9.1. Средства измерения расхода газообразных, жидких и сыпучих материалов.

Расход – это количество вещества протекающего через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Различают объемный (м³/ч и м³/с) и массовый (кг/с, кг/ч) расходы.

Измерительный прибор, служащий для измерения расхода называется расходомером.

Существует множество методов измерения расхода.

Для измерения расхода газа, жидкости и пара нашли применение следующие методы:

1. переменного перепада давления;

2. постоянного перепада давления;

3. метод динамического давления;

4. объемный метод;

5. скоростной метод.

Наибольшее распространение на практике получил метод переменного перепада давления. Измерение расхода по этому методу основано на определении давления вещества протекающего через местное сужение в трубопроводе. Местные сужения создаются специальными устройствами чаще всего диафрагмами, реже соплами и трубами Вентури.

Рис. 9.1. Стандартные сужающие устройства:

а) диафрагма;

б) сопло.

На рис. 9.1. показаны стандартные сужающие устройства: диафрагма (а) и сопло (б). Диафрагма представляет собой тонкий диск 1 установленный между фланцами 2 в трубопроводе 3, так чтобы ее входное отверстие было концентрично внутреннему контуру трубопровода. Передняя входная часть диафрагмы имеет цилиндрическую форму, а выходная представляет собой расширяющийся конус. Сопло 1 имеет профилированную входную часть, которая затем переходит в цилиндрический участок. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром.

Принцип измерения расхода по методу переменного перепада давления заключается в том, что при протекании потока вещества через отверстие сужающего устройства увеличивается скорость потока, а, следовательно, увеличивается динамическое давление. Это в свою очередь вызывает уменьшение статического давления т.е. р₁ > р₂ (рис. 9.2). Разность давлений называется перепадом давления на сужающем устройстве, и эта величина зависит от расхода вещества, протекающего через трубопровод.

Рис. 9.2. Метод переменного перепада давления:

а) протекание потока через сужающее устройство (на примере диафрагмы);

б) диаграмма распределения статического давления.

Расход вещества является функцией перепада давления ,

до и после сужающего устройства.

Однако удобнее измерять давление непосредственно до (р₁) и после (р₂) сужающего устройства и поэтому объемный расход вещества определяют по формуле:

,

где  – коэффициент расхода, учитывающий расширение потока после сужающего устройства,

Fо – поперечное сечение входного отверстия сужающего устройства,

α -коэффициент расхода учитывает факторы: переход от перепада к перепаду , неравномерность распределения скоростей в сечениях потока, коэффициент сужения и зависящий от модуля сужающего устройства m=F0/F1.

Выразим расход через диаметр сужающего устройства:

,

где А – числовой коэффициент зависящий от размерности величин расхода диаметра и .

Если расход измеряют в массовых единицах (кг/с или кг/ч), то выражение принимает вид:

,

Из характера распределения статического давления видно что установка сужающего устройства вызывает безвозвратные потери давления которые могут достигать существенных значений. Причем чем больше эти потери, тем больше погрешность измерения расхода методом переменного перепада давления. Меньше потери и следовательно большую точность измерения обеспечивают сопла и трубы Вентури.

При практических измерениях величины не зависят от расхода, тогда формула:

,

где К_o и К_m – постоянные коэффициенты объемного и массового расходов.

Таким образом для измерения расхода вещества достаточно измерить перепад давления на сужающем устройстве.

В датчиках расхода (дифманометрах) расчет по этим формулам производится автоматически и выходной сигнал этих датчиков пропорционален расходу вещества, а не перепаду давления. В формулы для определения расхода вещества входит его плотность поэтому результат получается с большой долей точности.

Для определения количества газа во вторичные приборы встраиваются счетчики сумматоры или интеграторы, показывающие суммарное количество вещества прошедшее через сечение трубопровода от начала отсчета до данного момента времени.

Для измерения количества твердых или жидких веществ в емкостях применяют весоизмерительные устройства (весы). Для взвешивания больших количеств вещества, например вагонов с грузом, ковшей с жидким металлом, применяют весоизмерительные устройства с тензорезистивными или магнитоупругими чувствительными элементами.

В магнитоупругих чувствительных элементах имеются магнитопроводы, магнитопроницаемость которых зависит от прилагаемого усилия или измеряемого веса. Электрический ток в обмотке элемента служит мерой измеряемого усилия. Применение тензорезистивных и магнитоупругих элементов позволяет получать электрический сигнал пропорциональный силе тяжести материала и поэтому осуществляет дистанционную передачу на вторичный прибор или к другому элементу системы вторичного управления.

В системах дозирования сыпучих материалов применяют весоизмерители, которые тарируются на определенный вес материала с площадью уравновешивающего груза.

Для передачи показаний на расстояние используется магнитоупругий датчик. Если погрешность составляет один процент, то весоизмерители списывают. Первичные измерительные приборы давления и расхода выпускаются бесшкальными, в комплекте с ними применяются унифицированные вторичные измерительные приборы типа КСУ, КПУ, КВУ, серии А (А502, А542), имеющие класс точности 0,25-0,5.

Лекция 10

Средства автоматического контроля температуры

Температура является важнейшим параметром множества технологических и теплотехнических процессов, характеристикой кинетической энергии молекул и характеризует степень нагретости тела. Единицей измерения температуры является Кельвин (К); допускается измерять температуру в градусах Цельсия (⁰С). Диапазон измерения температур в практике весьма широк, следовательно, различны и методы измерения температуры. Самое широкое распространение получили:

1. Термометры сопротивления;

2. Термоэлектрические термометры;

3. Пирометры излучения.

Термометры сопротивления и термоэлектрические термометры применяются для контроля температуры охлаждения воды подогретых газов поступающих в горелочное устройство футеровок агрегатов жидких металлов и шлаков. Пирометры измеряют температуру внутри пространства агрегата, насадок регенераторов, жидких металла и шлака и т.д.

Принцип действия термометра сопротивления основан на способности металлов и проводников материалов изменять электрическое сопротивление с изменением температуры. Для изготовления чувствительных элементов термометров применяются медная, платиновая или никелевая проволока.

Для термометров из меди и никеля зависимость между температурой t и сопротивлением R_t в диапазоне (-200⁰C; +200⁰C) линейна:

,

где R₀ – удельное сопротивление при 0 градусов Цельсия;

α- температурный коэффициент сопротивления проволоки.

Зависимость сопротивления платиновой проволоки от температуры в диапазоне (-260⁰C; 0⁰C).

;

Диапазон (0⁰С; 660⁰С):

;

Полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы в диапазоне –90⁰С +180⁰С имеют зависимость:

,

где А, В, С - температурные коэффициенты металлов.

Чувствительные элементы термисторов изготовляют из оксидов кобальта марганца меди и никеля.

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис. 10.1а) представляет собой спираль 1 помещенную в 2-ух или 4-ех канальный чехол 3. К концам спирали припаиваются выводы 5 для подключения элемента к измерительному прибору. Элемент герметизируется специальной глазурью 4 и покрывается защитной оболочкой 2.

Чувствительный элемент медного термометра (рис. 10.1б) представляет собой обмотку из тонкой проволоки 1 покрытую снаружи защитной хлорвиниловой лентой 2. К концам обмотки припаяны выводы 3.

Чувствительные элементы помещаются в защитный керамический или металлический чехол и на объекте устанавливаются с помощью штуцера или другим способом.

В качестве вторичных измерительных приборов в комплекте с термометрами сопротивления используются автоматические измерительные мосты или вторичные приборы с унифицированным входным сигналом типа ДИСК – 250, КСУ, КПУ, КВУ. Если термометры сопротивления используются в комплекте с вторичными приборами, имеющими унифицированный вход, то между термометрами сопротивления и вторичным прибором включается специальный нормирующий преобразователь «сопротивление - ток», который преобразует электрическое сопротивление термометра в унифицированный токовый сигнал (0-5мА или 4-20мА). Довольно широко в комплекте с термометрами сопротивления применяются так называемые уравновешенные измерительные мосты.

В основу работы уравновешенных мостов положен нулевой метод измерений электрического сопротивления. Прибор представляет собой одинарный мост, состоящий из 2-ух постоянных резисторов, одного переменного (реохорда) и термометра сопротивления. В одну диагональ моста подается напряжение питания, во вторую - измерительную включается измерительный прибор, например милливольтметр или усилитель, если мост автоматический. Мост находится в равновесии, если произведение сопротивлений противоположных плеч равны между собой. Если мост неуравновешен, то разность потенциалов между вершинами измерительной диагонали поступает в измерительный прибор и стрелка последнего отклоняется от нулевой отметки. Перемещая ползунок реохорда, добиваются установки стрелки в нулевое положение. Таким образом, перемещение реохорда в момент равновесия моста служит мерой температуры измеренной термометром сопротивления.

В автоматических мостах в измерительную диагональ включается фазочувствительный усилитель, а ползунок реохорда снабжается приводом в виде реверсивного электродвигателя, включаемого на выход усилителя.

В термоэлектрический термометр входит термопара и вторичный измерительный прибор. Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников 1 и 2 (рис.10.2.).

1 2

t

Рис. 10.2. Термопара

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. В замкнутой цепи двух разнородных проводников возникает электрический ток, если места соединения этих проводников (спаи) имеют разную температуру. Спай с температурой t горячий или рабочий, с температурой t0 холодный или свободный.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов.

Под действием термоэлектродвижущей силы электроны диффундируют (переходят) допустим, из проводника 1 в проводник 2 . Тогда первый проводник в спаях с температурами t и to заряжается положительно, а второй отрицательно. Возникающая между проводниками термоэлектродвижущая сила – разность потенциалов, описывается следующим выражением:

,

где ‑ разность потенциалов при температуре t,

- разность потенциалов при температуре to.

На практике температуру t0 поддерживают постоянной, т.о. результирующая термоЭДС будет функцией измеряемой температуры:

Для термопар используемых в промышленности эту зависимость находят экспериментально. И, т.о. по величине термоЭДС судят об измеряемой температуре.

Термопары стандартных термоэлектрических термометров изготавливаются из проволоки чистых металлов или сплавов диаметром от 0,5 до 3,2 мм. В зависимости от материалов проволоки различают следующие термопары: хромель-алюмелевые (ТХА) с диапазоном измерения от 200 до 1000⁰С, платинородий - платиновые (ТПП) (от 20 до 1300⁰C). Платинородий –платинородиевые (ТПР) (300 – 1600⁰C) и вольфрам- рениевые ( 10 – 2500⁰C) При кратковременных измерениях верхний предел температур увеличивается.

В комплекте с термопарами в качестве вторичных приборов применяются автоматические потенциометры, милливольтметры, а также приборы с унифицированным входным сигналом.

Для определения температуры жидких металлов и шлаков применяют термопары кратковременного и длительного погружения. Термопары кратковременного погружения состоят из стальной трубы, через которую протянуты армированные керамическими изоляторами термоэлектроды. Термоэлектроды по мере расхода сматываются с бухты. Рабочий спай термопары размещен в кварцевом наконечнике, расположенном в графитовом блоке и покрытом огнеупорной обмазкой. Наконечник рассчитан на одно погружение (20 – 40 с).

Существуют конструкции термопар со сменной измерительной головкой. Такие термопары состоят из стальной трубки с защитным чехлом из прессованного картона. В чехле расположена измерительная головка с термопарой в кварцевой трубке. Свободный спай термопары подключается к измерительному прибору с помощью разъемного контактного устройства. Сверху измерительная головка защищена металлическим колпачком, который после погружения в металл растворяется.

Термопары длительного погружения отличаются тем, сто термоэлектроды помещаются в защитную водоохлаждаемую фурму, которая вводится в жидкий металл через горловину конвертера на время от нескольких минут до нескольких часов. Рабочий спай этих термопар защищается наружным наконечником и алунда с засыпкой между ними порошка оксида аллюминия. В качестве термоэлектродов в термопарах используется платинородиевая или вольфрамрениевая проволока.

Пирометры относятся к бесконтактным датчикам температуры. В основу их работы положен принцип использования теплового и светового излучения нагретых тел.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. До 500⁰С нагретое тело излучает энергию инфракрасного спектра не воспринимаемую человеческим глазом. По мере повышения температуры тело излучает энергию всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры возрастает интенсивность монохроматического излучения (яркость), т.е. излучение при определенной длине волны, а также увеличивается суммарное, т.е. световое и тепловое излучение. Монохроматическое излучение используется в пирометрах частичного излучения, суммарное – в пирометрах полного излучения.

Интенсивность монохроматического и суммарного излучения кроме температуры зависит от физических свойств вещества. Поэтому шкалы приборов работающих в комплекте с пирометрами градуируются по излучению абсолютно черного тела, степень черноты которого Е₀ = 1. Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, т.к. степень черноты для них 0<Е<1. Поэтому пирометры излучения показывают температуру, заниженную относительно действительного значения. Следовательно, при использовании пирометров вводят соответствующие поправки на степень черноты реального тела. В основу работы пирометра частичного излучения положен закон Планка.

,

где С1 и С2 - константы Планка;

 - длина волны;

Т - абсолютная температура;

-интенсивность монохроматического излучения.

Следствием закона Планка является закон Стефана-Больцмана, выражающий зависимость между суммарной энергией излучения и температурой абсолютно черного тела:

,

где Ео – энергия суммарного излучения;

-константа излучения абсолютно черного тела.

Этот закон положен в основу работы пирометров полного излучения.

В общем случае пирометр состоит из первичного датчика, вторичного преобразователя и вторичного измерительного прибора.

Пирометр частичного излучения:

Рис. 10.3.

Излучение от нагретого тела 1 проходя через объектив 2 и диафрагму 3 попадает на чувствительный элемент 4, который поглощая энергию излучения вырабатывает пропорциональный ей, а следовательно и температуре электрический сигнал напряжения. Этот сигнал поступает в измерительную схему на вторичный преобразователь и вторичный измерительный прибор, градуированный в ⁰С. В качестве чувствительных элементов в пирометрах частичного излучения применяются фотодиоды фоторезисторы и т.д. В пирометрах полного излучения термобатарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных термопар. Для выделения из общего спектра излучения определенной длинны волны, в пирометрах частичного излучения применяется цветной светофильтр 7. Окуляр 6 служит для удобства визирования датчика на тело 1. Все элементы пирометра размещаются в корпусе 5.

К пирометрам частичного излучения относятся оптические, фотоэлектрические и цветовые (спектрального отношения) пирометры. Принцип действия оптических и фотоэлектрических пирометров основан на сравне­нии интенсивности монохроматического излучения нагретого тела и эта­лонной пирометрической лампы накаливания.

В ручных оптических пирометрах типа ОППИР и "Проминь" сравнение интенсивностей излучения производится глазом наблюдателя. С помощью объектива и окуляра пирометра получают четкое изображение нити накаливания на фоне объекта. Далее, изменяя силу тока в пирометрической лампе с помощью реостата, добиваются при красном светофильтре совпа­дение интенсивностей излучения объекта и нити накаливания - нить как бы «исчезает» на фоне объекта. Отсчет температуры производится по шкале милливольтметра в градусах.

В пирометрах частичного излучения ФЭП, "Смотрич" (комплекса АПИР-С) сравнение интенсивностей излучения нагретого тела и лампы на­каливания производится автоматически с использованием фотоэлемента; в пирометрах с первичным преобразователем ПЧД (комплекс АПИР - С) излучение нагретого тела, воспринимается чувствительным элементом (фотодиодом, фоторезистором), преобразуется в унифицированный сигнал (0-5 мА, 4-20 мА или 0-100 мВ) и фиксируется вторичным прибором, шкала которо­го размечена в градусах.

В цветовых пирометра, иначе в пирометрах спектрального отношения «Спектропир», «Веселка» (комплекса АПИР-С), температура определяется по отношению интенсивностей излучения нагретого тела для двух заранее выбранных длин волн ₁ и ₂.

Пирометры полного (интегрального) излучения носят название радиационных пирометров. Выпускаются пирометры с пирометрическими преобразователями различных типов агрегатированного комплекса стационарных пирометрических преобразователей и пирометров излучения АПИР-С.

Различные типы пирометров позволяют измерять температуру в интер­вале 30-6000⁰С. Кроме степени черноты тела на точность измерения сильно влияет промежуточная среда (пыль, дым, пар и т.п.) между наг­ретым телом и датчиком. Поэтому при измерении температуры кладки в некоторых случаях датчик визируется на донышко так называемого ка­лильного стакана, вмонтированного в кладку.

В качестве вторичных измерительных приборов с термопарами и пиро­метрами используются милливольтметры, автоматические потенциометры или приборы с унифицированным входным сигналом.

Милливольтметры не отличаются высокой точностью измерения и поэтому используются довольно редко, например, при измерении температуры от­ходящих продуктов сгорания, температуры охлаждающей воды и т.п.

При использовании с термопарами ил пирометрами вторичных приборов с унифицированным входом (типа КСУ, КПУ, КВУ или серии А) между первичным преобразователем и вторичным прибором обязательно устанав­ливается промежуточный преобразователь, который преобразует термоЭДС термопары или сигнал пирометра в унифицированный сигнал.

Самое широкое распространение для работы в комплекте с термопара­ми и с некоторыми модификациями пирометров излучения получили автома­тические потенциометры. Принцип действия потенциометра заключается в том, что измеряемая термоЭДС (или напряжение) уравновешивается равным ей по величине, но обратным по знаку напряжением вспомогательного ис­точника тока, которое затем измеряется с большой точностью.

Современные автоматические потенциометры типа КСП, КПП, КВП, ДИСК-250 и другие имеют класс точности 0,25 – 0,5.