- •Технические измерения и приборы
- •Введение
- •Измеряемые и регулируемые величины
- •1. Государственная система приборов
- •1.1. Основные понятия и определения гсп
- •1.2. Принципы построения гсп
- •1.3. Классификация средств измерения и автоматизации гсп
- •1.3.1. Функциональные группы изделий гсп
- •1.3.2. Примеры агрегатных комплексов
- •1.4. Основные ветви системы
- •Контрольные вопросы
- •2. Общие характеристики средств измерения
- •2.1. Классификация средств измерения
- •2.1.1. Классификация компонентов измерительных устройств
- •2.2. Типовые структурные схемы измерительных устройств
- •2.2.1. Структурные схемы средств измерения неэлектрических величин
- •2.2.2. Структурные схемы измерительных систем
- •2.3. Статические характеристики и параметры измерительных устройств
- •2.4. Динамические характеристики измерительных устройств
- •2.5. Погрешности средств измерений
- •2.6. Нормирование метрологических характеристик средств измерений
- •2.6.1. Нормирование метрологических характеристик измерительных устройств
- •2.6.2. Нормирование метрологических характеристик измерительных систем
- •Контрольные вопросы
- •3. Измерительные информационные системы
- •3.1. Основные понятия об измерительных информационных системах
- •3.1.1. Поколения измерительных информационных систем
- •3.1.2. Классификация иис
- •3.1.3. Требования, предъявляемые к иис
- •3.1.4. Основные компоненты иис
- •3.2. Виды информационно-измерительных систем
- •3.2.1. Измерительные системы
- •3.2.1.1. Многоканальные ис
- •3.2.1.2. Сканирующие ис
- •3.2.1.3. Ис параллельно-последовательного действия (многоточечные)
- •3.2.2. Системы автоматического контроля
- •3.2.3. Системы технической диагностики
- •3.2.4. Система телеизмерения
- •3.2.5. Перспективы развития иис
- •Контрольные вопросы
- •4. Электрические измерения и приборы
- •4.1. Аналоговые средства измерений
- •4.1.1. Электромеханические приборы
- •4.1.1.1. Приборы магнитоэлектрической системы
- •4.1.1.2. Гальванометры
- •4.1.1.3. Приборы электромагнитной системы
- •4.1.2. Компенсаторы постоянного тока
- •4.1.3. Электронные аналоговые вольтметры
- •4.2. Цифровые электронные вольтметры
- •4.2.1. Цифровой вольтметр с глин
- •4.2.2. Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования
- •4.3. Измерение параметров элементов электрических цепей
- •4.3.1. Метод вольтметра-амперметра
- •4.3.2. Метод непосредственной оценки
- •4.3.2.1. Электромеханические омметры
- •4.3.2.2. Электронные омметры
- •4.3.3. Компенсационный метод измерения сопротивлений
- •4.3.4. Метод дискретного счета
- •4.4. Электронно-счетный частотомер
- •Контрольные вопросы
- •5. Передающие преобразователи неэлектрических величин
- •5.1. Дифференциально-трансформаторные преобразователи
- •5.2. Передающие преобразователи с магнитной компенсацией
- •5.3. Электросиловые преобразователи
- •5.4. Измерительные тензопреобразователи
- •Контрольные вопросы
- •6. Измерение температур
- •6.1. Практические температурные шкалы
- •Средства измерения температур
- •6.2. Термометры расширения
- •6.2.1. Стеклянные жидкостные термометры
- •Технические электроконтактные термометры
- •6.2.2. Манометрические термометры
- •6.2.2.1. Газовые манометрические термометры
- •6.2.2.2. Жидкостные манометрические термометры
- •6.2.2.3. Конденсационные манометрические термометры
- •6.3. Термоэлектрические термометры
- •6.3.1. Характеристики материалов для термоэлектрических преобразователей
- •6.3.2. Конструкция термоэлектрических термометров
- •6.3.3. Удлиняющие термоэлектродные провода
- •6.4. Термометры сопротивления
- •6.4.1. Медные термометры сопротивления
- •6.4.2. Никелевые термометры сопротивления
- •6.4.3. Платиновые термометры сопротивления
- •6.4.4. Неметаллические термометры сопротивления
- •6.4.5. Устройство термометров сопротивления
- •6.4.6. Способы подключения термометров сопротивления
- •6.4.6.1. Двухпроводная схема подключения
- •6.4.6.2. Трехпроводная схема подключения
- •6.4.6.3. Четырехпроводная схема подключения
- •6.5. Динамическая характеристика термопреобразователей
- •6.6. Промышленные термопреобразователи
- •6.6.1. Преобразователи термоэлектрические тха «Метран-201» и тхк «Метран-202»
- •6.6.2. Термопреобразователи сопротивления медные взрывозащищенные тсм «Метран-253» (50м) и тсм «Метран-254» (100м)
- •6.6.3. Термопреобразователи сопротивления платиновые тсп «Метран-245»; «Метран-246»
- •6.6.4. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом тхау «Метран-271», тсму «Метран-274», тспу «Метран-276»
- •6.6.5. Термопреобразователи микропроцессорные тхау «Метран-271мп», тсму «Метран-274мп», тспу «Метран-276мп»
- •6.6.6. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281», «Метран-286»
- •Контрольные вопросы
- •7. Измерение давления
- •7.1. Классификация манометров
- •7.1.1. По виду измеряемого давления
- •7.1.2. По принципу преобразования измеряемого давления
- •7.2. Деформационные манометры
- •7.2.1. Трубчато-пружинные манометры
- •7.2.2. Электроконтактные манометры
- •7.2.3. Манометры с дтп
- •7.2.4. Манометры с компенсацией магнитных потоков
- •7.2.5. Преобразователи давления с силовой компенсацией
- •7.2.6. Сильфонные манометры и дифманометры
- •7.2.7. Мембранные манометры и дифманометры
- •7.3. Пьезоэлектрические манометры
- •7.4. Манометры с тензопреобразователями
- •7.5. Методика измерения давления и разности давлений
- •Контрольные вопросы
- •8. Измерение уровня
- •8.1. Уровнемеры с визуальным отсчетом
- •8.2. Гидростатические уровнемеры
- •8.3. Поплавковые и буйковые уровнемеры
- •8.4. Емкостные уровнемеры
- •8.5. Индуктивные уровнемеры
- •8.6. Ультразвуковые уровнемеры
- •Контрольные вопросы
- •9. Измерение расхода
- •9.3. Измерение расхода по переменному перепаду давления
- •9.3.1. Расходомеры с сужающими устройствами
- •9.3.2. Измерение расхода по переменному перепаду давления в осредняющей напорной трубке
- •9.4. Расходомеры постоянного перепада
- •9.4.1. Ротаметры
- •9.4.2. Тахометрические расходомеры
- •9.4.3. Электромагнитные расходомеры
- •9.9. Схема расходомера с электромагнитом
- •9.4.4. Ультразвуковые расходомеры
- •9.4.5. Вихревые расходомеры
- •9.4.6. Вихреакустические расходомеры
- •9.12. Схема проточной части расходомера «Метран 300 пр»
- •9.4.7. Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры
- •9.5. Обзор имеющихся расходомеров
- •Контрольные вопросы
- •10. Измерение положения, скорости, ускорения
- •10.2. Фотоэлектрические преобразователи положения
- •10.3. Кодовые датчики положения
- •10.4.3. Импульсные датчики скорости
- •10.5. Инерционные датчики ускорения, скорости, положения
- •Контрольные вопросы
- •11. Метрологическое обеспечение измерений
- •11.1. Передача размера единиц измерения
- •11.2. Регулировка, градуировка и поверка средств измерений
- •11.3. Метрологическое обеспечение средств измерений давления
- •Грузопоршневые манометры
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Список литературы
9.4. Расходомеры постоянного перепада
Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами) находят наибольшее распространение в промышленности. Из-за существующих ограничений на применение стандартные сужающие устройства используются не всегда. В этих случаях используются другие типы расходомеров, наиболее употребительные из которых рассмотрены ниже.
9.4.1. Ротаметры
Пределы измерения расхода «по воде» – 0,002516 м3/ч, «по воздуху» – 0,06340 м3/ч. Погрешность измерения – 2,54,0 %.
Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы измерения ротаметров по воде находятся в пределах от 0,04 до 16 м3/ч) или газов (верхние пределы измерения ротаметров по воздуху находятся в пределах от 0,063 до 40 м3/ч). Ротаметры устанавливаются в вертикальных трубопроводах диаметром 4¸100 мм.
В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую (расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1 (рис. 9.4), внутри которой располагается поплавок 2.
Рис. 9.4. Схема ротаметра
Поплавки могут иметь различную форму, например, цилиндр с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки.
Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор fк, при прохождении через который жидкость су-
жается и, таким образом, возникает разность между давлением p1 в сечении АА до начала сужения и давлением p2 в самом узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь fк увеличивается, что в случае неизменного расхода приведет к уменьшению разности p1 – p2. Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на него со стороны жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно связано с расходом.
На поплавок, имеющий объем V, наибольшее сечение f, среднюю плотность Δ, сверху вниз действует сила тяжести
. (9.6)
Снизу вверх на поплавок действуют:
сила, обусловленная разностью статических давлений p1 – p2, возникающая вследствие ускорения потока в кольцевом зазоре между стенкой и поплавком, F = (p1 – p2) f;
динамический напор W= (v2/2) f, где – коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от его формы; – плотность среды; v – ее скорость в сечении АА;
сила трения потока о боковую поверхность поплавка N = kvnк fб, где k – коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поплавка; vк – средняя скорость потока в кольцевом зазоре; n – показатель степени, зависящий от скорости; fб – площадь боковой поверхности поплавка.
Число Рейнольдса (Re) представляет собой отношение сил инерции к силам вязкости потока:
, (9.7)
где v – средняя по сечению трубопровода скорость потока, D – диаметр трубопровода, – кинематическая вязкость потока.
Поплавок будет неподвижно висеть в потоке жидкости или газа, если будет соблюдаться равенство сил, действующих на него сверху и снизу:
. (9.8)
Отсюда можно получить уравнение
. (9.9)
Если пренебречь силами W и N, то можно записать
, (9.10)
т.е. перепад давления на поплавке оказывается не зависящим от расхода (в действительности из-за увеличения W и N перепад с увеличением расхода несколько уменьшается). Поэтому ротаметры относятся к группе расходомеров постоянного перепада. Действие ротаметра можно пояснить, используя выражение (9.10).
Предположим, что при исходном расходе Qо поплавок занимает исходное положение, характеризующееся площадью кольцевого зазора fк1. При этом на поплавок действует перепад p1 – p2, при котором выполняется равенство (9.10). При увеличении расхода в первый момент положение поплавка и fк неизменны, в силу чего p1 – p2 начнет увеличиваться. При этом нарушается равенство (9.10) и поплавок начнет подниматься вверх. При этом fк будет увеличиваться (из-за конусного профиля трубки), что приведет к уменьшению p1 – p2. Подъем поплавка будет осуществляться до тех пор, пока вновь не восстановится равенство (9.10). Очевидно, что любому расходу будет соответствовать определенная площадь fк кольцевого зазора, т.е. определенное положение поплавка. Уравнение, связывающее Qо и fк, обычно записывается в виде, аналогичном уравнению расхода для расходомеров переменного перепада:
. (9.11)
Из (9.11) следует, что при = const существует линейная зависимость между Qо и fк. Однако при конической форме трубки линейной зависимости между Qо и перемещением поплавка Н не будет из-за нелинейной зависимости fк = (H). Кроме того, в реальных условиях при перемещении поплавка несколько изменяется . Поэтому использование равномерной шкалы для ротаметров обусловливает определенную долю в общей погрешности измерения.
Из (9.10) следует также, что положение поплавка зависит не только от расхода, но и от плотности контролируемой среды, т.е. градуировка ротаметра должна производиться с ее учетом. Из-за большого разнообразия контролируемых сред ротаметры подразделяются на две группы: для жидкостей, которые градуируются на воде, и для газов, которые градуируются на воздухе.
Если такие ротаметры используются для измерения расхода других сред, то их показания нужно умножать на поправочный множитель k. Если вязкости измеряемой и градуировочной сред близки, то
, (9.12)
где гр и – градуировочная и действительная плотность среды соответственно.
Обычно для газов << п, и в этом случае . Переградуировка ротаметра в соответствии с (9.11) может быть осуществлена изменением п, например, путем изготовления поплавка из другого материала или пустотелым.
Обычно в ротаметрах используются стеклянные конические трубки, на наружной поверхности которых нанесена шкала. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость поплавка. Ротаметры со стеклянной конусной трубкой применяются для измерения расхода газов или прозрачных жидкостей, находящихся под давлением не более 0,6 МПа (6 кгс/см2).
Для измерения расхода сред под избыточным давлением до 6,4 МПа (64 кгс/см2) используются ротаметры с металлической конической трубкой. Обычно такие ротаметры снабжаются дифференциально-трансформаторными или пневматическими преобразователями для дистанционной передачи показаний. Класс ротаметров с дифференциально-трансформаторным преобразователем в комплекте с вторичным прибором равен 2,5. Ротаметры с выходным пневматическим сигналом 0,2¸1 кгс/см2 выпускаются классов 1,5 и 2,5.
Материал поплавков – сталь, алюминий, бронза, эбонит, пластмассы – не должен подвергаться коррозии в контролируемой среде.
Ротаметры обладают рядом достоинств: простота устройства; возможность измерения малых расходов и на трубопроводах малых диаметров; практически равномерная шкала.
Недостатки ротаметров: необходимость установки только на вертикальных участках трубопроводов; трудности дистанционной передачи показаний и записи; непригодность для измерения расхода сред с высоким давлением и температурой.