екологічний збиток. Зазначена проблема вирішується, в основному, двома шляхами. Перший з них полягає в застосуванні більш досконалого технологічного і електротехнічного обладнання, а другий – у розвитку систем автоматизації насосних станцій з метою вдосконалення процесів управління технологічним обладнанням і поліпшення за рахунок цього економічних показників функціонування систем водопостачання.

Зараз рівень автоматизації технологічних процесів у вітчизняних системах водопостачання не досить високий, унаслідок чого не можуть успішно вирішуватися задачі енергозбереження. Зокрема, практично не використовуються інформаційні технології управління, застосуванню регульованого електропривода не приділяється достатньої уваги.

Цей конспект лекцій з дисципліни «Автоматизація систем водопостачання і водовідведення» призначений для характеристики елементів і підсистем відповідних систем, а також ілюстрації їх практичними прикладами.

Лекції 1-3

Тема 1. Датчики і первинні перетворювачі інформації
в системах автоматизації водопостачання і водовідведення

Під час автоматизації процесу очищення природних і стічних вод виникає необхідність вимірювання і контролю їх неелектричних параметрів.

Контролюють неелектричні параметри за допомогою вимірювальної апаратури (датчиків і реле), у якої чутливий вимірювальний елемент, сприймаючи зміни контрольованого параметра, змінює свої властивості або розміри, при цьому відбувається перетворення неелектричної величини в електричний сигнал. Пристрої, що здійснюють дане перетворення, називають датчиками.

Датчик – елемент автоматичного пристрою, контролюючого коливання тієї чи іншої фізичної величини та перетворюючого ці коливання в зміни іншої величини, зручної для передачі на відстань і дії на подальші елементи автоматичних пристроїв.

У системах водопостачання і водовідведення найбільш значущими параметрами, які підлягають вимірюванню, є тиск, рівень, витрата, температура, щільність, каламутність, величина рН, кількість залишкового хлору, кольоровість, зміст розчиненого кисню, зміст нітратів, зміст фосфатів і багато інших.

У автоматизованих системах водопостачання і водовідведення наступні типи датчиків:

Датчики тиску. Як датчики тиску можуть використовуватися манометри електроконтактні (рис. 1.1), для яких, так само як і для звичайних манометрів, застосовують трубчасту пружину. Манометри електроконтактні мають два рухомі контакти: лівий – такий, що замикається при тиску нижче величини, на яку він встановлений, і правий, такий, що замикається при тиску, що перевищує встановлену для нього величину. Окрім рухомих контактів манометр має один контакт, жорстко укріплений на стрілці. Контактна система й ізоляція манометрів дозволяють включати їх в колі управління напругою до 380 В змінного струму або 220 В постійного струму.

Рис. 1.1. Манометр електроконтактний:

1, 3 – лівий і правий контакти; 2 – стрілка;
4 – пристрій регулювання або сигналізації

Електронний датчик тиску. Найбільш поширеними засобами вимірювання тиску є уніфіковані комплекси датчиків. Вони призначені для вимірювання абсолютного тиску, надмірного тиску, розрідження, різниці тиску, об'ємної витрати рідин і газів, рівня рідин.

Уніфіковані датчики використовують монометричний або диференціально-манометричний (дифманометричний) метод вимірювання. При використанні уніфікованих датчиків для вимірювання витрати або рівня вимірювана величина спочатку перетвориться в тиск або різницю тиску, а потім здійснюються подальші перетворення.

Найбільшого поширення набули уніфіковані датчики, в яких використані наступні способи вимірювального перетворення тиску:

1) пряме вимірювання тиску (тензорезисторні перетворювачі);

2) перетворення з вирівнюванням магнітних потоків (магніто модуляційні);

3) перетворення з урівноваженням сил (пневматичні).

Тензорезисторні вимірювальні перетворювачі тиску містять вимірювальний блок і електронний пристрій, об'єднані в єдину конструкцію. Основним вузлом вимірювального блоку є первинний вимірювальний перетворювач (тензомодуль). Тензомодулі застосовують двох видів; мембранні та мембранні важелі.

Принцип дії первинного перетворювача заснований на тензорезистивному ефекті в плівці кремнію.

Чутливим елементом тензомодуля є міст з кремнієвих плівкових резисторів, вирощених методами мікроелектронної технології на поверхні монокристалічної пластини, з штучного сапфіра. Завдяки тензорезистивному ефекту при деформації тензорезисторів відбувається зміна їх опору і вихідного сигналу (напруга постійного струму) моста тензомодуля. Електронний перетворювач змінюватиме цю напругу на уніфікований сигнал постійного струму.

Датчики різних величин (надмірного тиску, різниці тиску) і різних виконань мають уніфікований електронний пристрій і розрізняються тільки конструкцією вимірювального блоку і блоку живлення.

У перетворювачів абсолютного і надмірного тиску, розрідження, різниці тиску і гідростатичного тиску нижня межа вимірювання дорівнює нулю. У перетворювачів надмірного тиску і розрядки він також дорівнює нулю і знаходиться усередині діапазону вимірювання.

Різні моделі перетворювачів різниці тиску і гідростатичного тиску призначені для використання при різних значеннях робочого надмірного тиску вимірюваного середовища до 40 Мпа. Більшість моделей перетворювачів мають похибку ± (0,25; 0,5) %.

Перетворювачі можуть виготовлятися зі зростаючою або спадаючою залежністю між вимірюваною величиною і вихідним сигналом.

Тензорезисторні перетворювачі тиску високотемпературних середовищ призначені для вимірювання надмірного тиску рідин з динамічною в'язкістю не більше 104 Па і газоподібних середовищ у діапазоні температур вимірюваного середовища 1—320 °С.

Різні моделі датчиків різниці тиску призначені для роботи при тиску 2,5–40 Мпа. Допустима похибка датчиків ± (0,6; 1,0; 1,5 %). Вихідний сигнал датчиків 20-100 кПа.

Вимірювання рівня. Найбільш поширені поплавцевий, буйковий, ємнісний і ультразвуковий методи контролю рівня.

Поплавцеві вимикачі (рис. 1.2). Кожен поплавцевий вимикач встановлюється на відповідному рівні спрацьовування. У поплавцевий вимикач вбудований механізм, який перериває подачу струму при розмиканні контакту і таким чином передає відповідну інформацію приладу управління. Кількість поплавцевих вимикачів залежить від числа насосів або від типу і кількості захисних пристроїв. Кожен поплавцевий вимикач звішується зверху в шахту і вільно переміщається в її межах, знаходячись на поверхні рідини або в підвішеному стані в повітрі. У разі перевищення рівня середовища вони перекидаються щодо умовної осі рідини, що приводить до спрацьовування відповідного механізму в приладі управління. Ця точка перемикання за рівнем довільно визначається довжиною кабелю в шахті.

Рис. 1.2. Поплавцевий вимикач

Щоб уникнути "заплутування" декількох поплавцевих вимикачів при сильній турбулентності рідини в шахті на кабелі для фіксації повинні бути натягнуті захисні трубки.

Залежно від числа поплавцевих вимикачів при малому діаметрі шахти слід вибрати інший спосіб управління за рівнем (вимірювальний дзвін або електродний датчик тиску).

При такому способі управління рівень рідини визначається за тиском рідини на мембрану. Передача цієї інформації може здійснюватися як за допомогою електричного сигналу (аналоговий), так і через сигнал тиску (пневматичний). Управління насосом за рівнем рідини в шахті проводиться лише після налаштування приладу управління.

Найчастіше поплавцевий метод використовують для вимірювання рівня рідини у великих відкритих резервуарах, а також в закритих резервуарах з низьким тиском.

Силові лінії магніту, вбудованого в поплавець, замикають, або розмикають геркони при переміщенні перед ними магніту вгору чи вниз.

Пневматичний датчик (занурений дзвін) завдяки великій площі придатний для використання в сильно забруднених середовищах (рис. 1.3). Для виготовлення таких дзвонів використовують сірий чавун, який за рахунок великої ваги дозволяє утримувати дзвін в зануреному положенні навіть в середовищах, що мають високу щільність. При зміні рівня рідини в резервуарі змінюється тиск повітря усередині дзвону. Дана зміна тиску аналізується електронним перетворювачем рівня, який знаходиться на приладі управління або в дзвоні, та порівнюється зі значеннями, заданими на приладі управління.

Рис. 1.3. Пневматичний датчик рівня

Особлива перевага даного методу полягає в можливості безперервного визначення рівня. Крім того, він може застосовуватися у вибухонебезпечних зонах (наприклад, стічні води, що містять фекалії, зона 1) завдяки передачі сигналу тиску без трансформації його в електричний сигнал. Обробка даних здійснюється в приладі управління за допомогою вбудованих в нього датчиків. Для забезпечення рівномірної кількості повітря в дзвоні можна використовувати повітряний компресор.

Найбільш перспективним серед електричних методів контролю рівня рідких і сипких середовищ є ємнісний метод, який заснований на використанні залежності електричною, ємності датчика, встановленого в судині, від контрольованого рівня.

Використання компенсаційного принципу розширює експлуа-таційні можливості ємнісних приладів і підвищує їх клас точності.

Електронний датчик рівня (рис. 1.4). Принцип дії електронного датчика рівня: основна відмінність полягає в тому, що перетворювач вбудований безпосередньо в датчик, тобто сигнал рівня рідини в шахті перетвориться в аналоговий електричний сигнал (4-20 мА). Відповідно, непотрібний додатковий перетворювач тиску в приладі управління. В той час, як при вимірюванні за допомогою зануреного дзвону можуть мати місце неточності через протікання в шлангу дзвону, зміни кількості повітря в шлангу унаслідок коливань температури або з інших причин, обробка за допомогою електронного датчика рівня дозволяє отримувати точніші результати.

Рис. 1.4. Електронний датчик рівня

Крім того, використовуваний для виготовлення цього датчика матеріал стійкіший до корозії (нержавіюча сталь високої якості). Датчик підвішується в шахті та, у разі потреби, при сильній турбулентності середовища може бути забезпечений захисною трубкою. У разі використання будь-яких датчиків у вибухонебез-печних зонах, необхідно застосовувати Бар'єр Зенера, щоб уникнути утворення іскр, які можуть стати причиною вибуху у разі відмови/несправності.

До хвильових методів контролю відносять ультразвуковий, резонансний, радіоінтерференційний, радіолокацію і радіоізотопний методи.

Ультразвуковий метод є найбільш поширеним у групі хвильових методів контролю рівня. Він заснований на відмінності акустичного опору середовищ, тобто творів щільності середовища на швидкість розповсюдження в ній ультразвука.

Внаслідок властивості адеструктивності, тобто можливості передавати і приймати ультразвукові коливання через металеві стінки резервуару, створюють суцільнозварну конструкцію вимірювального елемента, чим забезпечують герметичність і високу надійність методу.

Перспективне використання способу сигналізації про рівень рідини за допомогою хвиль Лемба, що порушуються в стінці резервуару по горизонталі в контрольованій області.

Резонансні вимірники і сигналізатори дозволяють контролювати рівень середовищ з довільними електромагнітними властивостями з погрішністю не більше 1 %.

Як чутливі елементи в резонансних рівнемірах використовують відрізки однорідних і неоднорідних ліній, ємнісні та індуктивні датчики, об'ємні резонатори.

Рівнеміри радіолокацій застосовують для порівняно широких діапазонів зміни рівня, а лазерні — для високоточних вимірювань з чутливістю 0,0001 %.

Витратоміри. Запаси енергоресурсів, на сьогоднішній день в Україні і в світі в цілому скорочуються, а процес їх здобичі стає складнішим. У таких умовах все більш актуальним стає питання економії енергоресурсів, серед яких найбільш актуальним є ефективне використання водних ресурсів і енергооблік в системах водопостачання промислових об'єктів і водокональних господарств.

У даний час існують різні витратоміри, прості з них засновані на звужуючих пристроях, які мають найнижчі спожині властивості через малу точність, велику втрату тиску і необхідність щорічної перевірки з демонтажем з трубопроводу.

Для вимірювання витрати застосовують витратоміри змінного перепаду тиску (дифманометри–витратоміри), ротаметри, (роторні лічильники), крильчасто-тахометричні турбінні витратоміри (лічильники Вольтмана) і лічильники об'ємного типу (вихрові). Як основний загальнопромисловий засіб вимірювання витрати однофазних середовищ – рідин, газів і пари, найбільшого поширення набули дифманометри-витратоміри зміни перепаду тиску, що створюється залежно від витрати рідини, газу або пари за допомогою звужуючого пристрою, трубного опору, напірного пристрою або напірного підсилювача, що працюють за принципом труби Бернуллі. Як вимірювальний прилад використовується дифманометр, відградуйований в одиницях витрати.

Для вимірювання витрати різних агресивних середовищ застосовують ротаметр, що є основним представником широкого класу витратомірів системи обтікання. Конструктивно він складається з конічної трубки, що розширюється, і розміщеного в ній поплавця. Зі зміною витрати потоку поплавець переміщається, що служить мірою витрати, яка вимірюється за допомогою магнітного чи індуктивного перетворювача положення поплавця в електричний сигнал.

Серед безлічі типів вимірників витрати найповніше відповідають сучасним вимогам експлуатації швидкісні турбінні витратоміри і вимірники кількості (лічильники) рідин і газу.

У турбінних витратомірах як чутливий елемент первинного перетворювача витрати застосовують крильчасті насоси аксіального або тангенціального типу.

При витратах від 0,003 м³/с до 320 м³/ч найбільшого поширення набули об'ємні лічильники: з кільцевим поршнем, овально-шестерневі та лопатеві.

Принцип дії об'ємних лічильників різних типів полягає в тому, що певна доза рідини, яка надійшла до вимірювальної камери, відсікається чутливим елементом приладу і виштовхується у вихідну частину. Число доз підсумовується. Лічильники містять первинний вимірювальний перетворювач витрати, чутливий елемент і рахунковий покажчик.

У лопатевих лічильниках як чутливий елемент використовують лопаті, що обертаються навколо кулачка зі спеціальним профілем під дією на лопать різниці тиску до і після приладу. При обертанні лопаті по черзі захоплюють у вхідній порожнині вимірювальної камери порції, що калібруються, і переміщають їх у вихідну порожнину.

Серед об'ємних лічильників найбільш численну групу складають лічильники, в яких як чутливий елемент використовується пара овальних шестерень, що знаходяться постійно в зачепленні й обертаються під дією на них різниці тиску.

До приладів, що працюють на нових фізичних принципах, відносять електромагнітні, ультразвукові, ядерно-магнітні, лазерні, вихрові, кореляційні витратоміри та ін.

Серед численних типів вимірників витрати і кількості газів швидкісні турбінні витратоміри й об'ємні ротаційні лічильники знаходять найбільше застосування.

Основними достоїнствами турбінних витратомірів є висока точність вимірювання (до ± 0,5 %) і повторюваність показань
(0,1-0,2 %), широкий діапазон вимірювання (1:10 і більше), можливість вимірювання різних газів при будь-якому тиску.

Проте, не дивлячись на свої переваги, турбінні лічильники також мають недоліки, характерні для механічних приладів і пов'язані з швидким зносом поверхонь, що труться, низькою надійністю, схильністю корозії, осадженням механічних частинок, а також великою втратою тиску.

Лазерні доплеровські витратоміри – вимірювальні перетворювачі витрати рідин і газу відрізняються високою швидкодією. Це дозволяє використовувати їх для вимірювання витрати нестаціонарних потоків, зокрема для вимірювання об'ємної витрати палива і повітря при стендових випробуваннях двигунів внутрішнього згорання в сталому і несталому режимах роботи.

Принцип дії лазерних перетворювачів-витратомірів заснований на вимірюванні частоти лазерного випромінювання, розсіяного найдрібнішими неоднорідностями потоку. Ця частота пропорційна швидкості потоку.

Температура – фізична величина, визначувана як параметр стану термодинамічної рівноваги мікроскопічних систем. Термодинамічна температура (Т) завжди позитивна і вимірюється за допомогою термодинамічної шкали (ТШ), одиницею якої служить 1 Кельвін (К), Із загальноприйнятою шкалою Цельсія вона зв'язана співвідношенням Т = t + 273,15° , де t — температура за шкалою Цельсія. Ціна поділки шкали Кельвіна і Цельсія – однакова (1°К = 1°С); абсолютний нуль відповідає t = – 273,15 °С.

Температура — величина екстенсивна, тобто вимірювана непрямим чином в результаті перетворення її в яку-небудь інтенсивну (безпосередньо вимірювану) величину, наприклад електричний струм.

Методи вимірювання температури прийнято ділити на дві великі групи — контактні і безконтактні, які у свою чергу підрозділяються по фізичних ефектах, покладених в основу принципу їх дії.

Контактні методи термометрії.

Дія рідинних скляних термометрів заснована на зміні об'єму рідини при нагріванні або охолоджуванні. Вони складаються з наповненого термометричною рідиною скляного резервуару, сполученого з капілярною трубкою, вільний кінець якої запаяний. Резервуар капіляр і шкала, що скріплені між собою, поміщені в скляний корпус. Діапазон вимірювання температур від –80 до +70 °С для спиртових, від –35 до +750 °С для ртутних термометрів. Верхня межа обмежена температурою розм'якшення скла, рівною +780 °С. Виготовляють також "паличні" рідинні термометри з товстостінними капілярами, на зовнішній поверхні яких нанесена шкала. Довжина термометрів до 600 мм. Ціна поділки шкали 0,1°С, основна похибка від ±0,2°С (у діапазоні -80°С … +100°С) до ± 5 °С (у діапазоні до 750 °С).

Принцип дії манометричних термометрів (МТ) заснований на залежності тиску рідини, газу або пари з рідиною в замкнутій системі постійного об'єму від температури. Вони особливо ефективні при контролі температури в складних умовах, в агресивних середовищах, вибухонебезпечних приміщеннях. Метричний термометр складається з термобалону, трубчастої пружини і сполучної капілярної трубки, що виконується з металу і має довжину до 60 м. При підвищенні тиску в термочутливому елементі трубчаста пружина приводить в обертання пов'язаний з нею покажчик. Рідинні МТ на основі ксилолу, ртуті, спирту мають діапазон вимірювання –604 … +300 °С, їх шкала – рівномірна, клас точності 1–1,5. Газові МТ (азотні, гелієві) працюють в діапазоні –100 … + 600 °С. Їх шкала також рівномірна. У конденсаційних (парогазових) МТ термодатчик заповнений (приблизно на 2/3) рідиною з низькою температурою кипіння (ацетон, фреон, хлористий метил). Пари рідини, тиск яких змінюється залежно від температури, викликають переміщення індикатора приладу. Ділянка вимірюваних температур -180 + +300 °С; шкала – нелінійна.

Дилатометричні термометри (ДЛТ) засновані на відносному подовженні при нагріванні (охолоджуванні) двох тіл (зазвичай металевих) з різними температурними коефіцієнтами лінійного розширення (КЛР). Дилатометричні термометри бувають стрижневого і пластинчастого типів. Стрижневі ДЛТ складаються з металевої трубки із закритим дном, в яку вставлений стрижень з матеріалу з малим КЛР (кварц, фарфор). Коефіцієнтами лінійного розширення стрижня значно менше КЛР трубки, тому при її нагріванні стрижень переміщається і приводить в рух вимірювальний орган приладу (стрілку і тому подібне – покажчик). ДЛТ пластинчастого типу складається з двох зігнутих і спаяних між собою по краях металевих смужок з різними КЛР. Зміна вигину пластинки при нагріві (охолоджуванні) передається (зазвичай механічно) покажчику приладу. Шкала ДЛТ – лінійна. Застосовують ДЛТ як датчики в системах автоматичного регулювання, сигналізації і так далі. Похибка вимірювання температури близько 1–3 %. Часто ДЛТ застосовують для контролю температур газів і рідин, особливо в тяжких умовах.

У біметалічних термометрах (БТ) чутливим елементом служить біметалічна пластинка, виконана, наприклад, з інвару і сталі. Якщо один кінець пластинки закріпити, то переміщення її вільного кінця при нагріві буде пропорційне різниці коефіцієнтів лінійного розширення металів пластинки. Таким чином, шкала цих приладів — рівномірна. Використовують БТ в термографах для запису зміни температури в часі, в інших приладах — для автоматичної реєстрації температури, регулювання виробничих процесів і так далі. Діапазон вимірювання –35 … 45 °С .

Дія термоелектричних термопарних датчиків заснована на ефекті Зєєбека, яка полягає в тому, що в замкнутому колі, складеному з різнорідних провідників (або напівпровідників), виникає електричний струм, якщо температура місць з'єднання їх різна. Величина відповідної термо-ЕРС залежить від типу металу і є лінійною функцією температури спаїв. Температуру одного зі спаїв (вільного) підтримують постійною (зазвичай 0°С) для отримання однозначної та стабільної роботи термометра. Найбільшого поширення набули термопари з платини, платинородію, кульгавіли, алюмелю, копелю, а також заліза, міді і константану.

Широке застосування термопар (ТП) зумовила різноманітність їх конструкцій. За способом контакту з середовищем розрізняють занурювані і поверхневі ТП; за умовами експлуатації — стаціонарні, переносні, разові і багаторазового застосування; у захищеному від корозії та від агресивних середовищ корпусі. Похибка вимірювання температури 1 … 5 %. Статична характеристика термопар практично лінійна, а її параметри нормовані для деяких стандартних матеріалів. Діаметр зондів термопар 0,5 … 12 мм і більше (у захисному чохлі). Довжина сполучних проводів до 50 м і більш. Випускаються системи багатоточкового контролю на 100 термопар і більш. Для вимірювання температур зверху +2500 °С застосовують термопари з карбідів металів (гафнію, ніобію, титану, цирконію), на основі вуглецевих і графітових волокон.

Дія терморезистивних перетворювачів (ТР) заснована на властивості металів змінювати електричний опір при зміні температури. Застосовують ТР в комплекті з вторинними приладами (логометрами, мостовими схемами) електровимірювань, зокрема цифровими. У металевих ТР залежність опору від температури близька до лінійної. Кращим матеріалом для ТР є платина. Лінеаризація характеристик напівпровідникових ТП (термісторів та іозисторов) здійснюється аналоговими або цифровими засобами. Діапазон вимірювання температур – 280 … +1000°С для ТР з платини або міді –100 … +200 °С для термісторів. Для термісторів (напів-провідникових ТР) характерні малі розміри датчиків (до 0,2 мм), мала інерційність (до 1 с) і висока чутливість, проте гірша, порівняно з металевими резисторами, стабільність.

Термошумові термометри. Тепловий хаотичний рух носіїв зарядів в провідниках приводить до того, що на кінцях провідника виникає випадкова напруга. Амплітуди цієї напруги підкоряються закону розподілу Гаусса (нормальний закон), математичне сподівання якого дорівнює нулю, а дисперсія залежить від температури провідника. Середньоквадратичне значення напруги теплового шуму провідника лінійно пов'язане з його термодинамічною температурою. Таким чином, змірявши середньоквадратичне значення шуму, визначають температуру провідника. За допомогою термометрів, побудованих за цим принципом, можна вимірювати температуру в широкому діапазоні з похибкою до сотих часток градуса.

Дія магнітних термометрів (МТ) заснована на залежності магнітної сприйнятливості (MB) парамагнетиків від температури. Застосовуються МТ для вимірювання наднизьких температур. Один з поширених магнітних термометрів — цезіймагнієвий нітрат. Зв'язок MB з температурою визначається законом Кюрі.

З термочастотних термометрів найбільшого поширення набули кварцові термометри, дія яких заснована на температурній залежності власної резонансної частоти кварцових п’єзоелементів. Для термометрії застосовують елементи з такими зрізами, щоб температурний коефіцієнт частоти (ТКЧ) був максимальний. Такі датчики можна включити в схему високочастотного (або релаксаційного) генератора, частоту якого можна зміряти безпосередньо частотоміром. Кращі результати дає схема, в якій частота датчика порівнюється з частотою опорного п’єзоелементу, вирізаного з кварцу з орієнтацією зрізу, при якій ТКЧ мінімальний. Резонансна частота є лінійною функцією температури.

Дія термоємнісних термометрів заснована на зміні діелектричної постійної діелектриків залежно від температури. Найбільш придатні матеріали — тригліцінсульфат (ТГС) і барійстронцієвий титанат (БСТ).

При вимірюваннях температури конденсатор (наприклад, з БСТ як діелектрик) включають в коливальний контур, резонансна частота якого при цьому залежить від температури.

Термотранзисторними термометрами (ТТТ) прийнято називати датчики на основі транзисторів, термометричною характеристикою яких служить, зазвичай, напруга емітер–бази. Для ТТТ характерна стабільність і лінійність характеристик перетворення, висока чутливість, малі габарити і маса, економічність. Прилади з ТТТ містять мостову вимірювальну схему, одним з плечей якої є перехід емітер – база транзистора, на колектор якого подається замикаюча напруга. Дискретність відліку для ТТТ складає 0,05 … 1°С; похибка близько 0,1°С.

Волоконно-оптичні термометри (ВОТ) — одні з найбільш перспективних датчиків температури. Вони виконуються з кварцового моноволокна діаметром 0,2 … 1 мм, завдовжки до 100 м, на торці якого, що вводиться в контрольований об'єм, розташовується мікрокапсула з речовиною, що змінює свої оптичні властивості при нагріванні (люмінофор, рідкий кристал, двозаломлюючий кристал тощо). На іншому торці розташовуються джерело світла (зазвичай світлодіод) і фотодіод для реєстрації випромінювання, відбитого від капсули термодатчика. Переваги ВОТ – відсутність гальванічного зв'язку з об'єктом, нечутливість до електромагнітних перешкод, нетоксичність, малі габарити, висока швидкодія.

Дія термоіндикаторів заснована на зміні агрегатного стану, яскравості та кольору свічення деяких речовин при нагріві. З їх допомогою можна швидко отримати інформацію про тепловий режим об'єкту. Перевагою термоіндикаторів є можливість запам'ятовування розподілу температур в процесі випробувань, простота і наочність, економічність. До недоліків термоіндикаторів слід віднести інерційність, порівняно невисоку точність, необхідність нанесення на виріб спеціальних покриттів, складність вивчення динамічних температурних режимів. Включення їх в системи терморегулювання представляє значні труднощі.

Термохромні термоіндикатори з хімічною взаємодією компонентів (галоїдні комплексні солі срібла, ртуті, міді) можуть вступати в реакцію з металами, тому їх наносять на стрічки з тканини, паперу, фольги та ін. Існують оборотні (що багато разів міняють колір при нагріві) і необоротні термоіндикатори цього типу.

Рідкокристалічними термоіндикаторами є органічні сполуки, рідини (текучість), що одночасно володіють властивостями, і твердого кристалічного тіла (анізотропія, подвійне промене-заломлення). При зміні температури рідкий кристал міняє свій колір. Рідкі кристали ефективно використовують при дослідженні температур в електронних схемах для виявлення дефектів типу порушення загальної. Вони випускаються у вигляді плівок або рідких розчинів.

Плавкі термоіндикатори існують двох типів: плавкі покриття і термосвідки. Покриття випускають у вигляді термокрейди (крейди), термолаків, термопігулок (термопорошків). Виготовляються на основі воску, стеарину, парафіну або з'єднань сірки, цинку, свинцю (для високих температур). На поверхні виробу термоолівцем наносять риску, яка плавиться, досягши заданої температури. Дія термолаків аналогічна. Термосвідки є нанизаними на тугоплавкий дріт пластинками з металів, плавких при різних температурах.

Дія люмінофорних термоіндикаторів заснована на температурній залежності кольору або інтенсивності люмінесценції деяких речовин, наприклад сульфідів цинку і кадмію. Недоліком люмінофорних індикаторів є необхідність точної стабілізації збудли-вого люмінесценцією випромінювання (зазвичай ультрафіолетового).

Принцип дії ізооптичних термоіндикаторів (ІОТ) заснований на ефекті Хрістіансена, що полягає в розсіюванні світла сумішшю двох прозорих середовищ (наприклад, порошок скла в гліцерині), якщо показники заломлення компонентів різні. При збігу цих показників для якої-небудь частоти світла спостерігається селективне посилення направленого пропускання суміші. Залежність дисперсійної характеристики деяких органічних рідин від температури приводить до зміни кольору суміші в світлі, що проходить, при її нагріві. Випускаються ІОТ у вигляді тонкостінних скляних капсул.

Безконтактні методи термометрії. Дія пірометрів випромінювання заснована на фотоелектричній, візуальній і фотографічній реєстрації інтенсивності теплового випромінювання нагрітих тіл, пропорційного їх температурі. Пірометри зазвичай мають об'єктив для фокусування випромінювання на фотодетектор, світлофільтри і блок електронної обробки сигналу. При контролі температури об'єктів в важкодоступних порожнинах застосовують параметри у поєднанні з волоконно-оптичними світлопроводами. Калібрування пірометрів проводиться за еталонними джерелами: абсолютно чорне тіло (АЧТ), пірометричні лампи.

Пірометрами яскравості вимірюють спектральну яскравість об'єкта на певній довжині хвилі, яка порівнюється з яскравістю АЧТ, Як АЧТ використовується спіраль спеціальної лампи розжарювання. Пірометри яскравості застосовують для вимірювання високих температур (св. 600 °С), при яких тіла починають випромінювати у видимій області, а інтенсивність випромінювання достатня для його реєстрації у вузькому спектральному діапазоні візуально або за допомогою фотоприймачів типу ФЕУ, фотодіоду.

Колірними пірометрами вимірюють інтенсивності випромінювання об'єкта в двох вузьких зонах спектру, відношення яких порівнюється з відповідним відношенням для АЧТ. Свідчення колірних пірометрів не залежать від коефіцієнта випромінювання об'єктів.

Радіаційні пірометри, що працюють в широкому спектральному діапазоні, застосовують для вимірювання температури слабко нагрітих тіл (–100 ... +400 °С). У них використовують, зазвичай, оптичні системи з матеріалів, прозорих в інфрачервоній (ІЧ) області спектру (ІЧ-скло, деякі кристали, кераміка) або дзеркальні (ахроматичні) об'єктиви. Як фотоприймачі застосовують теплові детектори (піроелектрики, болометри) або фотонні приймачі (фотоопори, фотодіоди). Пірометрами СВЧ діапазону можна вимірювати температуру підповерхневих шарів об'єктів.

Тепловізори застосовують для візуалізації зображень слабко нагрітих тіл і оцінки їх температури в окремих точках методами скануючої пірометрії, тобто шляхом послідовного перегляду (сканування) об'єкту вузкоканальною оптичною системою з ІЧ-приймачем і формуваннями видимого зображення за допомогою систем, аналогічних телевізійним. Сканування здійснюється оптико-механічними системами або електронними засобами.

Найбільшого поширення набули оптико-механічні тепловізори, зокрема цифрові з системами оперативного запам'ятовування теплових зображень і з пристроями їх автоматизованої обробки за допомогою мікро-ЕОМ і мікропроцесорів. У оптико-механічних системах як приймачі випромінювання застосовують фотоопори з сурм'янистого індія (спектральна чутливість 2 … 5,6 мкм) або зі сплаву кадмій-ртуть-теллур (КРТ) (спектральна чутливість
8 … 14 мкм), охолоджуваних рідким азотом (рідше – термоелект-ричним холодильником). Сканування реалізується багатогранним барабаном, що зазвичай обертається, або дзеркалом, що коливається. Перспективні сканери рефракцій, що володіють високою якістю зображення при великих полях зору. Створені малогабаритні автономні тепловізори. Все більшого поширення набувають тепловізори з електронним скануванням зображень на основі піровідіконів. Конструкція піровідікона аналогічна конструкції відікона. Піровідікони мають спектральну чутливість мішені
0,2 … 20 мкм, температурну чутливість 0,1°С (при 50 рядках розкладання). Вони не вимагають охолоджування.

Лазерні пірометри (ЛП) реалізуються за допомогою традиційних схем, прийнятих в газодинамічному експерименті (тіньові, інтерференційні), а також на основі нових оптико-фізичних ефектів (когерентного розсіяння світла і так далі). Тіньові та інтерференційні лазерні пірометри дозволяють візуалізувати і (або) обчислювати розподіл поля показника заломлення за перетином потоку газу або рідини, яке пов'язано з температурним полем відомими законами газової динаміки. Набувають поширення лазерні томографи, що дозволяють обчислювати поля температур в поперечних перетинах факелів полум'я, потоків газу або рідини. Лазерні пірометри, що працюють на ефекті комбінаційного розсіяння світла, дозволяють фокусувати випромінювання в будь-яку точку вимірюваного об'єму. Інформація про температуру середовища поміщена в інтенсивності та частоті розсіяного газом випромінювання, реєстрованих спектро-аналізатором з ФЕУ. ЛП цього типу перспективні для контролю температур газів в складних умовах. Застосування перебудовуваних по частоті лазерів дозволить застосовувати методи резонансного комбінаційного розсіяння світла, що відрізняються підвищеною чутливістю.

Дія пірометрів спектрофотометрій заснована на вимірюванні інтенсивності характерних для нагрітих газів (полум'я) спектральних ліній поглинання оптичного випромінювання, яка визначається температурою середовища. Середовище просвічується світлом широкосмугового джерела (лампа розжарювання, газорозрядне джерело і так далі). Монохроматичне випромінювання реєструється фотодіодом.

Принцип дії акустичних пірометрів заснований на залежності швидкості звуку від температури. Для ідеального газу фазова швидкість розповсюдження звуку не залежить від амплітуди і частоти коливань. Для точних вимірювань важливий облік вологості повітря. Найбільші можливості для термометрії дають ультразвукові (УЗ) коливання. Швидкість УЗ вимірюється стандартним методом. У імпульсних УЗ-пірометрах (УЗП) випромінювач і приймач зазвичай суміщені. Можлива реалізація і фазових УЗ-пірометрів на безперервному УЗ-опроміненні. Переваги УЗП, що працюють з газовими середовищами, – практична неінерційність і відсутність термометричного тіла, яка безпосередньо сприймає зміну температури і, як наслідок, що вносить похибки до вимірювань. Акустичні пірометри реалізуються і на твердотільних датчиках, які працюють на поверхневих акустичних хвилях.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ	\|	Лекції 4-6

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.021 сек.