Вопросы к экзамену

по курсу «Технологические измерения в пищевой промышленности»

гр. 13-ИУ-2

1. Измерение общетехнических параметров

1. Понятие температуры. Температурная шкала, требования к температурной шкале. Формирование температурной шкалы. Абсолютная термодинамическая температурная шкала. Международная практическая шкала.

Температура — физическая величина, количественно ха­рактеризующая меру средней кинетической энергии теп­лового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Температурная шкала—это ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными или опорными) точками.

Абсолютная термодинамическая температурная шкала - Кельвин

Международная  температурная шкала является  практическим осуществлением   термодинамической  стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура ки­пения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°. Эта температурная шкала основана на использовании в качестве опорных (реперных) точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены, и которым присвоены точные значения температур, а также эталонных приборов, градуированных при этих температурах. В интервалах между температурами реперных точек температура определяется по соответствующим формулам.

2. Дилатометрическиетермометры. Принцип действия, конструкция, область применения, основные свойства.Электроконтактные дилатометрические термометры.

Действие термометров основано на тепловом расширении твёрдых тел. Принцип действия стержневого дилатометрического термометра (рис.2) основан на использовании разности удлинений трубки 1и стержня 2 при нагреве вследствие различия их коэффициентов линейного расширения. Трубка изготовляется из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварц, инвар), а стержень — с большим (латунь, медь, алюминий, сталь). Движение стержня передается стрелке прибора с помощью передачи 3. Пределы измеряемых температур лимитируются стабильностью коэффициентов линейного расширения, химической устойчивостью и тепловой прочностью рабочего тела.

Область применения: используются и как шкальные показывающие приборы, устанавливаемые на технологическом оборудовании, и в качестве датчиков-реле температуры (электроконтакных термомертов).

К основным элементам конструкции у биметаллических термометров относят подвижный и неподвижный термочувствительные элементы, упругие пружинные элементы, электрические контакты, элементы, передающие перемещение заданной точки рабочего тела подвижного термочувствительного элемента электроконтактной группе, элементы настройки. В датчиках-реле температуры при изменении температуры среды изменяется длина трубки; связанный с ней стержень перемещается, в результате чего замыкаются (размыкаются) контакты или перемещается чувствительный элемент преобразователя (рис.2)

3. Биметаллические. Принцип действия, конструкция, область применения, основные свойства. Электроконтактные биметаллические термометры.

Действие биметаллических термометров основано на использовании теплового расширения твердых тел – металлов.

Биметаллические термометры (рис.3) имеют чувствительный элемент в виде спиральной или плоской пружины, состоящей из двух пластин 1 и 2 из разных металлов, сваренных по всей длине. Внутренняя пластина 2 имеет больший коэффициент линейного расширения, чем внешняя 1, поэтому при нагреве такая пружина раскручивается, при этом стрелка 3 перемещается. Чаще всего применяют медноцинковый сплав — латунь и сплав железа с никелем —инвар, с существенно различными коэф­фициентами теплового расширения.

Они широко применяются в холодильных установках, водогрейных установках, бытовых холодильниках, кондиционерах и т. п.

4. Манометрические термометры. Принцип действия, конструкция,область применения, достоинства и недостатки.

Принцип действия этих термометров основан на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры.

Прибор (рис.4) состоит из термобаллона 1,капиллярной трубки 2, защищенной металлическим рукавом, и манометрической части, заключенной в специальном корпусе. Вся внутренняя полость системы прибора заполняется рабочим веществом. При нагреве термобаллона увеличивается объем жидкости или повышается давление рабочего вещества внутри замкнутой термосистемы. Эти изменения воспринимаются манометрической трубкой 5, которая через передаточный механизм, состоящий из тяги 7 и сектора 6, воздействует через зубчатое колесо (трибку) 4 на стрелку прибора 3. Термобаллон имеет цилиндрическую форму, его диаметр и длина зависят от рода термометрического вещества и диапазона измеряемых температур. Манометрическая пружина имеет сечение овальной формы или в виде восьмерки.

Используются они практически во всех отраслях пищевой промышленности как для технологического контроля, так и для автоматического регулирования жидких и газообразных сред в промышленных охлаждающих, замораживающих, вентиляционных и подогревающих установках.

Достоинствами манометрических термометров являются: сравни тельная простота конструкции и применения, возможность дистан­ционного измерения температуры (передачи показаний на расстоя­ние) и возможность автоматической записи показаний.

К недостаткам манометрических термометров относятся: относи­тельно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м) и трудность ремонта при разгерметиза­ции измерительной системы. Основным манометрических термометров является большая тепловая инерционность, достигающая 1,5 мин и более.

5. Термопреобразователи сопротивления (принцип действия, требования к материалам чувствительных элементов, диапазоны измерения, типы НСХ, конструктивные особенности, основные характеристики, область применения).

Принцип действия ТПС основывается на зависимости сопротив­ления чувствительного элемента преобразователя от температуры.

Mатериалы для ТПС должны обладать следующими свойствами

- Нейтральность к измеряемой среде, (химической инерт­ностью).

- Высокий и неизменный температурный коэффициент электрического сопоставления и удельное сопротивление.

- Монотонная и однозначная зависимость сопротивления от температуры.

- Дешевизна.

- Легкая технологическая воспроизводимость

Платиновые предназначены для измерения температуры от —260 до +650 °С, медные от —50 до +180 °С.

Типы НСХ: для медных:10М, 50М, 100М; для платиновых: 50П, 100П

Термопреобразователя сопротивления(ТПС) представляет собой медную или платиновую проволоку (чувствительный элемент), электрическое сопротивление которой зависит от температуры

Чувствительные элементы широко распространенных платиновых ТС представляют собой двух- пли четырехканальнын керамический каркас, в каналы которого укладываются платиновые спирали из проволоки (0,1 мм), закрепляемые в них глазурью. Для увеличения механической прочности и уменьшения тепловой инерции ТС пространство между стенками каналов и спиралями засыпается специальным порошком из алюминия. Для защиты от повреждений элементы ТС помещают в защитные чехлы (трубки).

Элементы медных ТС изготовляются из эмалированной проволоки диаметром 0,08—0,1 мм, многослойно безындукционно намотанной на цилиндрический пластмассовый стержень. Выводы делаются из медной проволоки диаметром 1,0—1,5 мм. Элемент помещается в защитную стальную трубку.

6. Термопары(принцип действия, типы НСХ термопар, область применения).Измерительная система для измерениятермоЭДС.

Типы НСХ: ТМК(до 350), ТХК(600-800), ТХА(1100-1300), ТПП(1300-1600), TBP(до 2300)

измерения температуры с помощью термопары положен термоэлектрический эффект (эффект Зеебека), который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если места соединения (спаи) нагреты до различной температуры. Цепь (рис. 1) состоит из термоэлектродов А и В. Места их соединения имеют различную температуру. При этом спай t, принимающий температуру измеряемой среды или тела, называется рабочим, а спай t0— свободным.

7. Понятие давления. Виды измеряемых давлений, единицы измерения давления. Классификация средств измерения давления по принципу действия и виду измеряемого давления.

Давлением жидкости, газа или твердого тела , т.е. среды, называют силу, равномерно действующую на площадь поверхности

Абсолют­ное давление (ДА) - давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением

Барометрическое давление (ДБ) - это абсолютное давление зем­ной атмосферы. Оно зависит от кон­кретных условий измерения: темпера­туры воздуха и высоты над уровнем мо­ря.

Избыточное давление (ДИ) – давление, которое больше атмосферного и измеряется относительно атмосферного.

Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ

Вакуумом (или вакуумметрическим давлением) называется состояние, когда абсолютное давление ниже атмосферного, т.е.

ДА=ДБ—ДВ

Дифференци­альное давление (ДД) – раз­ность давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного про­цесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным.

1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м² = 0,97 атм = 0,98 бар =

= 10⁴ мм вод.ст. = 735 мм рт.ст. = 0,98х10⁵ Па =

По принципу: жидкостные, деформационные, грузопоршневые, электрические

По виду измеряемого давления: манометры, вакууметры, мановакууметры, барометры, дифференциальные манометры

8. Деформационные манометры. Чувствительные элементы, диапазоны измерения, особенности использования в технологических измерениях.

Принцип действия основан на деформации упругого элемента под действием измеряемого давления

Чувствительный элементы: мембраны(до 0.25 МПа), сильфоны(от 0.25 до 6 МПа), трубчатые пружины( от 0.6 до 10^4 МПа)

Их применяют в широком диапазоне измерения давления: от нескольких десятков миллиметров водяного столба до давления в несколько тысяч MПa как в лабораторных, так и в промышленных условиях.

9. Классификация электрических датчиков давления. Тензорезистивные датчики давления. Чувствительные элементы, электрическая схема преобразования, конструкция, недостатки, перспективы использования тензорезистивных датчиков.

Чувствительные элементы: металлическая или диэлектрическая измерительная мембрана, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для проводного подклю­чения к внутренней или внешней элек­троизмерительной схеме — электрон­ному блоку обработки.

К мембране из титанового сплава по всей поверхности присоединена сапфировая мембрана с помощью специального диффузионного процесса. На сапфировой монокристаллической мембране А1₂Оз из гетероэпитаксиального кремния сформирована тензочувствительная схема в виде моста Уитстона. Тензочувствительная схема состоит из четырех тензорезисторов, одна пара из которых ориентирована параллельно радиусу мембраны, а другая - перпендикулярно. Каждый тензорезистор имеет резистивные матрицы для коррекции сопротивления и начального разбаланса мосто­вой схемы. Суммарная тол­щина двухслойной сапфирово-титановой мембра­ны не более 2,2 мм. Диаметр мембраны 7,8 мм.

Недостатки: сущест­венно влияние температуры на упругие и электрические характеристики ТР, что требует применения специальных схем температурной компенсации по­грешностей

10. Емкостные датчики давления. Принцип действия, конструкция и принцип работы емкостной керамической ячейки, преимущества емкостных датчиков, перспективы использования.

Емкостный метод измерения основан на зависимости электри­ческой емкости конденсатора при постоянной площади электро­дов от расстояния между ними и электрофизических свойств сре­ды, находящейся в межэлектродном пространстве.

Преимуществом емкостного метода является относительная простота конструкций первичных преобразователей. К недостат­кам относятся повышенные требования к электрической изоляции, необходимость экранирования соединительных линий, влияние на результат измерения краевых эффектов преобразователя.

11. Классификация электрических датчиков давления.Пьезорезонансные датчики давления. Принцип действия, структурная схема, перспективы использования.

Пьезорезонансные, базирующиеся на измерении сопротивления пьезоэлемента или параметра с ним связанного, которые значительно изменяются при резонансных явлениях.

Достаточно перспективные модели измерительных преобразо­вателей давления и разрежения на основе пьезорезонансных мето­дов разработаны в последние годы.

12. Классификация электрических датчиков давления.Пьезоэлектрические датчики давления. Принцип действия, области применения.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается у от­дельных видов кристаллов. При механическом воздействии на эти кристаллы на их поверхности генерируются электрические заря­ды. Такой пьезоэффект называется прямым. Деформация кристал­ла или текстуры под воздействием электрического поля называет­ся обратным пьезоэффектом(Физическая суть пьезоэлектрического эффекта заключается в совпадении положительных и отрицательных электрических за­рядов кристалла в уравновешенном механическом состоянии и по­явлении поляризации, т.е. расхождении таких центров относитель­но друг друга при появлении механических напряжений.

).

Существуют различные способы применения пьезоэффекта в измерительных системах. В устройствах измерения переменного или пульсирующего давления наиболее часто используются мето­ды снятия статического напряжения, генерируемого при воздейст­вии на пьезоэлемент механического усилия, и пьезорезонансные, базирующиеся на измерении сопротивления пьезоэлемента или параметра с ним связанного, которые значительно изменяются при резонансных явлениях.