книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

сброса (точка 3 и кривая 3), и все декады одновременно устанав­ ливаются в нулевое положение. Нескольких микросекунд, на ко­ торые задерживается отпирание ключа, достаточно для окончания переходных процессов в счетчике, связанных с его сбросом на нуль. После этого ключ отпирается и начинается счет импульсов измеряемой частоты (кривая 4). Следующий импульс делителя ча­ стоты опрокидывает триггер времени в исходное положение. Запи­ рание ключа задерживается линией задержки на столько же мик­ росекунд, как и отпирание, и поэтому измерительное время не из­ меняется.

Задним фронтом выходного напряжения триггера времени (точка 2) запускается устройство выдержки времени; напряжение на его выходе (точка 5 и кривая 5) становится положительным,

пока устройство выдержки времени не вернется в исходное поло­ жение и не откроет диод пуска триггера времени. Тогда первый же импульс с делителя частоты опрокидывает триггер и весь про­ цесс измерения повторяется снова.

Меняя выдержку времени, можно регулировать время индика­ ции, т. е. время считывания показаний частотомера; однако при любой регулировке это время останется кратным измерительному времени.

Измерение промежутков времени или длительности периода Тх можно производить по описанной структурной схеме, почти не из­ меняя ее. В этом случае импульсы образцовой частоты fN по­ даются на счетчик от кварцевого генератора, а в качестве времени счета берется измеряемое время Тх. Число импульсов, поступив­ шее на счетчик и пропорциональное измеряемому отрезку времени, определяется формулой

N = f„Tx.

Ц и ф р о в о й в о л ь т м е т р с п л а в н ы м у р а в н о в е ш и ­ в а н и е м имеет структурную схему, показанную на рис. 3-24. На

100

вход сравнивающего устройства СУ подается измеряемое напря­ жение Ux и уравновешивающее напряжение Ѵур от специального источника уравновешивающего напряжения ИУН. Таким источни­ ком является генератор либо линейно растущего (рис. 3-24, б),

равенства напряжений Ux и Uyp сравнивающее устройство, воздей­ ствуя на ключ, закрывает его. Таким образом, измеряемое напря­ жение оказывается преобразованным в интервал времени Аt между началом периода линейно изменяющегося напряжения Uyp и моментом равенства напряжений Uyp и Ux. Величина Ux опреде­ ляется равенством

уравновешивание. Наиболее просты схемы приборов с равномер­ ноступенчатым уравновешиванием. Недостатком приборов с по­ добным уравновешиванием является их малое быстродействие [10]. Значительно большее быстродействие обеспечивают цифровые приборы с поразрядным уравновешиванием.

В ц и ф р о в ы х в о л ь т м е т р а х с п о р а з р я д н ы м у р а в ­ н о в е ш и в а н и е м измеряемое напряжение сравнивается с рядом уравновешивающих напряжений, отличающихся друг от друга на величину, изменяющуюся по определенному закону. Закон изме­ нения этих напряжений может подчиняться двоичной системе счета или десятичной. При двоичной системе счета образцовое напряже­

в зависимости от выбранного кода могут набираться различными

осуществляемым в соответствии с кодом 4, 2, 2, 1, может быть пояснен с помощью рис. 3-25.

Источником уравновешивающего напряжения здесь являются три декады, состоящие из образцовых резисторов R и R,, позво­ ляющие изменять величину Яур на 400, 200, 200, 100, 40, 20, 20, 10, 4, 2, 2, 1 единиц.

101

Блок управления включает коммутирующее устройство, кото­ рое последовательно размыкает все ключи, начиная со старшего ключа старшей декады. На сравнивающее устройство СУ подаются напряжения Ux и 6/ур. Сравнивающее устройство воздействует на ключи и в зависимости от знака разности Ux—£/ур оставляет их

открытыми или замыкает

ключ К'і (или наоборот), что обеспечивает постоянство подклю­ ченного к источнику Е суммарного сопротивления.

На принципе поразрядного уравновешивания выполнены циф­ ровые вольтметры Щ-1411, ЭЦПВ-3, цифровые омметры Р-336, Р-337 и ряд других приборов.

Глава 4

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Технологические процессы в ЦБП в сильной степени зависят от сопровождающей их температуры. Не только физические свой­ ства исходных, промежуточных и конечных продуктов производств,

102

но и технологические процессы, сопровождающие их переработку, зависят от сложных переменных во времени и пространстве тем­ пературных полей, которые должны непрерывно измеряться и ав­ томатически управляться. Например, в процессе варки необходимо управлять температурой, переменной по объему варочного котла и по времени процесса варки. В сушильной части бумаго- и картоноделательных машин должна измеряться и управляться темпера­ тура поверхности сушильных цилиндров, вращающихся с большой скоростью, что представляет очень сложную измерительную за­ дачу (поэтому системы управления часто строятся на основе кос­ венных показателей качества процесса сушки). Во многих других технологических процессах ЦБП также требуется измерение и контроль температуры. Поэтому теплотехнические измерения яв­ ляются одними из самых распространенных технологических из­ мерений в ЦБП.

Нужно отметить, что почти все задачи измерения температуры в технологических процессах ЦБП хорошо решаются с помощью стандартной аппаратуры, устройства, характеристики и особенно­ сти использования которой приводятся ниже.

Исключение составляют технологические процессы производ­ ства бумаги, особенно при возрастании скорости бумагоделатель­ ных машин, где требования к точности измерения и поддержания тепловых характеристик непрерывно растут. Здесь не решены две задачи:

измерение температуры бумажного полотна на всех стадиях его формирования,

измерение температуры бумажного полотна при отделке его поверхности и нанесении на него специальных покрытий.

Существующие у нас и за рубежом разработки специальных датчиков и способов измерения температуры пока находятся в ста­ дии лабораторных исследований и в промышленном производстве только начинают применяться.

§ 1. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ

Под температурой понимают степень нагретости вещества, ко­ торая определяется в процессе сравнения при передаче тепла от тела к телу. При этом полагают степень нагретости одного из тел известной. При теплообмене тепло от более нагретого вещества с большей температурой передается к менее нагретому с меньшей температурой. Так как в зависимости от температуры изменяются почти все физические свойства, то при сравнении степени нагре­ тости в процессе теплообмена пользуются такими физическими свойствами, которые связаны с температурой, легко воспроизво­ дятся и поддаются измерению.

Для количественного определения значения температуры необ­ ходимо установить единицу измерения температурного интервала и начальную нулевую величину, т. е. установить температурную

шкалу.

103

Термометрические шкалы. Исторически первыми возникли тем­ пературные шкалы, связанные с определением единицы темпера­ туры, градуса, по двум опорным (иначе, реперным) точкам, вы­ бранным произвольно'

Обычно эти опорные точки температурных шкал связаны с тем­ пературой затвердевания и кипения физически и химически чистых веществ при определенных физических условиях. Так, например, ученый Цельсий предложил за t' принять температуру тающего льда и обозначить 0°, а за t" — температуру кипения воды, а п по­

ширения веществ в функции от температуры, для которых основ­ ное уравнение шкалы принималось линейным

ского вещества соответственно;

k — коэффициент пропорциональности, обратно пропор­ циональный абсолютному значению температурного коэффициента объемного расширения термометри­ ческого вещества.

Тогда для искомой температуры t после интегрирования по­ лучим

t — kV + c,

где с — постоянная интегрирования.

Для определения постоянных k и с использовались реперные точки t' и t", т. е.

t' = kV' + c и Г' = кѴ" + с,

что после преобразования позволяет найти уравнение термометри­ ческой шкалы:

ние объема, т. е. — , дает среднее значение коэффициента про­

порциональности k при объемном расширении термометрического вещества в интервале температур t' и і".

104

Однаңо все термометрические вещества (ртуть, спирт и др.) имеют нелинейную зависимость k = f(t), кроме того, на их значе­ нии сказываются физическое состояние термометрического веще­ ства и условия его теплового расширения (свойства стекла). По­ этому старые термометрические шкалы имели невоспроизводимые характеристики, и градуировка их была индивидуальной.

Термодинамическая международная шкала температур. Анг­ лийский физик Кельвин предложил построить воспроизводимую шкалу температур на основе второго закона термодинамики.

В соответствии со вторым законом термодинамики отношение абсолютных температур нагревателя и холодильника равно отно­ шению количеств тепла, передаваемого от нагревателя к холо­

в 1954 г. в качестве международной.

Термодинамическая температура Кельвина Т с единицей тем­ пературного интервала «кельвин» и обозначением К принята тем­ пературной шкалой в Международной системе единиц (СИ).

В этой шкале начальной точкой является точка абсолютного нуля (О К), а единственной экспериментальной реперной точкой — тройная точка воды. Этой точке присвоено числовое значение 273, 16 К (связанное с температурным коэффициентом объемного рас­ ширения идеальных газов).

Практически реализовать шкалу Кельвина невозможно, так как нельзя воспроизвести идеальный цикл Карно. Эта шкала осущест­ вляется с помощью газовых манометрических термометров, запол­ ненных водородом при сильном разряжении, т. е. почти идеальным газом. Однако для точного воспроизведения термодинамической шкалы требуется введение поправок на неидеальность реальных газов, что создает практические трудности при градуировке тер­ мометров.

Для технических измерений признана м е ж д у н а р о д н а я п р а к т и ч е с к а я т е м п е р а т у р н а я ш к а л а (МПТШ), иначе называемая стоградусной. Температура в МПТШ обозначается буквой t, а единицей является градус Цельсия с обозначением °С. Эта шкала основывается на ряде реперных точек, соответствую­ щих фазовым превращениям некоторых образцовых веществ при определенных условиях.

Деление температурных интервалов на единичные произво­ дится при помощи газовых термометров, при этом шкала делится на неравномерные деления. Благодаря такой градуировке обеспе­ чивается воспроизводимость МПТШ независимо от способов ее реализации, а именно: с помощью различных термометрических веществ и условий их расширения.

105

Следует помнить, что старая шкала Цельсия и МПТШ имеют значительное расхождение во всех точках, кроме реперных. Это расхождение тем большее, чем больше температура, что объяс­ няется различными способами создания единичного интервала, и различно по значению в зависимости от свойств вещества и стекла при осуществлении старой шкалы Цельсия. Разница температур по термодинамической и стоградусной шкалам заключается только

ввыборе нулевых точек, что приводит к соотношению: Т — і + 273,15, позволяющему производить пересчет температур из одной шкалы

вдругую.

§2. ОБЗОР СПОСОБОВ И КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ

ИПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Все способы, используемые для измерения температуры раз­ личных тел и веществ, делятся на контактные, которые основаны на непосредственном контакте преобразователей (датчиков) тем­ пературы с исследуемым объектом, и бесконтактные. В последних восприятие тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание, происходит на некотором расстоянии от исследуемого объекта. Каждому способу измерения температуры присущи свои достоин­ ства и недостатки.

Контактный способ сопровождается искажением температур­ ного поля, в котором производятся измерения, вызываемым введе­ нием датчика в исследуемый объект. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изго­ товлены датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры недоступных, труднодоступных, вращающихся или движущихся с большой скоростью объектов не может быть решен контактным способом. Эти недостатки отсутствуют в бесконтактном способе измерения температур. Однако этот способ значительно менее чувствителен, имеет большие погрешности и в большей степени зависит от условий градуировки и эксплуатации.

Всоответствии с ГОСТ 13417 — 67 под термометром понимают устройство (прибор), служащее для измерения температуры пу­ тем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся из­ вестной функцией температуры.

Взависимости от принципа действия все устройства для изме­ нения температуры делятся на следующие группы, которые исполь­ зуются для различных интервалов температур:

1.Термометры расширения, от —160 до +700°С, основанные

на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры.

2. Манометрические термометры от —160 до +600° С, изме­ ряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.

3. Термометры электрического сопротивления, от —200 до + 600° С, преобразующие изменение температуры в изменение элек­ трического сопротивления проводников или полупроводников.

106

4. Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандарт­ ные от —50 до +1800° С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.

5.Пирометры излучения, от 100 до 100 000° С, основанные на измерении температуры по значению лучистой энергии, испускае­ мой нагретым телом. Среди них различают:

а) пирометры полного излучения, или радиационные, измеряю­ щие полную лучистую энергию, излучаемую нагретым телом;

б) пирометры частичного излучения, или яркостные, измеряю­ щие интенсивность монохроматического излучения, т. е. энергию излучения на одной определенной длине волны;

в) цветовые пирометры, в которых наблюдается отношение ин­ тенсивностей излучения на двух длинах волн, т. е. изменение цвета нагреваемого тела.

6.Термометры, основанные на электрофизических явлениях, от

—272 до + 1000° С. Сюда относятся:

термошумовые датчики, измеряющие температуры от 1 до 1000 К по эффекту изменения напряжения электрического шума на активном сопротивлении в определенной полосе частот прямо пропорционально абсолютной температуре объема, где распола­ гается резистор;

объемные резонансные датчики температур, основанные па из­ менении частоты колебаний газовых, струнных, кварцевых и дру­ гих резонаторов от температуры;

ядерные резонансные датчики температур, преобразующие тем­ пературу в электрический сигнал на основе зависимости градиен­ тов электромагнитных полей от температуры.

Последняя группа устройств пока находит применение только в метрологических и научно-исследовательских измерительных

задачах.

Пятая группа в ЦБП используется крайне редко, в основном только в печах кислотного цеха в процессе приготовления суль­ фитной сырой кислоты, поэтому здесь не рассматривается, с ней можно познакомиться в работах [1, 2, 3].

Остальные признаки классификации приборов для измерения температур соответствуют рассмотренным в § 2 главы 1.

§ 3. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ И МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ

Т е р м о м е т р ы р а с ш и р е н и я для технических измерений в основном применяются в жидкостно-стеклянном конструктивном исполнении. В качестве термометрических жидкостей для жидкост­ ных термометров используются такие, которые обладают наиболь­ шим стабильным температурным коэффициентом объемного рас­ ширения ßj, воспроизводимостью свойств, малой теплоемкостью и не смачивают стекло. Самой распространенной является ртуть, к недостаткам которой относятся невысокое значение ß( и опас­ ность в работе. Применяются органические жидкости (спирты,

107

эфиры и др.), однако из-за большой теплоемкости (почти в 10 раз больше ртути) они используются только для измерения низких температур, где ртуть не может применяться.

Чувствительность жидкостного термометра к изменению темпе­ ратуры соответствует выражению

где ß * <3 и ß"*a— температурные коэффициенты объемного рас­ ширения жидкости и стекла соответственно для интервала темпе­ ратур и, и.

Поэтому для увеличения чувствительности жидкостного термо­

двух типов: палочное и со вложенной шкалой. Палочный термо­ метр представляет собой толстостенный капилляр с внешним диа­ метром, равным диаметру термобаллона с ртутью. Деления шкалы нанесены на наружной поверхности капилляра. В термометрах со вложенной шкалой шкала механически крепится к капилляру и все помещается в защитную стеклянную трубку, соединяющуюся с термобаллоном. Так как ртуть остается жидкой в пределах от —38 до +357° С, то в ртутных термометрах, предназначенных для измерения температур свыше 300° С, ртуть находится в толстостен­ ном капилляре под давлением инертного газа (азота, реже водо­ рода) при Р0—2 МПа для температур до 500° С и Р0 = 7 МПа для температур до 700° С.

Технические термометры согласно ГОСТ 2823 — 59 изготов­ ляются с различной длиной термобаллона и расположением ниж­ ней части под различными углами (прямые, под углом 90, 120 и 135°).

В производственных условиях ртутные технические термометры устанавливаются в защитные металлические оправы.

Существует ряд специальных модификаций ртутных жидкост­ ных термометров. Например, получили широкое распространение для автоматического поддержания температуры контактные тер­ мометры. В капилляре последних с помощью магнитного устрой­ ства перемещается отрезок платиновой проволоки, который уста­ навливается на заданное значение температуры. Другой провод­ ник впаян в нижнюю часть термометра, в термобаллон с ртутью. Наружные концы этих проволок подключены к реле, включенному в цепь нагревателя. При нагреве столбик ртути замыкает электри­ ческую цепь и реле выключает нагреватель. При понижении тем­ пературы ртуть опустится, разомкнет контакт и реле включит на­ греватель. Так температура регулируемого объекта будет поддер­ живаться в некоторых пределах At, определяемых инерционностью объекта и термометра.

108

В случае, если нужно поддерживать температуру в заданном диапазоне, используют две платиновых проволоки, расположенных на определенных уровнях и связанных с соответствующими це­ пями управления.

Источники погрешностей ртутных термометров имеют следую­ щее происхождение:

1. Мениск ртути, создающий погрешность отсчета, наряду с не­ линейностью внутри температурного интервала между реперными точками образует основную погрешность, которая нормируется по абсолютной величине, равной для технических термометров цене деления и обозначаемой порядковым номером [27].

2.Изменение нулевой точки из-за наличия термического по­ следействия (температурной депрессии) приводит к дрейфу нуля термометра в процессе эксплуатации, которое не должно превы­ шать 0,1° С на каждые 100° С температурного интервала, иначе термометр бракуется.

3.Несоблюдение в условиях эксплуатации условий градуи­

ровки. Термометры градуируются при полном погружении его в температурное поле, реже погружают только термобаллон, что специально оговаривается в паспорте термометра.

где п — число делений выступающего столбика между отметкой, на которой остановилась ртуть, и отметкой, видной у ме­ ста погружения термометра;

^изм — температура, показанная термометром;

tво— температура выступающего столбика, измеренная спе­ циальным термометром на его середине.

4.Дополнительные погрешности, вызванные, например, изме­ нением барометрического давления; их величина не должна пре­ вышать основной погрешности.

5.Инерционность показаний, которая происходит из-за конеч­ ного времени установления определенного объема при данной тем­ пературе и из-за конечного времени установления теплового рав­ новесия между объектом измерения и прибором (причем послед­ няя зависит от условий теплообмена) и каждый раз должна быть проанализирована для конкретной измерительной задачи.

Ртутные технические термометры широко используются в ЦБП для местного контроля температуры в варочных, промывных, от­ бельных и других цехах, где требуется дублирование показаний по месту или периодическая проверка температурного режима обслу­ живающим персоналом.

Дилатометрические и биметаллические преобразователи темпе­

ратуры в линейное перемещение AL твердых тел обладают малой чувствительностью, так как

AL = L„ß (t - t 0),

109