Введение Современный уровень развития теплоэнергетических установок характеризуется интенсификацией технологических процессов, использованием агрегатов большой единичной мощности. Эксплуатация таких установок невозможно без постоянного контроля за текущими технологическими параметрами, поэтому надежность средств измерений и информационно-управляющих систем определяет надежность агрегата в целом. Количество измеряемых параметров на одном агрегате в настоящее время исчисляется тысячами. Особую актуальность теплотехнические измерения приобретают с ростом теплонапряженности металла турбин и котлов при эксплуатации их на сверхкритических параметрах пара, что типично для современной теплоэнергетики. Не менее широко теплотехнические измерения применяется при эксплуатации систем теплоснабжения объектов промышленного и коммунального назначения. Возрастающие требования к эффективности использования тепловой энергии обуславливают широкое внедрение приборов учета тепла. Основу таких приборов составляют высокоточные средства измерения температуры и расхода. Современные средства измерения характеризуются широким внедрением микропроцессорной техники, что позволяет значительно повысить точность измерения и надежность приборов. В некоторых случаях микропроцессоры устанавливаются не только во вторичных измерительных приборах, но и в первичных преобразователях, размещаемых непосредственно на технологических объектах. Это позволяет не только повысить точность измерений, но и увеличить помехозащищенность линий связи. Широкое внедрение микропроцессорных интеллектуальных средств измерения позволяет создавать открытые распределенные системы управления на основе высокоскоростных линий передачи данных. Такое техническое решение позволяет минимизировать длину линий связи и повысить надежность системы. 3 1. Общие сведения об измерении температуры Температура, наряду с объемом и давлением, является одной из основных величин, характеризующих состояние вещества. Измерение температуры занимает 4050% в общем объеме промышленных измерений, поскольку величина температуры в большинстве случаев определяет безопасность работы оборудования, эффективность производственных процессов и качество произведенной продукции. Температура вещества − величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел. Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению. Для количественной оценки температуры показания термометра сравнивают с некоторой эталонной температурой, например с температурой тройной точки воды. С целью унификации результатов измерений различными средствами, основанными на различных методах, применяется международная температурная шкала. По мере развития техники температурных измерений использовались различные температурные шкалы: МТШ – 27, МПТШ – 68, МТШ – 90 ( цифры указывают год международного принятия шкалы). В качестве единицы измерения температуры используется Кельвин. Определение Кельвина, действующее на настоящий момент и приведенное в положении о МТШ-90, было утверждено Генеральной конференцией по мерам и весам ( 1967-1968 г). В основу определения положено фиксированное значение температуры тройной точки воды. Единицей фундаментальной физической величины, термодинамической температуры, обозначаемой символом Т, является Кельвин (обозначение К), который по определению равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Температуре тройной точки воды по определению приписано значение 273,16 К в соответствии с МТШ-90. В технических измерения широко применяется выражение температуры в виде значения относительно точки плавления льда (273,15 К). Выраженная таким образом температура известна как температура Цельсия ( символ t) и определяется как t = Т – 273,15. Единицей температуры Цельсия является градус Цельсия (символ °С), размер которого равен Кельвину. В МТШ – 90 используется как температура Кельвина ( символ Т90 ), так и температура Цельсия (символ t90 ). 4 Международная температурная шкала МТШ – 90 охватывает диапазон от 0,65 К до наивысшей температуры, доступной измерению в соответствии с законом Планка для монохроматического излучения. Она разбита на ряд поддиапазонов, содержащие реперные точки, внутри которых используются определенные типы термометров. В качестве реперных точек используются тройные точки, точки плавления и затвердевания химически чистых веществ. 1.1. Методы измерения температуры Существующие методы измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. В контактных методах требуется непосредственный контакт первичного преобразователя температуры с контролируемым объектом или средой. К таким средствам измерения относятся термометры расширения (жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические), термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, кварцевые термометры. Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на расстоянии от контролируемого объекта или среды по их тепловому излучению. Все средства измерения, предназначенные для измерения температуры контактным методом, называются термометрами, а для измерения температуры бесконтактным методом – пирометрами. 2. Термометры расширения Термометрами расширения называются приборы, в которых для измерения температуры используют свойство теплового расширения вещества: жидкости, газа или твердого тела. Исторически это первые приборы для измерения температуры. 2.1. Жидкостные стеклянные термометры В стеклянных жидкостных термометрах для определения температуры используется тепловое расширение термометрической жидкости. Расширение жидкости приводит к изменению её уровня в капилляре, по которому отсчитывается значение температуры. Стеклянные жидкостные термометры изготавливаются из специальных марок термометрического стекла и в процессе изготовления подвергаются искусственному старению и отжигу. В качестве термометрической жидкости в стеклянных термометрах чаще всего используется ртуть, а при температурах ниже −30 °С – 5 органические жидкости с низкой температурой замерзания (этиловый спирт, толуол, пентан). Достоинством ртути как термометрической жидкости является отсутствие смачивания стекла возможность получения её в чистом виде. Верхний предел измеряемой температуры у ртутных термометров ограничивается прочностными характеристиками стекла и может достигать 600°С. По конструктивному исполнению термометры стеклянные жидкостные термометры делятся на термометры с вложенной шкалой и палочные. У термометров с вложенной шкалой (рис.1,а) капилляр и шкальная пластинка герметично заключены в стеклянную защитную оболочку, припаянную к резервуару. Шкальная пластинка плотно прилегает к капилляру и крепится к нему так, чтобы могла свободно расширятся при нагревании термометра. Термометры такой конструкции получили наибольшее распространение, как наиболее удобные при измерениях. Рис. 1. Разновидности стеклянных жидкостных термометров Палочные термометры (рис.1,б) изготавливаются из массивных толстостенных капиллярных трубок, из которых выдувается резервуар. Шкала наносится методом травления непосредственно на части передней поверхности капиллярной трубки. 6 При изготовлении термометров с ограниченным интервалом температур (например от 100°С до 250°С) шкалу в неиспользуемом интервале сокращают или прерывают, создавая в капилляре расширение (рис.1,в) . При этом на шкальную пластину может быть нанесена вспомогательная шкала для проверки термометра при фиксированной температуре, например, в точке таяния льда. При работе с термометром очень важно учитывать, при каком погружении он градуировался: полном или частичном, Показания жидкостного стеклянного термометра зависят не только от температуры резервуара, но и от температуры столбика жидкости в капилляре. Термометр, при использовании которого все термометрическое вещество должно находиться в измеряемой среде, называется термометром полного погружения. Если такой термометр в процессе измерения не может быть погружен полностью, то при точных измерениях необходимо вводить поправку к показаниям термометра tв .с B n ( t t1 ), где βВ – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле ( для ртути βВ = 0,00016, для толуола βВ = 0,00120); n – число градусных делений, соответствующих высоте выступающего столбика жидкости; t – измеряемая температура, °С; t1 – температура выступающей части столбика, измеренная с помощью вспомогательного термометра. Для термометров с частичным погружением на шкальной пластине обычно делается пометка, указывающая глубину погружения термометра. Такие термометры градуируются при температуре окружающей среды 20°С. Поскольку при измерениях температура окружающей среды может меняться, то для точных измерений необходимо учитывать возникающую погрешность t г B n ( t 2 t3 ), где βВ – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле; n – число градусных делений, соответствующих высоте выступающего столбика жидкости; t2 – температура выступающего столбика при градуировке, °С; t3 – средняя температура выступающей части столбика при эксплуатации термометра. По назначению стеклянные жидкостные термометры делятся на лабораторные, технические (производственные) и рабочие эталоны 7 (образцовые). Лабораторные используются в лабораторной практике при необходимости измерения температуры с высокой точностью и градуируются при полном погружении. Лабораторные термометры типа ТЛ–4 имеют диапазон измерения 50 °С при цене деления 0,1 °С. Технические термометры (рис.1,г) градуируются при погружении только суженной хвостовой части, которая может быть прямой или угловой (под углом 90° или 120°). Они могут иметь специальное назначение (медицинские, метеорологические и т.д.) или особые технические характеристики (вибростойкие, электроконтактные). Образцовые термометры типа ТР имеют небольшой диапазон измерения (4 °С при цене деления 0,01 °С), но независимо от пределов измерения имеют отметку 0. Измерения проводятся при полном погружении. 2.2. Манометрические термометры Манометрическими называются термометры, действие которых основано на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества, находящегося в герметически замкнутой термосистеме. Схема манометрического термометра показана на рис. 2. Рис. 2. Схема манометрического термометра Термосистема термометра состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и упругого чувствительного элемента 3, которые образуют замкнутый герметичный объем. Упругий чувствительный элемент может быть выполнен в виде манометрической пружины, сильфона или мембраны. Термобаллон погружается в среду, температура которой измеряется. Соединительный капилляр передаёт измеряемое давление на 8 манометрическую пружину. Один конец манометрической пружины, соединенный с капилляром, закреплен в держателе 4. Свободный конец манометрической пружины шарнирно связан поводком 5 с зубчатым сектором 6, который находится в зацеплении с трибкой 7 ( шестерёнка на оси указательной стрелки). На ось трибки насажена указательная стрелка 8. Для уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора в разрыв поводка включают биметаллический термокомпенсатор 9. Шкала манометрического термометра проградуирована в единицах температуры. В зависимости от термометрического вещества, которым заполняется термосистема, манометрические термометры делятся на жидкостные, газовые и конденсационные. Жидкостные манометрические термометры применяются для измерения температур от –50 до 300 °С. Вся термосистема манометрического термометра заполнена термометрической жидкостью. При повышении температуры объем жидкости увеличивается пропорционально разности величин теплового расширения жидкости и резервуара, что приводит к изменению давления в термосистеме. Изменение давления жидкостных манометрических термометров при изменении температуры от tН до tК определяется по формуле p ( ж 3 ) VT ( tк tн ), жV где βЖ – коэффициент объемного расширения жидкости; α – коэффициент линейного расширения материала термобаллона; VT – объем термобаллона; V – объем жидкости, заполняющей термосистему. Шкала жидкостных манометрических термометров практически равномерна. Для уменьшения влияния температуры окружающей среды на жидкость внутри капилляра и манометрической пружины объем термобаллона увеличивают по сравнению с объемом манометрической пружины и капилляра. Термосистему заполняют специальной кремнийорганической жидкостью ПМС. Для низких измеряемых температур применяется жидкость ПМС-5, при высоких – жидкость ПМС10. Жидкостные манометрические термометры градуируются так, чтобы термобаллон и манометрическая пружина находились на одном уровне. Если при эксплуатации термобаллон расположен выше или ниже манометрической пружины, то возникает дополнительная гидростатическая погрешность из-за влияния столба жидкости в 9 капилляре. Для ограничения гидростатической погрешности длину капилляра в жидкостных манометрических термометрах уменьшают до 10 метров. Газовые манометрические термометры применяются для измерения температур от –200 до 600 °С. Термосистема газовых манометрических термометров заполняется гелием (при низких измеряемых температурах), азотом ( при средних температурах) или аргоном ( при высоких температурах). Изменение давления в термосистеме при изменении температуры термобаллона от tН до tК определяется по формуле p ( tк tн ) p н , 1 tн где β – температурный коэффициент расширения газа β = 0,00366 K– 1; α – коэффициент линейного расширения материала термобаллона; р Н – начальное давление в термосистеме, соответствующее температуре tН. Из уравнения видно, что шкала газового манометрического термометра будет линейной. В действительности зависимость между давлением в термосистеме и измеряемой температурой несколько отклоняется от линейной из-за разницы температур газа термобаллоне и в остальной системе. Для уменьшения этого влияния максимально увеличивают отношение внутреннего объема термобаллона к объему остальной части термосистемы, что позволяет пренебречь влиянием температуры окружающей среды на показания термометра. Термосистема газовых манометрических термометров заполняется газом под высоким начальным давлением, поэтому влиянием барометрического давления на показания прибора также можно пренебречь. Конденсационные манометрические термометры применяются для измерения температур в диапазоне от –25 до 300 °С. В отличие от жидкостных манометрических термометров термобаллон только частично заполнен легкокипящей жидкостью, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости при температуре, равной температуре термобаллона. Зависимость давления насыщенного пара от температуры нелинейная и однозначная вплоть до критической температуры. В качестве термометрических жидкостей используется фреон-22 ( при низких температурах), хлористый метил, хлористый этил, ацетон, толуол (в порядке возрастания измеряемых температур). Термобаллон 10 заполняется жидкостью так, чтобы при нижнем значении измеряемой температуры он был заполнен примерно на 70 % , а при верхнем значении измеряемой температуры жидкость ещё оставалась. Конец капиллярной трубки на некоторую глубину погружается в жидкость. Поскольку давление в термосистеме зависит только от температуры термобаллона, на показания прибора не будет оказывать влияние температура окружающей среды. Влияние барометрического давления может иметь место в начальной части шкалы, когда давление в термосистеме невелико. В остальных случаях влиянием барометрического давления можно пренебречь. При разнице уровней расположения термобаллона и манометрической пружины будет присутствовать гидростатическая погрешность. Для уменьшения этой погрешности длина капилляра в конденсационных манометрических термометрах не должна превышать 25 метров. В таблице 1 приведены характеристики показывающих манометрических термометров. Технические характеристики манометрических термометров Обозначение Тип ТГП-100М1 Газовый ТГП-100М1 Конденсационный Жидкостный ТЖП-100 Интервал Класс Диаметр Длина Глубина применения, точности термобаллона, термобаллона, погружения °С мм мм термобаллона, мм −50…600 1 или 1,5 20 или 30 125 От 160 до 500 250 400 −25…300 1 или 1,5 16 78 От 125 до 400 −50…300 1 или 1,5 10 34 42 56 100 От 80 до 400 Для жидкостных термометров предельная основная погрешность устанавливается для последних двух третей температурной шкалы, а на первой трети не регламентируется. 2.3. Дилатометрические термометры Принцип действия дилатометрического термометра основан на свойстве твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры. В ограниченном температурном диапазоне эта зависимость может быть выражена линейным уравнением 11 lT l0 ( 1 t ), где lT – длина тела при температуре t; l0 – длина тела при температуре 0 °С; α – средний коэффициент температурного расширения тела в диапазоне температур от 0 °С до t. Схема дилатометрического термометра показана на рис.3,а. Основу конструкции составляет металлическая трубка 1, внутри которой находится стержень 2. Трубка имеет коэффициент линейного расширения больше, чем стержень. Верхний конец трубки закреплен в штуцере 3. В головке 4 находится электроконтактное устройство, состоящее из рычага 5, соединенного со стержнем и электрическими контактами. Нижняя часть термометра погружается в среду, температура которой измеряется. При увеличении температуры из-за разницы коэффициентов линейного расширения трубка удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещается вниз. При перемещении стержня одновременно приводится в движение рычаг, который при заданной температуре размыкает контакты. Если предположить, что при температуре 0 °С длины трубки и стержня одинаковы и равны величине l0, то при изменении измеряемой температуры на величину Δt, величину взаимного перемещения свободных концов трубки и стержня Δl можно определить из уравнения l l0 ( T C )t , где l0 – длина тела при температуре 0 °С; αT – средний коэффициент температурного расширения трубки в диапазоне температур от 0 °С до t; αС – средний коэффициент температурного расширения стержня в диапазоне температур от 0 °С до t. Трубка прибора обычно изготавливается из латуни или нержавеющей стали, а стержень – из кварца или сплава инвар. Рис. 3. Схемы дилатометрического (а) и биметаллического (б) термометров 12 2.4. Биметаллические термометры Биметалл представляет собой две пластинки из металлов с разными коэффициентами температурного расширения, сваренные между собой по всей плоскости соприкосновения. При увеличении температуры биметалл изгибается в сторону слоя с меньшим коэффициентом температурного расширения. В термометрах биметаллы чаще всего применяют в виде плоских или цилиндрических спиралей. Это обеспечивает компактность конструкции и позволяет преобразовывать линейное перемещение во вращательное, удобное для конструкции показывающих приборов. Угол закручивания спирали при изменении температуры от t1 до t2 определяется по формуле 360 ( 1 2 ) l ( t 2 t1 ), s где l – длина биметаллической пластинки, м; s – толщина биметаллической пластинки, м; α1, α2 – коэффициенты температурного расширения составляющих биметалла K−1. Следует иметь ввиду, что линейная зависимость между температурой и углом поворота биметаллической пластины наблюдается в ограниченном диапазоне температур. На рисунке 3,б показана конструкция биметаллического термометра с плоской спиралью. В промышленности чаще применяются термометры с цилиндрической спиралью. Биметалл, свернутый в цилиндрическую спираль вставляют в защитную арматуру, соединенную с головкой термометра, в которой размещается передаточный механизм, шкальная пластина и указательная стрелка термометра. Диапазоны показаний биметаллических термометров могут находиться в пределах от – 70 °С до 600 °С . 3. Термометры сопротивления Термометр сопротивления – это термометр, содержащий термопреобразователь сопротивления, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. Чувствительные элементы изготавливают из чистых металлов, сплавов и полупроводников. Чистые металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), т.е. с увеличением температуры их сопротивление увеличивается. Это связано с тем, что 13 число носителей тока – электронов проводимости – в металлах очень велико и не зависит от температуры. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов около своих положений равновесия. Максимальная величина температурного коэффициента сопротивления металлов может достигать 0,0065 K−1 (сопротивление увеличивается на 0,65% при увеличении температуры на один градус). В полупроводниках наблюдается иная картина – число электронов проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому электрическое сопротивление типичных полупроводников столь же резко (обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. ТКС полупроводников может быть на порядок выше ТКС чистых металлов. Термометры сопротивления применяются для измерения в широком диапазоне температур, начиная от близких к абсолютному нулю до температуры 1100°С. Они обеспечивают высокую точность измерения и высокую стабильность и отличаются надежность в эксплуатации. Все эти качества обуславливают широкое применение термометров сопротивления для измерения температуры в теплоэнергетических установках. 3.1 Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов Достоинством термопреобразователей из чистых металлов является высокая точность измерений, а также высокая стабильность и взаимозаменяемость. Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов изготавливают преимущественно из тонкой проволоки в виде намотки на каркас или спирали внутри керамического каркаса. Такая конструкция называется чувствительным элементом (ЧЭ) термометра сопротивления. Для защиты от повреждений чувствительный элемент помещают в защитную арматуру. Металлы для изготовления чувствительных элементов должны обеспечивать стабильность градуировочной характеристики и воспроизводимость (возможность изготовления чувствительных элементов с одинаковыми в пределах допускаемой погрешности градуировочными характеристиками). Желательными также являются высокое удельное сопротивление, высокий температурный коэффициент сопротивления, химическая инертность. В соответствии с ГОСТ Р 8625-2006 термометры сопротивления (ТС) могут изготавливаться из платины, из меди или никеля. 14 Характеристиками термометра сопротивления являются их сопротивление R0 при 0 °С, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и Номинальная статическая характеристика (НСХ). Под R0 понимается нормированное изготовителем сопротивление ТС при 0 °С и выбираемое из ряда 10, 50, 100, 500, 1000 Ом. Номинальная статическая характеристика - это зависимость сопротивления ТС или ЧЭ от температуры, рассчитанная по стандартным формулам для конкретного значения R0. Условное обозначение НСХ состоит их значения номинального сопротивления ТС или ЧЭ R0 и обозначения типа (таблица 2). Русское обозначение типа приводят за значением номинального сопротивления, латинское обозначение – перед значением номинального сопротивления. Например: 100 П означает НСХ для платинового ТС (или ЧЭ) с α = 0,00391 °С–1 и R0 = 100 Ом; Pt 100 означает НСХ для платинового ТС (или ЧЭ) с α = 0,00385 °С–1 и R0 = 100 Ом; Температурный коэффициент сопротивления α в соответствии с ГОСТ Р 8625-2006 рекомендуется определять по формуле R R0 100 , R0 100C где R100 и R0 – сопротивление TC по НСХ при температуре 100 °С и 0 °С, соответственно, округленное после пятого знака после запятой. Таблица 2 Тип ТС α, °С−1 Платиновый Обозначение типа ТС Pt 0,00385 Медный Никелевый П М Н 0,00391 0,00428 0,00617 Класс допуска для проволочных ЧЭ для пленочных ЧЭ W 0.1, W 0.15, W 0.3, W 0.6, AA, A, B, C A, B, C C F 0.1, F 0.15, F 0.3, F 0.6, AA, A, B, C − − для ТС AA, A, B, C AA, A, B, C A, B, C C Наличие в металле примесей уменьшает температурный коэффициент сопротивления, поэтому металлы для изготовления термометров сопротивления должны иметь нормированную чистоту. Показателем чистоты металлов является величина W100 – отношение сопротивлений металла при 100 °С и 0 °С. Для ТСП W100 = 1,385 или 1,391, для ТСМ W100 = 1,428, для ТСН W100 = 1,617. Класс допуска ТС ли ЧЭ определяет максимальное допускаемое отклонение от НСХ, выраженное в °С. В таблице 3 приведены допуски, соответствующие классам допуска по классификации таблицы 2 и диапазоны измерения для ТС и ЧЭ. 15 Таблица 3 Класс допуска AA W 0.1 F 0.1 A W 0.15 F 0.15 B W 0.3 F 0.3 C W 0.6 F 0.6 Допуск, °С Диапазон измерений, °С Платиновый ТС, ЧЭ Медный ТС,ЧЭ проволочный пленочный Никелевый ТС, ЧЭ ±(0,1 + 0,0017| t |) От −50 до +250 От −50 до +250 − − ±(0,15 + 0,002| t |) От −100 до +450 От −50 до +450 От −50 до +120 − ±(0,3 + 0,005| t |) От −196 до +660 От −50 до +600 От −50 до +200 − ±(0,6 + 0,01| t |) От −196 до +660 От −50 до +600 От −50 до +200 От −60 до +180 Платиновые термопреобразователи сопротивления имеют обозначение номинальных статических характеристик 10 П, 50 П, 100 П, 500 П, 1000 П. Платиновые ТС являются наиболее распространенным типом термометров сопротивления. Рекомендуемый диапазон применения этих термометром в соответствии с ГОСТ Р 8625-2006 составляет от −196 °С до 660 °С. Для измерения высоких температур применяются низкоомные термометры сопротивления, а для низких – высокоомные. Недостатками платиновых ЧЭ является возможность загрязнения платины парами металлов при высоких температурах (более 900 °С), подверженность воздействию восстановительных сред (H2, CO, углеродсодержащие газовые среды, продукты сгорания). Зависимость сопротивления от температуры в области температур от 0 °С до 850 °С описывается уравнением Rt R0 ( 1 At Bt 2 ), где А и В – постоянные коэффициенты, зависящие от величины W100. Для изготовления платиновых термопреобразователей сопротивления применяется проволока диаметром от 0,05 мм до 0,1 мм (температуры до 750 °С) и диаметром от 0,2 мм до 0,5 мм при более высоких температурах. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис.4,а) состоит двух последовательно соединенных платиновых спиралей 1, расположенных в каналах 2 керамического каркаса 3. Каркас может иметь четыре канала для размещения двух дополнительных спиралей. Каналы каркаса заполняются порошком окиси алюминия, который является электрическим изолятором и одновременно улучшает тепловой контакт проволоки с каркасом. К концам спиралей припаяны короткие выводы 4 16 из платиновой или иридиевой проволоки, к которым затем припаиваются изолированные проводники. Номинальное значение сопротивления при 0 °С подгоняется отрезанием спирали в точке 5. Торцы спиралей герметизируются специальной глазурью 6. Керамический каркас помещается в тонкостенную металлическую оболочку 7, которая также заполняется порошком и закрывается пробкой, через которую пропускаются выводы. Такая конструкция обеспечивает герметичность чувствительного элемента, прочность и вибростойкость. Рис. 4. Конструкция платиновых термопреобразователей сопротивления В настоящее время всё большее распространение получают тонкопленочные платиновые термопреобразователи сопротивления, в которых тонкая пленка платины наносится на изолирующую керамическую подложку (рис.4,б). Такой способ изготовления датчика температуры позволяет получить очень компактную конструкцию с высоким значением R0. Некоторые зарубежные фирмы выпускают тонкопленочные платиновые термометры сопротивления с R0 до 10000 Ом. Медные термопреобразователи сопротивления имеют обозначение номинальных статических характеристик 10 М, 50 М, 100 М, 500 М. Рекомендуемый диапазон применения этих термометром в соответствии с ГОСТ Р 8625-2006 составляет от −50 °С до 150 °С. Достоинством меди является дешевизна, возможность получения в чистом виде и линейность зависимости сопротивления от температуры. Недостатком является интенсивная окисляемость, что требует покрытия проволоки высокотемпературной изоляцией, а также низкое значение удельного сопротивления, что увеличивает габариты чувствительного элемента. Зависимость сопротивления от температуры в области температур от – 50 °С до 200 °С описывается уравнением Rt R0 ( 1 t ). 17 Для изготовления медных термопреобразователей сопротивления применяется проволока диаметром 0,08 мм, которая наматывается бифилярно (сложенным вдвое проводом) в виде катушки, отдельные слои которой скреплены лаком. Бифилярная намотка провода необходима для минимизации индуктивности катушки. Поскольку измерительные мосты питаются переменным током, то индуктивное сопротивление чувствительного элемента будет вносить дополнительную погрешность при измерении температуры. Кроме того, при таком способе намотке уменьшается влияние электромагнитных помех. Собранный таким образом чувствительный элемент помещается в тонкостенную металлическую трубку, засыпается порошком окиси алюминия и герметизируется. 3.2. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления по сравнению с металлическими имеют значительно большие значения температурного коэффициента сопротивления, а также высокое удельное сопротивление. Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием на воздухе при 1100-1300 °С. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 °С являются термисторы на основе смешанных оксидов магния и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Недостатком полупроводниковых термопреобразователей разброс параметров и пониженная долговременная стабильность характеристик. Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки. Диапазон применения полупроводниковых термопреобразователей составляет от – 100 °С до 300 °С. Различают полупроводниковые терморезисторы с отрицательной величиной ТКС (термисторы) и полупроводниковые 18 термопреобразователи сопротивления с положительной величиной ТКС (позисторы). В зарубежной практике термисторы имеют обозначение NTC, а позисторы – PTC. Зависимость сопротивления термисторов от температуры нелинейная и выражается уравнением B( 293 T ) RT R0e 293T , где RT, R0 – сопротивление полупроводникового термопреобразователя при температуре Т и 293 К соответственно, В – постоянный коэффициент. На практике более точные результаты дает аппроксимирующая зависимость 1 a b(ln R ) c(ln R )3 , T где Т температура в К; R – сопротивление в Ом; a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С. Зависимость сопротивления от температуры у позисторов также нелинейная и характеризуется скачкообразным ростом сопротивления при достижении некоторой пороговой температуры. Эта особенность обусловила широкое применение позисторов в различного рода защитных термореле. Нелинейную характеристику термистора можно линеаризовать за счет последовательного включения с ним резистора с определенным сопротивлением. Таким способом можно линеаризовать её в сравнительно узком температурном диапазоне измерения ( несколько десятков градусов). На основе таких датчиков некоторые зарубежные фирмы выпускают термопреобразователи для систем вентиляции и кондиционирования. Сопротивление этих термопреобразователей при нижней границе измеряемой температуры обычно равно 15 кОм, а при верхней – 10 кОм. Высокое сопротивление датчиков позволяет исключить влияние сопротивления проводов соединительной линии и упростить схему измерительного прибора. 3.3. Мостовые методы измерения сопротивлений Мостовые средства измерения сопротивлений широко применяются в теплоэнергетических установках. На рис.5,а показана простейшая схема 19 четырехплечего моста. Мост состоит из четырех резисторов, источника питания и измерительного прибора. Точки а и b образуют диагональ питания, а точки с и d – измерительную диагональ. Точки а, b, c, d называются вершинами моста. Резисторы между двумя соседними вершинами – R1, R2, RM, RX образуют плечи моста, RX – резистор, сопротивление которого нужно измерить. Плечи, не имеющие общих вершин называются противолежащими (резисторы R1 и RM, R2 и RX). Плечи, имеющие общую вершину, называются смежными (резисторы R1 и RX, RM и RX, R1 и R2, R2 и RM. Плечи моста могут состоять из нескольких резисторов, резисторы могут быть включены также в диагонали. Плечи моста могут быть образованы не только активными сопротивлениями, но и индуктивными, емкостными, а также их сочетаниями. Рис. 5. Схемы уравновешенного (а) и неуравновешенного (б) мостов Мостовые схемы подразделяются на уравновешенные (рис.13,а) и неуравновешенные (рис.5,б). Состояние моста, при котором напряжение между точками с и d равна нулю, называют равновесным, а мост в таком состоянии называется уравновешенным. Для уравновешивания моста при измерениях RX используется переменное сопротивление известной величины, например, магазин сопротивлений RM. Очевидно, что при равновесии моста RXI1 = R1I2 и RМI1 = R2I2. Разделив эти равенства, получим RX /RM = R1 /R2 или RX R2 = R1 Rм, т.е. условием равновесия моста является равенство произведений сопротивлений противолежащих плеч моста. Из уравнения следует, что R R RX M 1 . R2 Плечи R1 и R2 называются плечами соотношения, так как они определяют масштаб уравновешивающего сопротивления магазина. Из полученного уравнения видно, что результат измерения не зависит от напряжения источника питания. Измерительный прибор выполняет 20 только функции нуль-индикатора (НИ), фиксирующего отклонение напряжения измерительной диагонали от нулевого значения. В неуравновешенных мостах напряжение измерительной диагонали изменяется с изменением измеряемого сопротивления, и плечи моста не содержат уравновешивающих элементов. Сопротивление плеч моста выбирается так, чтобы при температуре 0°С мост находился в равновесии. В этом случае указательная стрелка милливольтметра будет находиться на нулевом делении шкалы. При увеличении температуры сопротивление терморезистора RX возрастает и между вершинами c и d появляется положительное напряжение разбаланса. Питание моста осуществляется от генератора стабильного тока (ГСТ), который обеспечивает постоянство тока в цепи питания вне зависимости от сопротивления его нагрузки. Применение генератора стабильного тока для питания моста обеспечивает линейную зависимость напряжения в измерительной диагонали от величины изменения RX. В схеме моста на рис.5 не учтены сопротивления двух соединительных проводов, с помощью которых термометр сопротивления подключается к схеме моста. Обозначим сопротивление каждого из проводов через RЛ (рис.6,а), сопротивление терморезистора – RT. Тогда при равновесии моста будет выполнятся условие (RT + 2RЛ)R2 = R1 Rм. Из уравнения следует R R RТ M 1 2 RЛ . R2 Рис. 6. Подключение термометра сопротивления по двухпроводной (а) и трехпроводной (б) схемам Длина соединительных проводов может изменяться в широких пределах, поэтому для стабилизации характеристик моста сопротивление RЛ увеличивают с помощью добавочного сопротивления до стандартного 21 значения (обычно 2,5 Ом). Для этой цели в схеме моста имеются специальные подгоночные катушки. Но даже в этом случае сопротивление соединительных проводов будет меняться при изменении температуры окружающей среды. Очевидно, что на изменение RЛ ( при неизменном RT) мост будет реагировать как на изменение RT. В результате возникнет дополнительная погрешность. Для снижения этой погрешности используют трехпроводную схему подключения термометра сопротивления (рис.6,а). В этой схеме источник питания подключается не к точке a моста, как в двухпроводной схеме, а к третьему выводу термометра сопротивления в точке e. Перенос диагонали питания приводит к изменению плеч моста и, соответственно, изменению условия равновесия R2(RT + RЛ) = Rм(R1 + RЛ). Отсюда получаем уравнение для определения RT: RТ RM R1 RM RЛ RЛ . R2 R2 Из уравнений видно, что применение трехпроводной схемы подключения термометра сопротивления уменьшает влияние соединительной линии на измерение RT. Если R2 = Rм, то сопротивление соединительной линии вообще не будет влиять на результаты измерения. В теплоэнергетике широко применяются автоматические уравновешенные мосты типа КСМ. Упрощенная схема такого моста с двухпроводной схемой подключения термометра сопротивления приведена на рис.7,а. Уравновешивание моста при изменении сопротивления RT осуществляется автоматически реверсивным двигателем РД, перемещающим движок реохорда РР. Реохордом называется проволочный резистор, намотанный на изолированный стержень определенной длины. Сопротивление реохорда имеет фиксированное значение (обычно 90 Ом), линейно распределенное по заданной длине, равной длине шкалы (100 мм для автоматических мостов КСМ1 и 250 мм для КСМ4). На реохорде находится подвижный контакт – движок, который перемещается по проволочной намотке реохорда реверсивным двигателем через кинематическую связь (показана штриховой линией). Движок реохорда образует вершину моста с. С движком жестко связана указательная стрелка, перемещающаяся вдоль показывающей шкалы прибора. Балластный резистор RБ ограничивает ток через термометр сопротивления, во избежание его нагрева рабочим током. 22 Рис. 7. Схема автоматического уравновешенного моста с двухпроводным (а) и трехпроводным (б) подключением термометра сопротивления Измерительная диагональ моста образована вершинами с и d, а диагональ питания – вершинами а и b. Движок реохорда делит сопротивления реохорда на две части. Сопротивление правой части реохорда обозначим RРП, а левой - RРЛ. Из рисунка видно, что левая и правая части реохорда относятся к разным плечам моста. Условие равновесия моста определяется выражением R2(RT +2RЛ + RРЛ) = R1(R3 + RРП). При любом изменении измеряемой температуры происходит разбаланс моста и между вершинами с и d появляется напряжение ΔU с фазой, определяющей направление смещения движка реохорда. Напряжение усиливается усилителем УЭД и подается на реверсивный двигатель РД. Двигатель через кинематическую связь начинает перемещать движок реохорда в направлении равновесия мостовой схемы. Перемещение движка продолжается до установления нового равновесного состояния моста. Это равновесное состояние будет соответствовать новому значению измеряемой температуры. В рассмотренной схеме, как и в схеме рис.6,а, на показания прибора будет оказывать влияние изменение сопротивления соединительной линии при изменении температуры окружающей среды. Для уменьшения этого влияния применяется трехпроводная схема подключения термометра сопротивления (рис.7,б). Для этой схемы условие равновесия моста определяется выражением R2(RT + RЛ + RРЛ) = ( R1 + RЛ)(R3 + RРП). Поскольку сопротивление RЛ входит в обе части уравнения равновесия, то изменение сопротивления соединительных проводов будет оказывать меньшее влияние по сравнению с двухпроводной схемой. 3.4. Потенциометрический метод измерения сопротивлений Потенциометрический метод измерения сопротивлений обеспечивает высокую точность измерения температуры и широко применяется в лабораторной практике. Метод основан на использовании образцового сопротивления RО (рис.16,а) с известным значением сопротивления. 23 Потенциометром ИП измеряется падение напряжения UT на термопреобразователе сопротивления и напряжение UО на образцовом сопротивлении. По известному UО можно определить ток в цепи I = UО/RО, а зная ток можно по известному значению падения напряжения на терморезисторе определить его сопротивление U RТ T RO . UO При таком методе измерений используются обычно термометры сопротивления с четырьмя выводами. Рис. 8. Схема измерения сопротивления по падению напряжения при измеряемом (а) и стабилизированном токе (б) На рис.8,б показан более удобная реализация метода. Здесь схема запитывается от генератора стабильного тока (ГСТ), который обеспечивает строго постоянную величину тока через термометр сопротивления, вне зависимости от его сопротивления. Подобная схема достаточно широко применяется в промышленных приборах. Упрощенная принципиальная схема одного из них показана на рис.9. Термометр сопротивления подключается по четырехпроводной схеме. По двум проводам подается стабилизированный рабочий ток 2 мА, двумя другими снимается напряжение UВХ с терморезистора. Параметры входного усилителя (ВхУ) подобраны так, чтобы его выходное напряжение изменялось в диапазоне (0…1) В при изменении температуры от нижнего предела измерения до верхнего. Это напряжение поступает на вход суммирующего усилителя (СУ). На другой вход этого усилителя поступает потенциал от движка реохорда RP, который запитывается стабилизированным напряжением 1 В. В суммирующем усилителе сигнал от движка реохорда вычитается из сигнала входного усилителя и разностный сигнал подается на схему устройства управления (УУ) шаговым двигателем (ШД). В зависимости от знака разностного сигнала 24 устройство управления задает направление вращения вала электродвигателя и перемещает движок реохорда до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю. На движке реохорда закреплена указательная стрелка, которая показывает на шкале текущее значение измеряемой температуры. Поскольку входное сопротивление усилителя имеет большую величину, ток в соединительных проводах близок к нулю. В результате сопротивление соединительных проводов практически не сказывается на результат измерения. Рис. 9. Упрощенная схема промышленного прибора 3.5. Логометры Принцип действия логометра основан на взаимодействии магнитных полей токов в цепях термопреобразователя сопротивления Rt и постоянного сопротивления R (см. рис.10). Основной элемент логометра – подвижная система, состоящая из двух жестко скрепленных скрещенных рамок 1 и 2, выполненных из тонкого медного изолированного провода. Рамки имеют одну общую ось вращения и находятся в зазоре постоянного магнита 3. Ток от источника питания разветвляется на две параллельные ветви I1 и I2. В одну ветвь включена рамка 1 и термопреобразователь сопротивления RТ, в другую – рамка 2 и постоянное сопротивление R. В электрическую цепь рамки включены таким образом, что токи I1 и I2 текут навстречу друг другу и создают в рамках противоположные моменты вращения. При равенстве токов моменты, создаваемые в рамках при взаимодействии с полем постоянного магнита, равны, и рамки расположены симметрично относительно магнита. 25 Рис. 10. Принципиальная схема логометра При изменении сопротивления термопреобразователя RТ, под воздействием, например, повышения температуры, отношение токов I1 и I2 изменяется, так как ток I1 уменьшается с увеличением RТ, соответственно изменяются и моменты М1 и М2, создаваемые в рамках, что вызывает поворот всей магнитной системы. Воздушный зазор между полюсами магнита N и S и сердечником 4 сделан неравномерным, поэтому магнитная индукция в зазоре непостоянна. Поэтому при повороте всей подвижной системы с жестко скрепленными рамками одна из рамок попадает в более сильное поле, а вторая – в более слабое. В этих условиях моменты вращения рамок вновь уравновесятся и указательная стрелка зафиксируется в новом положении, соответствующем текущему значению температуры. Напряжение источника питания теоретически не влияет на угол поворота рамок, который определяется только отношением токов I1 и I2 . 4. Термоэлектрические термометры Цепь, составленная из двух различных проводников (М1, М2), называется термоэлементом (или термопарой), а ее ветви − термоэлектродами. Величина термоЭДС (εТ) зависит от абсолютных значений температур спаев (TA , TB), разности этих температур ΔT и от природы материалов, составляющих термоэлемент Рис. 11. Схема возникновения термоЭДС 26 ТермоЭДС контура определяется формулами: dT 12 dT ; T TA 12 dT . TB Здесь α12 - коэффициент термоЭДС металла 1 по отношению к металлу 2, который является характеристикой обоих металлов термопары. На практике это создает определенные неудобства. Поэтому условились величину α измерять по отношению к одному и тому же металлу, за который удобно принять свинец, т.к. для образца из свинца не возникает никакой разности потенциалов между его нагретым и холодным концами. Значения коэффициентов термоЭДС металлов М1 и М2 по отношению к свинцу обозначают соответственно α1 и α2 и называют абсолютными коэффициентами термоЭДС. В небольшом интервале температур (во всяком случае, для интервала порядка 0°С 100°С): εТ = α12 (TA − TB) = α 12ΔT. Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением α к металлу, у которого коэффициент термоЭДС больше. Например, для термопары железо (М1) − константан (М2) абсолютные коэффициенты термоэдс соответственно равны: α1 = +15,0 мкВ/К (для железа) и α2= −38,0 мкВ/К (для константана). Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к М1). Именно эта ситуация (когда α2< α1) иллюстрируется для электрической цепи, изображенной на рис. 11. Возникновение термотоков объясняется следующим: при соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй – отрицательно. Образующееся при этом в месте соединения проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая 27 разность потенциалов (термо-ЭДС). С увеличением температуры проводников значение этой термо-ЭДС также увеличивается. Кроме того, термо-ЭДС возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры. В этом случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника как обладающий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с концом, менее нагретым. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению возникающей в нем термо-ЭДС. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 12,а), либо в разрыв одного из них (рис. 12,б). Концы термоэлектродов А и В (рис. 12,а) называются свободными концами, а точка их спая А называется рабочим концом термопары. а) б) Рис. 12. Подключение термопары к измерительному прибору В местах подключения проводников термопары к измерительной системе ( точки В, С для рис. 12,а и точки С, D для рис. 12,б ) возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения. Из теории термоэлектричества известна «теорема о третьем проводнике». Суть её следующая: включение в цепь термопары третьего проводника из любого материала не вызывает искажений термоЭДС, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. На основании этой теоремы можно сделать вывод, что для первой схемы включения, при равенстве температур свободных концов ТС = ТВ = T0, показания милливольтметра будут пропорциональны разности температур ТА – Т0. Аналогично, для второй схемы включения показания милливольтметра будут пропорциональны разности температур ТА – ТВ. 4.1. Стандартные термоэлектрические преобразователи 28 Любые два разнородные проводника могут образовывать термопару, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: жаропрочность, химическая стабильность, воспроизводимость материалов (для обеспечения взаимозаменяемости термопар), заключающаяся в одинаковой зависимости термоЭДС термопары от температуры. В таблице 4 приведены основные стандартные промышленные темопреобразователи. Таблица 4 Материал термоэлектродов Тип Буквенное термо- обозначеположительного о пары ние НСХ положительного отрицательного Коэффициент термоЭДС, мкв/°С (в диапазоне температур, °С) Диапазон Предельная рабочих температура температур, кратковре°С менно, °С ТЖК J Железо Сплав константан 50÷64 (0−800) от -200 до +700 900 ТХА К Сплав хромель Сплав алюмель 35÷42 (0−1300) от -200 до +1000 1300 ТМК Т Медь Сплав константан 40÷60 (0−400) от -200 до +350 400 ТХКн Е Сплав хромель Сплав константан 59÷81 (0−600) от-200 до +700 900 ТХК L Сплав хромель Сплав копель 64÷88 (0−600) от -200 до +600 800 ТНН N Сплав нихросил Сплав нисил 26÷36 (0−1300) от -270 до +1300 1300 ТПП13 R Сплав платинародий (87%Pt + 13%Rh) платина (Pt) 10÷14 (600−1600) от 0 до +1300 1600 ТПП10 S Сплав платинародий (90% Pt + 10% Rh) платина (Pt) 10÷14 (600−1600) от 0 до +1300 1600 ТПР В Сплав платинародий (70% Pt + 30% Rh} Сплав платинародий (94% Pt+6%Rh) 10÷14(1000−1800) от 600 до+1700 1800 ТВР А-1 А-2 А-3 Сплав вольфрамрений (95% W + 5% Re) Сплав вольфрамрений (80% W+20% Re) 14÷7 (1300−2500) 29 от 0 до +2200 2500 Зависимость развиваемой термопреобразователем термоЭДС от температуры рабочего спая t при нулевой температуре свободных концов t0 = 0 °C (т.е. Е(t,0) = f(t)) называется номинальной статической характеристикой преобразователя (НСХ). Она задается в виде градуировочных таблиц или формул и обозначается условным символом в русском и международном обозначении. В соответствии с ГОСТ Р5043192 в настоящее время для обозначения НСХ должны использоваться только латинские буквы. На условных графических изображениях положительный электрод обозначается тонкой линией, отрицательный толстой. На рис.13 показаны НСХ основных типов промышленных термопар. E, mV 70 J L 60 K 50 N 40 30 R T 20 S B 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 t, °C Рис. 13. Номинальные статические характеристики различных типов термопар В реальных условиях эксплуатации термопар температура свободных спаев обычно не равна нулю. Более того, эта температура может изменяться при изменении режима работы установки и в зависимости от погодных условий. Это приводит к варьированию показаний вторичного прибора пропорционально изменению температуры свободных концов термопары. Очевидно, что для устранения этой погрешности измерения температуры следует вынести свободные спаи в зону с постоянной 30 температурой с помощью стандартных удлиняющих или компенсационных проводов и скорректировать показания на величину этой температуры. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. В качестве примера рассмотрим два варианта подключения термоэлектрического преобразователя ко вторичному прибору (рис.14). Предположим, что измеряется температура некоторого объекта, имеющего температуру 300 °С. Температура свободных концов термопары В и С равна 100 °С. Температура в месте установки вторичного прибора равна 30 °С, поэтому температура на его входных контактах D и E также будет равна 30 °С. В первом случае (рис.14,а) соединение термопары с прибором выполнено медным монтажным проводом длиной L1, следовательно свободные концы термопары находятся в точках В и С. Показания прибора будут равны 200 °С. Во втором случае (рис.14,б) соединение выполнено проводами с проводами из тех же материалов, что и электроды термопары. Очевидно, что при таком подключении свободные концы термопары находятся в точках D и E, т.е. на входных контактах измерительного прибора. Показания прибора будут равны 270 °C. При использовании удлиняющих проводов следует строго соблюдать полярность подключения. Например, нельзя хромелевый электрод удлинять константановым, а алюмелевый медным. Характеристики удлиняющих проводов приведены в таблице 5. а) б) Рис. 14. Применение удлиняющих проводов Таблица 5 НСХ Наименование пары жил Обозначе ние К К L Медь – константан Медь – титан / медь – никель Хромель / копель М МТ – НМ ХК 31 Максимальная рабочая температура, °С 100 300 100 Погрешность, °С 5,5 4,9 3,3 R А Медь / сплав ТП Медь / медь - никель П М – МН 100 100 2,4 4,2 4.1.1.Термопары из неблагородных металлов Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Особенно удобны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта. Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень проблематичной возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил – нисил (тип N). Одной из существенных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях. Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрамрениевые термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрамрениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов. Тип J (железо-константановая) • Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины; • Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы; • Максимальная температура длительного применения – 500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы. • Показания повышаются после термического старения. • Преимуществом является также невысокая стоимость. Тип Е (хромель-константановая) 32 • Преимуществом является высокая чувствительность. • Термоэлектрическая однородность материалов электродов. • Подходит для использования при низких температурах. Тип L (хромель-копелевая) • Высокая чувствительность. • Высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600 °С, обусловленная тем, что изменения термоЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар составляет несколько десятков тысяч часов. • Недостатком термопары является высокая чувствительность к механическим деформациям. Тип Т (медь-константановая) • Может использоваться ниже 0 °С; • Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода; • Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С; • Не чувствительна к повышенной влажности; • Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлектрическую неоднородность. Тип К (хромель-алюмелевая) • Широко используются в различных областях от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел длительного применения, зависящий от диаметра термоэлектрода); • В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °С; • Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода; • После термического старения показания снижаются; • Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет термоЭДС и показывает заниженную температуру; • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода. Тип N (нихросил-нисиловая) • Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы. 33 • Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки). • Кратковременная работа возможна при 1300 °С; • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К); • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. Рекомендации по выбору термопар из неблагородных металлов ниже нуля – тип Е, Т; комнатные температуры – тип К, Е, Т, L; до 300 °С – тип К, L; от 300 до 600°С – тип N, L; выше 600 °С – тип К или N. 4.1.2. Термопары из благородных металлов Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S ( Pt-10%Rh / Pt) (тип R (Pt13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh / Pt6%Rh)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ТПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50 °С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2÷0,3 °С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500÷900 °С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей. В последние годы за рубежом были разработаны и исследованы термопары из чистых металлов: золото-платиновые и платинапалладиевые. По результатам опубликованных исследований можно сделать вывод о их лучшей стабильности и точности по сравнению с 34 платинородий-платино-выми термопарами. Тип S (платнородий-платиновая) • Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1300 °С; • Кратковременное применение возможно при 1600 °С; • Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой. • Может применяться в окислительной атмосфере. • При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Поэтому должны применяться керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. • Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна. Тип R (платнородий-платиновая) • Свойства те же, что и у термопар типа S. Тип В (платнородий-платинородиевая) • Рекомендуемая максимальная температура длительного применения составляет 1500 °С (зависит от диаметра проволоки); • Кратковременное применение возможно до 1800 °С; • Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; • При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Поэтому должны применяться керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. • Может использоваться в окислительной среде; • Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна. 4.2. Конструкция термопар На рисунке 15 показана конструкция промышленного термоэлектрического преобразователя. Рабочим органом термопреобразователя является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов 9, сваренных между собой на конце 11, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по 35 всей длине с помощью изоляторов 1 и помещены в защитную арматуру 10. Свободные концы элемента подключены к контактам термопреобразователя 7, расположенным в головке 4, которая закрывается крышкой 6, имеющей прокладку 5. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком <+>. Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда 8. Рабочий конец термопреобразователя изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать. Термопреобразователи могут иметь штуцер 2 для крепления по месту и штуцер 3 для ввода соединительных проводов измерительных приборов. Рис. 15. Конструкция промышленной термопары В настоящее время широкое распространение в мире, в т.ч. и в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgOпериклазом (см. рис. 16). Рис. 16. Заготовка из термопарного кабеля с одной или двумя парами термоэлектродов 36 Рис. 17 Общий вид кабельной термопары В России выпускают термопарный кабель типов КТХА, КТХК, КТНН, КТЖК диаметров от 1 до 7.2 мм. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Общий вид кабельной термопары представлен на рис. 17. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам. Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных преимуществ по сравнению с термопарами традиционного исполнения, таких как: повышенные в 2-3 раза термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс при сравнимых рабочих условиях; возможность изгибать, укладывать в труднодоступные места, в кабельные каналы, приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры, при этом монтажная длина может достигать 60-100 метров; малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их при регистрации быстропротекающих процессов; блочно-модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах, обеспечивающее дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента; универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость. Сравнительные испытания термопар показали, что дрейф термо-ЭДС. кабельной термопары КТХА наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800°С за 10 000 часов составляет не более 100 мкВ. Повышенная стабильность кабельных 37 термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды с помощью металлической оболочки и оксида магния. При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, кабельные термопреобразователи помещаются в защитные чехлы (гильзы), предохраняющие их от изгибов и разрушений, и служат в качестве сменных чувствительных элементов. Защитные чехлы имеют типовые габаритные размеры. Внешний вид преобразователя аналогичен традиционному внешнему виду промышленных термопар (рис.18). При этом термопреобразователи блочно-модульного исполнения, сохраняя все преимущества кабельных, приобретают такие достоинства, как: возможность оперативной замены чувствительного элемента без демонтажа защитного чехла с объекта; возможность одновременной поверки большого числа преобразователей вследствие малогабаритности демонтируемых кабельных чувствительных элементов; удешевление последующих поставок, так как, при необходимости, заменять можно только наружный чехол или только чувствительный элемент. Рис. 18. Кабельный термопреобразователь модульного исполнения. Дальнейшим развитием конструкции кабельных термопар является термопара с дополнительным каналом, позволяющим устанавливать в него контрольную термопару для периодической поверки рабочей термопары непосредственно на объекте без её демонтажа (рис. 19). 38 Рис. 19 Кабельная термопара с дополнительным каналом Такая методика поверки наиболее предпочтительна не только ввиду большей оперативности, но также из – за большей достоверности по сравнению с поверкой в лабораторных условиях. Причиной этого является то, что величина термоЭДС термопреобразователя зависит не только от разницы температур между горячим и холодным спаем, но также от глубины погружения и профиля температурного поля. 4.3. Средства измерения термоЭДС Для измерения термоЭДС в промышленности широко применяются пирометрические милливольтметры, которые являются электроизмерительными приборами магнитоэлектрической системы. В конструкции милливольтметров можно выделить магнитную и подвижную системы (см. рис. 20). Первая состоит из подковообразного магнита (на рисунке не показан), полюсных наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечниками характеризуется наличием практически равномерного электромагнитного поля. В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 1, которая монтируется на кернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил, противодействующий вращению рамки, создается пружиной 4. Взаимодействие тока, протекающего по рамке, с полем постоянного магнита вызывает появление вращающего момента, который, будучи уравновешен противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку на определенный угол. Этот угол пропорционален величине протекающего по рамке тока. При постоянном внутреннем сопротивлении милливольтметра между напряжением на его зажимах и током, протекающим через рамку, существует однозначное соответствие, что позволяет проградуировать его в единицах напряжения. Если милливольтметры предназначены для измерения термоЭДС, то они обычно градуируются в °С и называются пирометрическими. 39 Рис. 20. Конструкция пирометрического милливольтметра Для установления однозначного соответствия между показаниями температуры в °С, термоЭДС термопары и протекающим через милливольтметр током на шкале прибора указывается тип термопары и значение внешнего сопротивления на зажимах термопары ( сопротивление измерительной линии). Поскольку термоЭДС термопары зависит от разности температур рабочего спая и свободных концов, то для корректного измерения температуры объекта необходимо вводить поправку на температуру свободных концов термопары. Если температура свободных концов постоянна, то эта поправка может быть введена смещением стрелки милливольтметра корректором на величину температуры свободных спаев. Если температура свободных концов термопары не остаётся постоянной, термопара подключается к милливольтметру через компенсационное устройство, предназначенное для автоматической компенсации влияния изменения температуры свободных концов термопары. Принципиальная схема устройства показана на рис. 21. Рис. 21 Подключение термопары через компенсационное устройство 40 Конструктивно устройство является четырехплечим неуравновешенным мостом, который состоит из трёх резисторов постоянного сопротивления R1, R2, R3. Резистор Rt изготовлен из медной проволоки и его сопротивление возрастает с увеличением температуры. Этот резистор устанавливается так, чтобы его температура равнялась температуре свободных концов термопары. Сопротивления резисторов выбираются из условия равновесия моста при температуре 0 °С. При равновесии моста разность потенциалов между точками с и d будет равна нулю. В случае увеличения температуры сопротивление терморезистора Rt возрастёт и между точками c и d появится положительное напряжение разбаланса. Поскольку компенсирующее устройство включено в разрыв одного из термоэлектродов, то напряжение разбаланса моста будет суммироваться с величиной термоЭДС термопары. Сопротивление резистора R4 подбирается таким, чтобы напряжение разбаланса точно соответствовало требуемой величине поправки на температуру свободных концов термопары. Очевидно, что величина сопротивления R4 зависит типа применяемой термопары. Чем выше коэффициент преобразования (чувствительность) термопары, тем больше должно быть напряжение между точками с и d при одинаковой температуре. Напряжение разбаланса моста при прочих равных условиях зависит от тока IM в цепи моста. Величина тока устанавливается резистором R4. Если термопара применяется в комплекте с микропроцессорным измерительным прибором, то обычно температура свободных спаев (входных клемм прибора) измеряется с помощью отдельного датчика температуры и этот сигнал используется для вычисления поправки на температуру свободных концов термопары. Некоторые конструкции приборов предусматривают размещение датчика температуры в специальных соединительных коробках. Соединительные коробки представляют собой полые металлические цилиндры – тепловые экраны, внутрь которых вводятся концы электродов термопар. Экраны позволяют обеспечить равенство температур свободных концов термопары и датчика. При такой схеме подключения термопар удлиняющие провода не используются. Автоматические потенциометры типа КСП широко используются в теплоэнергетических установках для измерения температуры. Они предназначены для автоматического измерения термоЭДС компенсационным методом. 41 Рис. 22. Схема автоматического потенциометра Принципиальная схема автоматического потенциометра показана на рис. 22, где обозначено: Rp − сопротивление реохорда, Rш − шунта, Rн и Rк − для задания начала и конца шкалы, Rп − для задания пределов измерения, Rб − балластное, Rс − для поверки рабочего тока, Rм − медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев, ИПС − источник питания стабилизированный. Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в другую (измерительную диагональ АD) термопара с термоЭДС Е и реверсивный электродвигатель РД с усилителем УЭД. В вершине А моста находится реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель. Мост может находиться в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном. Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами AD равно по модулю термоЭДС (UAD = Е) и напряжение небаланса ΔU, подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю: ΔU = UAD – Е = 0. В данном состоянии РД не работает. Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то мост выходит из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ΔU ≠ 0. Усилитель, усилив напряжение, подает его на РД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. Перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на РД снова не станет равно нулю. 42 В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывно и с большой скоростью. 5. Кварцевые термометры Принцип действия кварцевого термометра основан на температурной зависимости собственной резонансной частоты кварцевой пластинки. Эта частота имеет исключительно высокую стабильность, что обусловило широкое применение кварцевых резонаторов в схемах высокостабильных генераторов электрических колебаний. Температурная зависимость резонансной частоты кристалла кварца в общем случае описывается полиномом третьей степени f ( t ) f 0 ( 1 at bt 2 ct 3 ), где t – температура кварца; f0 – частота при 0 °С; a, b, c – постоянные коэффициенты. За счет выбора определенного направления среза кварцевого кристалла можно добиться равенства нулю коэффициентов b и c. В результате получим линейную зависимость резонансной частоты кварцевой пластинки от температуры. Достоинством кварцевых термометров является высокая разрешающая способность и небольшой временной дрейф, что позволяет изготавливать высокоточные термометры с цифровым выходом. Выпускаемые серийно преобразователи типа ПТЧК в диапазоне температур 0…150°С имеют погрешность, не превышающую ±0,1 °С. 6. Пирометры 6.1.Основы пирометрии Все рассмотренные выше средства измерения температуры работают при непосредственном контакте термометра с измеряемой средой. Верхний предел применения контактных средств измерения ограничен температурой 2200 °С. Кроме того, часто бывает невозможен непосредственный контакт термометра с измеряемой средой. В этих случаях применяются бесконтактные средства измерения температуры, которые измеряют температуры тела или среды по их тепловому излучению. Такие средства измерения температуры называют пирометрами. Все тела излучают электромагнитные волны различной длины λ. Мощность излучения, отнесенная к единице площади излучающей поверхности, называется энергетической светимостью М, Вт/м2. Тела 43 излучают в широком спектре и энергия излучения распределяется неравномерно по разным длинам волн. Энергетическая светимость, определенная для конкретной длины волны, называется спектральной энергетической светимостью M , Вт/(м2 ∙ м). В практике пирометрии для характеристики излучения обычно используется энергетическая яркость В, Вт/(м2 ∙ ср). Энергетическая яркость – это величина потока, излучаемого единицей площади излучающей поверхности в единицу телесного угла в данном направлении. Энергетическая яркость, определенная для конкретной длины волны, называется спектральной энергетической яркостью B , Вт/(м2 ∙ ср ∙ м). Зависимость спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела B0T от температуры описывается уравнением Планка: C C B0T 1 exp 2 1 5 T 1 , где С1 и С2 – первая и вторая константы излучения; λ – длина волны, м; Т – температура, К. На рис. 23 показано графическое представление функции Планка. Для значений λТ < 2 ∙ 10–3 м ∙ К формула Планка с погрешностью менее 0,1 % может быть заменена уравнением Вина: B0T C exp 2 . T 5 C1 Энергетическая яркость абсолютно черного тела при конкретной температуре Т является площадью под кривой соответствующего графика, т.е. интегралом уравнения Планка от нуля до бесконечности. B0T d T 4 , 0 где σ – постоянная Стефана–Больцмана. По сравнению с абсолютно черным телом реальные тела излучают меньше энергии при одинаковой температуре и длине волны. Это уменьшение принято учитывать с помощью поправочного множителя, называемого спектральным коэффициентом излучения или спектральной степенью черноты 44 T BT , B0T где BT – спектральная энергетическая яркость реального тела. Полная энергетическая яркость тела ВТ при температуре Т определяется по спектральной энергетической яркости при интегрировании по всему диапазону длин волн. B0T B0T d . 0 Отношение полной энергетической яркости ВТ излучающего тела к полной энергетической яркости В0Т абсолютно черного тела при одинаковых температурах называется полным коэффициентом излучения (интегральной степенью черноты). T BT . B0T Степень черноты зависит от материала тела, температуры и состояния поверхности. Поэтому пирометры градуируются по абсолютно черному телу, для которого T 1 . При измерении температуры реальных тел, пирометры определяют некоторую условную температуру. Действительная температура тела находится расчетом по фактическому коэффициенту излучения. В большинстве пирометров такой пересчет осуществляется автоматически. 6.2. Монохроматические пирометры Монохроматические пирометры воспринимают излучение в настолько узком диапазоне длин волн, что это излучение может считаться монохроматическим. Из рис. 23 видно, что спектральная энергетическая яркость при фиксированной длине волны возрастает с увеличением температуры. Для выделения необходимой части спектра в приборе устанавливается красный светофильтр, пропускающий излучение с длиной волны λ = 0,655 мкм. Принципиальная схема квазимонохроматического пирометра показана на рис. 24. Излучение от объекта с помощью объектива 1 фокусируется в плоскости нити пирометрической лампы 2, поэтому изображение 45 излучающего объекта и нити лампы будут одновременно видны наблюдателю в фокусе окуляра 3. Между нитью пирометрической лампы и окуляром располагается красный светофильтр 4, который пропускает излучение с заданной длиной волны. Ток в цепи лампы регулируется наблюдателем до тех пор, пока яркости нити лампы и объекта не уравняются. Равенство яркостей воспринимается наблюдателем как исчезновение нити на фоне контролируемого объекта. Рис. 23. Спектральная энергетическая яркость для различных температур Рис. 24. Принципиальная схема монохроматического пирометра Ток накала пирометрической лампы ограничивают на уровне значения яркостной температуры примерно 1400 °С, поэтому для измерения более высоких температур между объективом и пирометрической лампой устанавливают поглощающее стекло 5. Это стекло ослабляет поток излучения от объекта измерения. Поскольку пирометр градуируется по излучению абсолютно черного тела, то при измерении температуры реального тела он покажет температуру абсолютно черного тела TЯ, при которой спектральные яркости реального тела BT и абсолютно черного тела B0T я будут 46 равны. Условная температура TЯ называется яркостной температурой тела. Истинная температура тела и его яркостная температура связаны соотношением 1 1 1 ln , T я T C 2 T где λ – используемая длина волны излучения, мкм; С2 = 14388 мкм∙К; − коэффициент излучения тела при длине волны λ. Рабочий диапазон температур монохроматических пирометров составляет от 800 °С до 4000 °С. 6.3. Пирометры полного излучения Пирометры полного излучения (их часто называют радиационными пирометрами) воспринимают излучение в широком диапазоне длин волн, поэтому температура тела определяется по интегральной энергетической яркости. Зависимость интегральной энергетической яркости абсолютно черного тела от температуры описывается законом Стефана – Больцмана. Поскольку пирометр градуируется по излучению абсолютно черного тела, то при измерении температуры реального тела он покажет температуру абсолютно черного тела TР, при которой интегральные яркости реального тела BT и абсолютно черного тела B0TР будут равны. Условная температура TР называется радиационной температурой тела. На основании уравнения Стефана – Больцмана можно записать T T 4 TР4 , откуда T TР 4 1 . T Схема пирометра полного излучения показана на рис. 25. Излучение от измеряемого тела попадает на объектив 1 и через диафрагму 2 фокусируется на горячих спаях термобатареи 3. Термобатарея представляет собой десять последовательно соединенных между собой в «звездочку» миниатюрных хромель-копелевых термопар, изготовленных 47 из фольги толщиной 4 мкм. Рабочие (горячие) спаи термопар располагаются в центре, а свободные (холодные) концы располагаются по окружности. Там же располагается термокомпенсирующее сопротивление – медная катушка, шунтирующая термобатарею. Фокусируемое на горячих спаях излучение нагревает их, в результате чего в цепи термобатареи появляется ток. Рис. 25. Принципиальная схема пирометра полного излучения Протекающий ток создает на термокомпенсирующем сопротивлении Rt падение напряжения, которое измеряется прибором ИП. Визирование пирометра на объект излучения производится с помощью окуляра 4 и диафрагмы 5. Часто визирование осуществляется при помощи лазерного указателя. Недостатком линзовой (рефракторной) оптики является ограниченность диапазона пропускания излучения. У линз из стекла граница пропускания ~ 2 мкм, у кварцевых линз ~ 4 мкм. Более широкий диапазон пропускания имеют конструкции пирометров полного излучения с фокусирующим вогнутым зеркалом (рефлектором). Пирометры полного излучения применяются для измерения температур от 0°С до 3000 °С. Общим недостатком как монохроматического пирометра, так и пирометра полного излучения является зависимость погрешности измерения температуры от степени точности определения фактической величины используемых коэффициентов излучения. Реальная погрешность определения может составлять ±(10…20) %. Погрешность определения Т в некоторых случаях доходит до ±50 %. Существенно меньше эта составляющая погрешности измерения в пирометрах спектрального отношения. 6.4. Пирометры спектрального отношения Пирометры спектрального отношения измеряют температуру тел по отношению спектральных энергетических яркостей для двух длин волн. 48 Предположим, что для некоторой температуры тела Т отношение спектральных энергетических яркостей при длинах волн λ1 и λ2 будет B1T / B 2T . Поскольку пирометр градуировался по излучению черного тела, то он покажет температуру абсолютно черного тела ТЦ , при которой отношение спектральных энергетических яркостей реального тела будут равны: B1T B 2T B01TЦ B0 2TЦ . Цветовой температурой ТЦ называется условная температура реального тела численно равная такой температуре абсолютно черного тела, при которой отношение спектральных энергетических яркостей абсолютно черного тела при длинах волн λ1 и λ2 равно отношению спектральных яркостей при тех же длинах волн реального тела с температурой Т. Полученное соотношение можно записать в виде 1 B01T 2 B0 2T B01TЦ B0 2TЦ . Используя формулу Вина, получим соотношение между действительной и цветовой температурой ln( 1 / 2 ) 1 1 . T TЦ C2 1 / 1 1 / 2 Из полученного уравнения следует, что при равенстве спектральных коэффициентов излучения цветовая температура будет равна действительной. Поскольку большинство реальных тел имеют в определенном диапазоне длин волн неселективный характер излучения ( мало зависит от длины волны), то в этом случае цветовая температура будет незначительно отличаться от действительной. Принципиальная схема пирометра спектрального отношения показана на рис. 26. 49 Рис. 26. Принципиальная схема пирометра спектрального отношения Поток от источника излучения после объектива 1 раздваивается призмой 2. Отраженный от зеркала 3 луч проходит через светофильтр 4 и затем подается на фотодиод 5. Сигнал от светодиода усиливается промежуточным усилителем 6 и поступает на вход устройства преобразования УП. В устройстве преобразования производится вычисление отношения сигналов обоих каналов. 6.5 Тепловизоры Тепловидение – это направление в технических измерениях, изучающее физические основы, методы и приборы, обеспечивающие возможность наблюдения слабонагретых объектов. Приборы, работающие в этом направлении называются тепловизорами (термографами). Тепловизоры относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа, работающие в инфракрасном диапазоне спектра излучения. Принцип их действия основан на преобразовании инфракрасного излучения в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта (термограмму) для его визуальной и количественной оценки. Общий принцип устройства тепловизора представлен на рис.27. Рис. 27. Принципиальная схема тепловизора 50 Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз 1 и попадает на фотоприемник 2, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадающее на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, регистрируется и усиливается электронным усилителем 3. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке в микропроцессорном блоке 4 и это значение передается на блок отображения информации 5, представляющий собой экран жидкокристаллического дисплея. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора, в результате получается видимая картина инфракрасного излучения объекта. Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому его помещают в специальное термостатирующее холодильное устройство. Один из способов охлаждения осуществляется посредством элементов Пельтье (полупроводники, дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Таким образом, на экране тепловизора видны значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной). Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря наличию высокочувствительных полупроводниковых приемников излучения из антимонида индия InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te и др. 7. Измерение давления 7.1. Основные понятия Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, испольуемых на предприятии. Давлением Р называют отношение абсолютной величины нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора 51 силы F к площади S этой поверхности. При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, на которую эта сила действует. 7.2. Виды измеряемых давлений На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рис. 28): - уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды; - уровня атмосферного, или барометрического давления (ГОСТ 8.27177). Рис. 28. Виды измеряемых давлений Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (РА). Барометрическое давление (РБ) - это абсолютное давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным (РИ) или давлением разрежения, вакуумметрическим (РВ). Очевидно, что РА=РБ+РИ или РА=РБ – РВ. При измерении разности давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, такую разность называют дифференциальным давлением (РД). 7.3. Системные и внесистемные единицы измерения давления 52 Единицы измерения давления (СТ СЭВ 1052-89) определяются одним из двух способов: 1) через высоту столба жидкости, уравновешивающего измеряемое давление в конкретном физическом процессе: в единицах водяного столба при 4°С (мм вод. ст. или м вод. ст.) или ртутного столба при 0°С (мм рт. ст., или Торр) и нормальном ускорении свободного падения; 2) через единицы силы и площади. В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей силы является Н (ньютон), а единицей площади - м2. Отсюда определяется единица давления паскаль Па=1 Н/м2 и ее производные, например, килопаскаль (1 кПа=103 Па), мегапаскаль (1 МПа=103 кПа=106 Па). Наряду с системой СИ в области измерения давления продолжают использоваться единицы и других, более ранних систем, а также внесистемные единицы. В технической системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс≈9,8 Н). Единицы давления в МГКСС - кгс/м2 и кгс/см2; единица кгс/см2 получила название техни ческой, или метрической атмосферы (ат). В случае измерения в единицах технической атмосферы избыточного давления используется обозначение «ати». В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) единицей силы является дина (1 дин=10-5 Н). В рамках СГС введена единица давления бар (1 бар=1 дин/см2). Существует одноименная внесистемная, метеорологическая единица бар, или стандартная атмосфера (1 бар=106 дин/см2; 1 мбар = 10-3 бар = 103 дин/см2), что иногда, вне контекста, вызывает путаницу. Кроме указанных единиц на практике используется такая внесистемная единица, как физическая, или нормальная атмосфера (атм), которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт. ст. В англоязычных странах широко распространена единица давления пси (psi=lbf/in2) - фунт силы на квадратный дюйм (1 фунт= 0,4536 кг). Соотношения между различными единицами измерения давления приведены ниже. 1 Ньютон на квадратный метр (Н/м2,N/м2) = 1Па (Па*103=1кПа, Па*106=1МПа). 1 килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2, kgf/cm2, ат, atm) = 98066,5 Па. 1миллиметр водяного столба (мм вод, ст., mm H2O, mm WS) = 9,80665 Па. 1 миллиметр ртутного столба (мм рт. ст., mm Hg, torr) = 133,322 Па. 1 физическая атмосфера (физ. атм.) = 760 мм рт. ст. =101325 Па. 53 1 бар = 100000 Па. 1 psi (фунт (0,4536 кгс) на квадратный дюйм (6,452 см2)) = 6894,76 Па. Материальным хранителем единиц давления являются первичные (национальные) и вторичные (рабочие) эталоны давления. Для поддиапазона 1-100 кПа избыточных, абсолютных и разностных давлений в качестве первичного эталона используется, как правило, ртутный двухтрубный (U-образный) манометр с лазерным считыванием высоты мениска (погрешность считывания не более 10-3 мм, а абсолютная суммарная погрешность прибора, учитывающая в том числе и влияние температуры, не превышает 0,0005% от верхней границы диапазона). Для поддиапазона 100 кПа - 100 МПа применяются грузопоршневые манометры (точность 0,0035 - 0,004% от показаний). Газовые и жидкостные грузопоршневые манометры используются и как рабочие эталоны для передачи единиц давления промышленным образцовым приборам (их точность 0,01-0,1%). 7.4. Классификация средств измерения давления Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД) или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе (манометр-датчик). Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам (рис. 29). 54 Рис. 29. Классификация манометров По принципу действия манометры можно подразделить на: - жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом жидкости (воды, ртути) соответствующей высоты); - деформационные (давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента (УЧЭ) - мембраны, трубчатой пружины, сильфона); - электрические (давление определяется на основании зависимости электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты - чувствительного элемента (ЧЭ) от измеряемого давления). - грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь); По виду измеряемого давления манометры подразделяют на: - собственно манометры (приборы для измерения избыточного и абсолютного давления); - вакуумметры (приборы для измерения разрежения); - мановакуумметры (приборы для измерения давления и разрежения); 55 - барометры (приборы для измерения атмосферного давления); - дифференциальные манометры (дифманометры) (приборы для измерения разностного давления); - напоромеры (приборы для измерения небольших (до 20-40 кПа) избыточных давлений газовых сред); - тягомеры (приборы для измерения небольших (до 20-40 кПа) разрежений газовых сред); - тягонапоромеры (приборы для измерения небольших (до 20-40 кПа) избыточных давлений и разрежений газовых сред); - микроманометры (дифманометры с малым перепадом давления). Технические характеристики всех этих средств измерения давления определяются соответствующими общими техническими условиями (ГОСТ 2405-88, ГОСТ 18140-81 и др). По области применения манометры подразделяют на: - общепромышленные или технические (работающие в промышленных условиях при перепадах температур и влажности окружащей среды, вибрациях, загрязнении внешней среды и т.п.); - лабораторные (приборы повышенной точности для использования в комфортных и стабильных условиях лабораторий); - образцовые (для поверки рабочих манометров); - эталонные (хранители единиц давления с целью передачи их образцовым приборам); - специальные (применяются в экстремальных условиях: на железнодорожном транспорте, судах, котельных установках, при работе с кислотными и другими агрессивными средами). По типу отображения значений измеряемого давления манометры подразделяют на: - прямопоказывающие (с визуальным считыванием данных непосредственно по аналоговой (стрелочной) или цифровой шкале прибора); - сигнализирующие (электроконтактные) (с выдачей управляющего электрического сигнала путем замыкания или размыкания контактов при достижении измеряемым давлением заранее установленного контрольного значения); - регистрирующие (самопишущие) (с записью в память значений давления как функции времени и их отображением на электронном табло). Манометры выполняют функцию локального контроля и в большинстве случаев из-за отсутствия возможности дистанционного доступа к их показаниям (за исключением манометров с унифицированным выходным электрическим сигналом) не могут использоваться для целей современной автоматизации. Такую возможность обеспечивают измерительные преобразователи давления. 56 Классифицируются эти приборы по принципу действия, виду измеряемого давления и типу выходного сигнала (рис. 30). ИПД различаются, кроме того, по используемым единицам измерения и ряду основных технических параметров (ГОСТ 22520-85). По принципу действия или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал ИПД подразделяются, прежде всего, на: - деформационные (деформационные перемещения упругого чувствительного элемента (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) трансформируются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей в электрический или электромагнитный сигнал); - электрические (измеряемое давление, оказывая воздействия на чувствительный элемент, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давления). В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д. По виду измеряемого давления ИПД подразделяются на: - преобразователи абсолютного давления (ДА); - преобразователи избыточного давления (ДИ); - преобразователи вакууметрического давления (ДВ); - преобразователи избыточного/вакууметрического давления (ДИВ); - преобразователи дифференциального давления (ДД); - преобразователи гидростатического давления (ДГ). По выходному сигналу ИПД подразделяются на: - аналоговые (измеряемое давление преобразуется в аналоговый унифицированный пневматический или электрический сигнал); - цифровые. 57 Рис. 30. Классификация измерительных преобразователей давления 7.5. Жидкостные манометры Жидкостные манометры отличаются простотой конструкций и сравнительно высокой точностью измерения. Их широко применяют как в качестве переносных (лабораторных), так и технических приборов для измерения давления. U-образный манометр, представляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку показан на рис. 31.а. Трубка закреплена на пластине со шкалой, расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью (спиртом, водой, ртутью). Один конец трубки соединен с полостью, в которой измеряется давление, другой конец трубки сообщается с атмосферой. Под действием измеряемого давления жидкость в трубке перемещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Система находится в 58 равновесии, если гидростатическое давление столба жидкости в открытом колене уравновешивается давлением в другом колене: P1 P2 g h. Если давление в пространстве, с которым соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в трубках переместится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответствовать разрежению (вакууму). Присоединив оба свободных конца трубки прибора к двум полостям с разными давлениями, можно по разности уровней жидкости в приборе определить разность давлений. Погрешность считывания разности высот уровней жидкости в трубках зависит от цены деления шкалы. Без дополнительных оптических устройств при цене деления 1 мм погрешность считывания разности уровней составляет ±2 мм с учетом погрешности нанесения шкалы. Чашечный манометр, являющийся разновидностью U-образного, показан на рис.31.б. Одно из колен чашечного манометра выполнено в виде сосуда, диаметр которого больше диаметра трубки, представляющей собой другое колено. Полость с измеряемым давлением (больше атмосферного) соединяется с чашкой, а трубка соединяется с атмосферой. Так как площадь сечения чашки больше площади сечения трубки, жидкость под действием давления в чашке опускается на высоту H, которая меньше высоты подъема в трубке h. Обычно площадь сечения чашки значительно больше сечения трубки, поэтому величиной понижения уровня жидкости в чашке пренебрегают, и результат отсчитывают только по высоте столба жидкости в трубке от начального значения. Однако, при этом возникает погрешность, вызванная понижением уровня жидкости в чашке, что изменяет положение нуля шкалы. На практике площади сечений чашки S и трубки s выбирают обычно такими, чтобы отношением s/S можно было пренебречь. В основном для чашечных приборов s/S ≤ 1/400. Измерение в чашечных манометрах высоты только одного столба рабочей жидкости приводит к снижению погрешности считывания, которая не превышает ±1 мм при цене деления 1мм. 59 Рис. 31. Жидкостные манометры Разновидностью чашечных манометров является микроманометр с наклонной трубкой (рис.31.в). Наклонное положение трубки увеличивает протяженность шкалы L при одном и том же измеряемом давлении и в результате повышает точность получаемых данных: P1 P2 L sin g h. Как правило, угол наклона трубки имеет несколько фиксированных положений, что позволяет производить измерения в нескольких диапазонах. Значение синуса угла наклона трубки обычно наносится на сектор микроманометра. 6. Деформационные датчики давления В промышленной практике измерения давления и разности давлений широкое применение получили деформационные (с упругим чувствительным элементом) приборы. В этих приборах давление определяется по деформации упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими силе, которые преобразуются передаточными механизмами в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора. По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы делятся на следующие группы: - приборы с трубчатой пружиной; - мембранные приборы; - сильфонные приборы. Манометры с трубчатой пружиной – один из наиболее распространенных видов деформационных приборов. Чувствительным элементом таких приборов является согнутая по дуге окружности и запаянная с одного конца трубка 1 (трубка Бурдона) эллиптического (рис. 32.а), плоскоовального (рис. 32.б) или круглого сечения (рис. 32.в). 60 Рис. 32. Трубчатые пружины Третий вид трубок выполняют из легированной стали и используют для измерения высоких давлений (свыше 98 МПа). Одним концом трубка заделана в держатель 2, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки. Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшается и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления обусловлено изменением формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или овальное сечение, деформируясь, приближается к круговому, что приводит к раскручиванию трубки, т.е. угловому перемещению ее свободного конца на небольшую величину Δ. В трубках круглого сечения, благодаря эксцентричному каналу, избыточное давление, действуя на заглушку свободного конца трубки, создает момент, вызывающий уменьшение ее кривизны. Перемещение свободного конца до определенного предела пропорционально давлению Δ=k∙P. При дальнейшем повышении давления линейная зависимость нарушается – деформация начинает расти быстрее увеличения давления. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещением конца трубки и давлением, называется пределом пропорциональности трубки Pп. Предел пропорциональности является важнейшей характеристикой трубки. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерения. Чтобы не допустить возникновения остаточной деформации, наибольшее рабочее давление Рmax (разрежение или разность давлений) назначают ниже предела пропорциональности Pп. Отношение Рп/Pmax = k называется коэффициентом запаса. Во всех случаях коэффициент k должен быть больше единицы. Для максимального увеличения долговечности трубки и 61 снижения влияния упругого последействия принимают k = 1,35 ÷ 2,5. В соответствии с этим шкалу манометра (верхний предел измерения) выбирают таким образом, чтобы рабочий предел измерения (наибольшее рабочее давление) был не более 3/4 верхнего предела измерения при постоянном давлении и не более 2/3 верхнего предела измерения при переменном давлении. Верхние пределы измерения манометра выбирают из ряда: (1; 1,6; 2,5; 4 ;6) · 10n, где n - целое положительное или отрицательное число. Перемещение Δ свободного конца трубки под действием давления весьма невелико, поэтому в конструкцию прибора введен передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Конструкция манометра с трибко-секторным передаточным механизмом показана на рис. 33.а. Перемещение свободного конца трубчатой пружины Рис. 33. Манометры с трубчатой пружиной 1 через поводок 2 передается зубчатому сектору 3, который приводит во вращение трибку 4 с закреплённой на ней указательной стрелкой 5. В результате перемещение свободного конца трубчатой пружины преобразуется в перемещение стрелки. Для устранения люфта передаточного механизма трибка подпружинена с помощью спиральной плоской пружины. Иногда применяются манометры с рычажным передаточным механизмом. Такие манометры проще в регулировке, обладают малой чувствительностью к вибрациям, просты в изготовлении и имеют меньшую стоимость. Недостатком этих приборов является узкая шкала (60 – 70°) и невысокий класс точности – 2,5 и 4,0. 62 Мембранные приборы. Приборы с чувствительным элементом в виде плоских и гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры). Мембрана представляет собой тонкий диск определенного диаметра, выполненный из металла или специального упругого материала, который жестко закрепляется по периметру в измерительном блоке (рис. 34). Под воздействием измеряемого давления Р1 (при условии Р1> Р2, где Р2 – внешнее давление) происходит прогиб мембраны на величину h, что в дальнейшем приводит к преобразованию этого перемещения во вращательное движение стрелки прибора. Рис. 34. Мембрана и её прогиб Рис. 35. Упругие мембраны Применяют плоские и гофрированные упругие мембраны (рис.35, a,б). Наличие гофров делает статическую характеристику мембраны более линейной. Упругие мембраны используют, преимущественно, как чувствительные элементы в первичных преобразователях, например, в дифманометрах. Величина прогиба мембраны является сложной функцией действующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа и формы гофров), а также модуля упругости материала мембраны. Число, форма и размеры гофра зависят от назначения прибора, пределов измерения и других факторов. Гофрировка мембраны 63 увеличивает ее жесткость, т.е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении. Из-за сложности расчета в большинстве случаев характеристику мембраны подбирают опытным путем. Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежений) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) в мембранные коробки (рис. 36,а), а коробки – в мембранные блоки (рис. 36,б). Рис. 36. Мембранные чувствительные элементы Мембраны применяются в качестве чувствительных элементов при измерении давлений вязких и загрязненных сред. Такие приборы менее чувствительны к вибрациям и пульсациям измеряемой среды, применимы при соответствущей защите мембраны для измерения давления агрессивных сред. На рис.37 показана схема манометра, в котором мембрана 1 герметично приварена к фланцу 2. В центре мембраны закреплен шток 3, соединенный с рычагом зубчатого сектора 4. Зубчатый сектор приводит во вращение трибку 5, на оси которой насажена указательная стрелка 6. Крепежные отверстия 7 предназначены для монтажа прибора к соответствующему фланцу, приваренному к технологическому трубопроводу. Мембранные манометры могут выполняться как с открытой мембраной (рис.37, а), так и с подводящим штуцером (рис.37, б), а также с дополнительным фланцем (рис.37, в), 64 Рис. 37. Мембранный манометр для измерения давления вязких и загрязненных сред, а также виды его присоединительных фланцев Сильфонные приборы. Сильфон – это тонкостенная металлическая камера с гофрированной боковой поверхностью (рис.38). Изготавливают сильфоны из латуни, а также из нержавеющей стали или бериллиевой бронзы. Они применяются в качестве чувствительных элементов приборов давления, которые своевременно и точно реагируют на изменение давления. При действии нагрузки (внешнего Р2 или внутреннего Р1 давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. Наличие гофров позволяет перемещать подвижную часть сильфона на значительное расстояние (десятки миллиметров) без заметного изменения его характеристик. Выходная координата сильфона - перемещение h, входные - давления Р1 и Р2 или их разность ΔР. 65 Рис. 38. Сильфон Существенными недостатками сильфонов являются значительный гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности часто внутрь сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину. В этом случае характеристика сильфона изменяется, так как к жесткости сильфона добавляется жесткость пружины. Жесткость пружины обычно в несколько раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко уменьшается влияние гистерезиса сильфона и некоторой нелинейности его характеристики. 7.7. Электрические датчики давления В данных приборах измеряемое давление, оказывая воздействия на чувствительный элемент, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давления. Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализовано на основе трех основных принципов: 1) емкостные – используют упругий чувствительный элемент в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет его ёмкость; 2) пьезоэлектрические – основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов: кварца, турмалина и других от прилагаемого к ним давления; 3) тензорезисторные – используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации. 4) тензорезонансные – используют зависимость собственной резонансной частоты чувствительного элемента от величины приложенной нагрузки. В последние годы получили развитие и другие принципы работы ИПД: волоконно-оптические, индукционные, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д. На сегодняшний день самыми популярными в России являются тензорезисторные ИПД. 7.7.1. Емкостные преобразователи давления Принцип действия емкостных преобразователей основан на изменении емкости переменного конденсатора С под воздействием преобразуемой неэлектрической величины (например, давления). Емкость 66 конденсатора зависит от таких параметров как расстояние между пластинами (обкладками) δ, площадь пластин S, диэлектрическая постоянная среды между пластинами E. Характеристика управления емкостного плоскопараллельного преобразователя с изменяющимся зазором определяется выражением: C ES , где С - емкость конденсатора, Ф; δ - расстояние между обкладками, м; E абсолютная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, Ф/м; S — площадь обкладок, м2. На рис.39 показана принципиальная схема одного из вариантов емкостного измерительного преобразователя давления. Сенсорная мембрана 1 и металлизированные обкладки 2, 3 образуют электрические конденсаторы изолированные диэлектриком 4. Образовавшийся блок установлен в металлический корпус 5. Внутренние полости электрических конденсаторов соединены с полостями, образованными разделительными мембранами и корпусом. Эти полости заполняются кремнийорганической жидкостью. Обкладки и сенсорная мембрана проводниками 8, 9 и 10 подключаются к мостовой измерительной схеме. Измеряемое давление РИЗБ через разделительную мембрану воздействует на сенсорную мембрану и прогибает её. Расстояние между сенсорной мембраной и обкладкой 2 уменьшается, что вызывает увеличение электрической ёмкости конденсатора, образованного сенсорной мембраной и обкладкой 2, и уменьшение ёмкости конденсатора, состоящего из сенсорной мембраны и обкладки 3. Изменение емкости конденсаторов преобразуется измерительной схемой в выходной электрический сигнал. 67 Рис. 39. Схема емкостного преобразователя давления На основе ёмкостных измерительных преобразователей фирмой FischerRosemount выпускаются микропроцессорные измерители давления серии 3051 с пределом основной допускаемой приведенной погрешности ±0,075%. 7.7.2. Пьезоэлектрические преобразователи давления Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на свойстве некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Это явление, называемое пьезоэффектом, характерно для кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта является его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические приборы незаменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих процессов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т.п.). Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко применяют кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пределах от изменения температуры. Элементарной структурной ячейкой является шестигранная призма (рис.40). 68 Рис. 40. Схема кристалла кварца В кристаллах кварца различают продольную ось ZZ, называемую оптической осью, ось XX, проходящую через ребра призмы (электрическую ось), и ось YY, проходящую через середины противолежащих граней (механическая или нейтральная). Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были расположены перпендикулярно осям YY и XX, то он будет обладать пьезоэлектрическими свойствами. Силы, приложенные к параллелепипеду в направлении оси ZZ, не вызывают электризации, а растягивающая или сжимающая силы Fx, приложенные в направлении электрической оси, вызывают появление разноименных зарядов на гранях, перпендикулярных к этой оси (продольный пьезоэффект). Заряд, возникающий на гранях, равен: q X k FX k PX S X , где Px и Fx - давление и сила, действующие на грань; Sx - площадь грани; k - постоянная величина, так называемый, пьезоэлектрический модуль. Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от температуры до 500°С. При температуре выше 500°С она быстро уменьшается и при температуре 570°С становится равной нулю, т. е. кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Пьезоэлектрические приборы позволяют измерять давление до 100МПа. 7.7.3. Тензорезисторные преобразователи давления В основе работы тензорезисторов (пьезорезисторов) лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации. В Росси широкое применение в изготовлении общепромышленных тензорезисторных ИПД в силу своих высоких 69 механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС — «кремний на сапфире». Чувствительный элемент таких преобразователей состоит из сапфировой изолирующей подложки, на которую способом напыления в вакууме нанесены кремниевые тензорезисторы, образующие мостовую схему. Подложка припаяна твердым припоем к титановой мембране. Рис. 41. Схема тензорезисторного преобразователя давления Принципиальная схема размещения тензорезисторов на поверхности сапфировой мембраны показана на рис. 41. Радиальные механические напряжения вблизи края мембраны имеют отрицательный знак, а касательные – положительный. В связи с этим, у размещенных радиально вблизи края мембраны тензорезисторов с ростом давления сопротивление снижается, а у размещенных касательно увеличивается. Тензорезисторы включаются по схеме неуравновешенного моста, который запитывается от генератора стабильного тока ГСТ. При отсутствии давления механические напряжения мембране равны нулю и сопротивления тензорезисторов моста одинаковы, поэтому мост находится в равновесии и напряжение на измерительной диагонали моста ΔU равно нулю. При подаче измеряемого давления сопротивление радиально расположенных тензорезисторов R– уменьшается, а сопротивление касательно расположенных тензерезисторов R+ увеличивается, в результате чего возникает напряжение разбаланса. Напряжение разбаланса моста пропорционально величине измеряемого давления. Подобную конструкцию имеют широко распространенные датчики давления «Сапфир-22М» и «Метран» различных модификаций. Предел основной допускаемой погрешности этих приборов в зависимости от исполнения составляет от 0,2% до 0,5%. Диапазон перенастроек пределов измерения давления до 25:1. Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 4 - 20 мА и др.). 70 Рис. 42. Схема тензорезисторного манометра Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (см. рисунок 42). Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой. Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2. Преобразователи «Сапфир-22М-ДИ» предназначены для измерения избыточного давления, а преобразователи «Сапфир-22М-ДВ» - для измерения вакуумметрического давления. Преобразователи «Сапфир-22М-ДА», предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизирована. Преобразователи «Сапфир-22М-ДД (см. рисунок 43), предназначенные для измерения разности давлений, отличаются тем, что в них используется тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами. Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу тензопреобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя. 71 Рис. 43. Схема тензорезисторного дифференциального манометра Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9. 7.7.4. Тензорезонансные преобразователи давления Принцип действия тензорезонансных преобразователей давления основан на эффекте изменения резонансной частоты чувствительного элемента под действием приложенной механической нагрузки. Например, при натяжении металлической струны её резонансная частота (тон) становится выше, а при ослаблении – ниже. Имеется достаточно много вариантов конструкции тензорезонансных преобразователей давления, но наиболее совершенным на сегодняшний день является сенсор DPHarp фирмы Yokogawa. Сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану с интегрированными в нее двумя кремниевыми резонаторами в виде буквы Н. Резонаторы и мембрана образуют единую монокристаллическую структуру, что позволяет практически исключить влияние остаточных и усталостных деформаций. Резонаторы размещаются на мембране асимметрично относительно центра мембраны. Асимметричное расположение резонаторов приводит к тому, что при деформации кремниевой мембраны под действием измеряемого давления резонатор расположенный на периферии мембраны испытывает растяжению, а резонатор расположенный вблизи центра мембраны – сжатие. При растяжении частота резонатора возрастает, а при растяжении – уменьшается. Электронная схема сенсора измеряет разность частот 72 резонаторов. Собственная частота резонаторов при отсутствии нагрузки равна 90 кГц, а разность частот резонаторов при номинальной нагрузке – 40 кГц. Зависимость частоты от измеряемого давления линейная. Датчикам на основе сенсоров DPHarp свойственна высокая точность измерения и исключительно высокая долговременная стабильность показаний. Датчики давления серии FJX фирмы Yokogawa имеют предел основной допускаемой погрешности ±0,04% при долговременной стабильности ±0,1% в течении 10 лет. Диапазон перенастроек пределов измерения давления до 200:1. 7.9. Грузопоршневой манометр Принцип действия грузопоршневого манометра основан на уравновешивании сил, создаваемых, с одной стороны, измеряемым давлением, а с другой стороны - грузами, действующими на поршень, помещенный в цилиндр (рис. 44). Прибор состоит из колонки 7 с цилиндрическим шлифованным каналом и поршня 6, несущего на своем верхнем конце тарелку 4 для нагружения ее эталонными грузами 5. Поршень 1 винтового пресса служит для подъема и опускания поршня 6 так, чтобы при любых нагрузках поршень 6 был погружен в цилиндр примерно на 2/3 своей высоты. Рис. 44. Схема грузопоршневого манометра Камеру 2 поршневого манометра заполняют трансформаторным, вазелиновым или касторовым маслом через воронку 8. Давление в системе создают с помощью винта с маховиком 9 и поршня 1. Штуцеры 3 служат для установки поверяемого и образцового манометров. Вентиль 10 предназначен для слива масла. В процессе измерений для устранения вредных сил трения поршня 6 о стенки цилиндрического канала колонки 7 поршень 6 вручную приводят во вращение. Грузопоршневой манометр может быть использован для поверки манометров, как с помощью грузов, 73 так и с помощью образцового манометра. 7.10. Методика измерения давления и разности давления Погрешность измерения давления зависит от инструментальных погрешностей измерительных приборов, условий эксплуатации манометров, способов отбора давления и его передачи к приборам. При выборе пределов измерения манометра руководствуются значениями измеряемого давления и характером его изменений. При стабильном измеряемом давлении его значение недолжно превышать 3/4 диапазона измерения прибора, а в случае переменного давления 2/3. Правила установки манометров на промышленных объектах, отбора давления и его передачи к приборам с помощью импульсных линий регламентируются внутриведомственными нормативами, которыми следует руководствоваться при монтаже измерительных устройств. Ниже приведены основные положения этих материалов. Манометры показывающие и с дистанционной передачей показаний, как правило, устанавливаются вблизи точек отбора давления в месте, удобном для обслуживания. Иногда по условиям эксплуатации приходится размещать приборы на значительном расстоянии от точек отбора давления, что приводит к росту инерционности показаний прибора. При этом следует учитывать, что наличие столба жидкости в импульсной линии создает систематическую погрешность показаний, которая будет иметь положительный или отрицательный знак в зависимости от того, находится манометр выше или ниже точки отбора давления. Импульсные линии дифманометров имеют большую длину, предельное значение которой составляет 50 метров. Отбор давления осуществляется с помощью трубок, присоединяемых к трубопроводу или внутреннему пространству объекта, где проводится измерение давления. В общем случае трубка должна быть выполнена заподлицо с внутренней стенкой, чтобы у выступающей части не создавалось торможение потока. При измерении давления или разности давлений жидких сред не следует производить отбор давления из нижних и верхних точек трубопровода, с тем, чтобы в импульсные линии не попадали шлам и газы. При газовых средах – из нижних точек трубопроводов, чтобы в импульсные линии не попадал конденсат. При установке манометров следует предусматривать меры защиты приборов от воздействия высоких температур, так как упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры. Так, у трубчатых пружин температурный коэффициент снижения жесткости при росте температуры достигает 3 · 10-4 1/°С, что приводит к появлению дополнительной погрешности +0,3% на каждые 10°С увеличения температуры. 74 На рис.45 показана схема установки манометра на трубопроводе. Для обеспечения возможности отключения манометра 1, продувки линии и подключения контрольного манометра используется трехходовой кран 2, при измерении давления свыше 100 кгс/см2 устанавливается дополнительный запорный вентиль 3 на выходе из трубопровода. При измерении давлений сред с температурой выше 70°С трубка сгибается кольцом, в котором вода охлаждается, а пар конденсируется. В результате образуется гидрозатвор, не допускающий попадание среды с высокой температурой в измерительный прибор. Рис. 45. Схема установки манометра на трубопроводе При измерении давления вязких, агрессивных и загрязненных сред применяются мембранные и жидкостные разделители. Схема мембранного разделителя показана на рис.46. Рис. 46. Схема мембранного разделителя Манометр вворачивается в корпус 1. Корпус соединяется крепёжными болтами 5 с основанием 2. Нижняя часть мембраны внутренняя поверхность корпуса покрывается фторопластом. Герметичность конструкции обеспечивается уплотняющей прокладкой 4. Пространство над мембраной и внутренняя полость манометрической пружины тщательно заполняют кремнийорганической жидкостью. Для того чтобы в процессе измерения над мембраной соответствовало измеряемому, необходимо, чтобы жесткость мембраны была намного меньше жесткости чувствительного элемента манометра. При 75 использовании жидкостных разделителей (рис.47) такое ограничение отсутствует. а) б) Рис. 47. Внешний вид (а) и схема подключения (б) жидкостного разделителя: 1 – металлический сосуд, 2 – присоединительный патрубок, 3 – трубопровод, 4 – разделительная жидкость, 5 – измерительный прибор. Нейтральная разделительная жидкость, заполняющая часть разделительного сосуда, измерительную камеру прибора и линии между ними, должна по плотности значительно отличаться от измеряемой среды и не смешиваться с ней. Если плотность измеряемой среды выше плотности разделительной жидкости, то измерительный прибор и разделительный сосуд устанавливается выше пробоотбора. жидкостью. Следует иметь ввиду, что при измерении давления жидкостей может со временем произойти смешивание в результате диффузии измеряемой и разделительной сред, то есть утрате самой разделительной функции с соответствующими последствиями, а при измерении газовых сред – к диффузии газа в разделительную среду с переводом ее в двухфазное состояние с потерей функции несжимаемости, что ведет к росту погрешности измерения давления. При измерении разности давлений подключение дифманометров должно быть произведено таким образом, чтобы среда, заполняющая импульсные линии, не создавала погрешностей из-за разности плотностей или высот столба жидкости в них. Линии не должны иметь горизонтальных участков, минимальный угол наклона должен быть не менее 5°. При измерении разности давления воды и пара измерительные камеры дифманометров предварительно должны быть заполнены водой. От правильности показаний манометров зависит не только экономичность работы технологических объектов, но во многих случаях и безопасность, в связи с этим манометры и другие измерители давления подвергаются периодической поверке. Для большинства приборов 76 межповерочный интервал составляет один год. Если приборы работают в условиях повышенной вибрации и температуры, то межповерочный период может быть сокращен. 8. Измерение количества и расхода 8.1. Основные понятия, единицы измерения Количество вещества выражают в единицах объема или массы. В системе СИ за единицу объема принят кубический метр (м3), а за единицу массы - килограмм (кг). Количество газа измеряют объемным методом. Для получения сравнимых результатов измерений необходимо объем газа привести к следующим нормальным условиям: температура 20°С (293,15 К), давление 101325 Па (760 мм рт. ст.), относительная влажность φ =0. Приборы, измеряющие количество вещества, называются счетчиками. Счетчики измеряют протекающий через них объем вещества за любой промежуток времени: сутки, месяц и т. д. Количество вещества при этом определяется как разность показаний счетчика. Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение канала в единицу времени. Объёмный расход Q определяется как произведение скорости потока v на площадь отверстия истечения S , т.е. Q=vS. Объёмный расход в системе СИ измеряется в м /с (в произвольных условиях чаще используется единица м /ч). Массовый расход Qм получают умножением объёмного расхода Q на плотность ρ жидкости, газа или пара, т.е. Qм=Qρ. За единицу измерения массового расхода принят кг/с (на практике чаще используется т/ч). Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами со счетчиком. Такие расходомеры позволяют измерять расход и количество вещества. В зависимости от принятого метода измерения приборы для измерения расхода и количества подразделяются на: • расходомеры переменного перепада давления; • расходомеры постоянного перепада давления; • бесконтактные расходомеры: электромагнитные, ультразвуковые; • вихревые расходомеры; • калориметрические расходомеры и др. 8.2. Измерение количества жидкости и газа Количество жидкости или газа можно измерить счетчиками. По принципу действия счетчики подразделяются на объемные, массовые и скоростные. Для измерения количества жидкости применяют 77 преимущественно объемные и скоростные счетчики, для измерения объема газа - объемные счетчики. Для каждого счетчика существует определенный минимальный расход, ниже которого резко возрастает основная погрешность. Номинальным называется наибольший длительный расход, при котором погрешность измерения не выходит за пределы установленных норм, а потеря напора не создает в счетчике усилий, приводящих к быстрому износу его деталей. Характерным расходом называется количество вещества, которое проходит через счетчик за 1 ч при установившемся потоке и потере напора 0,1 МПа. Характерный расход является условной величиной и служит мерой оценки счетчиков различных конструкций. Потери напора представляют собой разность давлений на входе в счетчик и выходе из него. Калибром счетчика называется диаметр условного прохода входного патрубка, выраженный в миллиметрах. 8.2.1. Скоростные счетчики для жидкостей Эти счетчики служат для измерения количества жидкостей. Они основаны на принципе измерения средней скорости движущегося потока. Количество жидкости Q связано со средней скоростью движущегося потока соотношением: Q = νcp S, где νcp - средняя скорость движения вещества, м/с; S - поперечное сечение потока, м2. О количестве жидкости, прошедшей через прибор, судят по числу оборотов лопастной вертушки, расположенной на пути потока. Считается, что скорость вращения вертушки пропорциональна средней скорости потока n = с vср , с учетом предыдущего уравнения n = c (Q /S), где n число оборотов вертушки; с - коэффициент пропорциональности, характеризующий механические и гидравлические свойства прибора. По форме вертушки скоростные счетчики разделяются на две группы: с винтовой вертушкой и крыльчатые. Винтовые вертушки размещают параллельно измеряемому потоку, крыльчатые - перпендикулярно ему. На рис.48. показан скоростной счетчик с винтовой вертушкой, закреплённой на горизонтальной оси. В корпусе 1, снабженном фланцами для присоединения к трубопроводу, установлена вертушка 2 с лопастями, изогнутыми по винтовой линии. Вертушку изготовляют из пластмассы при рабочей температуре до 30°С и из латуни при более высоких температурах. 78 Рис. 48. Скоростной счётчик с винтовой вертушкой На ось вертушки перед задним закрытым подшипником 3, закрепленным в крестовине 4, насажан червяк 5, сцепляющийся с червячной шестерней, передающей вращение передаточному механизму 6. От механизма движение передается оси, проходящей через сальник 7, и счетному механизму 8. Перед вертушкой со стороны входа жидкости установлен струевыпрямитель 9, состоящий из нескольких радиально закрепленных прямых пластин. Конец одной из пластин струевыпрямителя поворачивается вокруг вертикальной оси, образуя лопасть 11, служащую для регулирования счетчика через рычажный привод 12. В струевыпрямителе закреплен передний подшипник 10 оси вертушки. Механическое сопротивление (трение в подшипниках, сальнике и т.п.) влияет на скорость вращения вертушки, а при некоторой минимальной скорости потока вертушка будет неподвижна. В зависимости от способа подвода жидкости счетчики с крыльчатой вертушкой подразделяются на одноструйные и многоструйные. Как в одноструйных, так и в многоструйных счетчиках жидкость подводится тангенциально к лопастям вертушки. Счетчики с крыльчатой вертушкой устанавливают на горизонтальных участках трубопроводов. Счетчики с винтовой вертушкой применяют при давлении жидкости до 1,0 МПа и при длительной нагрузке до 600 м3/ч. Погрешность счетчиков составляет 2 - 3% действительного значения. 8.2.2. Объемные счетчики для жидкостей Принцип работы объемных счетчиков заключается в измерении определенного объема жидкости, вытесняемого из измерительной камеры под воздействием разности давлений. 79 На рис.49 показан счетчик с овальными зубчатыми колесами. Проходя через счетчик, поток жидкости теряет часть своей энергии на вращение овальных колес. В зависимости от расположения колес относительно входа потока жидкости каждое из них является поочередно то ведущим, то ведомым. При вращении овальных колес периодически отсекается определенный объем жидкости, ограниченный овалом колеса и стенкой измерительной камеры. За один оборот колес отсекается четыре определенных Рис. 49. Счётчик с овальными зубчатыми колёсами объема жидкости, которые в сумме равны свободному объему измерительной камеры, счетчика. Количество жидкости, прошедшей через счетчик, определяют по числу оборотов овальных колес. В положении I жидкость вращает правое колесо по часовой стрелке, а правое колесо вращает левое против часовой стрелки. В этом положении правое колесо отсекает определенный объем жидкости 1. В положении II левое колесо заканчивает отсекание нового объема жидкости 2, а правое выталкивает ранее отсеченный его объем жидкости 1 в выходной патрубок счетчика. В этом положении крутящий момент передается на оба колеса. В положении III ведущим является левое колесо, которое к этому времени уже отсекло объем 2. Оно вращает правое колесо по часовой стрелке. Дальнейшее вращение колес происходит аналогично (положения IV и V). Для измерения объемов очень вязких жидкостей (мазут и др.) в счетчиках предусматривают паровую рубашку. Счетчики с овальными колесами выпускаются промышленностью для различных диаметров трубопроводов при рабочем давлении до 1,57 МПа. Потеря напора от установки счетчика составляет примерно 0,02 МПа. Погрешность показаний этихприборов ±0,5 %. 8.2.3. Ротационные счётчики для газов Из объемных счетчиков для газов наиболее распространены ротационные счетчики (рис.50). Они предназначены для измерения 80 больших количеств газа. Счетчик состоит из кожуха 2, внутри которого вращаются на параллельных горизонтальных валах роторы 1. Валы роторов связаны зубчатыми колесами, находящимися вне кожуха. От одного из валов Рис. 50. Ротационный счётчик вращение передается счетному механизму. Шарико- или роликоподшипники валов, а также зубчатые колеса находятся в масляных ваннах и заключены в картеры. Тонкий валик, соединяющий вал ротора со счетным механизмом, проходит через сальник в стенке картера. Зазор между роторами и кожухом очень мал (порядка 0,12 мм). В положении, изображенном на схеме, правый ротор не вращается под действием газа (давления на обе стороны ротора одинаковые). На верхнюю часть левого ротора действует газ с более высоким давлением, чем на нижнюю; левый ротор поворачивается, увлекая за собой правый. Когда правый ротор стоит вертикально (а левый горизонтально), то он поворачивает левый. За один оборот обоих роторов объем газа, прошедшего через прибор, равен объему измерительной камеры счетчика. Перепад давлений газа в счетчике контролируется дифференциальным манометром. Ротационные счетчики применяют для измерения расхода газа от 40 до 10 000 м /ч. Погрешность измерений составляет ±2-3%. Счетчик допускает кратковременную перегрузку до 30 %. 8.3. Измерение расхода жидкости и газа 8.3.1. Расходомеры переменного перепада давления Из парка существующих расходомеров более 60% составляют расходомеры переменного перепада давления. Такое широкое их применение объясняется невысокой стоимостью, простотой конструкции и эксплуата81 ции, а также отсутствием необходимости в дорогостоящих образцовых установках для градуировки. Из более чем двухсот типов используемых в мировой практике расходомеров, эти расходомеры являются единственными нормализованными средствами измерения расхода. Измерение расхода по этому методу основано на изменении потенциальной энергии (статического давления) вещества, протекающего через сужающее устройство в трубопроводе. Сужающим устройством называется техническое устройство, устанавливаемое в измерительном трубопроводе, со сквозным отверстием для создания перепада давления среды путем уменьшения площади сечения трубопровода (сужения потока). В измерительной технике в качестве сужающих устройств (первичных преобразователей) используют диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури. Диафрагма (рис. 52) представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно полностью заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства; поток в трубопроводе должен быть практически установившимся; фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении их через сужающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т.п.). Сужение потока (рис. 51) начинается до диафрагмы (сечение I-I); затем на некотором расстоянии за ней (сечение II-II) благодаря действию сил инерции поток сужается до минимального сечения (диаметр d2), а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней. Давление потока около стенки трубопровода несколько возрастает до величины Р1 из-за подпора перед диафрагмой и снижается до минимального значения P2′ за диафрагмой в наиболее узком сечении по- 82 Рис. 51. Вид потока и изменение давления при прохождении через диафрагму тока. Далее, по мере расширения струи, давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потеря части давления Pп определяется, главным образом, потерей энергии на трение и завихрения. Изменение давления потока по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка перед диафрагмой и непосредственно в ней, где давление потока по оси трубы снижается (штриховая линия). Разность давлений (P1′− P2′) является перепадом, зависящим от расхода протекающей через трубопровод среды. По конструктивным соображениям и в виду невозможности практического определения зоны для измерения P2′ в расчет принимается перепад давления (P1 − P2) , т.е. непосредственно около стенок трубопровода до и после сужающего устройства. Компенсация разницы между (P1′− P2′) и (P1 − P2) достигается введением поправочных коэффициентов. Теория и основные уравнения метода переменного перепада давлений одинаковы для сужающих устройств всех видов; различаются лишь некоторые коэффициенты в уравнениях, определяемые опытным путем. торые коэффициенты в уравнениях, определяемые опытным путем. Выведем уравнение расхода для случая, когда в трубопроводе установлена диафрагма, и по трубопроводу протекает несжимаемая жидкость, плотность которой ρ до и после сужения остается неизменной. Запишем уравнение Бернулли для несжимаемой жидкости при постоянной плотности и отсутствии обмена энергии с окружающей средой с учетом потерь и неравномерности распределения скоростей для сечений I и II горизонтального трубопровода: 83 P1 1 12 1 12 P2 2 22 22 22 , 2 2 2 2 2 где v1, v2 – средние скорости потока в сечениях I и II соответственно; φ1 , φ2 – коэффициенты Кориолиса, равные отношению действительной кинетической энергии потока к его средней кинетической энергии в указанных сечениях потока; ψ1 , ψ2 – доли скоростного напора до и после сужающего устройства, учитывающие разность значений измеренного давления от давления в сечениях I и II; ξv22 /2 – потери кинетической энергии на участке I-II; ξ – коэффициент сопротивления. Из условия неразрывности струи следует: S1v1= S0v0= S2v2 , где S1, S0, S2 – площади поперечного сечения соответственно трубопровода, отверстия диафрагмы и наиболее суженного места струи. Отношение S0/S1= β2 называется относительной площадью сужающего устройства (коэффициент β=d/D называется относительным диаметром отверстия сужающего устройства), а отношение S2/S0=μ – коэффициентом сужения потока. С учетом этих коэффициентов значения скорости потока v1 и v2 через скорость v0 в отверстии диафрагмы площадью сечения S0 рассчитываются по формулам: v1=v0β2, v2=v0μ. Подставив v1 и v2 в уравнение Бернулли и решив его относительно v0, получим: 2 0 ( P1 P2 ) 4 2 4 2 2 2 1 1 Подставив это уравнение в уравнение для вычисления объемного расхода, получим расход, проходящий через отверстие сужающего устройства 2 Q S 0 0 S 0 ( P1 P2 ) . 2 2 1 4 2 1 4 2 Умножив и разделив правую часть уравнения полученного уравнения на коэффициент скорости входа E 1 1 ( S 0 / S1 ) 2 получим следующее уравнение: Q S 0CE 2 ( P1 P2 ) , где 1 4 C 2 2 1 4 2 1 4 2 называется коэффициентом истечения. Существующие теоретические методы расчета коэффициента истечения, как правило, не обеспечивают дос84 таточную для практики точность. Поэтому значения коэффициентов истечения, стандартизованные в отечественных и зарубежных нормативных документах, являются результатом обработки высокоточных многочисленных экспериментальных исследований. Произведение α = CE называется коэффициентом расхода. Коэффициент расхода учитывает неравномерное распределение скоростей по сечению потока, обусловленное вязкостью жидкости и трением о стенки трубопровода, измерение давления не в центре потока, а у стенок трубопровода и введение в уравнение расхода сечения S0 вместо неопределенного наименьшего сечения струи S2. Коэффициент расхода для сужающих устройств различных типов определяют опытным путем. Уравнения расхода для несжимаемой жидкости в объемных (м3/с) и массовых (кг/с) единицах будут соответственно иметь вид: Q S 0 2 (P P ); 1 2 QM S0 2 ( P1 P2 ). При выводе этих уравнений было сделано допущение, что плотность среды при ее течении через сужающее устройство не изменяется. Это допущение справедливо для несжимаемых сред. Для газов такое допущение может привести к значительной неопределенности результатов измерений. Поэтому, при измерении расхода сжимаемых сред (газов и паров), особенно при больших перепадах давлений в сужающем устройстве, необходимо учитывать уменьшение плотности ρ, вызванное снижением давления при прохождении через сужающее устройство, поэтому массовый расход (а также объемный), отнесенный к начальному значению ρ, несколько уменьшится. Время прохождения газов и паров через сужающее устройство настолько незначительно, что их сжатие и последующее расширение происходят практически без обмена тепла с окружающей средой, т.е. адиабатически. Поэтому уравнения расхода для газов и паров в объемных и массовых долях имеют вид: Q S 0 2 1 ( P1 P2 ) ; QM S0 21 ( P1 P2 ). где ε - поправочный множитель на расширение измеряемой среды, называемый коэффициентом расширения; ρ1 - плотность потока перед входом потока в отверстие сужающего устройства. Уравнения действительны до тех пор, пока скорость потока в сужающем устройстве остается меньше критической, т.е. меньше скорости звука в данной среде. Уравнения расхода для газов и паров отличаются от 85 уравнений расхода для несжимаемой жидкости только коэффициентом ε. Значения коэффициента расширения ε для различных сужающих устройств и разных случаев измерения даны в справочниках. Стандартные сужающие устройства. Для всех стандартных сужающих устройств коэффициенты расхода в широком диапазоне достаточно достоверны и воспроизводимы, поэтому указанные устройства можно применять без индивидуальной градуировки. К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагмы (ГОСТ 8.586.2-2005), сопла и сопла Вентури (ГОСТ 8.586.3-2005), а также трубы Вентури (ГОСТ 8.586.4-2005). Стандартные диафрагмы (рис.52) являются самым распространенным типом сужающего устройства. Она представляет собой тонкий металлический диск с круглым концентрическим отверстием, которое имеет со стороны входа острую цилиндрическую кромку, а далее расточено под углом φ =30÷600. Диафрагмы бывают двух основных типов: камерные (рис. 52, а) и бескамерные (рис. 52, б). Бескамерные диафрагмы отличаются от камерных отсутствием кольцевых камер, а также наличием металлического ушка, приваренного к боковой поверхности диска. Рис. 52. Диафрагмы: а – камерная; б – бескамерная. Камерная диафрагма состоит из диска и корпусов кольцевых камер (рис. 53), служащих для замера статического давления. Рис. 53. Камерная диафрагма: 1 – диск; 2 – кольцевые камеры. Камерные диафрагмы используются для трубопроводов с условным 86 диаметром Dу от 50 до 500 мм, а бескамерные - от 300 до 1000 мм. Поперечное сечение в осевой плоскости стандартной камерной диафрагмы приведено на рис. 54. Толщина диафрагмы E не должна превышать 0,05D, где D – диаметр трубопровода. Диаметр отверстия диафрагмы d должен быть больше 12,5 мм. Определение этого диаметра – Рис. 54. Сечение диафрагмы: 1 - входной торец диафрагмы; 2 - выходной торец диафрагмы . сложная расчетная процедура, определяемая ГОСТом. Диафрагму можно изготовлять из любых материалов, при выборе которых следует учитывать свойства контролируемой среды. Разъедание (притупление) острой входной кромки резко изменяет коэффициент φ, измерения становятся неточными. Наиболее подходящие материалы – нержавеющие стали (например, 12Х18Н9Т). При измерении расхода газов и жидкостей допускается применять как угловой (рис.55,а), так и фланцевый (рис.55,б) способы отбора перепада давлений на диафрагмах. Перепад давлений при фланцевом способе отбора следует измерять через отдельные цилиндрические отверстия. 87 Рис. 55. Отбор давления: а - диафрагма с фланцевым способом отбора давления; б - диафрагма с угловым способом отбора давления . Допустимые интервалы диаметров трубопроводов D и коэффициента β для диафрагм должны находиться в следующих пределах: 50 мм ≤ D ≤ 1000 мм; при 0,1 ≤ β ≤ 0,75. В случае измерения расхода газа отношение абсолютных давлений на выходе из сужающего устройства и входе в него должно быть больше или равно 0,75. Стандартное сопло (рис.56) – тип стандартного сужающего устройства, имеющего плавно сужающуюся часть на входе, переходящую на выходе в горловину. Сопла могут применяться без индивидуальной градуировки в трубопроводах 50 мм ≤ D ≤ 630 мм, при условии, что 0,2 ≤ β ≤ 0,65. Сопло особенно удобно для измерения расхода газов и перегретогопара, если ((Р1-Р2)/Р1) < 0,1, а также для измерения расхода пара высокого давления и агрессивных газов в трубопроводах диаметром D ≤ 200 мм. 88 Рис. 56. Стандартное сопло По сравнению с диафрагмами они менее чувствительны к коррозии, загрязнениям и обеспечивают несколько большую точность измерения. Профильная часть отверстия сопла должна быть выполнена с плавным сопряжением дуг. Поверхность входной части сопла не должна быть шероховатой; для цилиндрической части исключается конусность. Выходная кромка цилиндрической части отверстия должна быть острой, без заусенцев, фаски или закругления. Для изготовления сопел обычно применяют те же материалы, что и для диафрагм. Стандартное сопло Вентури (рис.57) - сопло, которое состоит из входной части в виде сопла, горловины и выходной части в виде расходящегося конуса (диффузора).Они могут применяться без индивидуальной градуировки для диаметров трубопроводов 65 мм ≤ D ≤ 500 мм, при 0,316 ≤ β ≤ 0,775 и при d ≥ 50 мм. Сопло Вентури состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части и выходного конуса. Рис. 57. Сопло Вентури: а – короткое; б – длинное Сопло Вентури может быть длинным и коротким: у первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у второго – меньше. Перепад давлений следует измерять через кольцевые камеры. Стандартные трубы Вентури (рис.58) можно применять в трубопроводах диаметром от 50 до 1200 мм при условии, что 0,3 ≤ β ≤ 0,75. Труба 89 Вентури называется длинной, если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, или короткой, если указанный диаметр меньше диаметра трубопровода. Рис. 58. Труба Вентури. Давления в горловине и входном патрубке следует отбирать через отверстия в стенках и через усредняющие камеры. К преимуществам труб Вентури следует отнести меньшую потерю давления по сравнению с потерями в сужающих устройствах других типов. Комплектация расходомера переменного перепада давления. Расходомер переменного перепада давления (рис.59) состоит из следующих основных частей: измерительных участков трубопровода 1 до и после сужающего устройства, сужающего устройства 2, импульсных линий 3, служащих для соединения с дифманометром измерительных участков трубопровода, дифференциального манометра 4. Рис. 59. Комплектация расходомера переменного перепада давления. Требования к исполнению монтажа измерительных участков трубопровода изложены в ГОСТ 8.586.1-5-2005. В них устанавливаются требования к выполнению расходомерных устройств при их разработке, проектировнии, монтаже, эксплуатации и поверке. Расходомерные дифманометры обычно устанавливают совместно с диафрагмами, перепад давления на которых однозначно связан с расходом среды. Заполнение дифманометра уравновешивающей жидкостью, его мон90 таж и подключение к соединительным линиям для измерения перепада давлений на сужающем устройстве следует производить в соответствии с руководством по монтажу и эксплуатации прибора. Выбор дифманометра по параметрам окружающей среды и его применения для заданных рабочих условий измерения расхода должны соответствовать требованиям технической документации заводаизготовителя. Допускается подключение к одному сужающему устройству двух и более дифманометров; при применении интегрирующих дифманометров одновременная их работа не допускается. Допускается подключение соединительных линий одного дифманометра к соединительным линиям другого дифманометра и подключение манометра к «плюсовой» импульсной линии дифманометра, если это не оказывает влияния на процесс измерения. Длина линий не должна превышать наибольшей допустимой длины, указанной в руководстве по монтажу и эксплуатации дифманометра. Соединительные линии должны быть защищены от действия внешних источников тепла или холода. При измерении расхода горячего вещества (t ≥ 100°C) необходимо обеспечить равенство температур в обеих соединительных линиях. Соединительные линии должны прокладываться таким образом, чтобы исключить в них скопление воздушных пузырьков (при измерении расхода жидкости) и конденсата (при измерении расхода газа или пара). Для этих целей на соединительных линиях рекомендуется устанавливать газосборник или отстойные сосуды. При измерении расхода агрессивных сред передача измеряемого давления должна осуществляться через разделительную жидкость, заливаемую в дифманометр. Жидкость служит для защиты внутренних полостей дифманометров от воздействия измеряемой среды. В этом случае на участках соединительных линий между дифманометром и сужающим устройством подключают разделительные сосуды. 8.3.2. Расходомеры постоянного перепада давления Наиболее распространёнными приборами этой группы являются расходомеры со свободно перемещающимся в корпусе поплавком (ротаметры). Принципиальная схема ротаметра показана на рис.60. Проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются, и он останавливается на той или иной высоте, в зависимости от величины расхода. При неизменном расходе поплавок неподвижен. В верхней части поплавка 91 часто делают косые прорези, которые позволяют поплавку вращаться вокруг вертикальной оси. При вращении поплавок центрируется внутри трубки, не соприкасаясь со стенками, его чувствительность повышается. Рис. 60. Схема ротаметра: 1 – стеклянная трубка; 2 – поплавок. В работающем ротаметре поплавок полностью погружен в измеряемую среду. Вес погруженного поплавка G1 определяется уравнением: G1 = Vп g (ρп - ρс ), где Vп - объем поплавка; ρп и ρс - плотности материала поплавка и измеряемой среды соответственно; g - ускорение свободного падения. Сила G2, действующая на поплавок со стороны измеряемого потока, равна G2 = (P1 - P2) Fo, где P1, и P2 - давления среды перед поплавком и за ним; Fo - наибольшее поперечное сечение поплавка. В состоянии равновесия (поплавок неподвижен) G1 = G2, т. е. Vпg(ρп - ρс) = (P1 - P2 ) Fo или P1 - P2 = Vпg(ρп - ρс) / Fo .Из полученного уравнения видно, что независимо от положения поплавка перепад давлений на нем постоянен и не зависит от измеряемого расхода. Это объясняется постоянством скорости измеряемой среды при изменении ее расхода, что обусловлено изменением площади кольцевого зазора между поплавком и трубкой. Уравнение для объемного расхода можно представить в виде: 2 gVn ( n c ) Q S K ( P1 P2 ) . c F0 где α - коэффициент расхода, учитывающий особенности потока; SK площадь кольцевого зазора между трубкой и боковой поверхностью поплавка. Так как величины под корнем в уравнении (4.17) практически постоянны, то их можно заменить коэффициентом К, тогда Q=α SK K, т.е. эта зависимость линейна, поэтому шкала ротаметра равномерная. Ротаметры выполняют со стеклянной или металлической трубкой. Ротаметры со стеклянной трубкой изготавливают на давление, не превышающее 600 КПа. При более высоком давлении измеряемой среды, а 92 также для измерения расхода пара применяют ротаметры с металлической трубкой. На рис.61 приведена принципиальная схема ротаметра с электрической дифференциально-трансформаторной системой передачи показаний на расстояние. Измерительная часть прибора изготовлена в виде металлического цилиндра 1, в который помещена диафрагма 2. Внутри диафрагмы перемешается конусный поплавок 3, жестко соединенный со штоком 4, на верхнем конце штока укреплен сердечник 5 дифференциально - трансформаторного преобразователя. Сердечник находится внутри разделительной трубки 6, на которую надета катушка преобразователя. Бесшкальные ротаметры работают в комплекте с вторичными дифференциально - трансформаторными приборами. Рис. 61. Схема ротаметра с дифференциально-трансформаторной системой дистанционной передачи показаний Ротаметры изготавливают на рабочее давление 6,2 МПа. Основная погрешность комплекта (преобразователя и вторичного прибора) составляет 3% от верхнего предела измерения. 8.3.3. Электромагнитные расходомеры Расходомеры данного типа относятся к бесконтактным, т.е. в них отсутствует прямой контакт измеряемой среды с узлами прибора. Эти расходомеры подразделяются на приборы с электромагнитным преобразователем расхода и приборы с электромагнитными преобразователями скорости потока. Приборы с электромагнитным преобразователем расхода основаны на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону Фарадея, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная 93 скорости движения жидкости. Принципиальная схема электромагнитного расходомера показана на рис.62. Трубопровод 1 с перемещающейся в нем электропроводной Рис. 62. Схема электромагнитного расходомера жидкостью помещен в магнитное поле, создаваемое двумя катушками индуктивности (индукторами) 2. В стенки трубопровода диаметрально противоположно в одном поперечном сечении введены электроды 3 (заподлицо с внутренним диаметром трубы). К электродам подключают какой-либо высокочувствительный измерительный прибор 4, шкала которого градуирована в единицах скорости или единицах расхода. Трубопровод изготовляют из изоляционного материала, для этой цели используют фторопласт, эбонит, резину и другие материалы в зависимости от свойств измеряемой жидкости. Известно, что в движущемся проводнике, пересекающем силовые линии постоянного магнитного поля, индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле: E = Blv, где E - индуктируемая в проводнике ЭДС; В - магнитная индукция; l длина проводника; v - скорость движения проводника. В случае измерения расхода жидкости можно записать E = BDvср , где D внутренний диаметр трубопровода; vcp - средняя скорость протекания жидкости через поперечное сечение трубы в зоне индуктируемой ЭДС. Выразив скорость через объемный расход Q, получим (для трубопровода круглого сечения) E 4 BQ . D Из этой формулы следует, что при однородном магнитном поле ЭДС прямо пропорциональна объемному расходу. Следовательно, электромагнитный расходомер является по существу генератором, в котором проводником, перемещающимся в магнитное поле, 94 служит электропроводная жидкость. Проводимость жидкости должна быть не ниже 10-5 - 10-6 См, что соответствует проводимости водопроводной воды. Существенные и основные недостатки электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем: возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации затрудняют или делают невозможным правильное измерение ЭДС, индуктируемой магнитным полем в движущейся жидкости. Другим недостатком расходомеров с постоянным магнитным полем является сложность усиления напряжения постоянного тока. В связи с этим расходомеры с постоянным магнитным полем применяют лишь при измерении расхода жидких металлов, пульсирующих потоков жидкости и при кратковременных измерениях, когда поляризация не успевает оказать заметного влияния. В настоящее время в подавляющем большинстве электромагнитных расходомеров применяют переменное магнитное поле. Если магнитное поле изменяется во времени t с частотой f, то для трубопроводов круглого сечения ЭДС равна E 4Q B sin t , D max где Вmax = В/(sinωt) – амплитудное значение магнитной индукции; ω=2πf – угловая частота. При переменном магнитном поле электрохимические процессы оказывают меньшее влияние, чем при постоянном. В современных электромагнитных расходомерах для усиления сигнала, снимаемого с преобразователя, используют электронный усилитель с большим входным сопротивлением. При этом условии в большинстве случаев изменение сопротивления преобразователя при изменении параметров контролируемой среды не сказывается на показаниях. Это важное преимущество электромагнитных расходомеров. В расходомерах с переменным магнитным полем возникают помехи, как в преобразователе, так и вне его. В основном на погрешность измерения влияют помехи: паразитные от внешних цепей; емкостные от переменного тока, питающего электромагнит; индукционные («трансформаторные») от магнитного поля преобразователя. Первые две помехи удается устранить экранированием прибора. Для исключения трансформаторной ЭДС используют различные способы. Один из способов заключается в применении двух индукционных преобразователей (с самостоятельными магнитами), включенных таким образом, что магнитные поля в них направлены в противоположные стороны. Дополнительные ЭДС взаимоиндукции при этом (как равные по ве95 личине и по фазе, но противоположные по направлению) взаимно уничтожаются в первичной обмотке выходного трансформатора. Комплект общепромышленного электромагнитного расходомера (ЭМР) состоит из преобразователя расхода и измерительного блока. Конструктивно преобразователь включает два узла – трубу и электромагнит. Преобразователь содержит также контур для подавления трансформаторной ЭДС. Электромагнитные расходомеры имеют ряд преимуществ. Прежде всего, они практически безынерционны, что очень важно при измерении быстроизменяющихся расходов и при использовании их в системах автоматического регулирования. Результат измерения не зависит от наличия взвешенных частиц в жидкости и пузырьков газа. Измерения в достаточной степени независимы от профиля потока и таких свойств среды, как давление, температура, вязкость, плотность, состав, электропроводность и загрязнение электродов. В расходомере отсутствуют потери давления, отсутствуют движущиеся части. Вследствие линейной зависимости возникающей ЭДС от расхода шкала вторичного прибора линейна. Электромагнитные расходомеры обеспечивают измерение расхода в интервале 0,002 - 300000 м3/ч и более при трубопроводах с внутренним диаметром от 3 до 3000 мм. 8.3.4. Ультразвуковые расходомеры Ультразвуковой (частота выше 20 КГц) метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся жидкой или газообразной средой. Измерение расхода, в основном, осуществляется пу тем косвенных измерений следующих величин: - разности времен Δt (времяимпульсный метод) прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него; - разности фаз Δϕ (фазовый метод) между ультразвуковыми колебаниями, распространяющимися по потоку и против него; - разности частот Δf (частотный метод) двух автогенераторов, в качестве элемента обратной связи которых используется контролируемая среда. 96 Рис. 63. Схема ультразвукового расходомера Современные расходомеры, как правило, реализуют времяимпульсный метод. На рис.63 представлена принципиальная схема измерения расхода ультразвуковым расходомером, использующим времяимпульсный метод. Расходомер включает в себя два (рис.63, а) или четыре (рис.63, б) электроакустических приемопередающих преобразователя А (А') и B (B'), монтируемых с внешней стороны трубопровода. Преобразователи работают как в режиме источника ультразвукового сигнала, так и в режиме приемника. Расстояние между преобразователями равно L. Если ультразвуковые колебания распространяются по направлению скорости потока v, то они проходят расстояние L за время t AB L L 1 , (a ) a (1 / a) где а - скорость звука в данной среде. При распространении колебаний против скорости потока t BA L L 1 . (a ) a (1 / a) Отношение v/a весьма мало по сравнению с единицей (для жидкостей а ≈ 1000÷1500 м/сек, v ≈ 3÷4 м/сек), поэтому с большой степенью точности можно принять: L L L t AB (1 ) 2 ; a a a a L L L t BA (1 ) 2 . a a a a В ультразвуковых расходомерах фиксируется разность времени Δt = tВА – tАВ. Из вышеприведенных уравнений получаем: 2L t t BA t AB a2 . Эта разность времен прохождения импульсов по потоку и против потока является мерой расхода. 97 Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения расхода почти всех продуктов, будь то жидкости или газы, агрессивные или коррозионные. Единственным условием является отсутствие в потоке большого количества твердых и газовых включений. Измерение не зависит от электропроводности, вязкости, температуры, плотности и давления среды. Полнопроходное сечение исключает накопление отложений, потери давления и износ. 8.3.5. Вихревые и вихреакустические расходомеры Принцип действия этих расходомеров основан на явлении, носящим название «эффект Кармана», согласно которому при обтекании неподвижного твердого тела потоком жидкости за телом образуется вихревая дорожка, состоящая из вихрей, поочередно срывающихся с противоположных сторон тела. На рис.64 показано обтекание цилиндра потоком и об разование вихрей. Рис. 64. Схема образования вихрей Частота образования вихрей за телом пропорциональна скорости потока. Детектирование вихрей и определение частоты их образования позволяет определить скорость и объемный расход среды. В зависимости от способа детектирования частоты вихрей различают вихревые и вихреакустические расходомеры. В вихревых расходомерах определение частоты вихреобразования производится при помощи двух пьезодатчиков, фиксирующих пульсации давления в зоне вихреобразования ("съем сигнала по пульсациям давле ния"). Конструктивно датчик представляет собой моноблок, состоящий из корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, избыточного давления и температуры (рис.65). 98 Рис. 65. Вихревой расходомер Электронный блок представляет собой плату цифровой обработки сигналов первичных преобразователей, заключенную в корпус. На входе в проточную часть датчика установлено тело обтекания 1. За телом обтекания, по направлению потока газа, симметрично расположены два пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2. При протекании потока газа (пара) через проточную часть датчика за телом обтекания образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и расходу. В свою очередь, вихреобразование приводит к появлению за телом обтекания пульсаций давления среды. Частота пульсаций давления идентична частоте вихреобразования и, в данном случае, служит мерой расхода. Пульсации давления воспринимаются пьезоэлектрическими преобразователями, сигналы с которых в форме электрических колебаний поступают на плату цифровой обработки, где происходит вычисление объемного расхода и объема газа при рабочих условиях и формирование выходных сигналов по данным параметрам в виде цифрового кода. Преобразователь избыточного давления 3 тензорезистивного принципа действия размещен перед телом обтекания вблизи места его крепления. Он осуществляет преобразование значения избыточного давления потока в трубопроводе в электрический сигнал, который с выхода мостовой схемы преобразователя поступает на плату цифровой обработки. Термопреобразователь сопротивления платиновый (ТСП) 4 размещен внутри тела обтекания. Для обеспечения непосредственного контакта ТСП со средой в теле обтекания выполнены отверстия 5. Электрический сигнал термопреобразователя также подвергается цифровой обработке. Плата цифровой обработки 6, содержащая два микропроцессора, производит обработку сигналов преобразователей пульсаций давления, избыточного давления и температуры, в ходе которой обеспечивается фильтрация паразитных составляющих, обусловленных влиянием 99 вибрации, флуктуаций давления и температуры потока, и происходит формирование выходных сигналов многопараметрического датчика по расходу, объему при рабочих условиях, давлению и температуре в виде цифрового кода. Выходные сигналы передаются на вычислитель 7. В вихреакустических расходомерах (рис.66) в качестве тела обтекания применяется призма трапецеидального сечения, а детектирование вихрей производится с помощью ультразвуковых преобразователей. Расходомер состоит из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены тело обтекания – призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели (ПИ) 2, пьезоприемники (ПП) 3 и термодатчик 7. Рис. 66. Вихреакустический расходомер Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микропроцессорный фильтр с блоком формирования выходных сигналов 6. Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна расходу. За телом обтекания в корпусе проточной части расположены диаметрально противоположно друг другу стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП. На ПИ от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор. На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с ПП и опорного генератора. На выходе фазового детектора об- 100 разуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода. Вихреакустические расходомеры применяются в чистых жидкостях с низкой вязкостью без завихрений, которые движутся со средней или высокой скоростью. В потоке не должно быть завихрений, поскольку они могут повлиять на точность измерений. Любая эрозия, коррозия или отложения, которые могут изменить форму плохо обтекаемого тела могут повлиять на калибровку расходомера, и поэтому идеальные условия предусматривают чистые жидкости. 101
