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

Из выражения (4.8), подставляя значение (4.9), получим иско­ мое значение медного сопротивления

Значение тока і выбирается из соображений допустимой мощ­ ности рассеяния в Ri. Зная Ri. о, определим, равными ему, осталь­ ные параметры мостовой цепи: Ri = R2= R3— Rt. о.

Вследствие нелинейности характеристик термоэлектрических термометров полной коррекции этой погрешности получить не удается, однако величина остаточной погрешности снижается до 0,04 мВ на 10° С. Недостатком подобных устройств является необ­ ходимость в источнике питания моста (и возможности появления погрешности от его нестабильности), в то время как сам комплект

ности изменения температуры окружающей среды), не требуют введения рассмотренной поправки.

Динамические погрешности ТТ зависят от конструктивного их исполнения. По инерционности термоэлектрические термометры выпускаются малой инерционности (время установления показа­

Поверка стандартных термоэлектрических термометров имеет целью устанавливать соответствие т. э. д. с., развиваемой термо­ парой, стандартным градуировочным значением по действующим ГОСТ. Термоэлектрические термометры могут быть допущены к употреблению, если отклонения т. э. д. с. от стандартных значе­ ний будут не больше предельно допустимых (см. табл. 4-2). По­ рядок поверки ТТ такой же, как ТС, методы вычисления погреш­ ностей и составления градуировочных характеристик регла­ ментированы соответствующими инструкциями Государственного комитета стандартов СССР.

Если при эксплуатации термоэлектрических термометров усло­ вия их погружения не будут соответствовать поверочным, или гра­ дуировочным, могут возникнуть расхождения характеристик, что не следует забывать как при поверке, так и при использовании этих приборов.

Термоэлектрические термометры в отличие от термометров электрического сопротивления имеют малый объем чувствитель­ ного элемента (первичного измерительного преобразователя). Это позволяет измерять с помощью термопар в специальном кон­ структивном оформлении температуру в точечном пространстве *.1

1 Технические стандартные термоэлектрические термометры благодаря за­ щитной арматуре не имеют существенных преимуществ в этом отношении пе­ ред ТС.

122

Кроме того, сама термопара не требует источников вспомога­ тельной энергии, но измерительные комплекты, пирометрический милливольтметр с компенсационным устройством или автомати­ ческий электронный потенциометр (см. гл. 3) нуждаются в них.

Таким образом, перечисленные добавочные к ТС достоинства термопар не реализуются на практике в термоэлектрических тер­ мометрах, а ограничивающим обстоятельством их применения, особенно в ЦБП, является повышенный интервал измеряемых тем­ ператур (более 300° С). Поэтому ТТ рекомендуется использовать только для измерения высоких и повышенных температур как в широком, так и в узком диапазоне; в последнем случае с пода­ вителями серии АСК.

Для измерения выходного сигнала термоэлектрического термо­ метра £т. Э. Д. С. используются приборы непосредственной оценки, пирометрические магнитоэлек­ трические милливольтметры или после унифицирующих преобразователей типа ПТ-ТП-62 магнитоэлектриче­ ские миллиамперметры на пределы 0—5 мА постоянного тока, и приборы уравновеши­ вающего преобразования, ав­ томатические электронные по­ тенциометры.

При менее жестких требованиях к точности рекомендуется со­ четать ТТ с милливольтметром, который более прост в обслужи­ вании, надежен, имеет меньшие габарит, вес и стоимость. Классы точности этих приборов 0,5 1,0, 1,5. К пирометрическому милли­ вольтметру, как указывалось выше, необходимо подключать устройство для компенсации температуры свободных концов (КТ-54). Кроме того, каждый конкретный милливольтметр граду­ ируется в градусах Цельсия в комплекте с определенной термо­ парой и при внешнем сопротивлении линии (с учетом сопротивле­ ния ТТ) ДвнГрадуировка термопары и значения RBn указываются на шкале прибора, что требуется строго соблюдать в условиях эксплуатации.

В узкопрофильных приборах этого типа серии АСК предусмот­ рена возможность более точного измерения отклонения темпера­ туры от номинальной с помощью подавителя.

Принципиальная блок-схема такого комплекта изображена на рис. 4-5.

Термоэлектрический термометр в виде термопары через КТ-54 подключен встречно к подавителю. Он представляет собой элек­ тронный стабилизатор напряжения постоянного тока. В качестве опорного элемента в стабилизаторе, по которому производится сравнение с целью поддержания напряжения на выходе, исполь­ зуются кремниевые стабилитроны. Выходное напряжение постоян­ ного тока Uyp может изменяться с помощью ручек на панели

123

подавителя дискретно ступенями по 10 мВ и плавно в пределе 10 мВ, подобно тому, как это организовано в переносном потенци­

ометре типа ПП (см. рис. 3-17).

В соответствии с заданным значением номинальной темпера­ туры tu и используемой термопарой определяется значение £т. э. д. с.

Разницу напряжения подавителя и т. э. д. с. термопары измеряют с помощью узкопрофильного высокочувствительного прибора, пре­ дел измерения которого выбирают 1—5 мВ в зависимости от ве­ личины наблюдаемого отклонения температуры ± A t и характе­ ристики термопары. Такой комплект имеет относительную погреш­ ность измерения температуры порядка ±0,3% от номинального ее значения.

Применение для ТТ магнитоэлектрических миллиамперметров в сочетании с ПТ-ТП-62 нецелесообразно ввиду значительного ухудшения метрологических характеристик по сравнению с милли­ вольтметрами, так как добавляется погрешность преобразования

ватель используют в системах управления (регулирования), где нет необходимости наблюдать результат измерения температуры визуально или путем регистрации.

Наибольшую точность измерения большого диапазона темпера­ туры можно получить при сочетании ТТ с потенциометрами, класс точности которых в новейшей серии вторичных приборов ГСП по приведенной погрешности нормируется значениями 0,25, 0,5.

Существующие датчики температуры контактной термометрии типа стандартных ТТ и ТС не обладают достаточной точностью и стабильностью (в особенности при измерении высоких темпера­ тур), требующихся для современных научных и технических за­ дач. В связи с этим ведутся работы по изысканию для чувстви­ тельных элементов новых материалов.

Представляет значительный интерес создание термометров со­ противления и термопар из монокристаллов тугоплавких метал­ лов: вольфрама, молибдена, рения, для которых воспроизводи­ мость градуировочных характеристик в 5—6 раз лучше, чем для соответствующих поликристаллических металлов. Так, для термо­ пар из монокристаллического вольфрама и молибдена, выращен­ ных с помощью электроннолучевой зонной плавки, воспроизводи­ мость градуировки при 1200° С составляет соответственно 1,5 и 1° С (против 7 и 11° С для поликристаллических металлов). А ста­ бильность их характеристик после 12-часового высокотемператур­ ного отжига в вакууме при Р= 133,3-ІО“4 Па в 5—10 раз лучше, чем обычных вольфрамовых и молибденовых термопар.

124

§ 6. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМИ ТЕРМОМЕТРАМИ

Все чувствительные элементы приборов для измерения темпе­ ратуры помещаются в защитную трубку (чехол). Это условие вы­ полнять тем более обязательно для технологических измерений в ЦБП, что исследуемые по температуре среды имеют повышен­ ную агрессивность и механическую загрязненность. Защитная трубка наряду с чувствительным элементом участвует в теплооб­ мене датчика со средой. При этом постулируется, что темпера­ тура защитной трубки /т и чувствительного элемента одинакова в статическом и динамическом режимах работы датчика.

Несмотря на различие в принципе действия первичных преоб­ разователей температуры (манометрических термометров, термо­ метров сопротивления, термоэлектрических термометров и ртутных технических термометров), погрешности, связанные с особен­ ностями измерения температуры такими датчиками в реальных объектах, вызываются общими для всех датчиков причинами. Рас­ смотрим наиболее существенные из них раздельно.

Потеря тепла защитной трубкой может происходить путем лу­ чистого теплообмена с окружающими телами. Можно показать [59], что разница между температурой защитной трубки tv и истин­ ным значением температуры среды t (при определенных допу­ щениях) составляет

аF2

измерения температуры различными датчиками из-за лучистого теплообмена At' влияют изменение параметров среды и объекта, в которых производится измерение. Для уменьшения величины At' следует повышать коэффициент теплоотдачи а. Это связано с вы­ бором такой точки среды, где устанавливается датчик, которая характеризуется наибольшей скоростью движения вещества.

Наиболее существенного снижения значения At' можно до­ биться, уменьшая разность температуры стенки объекта и защит­ ной трубки датчика. Использованием тепловой изоляции для сте­ нок объекта или применением специального цилиндрического экрана с отверстиями для прохождения среды приближают Тст к Гт.

Второй существенной причиной потерь тепла датчиков темпе­ ратуры является теплопроводность защитной трубки (совместно с деталями наружной арматуры).

125

Аналитическое исследование этой составляющей погрешности At" [59] приводит к следующей зависимости:

Из выражения (4.12) можно сделать вывод, что для уменьше­ ния At" целесообразно: применять защитную трубку, выполненную из материала с малым значением Я; увеличивать глубину / погру­ жения трубки; уменьшать сечение 5 до значения, ограниченного соображениями о ее механической прочности. Главным выводом из такого анализа является необходимость применения тепловой изоляции в месте заделки датчика в объект, для сближения зна­ чений наружной и внутренней температур, т. е. tr и і.

Таким образом, для уменьшения погрешностей датчиков тем­ пературы в защитной трубке из-за потерь тепла необходимо:

1)датчик погружать возможно глубже в среду;

2)датчик устанавливать в месте наибольшей скорости движе­ ния среды и против направления ее движения;

3)трубопровод в месте установки датчика тщательно тепло­ изолировать, защищая одновременно головку датчика от воздей­ ствия окружающей среды.

Эти же соображения лежат в основе аналогичных требований при измерении температуры поверхности твердых и сыпучих тел.

Особый подход к измерению температуры вещества в трубо­ проводах диктуется в случае, когда скорость движения измеряе­ мого вещества больше 50 м/с, что редко встречается в условиях целлюлозно-бумажного производства. В этом случае часть кине­ тической энергии вещества превращается в тепловую при взаимо­ действии движущейся среды с датчиком температуры. При этом датчик дополнительно подогревается, т. е. погрешность измерения

температуры скоростных потоков положительна в отличие от пре­ дыдущих погрешностей At' и At".

Для стабилизации показаний датчика при измерении темпе­ ратуры высокоскоростных потоков используют специальной формы термоприемники. Подробнее об измерении температуры в специ­ альных задачах можно познакомиться в книгах [30, 59, 62].

Кроме перечисленных погрешностей, существенное значение для датчиков температуры имеет инерционность их показаний при быстропеременной температуре, например, на поверхности

сушильных цилиндров высокоскоростных бумагоделательных ма­ шин.

126

Как показывают исследования динамических характеристик рассматриваемых датчиков температуры [59], их передаточная функция определяется выражением

Отсюда можно утверждать, что при прочих равных условиях постоянная времени датчика температуры зависит от характера теплообмена а. Поэтому постоянные времени датчиков должны быть определены экспериментально и желательно в условиях, при­ ближенных к реальным.

В справочной литературе и в паспортных данных на выпускае­ мые датчики оценка инерционности осуществляется по времени установления показаний tn.

Методика определения tn сводится к следующему:

датчик температуры погружается на длину рабочей части в ки­ пящую воду с t" = 100° С, при этом фиксируется установившееся значение выходного сигнала Уюо;

затем термометр помещается в среду с известной начальной температурой, например t'—0° С (или 20°С), и регистрируется установившееся значение У0;

на измерительном приборе устанавливается значение Ую о— Уо, уменьшенное на определенный, заранее оговоренный процент не­ дохода б, равный статической погрешности датчика (или от 3

до 5%);

дцтчик из среды с температурой t' быстро помещается в среду с температурой t" и отмечается время tn прохождения установ­ ленной отметки на измерительном приборе.

Тогда легко найти постоянную времени Т0, соответствующую условиям опыта

' р ___ tп

На основании расчета коэффициента теплоотдачи в опыте ао и в реальных условиях ар, можно получить значение постоянной времени в реальных условиях, пользуясь отношением

127

Полученные данные позволяют оценить динамику апериоди­ ческого звена — датчика температуры согласно (4.13). Аналити­ ческое выражение передаточной функции W (р) датчика дает воз­ можность коррекции частотной погрешности, обусловленной теп­ ловой инерцией датчиков [59]. Это особенно важно для ряда объектов ЦБП, например для высокоскоростных бумагоделатель­ ных машин.

Глава 5

ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Измерения давления находят весьма широкое применение в целлюлозно-бумажном производстве. Весь процесс производства бумаги, начиная с обработки древесного баланса пропиточным раствором и кончая процессом сушки готовой продукции в су­ шильных цилиндрах паром, сопровождается измерением давле­ ния. Это объясняется, с одной стороны, тем, что давление необ­ ходимо измерять и контролировать при управлении процессами и при обеспечении безопасности производства. С другой стороны, приборы для измерения давления широко применяются для изме­ рения уровня, расхода, плотности и ряда других технологических параметров, которые косвенно связаны с давлением или его пе­ репадом.

Сложность и ответственность выбора устройств для измерения давления, особенно в условиях агрессивности и механической за­ грязненности среды в потоках и емкостях, которые сопутствуют производству в ЦБП, требуют особого подхода при решении за­ дач измерения давления.

§1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ

ИПРИБОРОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Давление характеризует напряженное состояние материи в твердом, жидком или газообразном виде. Оно определяется от­ ношением нормальной к поверхности и равномерно распределен­ ной по ней силы F к величине площади этой поверхности 5

Единицей давления в системе СИ является паскаль (Па), рав­ ный

Ввиду малости этой единицы в технике в настоящее время широко используется единица давления — техническая атмосфера, равная

1 — = 9,81 • ІО4 Па « 0,1 МПа.

см2

128

Помимо этого при технических измерениях разрешено приме­ нять также следующие единицы: бар (1 бар = ІО5 ПА = 0,1 МПа); миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст. = 133,32 Па); миллиметр водяного столба (1 мм вод. ст. = 9,81 Па).

Различают давление абсолютное и избыточное (рис. 5-1). Абсолютным называется давление, измеренное от точки абсо­

лютного вакуума (нуля абсолютного давления). Абсолютный ва­ куум наблюдается при ничтожно малом количестве молекул газа, т. е. при отсутствии молекулярного движения.

Давление земной атмосферы, измеренное на уровне моря и равное 760 мм рт. ст. = 101 325 Па абсолютного давления, принято

И з б ы т о ч н о е д а в л е н и е

Е

Нуль абсолютного давления

Рис. 5-1

за стандартное атмосферное давление. Действительное значение атмосферного давления колеблется относительно стандартного в некоторых пределах.

Избыточное давление представляет собой разность между аб­ солютным и атмосферным давлениями

Ри зб — РабЯ Лгс —' Р

Если абсолютное давление оказывается ниже атмосферного, появляется отрицательное избыточное давление, которое принято называть вакуумом (разрежением).

Методы измерений давления так же, как и измерений сосре­ доточенных сил, деформаций, механических напряженностей, кру­ тящих моментов и пр., можно разделить на методы прямого и уравновешивающего преобразования.

Прямой метод предполагает преобразование измеряемого дав­ ления в одном прямом направлении включительно до выходной величины. Метод уравновешивания основан на сравнении изме­ ряемого давления с известным, как правило, до тех пор, пока их разница не станет равной нулю.

Датчики и приборы для измерения давления могут быть клас­ сифицированы по целому ряду признаков: по виду измеряемого

129

давления, по принципу действия, по форме преобразований по­ лезного сигнала, по метрологическим характеристикам и т. д.

В зависимости от вида и количественного значения измеряе­

мого давления приборы делятся:

на барометры (для измерения атмосферного давления); на манометры (для измерения положительных избыточных дав­

лений) ; на микроманометры или напоромеры (для измерения положи­

тельных избыточных давлений до 5000 Па); на вакуумметры (для измерений отрицательных избыточных

давлений); на микровакуумметры или тягомеры (для измерения отрица­

тельных избыточных давлений до — 5000 П а); на мановакуумметры, микромановакуумметры, или тягонапо-

ромеры (для измерений избыточных давлений до ±5000 Па); на дифференциальные манометры (для измерения разности

давлений).

По принципу действия датчики и приборы для измерения дав­ ления можно разделить на три большие группы:

2.Приборы, основанные на преобразовании упругим чувстви­ тельным элементом измеряемого давления в силу, деформацию или перемещение. Приборы, относящиеся к этой группе, называ­ ются манометрами с упругими элементами или кратко пружин­ ными манометрами.

3.Приборы, основанные на преобразовании измеряемого дав­ ления в электрическую величину (напряжение, ток, частота, пара­ метры электрических цепей), иначе электрические манометры.

Изучение приборов для измерения давления целесообразно вести, группируя их по принципу действия, что соответствует по­ рядку нижеследующего изложения.

§ 2. ГРАВИТАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ

Жидкостные манометры построены на принципе уравновешива­ ния измеряемого давления давлением столба жидкости. Если на поверхность рабочей жидкости с плотностью р действует распре­ деленное давление Р, то в трубке, опущенной в жидкость, будет наблюдаться подъем уровня жидкости до высоты h, при которой давление столба жидкости окажется равным измеряемому давле­ нию. Мерой давления является разность уровней жидкости.

где g — ускорение силы тяжести.

130

Эти приборы отличаются простотой и благодаря сравнительно высокой точности измерения находят применение в практике ла­ бораторных измерений, а также в качестве образцовых при гра­ дуировке и поверке приборов других систем.

Наиболее распространенные жидкостные манометры, схемы их устройства, метрологические характеристики и особенности при­ менения приведены в табл. 5-1.

Погрешности жидкостных манометров, как видно из формул, приведенных в графе 6 табл. 5-1, зависят от целого ряда причин, из которых можно выделить основные.

Погрешность Ah определения высоты столба жидкости, на величину которой оказывают влияние неточность градуировки шкалы, неточность отсчета, влияние капиллярных сил и пр., не превышает ±2 мм.

Относительная погрешность определения плотности среды,

которая зависит от химической чистоты состава манометрической жидкости, присутствия примесей и растворенных газов, не пре­

восходит ±0,1 По­ следует отметить также непостоянство значения ускорения

силы тяжести в различных широтах земного шара. Для районов

Советского Союза значение — доходит до ±0,2%.

S

Жидкостные манометры, схемы которых приведены в табл. 5-1, могут быть выполнены не только как шкальные приборы, но и в бесшкальном исполнении с преобразованием измеряемой вели­ чины в пневматический, электрический и другие сигналы. На основе этих схем разработаны различные конструктивные вари­ анты, преследующие повышение чувствительности, прочности, на­ дежности и других характеристик, значимость которых диктуется конкретными условиями применения. Примером жидкостного ма­ нометра является дифманометр поплавковый с пневмодатчиком типа ДППМ-280М, представленный на рис. 5-2.

Прибор состоит из измерительной системы жидкостного мано­ метра поплавкового типа, передаточного механизма между по­ плавком и стрелкой прибора и пневматического выходного дат­ чика. Вещество с различными давлениями, разность которых под­ лежит измерению, подается в сосуды через трубки, снабженные запорными вентилями 1 и 2, и уравнительным вентилем 3. С со­ ответствующими трубками соединены съемный 6 и поплавковый 7 сосуды. На перемещающейся поверхности жидкости последнего плавает поплавок, шарнирно соединенный с рычагом, который укреплен на оси уплотнительной муфты. Через муфту ось выво­ дится из поплавкового сосуда 7 в корпус, где на ней укреплен ры­ чаг 8, несущий в своей прорези кулису 9. В прорези последней винтом 10 крепится ползун 11, связанный шарнирно с тягой 4, с по-

131