книги / Теплотехнические измерения и приборы

Явление поляризации характеризуется возникновением двойного слоя зарядов на границе электрод — жидкость. По мере накопле­ ния этих зарядов возникает э. д. с., направленная против основ­ ной измеряемой выходной э. д. с. Е.

Возникновение двойного электрического слоя, а следовательно, и противоэлектродвижущих сил приводит к нарушению градуи­ ровки прибора и делает невозможным его стабильную работу в течение даже короткого времени. Применение в преобразователях расхода неполяризующих электродов (платиновых, графитовых, каломельных и др.) уменьшает эффект поляризации, но не устра­ няет его полностью.

Другим недостатком преобразователя расхода с постоянным магнитным полем является трудность усиления напряжения постоян­

с постоянным магнитным полем, разработанные для измерения расхода расплавленного натрия и переменного во времени расхода жидкости, не получили широкого промышленного применения.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера с пере­ менным магнитным полем показана на рис. 17-3-2. На схеме при­ няты следующие обозначения: ПЭПР — первичный электромагнит­ ный преобразователь расхода с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом 4; УП — промежуточный измеритель­ ный усилитель-преобразователь с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 0—5 мА; Ra— сопротивление внешней нагрузки (например, вторичный прибор, интегратор, входное уст­ ройство информационно-вычислительной машины и линия связи). Требования, предъявляемые к материалам для изготовления трубы 1 и электродов 2 и 3 преобразователя расхода с переменным магнит­ ным полем, аналогичны перечисленным при рассмотрении прибора, показанного на рис. 17-3-1. Длину трубы / выбирают в зависимости от ее диаметра с таким расчетом, чтобы обеспечить симметрич­ ность профиля скоростей потока относительно оси трубы преобра­ зователя расхода. Трубу пребразователей расхода, выпускаемых серийно, изготовляют из нержавеющей стали Х18Н10Т или Х18Н9Т, а электроды— из нержавеющей стали Х18Н9Т. Для изоляции

внутренней поверхности трубы применяют полиуретановый каучук (до 40°С), резину (до 70°С), фторопласт и кислостойкую эмаль ЛК-1 (до 150°С) и другие изоляционные материалы.

При выполнении электромагнита преобразователя расхода важно обеспечить однородность магнитного поля в осевом и поперечном направлениях. Неоднородность поля приводит к тому, что в жид­ кости (неподвижной и движущейся) возникают местные циркуля­ ционные токи, размер которых определяется напряженностью поля в данной точке и в жидкости появляются разностные напря­ жения, искажающие измерения. Кроме того, при переходе от лами­ нарного потока течения жидкости к турбулентному появляется некоторая разность напряжений, приводящая к нелинейной зави­ симости между выходным сигналом и измеряемым расходом. Для

Рис. 17-3-3. Эквивалентная схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем.

ственно внутренние активное сопротивление и емкость пре­ образователя расхода; Сл — емкость поляризации; Zy —

входное сопротивление усилителя-преобразователя; Сл —

емкость линии связи; U — напряжение на входе усилителяпреобразователя.

промышленных электромагнитных расходомеров допускается неодпородность поля 1—5% в зависимости от класса точности прибора.

Магнитная индукция для преобразователя расхода с перемен­ ным магнитным полем имеет значение

или с учетом уравнения (17-3-2)

Следует отметить, что эффект поляризации электродов оказы­ вает вредное воздействие на полезный сигнал преобразователя расхода и при переменном магнитном поле, но в значительно мень­ шей степени, чем при постоянном. Поляризация приводит к образо­ ванию на поверхности электродов двойного слоя зарядов и нара­ станию э. д. с. поляризации, что проявляется как некоторая ем­ кость Сп со значением в несколько десятков микрофарад, включен­ ная последовательно в цепь преобразователя расхода (рис. 17-3-3). Влияние поляризации электродов на точность измерения с воз­ растанием частоты поля уменьшается. Вредное влияние поляри­ зации электродов на полезный сигнал уменьшается также с ростом значения входного сопротивления усилителя-преобразователя [59].

Зависимость между напряжением на входе усилителя-преобра­ зователя U и э. д. с. Е, снимаемой с электродов преобразователя расхода, имеет вид:

(17-3-6)

где Zy— входное сопротивление усилителя-преобразователя; Z„ — внутреннее сопротивление преобразователя расхода согласно фор­ муле (обозначения соответствуют принятым на рис. 17-3-3)

+/(оС + т/соСц

Для обеспечения надлежащей точности измерения, а вместе с тем сведения к минимуму влияния поляризации электродов уве­ личивают частоту поля и повышают входное сопротивление усили­ теля-преобразователя Zy по сравнению со значением Z„. Для дости­ жения независимости показаний прибора от свойств и параметров измеряемой жидкости (ее химического свойства, вязкости, темпе­ ратуры, плотности и т. д.) необходимо, чтобы отношение Z„/Zy было

Основным недостатком расходомеров с переменным магнитным полем является высокая чувствительность к помехам от перемен­ ных электромагнитных полей. Эти помехи можно разделить на сле­ дующие три группы: помехи от внешних электромагнитных полей; емкостные помехи от сети переменного тока, питающего электро­ магнит преобразователя расхода; индукционные помехи от элек­ тромагнита преобразователя расхода.

Для защиты от внешних электромагнитных полей применяют экранирование основных элементов преобразователя расхода и не­ которых узлов измерительного блока.

Для борьбы с емкостными помехами уменьшают индуктивность катушки электромагнита преобразователя расхода. Кроме того, применяют разделительный трансформатор для питания электро­ магнита преобразователей расхода.

Рассмотрим причины образования помехи от электромагнита преобразователя расхода, а также способы, применяемые для ком­ пенсации ее. В замкнутом контуре «электрод — жидкость — элек­ трод — вход измерительного усилителя — электрод», как в витке трансформатора, наводится переменным магнитным полем пре­ образователя расхода помеха, называемая трансформаторной э.д.с., независимо от того, движется жидкость в трубе преобразователя расхода или находится в покое. Значение трансформаторной э. д. с. равно:

где к — коэффициент, имеющий постоянное значение.

В тепловых сетях температура прямой воды, находящейся под давлением до 10 кгс/см2 (1 МПа), в зависимости от температуры

Пределы допускаемой основной погрешности существующих тепломеров не превышают =t2,5% нормирующего значения измеряе­ мой величины. При оценке погрешностей результата измерения количества или расхода тепла, отпускаемого потребителю, необ­ ходимо учитывать возможные методические погрешности, а также изменение показаний тепломера, обусловленное влиянием темпера­ туры окружающего воздуха и других влияющих величин,

18-2. Основные сведения об устройстве тепломеров

Следует отметить, что несмотря на очевидную целесообразность применения тепломеров они до настоящего времени широкого распространения не получили. На рис. 18-2-1 показана упрощен­ ная схема тепломера. В этой схеме используются средства измере­ ний с унифицированным входным и выходным сигналами. Раз­ ность температур прямой и обратной воды измеряется с помощью

Прямая Вода

Рис. 18-2-1. Схема тепломера.

термометров сопротивления и измерительного преобразователя 2 с выходным сигналом постоянного тока 0— 5 мА. Для измерения расхода прямой воды используется тахометрический или индук­ ционный преобразователь расхода и измерительный блок 1 с выход­ ным сигналом постоянного тока 0— 5 мА.

Выходные сигналы преобразователя 2 и измерительного блока 1 поступают на вход множительного преобразовательного устрой­ ства 3, выходной сигнал постоянного тока (0— 5 мА) которого пропорционален расходу тепла. В качестве вторичного прибора, показывающего расход тепла (Дж/ч), используется миллиампер­ метр 4, например, типа КПУ1 или КСУ2. Для определения коли­ чества тепла в джоулях, отпущенного потребителю за некоторый промежуток времени, служит интегратор 5 со счетным механизмом.

В рассмотренной схеме тепломера не показаны устройства для коррекции нелинейности при измерении разности температур

и возможных отклонений от принятых расчетных значений удель­ ной теплоемкости и плотности воды.

Таллинский завод измерительных приборов изготовляет тепломеры со счет­ чиками тепла или так называемые теплосчетчики типа ТС-20, предназначенные для измерения расхода и количества отпущенного или потребленного тепла в теп­ ловых сетях при условии равенства расхода сетевой воды в подающей и обратной линиях. Следует отметить, что в реальных условиях достигнуть полного равенства расхода воды в подающей и обратной линиях вследствие утечек невозможно.

При разработке теплосчетчика ТС-2 использована зависимость расхода тепла в единицу времени, выраженная уравнением (18-1-1). Так как непосредственное измерение плотности и удельной энтальпии сетевой воды осуществить сложно, зависимость (18-1-1) заменена приближенной

(18-2-1)

где я, Ь, k и т — постоянные коэффициенты, а остальные обозначения соответ­

ствуют принятым выше.

Рис. 18-2-2. Упрощенная принципиальная схема тепломера со счетчиком тепла.

Если давление сетевой воды в подающей и обратной линиях постоянно, а тем­ пература воды находится в указанных выше пределах, то погрешность указанной аппроксимации не превышает 0,2% . Алгоритм (18-2-1) реализуется с помощью автоматического измерительного прибора, упрощенная схема которого показана на рис. 18-2-2. Автоматический прибор содержит мостовую функциональную схему М Ф С , нормирующий преобразователь Я Я , преобразователь «ток— частота» Я.

Вкачестве вторичных измерительных приборов используются миллиамперметр

ЯЯ , показывающий расход тепла q , и электромеханический счетчик С И для инди­

кации отпущенного тепла в соответствии с выражением (18-1-3).

Кдиагонали питания моста М Ф С (зажимы я, Ь) подается сигнал постоянного тока J Q (0— 5 мА), пропорциональный объемному расходу прямой воды. Для

измерения расхода воды используется индукционный расходомер ИР-51 (или ИР-11), состоящий из преобразователя расхода П Р и измерительного блока И Б . В плечи нижней ветви моста М Ф С включены термометры сопротивления Я ц и Я/2 для измерения температуры сетевой воды t i в подающей и t 2 обратной линиях. Выходной сигнал моста снимается с вершин с, d и преобразуется нормирующим

преобразователем Я Я в сигнал постоянного тока / пых. Для более точной реализа­

ции выражения (18-2-1) в цепь отрицательной обратной связи преобразователя Н П

включена схема коррекции, состоящая из дополнительного термометра сопротив­ ления Щ 2 для измерения температуры воды в обратной линии и трех постоянных

резисторов, которые на схеме не показаны.

Преобразователь «ток— частота» П преобразует токовый сигнал / ВЬ1Х в после­

довательность импульсов, частота следования которых пропорциональна значению расхода тепла q. Суммирование счетных импульсов производится в выходном устройстве, содержащем шестиразрядный электромеханический счетчик С И .

Выходной частотный сигнал / ВЬ1Х может быть использован для дистанционной передачи.

Интегральное количество тепла в джоулях определяется по формуле

<7K.T = /W,

где К — цена импульса (указывается в паспорте); N — число единиц счетчика

за определенное время.

Предел допускаемой основной погрешности теплосчетчика 2,5% нормирую­ щего значения измеряемой величины.

о ----------------- Р А З Д Е Л ШЕ С Т О Й о

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ ТЕЛ

Г Л А В А Д Е В Я Т Н А Д Ц А Т А Я

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

19-1. Общие сведения

Измерение уровня жидкостей играет важную роль при автома­ тизации технологических процессов во многих отраслях промышлен­ ности. Эти измерения особенно важны в тех случаях, когда под­ держание некоторого постоянного уровня, например уровня воды в барабане парогенератора, уровня жидкости в резервуарах, аппаратах и других устройствах, связано с условиями безопасной работы оборудования. Технические средства, применяемые для измерения уровня жидкости, называются уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкости, называются сигнализаторами уровня. Уровнемеры также имеют широкое применение в различных отраслях промышленности для измерения по уровню количества жидкости, находящейся в резер­ вуарах, баках и других устройствах.

Уровнемеры, предназначенные для измерения уровня жидкости с целью поддержания его постоянным, имеют двустороннюю шкалу. Шкалы и диаграммная бумага этих уровнемеров градуируются в сантиметрах или метрах, а приборов, применяемых для из­ мерения уровня воды в барабане парогенераторов, — в милли­ метрах.

Уровнемеры, служащие для измерения по уровню количества жидкости в резервуарах, баках и других устройствах, имеют одностороннюю шкалу. Шкалы и диаграммная бумага этих

с целью поддержания его постоянным в определенных пределах, снабжают устройством для сигнализации предельных отклонений уровня от заданного значения.

У сигнализаторов уровня жидкости контактное устройство срабатывает при некотором заданном значении уровня для данного объекта.

В зависимости от требований, предъявляемых к автоматизации технологических процессов, применяют различные методы измере­ ния уровня жидкости. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, уровень жидкости с достаточной точностью и надежностью можно измерять с помощью указательных стекол или показывающими дифманометрами-уровнемерами, описанными