Лекция №3 функциональная структура измерительной системы. Основные требования к измерительным приборам. Методы измерения. Понятие о точности измерительных приборов, основные виды погрешностей.

В связи с развитием систем автоматического управления технологическими процессами и предприятиями широко используются в промышленности измерительные системы.

Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи.

Автоматический контроль технологических процессов осуществляется с помощью измерительных приборов – устройств измерения, служащих для выработки сигнала о каком – либо параметре процесса в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком.

При централизованном контроле и управлении технологическим процессом необходимо значения измеряемых параметров от различных точек технологических объектов передать к единому пункту контроля и управления, либо к регулирующему устройству. При этом расстояния, на которые приходится передавать сигналы измеряемых параметров, могут достигать более десяти километров.

При централизованном контроле любой измерительный прибор включает три основных узла: первичный измерительный преобразователь, канал связи и вторичный прибор.

Первичный измерительный преобразователь, установленный на объекте, преобразует измеряемую величину в выходной сигнал, удобной для передачи по каналу связи. Канал связи служит для передачи сигнала от первичного преобразователя к вторичному прибору. Вторичный прибор – это устройство, воспринимающее сигнал от первичного преобразователя и выражающее его в удобном для восприятия виде.

Рассмотрим систему передачи измеряемой величины на расстояния.

1

2

3

4

С вх.1 х С вых.1 Свх.2 С вых.2

Канал связи

Рисунок 1 – Схема дистанционной передачи показаний

Она состоит из первичного измерительного преобразователя, передающего измерительного преобразователя, канала связи, приемника и вторичного прибора (рисунок 1). Первичный измерительный преобразователь 1 находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, воспринимает значение С вх. 1 измеряемого параметра и преобразует его в сигнал х, который подается на вход передающего преобразователя 2. Передающий преобразователь 2 преобразует измерительный сигнал в параметр С вых.1, удобный для телепередачи, и передает в канал связи. На приемной стороне сигнал С вх.2 поступает на вход приемника 3, где он преобразуется в сигнал С вых.2, воздействующий на вторичный прибор 4. Вторичный прибор 4 преобразуют измерительный сигнал в показания значения измеряемой величины в удобном для восприятия виде. Причем сигнал С вх.2 на приемной стороне канала связи может отличаются от сигнала С вых.1 на выходе передающего преобразователя 2 вследствие воздействия на канал связи разных помех.

Первичный измерительный преобразователь представляет собой чувствительный элемент, устанавливаемый непосредственно на объекте и находящийся под воздействием измеряемой среды.

Методы измерения.

Метод измерения – это совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Для прямых измерений выделяют несколько основных методов: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой, совпадения.

Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерения давления пружинным манометром. Точность измерений этим методом ограничена, но процесс измерения быстрый. К группе средств измерений этим методом относятся показывающие, в том числе стрелочные приборы (манометры, вольтметры, расходомеры).

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

По дифференциальному (разностному) методу применяют разность между значениями измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величин. Например, сравнение измерений с образцовой мерой на компараторе при проверке мер длины. Дифференциальный (разностный) метод позволяет получать результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Но осуществлять этот метод можно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой.

Качество измерений.

Качество измерений характеризуются точностью, достоверностью, правильностью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.

Для определения точности измерений, т.е. их качества, отражающего близость результатов к истинному значению измеряемой величины, необходимо знать погрешность измерительного устройства при данном измерении.

Отклонение показаний измерительного устройства от истинного значения измеряемой величины характеризуется его погрешностью;

Погрешность средства измерения при нормальных условиях называют основной погрешностью; вследствие отклонения одной из влияющих величин от нормального значения или выхода ее за пределы области нормальных значений возникает дополнительная погрешность.

Погрешности выражаются в виде абсолютных и относительных величин.

Разность между показанием измерительного прибора и истинным значением измеряемой величины есть абсолютная погрешность.

Абсолютная погрешность γ:

γ =А_Н – А_g, (1)

где А_Н – показание измерительного прибора;

А_g – действительное значение измеряемой величины (измеренное образцовым прибором).

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины, то есть является именованным числом.

Измерительный прибор характеризуется относительной погрешностью β:

. (2)

Приведенная погрешность β_пр – отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению N, выраженное в %:

, (3)

где N – нормирующее значение, которое условно можно принять равным верхнему пределу измерений, диапозону измерений, длине шкалы и др.

Для определения погрешностей измерения и поправок к показаниям измерительных приборов их периодически подвергают проверке.

Для оценки точности работы средств измерений установлены классы точности измерительной аппаратуры.

Класс точности – средства измерения представляет собой его обобщенную характеристику, определяемую пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерений. Измерительные устройства делятся на классы точности по заранее заданной допускаемой основной приведенной погрешности (от 0,05 до 4,0)

К = 0,25; 0,5; 1,0; 1,5.

Измерительный прибор характеризуется сходимостью измерений и чувствительностью. Сходимость измерений характеризует близость одних результатов измерений к другим, выполняемым в тех же условиях. Чувствительность измерительного прибора S сбой отношение изменения сигнала на входе измерительного прибора Δх_вх:

, (4)

Порог чувствительности – это наименьшее изменение измеряемой величины, способное вызвать минимально измеряемое изменение показаний измерительного устройства.

Точность получаемых результатов при использовании измерительных устройств зависит от статических и динамических свойств. Поведение измерительных устройств в динамическом режиме зависит от их внутренней структуры и входящих в них элементов и опреляется инерционностью, Инерционность характеризуется постоянной времени переходной характеристики, запаздыванием, которое определяется промежутком времени от момента изменения измеряемой технологической величины до начала изменения выходной величины измерительного устройства, а также минимальным временем изменения выходной величины в пределах диапазона ее изменения.

ЛЕКЦИЯ №4

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.

СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ.

Температуру измеряют двумя основными способами – контактными и бесконтактными. Контактный способ основан на прямом контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом. Бесконтактный способ – основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и воспринимаемой на расстоянии от исследуемого объекта. Для измерения температуры бесконтактным способом применяют пирометры излучения. При контактном способе измерения температуры применяют термометры расширения, манометрические термометры, преобразователи термоэлектрические и термопреобразователи сопротивления.

Манометрические термометры. Основаны на изменении дав­ления газа, жидкости или парожидкостной смеси, находящихся в замкнутом объеме, при изменении температуры. Манометри­ческий термометр (рисунок 2) состоит из термобаллона 1, капил­лярной трубки 2 и манометра 3. Термобаллон 1 погружается в среду с измеряемой температурой. При изменении температуры изменяется давление рабочего вещества. По капилляру это дав­ление передается на трубчатую манометрическую пружину, от которой через передаточный механизм приводится в действие стрелка или перо прибора.

В зависимости от вида рабочего (термометрического) веще­ства, заполняющего термосистему, манометрические термомет­ры делятся на газовые, жидкостные и конденсационные.

Рисунок 2 - Манометрический термометр

В газовых манометрических термометрах ТГП-100 в качест­ве рабочего вещества используется обычно азот.

В жидкостных манометрических термометрах ТЖП-100 термосистема заполнена силиконовыми жидкостями.

В конденсационных манометрических термометрах ТКП-100 рабочим веществом являются низкокипящие органические жид­кости (ацетон, фреон, хлористый метил и др.) Термобаллон их на 2/3 заполнен рабочей жид­костью, над которой находится образующийся из нее насыщен­ный пар.

Достоинствами манометрических термометров: 1) взрыво- и пожаробезопасность; 2) простота конструкции и обслуживания;

3) надежность; 4) возможность дистанционного изме­рения и автоматической записи температуры. Недостатки 1) невысокая точность измерений вследствие несовершенства работы трубчатой пружины и отсчетного устройства; 2) большие размеры тер­мобаллона; 3) значительная инерционность.

Преобразователи термоэлектрические (ТЭП).

Принцип работы ТЭП состоит в следующем. Если составить замкнутую цепь из двух разнородных проводников А и В и нагреть один ее спай, то в цепи возникает электрический ток (рисунок 3,а)

Рисунок 3 - Схемы термоэлектрических цепей

а - цепь, состоящая из двух разнородных проводников;

б - схема включения третьего проводника в цепь ТЭП

Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим спаем ТЭП; второй спай носит название свободного.

Конструктивно ТЭП представляет собой две проволоки из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручива­ются, а затем свариваются или спаиваются (рисунок 4). ТЭП соединяют с вторичными приборами термоэлектродными проводами, изготовленными из таких же материалов, что и ТЭП, или из других сплавов, развивающих в пределах до 100 ⁰C ТЭДС, равную ТЭДС ТЭП.

Преобразователи термоэлектрические изготавливают сле­дующих типов: хромель-копелевые (ТХК) на пределы от -50 до 600⁰C; хромель-алюмелевые (TXA) на пределы от -50 до 1000⁰C; платинородий - платиновые (ТПП) на пределы от 0 до 1300⁰C; вольфрам-рениевые (TBP) на пределы от 100 до 1800⁰С; платинородий – радиевые (ТПР) на пределы от 300 до 1800⁰С.

В качестве вторичных приборов в комплекте с ТЭП применяют потенциометры.

Термопреобразователи сопротивления (TC). Измерение тем­пературы TC основано на изменении электрического сопротив­ления проводников или полупроводников с изменением темпе­ратуры. Зная эту зависимость, можно по значению сопротивле­ния определить температуру среды, в которую помещен TC. При увеличении температуры сопротивление ряда чистых ме­таллов возрастает, а полупроводников снижается.

Зависимость сопротивления металлов от температуры в не­большом интервале температур можно выражается уравнением:

(5)

Рисунок 4 - Технические ТЭП.

а – ТПП; б – ТХК и ТХА; 1 – рабочий спай; 2 - фарфоровый защитный чехол; 3 – фарфоровая трубка; 4 – металлическая трубка; 5 – термоэлектроды;

6 - фарфоровые бусы; 7 – неподвижный штуцер

где R_t — сопротивление металлического проводника при темпе­ратуре t⁰C;

R_t' — сопротивление того же проводника при тем­пературе t'⁰C;

(t - t') — интервал изменения температуры;

— коэффициент температурного сопро­тивления.

Зависимость между сопротивлением и температурой для TC различных типов дается в градуировочных таблицах.

Чувствительные элементы TC представляют собой тонкую медную или платиновую проволоку, намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас. Для предохранения от внешних воздействий чувствительные элементы TC заключают в металлическую трубку с литой го­ловкой, в которой cмонтированы выводы концов обмотки для их подключения к соединительным проводам (рисунок 5).

Термопреобразователи сопротивления изготавливают сле­дующих типов: TC медные (TCM) на пределы от - 50 до 200 ⁰C; TC платиновые (ТСП) на пределы от - 200 до 600⁰C; TC с унифицированным выходным сигналом 0 - 5, 4 - 20 мА; ТСМУ на пределы от - 50 до 200 ⁰C; ТСПУ на пределы от -200 до 500 ⁰C.

В качестве вторичных приборов в комплекте с TC применя­ют обычно уравновешенные мосты. Принципиальная схема уравновешенного моста показана на рисунке 6.

Рисунок 5 - Платиновый (а) и медный (б) TC:

1 - серебряная лента; 2 - платинная проволока; 3 - слюдяная пластика; 4 - подводящие серебряные провода: 5 - фарфоровые бусы: 6 - пластмассовая головка; 7 - тонко стенная защитная трубка; 8 - защитный чехол; 9 - медиан проволока; 10 - пластмассовый каркас; 11 - медные подводящие провода

Рисунок 6 - Принципиальная схема уравновешенного моста

ЛЕКЦИЯ №5

ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ. ПОТЕНЦИОМЕТРЫ, МИЛЛИВОЛЬТМЕТРЫ. УРАВНОВЕШЕННЫЕ МОСТЫ И ЛОГОМЕТРЫ.

ПРИБОРЫ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО – ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СХЕМОЙ. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ.

Вторичные приборы, показывающие и самопишущие, предназна­чены для контроля и регулирования температуры, давления, расхода, уровня и других технологических величин. Они рабо­тают с соответствующими измерительными преобразователями. Есть электрические вторичные приборы, на вход которых подается унифицированный аналоговый вход­ной сигнал (0 - 5, 0 - 20, 4 - 20 мА, 0 - 10 В и др.). Эти приборы могут работать в комплекте с любыми измерительными преобра­зователями, на выходе которых имеются унифицированные электрические сигналы.

Автоматический потенциометр КСП 4 предназначен для не­прерывного измерения, записи и регулирования температуры при работе в комплекте с одним из ТЭП стандартной градуировки. Движок реохорда автоматических потенциометров перемещается не вручную, а автоматически при помощи специального устройства. Измерительная схема потенциометра состоит из двух цепей. Первая - цепь источника тока, включающая источник постоянного тока ИПС, от которого питаются вспо­могательная ветвь с током i₁ и рабочая с током i₂. Вторая - цепь ТЭП, в которую входят ТЭП T, часть общего сопротивления реохорда R_oб, постоянный резистор R_H и резиcтор R_K, предназначенный для автоматического введения по­правки на температуру свободных спаев ТЭП.

Потенциометр КСП 4 представляет собой ста­ционарный прибор, все узлы которого размещены внутри сталь­ного корпуса размером 400 x 400 x 367 мм. Показания записы­ваются в прямоугольных координатах на диаграммной ленте шириной 250 мм.

Автоматический потенциометр КСП 4 питается переменным током напряжением 127/220 В и частотой 50 Гц. Число точек одновременного измерения от 1 до 12. Скорость продвижения диаграммной ленты от 20 мм/ч до 54 м/ч. Приборы могут снаб­жаться различными регулирующими устройствами. Шкалы их градуируются в ⁰C соответственно градуировке ТЭП, в комплекте с которой работает прибор. Быстродействие 1: 2,5 и 10 с. Классы точности 0,25; 0,5.

Рисунок 7 - Принципиальная схема автоматического потенциометра КСП 4: Т - ТЭП: ИМ - измерительный мост; ИПС - источник постоянного стабилизированного тока; РД – реверсивhый двигатель; PУ - регистрирующие устройство; СД - синхронный двигатель; УС - усилитель

Наряду с потенциометрами типа КСП 4 в промышленности используются автоматические потенциометры с дисковой шка­лой типа КСП 3, с прямоугольной шкалой типов КСП 1 и КСП 2, с вращающимся циферблатом КВП 1 и другие модификации.

Рисунок 8 - Принципиальная схема автоматического моста КСМ - 4:

R_t - TC; ИМ - измерительный мост: УС - усилитель: РД - реверсивный двигатель, РУ - регистрирующее устройство; СД - синхронный двигатель

Автоматический мост КСМ 4 предназначен для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры при работе в комплекте с одним из электрических TC. Прибор (рисунок 8) по­зволяет определять температуру среды по величине электриче­ского сопротивления R_t TC, находящегося в ней и являющегося одним из плеч мостовой схемы. Принцип действия основан на сравнении разности потенциалов двух промежуточных точек в параллель­но включенных ветвях. Измерительная схема уравновешенного моста включает четыре плеча, три из которых представлены постоянными резисторами R₁, R₂ и R₃, а четвертое - последовательно соединенным TC Rt, постоянным резистором R₄ и общим сопротивлением реохорда R_об.

Конструктивно автоматический уравновешенный мост КСМ 4 выполнен так же, как и автоматический потенциометр КСП 4, и имеет аналогичные технические характеристики.

Наряду с рассмотренным автоматическим уравновешенным мостом КСМ 4 в промышленности используются показывающие и записывающие па дисковой диаграмме автоматические мосты КСМ 3; показывающие и записывающие на ленточной диаграм­ме мосты KCM l и КСМ 2; показывающие мосты с вращающим­ся циферблатом KBM l и другие модификации.

Автоматический дифференциально-трансформаторный при­бор КСД 3 предназначен для непрерывного измерения записи и регулирования различных величин (уровня жидкости, давления, расхода жидкости, пара или газа и др.), изменение которых можно превратить в перемещение плунжера (сердечника) диф­ференциально-трансформаторной катушки датчика.

Принципиальная схема прибора КСД 3 с катушкой датчика приведена на рисунке 9. В первичном приборе, в комплекте с ко­торым работает прибор КСДЗ, датчиком дистанционной пере­дачи является дифференциально-трансформаторная катушка 1 с подвижным сердечником 11. В прибор КСД 3 встроена анало­гичная дифференциально-трансформаторная катушка 6, сердеч­ник 5 которой также может перемещаться. Катушки 1 и 6 име­ют первичную и вторичную обмотки.

Рисунок 9 - Схема автоматического дифференциально-трансформа-торного при­бора КСД 3 с катушкой датчика:

1 - катушка датчика: 2 - контрольная кнопка; 3 - переменный резистор; 4 -обмотка корректировки нуля; 5, 11 - сердечники катушек: 6 - катушка прибора КСД 3; 7 - кулачок; 8 - регистрирующее устройство; 9 - реверсивный двигатель; 10 –усилитель

В прибор могут встраиваться различные задающие и регу­лирующие устройства, а также выходные преобразователи ГСП.

Конструктивно прибор КСД 3 выполнен в виде стального корпуса размером 320 х 320 х 380 мм с застекленной крышкой, внутри которого размещены основные узлы. Показания записы­ваются на дисковой диаграммной ленте.

Быстродействие прибора 5, 16 с; время одного оборота диа­граммы 24 ч. Основная погрешность показаний ± 1%, записи ± 1,6%. Шкала прибора градуируется в единицах величины, из­меряемой им в комплекте с соответствующим датчиком.

ЛЕКЦИЯ №6

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ. КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ, РАЗРЕЖЕНИЯ И РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАВЛЕНИЯ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ И ПО РОДУ ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ. ЖИДКОСТНЫЕ, ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ.

Давление характеризуется отношением силы, равномерно рас­пределенной по площади и нормальной к величине этой площа­ди. Под абсолютным давлением в аппарате понимают полное давление жидкости или газа на его стенки; разность между ним (Р_абс.) и атмосферным давлением (Р_атм) при Р_абс > Р_атм назы­вается избыточным давлением Р_изб:

Р_изб = Р_абс - Р_атм., (6)

а при Р_абс < Р_атм - разрежением Ph:

Ph = Р_атм - Р_абс. (7)

В международной системе единиц (СИ) единицей давления является паскаль (Па). Применяются также следующие едини­цы: кгс/см²; мм. вод. ст.; мм. рт. ст. (1 кгс/см² = 9,8 · 10⁴ Па; 1 мм. вод. ст. = 9,8 Па; 1 мм. рт. ст. = 133,3 Па).

По принципу действия приборы для измерения давлений де­лят на: жидкостные, деформационные, грузопоршневые и элект­рические. По роду измеряемой величины различают сле­дующие приборы: 1) манометры - для измерения избыточных дав­лений; 2) вакуумметры - для измерения разрежений; 3) мановакуумметры - для измерения избыточных давлений и разрежений; 4) напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры - для измерения малых избыточных давлений и малых разрежений (до нескольких кПа); 5) дифференциальные манометры (дифманометры) - для измерения перепада (разности) давлений.

Жидкостные манометры. В этих приборах измеряемое давление или разре­жение уравновешивается гидростатическим давлением столба рабочей жидкости, в качестве которой применяют ртуть, воду, спирт и др. Существует разные жидкостные, манометры: U-образный манометр, чашечный манометр и манометр с наклонной трубкой, поплавко­вый и колокольный манометры, позволяющие регистрировать и передавать по­казания на расстояние.

Дифманометр ДТ-50 (рисунок 10) пред­назначен для технических измерений, разности давлений. Он представляет со­бой U-образный манометр, выполненный в виде двух стеклянных измерительных трубок 1, сообщающихся между собой клапаном и заключенных в металлические оправы.

_{Рисунок 10 - Дифманометр ДТ-50}

Деформационные манометры. В этих приборах измеряемое давление или разрежение уравновешивается силами упругого противодействия различных чувствительных элементов, дефор­мация которых, пропорциональная измеряемому параметру, че­рез рычаги передается на стрелку или перо прибора.

Достоинства: 1) простота и надежность конст­рукции; 2) наглядность показаний; 3) малые габариты; 4) высокая точность и 5) широкие пределы измерения.

В качестве чувствительных элементов используют одновитковую трубча­тую пружину, сильфон, мембранную коробку, многовитковую трубчатую пружину, вялую мембрану, жесткую мембрану.

Мембранный дифманометр ДМ (рисунок 12) является бесшкальным прибором с индукционным датчиком, работающим с вторичными дифференциально-трансформаторными приборами. Он предназначен для дистанционного измерения избыточных давлений, разрежений или перепадов давлений жидкостей, паров и газов. Чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, помещенный в корпус и включающий мембранные коробки.

Грузопоршневые манометры. В этих приборах измеряемое давление определяется по величине нагрузки, воздействующей на поршень определенной площади.

Рисунок 11 - Трубчато-пружинный манометр с одновитковой трубчатой пружиной

Рисунок 12 - Мембранный дифманометр ДМ

Достоинства: 1) высокая точность (0,02; 0,05; 0,2) 2) широкий диапазон измерения (0,1 - 250 МПа). Обычно их применяют для градуировки и поверки деформационных манометров.

Грузопоршневой образцовый манометр МП-60, предназна­ченный для поверки технических манометров с одновитковой трубчатой пружиной, (рисунок 13).

Рисунок 13 - Грузопоршневой образцовый манометр

Электрические манометры. Действие этих приборов основа­но на зависимости электрических параметров преобразователя давления от величины измеряемого давления. К ним относятся: 1) пьезоэлектрические манометры; 2) манометры сопротивления; 3) ионизационные манометры; 4) радиоизотопные манометры.

Лекция №7

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАСХОДА. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ. РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ, ДИНАМИЧЕСКОГО НАПОРА. РАСХОДОМЕРЫ ПОСТОЯННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ. РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО УРОВНЯ. РАСХОДОМЕРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ.

Количество жидкости, газа или пара, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени, называют расходом этого вещества (F).

Различают объемный и массовый расходы. Коли­чество вещества измеряют счетчиками, а расход - расходоме­рами. Различают: 1) расходомеры переменного перепада давления; 2) постоянного перепада давления; 3) переменного уровня и 4) электромагнитные.

Расходомеры переменного перепада давления. Основаны на том, что с изменением расхода вещества изменяется перепад давления, создаваемый неподвижным устройством, установлен­ным в трубопроводе, или элементом трубопровода. К этой груп­пе относятся расходомеры с сужающим устройством, с напор­ным устройством и другие.

Рисунок 14 - Расходомер переменного перепада давления:

а - схема расходомера; б, в - распределение скоростей w и давлений P в сужающее устройстве по длине трубопровода I. 1 - сужающее устройство; 2 - соединительные импульсные трубки; 3 - дифманометр; I – I сечение пото­ка, в котором еще не сказалось возмущающее воздействие сужающего устройствa; II – II - сечение потока в месте его наибольшего сжатия; III - III - сечение потока в место полного расширения после сужающего устройства

Комплект расходомера переменного перепада давления с сужающим устройством (рисунок 14, а) состоит из установленного на трубопроводе сужающего дроссельного устройства 1, соеди­нительных импульсных трубок 2 и какого-либо измерителя пе­репада давления, например, U-образного дифманометра 3.(или пневматического измерительного преобразователя перепада давления типа 13 ДД). При прохождении жидкости, газа или пара через сужающее устройство средняя скорость потока увеличивается (рисунок 14, б), и часть потенциальной энергии давления переходит в кинетическую. В результате этого статическое давление потока после сужающего устройства уменьшается, что вызывает перепад давления на нем (рисунок 14, в)

Перепад давления на сужаю­щем устройстве зависит от расхо­да протекающего вещества и мо­жет служить мерой расхода.

Измерение расхода вещества по методу переменного перепада давления возможно при соблюде­нии следующих условий:

а) поток заполняет все попе­речное сечение трубопровода;

б) поток является практически установившимся;

в) фазовое состояние вещества при прохождении через су­жающее устройство не изменяется (жидкость не испаряется, пар не конденсируется).

В расходомерах переменного перепада давле­ния в качестве нормальных сужающих устройств применяют диафрагмы, сопла и трубки Вентури. Для измерения перепада давления на сужающем устройстве используют дифманометры.

Расходомер с напорным устройством. Его действие базиру­ется на том, что изменение расхода вызывает изменение перепа­да давления, создаваемого напорным устройством в результа­те перехода кинетической энергии струи в потенциальную. На­порная трубка расходомера, располагаемая по оси трубопрово­да навстречу потоку, воспринимает полный и статический напоры, разность которых (динамический напор) измеряется дифманометром. Расходомеры с напорным устройством применяют для измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров и при больших скоростях потоков, а также в трубопроводах некруглого сечения.

Расходомеры постоянного перепада давления. Их действие основано на том, что из­менение расхода вещества вызывает вертикальное перемещение тела - поплавка, находящегося в потоке и изменяющего при этом площадь проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давления на поплавке остается постоянным. К приборам этого типа относятся ротаметры, поплавковые расходомеры и другие.

Ротаметры выполняют в виде вертикальной конической, расширяющейся кверху трубки, в которой находится поплавок (рисунок 15).

Изменение расхода вещества вызывает перемещение поплавка в трубке на некоторую высоту; при этом изменяется площадь кольцевого зазора между поплавком и внутренними стенками трубки.

Рисунок 15 – Ротаметр с конической трубкой

Перепад давления на поплавке определяется его массой. При постоянной массе поплавка площадь кольцевого сечения между внутренними стенками трубки и поплавком пропорцио­нальна расходу вещества, протекающего по трубке.

Длина трубки ротаметра в 10 раз превышает его диаметр, что обеспечивает значительный ход поплавка.

Изготавливают ротаметры стеклян­ные с местными показаниями типов: PM – A - I, PM - II, PM - IV, PM - VI. Допустимое максимальное рабочее дав­ление ротаметров 0,6 МПа. Классы точ­ности: К = 2,5 – 4,0.

Поплавковые расходомеры имеют по­плавок конической формы, который вер­тикально перемещается внутри отвер­стия на небольшое расстояние (не более диаметра поплавка). Они снабжены дистанционной пневматической или электриче­ской передачами показаний на расстояние, являются бесшкаль­ными и работают в комплекте с вторичными приборами (ротаметр электрический РЭ, рисунок 16 и ротаметр пневматический РП, рисунок 17)

Рисунок 16- Ротаметр электрический РЭ:

1, 10 - входной и выходной штуцеры: 2 - диск; 3 - ко­нический поплавок; 4 – корпус; 5 - штеккерный разъем; 6 - винт установки нуля; 7 - разделительная трубка; 8 - плунжер; 9 - дифференциально-трансформаторная катушка

Расходомеры переменного уровня. Действие этих приборов основано на том, что изменение расхода вызывает изменение высоты уровня жидкости в сосуде при свободном истечении ее через отверстие в дне или боковой стенке сосуда. Они состоят из приемника - цилиндрического или прямоугольного сосуда с круглым отверстием для истечения (диафрагмой) в его дне, либо с щелевым отверстием для истечения в боковой поверхно­сти сосуда - и любого стандартного измерителя уровня. Расхо­домеры переменного уровня применяют для измерения расхо­дов агрессивных жидкостей, пульсирующих жидкостных пото­ков, а также газожидкостных смесей, находящихся при атмос­ферном давлении.

Рисунок 17 - Ротаметр с пневматической передачей

Электромагнитные расходомеры. Применя­ются для измерения расхода электропроводящих жидкостей. Принцип их действия основан на законе электромагнитной ин­дукции, в соответствии с которым в электропроводящей жидкости, движущейся по трубопроводу и пересекающей внешнее магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная средней скорости потока жидкости. Наводимая ЭДС измеряется вторичным прибором. Электромагнитные расходомеры позволяют измерять расход агрессивных, загрязненных и вязких жидкостей, а так же пульп.

Расходомер ИР-61 предназначен для измерения расхода электропроводящих жидкостей и пульп. Он состоит из первичного преобразователя - отрезка трубопровода длиной от 250 до 850 мм, и вторичного прибора. Диаметры условных переходов от 10 до 300 мм, класс точности 1.