10212
.pdf2.4.3. Механические манометры
Механические манометры являются измерительными приборами прямого преобразования, в которых давление последовательно преобразуется в переме-
щение чувствительного элемента и связанного с ним механически показываю-
щего, регистрирующего или контактного устройства [3]. Схема механического пружинного манометра представлена на рисунке 2.12в. Одновитковая трубча-
тая пружина 1 с одного конца приварена к держателю 2, прикрепленному к корпусу манометра. Нижняя часть держателя заканчивается шестигранной го-
ловкой и штуцером, с помощью которого к манометру подсоединяется трубка,
подводящая давление. Свободный конец пружины присоединяется к пробке 3
соединенной с поводком 4 шарниром. Под действием подведенного давления пружина 1 перемещается, приводя в движение поводок 4. При перемещении свободного конца пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относи-
тельно оси 8, поворачивая шестерню 6 и сидящую на одной оси с ней показы-
вающую стрелку 7, которая отображает результаты измерения давления на шкале измерительного прибора.
Схожий принцип работы имеют металлические барометры (анероиды),
работающие аналогично барометрам Види и Бурдона [8], которые предназначе-
ны для изменения величины атмосферного давления.
Кроме рассмотренных выше конструкций механических показывающих манометров существуют также сильфонные и мембранные манометры.
2.4.4. Барометры
Барометры – это приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления. В настоящее время известны различные конструкции барометров, а
именно: чашечный барометр; барометр Фортеня; сифонный барометр и пр.
Наиболее простыми по своей конструкции являются чашечные баромет-
ры, заполненные ртутью, отградуированные на мм рт. ст. Схема чашечного ба-
рометра приведена на рисунке 2.12г, принцип работы которого следующий. В
51
верхней части трубки находится пустота. При увеличении атмосферного давле-
ния воздух надавливается на поверхность ртути в чашечке и поэтому часть рту-
ти входит в трубку, вследствие чего ртутный столб в трубке поднимается. При уменьшении атмосферного давления происходит обратное движение, ртутный столб опускается. Для чтения дробных значений миллиметра по шкале прибора используют нониус. К шкале барометра присоединяется подвижная линейка со шкалой в 9 мм, точно деленной на 10 частей. Таким образом, каждое деление нониуса имеет в длину 9/10 мм, следовательно, на 1/10 мм короче деления шка-
лы. Погрешность считывания высоты столба при использовании нониуса не превышает 0,1 мм. При более точных измерениях требуется вводить поправки на отклонение ускорения свободного падения от нормального значения, темпе-
ратуру барометра, а для трубок диаметром менее 8-10 мм – на учет капилляр-
ной депрессии обусловленной поверхностным натяжением ртути.
Барометры устанавливают в помещении с наименьшими возможными ко-
лебаниями температуры внутреннего воздуха за период измерений, а также располагают в местах недоступных для попадания прямых солнечных лучей.
2.4.5. Барографы
При необходимости проведения непрерывных измерений барометриче-
ского давления за некоторый промежуток времени пользуются барографами,
которые являются самопишущими приборами, сконструированными наподобие термографов. Чувствительным элементом, воспринимающим колебания атмо-
сферного давления, служит пружинящая тонкостенная металлическая коробка,
соединенная с системой рычагов. Конечный рычаг снабжен пишущим пером,
наносящим кривую измерений на разграфленной полосе бумаги.
Регулировка прибора и внесение поправок в его показания осуществляет-
ся по показаниям ртутного барометра. Внешний вид барографа М-22А пред-
ставлен на рисунке 2.12д.
52
Рис. 2.12. Схемы манометров. Двухтрубный (а): 1, 2 – стеклянные трубки; 3 - основание; 4 – шкальная пластина. Микроманометр ММН (б): 1 – измерительная трубка; 2 – сосуд; 3 – кронштейн; 4 – сектор. Пружинный (в): 1 – трубчатая пружина; 2 – держатель; 3 - пробка; 4 – поводок; 5 – зубчатый сектор; 6 – шестерня; 7 – измерительная стрелка. Чашечный (г): 1 – нониус; 2 – термометр. Барограф М-22А, ОАО «Гидрометприбор» (д)
53
2.5. Приборы для измерения уровня
Измерение уровня – это определение расстояния от верхней поверхности жидкости или сыпучего вещества, находящегося в резервуаре, до любой произ-
вольно выбранной отметки выше или ниже этой поверхности [7]. Измерители уровня изготавливаются в виде механических, электрических и других устройств, разнообразие конструкций которых связано с широким диапазоном размеров емкостей, различиями в условиях эксплуатации и физико-механи-
ческих свойствах измеряемых веществ.
2.5.1. Поплавковые уровнемеры
Для открытых резервуаров и резервуаров с низким внутренним давлени-
ем применяют поплавковые механические указатели уровня. Поплавок 1 поме-
щают на поверхности жидкости внутри резервуара. Перемещение поплавка вниз-вверх при изменении уровня жидкости передается на отсчетное приспо-
собление, расположенное за пределами резервуара.
На рисунке 2.13а показана принципиальная схема поплавкового уровнемера с электрической дистанционной передачей [7]. На одной из осей установлены барабаны 4, 6, на которые действуют противоположные по направлению вращающие моменты от веса поплавка и уравновешивающего груза 3. При понижении уровня жидкости в баке будет наблюдаться опускание поплавка, а при повышении уровня поднятие поплавка, натяжение троса будет обеспечиваться уравновешивающим грузом. Оба барабана сообщаются с валом сельсина-датчика 5 через зубчатую передачу. Сельсин-датчик передает инфор-
мацию о положении поплавка посредством электрического сигнала сельсину-
приемнику, расположенном в показывающем приборе 7. Положение поплавка,
число оборотов мерительного барабана и показания сельсина-датчика связаны друг с другом известной зависимостью.
Наиболее рациональным является применение данных уровнемеров при измерении уровня жидкостей в открытых резервуарах.
54
2.5.2. Емкостные уровнемеры
Емкостной (конденсаторный) уровнемер – это уровнемеры, принцип ра-
боты которых основан на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилин-
драми или пластинами, частично введенными в жидкость, от её уровня.
Принципиальная схема конденсаторного уровнемера и его электрическая схема для измерения уровня электропроводящих жидкостей находящихся в ме-
таллическом баке представлена на рисунке 2.13б. Преобразователь данного уровнемера выполнен в виде электрода 1, покрытого слоем изоляции 2 и по-
груженного в металлический резервуар 3.
Полная емкость преобразователя определяется по формуле, Φ [3]:
C |
|
C |
|
|
C С |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
пр |
|
и |
|
С |
С |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
,
(2.26)
где C1 – емкость конденсатора, обкладками которого является поверхность электрода 1, Φ; C2 – емкость конденсатора, одной обкладкой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором 2, второй – поверхность резер-
вуара 3, Φ; Cи – емкость проходного изолятора, Φ.
При увеличении высоты h, м, увеличивается площадь обкладки – поверх-
ность жидкости, что ведет к увеличению C1.Таким образом, зависимость пол-
ной емкости преобразователя от высоты уровня жидкости известна и после пе-
редачи её значения на вторичный преобразователь отображается на его дис-
плее. Данная конструкция конденсаторного уровнемера не является единствен-
ной и зависит от электрической проводимости корпуса бака, жидкости, чей уровень измеряется, требуемой точности измерения и пр.
Емкостные уровнемеры широко распространены по причине их дешевиз-
ны, простоты обслуживания, удобства монтажа, отсутствия подвижных элемен-
тов, возможности использования в широком диапазоне температур и давлений.
Недостатком данных уровнемеров является сложность измерения ими уровней вязких, пленкообразующих, кристаллизующихся жидкостей.
55
2.5.3. Радиоволновые уровнемеры
Радиоволновыми называют уровнемеры, основанные на зависимости па-
раметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости. К ра-
диоволновым методам относятся: радиолокационный; радиоинтерферационной;
эндовибраторный; резонансный [3]. Рассмотрим принцип работы радиолокаци-
онного уровнемера, который основывается на явлении отражения электромаг-
нитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и маг-
нитными свойствами. Схема работы уровнемера представлены на рисунке
2.13в. Уровнемер состоит из излучателя 1, приемника электромагнитной энер-
гии 2 и преобразователя 3 измерения интервала времени.
Уровень h определяется измерением временного интервала между момен-
том отправления сигнала излучателем 1 и приходом отражаемого сигнала на приемник 2 и выражается из формулы, м:
|
2(H h) |
|
c |
|
|
|
|
,
(2.27)
где H – высота, указанная на рисунке 2.13в, м; τ – время прохождения сигнала,
с; ε·μ – произведение диэлектрической и магнитной проницаемость измеряемой среды; c – скорость света в вакууме, м/с.
Радиоволновые уровнемеры применяются для измерения процессов, ха-
рактеризующихся тяжелыми условиями работы чувствительного элемента,
например высокой температурой или требующих высокой точности измерений и повышенной надежности работы.
2.5.4. Акустические уровнемеры
Акустические уровнемеры подразделяются по принципу действия на: ло-
кационные; поглощения; резонансные. Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры, работа которых основана на эффекте отражения уль-
тразвуковых колебаний от границы раздела жидкость-газ.
56
Упрощенная схема акустического локационного уровнемера представле-
на на рисунке 2.13г [3]. Источником и приемником отраженных ультразвуко-
вых колебаний является пьезоэлемент, помещенный в акустический преобразо-
ватель 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые воз-
буждаются пьезоэлементом в результате подачи на него электрических импуль-
сов от генератора 2. Генератор включает схему измерения времени 4. Отражен-
ный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время τ, со-
ответствующе контролируемому уровню h, м. Таким образом, измеряемый уро-
вень жидкости h определяется по формуле:
2(H h) c
,
(2.28)
где H, h, c – тоже, что и в формуле (2.27).
Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в элек-
трический сигнал, который усиливается с помощью усилителя 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 конвертирует значение времени в выходной сигнал, который измеряется вторичным прибором 6. Блок темпера-
турной компенсации 7 предназначен для уменьшения влияния изменения тем-
пературы газа и включает в себя термопреобразователь сопротивления.
2.5.5. Термокондуктометрические уровнемеры
Термокондуктометрические уровнемеры – это уровнемеры, элементом электрической цепи которых является нагреваемый током резистор с большим температурным коэффициентом электросопротивления, электрическое сопро-
тивление которого зависит от уровня жидкости [3].
Принцип действия данного уровнемера основан на различии условий теплообмена в жидкостях и газах. Чувствительным элементом уровнемера яв-
ляется протяженный терморезистор, электрическое сопротивление которого определяется его температурой, причем чувствительность преобразователя уве-
личивается с ростом температурного коэффициента электросопротивления ма-
териала. Термокондуктометрический преобразователь помещен в резервуар од-
57
ной частью в измеряемую жидкость, а другой в газовое пространство. В случае изменения уровня жидкости меняется соотношение длин этих участков.
Для поддержания теплоотдачи необходимо проводить подогрев преобра-
зователя, который может осуществляться либо проходящим через преобразова-
тель током постоянной силы, либо с помощью дополнительного косвенного по-
догревателя. Принцип действия термокондуктометрического преобразователя заключается в использовании различия теплоотдачи нагретого терморезистора к жидкости и газу, что приводит к отличной их температуре и как следствие различному сопротивлению. Совокупное электрическое сопротивление обоих
участков будет находиться в зависимости от уровня жидкости. |
|
Зависимость между приращением электрического сопротивления |
R, Ом, |
и уровнем жидкости описывается следующей зависимостью: |
|
R r0 h(t2 t1 ) , |
(2.29) |
где r0 – удельное электрическое сопротивление сухого преобразователя, Ом/м; α – температурный коэффициент сопротивления сухого преобразователя, K‒1; t1, t2 – температура сухого и погруженного термоэлектрического преобразова-
теля, °C (K); h – уровень жидкости, м.
Коэффициент преобразования R/h увеличивается с повышением удель-
ного сопротивления терморезистора и его температурного коэффициента со-
противления, а также с ростом температуры сухого преобразователя.
Чрезмерное повышение температуры сухого преобразователя недопусти-
мо, так как оно может привести к опасности повреждения протяженного термо-
резистора и к повышению температуры жидкости, уровень которой контроли-
руется в процессе измерений.
Основным направлением применения термокондуктометрических уров-
немеров являются измерения уровня сжиженного газа в криогенной технике.
58
Рис. 2.13. Уровнемеры. Поплавковый (а): 1 – поплавок; 2 – счетчик для согласования сельсинов; 3 – противовес; 4 – вспомогательный барабан; 5 – сельсин-датчик; 6 – мерительный барабан; 7 – вторичный преобразователь. Конденсаторный (б): 1 – стержень; 2 - изоляция; 3 – резервуар; Zпр – выходное сопротивление, Ом; Rж – активное сопротивление жидкости, Ом; Rи – активное сопротивление изолятора, Ом. Радиолокационный (в): 1 – излучатель; 2 – приемник электро-магнитной энергии; 3 – преобразователь измерения интервала времени. Акустический, локационный (г): 1 – акустический преобразователь; 2 – генератор; 3 – усилитель; 4 – схема измерения времени; 5 – преобразователь; 6 – вторичный прибор; 7 – блок температурной компенсации. Термокондуктометрический (д): 1 – измеряемая жидкость; 2 - протяженный терморезистор
59
2.6. Приборы для анализа составов газов
Газоанализаторы – это средства измерений, применяемые в различных отраслях промышленности (включая тепловую энергетику) для анализа соста-
вов газов (в том числе воздуха).
2.6.1. Объемные химические газоанализаторы
Объемные химические газоанализаторы предназначены для измерения концентрации в смеси газов диоксида углерода, сероводорода, диоксида серы,
кислорода, оксида углерода, водорода, непредельных и предельных углеводо-
родов и азота. О содержании измеряемого компонента судят по изменению объема газовой смеси по результатам избирательного поглощения, каталитиче-
ского окисления или сжигания определенного компонента. Для поглощения во-
дорода и оксида углерода используется щелочной раствор полухлористой меди.
Кислород поглощается щелочным раствором пирогаллола.
Принципиальная схема объемного химического газоанализатора предна-
значенного для измерения двух компонентов газовой смеси: СО2 и О2 (рис. 2.14а). Прибор состоит из измерительной бюретки 1, соединенной с гребенкой
2, к которой подключаются два поглотительных сосуда 3, 4. Сосуд 3 заполнен раствором едкого калия и используется для поглощения СО2, сосуд 4 содержит щелочной раствор пирогаллола для поглощения О2. Так как, второй раствор по-
глощает СО2, в процессе проведения замеров в первую очередь определяют именно содержание СО2 и только потом кислорода. Внутри мерной бюретки находится сообщающаяся с атмосферой трубка 5, которая используется для контроля давления пробы газа после поглощения определяемого компонента.
Отбор пробы при открытом кране 9 и прокачивание газа через прибор осу-
ществляется резиновой грушей 6. Напорный сосуд 7 с запирающей жидкостью опущен, газ через трубку 5 выталкивается в атмосферу. При подъеме напорного сосуда 7 запирающая жидкость при достижении конца трубки 5 отсекает от ат-
мосферы пробу газа необходимого объема. В двух других положениях крана 8
60