книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

Чтобы избежать снижения точности измерения и обеспечить достаточно продолжительный срок службы пружинных приборов, допустимое рабочее давление не должно превышать 3/4 верхнего предела шкалы. Для других приборов (не пружинных) допустимое рабочее давление должно быть возможно ближе к предельному значению шкалы прибора.

Место отбора давления на объектах измерения необходимо выбирать так, чтобы результаты измерения не искажались дина­ мическим воздействием потока и завихрениями, которые обра­ зуются вблизи местных сопротивлений (колен, тройников, венти­ лей, регулирующих органов). Импульсные линии, соединяющие

среда газ или пар (исключаются жидкостные пробки внутри трубок), или в сторону манометра, если измеряемая среда жидкость (исключаются газовые пробки). Длина импульсных линий не

Перед пружинным манометром обязательно устанавливается трехходовой кран, с помощью которого манометр плавно вклю­ чается в работу, производится проверка нулевой точки шкалы, проверка показания манометра в рабочей точке (с помощью под­ ключения контрольного прибора), а также продувка импульсных линий.

В химической промышленности манометры часто устанавли­ ваются на теплообменниках, выпарных, экстракционных и дистилляционных аппаратах, автоклавах, сушилках и т. п. В таких случаях необходима защита воспринимающей части манометра (пружины, мембраны) от действия высокой температуры газа или пара. Для этого перед манометром устанавливают так назы­ ваемую сифонную трубку в виде буквы U или кольцевой петли (рис. 98). При измерении давления нагретого газа сифонную трубку заполняют водой. Если жидкость, газ, пар или его кон­ денсат химически активны по отношению к материалу воспри­ нимающей части прибора, то перед манометром устанавливают мембранное устройство или защитный сосуд, заполненный инерт­ ной жидкостью (рис. 98). '

Давление измеряемой среды передается манометру через разделительную жидкость или разделительную мембрану. Раз­ делительная жидкость не должна химически взаимодействовать с измеряемой средой или смешиваться с ней, должна быть ней­ тральной к материалу соединительных трубок, разделительных устройств и манометру. В зависимости от свойств измеряемой среды и условий эксплуатации в качестве разделительных жидко­ стей применяются: вода, технические масла, глицерин, водные

150

растворы глицерина, этиленгликоль, четыреххлористый углерод, керосин и др.

Для защиты от нагревания лучеиспусканием манометр "должен быть либо удален от аппарата на достаточное расстояние, либо закрыт экраном, поглощающим тепловые лучи.

Сотрясения, толчки и вибрация сокращают срок службы прибора, ускоряют износ деталей узла передачи манометра. Поэтому при измерении давления в аппарате, подверженном

кой винтовой нарезкой на конической прошлифованной пробке, вставленной в коническое гнездо трубки, включаемой перед манометром. Жидкостные приборы устанавливают строго по отвесу или уровню.

151

Глава X I V

Электрические манометры и вакуумметры

Действие приборов этой группы основано на прямом или косвенном преобразовании давления в какую-либо электричес­ кую величину, функционально связанную с давлением.

Эти приборы применяются главным образом в лабораторной практике для исследовательских целей.

§ 42, Манометры сопротивления

Действие приборов основано на изменении сопротивления проводника под действием внешнего давления. Электрическими проводниками принципиально могут служить любые металлы

А^ и сплавы, а также полупроводники. Однако для использования в манометрах сопротив­ ления наиболее подходящим материалом является манганин, так как он обладает малым температурным коэффициентом сопро­ тивления. Недостаток манганина заклю­ чается в малом изменении сопротивления под действием давления (малый пьезокоэф­ фициент).

Если обозначить сопротивление провод­ ника, подвергаемого давлению, через R, изменение сопротивления — через ДR, а да­ вление — через р, то изменение сопротив­ ления будет следовать линейному закону:

рения высоких и сверхвысоких давлений. Одна из конструкций манганинового манометра показана на рис. 99. Чувствительным элементом манометра является однослойная катушка / диаметром 8 мм из манганиновой проволоки диаметром 0,05 мм, намотан-

152

ной бифилярно. Сопротивления катушки 180—200 Ом. Один конец обмотки катушки припаян к гайке 2, а другой — к мед­ ному стержню 3, который проходит через канал в гайке. Централь­ ное положение стержня в канале обеспечивается эбонитовыми втулками 4 и 5. Уплотнение стержня достигается набивкой из фибровых и резиновых колец 6, сжатых гайкой 7. Гайка 2 вверты­ вается в корпус 8, снабженный ниппелем 9 для присоединения

каппарату или трубопроводу, в котором измеряется давление. Для измерения сопротивления

объясняется улучшением контактов между отдельными дисками. Пьезокоэффициент угольного столбика в тысячи раз больше, чем манганина; однако нелинейная зависимость сопротивления от давления, большой гистерезис, непостоянство градуировки и значительное влияние температуры ограничивают применение угольных манометров.

Все полупроводниковые чувствительные элементы пригодны

ствия тензометра состоит'в преобразовании усилия или пропор­ циональной ему деформации в изменение сопротивления прово­ локи, наклеенной на поверхность деформирующегося тела. Тен­ зометр представляет собой тонкую проволоку (манганиновую, диаметром 0,02—0,05 мм), наклеенную на изоляционное основа­ ние (бумагу). К концам проволоки припаиваются выводы. В таком виде чувствительный элемент тензометра наклеивается на поверх­ ность детали, подвергающуюся деформации.

153

В случае измерения давления изменение сопротивления опре­ деляется по формуле (111); k — коэффициент тензочувствительности. Сопротивление чувствительного элемента R составляет обычно 100—300 Ом.

К достоинствам тензометров относятся: прямолинейность ха­ рактеристики R = f (р), малая инерционность, возможность раз­

не подвергается деформации и служит для компенсации темпе­ ратурных влияний среды.

§ 43» Емкостные манометры

Действие приборов основано на изменении емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между обкладками.

Емкость плоского конденсатора, состоящего из двух обкладок, выражается зависимостью

С = ~ ,

цилиндр-изолятор с электродом. Электрод оканчивается диском, являющимся второй обкладкой конденсатора. Под действием давления мембрана прогибается, изменяется расстояние между ней и диском, увеличивается емкость конденсатора. Выбирая

154

размеры мембраны, можно создавать приборы для измерения давлений в широком диапазоне.

На показание емкостных манометров влияет температура окружающей среды, так как при изменении температуры изме­ няется расстояние между обкладками. Это — недостаток дан­ ного прибора. Другим недостатком емкостных манометров явля­ ется большое влияние паразитных емкостей, главным образом соединительных проводов и металлических частей установки, которое проявляется неодинаково и зависит от взаимного распо­ ложения деталей.

Погрешность измерений не превышает ±1,5—2% предела шкалы прибора. Измерителями емкости обычно служат высоко­ чувствительные резонансные приборы.

§ 44, Пьезоэлектрические манометры

Действие пьезоэлектрических манометров основано на свой­ ствах некоторых кристаллических веществ создавать электри­ ческие заряды под действием механической силы. Это явление называется пьезоэффектом.

Пьезоэффект наблюдается у кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта является его безынерционность. За­ ряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические манометры незамени­ мыми при измерении и исследовании быстропротекающих про­ цессов, связанных с изменением давления (индицирование быстро­ ходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т. п.).

Для изготовления пьезоэлектрических чувствительных эле­ ментов наиболее широко применяется кварц, сочетающий хоро­ шие пьезоэлектрические свойства с большой механической проч­ ностью, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пределах от изме­ нения температур. Пьезоэлектрическая постоянная кварца практи­ чески не зависит от температуры в пределах до 500° С. При тем­ пературах выше 500° С она быстро уменьшается и при температуре 570° С становится равной нулю, т. е. кварц теряет пьезоэлектри­ ческие свойства.

Устройство пьезокварцевого манометра показано на рис. 102. Корпус 1 манометра ввернут в гайку 2, снабженную ниппелем для присоединения к объекту измерения. В нижней части корпус герметически закрыт мембраной 3, образующей дно корпуса. На мембрану положена металлическая шайба 4 с цилиндрической выточкой для помещения кварцевой пластины 5. На кварцевую пластину кладется плитка 6, на которую укладывается'вторая

156

рик 8. Пакет из кварцевых пластин и стальных шайб поджимается гайкой 9, образующей крышку манометра.

Кварцевые пластины располагаются так, чтобы грани с отри­ цательным зарядом были обращены к средней плитке, а стороны

Погрешность измерения пьезоэлектрическим манометром со­ ставляет ±1,5—2%.

§ 45* Теплопроводные манометры

При низких давлениях, когда длина свободного пробега мо­ лекул соизмерима с геометрическими размерами системы, тепло­ проводность газа зависит от давления. Эта зависимость исполь­ зуется в теплопроводных манометрах, применяемых для изме­ рения давления газа в пределах от 0,0133 до 1333 Н/м2 (0,0001— 10 мм рт. ст.). Манометр состоит из нагревателя и измерителя температуры, помещенных в сосуд, в котором контролируется давление. В качестве измерителей температуры применяются термосопротивления и термопары (термопарный манометр).

На рис. 103 показана схема теплопроводного манометра низ­ кого давления с термосопротивлением, включенным в мостовую схему. В два плеча моста включены нагреваемые током металли­ ческие или полупроводниковые термосопротивления R t и RK. Постоянные сопротивления плеч моста R1 и R2. Сопротивление R t расположено в измеряемой среде; сопротивление RK, выполня­ ющее роль температурного компенсатора, запаяно в баллоне. С изменением давления газа меняется его теплопроводность, что

156

приводит к изменению величины электрического сопротивления Rt, следовательно, к разбалансу моста.

В термопарных манометрах измеряется не сопротивление, а температура проводника. Температура измеряется термопарой, т. э. д. с. которой является функцией измеряемого давления.

каемых раскаленным катодом или излучением радиоактивных веществ.

В первом случае преобразователем вакуумметра является трехэлектродная манометрическая лампа, баллон которой соеди­ нен с измеряемой средой (рис. 105). В баллоне расположена вольфрамовая нить (катод), сетка и анод-коллектор.

Электроны, вылетающие из катода, притягиваются положи­ тельно заряженным анодом. В зависимости от давления газа электроны на своем пути ионизируют большее или меньшее коли­ чество молекул. Ионы собираются коллектором и создают ток / к,

157

Раздел четвертый

ИЗМ ЕРЕНИ Е КОЛИЧЕСТВА

И РАСХОДА

Глава XV

Основные понятия. Единицы измерения 1*

Вхимических производствах приходится измерять количество

ирасход веществ не только при контроле результатов производ­ ства, но и для контроля и управления технологическим процес­ сом.

Количество вещества выражают в единицах объема или массы.

Основной единицей объема принимается кубический метр (м3). Основной единицей массы принимается килограмм (кг).

Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным и массовым методом, так как плотность жидкости при определенной температуре является величиной постоянной, характерной для каждой данной жидкости. При пере­ ходе от объемных единиц к массовым необходимо учитывать темпе­ ратуру измеряемой жидкости, так как плотность жидкости зави­

жидкости в 1/град;

t — температура жидкости в °С.

Плотность воды и других жидкостей в зависимости от темпе­ ратуры приводится в справочной литературе.

Количество газа измеряют исключительно объемным методом. Для получения сравнимых результатов измерений необходимо объем газа согласно ГОСТ 2939—63 привести к следующим нор-

1 Основные термины и определения приводятся по ГОСТ 15528—70 «Приборы для измерения расхода и количества жидкости, газа и пара. Термины и опре­ деления».

159