• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Лекція 4. «Прилади для вимірювання кількості та витрати речовини»

План

1. Фізичні основи вимірювання температури.

2. Термометри розширення. Будова, принцип роботи.

3. Манометричні термометри. Будова, принцип роботи.

4. Термоперетворювачі опору. Будова, принцип роботи.

5. Термоелектричні перетворювачі. Будова принцип роботи.

6. Пірометри випромінювання та акустичні вимірювачі температури.

1.Найважливіший показник стану чи перебігу хіміко - технологічних процесів, а нерідко й характеристика досягнутих кінцевих результатів - температура. Окрім цього, велика кількість інших параметрів, не будучи зведеними до певного значення температури контрольованої речовини, повністю або частково втрачають свою інформативність (наприклад, гус­тина та в'язкість рідин).

Однією з особливостей хімічних виробництв є те, що діапазон зміни температури в різних процесах та на їх окремих стадіях дуже широкий. Тому досить широкий і набір існуючих методів вимірювання температур різних речовин та асортимент використовуваних засобів вимірювання.

Температура - це фізична величина, що характеризує тепловий стан (ступінь нагрітості) тіла і є мірою його внутрішньої кінетичної енергії. Багато фізичних властивостей залежать від температури (лінійні розміри твердих тіл, твердість, пластичність, модуль пружності, в'язкість, густина, електропровідність, надпровідність тощо).

Виміряти температуру речовини безпосередньо так, як наприклад вимірюють інші величини через порівняння їх зі зразками (довжину, масу, об'єм), не можна, оскільки неможливо створити еталон одиниці температури. Вимірювати температуру можна лише непрямими вимірюваннями, ґрунтуючись на залежності від температури таких фізичних властивостей тіл, які піддаються безпосередньому вимірюванню. Ці властивості тіл називають термометричними.

Для переходу до кількісного вираження температури необхідно встановити шкалу температури (температурна шкала - конкретний функціональний числовий зв'язок температури зі значеннями вимірюваної термометричної властивості), тобто обрати початок відліку (нуль шкали) та одиницю виміру температурного інтервалу (градус).

Перші шкали появилися у ХVШ столітті. Для їх побудови обирали дві опорні (реперні) точки (t₁і t₂, які являють собою легко та досить точно відтворювані стани термометричного тіла, наприклад, температури фазової рівноваги (кипіння, плавлення, затвердіння) чистих речовин. Потім отриманий температурний інтервал t₂−t₁, їїподіляли на певну кількість рівних частин n, а значення (t₂−t₁) / n брали за одиницю температури - градус (лат. gradus - крок, ступінь).

Ґ. Фаренгейт (1724), Р. Реомюр (1730) та А. Цельсій (1742) для побудови шкал за реперні точки брали точки плавлення льоду (t₁)та кипіння води (t₂). Але оскільки їм присвоювали різні числові значення температури (у Фаренгейта 32 та 212 градусів, у Реомюра 0 і 80 градусів, у Цельсія 0 та 100 градусів відповідно), а відтак ділили один і той же температурний діапазон на різну кількість однакових відрізків (у Реомюра - 80, у Цельсія -100, у Фаренгейта - 180), то отримали різні шкали, в яких одиниці виміру мають таке співвідношення:

t, °С = 5/4t, °R = (5/9)(t, °F − 32).

Для побудови цих шкал було використано лінійну залежність між об'ємним розширенням рідини і температури, тобто

dt = kdV,

де k - коефіцієнт пропорційності (відповідає відносному температурному коефіцієнтові об'ємного розширення).

У природі немає рідин з лінійною залежністю між коефіцієнтом об'ємного розширення та їх температурою, до того ж ця не лінійність у різних термометричних речовин різна, тому показання таких термометрів залежать від природи термометричного тіла (ртуті, спирту, гасу і т. ін.).

Відповідно до системи СІ для вимірювання температури використовують абсолютну термодинамічну шкалу Кельвіна. Градуси температури по цій шкалі відраховують від абсолютного нуля, що нижче від точки танення льоду на 273,16 К. Поряд з цим 1990 року прийнято Міжнародну температурну шкалу МТШ-90 (їй передували Міжнародна температурна шкала, введена 1927 року, та перехідні міжнародні практичні шкали МПТШ-48, МПТШ-68, МПТШ-76, введені відповідно 1948, 1968 та 1976 р.), в основу якої покладено шкалу Цельсія.

Більшість сучасних термометрів мають шкалу в градусах Цельсія, але для технічних розрахунків частіше застосовують градуси Кельвіна (кельвін -одиниця термодинамічної температури, що дорівнює 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води). Значення температури в градусах Кельвіна на 273,16 більше від її значення у градусах Цельсія (в інженерних розрахунках інколи припускають 0 °С за 273 К):

T(К) = t(°С) +273,16.

Класифікація промислових вимірювачів температури. У різних галузях науки і техніки використовують дуже багато принципів та засобів вимірювання температури. Найбільш поширені промислові засоби вимірювання температури, поділені за видом використовуваної термометричної властивості, наведено в табл. 1. Легко бачити, що перші чотири групи засобів вимірювання температури реалізують контактні методи вимірювання, п'ята - безконтактні.

Таблиця 1.Промислові засоби вимірювання температури

До безконтактних методів вимірювання температури слід також віднести радіохвильові, які впродовж останніх 25-30 років завдяки появі високочутливих радіометричних систем та пристроїв надвисокочастотного (НВЧ) діапазону набули істотного поширення. Втім, радіохвильові методи вимірювання температури та апаратуру, яка їх реалізує, поки що рідше використовують у промисловості та сільському господарстві, оскільки подібна апаратура досить складна і дорога. Водночас НBЧ - термометрія перспективна в наукових дослідженнях фізичних тіл та біологічних об'єктів, що пояснюється високою чутливістю та можливістю безконтактної реєстрації інформації про температуру об'єкта дослідження.

Той чи той метод вимірювань вибирають за низкою чинників, зокрема за значеннями вимірюваних температур, агресивністю досліджуваного середовища та динамічними його характеристиками, а також потрібною чутливістю і точністю вимірювання.

2.Залежно від виду термометричних речовин, використовуваних у приладах, термометри розширення розподіляють на рідинні та механічні. Термометри розширення прості за конструкцією, дешеві і мають достатню для практичних вимірювань точність. У зв'язку з обмеженими функціональними можливостями їх майже не використовують у системах автоматичного керування. Вади цих термометрів - значна теплова інерція та неможливість реєструвати й передавати вимірювальну інформацію на відстань.

Рідинні скляні термометри. Такі термометри використовують здебільшого для візуального контролю температури в промислових умовах та лабораторній практиці в межах мінус 30... +500 °С (вироблені у 80-х -90-х роках - до +750 °С). Для вимірювання температур до 1000 °С використовують спеціальні сплави, наприклад сплав талію, а резервуар термометра виготовляють із кварцового скла.

За конструктивним виконанням їх поділяють на такі:

- паличкові, виконані у вигляді товстостінного капіляра, на зовнішню поверхню якого нанесено шкалу;

- із вкладеною шкалою; у них шкалу нанесено на прямокутну пластину молочного кольору, що кріпиться позаду капілярної трубки. Все це разом поміщено в захисну скляну оболонку, припаяну до скляного резервуара циліндричної форми.

Для заповнення таких термометрів можна використовувати різні рідини: ртуть, толуол, етиловий спирт, гас, петролейний ефір, пентан. Недолік ртуті з погляду термометрії - невелике значення коефіцієнта об'ємного розширення (найменше серед названих рідин), а органічних рідин - зниження точності відліку через змочення ними скла.

Для розширення діапазону вимірювання ртутних термометрів простір над ртутним стовпчиком в капілярі заповнено сухим, очищеним від кисню інертним газом під тиском (для температур понад 200 °С). Тиск газу має бути тим більший, чим більша верхня границя вимірювання. Це зумовлено потребою запобігти пароутворенню ртуті, температура кипіння якої становить 356,58 °С, у резервуарі за високих температур (так, у термометрах з верхньою границею вимірювання до 750 °С ртуть у капілярі перебуває під тиском близько 7 МПа).

Технічні термометри виготовляють прямими чи загнутими під кутом 90° і лише зі вкладеною шкалою, довжина нижньої частини термометра 63... 1000 мм. Для захисту від механічних пошкоджень їх укладають у металевий корпус. Загальна вада таких термометрів - складність організації неперервного вихідного сигналу, тому їх не використовують у системах керування. Винятком є ртутні електроконтактні термометри розширення, які спрацьовують у разі досягнення ртутним стовпчиком певної температурної відмітки.

Механічні термометри. Їхзастосовують як для вимірювання, так і для регулювання (сигналізації) температури. Залежно від конструкції ЧЕ розрізняють дилатометричні та біметалеві термометри. Для вимірювання температури дилатометричними термометрами використовують різницю між абсолютними лінійними подовженнями двох стрижнів, виготовлених з різних матеріалів.

Біметалевий термометр складається з двох спаяних поміж собою та зігнутих металевих пластинок з різними коефіцієнтами лінійного розширення. Унаслідок зміни температури в обох конструкціях створюється зусилля пружної деформації, а переміщення, що виникає при цьому, стає пропорційним величині зміни температури. Біметалеві термометри останнім часом набули широкого застосування, оскільки вони для вимірювання не потребують живлення зовнішньої енергії.

Електроконтактні технічні термометри Ртутні електроконтактні термометри застосовують для сигналізації та регулювання (у найпростіших схемах - в лабораторних термостатах, сушильних шафах і т. ін.) температури в лабораторних і промислових умовах, у колах постійного та змінного струмів. Стовпчик ртуті є одним контактом, а дріт у капілярі - другим контактом електричного вимикача.

Електроконтактні термометри виготовляють із постійними впаяними контактами (при цьому точка перемикання фіксується й не може бути змінена згодом) або з одним рухомим контактом, який можна переміщувати всередині капіляра за допомогою спеціального пристрою (магнітної муфти), і другим нерухомим контактом, упаяним у капіляр термометра. Замикання (розмикання) електричного кола між контактами в обох випадках відбувається внаслідок розширення (стискання) ртуті під час нагрівання (охолодження) нижньої частини термометра. Для захисту контактів простір над ртуттю в капілярі заповнюють захисним газом (переважно воднем, заздалегідь позбавленим вологи й кисню).

Будову електроконтактного ртутного термометра з магнітним переставлянням контакту показано на рис. 1.

Рисунок - Схема ртутного електроконтактного термометра з рухомим контактом:

1 - циліндричний якір; 2 - магніт; 3 - мідний провід; 4 - овальна скляна трубка;

5 - овальна гайка; б - мікрогвинт; 7- підп'ятник; 8 - рухомий контакт; 9 - напрямна втулка; 10 - капіляр; 11 - нерухомий контакт; 12 - мідний провід.

Він має дві шкали - верхню та нижню. Верхню допоміжну шкалу нанесено на шкальну пластину вздовж овальної скляної трубки 4, припаяної до капіляра 10. Покажчиком цієї шкали для налагодження термометра є овальна гайка 5, яка під час обертання мікрогвинта 6 може переміщуватися по ньому вверх або вниз усередині овальної скляної трубки. Верхній кінець мікрогвинта жорстко з'єднаний зі сталевим циліндричним якорем, а нижній його кінець опирається на підп'ятник 7. Обертання верхнього ковпачка із закріпленим у ньому постійним магнітом 2 приводить в обертання циліндричний якір 1, закріплений на вершині мікрогвинта 6. Обертання останнього викликає переміщення овальної гайки 5 уздовж мікрогвинта б уверх або вниз.

Термометр має один нерухомий і один рухомий контакти. Нерухомий контакт 11, з'єднаний із мідним проводом 3, впаяний у капіляр 10 нижче від нульової поділки основної шкали. Рухомий контакт 8 виготовлено з тонкого вольфрамового дроту, верхній кінець якого закріплено в овальній гайці 5. Нижня частина вольфрамового дроту проходить через отвір у підп'ятнику 7, далі стикається з вивідним провідником, припаяним до підп'ятника, і потім проходить через отвір напрямної скляної втулки 9, упаяної в розширену частину капіляра. Отже, нижній кінець вольфрамового дроту 8 є рухомим контактом термометра і обертанням верхнього ковпачка може переміщуватись усередині вимірювального капіляра у будь-яку точку діапазону вимірювання. Якщо овальна гайка пересувається вздовж мікро гвинта за допомогою магніту 2 на певну поділку верхньої шкали, то нижній кінець вольфрамового дроту (рухомий контакт 8) встановлюється проти такої ж поділки нижньої (основної) шкали. Із нагріванням (охолодженням) нижньої частини термометра до заданої температури ртуть у капілярі з'єднує (розмикає) нижній контакт із рухомим контактом. Для електроконтактних термометрів зазвичай застосовують універсальні реле, що працюють за напруг 24,48 і 110 В постійного струму та 36, ПО, 127 і 220 В змінного струму. Максимальний комутаційний струм через контакти термометра за напруги 220 В змінного струму не повинен перевищувати приблизно 50 мА.

Допустимі відхилення відліку за шкалою електроконтактного термометра для його налагодження мають не перевищувати ціну найменшої поділки. У разі застосування електроконтактного термометра нижня його частина має бути повністю занурена в контрольоване середовище.

Ртутні скляні термометри завдяки простій будові та монтажу, деше­визні та відносно високій точності показань досить широко застосовують у лабораторній і виробничій практиці. Основні недоліки рідинних скляних термометрів - неможливість реєстрації та передавання показань на від­стань, велика теплова інерція.

3.Принцип дії манометричних термометрів (МТ) ґрунтується на вимірюванні тиску робочої (термометричної) речовини в замкненому об'ємі термосистеми під час зміни її температури (за умови незмінного об'єму).

Термосистема МТ (рис. 2)складається з термобалона 1, капіляра 2 і трубчастої пружини 4 вимірювача тиску, оснащеного пружинним термо-компенсатором 5.

Рисунок 2 – Будова манометричного термометра.

Зміна температури в об'єкті вимірювання змінює тиск у термобалоні 1, який через капілярну трубку 2 передається на манометричну пружину 4 вимірювача тиску. Під дією тиску вільний кінець пружини переміщується, що призводить до переміщення стрілки відносно шкали манометричного термометра. Геометричні розміри термобалона (виробляється з латуні чи спеціальних сталей) залежать від типу та призначення МТ: діаметр 5...30 мм, довжина 60...500 мм. Капіляр являє собою мідну чи сталеву трубку з внутрішнім діаметром 0,1.. .0,5 мм і довжиною до 60 м. Для передавання сигналу МТ на більшу відстань застосовують пристрої дистанційного передавання тиску 3- зазвичай це безшкальні дифманометри 13ДЦ11 з пневматичним вихідним сигналом.

За видом речовини, якою заповнено термосистему, МТ поділяють на газові, рідинні та конденсаційні.

Манометричним термометрам притаманні такі види похибок:

- барометрична - визначається впливом коливань атмосферного тиску на манометричну пружину вимірювача тиску;

- гідростатична - визначається різною висотою розміщення термобалона та вторинного перетворювача (має істотне значення тільки для рідин­них та конденсаційних МТ);

- температурна - визначається впливом температури навколишнього повітря на зміну об'єму термосистеми (капіляра та манометричної пружини).

Газові манометричні термометри. В основу принципу роботи газових МТ закладено закон Гей-Люссака, який встановлює залежність тиску ідеального газу від його температури. Термосистема заповнюється інертним газом (азотом, аргоном, гелієм) під початковим тиском 1,0...3,0 МПа (цим компенсується вплив коливань барометричного тиску). Для зменшення температурної похибки, зумовленої зміною температури довкілля, співвідношення об'ємів термобалона та капіляра з манометричною пружиною має бути великим, тому розміри термобалона збільшують до діаметра 20...30 мм та довжини 250...500 мм (тільки для цілей термокомпенсації, оскільки об'єм термобалона не залежить ні від робочого тиску, ні від діапазону вимірювання).

Для зменшення температурної похибки використовують також механічний термокомпенсатор 5, що являє собою біметалеву пластину, зігнуту у вигляді скоби. Зі змінюванням температури навколишнього середовища біметалева пластина розгинається (згинається), даючи можливість вільному кінцеві манометричної пружини зміститися під дією температурного приросту тиску в термосистемі. При цьому поворотний зубчастий сектор, а отже, й стрілка МТ залишаються нерухомими. Іноді з цією ж метою (у разі потреби вимірювання з підвищеною точністю) застосовують диференціальну термосистему, яка містить ще одну термосистему з аналогічними параметрами, але без термобалона, тому вона сприймає вплив тільки температури довкілля. Показання МТ з диференціальною термосистемою формує різниця зусиль двох манометричних пружин, що майже виключає вплив температури навколишнього середовища.

Рідинні манометричні термометри. Термосистему рідинних МТ заповнюють ртуттю під тиском 10... 15 МПа за кімнатної температури або толуолом, ксилолом, пропиловим спиртом чи силіконовими рідинами під тиском 0,5...5 МПа; при цьому діапазон вимірювання для ртуті становить мінус 35...+600 °С, для органічних рідин - мінус 150...+300 °С (виробляються також манометричні термометри, наприклад, типу 73 (Німеччина), з діапазоном вимірювання мінус 200...+700 °С). До рідин, використовуваних у МТ, ставляться такі вимоги: якомога більший коефіцієнт об'ємного розширення, висока теплопровідність, мала теплоємність і хімічна інертність до матеріалу термометра.

Заходи для зменшення похибок, спричинених зміною температури навколишнього середовища, ті ж самі, що й для газових МТ. З метою компенсації температурної похибки в рідинних МТ використовують також інварний компенсатор, принцип дії якого грунтується на тому, що всередину капілярної трубки вставляється дріт з інвару, тож робоча речовина займає кільцевий зазор між дротом і внутрішньою стінкою капіляра. Діаметр інвару підбирають таким, щоб зі зміною температури приріст об'єму кільцевого зазору в капілярі дорівнював температурному приросту об'єму рідини в зазорі.

Рідинним МТ притаманна гідростатична похибка, зумовлена різною висотою монтажу термобалона та вимірювача тиску. її можна компенсувати після монтажу приладу шляхом механічного зміщення покажчика приладу на потрібне значення шкали.

Конденсаційні манометричні термометри. Як термометричні речовини в конденсаційних МТ використовують легкокиплячі рідини: пропан, етиловий ефір, ацетон, толуол і т. ін. Термобалон заповнюється конденсатом приблизно на 0,75 об'єму, а простір над конденсатом - парою цієї рідини.Капіляр та манометрична пружина заповнені зазвичай тією ж рідиною (конденсатом). Капіляр уводять у термобалон так, щоб нижній його кінець завжди був занурений у робочу рідину.

У конденсаційних МТ використовують властивість кожної рідини мати свій характеристичний тиск пари, який залежить лише від температури, а не від об'єму. Тиск у термосистемі дорівнює тискові насиченої пари робочої рідини за вимірюваної температури. Оскільки залежність тиску насиченої пари від температури хоча й однозначна, але й нелінійна, то і шкала конденсаційних МТ має значну нерівномірність. Для отримання рівномірної шкали такі МТ обладнують спеціальними лінеаризувальними пристроями.

Робочий тиск в конденсаційних МТ залежить від границь вимірювання та природи робочої рідини. Важлива перевага цих МТ - це те, що їх показання не залежать від зміни температури довколишнього середовища: температурний приріст об'єму рідини, яка заповнює капіляр та пружну трубку манометра, витискується до термобалона, не змінюючи робочого тиску в термосистемі, оскільки цей приріст мізерний порівняно з об'ємом вільного простору термобалона.

Конденсаційні МТ менш інерційні (термобалон невеликий) і високочутливі, оскільки тиск насиченої пари різко змінюється зі зміною температури, їм притаманні гідростатична та барометрична похибки, причому остання - тільки на початковій ділянці шкали, коли тиск у термосистемі ще незначний Загальні вади МТ - необхідність частої (через можливість розгерме­тизації термосистеми) перевірки, складність ремонту (важко знайти мікро-тріщину в капілярі), інерційність, великі габарити термобалона (особливо в газових МТ).

4.Принцип дії термоперетворювачів опору (на практиці поширена назва термометри опору) ґрунтується на властивості провідників чи напівпровідників змінювати електричний опір у разі змінення температури. Для перетворень температури використовують матеріали, які мають високу стабільність ТКО, високу відтворюваність електричного опору для цієї температури, значний питомий електричний опір і високий ТКО, стабільність хімічних і фізичних властивостей під час нагрівання, інертність до дії досліджуваного середовища.

Провідникові ТО складаються з ЧЕ, що являє собою тонкий металевий провідник, намотаний на каркас з ізоляційного матеріалу (кварцу, кераміки), та захисного чохла. Існують також і інші конструктивні рішення ТО - наприклад, пружинна навивка з поплавком для вимірювання середньої температури рідини в резервуарі.

Матеріал ЧЕ ТО має бути дуже чутливим до змінювання температури (характеризується ТКО, який показує величину приросту опору в разі змінювання температури ТО на один градус). Робочий струм у ЧЕ не перевищує 10... 15 мА. Тепло, яке при цьому виділяється, дуже мале й майже не впливає на точність вимірювання. Термоперетворювачі опору дозволяють надійно вимірювати температуру в межах мінус 260...+1100 °С. Біфілярна (подвійно-зустрічна) намотка провідника дозволяє компенсувати індуктивну складову опору.

Із провідникових матеріалів широко застосовують платину. Цей благородний метал навіть за високих температур в окисному середовищі не змінює своїх фізичних і хімічних властивостей. Температурний коефіцієнт опору в діапазоні 0...100 °С становить приблизно 1/273 град⁻¹, питомий опір за температури 20 °С - 0,105·10⁻⁶ Ом·м, діапазон перетворюваних температур - від мінус 260 до + 1100 °С. Вади платинових перетворювачів опору: висока вартість платини, досить висока забруднюваність її за високих температур парами металів (особливо заліза), порівняно невисока хімічна стійкість у відновному середовищі, унаслідок чого вона стає крихкою і втрачає стабільність характеристик, а також нелінійність функції.

Мідь завдяки низькій вартості і досить високій стійкості до корозії, широко застосовують у перетворювачах температури в діапазоні мінус 200...+200 °С. Температурний коефіцієнт опору міді а, = 1/234,7 К ⁻¹, залежність електричного опору від температури – лінійна.

Головною вадою мідних ТО вважають високу окиснюваність під час нагрівання, через що їх застосовують у порівняно вузькому діапазоні температур у середовищах з низькою вологістю та без агресивних газів.

Крім платини та міді, для ЧЕ ТО використовують нікель- хімічно стійкий матеріал навіть за високих температур, проте має складну залежність опору від температури і невисоку її відтворюваність.

Напівпровідникові ТО (термістори) відрізняються від металевих більшим значенням ТКО, меншими габаритами та незначною інерційністю. Крім того, їх ТКО зазвичай від'ємний і сильно залежить від температури.

До переваг напівпровідникових ТО слід також віднести великий питомий опір, тому, маючи навіть невеликі розміри, вони мають значний номінальний опір (від декількох до сотень кілоомів), який дозволяє не враховувати опору з'єднувальних проводів. Малі розміри напівпровідникових ТО забезпечують можливість безінерційного вимірювання температури.

Існує багато видів напівпровідникових терморезисторів, які вирізняються конструктивними і технічними параметрами. Це стрижневі напівпровідникові терморезистори, покриті емаллю чи герметизовані металевою капсулою, краплеподібні, герметизовані склом і т. ін. Із відомих типів термісторів найбільшого поширення набули зонди та ЧЕ, які конструктивно схожі на звичайні резистори, за винятком використовуваних матеріалів. Для виготовлення термісторів зазвичай використовують суміші полікристалічних напівпровідникових оксидів металів (Мg, МgА1₂O₄, Мn₂O₃, Fе₃O_{4 ,} Со₂О₃, NiO, ZnТіO₄), що спікаються у формі під тиском. Ці матеріали формують у вигляді кульок, дисків, стрижнів або шайб, які потім вміщують у капсули зі скла, пластику або металу, а іноді покривають цими матеріалами. Невеликі розміри ЧЕ (близько 1 мм) забезпечують їх високу динамічну рeакцію, а деякі мініатюрні типи елементів мають динамічну реакцію всього кілька мікросекунд.

Недоліками напівпровідникових ТО, що суттєво знижують їх експлуатаційні якості, є значна нелінійність залежності опору від температури та невідтворюваність градуювальної характеристики. Тому напівпровідникові ТО одного й того ж типу мають індивідуальні градуювання та вельми посередню взаємозамінність (відхилення опору термісторів від номінального значення зазвичай становить ± 10 %). Добра взаємозамінність цих резисторів забезпечується високою точністю й стабільністю технології виготовлення. Робочий діапазон температур від мінус 50 до +120 °С (інші термістори зазвичай використовують у діапазоні мінус 50...+300 °С).

Напівпровідникові ТО відносно рідко використовують для вимірювання температури. Натомість вони набули широкого застосування в схемах сигналізації внаслідок притаманного їм релейного ефекту - стрибкоподібної зміни опору з досягненням певної температури. Висока чутливість термісторів до температури дозволяє застосовувати їх для виявлення та вимірювання дуже незначних змін температури: від 10⁻⁴ до 10 ⁻³ К.

5.

Загальні відомості.Основу будь-якого ТП становить термопара, утворена двома провідниками А і В, два з'єднання (спаї) яких мають різні температури (t₁ і t₂).Це зумовлює появу на виході термопари ЕРС залежну, з одного боку, від матеріалу провідників А і В, з другого боку - від температур t₁ і t₂(її називають термо-ЕРС). Зазвичай температура одного спаю t₁(його називають холодним) постійна й відома; вона слугує опорною (нульовою) точкою й позначається через t₀. Температура другого спаю t₂(його називають гарячим або робочим) - це температура, якої набуває цей спай у досліджуваному середовищі з температурою t, що підлягає вимірюванню. Оскільки вимірювальна інформація надходить від спаю, розміри якого можуть бути дуже малими, це забезпечує високу швидкодію й дозволяє проводити точкові вимірювання температури. Зазначені дві особливості визначають перевагу застосування термопар порівняно з ТО. Інша перевага термопари полягає у вироблюваному сигналі - термо-ЕРС, для вимірювання якого немає потреби пропускати струм через термоелемент, а тому не виникає, як у випадку з ТО, похибки, пов'язаної із саморозігрівом, що істотно для вимірювань у системах з малою тепловою інерцією, а також у разі вимірювання низьких температур.

В основі принципу дії термопари лежить відкрите у 1821 р. Зеебеком явище термоелектричного ефекту (ефект Зеебека): якщо в замкненому контурі, утвореному двома провідниками (термоелектродами) А та В (рис. 3), виготовленими з різних металів чи сплавів, місця їх з'єднання матимуть різну температуру, то в такому контурі проходитиме електричний струм.

Рисунок 3 – Схема термопари.

У разі розмикання такого кола на його кінцях виникає термо-ЕРС (її можна виміряти), величина та напрям якої залежать від матеріалу термо-електродів А та В і від різниці температур у спаях (чим вона більша, тим більша й термо-ЕРС). Робочий кінець (гарячий спай) ТП створюють спаюванням або зварюванням термоелектродів, вільні кінці яких (холодний спай) приєднують за допомогою з'єднувальних проводів до вимірювальних приладів.

Важливо зазначити, що величина термо-ЕРС не залежить від розподілення температури по довжині термоелектродів, а визначається лише різницею температур гарячого спаю та вільних кінців (варто додати, що величина термо-ЕРС визначається хімічним складом термоелектродів термопари і не залежить від їх геометричних розмірів).

Для вимірювання термо-ЕРС у контур ТП підключають вимірювальний прилад за однією з двох схем (рис. 4). Обидві схеми можна подати як введення в коло ТП третього провідника.

Рисунок 4 – Схема вимірювання температури термопарами.

У разі підключення вимірювального приладу до роз'єднаного холодного спаю (рис. 4 а) ТП має один робочий спай 1 і два вільні кінці 2 та 3. Якщо ж вимірювальний прилад підключають до кінців розриву одного з термоелектродів (рис. 4 б), то ТП має чотири спаї: гарячий 1, холодний 2, а також нейтральні 3, 4 за постійної температури t₁.

Конструкція та статичні характеристики термоелектричних перетворювачів. У твердій захисній гільзі 4 (рис. 5) розміщено термоелектроди 2 термопари з надітими на них ізоляційними бусами 3. Спай 1 торкається дна захисної гільзи 4 або ізолюється від нього за допомогою керамічного наконечника. До вільних кінців термоелектродів у головці 6 (на рисунку - зі знятою кришкою) приєднуються подовжувальні або компенсуючі проводи 7. Захисна гільза 4 з розміщеною в ній термопарою вводиться в об'єкт вимірювання й кріпиться на ньому за допомогою штуцера 5.

Стандартні ТП випускають одинарними, подвійними та поверхневими - для вимірювання температури стінок об'єкта, або коли доступ усередину об'єкта ускладнений чи неможливий. Тепер дедалі ширше використовують ТП кабельного типу (гнучкі). Термоелектроди цих ТП розміщують у тонкостінній оболонці з високолегованої сталі (зовнішній діаметр оболонки 0,5...6 мм, довжина 10...30 м) й ізолюють від стінок гільзи та один від одного термостійким керамічним порошком.

Рисунок 5 – Конструкція термоелектричного перетворювача.

1 - робочий спай; 2 - термоелектроди; 3 - ізоляційні буси; 4 - захисна гільза;

5 - штуцер; 6 - головка (без кришки); 7- подовжувальні або компенсаційні проводи.

Номінальні статичні характеристики ТП, тобто залежність між тер-мо-ЕРС і температурою гарячого спаю, визначаються градуюванням ТП, і їх можна зобразити у вигляді графіків (рис. 6; наведений вигляд НСХ ТП - якісно-порівняльний, оскільки насправді вони мають незначну нелінійність; тому їх розбивають на окремі лінійні ділянки, що описуються відповідними поліномами), таблиць або аналітичних виразів.

Е, мВ

Рисунок 6 - Номінальні статичні характеристики ТП:

1 - хромель-копелевого; 2 - хромель-алюмелевого; З - вольфрамреній-вольфрамренієвого; 4 - платинородій-платинового; 5 - платинородій-платинородієвого.

До матеріалу термоелектродів ТП ставлять такі вимоги:

- стабільність і відновлюваність термоелектричних властивостей;

- достатньо велика термо-ЕРС;

- стійкість до впливу зовнішніх чинників, зокрема жаростійкість та механічна міцність;

- хімічна інертність;

- однозначна та лінійна залежність термо-ЕРС від температури;

- висока термоелектрична однорідність матеріалу провідників по дов­жині, що дозволяє відновлювати робочий спай без переградуювання;

- технологічність виготовлення, що забезпечує отримання взаємозамі-нюваних за термоелектричними властивостями матеріалів;

- дешевизна.

Вибираючи потрібний тип ТП, слід керуватися не тільки границями вимірювання та граничнодопустимим відхиленням (для деяких ТП їх наведено в табл. 2), але й знати особливості поведінки матеріалів, з яких їх виготовлено, у вимірюваному середовищі.

Вольфрамреній-вольфрамренієві термопари (тип ТВР) використовують для вимірювання температури до 2500 °С у відновних і нейтральних (інертних) середовищах, а також у вакуумі. Такі ТП використовують для вимірювання температури розплавлених металів.

Платинородій-платжородієві термопари (тип ТПР) придатні для неперервної роботи в окиснювальних та нейтральних середовищах у температурному діапазоні 600... 1700 °С. їх також можна використовувати для виконання короткочасних вимірювань у вакуумі. Такі термопари не рекомендується використовувати у відновному середовищі, що містить пари металів і неметалів.

Хромель-константанові термопари (тип ТХКн)рекомендується використовувати в окиснювальних або нейтральних середовищах; у відновних середовищах і вакуумі вони мають такі ж обмеження, що й термопари типу К. Термопари типу Е можна використовувати для вимірювання від'ємних температур, оскільки вони не піддаються корозії під час роботи в атмосфері з підвищеним умістом вологи. Вони виробляють найбільшу серед усіх відомих типів термопар термо-ЕРС.

Залізоконстантанові термопари (тип ТЗК)підходять для роботи у вакуумі, а також у різних середовищах: і нейтральних, і окиснювальних, і відновних. За температури близко 540 °С починається процес окиснення залізних термоелектродів. Термопари типу ТЗК не рекомендується використовувати для температур, що нижчі від температури точки замерзання води через їх крихкість і схильність до іржавіння (у цьому температурному діапазоні краще працюють термопари типу ТМКн).

Хромель-алюмелеві термопари (тип ТХА)використовують для вимірювання температури в окиснювальних та повністю нейтральних середовищах; завдяки стійкості до окиснювання їх часто використовують для температур понад 540 °С. Однак ці термопари не слід застосовувати у відновній і сірнистій атмосферах, а також у вакуумі.

Хромель-копелеві термопари (тип ТХК)стійко працюють в окиснювальному середовищі, трохи гірше - у відновному.

Платинородій-платинові термопари (типи ТПП 13 і ТПП 10) призначені для неперервної роботи в нейтральних і окиснювальних середовищах в температурному діапазоні 0... 1300 °С.

Мідь-константанові термопари (тип ТМКн)корозієстійкі (їх можна використовувати у вологому середовищі) і придатні для вимірювання від'ємних температур.

Таблиця 2 – Характеристика термопар

6.Принцип дії пірометрів випромінювання ґрунтується на використанні теплового випромінення нагрітих тіл. Вимірювання температури за випромінюванням тіла ґрунтується на використанні основних законів випромі нювання, які встановлюють зв'язок між температурою випромінювача (досліджуваного об'єкта) та його спектральною світністю, тобто кількістю енергії, яка випромінюється за одиницю часу з одиниці поверхні досліджуваного об'єкта і яка міститься у певному діапазоні довжин хвиль.

Променева енергія виділяється нагрітим тілом у вигляді хвиль різної довжини. За порівняно низьких температур (до 500 °С) нагріте тіло випромінює інфрачервоні промені, що не сприймаються людським оком. З підвищенням температури колір тіла змінюється від темночервоного до білого, який містить хвилі всіх сприйманих оком довжин. Одночасно з підвищенням температури нагрітого тіла та зміненням його кольору швидко зростають спектральна енергетична світність (СЕС) Е і спектральна енергетична яскравість (СЕЯ) В. Перша являє собою потік випущеного випромінювання Ф з одиниці поверхні за температури Т в одиничному інтервалі довжин хвиль, а друга - спектральну енергетичну світність, віднесену до одиниці тілесного кута.

Названі властивості нагрітих тіл використовують для вимірювання їх температури, і відповідно до цих властивостей, тобто залежно від спектральної чутливості, пристрої вимірювання температури за випромінюванням поділяють на радіаційні, квазімонохроматичні та спектрального випромінювання. Найбільш широко пірометричні прилади застосовують в металургії та хімічній промисловості для вимірювання температури в різних печах, реакторах, котельних установках та ін.

Пірометри випромінювання порівняно з іншими пристроями температури мають певні переваги: безконтактний метод вимірювання, завдяки якому не відбувається спотворення температурного поля, спричинюване наявністю у вимірюваному середовищі термодатчика (зонда); верхня границя вимірювання теоретично майже необмежена; можливість вимірювання високих температур газових потоків і полум'я за високих швидкостей, коли застосування інших приладів пов'язано з великими труднощами. Завдяки надзвичайно малій інерційності їх можна успішно застосовувати для відслідковування дуже швидких процесів охолодження чи нагрівання, коли застосування контактних вимірювачів неможливе через притаманну їм інерційність.

Радіаційні пірометри (пірометри повного випромінювання). Теоретична основа радіаційної пірометрії - закон Стефана-Больцмана для повної (інтегральної) енергетичної світності, за яким визначається повна теплова енергія, що випромінюється абсолютно чорним тілом (так називають тіло, яке має коефіцієнт поглинання а = 1, тобто поглинає, не відбиваючи й не пропускаючи крізь себе, весь променевий потік за одиницю часу одиницею його поверхні.

Пристрої, які ґрунтуються на цьому принципі, називають пірометрами повного випромінювання або радіаційними пірометрами. Вони найпростіші за будовою, але водночас і найменш точні серед приладів, якими вимірюють температуру за випроміненням. Радіаційними пірометрами вимірюють температуру за потужністю випромінювання нагрітого тіла.

Радіаційний пірометр складається з оптичної системи (телескопа), первинного вимірювального перетворювача (термоприймача) потоку випромінювання в електричний сигнал і вторинного вимірювального приладу. Оптична система збирає промені, які виділяє нагріте тіло, і спрямовує їх на термоприймач - мініатюрну термоелектричну батарею з декількох мало-інерційних, послідовно з'єднаних термопар, які чутливі до всіх довжин хвиль випромінюваного потоку, що ними сприймається.

Існують два різновиди оптичних систем радіаційних пірометрів: рефракторна (із заломлювальною лінзою) і рефлекторна (з відбивальним внутрішнім дзеркалом - рефлектором).

Принципову схему рефракторного (більш поширеного, ніж рефлекторний) радіаційного пірометра з термобатареєю, яку для захисту від теплових утрат і механічних пошкоджень розміщено в скляному балоні, заповненому повітрям, показано на рис. 7.

Пірометр має телескоп із лінзою 1 об'єктива та лінзою 5 окуляра. На шляху променевого потоку від лінзи об'єктива (від контрольованого тіла) встановлено обмежувальну діафрагму 2, а в фокусі лінзи - термобатарею 3. Робочі кінці термопар прикріплено до металевих пластинок, зачорнених для кращого поглинання теплових променів, а вільні кінці за допомогою подовжувальних проводів виводяться через цоколь скляного балона та підключаються до вимірювального приладу 6. У результаті нагрівання робочих кінців термопар променевим потоком, що надходить крізь лінзи об'єктива, утворюється термо-ЕРС, величина якої вимірюється приладом 6 (зазвичай мілівольтметром або автоматичним потенціометром). Перед окуляром 5 розміщено червоний світлофільтр 4 для захисту очей пірометриста під час встановлення та настроювання пірометра.

Незважаючи на відносно велику інерційність (одним зі способів збільшення швидкодії вимірювача є відмова від використання захисного балона), радіаційні пірометри досить широко використовують у виробничій практиці; їх можна встановлювати стаціонарно, вони дозволяють застосовувати дистанційне передавання вимірювальної інформації, автоматично записувати та регулювати температуру.

Рисунок 7 - Принципова схема та пірометра повного випромінювання:

1 - лінза об'єктива; 2 - діафрагма; 3 - термоелектрична батарея; 4 - світлофільтр; 5 - лінза окуляра; 6 - вимірювальний прилад.

Принцип дії оптичних пірометрів ґрунтується на порівнянні спектральної яскравості тіла зі спектральною яскравістю градуйованого (еталонного) джерела випромінювання; таким джерелом зазвичай є нитка лампи розжарювання (пірометричної лампи) з регульованою яскравістю випромінювання. Чутливим елементом, яким визначають збіжність цих спектральних яскравостей у візуальних оптичних пірометрах, слугує людське око.

Найбільше поширений оптичний пірометр зі «зникною» ниткою, схему якого зображено на рис. 8. Для вимірювання температури об'єктив 1 приладу спрямовується на об'єкт вимірювання так, щоб спостерігач на його тлі побачив в окулярі 7 нитку пірометричної лампи 4,

Рисунок. 8 - Схема візуального оптичного пірометра (а) та варіанти зображення нитки пірометричної лампи залежно від співвідношення температур об'єкта вимірювання та нитки розжарення:

б - температура нитки занизька; в - температура правильна; г - температура зависока;

1 - об'єктив; 2 - поглинальний світлофільтр; 3,5- вхідна та вихідна діафрагми; 4 - пірометрична лампа; 6 - червоний світлофільтр; 7 - окуляр; 8 – міліамперметр.

Спектральні яскравості об'єкта вимірювання та нитки лампи 4 зазвичай порівнюють за довжини хвилі 0,65 мкм, для чого перед окуляром установлюють червоний світлофільтр 6. Це зумовлено тим, що через цей світлофільтр людське око сприймає лише вузьку частину спектра його пропускання, котра наближається до монохроматичного променя. Вхідна З та вихідна 5 діафрагми обмежують вхідний і вихідний кути пірометра, оптимальні значення яких дозволяють забезпечити незалежність показань приладу від змінювання відстані до об'єкта вимірювання.

Спостерігаючи за зображенням нитки лампи на тлі об'єкта вимірювання, за допомогою реостата R₆змінюють силу струму, що від батареї надходить до нитки лампи, доти, доки яскравість нитки не стане такою ж, як видима яскравість об'єкта вимірювання. При цьому нитка «зникає» на тлі зображення об'єкта вимірювання (рис. 8 в). У цю мить за шкалою міліамперметра 5, відградуйованою в значеннях яскравісної температури нитки лампи, визначають яскравісну температуру об'єкта, за якою розраховують дійсну температуру об'єкта вимірювання Т.

Для обмеження температури розжарювання нитки (для вольфраму -не більше 1500 °С) під час вимірювання вищих температур перед лампою встановлюють знімний поглинальний світлофільтр 2, який видиму яскравість об'єкта вимірювання зменшує в кратну кількість разів. Тому в оптичних пірометрах зазвичай є дві шкали: за однією провадять відлік вимірюваної температури, коли пірометр працює без фільтра 2 (наприклад, від 800 до 1200 °С), а за другою - вимірюють більш високі температури (сучасні оптичні пірометри призначені вимірювати температуру в інтервалі 800...6000 °С).Візуальним пірометрам, невід'ємним елементом вимірювального кола яких є око людини, притаманна суб'єктивність отримуваного результату. Із цієї ж причини вони непридатні для роботи в системах автоматичного вимірювання і регулювання температури.

Тому наразі поширені квазімонохроматичні фотоелектричні пірометри (як і фотоелектричні пірометри часткового випромінювання). Фотострум, що створюється фотоелементом, може безпосередньо слугувати мірою вимірюваної температури. Такі пірометри конструктивно нескладні, але відрізняються низькою точністю. У досконаліших пристроях, фотоелемент використовують як пристрій порівняння спектральних світностей двох джерел випромінювання: досліджуваного об'єкта і регульованого джерела світла.

За принципом дії розрізняють два типи фотоелектричних пірометрів. До першого типу належать прилади, у яких сприймана променева енергія, потрапивши на ЧЕ, змінює його параметри (фотострум, фото-опір), котрі й виступають мірою вимірюваної температури. У приладах другого типу променеву енергію вимірюють компенсаційним методом (тут ЧЕ працює в режимі нуль-індикатора, що порівнює інтенсивність випромінювання від контрольованого тіла та стабільного джерела випромінювання - мініатюрної лампи розжарювання).

Фотоелектричні пірометри другого типу більш складні, але й більш точні, позаяк їх показання не залежать від ЧЕ та електронної схеми. Схему такого пірометра показано на рис. 9. За допомогою обертового дзеркала З у приймач випромінювання, що складається з фотоелемента 7 та електронного підсилювача 6, почергово подається вимірюване та контрольне випромінювання. За нерівності цих світлових потоків у колі фотоелемента з'явиться струм, змінна складова якого буде пропорційною різниці освітленості фотоелемента обома джерелами випромінювання. Із виходу електронного підсилювача 6 цей струмовий сигнал надійде на обмотку керування РД 5, який через зміщення повзунка реостата R₆ нагріватиме нитку контрольного джерела так, щоб змінна складова струму на виході приймача випромінювання була зведена до нуля.

Рисунок. 9 - Схема фотоелектричного автоматичного пірометра:

1 - об'єктив; 2 - поглинальний світлофільтр; 3 - обертове дзеркало; 4 - пірометрична лампа; 5- електродвигун; 6 - електронний підсилювач; 7 - фотоелемент; 8 - селективний світлофільтр.

Вітчизняна приладобудівна галузь виробляє значну кількість промислових пірометрів, різних за своїми параметрами та принципом дії.

Пірометри повного випромінювання агрегатного комплексу стаціонарних пірометричних перетворювачів типу АШР-С призначені як для комплектування АСК технологічними процесами, так і для створення локальних приладів і систем вимірювання, контролю та регулювання температури. Ними вимірюють температуру в діапазоні 30...2500 °С з основною похибкою 1...2 %.

Пірометр ОШР-017 - це оптичний (квазімонохроматичний) візуальний прилад зі «зникною» спіраллю змінного розжарювання; його виробляють у трьох модифікаціях, які відрізняються діапазоном вимірювання: 800...2000; 1200...3200; 1500...6000 °С відповідно.

Пірометри спектрального відношення «Веселка» вирізняються високими значеннями чутливості та точності. Діапазон вимірювання різних модифікацій цих пірометрів, що виробляються в Україні, становить 750.. .2900 °С, основна похибка - 0,6 %.

Пірометри часткового випромінювання «Смотрич» забезпечують вимірювання температури в діапазоні 30...3500 °С з граничнодопустимою основною похибкою 1...2,5 % (залежно від моделі пірометра та діапазону вимірювання).

Акустичні вимірювачі температури. Під час вимірювань в екстремальних умовах (у діапазоні кріогенних температур, за високих рівнів радіації в ядерних реакторах тощо), а також у замкнених герметичних об'ємах, де неможливо розмістити контактні ПВП чи використати пірометри, буває дуже складно визначати температуру. В такому разі зазвичай використовують акустичні вимірювачі температури, принци дії яких ґрунтується на залежності швидкості звуку від температури середовища, через яке він проходить.

Акустичний вимірювач температури (рис. 10) складається з трьох компонентів: ультразвукових передавача та приймача і герметичної трубки, зазвичай виготовленої з інвару та заповненої газом (найчастіше - сухим повітрям). Передавач і приймач - керамічні п'єзоелектричні кристали (пластинки), акустично несполучені з трубкою, чим забезпечується поширення звуку переважно через газ усередині трубки.

Рисунок 10 - Схема акустичного вимірювача температури:

1,3 – п’єзоелектричні кристали; 2 – трубка.

У разі потреби передавальний і приймальний кристали можна вбудувати всередині замкнутої камери з відомим середовищем, температуру якого потрібно виміряти. Коли об'єм і маса внутрішнього середовища підтримуються незмінними, потреби у використанні проміжної трубки немає. Якщо ж без трубки не обійтися, її слід захищати від механічного деформування та втрати герметичності від впливу дуже високої температури.

Тактовий пристрій працює на низькій частоті (близько 100 Гц). Його імпульси запускають передавач і блокують приймач. Під дією запускального імпульсу передавальний кристал генерує ультразвукові коливання, що поширюються вздовж трубки. Тактовий пристрій подає сигнал дозволу на приймальний кристал, і він перетворює акустичну хвилю, що дійшла до нього, в електричний сигнал, який після підсилення надходить у схему керування, де за часом поширення акустичної хвилі вздовж трубки визначається швидкість звуку. Потім через калібрувальні коефіцієнти, що зберігаються в спеціальних таблицях, за значенням швидкості обраховується вимірювана температура.

Акустичний детектор температури можна побудувати на основі одного п'єзоелектричного кристала, який поперемінно буде то передавачем, то приймачем акустичних коливань. Тоді протилежний кінець трубки заварюють. Ультразвукова хвиля відбивається від завареного кінця трубки і вертаються назад до кристала, якого на ту мить уже перемкнено в режим приймача. За виміряним часом проходження акустичною хвилею трубки блок керування обчислює температуру газу всередині трубки.

Лекція 4. «Прилади для вимірювання кількості та витрати речовини»

План

1. Витратоміри змінного перепаду тиску. Будова, принцип роботи.

2. Витратоміри постійного перепаду тиску. Будова, принцип роботи.

3. Тахометричні витратоміри. Будова, принцип роботи.

4. Електричні витратоміри. Будова, принцип роботи.

5. Вихрові витратоміри. Будова, принцип роботи.

6. Коріолісові витратоміри. Будова, принцип роботи.

7. Кореляційні витратоміри. Будова, принцип роботи.

Витратоюназивають кількість речовини, яка проходить через поперечний переріз потоку (трубопроводу) за одиницю часу. Залежно від одиниці виміру кількості рідини витрати можуть бути об'ємними (м³/с) та масовими (кг/с).

Об'ємні витрати можна визначати через середню швидкість потоку V_сер та площу поперечного перерізу потоку . Технічні прилади, призначені для вимірювання масових чи об'ємних витрат, називають витратомірами.

За принципом вимірювання витратоміри поділяють на такі основні групи:

1.Витратоміри змінного перепаду тиску (витратоміри зі звужувальними пристроями), які перетворюють швидкісний напір потоку контрольованої речовини у перепад тиску.

2.Витратоміри постійного перепаду тиску (або витратоміри обтікання - це зокрема ротаметри, поплавкові, поршневі, гідродинамічні витратоміри), які перетворюють швидкісний напір потоку контрольованої речовини у зміщення обтічного тіла.

3.Тахометричні витратоміри (турбінні й об'ємні лічильники, кулькові витратоміри), які перетворюють швидкість потоку контрольованої речовини в кутову швидкість обертання обтічного елемента.

4.Ультразвукові витратоміри, які побудовані на ефекті захоплення звукових коливань рухомим середовищем.

5.Електромагнітні (індукційні) витратоміри, що перетворюють швидкість електропровідної рідини, яка рухається в магнітному полі, в електричний сигнал.

6.Теплові витратоміри (калориметричні, термоанемометричні), які побудовані на ефекті перенесення тепла рухомим середовищем від нагрітого тіла.

7.Витратоміри змінного рівня (щілинні витратоміри), що ґрунтуються на вимірюванні витрати за гідростатичним тиском стовпа рідини над нижньою кромкою зливного отвору, який має форму щілини певного профілю.

8.Вихрові витратоміри, що використовують залежність частоти пульсацій тиску у вихрових доріжках, які утворюються за гострими гранями роз міщеної у потоці контрольованої речовини призми, від швидкості потоку контрольованого середовища.

9. Інерціальпі витратоміри (турбосилові, коріолісові, гігроскопічні), які ґрунтуються на інерційному впливі маси рідини, що рухається з лінійним чи кутовим прискоренням (вимірюють масову витрату).

10.Оптичні витратоміри, що побудовані на захопленні світла рухомим середовищем (ефект Фізо - Фрінелі) чи на розсіюванні світла рухомими частинками (ефект Доплера).

11.Міткові витратоміри (із тепловими, іонізаційними, магнітними, концентраційними, турбулентними та іншими мітками), які ґрунтуються на зміні швидкості чи стану мітки під час її проходження через два фіксо­вані перерізи потоку контрольованої речовини.

12.Іонізаційні витратоміри, які ґрунтуються на вимірюванні того чи іншого залежного від витрати ефекту, що виникає в результаті неперервної чи періодичної іонізації потоку газу або (рідше) рідини.

13.Ядерно-магнітні витратоміри, що побудовані на залежності яде­рно-магнітного резонансу від витрати потоку речовини.

14.Концентраційні витратоміри, які ґрунтуються на залежності кратності розбавлення речовини індикатора, що вводиться в потік, від витрати (суттєва перевага цього методу вимірювання витрати - для його застосування непотрібно знати розміри поперечного перерізу трубопроводу).

15.Кореляційні витратоміри, які ґрунтуються на залежності швидкості зміщення максимумів взаємної кореляційної функції двох параметрів потоку одного й того ж роду (густини, електропровідності, температури тощо), змінюваність яких має випадковий характер, у двох перерізах трубопроводу, розташованих на невеликій відстані.

В окрему групу можна виокремити різні витратоміри, використовувані для вимірювання кількості сипких і кускових матеріалів.

Розглянемо особливості конструкції та використання витратомірів, які набули найбільшого поширення у практиці технологічних вимірювань.

1.Для вимірювання витрат у процесах хімічної промисловості такі витратоміри використовують найчастіше. Це зумовлено властивими їм перевагами: простотою і надійністю; відсутністю рухомих елементів; легкістю серійного виготовлення; низькою вартістю, а також можливостями: використання майже за будь-яких температур і тисків, вимірювання практично будь-яких витрат, застосування для вимірювання витрат різних середовищ (рідин, парів, газів), отримання градуювальної характеристики витратомірів розрахунковим способом (для діаметрів трубопроводів 50 мм і більше) без використання дорогих витратовимірювальних метрологічних установок.

На рис. 1 показано ідеалізовану картину протікання речовини крізь діафрагму (а) і епюри тиску (б) та швидкості (в).

Рисунок 1 - Змінювання тиску р та швидкості потоку V під час проходження через діафрагму: 1 - трубопровід; 2 - діафрагма

Тиск струменя вздовж осі трубопроводу і тиск біля стінки змінюються майже однаково, за винятком ділянки перед діафрагмою і безпосередньо в ній (пунктирною лінією показано зміну по осі потоку). Тиск біля стінки труби безпосередньо перед діафрагмою дещо зростає (за рахунок зменшення швидкості в цьому місці).

Якщо швидкість в ідеальному випадку зберігається сталою то тискза діафрагмою не досягає колишнього значення на величину тиску, яку називають безповоротною втратою тиску. Ця втрата тиску пов'язана з витратою частки енергії потоку на вихроутворення в «мертвих» зонах (здебільшого за діафрагмою) та на тертя.

Звужувальні пристрої поділяють на стандартні та нестандартні. До стандартних звужувальних пристроїв належать (рис. 2, а, б, в)стандартні діафрагми - дискові та камерні, стандартні сопла та труби Вентурі. Нестандартні звужувальні пристрої, до яких зокрема належать подвійні діафрагми, діафрагми з подвійним конусом, сегментні діафрагми, сопла у чверть круга, циліндричні сопла тощо, використовують в особливих умовах: у разі малих чисел Рейнольдса, малих діаметрів трубопроводів (менше 50 мм - за таких діаметрів трубопроводів різко зростає вплив шорсткості внутрішньої поверхні трубопроводу на коефіцієнт витрати), сильного забруднення контрольованих рідин тощо.

Рисунок 2 - Звужувальні пристрої: стандартна діафрагма (а); сопло ВА 1932 (б); труба Вентурі (в); труба Далла (г) та залежність коефіцієнта витрати а для діафрагм від числа Rе і модуля т (д); а, б, в,г:й- діаметр трубопроводу; сі - діаметр отвору звужувального пристрою.

Характерна особливість останніх двох різновидів стандартних звужувальних пристроїв, зображених на рис. 2, б, в, - менші ніж для діафрагми безповоротні втрати тиску за одного й того ж значення модуля ш звужувального пристрою: якщо на діафрагмі вони досягають 50...70 % від утворюваного на звужувальному пристрої перепаду тиску , то на соплах - 40...60 %, а на трубах Вентурі - 10... 15 %. Подібна тенденція спостерігається й щодо точності вимірювання: якщо похибка вимірювання діафрагм зазвичай перевищує 1,5 %, то для двох останніх звужувальних пристроїв вона становить близько 0,5 %.

Вибираючи найбільш доцільний тип звужувального пристрою, слід враховувати особливості застосування окремих типів цих пристроїв.

Стандартні діафрагми. Завдяки простоті та дешевизні виготовлення стандартні діафрагми залишаються основним типом звужувальних пристроїв для середніх і великих діаметрів (аж до 1000 мм). А для чисел Rе > 10 вони зі стандартних звужувальних пристроїв єдино припустимі, так само, як і для вимірювання витрати вологої насиченої пари. Але їх не слід застосовувати в разі малих діаметрів позаяк <125 мм у результаті вимірювання з'являється похибка від затуплення вхідної кромки діафрагм. Взагалі діафрагми варто застосовувати тоді, коли похибкою від затуплення можна знехтувати впродовж усього міжвивірювального періоду.

Крім того, діафрагми, особливо із фланцевим відбором тисків, зі зростанням відносного діаметра звужувального пристрою сильно обмежують можливість вимірювання витрати в потоках з малими числами Rе.

Сопла 18А 1932.В інтервалі значень діамеирів від 50 до 300.. .400 мм ці сопла можуть забезпечити більшу точність вимірювання, ніж діафрагми, через меншу похибку від шорсткості трубопроводу та відсутність похибки від затуплення вхідної кромки, а для газу та пари - ще й завдяки меншій похибці коефіцієнта розширення. У паропроводах високого тиску, у які звужувальні пристрої вварюються, якщо діаметр < 500 мм, завжди застосовують сопла.

Труби ВентуріЗ усіх звужувальних пристроїв труби Вентурі єдино застосовні до діаметрів1200 мм . У межах чисел Rе від 2∙10⁵ до 2∙10⁶ труби Вентурі варто рекомендувати для широкого застосування, особливо для вимірювання витрат рідини. Вт

Читайте також:

1. Автоматизація водорозподілу на відкритих зрошувальних системах. Методи керування водорозподілом. Вимірювання рівня води. Вимірювання витрати.
2. Автоматичне регулювання витрати помпових станцій
3. Автоматичне регулювання кількості рідкого холодильного агента,
4. Автоматичне регулювання кількості рідкого холодильного агента,
5. Алфавітний підхід до вимірювання кількості інформації.
6. Альтернативна вартість і незворотні витрати
7. Аналіз комплексних статей витрат: витрат на утримання та експлуатацію устаткуван­ня, цехові, загальногосподарські, поза виробничі витрати.
8. Арбітражний збір та витрати сторін у Морській арбітражній комісії при ТПП України
9. Артеріальний тиск та його вимірювання
10. В якості критеріїв для оцінки або вимірювання предмета завдання з надання впевненості не можуть використовуватись очікування, судження або власний досвід аудитора.
11. Важливо також правильно обрати: цінні папери яких підприємств, якого виду і в якій кількості слід купувати для поповнення своїх активів. Зупинимося на цьому більш детально.
12. Вантажник, коваль, лісоруби, і ін.) енергетичні витрати в добу досягають

Переглядів: 3808