Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

Вимірювальні перетворювачі «САФІР» і «Сапфир 22Р», залежно від модифікації, позначають цифровим шифром. Зручнішим є маркування приладів «Агат» і «Сапфир-22» наступними літерними позначеннями вимірюваного параметра: ДА — абсолютного тиску; ДИ — надлишкового тиску; ДИВ — тиску-розрідження; ДД — різниці тисків і ДГ — гідростатичного тиску (застосовуваного для вимірювання рівня рідин, як описано в розділі 11.1). Кожний з них має ряд модифікацій, що відрізняються діапазоном виміру, класом точності (0.25; 0.5; 1.0), виконанням і т.д.

На рис. 8.8 наведена принципова схема вимірювального блоку «Сапфир 22Р-ДИ». Чутливий елемент являє собою пластину 1 мембранного тензомодуляз монокристалічного сафіру із кремнієвими плівковими тензорезисторами 2, включеними в чотири плеча мостової схеми. Тензомодуль закріплено на підставці 3 і відділено від вимірюваного середовища двома розділовими мембранами 4 і 5. Замкнені порожнини між тензомодулем і мембранами заповнені поліметилсилоксановою рідиною 6.

Рис. 8.8. Схема тензометричного ПП тиску

В «плюсову» камеру подають вимірюваний тиск Р1, а в «мінусову» камеру дифманометра (ДД) — тиск Р2. При цьому «мінусова» камера перетворювачів абсолютного тиску (ДА) вакуумована й герметизована, а у інших модифікаціях з’єднується з атмосферою.

Вимірювана різниця тисків Р1 — Р2 впливає на тензомодуль з боку «плюсової» камери через мембрани 4, 5 і рідину 6. Це приво-

дить до прогину пластини 1 і, відповідно, до розбалансу тензомоста 2. Електричний сигнал з тензомодуля передається з порожнини робочого тиску у вбудований електронний пристрій 7 по дротах через герметичний вивід 8. Вбудований електронний пристрій 7 змонтований на двох платах з використанням спеціалізованої мікросхеми попереднього посилення й нормалізації електричного сигналу від тензомодуля. Тут же є два потенціометри — коректори діапазону

йнуля вихідного сигналу, використовувані при налагодженні.

Укомплекті з вимірювальним блоком типу «Сапфір-22Р» працює блок живлення й захисту типу БП-36, який забезпечує живлення первинного перетворювача, формування вихідного сигналу 0…5 мА, 0…20 мА, 4…20 мА, а також обмеження струму у вимірювальних ланцюгах для запобігання іскріння (вибухобезпечне виконання).

9. ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ

Найважливішим технологічним параметром є температура, вимірювання якої здійснюють за допомогою значного числа методів і схем. ЗВТ для вимірювання температури називають термометрами. ОдиницеювимірюваннятемпературивсистеміСІєградусКельвіна. Однак, переважна більшість термометрів має шкали, виражені в градусах Цельсія. Найпоширенішими є наступні стандартні шкали ЗВТ температури: [-50…50; 0…100; 0…150; 0…300; 0…450; 0…600; 0…900; 0…1200] °С.

Залежно від необхідного діапазону вимірювання, точності й зручності вимірювання температури в харчовій промисловості застосовують рідинні, біметалічні, дилатометричні, манометричні, термоелектричні (термопари), фотоелектричні термометри і термометри опору.

9.1. Вимірювальні прилади і ПП температури

9.1.1. Скляні рідинні термометри

Принцип дії скляних рідинних термометрів заснований на тепловому розширенні термометричної рідини, розміщеної в термометрі.

У якості заповнюючих рідин застосовують ртуть, толуол, етиловий спирт, гас та ін. Ртутні термометри дозволяють вимірювати температуру в діапазоні від –35 до 600 °С, толуолові від — 90 до 200 °С, спиртовівід— 80 до70 °С, гасовівід— 60 до300 °С. Найточнішими є ртутні термометри, які бувають зразковими, лабораторними й технічними. Інші термометри випускаються лише як технічні.

Скляні рідинні термометри (рис. 9.1) складаються із чутливого елемента — термобалона 1, капіляра 2, шкали 3 і оболонки 4. При зміні вимірюваної температури рідина, яка їх заповнює, міняє свій об’єм, що виражається в переміщенні її стовпа в капілярі уздовж шкали.

Ртутні термометри при цьому можуть додатково мати пристрій, котрий сигналізує: його нерухомі контакти замикаються стовпчиком ртуті, яка переміщається по капіляру. Однак на виробництві ці термометри не знайшли широкого застосування.

а) б)

Рис. 9.1. Скляний рідинний термометр: а) — прямий; б) — кутовий

Залежно від форми нижньої частини скляні термометри бувають прямими й кутовими. Точність скляних термометрів характеризується діапазоном вимірювання й ціною поділки шкали.

9.1.2. Біметалічні термометри

Біметалічні термометри в основному застосовують у схемах сигналізації й позиційного регулювання температури в інтервалі —

60…300 °С. Чутливий елемент — біметалічна пластина (рис. 9.2), зварена із двох шарів металів 1 і 2, що мають різні коефіцієнти лінійного розширення. Найчастіше це латунь -інвар або сталь-інвар, де сплав інвар має дуже низький, практично нульовий, коефіцієнт лінійного розширення. При нагріванні біметалічна пластина, закріплена одним кінцем, згинається у бік металу з меншим коефіцієнтом, переміщуючи шток 3, з’єднаний з одним із перетворювачів переміщення, наприклад, розглянутим раніше релейним ПП. Рідше застосовують біметалічні спіралі 4 для перетворення температури в показання стрілки 5. Такі термометри мають низький клас точності 4, 6 і нижче (клас індикаторів).

Рис. 9.2. Біметалічні термометри: а) — біметалічна пластина; б) —

біметалічна спіральна пружина

9.1.3. Дилатометричні термометри

Дилатометричні датчики-реле застосовують у системах сигналізації й двопозиційного регулювання температури неагресивних газів і рідин у межах діапазону вимірювання від — 30 до + 350 °С. Принцип дії заснований на використанні теплового лінійного розширення твердих тіл (стрижнів, пластинок, спіралей). На рис. 9.3 показаний дилатометричний датчик-реле температури типу ТУДЭ.

Чутливий елемент складається з латунної або сталевої трубки 1, що має високий коефіцієнт лінійного розширення, всередині якої роз-

міщений стрижень 2 з інвару. Нижній кінець трубки 1 зварений заодно зі стрижнем 2, а верхній закріплено в штуцері 3. У головці 4 розміщений важель 5, що зчленований зі стрижнем 2, і за допомогою пружини (тут не показаної) діє на електроконтактний механізм 6.

При зміні вимірюваної температури довжина трубки 1 змінюється, а стрижня 2 — ні, що спричиняє зміну положення важеля 5 і сили дії на електроконтактний механізм. Рівень сили, при якій механізм спрацьовує, задають положенням ручки гвинта-задатчика 7, що має шкалу в градусах Цельсія.

Рис. 9.3. Дилатометричний датчик-реле температури типу ТУДЭ

Длявимірюваннятемпературинижнючастинутермометра(трубку 1) повністю занурюють в робоче середовище. Класи точності дилатометричних і біметалічних термометрів однакові.

9.1.4. Манометричні термометри

Манометричний термометр, показаний на рис. 9.4, являє собою термосистему постійного об’єму V = const, що складається із чутливого елемента (термобалона) 1, що поринає в середовище з вимірюваною температурою Т, манометра 3, шкала якого виражена °С, і лінії зв’язку між ними — капілярної трубки 2. Капілярні трубки при цьому виготовляють із міді або сталі із зовнішнім діаметром 2,5 мм, а внутрішнім — 0,35 мм. Довжину капіляра вибирають із

наступного стандартного ряду: 1, 1.6; 2, 4, 6, 10, 16, 25, 40, 60 м.

Від ушкоджень капіляри захищають металевою оболонкою (бронешлангом).

Принцип дії манометричних термометрів можна пояснити за допомогою відомого рівняння для газів: PV = RT. При V = const воно набуває вигляду: Р = кТ, де к = R/V — коефіцієнт пропорційності. Отже, при постійному об’ємі V термосистеми тиск Р в ній прямо пропорційний вимірюваній температурі Т.

Рис. 9.4. Манометричний термометр типу ТППпСК

Термосистеми манометричних термометрів заповнюють газом, рідиною або їх сумішшю, що визначає їхню назву: газові, рідинні або конденсаційні термометри.

Газові манометричні термометри працюють у діапазоні [-150… 600] °С, рідинні — у діапазоні [-150…300] °С, а конденсаційні — у діапазоні [-50…300] °С. Вони мають класи точності 1, 1.5, 2.5.

Розрізняють манометричні термометри, що показують, сигналізують і самописні (з дисковою діаграмою). При цьому конструкції пристроїв цих термометрів, що показують і сигналізують, ідентичні з тими, які застосовуються у розглянутих нами технічних манометрах. Привод діаграми самописних термометрів такий же, як у механічних годинників — з ручним заведенням пружини.

9.1.5. Термоелектричні термометри

Термоелектричні термометри широко застосовують у промисловості для вимірювання температур рідин, газів і поверхонь устаткування.

Принцип дії термоелектричних термометрів заснований на виникненні термо-е.р.с. в електричному замкненому колі, складеному із двох різнорідних провідників (термопари). Величина цієї термо-е.р.с. пропорційна різниці температур місць з’єднання термоелектродних дротів — «гарячого» і «холодного» спаїв. Для вимірювання термо-е.р.с. «холодний» спай розривають і послідовно з «вільними кінцями» термопари включають мілівольтметр.

Термоелектричні термометри, згідно із ДСТУ 2857-94, бувають 12 видів, які відрізняються між собою матеріалами використаних провідників. Характерним для харчової промисловості є застосування наступних термопар: хромель-копелевих (ТХК), хромельалюмелевих (ТХА) і платинаплатинородійових (ТПП). Їхні номінальні статичні характеристики перетворення (НСХ) позначають, відповідно, так: ХК (L), ХА (K) і ПП (S). У дужках тут зазначені їхні міжнародні позначення.

ТХК застосовують у діапазоні температур [–50…600]°С і короткочасно до 800 °С, ТХА — у діапазоні [–50…1200]°С і короткочасно до 1300 °С, а ТПП — у діапазоні [0…1300]°С і короткочасно до 1600 °С.

Термоелектричні термометри характеризуються класами точності 1 і 2 — для ТПП, 1, 2, 3 — для ТХА й 2, 3 — для ТХК. Самі класи точності при цьому визначаються за межами припустимої основної похибки, що розраховується за формулою:

де t — вимірювана температура; к1, к2 — постійні коефіцієнти, значення яких визначені градуюванням і класом точності термопари.

Для правильного вибору ПП потрібно знати його інерційність, яку визначають показником теплової інерції ε∞. Згідно ДСТУ285794 значення ε∞ визначають за графіком перехідного процесу термопари в режимі простого охолодження після стрибкоподібного переносу ПП із гарячої води з температурою 50…100 °С у воду з температурою 15…20 °С. Показник теплової інерції ε∞ визначають як відрізок часу, за який зміна термо-е.р.с. термопари склала 0,63 від максимального в даному перехідному процесі.

Конструкція термоелектричного термометра, показана на рис. 9.5, передбачає захисний чохол 1, у торцевій частині якого розміщений чутливий елемент — «гарячий спай» 2, що являє собою скручені й зварені між собою провідники термопари. У чохлі про-

Подвійний термоелектричний перетворювач, чутливі елементи якого мають однакове градуювання, але різну інерційність, називають швидкісною термопарою. Його перехідна характеристика відповідає характеристиці реального диференціатора, коли амплітуда вихідного сигналу ПП пропорційна швидкості dt/dτ зміни температури t, а при t = const стає рівною нулю. У цьому легко переконатися при графічному вирахуванні експоненти перехідного процесу одного чутливого елемента з експоненти іншого, коли вони відрізняються тільки своєю інерційністю. Швидкісну термопару застосовують для введення сигналу з похідної вимірюваної температури у відповідний регулятор.

Термоелектричні термометри підключають до вторинних приладів за допомогою тих же термоелектродних дротів, які утворюють термопару. Застосування для цих цілей мідних або інших дротів призводить до виникнення нових термопар у місцях підключення термо-е.р.с., які не зрівноважують один одного, що приводить до великої похибки вимірювання. Тому використовують спеціальні термокомпенсаційні проводи, які при з’єднанні з термоелектричним термометром не викликають значної похибки вимірювання. У довідковій літературі приводиться опис термокомпенсаційних дротів для всіх типів термоелектричних термометрів [6].

9.1.6. Термометри опору

Термометри опору (ТО) застосовують у промисловості для вимірювання температур газів, рідин і технологічних поверхонь.

Принцип дії термометрів опору заснований на залежності електричної провідності металів (дротові ТО) і напівпровідників (термістори, позистори) від температури.

Згідно із ДСТУ 2858-94 чутливий елемент дротового ТО являє собою платиновий, мідний або нікелевий дріт, намотаний бифілярно на керамічний або інший каркас.

Сучасні платинові й мідні ТО мають класи допуску А, В, С, а нікелеві — тільки С. Кожному класу відповідають свої коефіцієнти адитивної і мультиплікативної складових у формулі розрахунку меж припустимої основної похибки термометрів опору:

Показник теплової інерції ε∞ термометрів опору визначають так само, як у випадку термоелектричних термометрів

Увиробничих умовах перевірку працездатності ТО можна здійснити за реперними точками — температурі плавлення льоду й кипіння води, порівнявши результати вимірів зі значеннями НСХ конкретно взятогоТО.

Номінальні статичні характеристики перетворення дротових термометрів опору, названі градуюванням, позначаються цифрою (значення опору R0 термометра при 0 °С) і буквою (матеріал провідника:

М— мідь, П — платина, Н — нікель). Термометри опору випуска-

ють зі значенням R0 згідно з таким рядом: 1, 5, 10, 50, 100, 500, 1000 Ом. Зі збільшенням R0 чутливість ТО зростає. Найпоширеніші термометри градуювання 50П, 100П и 50М, 100М.

УСРСР нікелеві термометри не випускалися, платинові мали класи

точності (допуску) 1 та II і мали градуювання гр.20 (R0 = 10 Ом), гр.21 (R0 = 46 Ом) ігр.22 (R0 = 100 Ом). МіднітермометрималикласиII таIII і градуювання гр.23 (R = 53 Ом) та гр.24 (R0 = 100 Ом).

Рис. 9.7. Дротовий термометр опору

Конструкція термометра опору, що показана на рис. 9.7, передбачає наявність захисного чохла 2, який захищає чутливий елемент 1 від механічних та хімічних ушкоджень. Чохол буває різної довжини, товщини й матеріалу. Це визначає відповідно глибину установки датчика в об’єкті, припустимі тиски й агресивність середовища, де вимірюють температуру. Чутливий елемент 1, розташований наприкінці захисного чохла 2, з’єднано з монтажними контактами 3проводами, які просмикнуто крізь керамічне намисто 4, щоб уникнути короткого замикання. Контакти 3 розташовано в пластмасовій