Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
Рис. 105. Оптическое разрешение пирометра
Диаметр измеряемого пятна определяется оптическим разрешением и зависит от расстояния между пирометром и объектом измерения (S=k·D, где k - показатель визирования, D — расстояние до объек-
та). Минимальный диаметр пятна соответствует наименьшему размеру
объекта, который может быть измерен этим пирометром на заданном
расстоянии. Чем больше величина оптического разрешения (S/D), тем
более мелкие предметы может различать пирометр. Точность измерения не зависит от расстояния до объекта до тех пор, пока диаметр измеряемого пятна меньше размера объекта. Если же диаметр пятна становится больше, прибор начинает принимать излучение от других
объектов, и это оказывает значительное влияние на результаты
измерения.
В области высоких температур возможности радиационного и
яркостного пирометра практически идентичны, но радиационный пирометр обеспечивает возможность измерений при значительно более
низких температурах, до –50 оС.
По сравнению с яркостными, радиационные пирометры отличаются большей простотой устройства и меньшей стоимостью. Погрешность радиационных термометров обычно около ±0,5 %.
Действие цветовых пирометров основано на том, что с изменением температуры меняется цвет накаленного тела. При этом, если
выделить в спектре излучения накаленного тела два монохроматических излучения с длинами волн λ1 и λ2 (соответствующих, например,
191
красному и синему свету), то с изменением цвета будет меняться соотношение яркостей этих излучений.
Для абсолютно черного тела отношение монохроматических
яркостей излучений длин волн λ1 и λ2 будет:
λ
1
=
y
λ
2
λλ
T
21
eR
.
11
c
5
−
2
−
Для нечерного тела, обладающего в длинах волн λ1 и λ2 неодинаковыми коэффициентами излучательной способности ε1 и ε2 отношение яркостей будет
ε
1
=
ε
.
RR ⋅
y
2
Отношение монохроматических яркостей для двух заданных
длин волн является однозначной функцией абсолютной температуры
тела Т. В цветовых пирометрах измерение температуры осуществляется по величине отношения монохроматических яркостей накаленного тела в красной и синей областях спектра.
Принципиальная упрощенная схема цветового пирометра ЦЭП3 представлена на рис. 106.
Рис. 106. Схема цветового пирометра
Излучение объекта измерения через защитное стекло 1 и объектив 2 падает на фотоэлемент 4. Между объективом и фотоэлементом
192
установлен вращающийся диск (обтюратор) 3, в который вставлены
d
⋅
⋅=ε
ε
два светофильтра – красный и синий. Благодаря этому фотоэлемент
попеременно освещается красным и синим светом и выдает поочередно импульсы тока, пропорциональные монохроматическим яркостям
красного и синего излучений накаленного тела. Эти импульсы усиливаются усилителем 5 и преобразуются специальным электронным логарифмирующим устройством 6 в постоянный ток, сила которого пропорциональна величине lnR, т. е. линейно зависит от обратной величины абсолютной температуры тела1/Т. Выходной ток логарифмирующего устройства измеряется и регистрируется показывающим устройством 7, шкала которого градуирована в градусах. Прибор градуируется по абсолютно черному телу, поэтому его показания соответствуют истинной температуре абсолютно черного тела, а также "серых"
тел.
В отличие от пирометров с исчезающей нитью на показания
цветового пирометра практически не влияют изменения
коэффициента излучающей способности тела, обусловленные изменением его температуры, состояния поверхности, состава и другими
причинами, а также не влияет ослабление излучения не вполне прозрачной атмосферой между объектом и датчиком. Благодаря
этому цветовой пирометр обеспечивает высокую точность измерения: основная погрешность при измерении температуры "серых"
тел не превышает ±1 %.
Диапазон измерения цветовых пирометров от 1400 до 2500 °С
и выше.
17.1.8. Диэлектрические измерители температур
В диэлектрических измерителях температуры используется за-
висимость изменения емкости С от температуры. Для плоского
конденсатора емкость равна:
s
o
C
,
где s - площадь поверхности пластин; ε0 - диэлектрическая проницаемость воздуха; d - расстояние между пластинами. Диэлектриче-
193
ская проницаемость сегнетоэлектрика ε зависит от температуры Т, т.
dS
S
е. ε = f(T).
Крутизна преобразования емкостных керамических датчиков,
их конструктивное оформление и динамические характеристики подобны термисторам. Преимуществом диэлектрических датчиков перед резистивными датчиками является меньшая погрешность от разогрева. Кроме того, конденсаторные датчики не подвержены влиянию магнитных полей.
17.2. Методы и приборы измерения давления и разряжения
Давление является важным параметром систем контроля и
управления производственными процессами.
Давление - физическая величина характеризующая интенсивность
действия нормальной составляющей (перпендикулярно к поверхности)
силы dF действующей на малый элемент поверхности, к его
площади dS:
dF
P =
.
Среднее давлением P
- это предел отношения нормальной со-
ср
ставляющей усилия F к площади всей поверхности S, на которую
действует усилие:
F
Pср=
.
За единицу измерения давления в Международной системе
единиц (СИ) принят Паскаль (Па) в честь французского физика и математика Блеза Паскаля, это давление, действующее равномерно с
силой 1 ньютон на площадь 1м2:
1 Па = 1 Н/1 м2.
Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью
стандартных приставок СИ и приведены в табл. 7.
В настоящее временя используются также и внесистемные единицы: кгс/см2, мм вод. ст. и бар. Эти единицы связаны следующими
соотношениями представленными в табл. 8.
194
Таблица 7
Кратные Дольные
величина
название обозначение величина название обозначение
101 Па декапаскаль даПа daPa 10−1 Па деципаскаль дПа dPa
102 Па гектопаскаль гПа hPa 10−2 Па сантипаскаль сПа cPa
103 Па килопаскаль кПа kPa 10−3 Па миллипаскаль мПа mPa
106 Па мегапаскаль МПа MPa 10−6 Па микропаскаль мкПа µPa
109 Па гигапаскаль ГПа GPa 10−9 Па нанопаскаль нПа nPa
1012 Па терапаскаль ТПа TPa 10
1015 Па петапаскаль ППа PPa 10
1018 Па эксапаскаль ЭПа EPa 10
1021 Па зеттапаскаль ЗПа ZPa 10
1024 Па иоттапаскаль ИПа YPa 10
−12
Па пикопаскаль пПа pPa
−15
Па фемтопаскаль фПа fPa
−18
Па аттопаскаль аПа aPa
−21
Па зептопаскаль зПа zPa
−24
Па йоктопаскаль иПа yPa
Стандартная, нормальная или физическая атмосфера (атм,
atm) - в точности равна 101325 Па или 760 миллиметрам ртутного
столба. Давление, уравновешиваемое столбом ртути высотой 760 мм
при 0 °C, плотность ртути 13595,1 кг/м³ и нормальное ускорение свободного падения 9,80665 м/с².
Таблица 8
Паскаль
(Pa, Па)
Бар
(bar, бар)
Техническая
атмосфера
(at, ат)
Физическая
атмосфера
(atm, атм)
Миллиметр
ртутного
столба
(мм рт. ст.,
torr, торр)
Метр
водяного
столба
(м вод. ст.)
Фунт-сила
на кв. дюйм
(psi)
1 Па 1 10−5 10,197×10−6 9,8692×10−67,5006×10−3 1,0197×10−4 145,04×10
1 бар 105 1 1,0197 0,98692 750,06 10,197 14,504
1 ат 98066,5 0,980665 1 0,96784 735,56 10 14,223
1 атм 101325 1,01325 1,033 1 760 10,33 14,696
1 мм
рт.
133,322 1,3332×10
−3
1,3595×10−3 1,3158×10
−3
1 13,595×10−3 19,337×10
ст.
1 м
вод.
9806,65 9,80665×10
−2
0,1 0,096784 73,556 1 1,4223
ст.
1 psi 6894,76 68,948×10
−3
70,307×10−3 68,046×10−3 51,715 0,70307 1
−6
−3
195
Ускорение свободного падения на поверхности земли варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. Стандартное значение g = 9,80665 м/с² было определено как «среднее» на всей
Земле, на широте 45,5° на уровне моря.
Техническая атмосфера (ат, at, кгс/см²) - равна давлению, про-
изводимому силой 1 кгс, направленной перпендикулярно и равномерно распределённой по плоской поверхности площадью 1 см²
(98066,5 Па).
На практике применяют приближённые значения:
1 атм ≈ 0,1 МПа;
1 МПа ≈ 10 атм;
1 мм вод. ст. ≈ 10 Па.
При измерении давления необходимо различать абсолютное,
избыточное и атмосферное давление (барометрическое), а также вакуум.
Нормальное атмосферное давление принято считать равным
760 мм ртутного столба, или 101325 Па.
Абсолютное давление Р
(жидкостей, газов и паров). При измерении Р
- параметр состояния вещества
абсол
за начало отсче-
абсол
та принимается нулевое давление, которое можно себе представить
как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Р
Барометрическое давление Р
= 0 невозможно.
абсол
- давление, оказываемое атмо-
бар
сферой на все находящиеся в ней предметы.
Избыточное давление Р
лением Р
и атмосферным давлением Р
абсол
- разность между абсолютным дав-
изб
(т. е. давлением окру-
бар
жающей среды)
Р
= Р
изб
Если абсолютное давление ниже атмосферного, то давление Р
абсол
– Р
бар
.
вак
- называется разряжением.
Р
= Р
вак
бар
- Р
абсол
.
Глубокое разряжение принято называть вакуумом.
Все приборы для измерения давления классифицируются по
принципу действия и по роду измеряемой величины.
По принципу действия:
1) жидкостные, основанные на уравновешивании давления
столбом жидкости);
196
2) деформационные, измеряющие давление по величине деформа-
ции различных упругих элементов или по развиваемой силе;
3) поршневые, измеряемое давление уравновешивается внеш-
ней силой, действующей на поршень;
4) электрические, основанные или на преобразовании давления
в какую-либо электрическую величину, или на изменении электрических свойств материала под действием давления.
По роду измеряемой величины:
1) манометры (приборы для измерения абсолютного и избы-
точного давления);
2) вакуумметры (приборы для измерения давления разряжения);
3) мановакуумметры (приборы для измерения избыточного
давления и давления разряжения);
4) напорометры (приборы для измерения малых избыточных
давлений);
5) тягомеры (приборы для измерения малых давлений
разряжения);
6) тягонапорометры (приборы для измерения малых избыточ-
ных давлений и разрежений);
7) дифманометры (приборы для измерения разности давлений);
8) барометры (приборы для измерения атмосферного давления).
17.2.1. Жидкостные манометры
Первооткрывателем создания прибора измерения давления
принадлежит крупнейшему итальянскому художнику и ученому Леонардо да Винчи (конец XV века), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах.
Однако его труд «О движении и измерении воды» был опубликован
лишь в XIX веке и поэтому принято считать, что первый жидкостный
манометр был создан в 1643 г. итальянскими учеными Торричелли и
Вивиани, учениками Галилео Галилея, которые при исследовании
свойств ртути, помещенной в трубку обнаружили существование атмосферного давления. Так появился ртутный барометр. В течение
последующих 10-15 лет во Франции (Б. Паскаль и Р. Декарт) и Гер-
197
мании (О. Герике) были созданы различные разновидности жидкостных барометров, в том числе и с водяным заполнением.
Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению
большого количества жидкостных манометров различных типов,
применяемых до настоящего времени во многих отраслях промышленности.
Жидкостные манометры отличаются простотой конструкций и
сравнительно высокой точностью измерения. Их широко применяют
как в качестве переносных (лабораторных), так и технических приборов для измерения давления.
Самый простой переносный U-образный манометр, представляет собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку 1 заполненную
жидкостью (спиртом, водой, ртутью), прикрепленную на доске 2
со шкалой 3, расположенной между коленами трубки
(рис. 107). Один конец трубки соединен с полостью, в которой
измеряется давление, другой конец трубки сообщается с атмосферой. Под действием измеряемого давления жидкость в трубке
перемещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое
давление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в коленах переместится
в обратном направлении, и высота ее столба будет соответствовать
вакууму. Присоединив оба колена трубки к полостям с различными
давлениями Р1 и Р2, можно определить перепад (разность) давлений.
Манометр заполняют жидкостью до нулевой отметки шкалы.
Для определения высоты столба жидкости плотностью ρ необходимо
сделать два отсчета (снижение в одном колене и подъем в другом) и
суммировать их величины, т. е. H= h1+h2, а измеряемое давление Р
будет: P=H∙ρ∙g.
198
Рис. 107. U -образный манометр
Чашечный (однотрубный) манометр является разновидностью
U-образного трубного манометра (рис. 108), у которого одна из
трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряется давление Ра, действующее на жидкость в широком сосуде, а
открытый конец трубки совмещен с атмосферой.
Рис. 108. Чашечный манометр
199
Уравнение равновесия: Р = ρ g (h + H).
α
Так как Н >> h, отсчет показаний можно вести только по h.
Чашечные и трубные манометры применяются для тарировки и
поверки рабочих приборов, реже - в качестве рабочих приборов.
Для измерения давлений, меньших 100 - 200 мм водяного столба применяются микроманометры (напорометры). Пример жидкост-
ного напоромера с наклоненной трубкой под углом α = 20…50°
показан на рис. 109.
Р
а
L
h
Рис. 109. Жидкостной напоромер
Высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке, определяется зависимостью h = L.sin(α), а измеряемое давление P = ρ.g.h.
Погрешность таких приборов составляет не более ±1,5 %.
В уравнения измерений жидкостных манометров в зависимости
от их точности необходимо вводить поправки, учитывающие отклонения условий эксплуатации от условий градуировки прибора. Условия эксплуатации определяются температурой и ускорением свободного падения в месте измерений. Под влиянием температуры изменяются как плотность жидкости, применяемой при уравновешивании
давления, так и длина шкалы. Ускорение свободного падения в месте
измерений, как правило, не соответствует его нормальному значению,
Поэтому истинное давление определяется:
ш
( ) ( )
ни
ж
+−⋅+−⋅+⋅=
ttttРP βα
н
−
gg
н
,1
g
н
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]