Теплотехнические измерения и приборы лабораторный практикум. Учебное пособие

даче на значительные расстояния вследствие наличия сопротивле­ ния проводных линий связи. Можно, конечно, использовать высо­ кий входной импеданс устройств, чтобы обойти потери сигнала. Од­ нако такие устройства будут весьма чувствительны к шуму, которые индуцируют находящиеся поблизости моторы, приводные ремни или радиовещательные передатчики.

Согласно первому закону Кирхгофа сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла.

В теории ток, протекающий в начале контура, должен достичь его конца в полном объеме, как показано на рис. 18.1. Это основной принцип, на котором работает контур измерения.

+ V 1

i

+

V+ V 2

tot

V 3 +

Рис. 18.1. В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в начале контура равен току в конце контура

Измерение тока в любом месте токовой петли (измерительного контура) дает один и тот же результат. Используя токовые сигналы и приемные устройства для сбора данных с низким входным сопро­ тивлением, в промышленных приложениях можно получить значи­ тельную пользу от улучшения помехоустойчивости и увеличения длины линии связи.

Компоненты токовой петли. В состав основных компонентов то­ ковой петли входят источник постоянного тока, первичный преоб­ разователь, устройство сбора данных и провода, соединяющие их в ряд (рис. 18.2).

Источник постоянного тока обеспечивает питание системы. Преобразователь регулирует ток в проводах в диапазоне от 4 до 20 мА, где 4 мА представляет собой «живой» ноль, а 20 мА – максимальный сигнал, 0 мА (отсутствие тока) означает разрыв в цепи.

101

Шунт

Рис. 18.2. Функциональная схема токовой петли

Устройство сбора данных измеряет величину регулируемого тока. Эффективным и точным методом измерения тока является установ­ ка прецизионного резистора – шунта на входе измерительного уси­ лителя устройства сбора данных (см. рис. 18.2) для преобразования тока в напряжение измерения, чтобы в итоге получить результат, од­ нозначно отражающий сигнал на выходе преобразователя.

Для того чтобы помочь лучше понять принцип работы токовой петли, рассмотрим конструкцию системы с преобразователем, име­ ющую следующие технические характеристики:

•  преобразователь используется для измерения давления; •  преобразователь расположен в 2000 м от устройства измерения;

•  ток, измеряемый устройством сбора данных, обеспечивает опе­ ратора информацией о величине давления, приложенного к преоб­ разователю.

Рассмотрение примера начнем с подбора подходящего преобра­ зователя.

Проектирование токовой системы. Первый шаг в проектировании токовой системы – выбор преобразователя. Независимо от типа из­ меряемой величины (расход, давление, температура и т.д.) важным фактором в выборе преобразователя является его рабочее напряже­ ние. Только подключение источника питания к преобразователю по­ зволяет регулировать величину тока в линии связи. Значение напря­ жения источника питания должно находиться в допустимых пределах: больше, чем минимально необходимое, меньше, чем максимальное значение, которое может привести к повреждению преобразователя.

Для токовой системы, рассматриваемой в примере, выбранный преобразователь измеряет давление и имеет рабочее напряжение от 12 до 30 В. Когда преобразователь выбран, требуется правильно из­ мерить токовый сигнал, чтобы обеспечить точное представление о давлении, подаваемом на датчик.

102

Выбор устройства сбора данных для измерения тока. Важным аспектом, на который следует обратить внимание при построении токовой системы, является предотвращение появления токового контура в цепи заземления. Общим приемом в таких случаях высту­ пает изоляция, используя которую можно избежать влияния конту­ ра заземления. Его возникновение поясняет рис. 18.3.

Рис. 18.3. Контур заземления

Заземляющие контуры образуются при двух подключенных тер­ миналах в цепи в разных местах потенциалов. Эта разница приводит к появлению дополнительного тока в линии связи, что может спо­ собствовать появлению ошибок при измерениях.

Под изоляцией устройства сбора данных понимается электриче­ ское отделение земли источника сигнала от земли входного усили­ теля измерительного устройства (рис. 18.4).

Рис. 18.4. Синфазное напряжение и напряжение сигнала в схеме с изоляцией

103

Ток не может течь через барьер изоляции, поэтому точки зазем­ ления усилителя и источника сигнала имеют один и тот же потенци­ ал. Таким образом, исключается возможность непреднамеренно соз­ дать контур заземления.

Изоляция также предотвращает от повреждения устройство сбора данных при наличии больших синфазных напряжений. Синфазным называют напряжение одинаковой полярности, которое присутствует на обоих входах инструментального усилителя. Например, на рис. 18.4 и положительный (+), и отрицательный (–) входы усилителя имеют +14 В синфазного напряжения. Многие устройства сбора данных име­ ют максимальный входной диапазон ±10 В. Если устройство сбора данных не имеет изоляции и синфазное напряжение выходит за мак­ симальный входной диапазон, можно повредить устройство. Хотя нор­ мальное (сигнальное) напряжение на входе усилителя (см. рис. 18.4) составляет только +2 В, добавка +14 В может дать напряжение +16 В.

Сигнальное напряжение – напряжение между « + » и « – » усили­ теля.

Рабочее напряжение – сумма нормального и синфазного напря­ жения, что представляет опасный уровень напряжения для устройств сбора с меньшим рабочим напряжением.

При изоляции общая точка усилителя электрически отделена от нуля заземления. На рис. 18.4 потенциал в общей точке усилителя «приподнят» на уровень +14 В. Такой прием приводит к тому, что величина входного напряжения падает с 16 до 2 В. При таком напря­ жении риск пробоя изоляции минимален.

После того как устройство сбора данных изолировано и защище­ но, последним шагом при комплектовании токовой петли является выбор соответствующего источника питания.

Выбор источника питания. Определить, какой источник питания наилучшим образом отвечает вашим требованиям, весьма просто. При работе в токовой петле блок питания должен выдавать напря­ жение, равное или большее, чем сумма падений напряжений на всех элементах системы.

Устройство сбора данных в нашем примере использует прецизи­ онный шунт для измерения тока.

Необходимо рассчитать падение напряжения на этом резисторе. Ти­ повой шунтирующий резистор имеет сопротивление 249 Ом. Основные расчеты при диапазоне тока в токовой петле 4–20 мА показывают сле­ дующее: I · R = U, 0,004 (A) · 249 (Ом) = 0,996 В, 0,02 (A) · 249 (Ом) =

=4,98 (В).

Сшунта сопротивлением 249 Ом можно снять напряжение в ди­ апазоне от 1 до 5 В, увязав величину напряжения на входе устройства сбора данных с величиной выходного сигнала преобразователя дав­ ления.

104

Преобразователь давления требует минимального рабочего на­ пряжения 12 В при максимальном 30 В. Если добавить падение на­ пряжения на прецизионном шунтирующем резисторе к рабочему напряжению преобразователя, получится следующее:

12 В + 5 В = 17 В.

На первый взгляд, достаточно напряжения 17 В. Однако необхо­ димо учесть дополнительную нагрузку на блок питания, которую создают провода, имеющее электрическое сопротивление.

В случаях, когда датчик находится далеко от измерительных при­ боров, необходимо учитывать фактор сопротивления проводов при расчетах токовой петли. Медные провода имеют сопротивление по­ стоянному току, которое прямо пропорционально их длине. С дат­ чиком давления из рассматриваемого примера следует учесть 800 м длины линии связи при определении рабочего напряжения источ­ ника питания. Погонное сопротивление одножильного медного ка­ беля составляет 2,62 Ом / 100 м. Учет этого сопротивления дает сле­ дующее:

• сопротивление одной жилы длиной 2000 м составит 2000 · 2,62 / 100 = = 52,4 Ом;

•  падение напряжения на одной жиле составит 0,02 · 52,4 = 1,048 В. Для того чтобы замкнуть цепь, необходимы два провода, тогда длина линии связи удваивается, а полное падение напряжения со­ ставит 2,096 В. В итоге около 2,1 В теряется благодаря тому, что рас­ стояние от преобразователя до вторичного прибора составляет 2000 м. Просуммировав падения напряжения на всех элементах контура,

получим

2,096 В + 12 В + 5 В = 19,096 В.

Если было использовано 17 В для питания рассматриваемой схемы, то напряжение, подаваемое на преобразователь давления, будет ниже минимального рабочего напряжения за счет падения на сопротивлении проводов и шунтирующем резисторе. Выбор ти­ пового источник питания 24 В удовлетворит требованиям по пи­ танию для преобразователя. Дополнительно имеется запас напря­ жения для того, чтобы разместить датчик давления на большем расстоянии.

С выбором правильно подобранных преобразователей, устрой­ ства сбора данных, длины кабелей и источника питания разработ­ ка простой токовой петли завершена. Для более сложных при­ ложений можно включить дополнительные каналы измерений в систему.

105

Порядок проведения работы. Обработка полученных результатов

1.Произвести выбор напряжения источника питания для токовой петли с нормированным сигналом 0–5 мА.

2.Используя лабораторный источник питания, собрать схему, соединив в последовательную цепь вышеуказанный источник питания, датчик давления с нормированным выходным сигна­ лом 0–5 мА и измерительный прибор с диапазоном измерения 0–5 мА.

3.Снять статическую характеристику датчика давления, подавая на его вход давление с помощью пневматического прибора для по­ верки манометров.

4.Построить статическую характеристику системы «датчик дав­ ления – нормирующий преобразователь – линия связи – измери­ тельный прибор».

5.Рассчитать абсолютную и относительную погрешности систе­ мы измерения.

6.Повторить эксперимент п. 2–5, предварительно включив в ли­ нию связи МС.

7.Определить предельное возможное сопротивление линии свя­ зи, при котором погрешность не выходит за пределы класса точно­ сти системы измерения.

Оформление отчета

Отчет должен содержать следующие пункты.

1.Цель работы.

2.Основные числовые значения нормированных выходных сиг­ налов.

3.Основной принцип, на котором работает контур измерения.

4.Перечисление и объяснение функции основных компонентов токовой петли.

5.Основные критерии выбора первичного преобразователя.

6.Обоснование выбора устройства сбора данных для измерения

тока.

7.Пояснение влияния контура заземления на работу токовой петли.

8.Расчет для выбора источника питания системы измерения.

9.Статическая характеристика системы «датчик давления – нормирующий преобразователь – линия связи – измерительный прибор».

10.Выводы.

106

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

Измерение теплового потока через тепловую изоляцию трубопровода

Цель: измерение теплового потока через тепловую изоляцию тру­ бопровода.

Общие сведения

Тепловая изоляция широко применяется в энергетике. Она опре­ деляет техническую возможность и экономическую эффективность реализации технологических процессов при заданных параметрах, позволяет снизить тепловые потери и влияние на экологию, создать безопасные условия труда на производстве.

Теплоизоляционными называются материалы, обладающие малой теплопроводностью вследствие их высокой пористости. Основной характеристикой изоляционного материала является его теплопроводность, т.е. способность передавать теплоту через свою толщину при наличии разности температур по обе стороны материала. Значе­ ние теплопроводности определяет требуемую толщину теплоизоля­ ционного слоя. Она зависит от вида материала, характера пор, его влажности и плотности, а также от средней температуры, при кото­ рой происходит передача теплоты.

Теплопроводность материала количественно устанавливается ко­ эффициентом теплопроводности λ (Вт/(м·К)), выражающим коли­ чество тепла, передаваемое за единицу времени через единицу пло­ щади изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице. На величину теплопроводности теплоизоляцион­ ных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, раз­ меры и расположение пор (пустот) и т.д.

Общим признаком всех теплоизоляционных материалов являет­ ся их высокая пористость, которая достигается различными техно­ логическими процессами: образованием волокнистого каркаса, вспучиванием массы в процессе формования или тепловой обработ­ ки, поризацией массы при смешивании с пеной, введением пори­ стых заполнителей, выгорающих добавок и др. В условиях эксплу­ атации теплоизоляционные материалы должны обладать стабиль­ ными физико-механическими и теплотехническими свойствами, не выделять пыли и токсичных веществ в количествах, превышающих предел допустимой концентрации, иметь кажущуюся плотность не более 600 кг/м3 и теплопроводность при температуре +25 °С не выше

107

0,175 Вт/(м·К). При выборе теплоизоляционных материалов также нужно учитывать такие факторы, как вибростойкость и формоста­ бильность.

Все теплоизоляционные материалы классифицируют по следую­ щим основным признакам:

•  по форме и внешнему виду – штучные (плиты, кирпич, полые цилиндры, полуцилиндры и сегменты, блоки), рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты), рыхлые и сыпучие (вспученный перлит и вер­ микулит, вата минеральная, стеклянная, каолиновая) материалы;

•  по структуре – волокнистые (асбест, стекловолокно, минераль­ ная вата), ячеистые (пенопласты, пеностекло), зернистые (крошка диатомовая, совелитовая, каолиновая) материалы;

•  по плотности – подразделение на группы (особо низкой плот­ ности, низкой плотности, средней плотности и плотные) и марки; •  по жесткости – мягкие, полужесткие, жесткие, повышенной

жесткости и твердые материалы; •  по виду исходного сырья – органические и неорганические ма­

териалы; •  по возгораемости – несгораемые, трудносгораемые и сгораемые

материалы; • по теплопроводности – классы низкой (λ < 0,06 Вт/(м К)), средней

(λ = 0,06 ÷ 0,115 Вт/(м К)) и повышенной (λ = 0,115 ÷ 0,175 Вт/(м К)) теплопроводности­ .

Наряду с теплопроводностью к основным свойствам теплоизоля­ ционных материалов относятся следующие показатели.

Плотность – отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м3).

Прочность на сжатие – величина нагрузки (кПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%. Сжимаемость – способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией матери­ ала под действием нагрузки 2 кПа.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдержи­ вании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала. Для снижения водопоглощения ведущие производители теплоизоляци­ онных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.

Паропроницаемость – способность материала обеспечивать диф­ фузионный перенос водяного пара. Диффузия пара характеризуется сопротивлением паропроницаемости (кг/(м2·ч·Па)). Паропроница­ емость теплоизоляционных материалов во многом определяет вла­ гоперенос через ограждающую конструкцию в целом. Влагоперенос является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на

108

термическое сопротивление ограждающей конструкции. Во избежа­ ние накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции

исвязанного с этим падения термического сопротивления паропро­ ницаемость слоев должна расти в направлении от теплой стороны ограждения к холодной.

Воздухопроницаемость улучшает теплоизолирующие свойства ма­ териала. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо про­ пускают воздух, что его движение приходится предотвращать путем применения специальной ветрозащиты. Жесткие изделия обладают хорошей воздухонепроницаемостью и не нуждаются в каких-либо специальных мерах. Они сами могут применяться в качестве ветро­ защиты.

Огнестойкость – способность материала выдерживать воздей­ ствие высоких температур без воспламенения, нарушения структу­ ры, прочности и других его свойств. Это один из важнейших крите­ риев выбора теплоизоляционного материала.

Температуростойкость – важное свойство теплоизоляционных материалов, особенно при их использовании для изоляции промыш­ ленного оборудования, работающего при высоких температурах. Ха­ рактеризуют температуростойкость материалов предельными темпе­ ратурами применения – технической и экономической. Под технической температурой понимают ту температуру, при которой материал может эксплуатироваться без изменения технических свойств. Экономическая предельная температура применения опреде­ ляется не только температуростойкостью материала, но и другими показателями: теплопроводностью, стоимостью, условиями монтажа

ит.д. Некоторые материалы с повышенной теплопроводностью не рационально использовать для высокотемпературной изоляции, не­ смотря на их высокую техническую предельную температуру приме­ нения.

Морозостойкость – способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное заморажива­ ние и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя во многом зависит долговечность всей конструкции.

Сучетом дефицита и роста теплоэнергетических ресурсов (ТЭР) необходимо стремиться применять энергоэффективные материалы, характеризующиеся низкими значениями коэффициента теплопро­ водности, что позволяет значительно снизить толщину слоя изоля­ ции при сохранении нормированных потерь.

Расчет толщины теплоизоляционного слоя производится по нор­ мированию плотности теплового потока через изолированную по­ верхность, также учитывается диаметр трубопровода, средняя тем­ пература теплоносителя и условия прокладки трубопровода (надзем­ ная, канальная и бесканальная).

109

Схема лабораторной установки

В данной лабораторной работе в качестве рабочей среды исполь­ зуется воздух, который нагревается посредством встроенного нагре­ вательного элемента. Для измерения плотности теплового потока через тепловую изоляцию применяется преобразователь теплового потока (ПТП), который в данном случае выполнен в виде гибкой пластины.

Лабораторная установка для измерения плотности теплового по­ тока с помощью ПТП через тепловую изоляцию трубопровода пред­ ставлена на рис. 19.1.

4 5 6

3

2

7

1

Рис. 19.1. Схема лабораторной установки для измерения плотности теплового пото­ ка с помощью ПТП через тепловую изоляцию трубопровода:

1 – трубопровод; 2 – нагревательный элемент; 3 – ПТП; 4 – термопара (температура на поверх­ ности трубопровода под изоляцией); 5 – термопара (температура горячего воздуха, имитирую­ щего теплоноситель); 6 – термопара (температура на поверхности тепловой изоляции); 7 – из­ мерительный прибор

Порядок проведения работы. Обработка полученных результатов

1.Включить лабораторный стенд и выждать 10 мин.

2.Установить ПТП на исследуемый образец.

3.Снять показания значений плотности теплового потока q в пя­ ти точках, начиная с +50 ºС, результаты занести в табл. 19.1.

4.Рассчитать значение плотности теплового потока по форму­ ле (19.1) и сравнить полученные значения с показаниями ПТП:

110