3.4. Краткая характеристика методов измерения параметров химико-технологических процессов
А) Методы измерения температуры /Мухтасимов/.
Температура – основной параметр хаотического теплового движения. Температура как пассивная величина измеряется косвенно по значению другой физической величины, зависящей от температуры. Измеряют а) значение какой-либо физической величины как функции температуры непосредственно самого тела или среды; б) значение физической величины как функции температуры вспомогательного тела, приведенного в состояние теплового равновесия с телом или средой, температура которых изменяется. Вспомогательное тело является датчиком прибора и называется термометрическим зондом или термоприемником. (Реперные точки – абсолютный ноль и тройная точка воды 273,16 К).
Методы измерения температуры можно поделить на зондовые (контактные и бесконтактные) и беззондовые. В качестве температурозависимых величин в приборах для измерения температуры используются:
объем жидкости – жидкостной термометр расширения;
вязкость – вискозиметрический термометр (1…1500 К);
изгиб термобиметаллической пружины – термометр биметаллический;
термоэлектродвижущая сила термопары – термоэлектрический термометр;
сопротивление;
индуктивность катушки, в которую помещена парамагнитная соль, до 4 К;
вольтамперная характеристика полупроводникового диода или транзистора;
ослабление высокочастотного излучения;
частота тока RC – генератора через измерение сопротивления R или LC – генератора через измерение ёмкости как функций температуры;
скорость распространения звука в газе – акустический термометр;
скорость истечения газа из отверстия;
интенсивность потока термоядерных нейтронов – нейтронный термометр, до 10 К;
ток ионизации в газе при его облучении;
показатель преломления в газе – интерференционный термометр;
изменение цвета краски;
суммарная энергетическая яркость;
интенсивность фосфоресценции предварительно возбужденного фосфора; длина волны, соответствующая максимальной спектральной плотности энергетической яркости излучений – пирометр (до 107 К) и т.д.
Б) Методы измерения параметров движения жидких и газообразных веществ /Спектор/
Измерение параметров движения жидких и газообразных веществ широко применяется в нефтедобывающих, газодобывающих и транспортирующих системах; при контроле нефтепереработки; в контроле химических, теплотехнических, технологических процессов; в пищевой промышленности и во многих других областях народного хозяйства.
Основным параметром движения потока жидких и газообразных веществ является расход вещества. Расход вещества Qm определяется как количество вещества, протекающее через сечение определенного размера в единицу времени.
Массовый
расход –
[кг/с], Объемный расход -
[м3/с].
Может быть определен полный расход как
общее количество протекающего вещества
за время Т –
Приборы для измерения расхода называются расходомерами. Измерение расхода производят в широком диапазоне. Диапазоны измерения расхода жидкостей подразделяются на 3 поддиапазона: малые расходы – (0…15∙10-4) м3/с; средние - (15∙10-4…0.5) м3/с; большие расходы – от 0.5 м3/с и выше. Обычно измеряются средние значения расхода и скорости потока.
Расход относится к величинам, не поддающимся прямым измерениям с помощью электрических методов. Большинство методов измерения расхода основано на измерении каких-либо параметров потока вещества (развиваемое усилие, перепад давлений, скорость потока, частота завихрений и др.), которые несут информацию о расходе. Наиболее распространенные электрические методы измерения расхода можно разделить на кинематические и на гидродинамические.
Кинематические (скоростные) методы основаны на измерении скорости потока, которая прямо пропорциональна объемному расходу (измеряют вектор скорости и его составляющие). Переход от измерения скорости к расходу легко осуществляется, если известна площадь сечения потока. Кинематические методы относятся к неконтактным методам, для них характерно малое или незначительное взаимодействие средства измерения и потока.
Кинематические методы подразделяются на метод потока, ультразвуковой, индукционный, тепловой, корреляционный, интерферометрический, основанные на эффекте Допплера, и на эффекте Мессбауэра.
Гидродинамические (силовые) методы основаны на использовании явлений, возникающих при силовом взаимодействии потока жидкости или газа с помещенным в него телом. Это возникновение тормозящих или ускоряющих сил, местный перепад давления, образование вихрей, гидродинамических колебаний.
Гидродинамические методы являются контактными, со свойственными им погрешностями из-за энергетического взаимодействия потока и средства измерений. Гидродинамические методы подразделяют на статические, при которых поток взаимодействует с неподвижным телом, и на динамические, когда используется подвижное тело, совершающее поступательное, колебательное или вращательное движение. К статическим методам относятся метод переменного перепада давлений, вихревой, генераторный и др. К динамическим – метод постоянного перепада давлений, вибрационный и др.
Погрешности измерения расхода в производственных условиях составляют более 1%. В ряде отраслей требуется измерять расход с погрешностью 0,2 – 0,5 %.
В химической промышленности для контроля расхода агрессивных кислот применяют индукционные расходомеры. Они также используется для контроля процессов обогащения (измерения расхода пульпы – смеси руда/вода; уголь/вода; песок/вода), расхода сточных вод. При движении электропроводящей жидкости по трубопроводу, расположенному в переменном магнитном поле, между электродами, которые установлены в стенках трубопровода перпендикулярно направлению электромагнитного поля возникает разность потенциалов, согласно закону электромагнитной индукции пропорциональная индукции магнитного поля и объемному расходу.
Измерение расхода составляет 15 – 20 % всех производимых измерений, а число эксплуатируемых расходомеров составляет несколько млн. штук.
Приборы для измерения скорости потока называются анемометрами.
В) Измерение давления, разности давлений и вакуума
Единицы измерения давления: 1 Па = 1Н/м2, 1 атм, 1 мм рт.ст. = 133,3224 Н/м2 , 1 бар = 105 Н/м2.
Способы
измерения давления подразделяют на
прямые и косвенные. В прямых методах
измеряют давление согласно определению
/приложенная сила на единицу площади/:
.
Средства измерений прямых измерений – манометр. Используют поршневые, грузопоршневые и жидкостные манометры. Показания определяются путем измерения линейного размера и массы, поэтому не требуется градуировка по эталонным измерителям давления.
В косвенных методах: измеряют пластические деформации чувствительных элементов, а также электрические, оптические, химические явления, возникающие при определенных давлениях. В свою очередь, измерение давления может быть применено для косвенного определения других физических величин, например, уровня, расхода, плотности, температуры, количества вещества.
Диапазон давлений, который приходится измерять на практике, чрезвычайно широк – Рмакс/Рмин = 1020, поэтому средства измерений отличаются принципом действия и конструкцией.
Все манометры подразделяются по типу чувствительного элемента на:
жидкостные (1…109 Па);
пружинные (50…5×107 Па);
манометры с электрическим датчиком (0…5×108 Па);
ионизационные, (10-10…5×10-4 Па),
радиоактивные, (10-10…5×10-4 Па),
магниторазрядные (10-10…5×10-4 Па),
вискозиметрические,
термомолекулярные,
радиометрические (10-10…10 Па).
Приборы для измерения давления разреженных газов называют вакуумметрами. Подразделяют на:
компрессионные, основаны на использовании закона Бойля-Мариотта;
радиометрические (10…10-5 Па), основаны на измерении приращения кинетической энергии молекул газа при молекулярном нагревании радиоактивным излучением;
термомолекулярные (10-2…10-3 Па), основаны на соотношении между давлением газа Р1, Р2 и Р в сообщающихся камерах при температурах Т1 , Т2 и Т;
ионизационные (10-1…10-8 Па);
радиоактивные (10-5…10-2 Па);
В химической промышленности используются, в основном, пружинные манометры с мембраной. Все детали манометра изготовлены из хром-никелевой стали. Принцип действия основан на измерении деформации гофрированной мембраны, односторонне нагруженной контролируемым давлением 0,6 – 25 атм.