В общем случае измерение — это процесс эмпирического определения с помощью специальных технических средств связи между измеренным значением и частью его значения, взятой за единицу сравнения. Основные термины и определёния, встречающиеся при измерении, даны по ГОСТ 16263—70.
Средства измерений представляют собой совокупность технических средств, используемых при различных измерениях и имеющих нормированные метрологические свойства, т. е. отвечающих требованиям метрологии в части единиц и точности измерений, надежности и воспроизводимости получаемых результатов, а также требованиям к их размерам и конструкции. Основными видами средств измерений являются датчики, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные установки.
Измерительным прибором (или просто прибором) называют средство измерений, служащее для выработки сигнала измерительной информации (электрического, пневматического и др.) в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. По форме вывода информации устройства делятся на аналоговые, показания которых являются непрерывной функцией измеренного значения, и цифровые, показания которых дискретны и представлены в цифровом виде.
термометр давление уровнемер
1. Средства для измерения температуры
В зависимости от принципа действия приборы для измерения температуры промышленные классифицируются по ГОСТ 13417-76 на следующие группы.
Манометрические термометры основаны на изменении давления рабочего тела при постоянном объеме при изменении температуры.
Термоэлектрические термометры включают термоэлектрический преобразователь (термопару), действие которого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.
Термометры сопротивления содержат термопреобразователь сопротивления, действие которого основано на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.
Пирометры излучения; из них наиболее распространены:
- квазимонохроматический пирометр, действие которого основано на использований зависимости температуры от спектральной энергетической яркости;
- пирометры спектрального отношения, действие которых основано на зависимости от температуры тела отношений энергетических яркостей в двух или нескольких спектральных интервалах;
- пирометры полного излучения, действие которых основано на использовании зависимости температуры от интегральной энергетической яркости излучения.
1.1 Манометрические термометры
Приборы общего и специального назначения со встроенными микропроцессорами ...
... прибора. Принцип его действия основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени, равного в данном приборе 1 с. Этот необходимый измерительный ... используются термометры с значительно расширенным диапазоном измерений), точность измерения 0,010 С - определяется только качеством. Рабочая температура корпуса прибора 15...25°С. Термометр питается от ...
Вся система прибора (термобаллон, капиллярная трубка, манометрическая пружина) заполнена рабочим веществом. Термобаллон помещают в зону измерения температуры. При нагревании колбы давление рабочего тела внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.
Различают следующие типы манометрических термометров:
- газовые, в которых вся система заполнена газом под некоторым начальным давлением;
- жидкостные, в которых система заполнена жидкостью;
- конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное пространство термобаллона заполнено парами этой жидкости.
1.1.1 Манометрические газовые термометры
Измерительные газовые термометры основаны на соотношении между температурой и давлением газа, содержащегося в герметичной тепловой системе.
Начальное давление в газовых термометрах зависит от пределов температуры и составляет обычно 0,98—4,9 МПа. Чем выше температура, тем ниже давление и наоборот.
1.1.2 Манометрические жидкостные термометры
В приборах этого типа вся система термометров заполнена жидкостью при определенном начальном давлении. К жидкостям, используемым для заливки, предъявляются следующие требования: возможный высокий коэффициент объемного расширения, высокая теплопроводность, — низкая теплоемкость и химическая инертность по отношению к материалу термометра. Обычно применяют силиконовые жидкости. Предел измерения температуры от —150 до +300 °С.
1.1.3 Манометрические конденсационные термометры
В конденсационных термометрах термобаллон обычно заполняют на 2/3 объема низкокипящей жидкостью. Перед заполнением термометра воздух из системы удаляют. В замкнутой системе термометров всегда поддерживается динамическое равновесие одновременных процессов испарения и конденсации. С повышением температуры испарение жидкости увеличивается, давление пара увеличивается, и в связи с этим усиливается процесс конденсации. В конечном итоге насыщенный пар достигает определенного заданного давления, строго соответствующего температуре.
1.2 Термоэлектрические термометры
В основу измерения температуры термоэлектрическими термометрами положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи термоэлектрического преобразователя (термопары), состоящего из двух (рисунок 2.1) или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разные температуры.
Рисунок 2.1 — Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников
Спай, имеющий температуру t, называется рабочим, а спай, имеющий постоянную температуру t 0 , — свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, количество которых в единице объема различно для разных металлов. Предположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается положительно, а металл В — отрицательно. Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует этой диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. В этом состоянии существует определенная разница потенциалов между проводниками A и B.
Приборы для измерения температуры (2)
... термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры; -Термоэлектрические преобразователи (термопары) используются при измерения температуры от ...
1.2.1 Магнитоэлектрические милливольтметры
Магнитоэлектрические милливольтметры основаны на взаимодействии между проводником, в котором протекает ток, и магнитным полем постоянного магнита.
Магнитная система милливольтметра обычно состоит из подковообразного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника. Наличие сердечника в межполюсном пространстве магнита снижает магнитное сопротивление и формирует радиальный магнитный поток. В кольцевом воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка, изготовленная из изолированного медного (реже алюминиевого) провода.
В записывающих устройствах рамка обычно подвешивается на тонких металлических полосах, которые создают контраст и одновременно служат для подачи тока. Стрелка прикреплена к рамке милливольтметра, имеющей две резьбовые антенны, по которым перемещаются грузы. С помощью грузов подвижная система уравновешивается таким образом, чтобы ее центр тяжести находился на оси рамы. Ток, протекающий через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в противоположных направлениях и стремящихся вращать рамку.
1.2.2 Потенциометр
Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой термо-ЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока.
Рисунок 2.2 — Принципиальная схема потенциометра
Принципиальная схема потенциометра приведена на рисунке 2.2. Ток от вспомогательного источника Е (сухого элемента) проходит по цепи, в которую между точками А и В включен компенсирующий переменный резистор R А B (КПР), представляющий собой калиброванную проволоку длиной L. Разность потенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой D пропорциональна сопротивлению резистора RAD (в точке D находится скользящий контакт).
Последовательно с ТЭП включен чувствительный милливольтметр НП с нулем посредине шкалы (нуль-прибор, нуль-индикатор).
ТЭП подключен таким образом, что ток на участке сопротивления RAD идет в том же направлении, что и от вспомогательного источника. Следовательно, термо-ЭДС преобразователя Е (tt0 ) определяется падением напряжения на участке компенсирующего переменного резистора (КПР), т. е. не зависит от сопротивления НП и внешнего сопротивления цепи RBH . КПР RAB может быть снабжен шкалой, отградуированной в единицах напряжения (милливольтах) или в градусах. В последнем случае для каждого типа термометра необходима своя шкала.
1.3 Термометры сопротивления
Измерение температуры с помощью термометров сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Таким образом, омическое сопротивление проводника или полупроводника представляет некоторую функцию его температуры R=ѓ(t).
Измерения радиоактивности и ионизирующих излучений
... излучений. По мере открытий учеными радиоактивности и ионизирующих излучений стали появляться и единицы их измерений. ... работы таких дозиметрических приборов, как ДП-5А ... единицах активности на единицу массы: Ки/т, мКи/г, кБк/кг и т.п.(удельная активность). На единицу ... тем сильнее, чем больше мощность дозы проникающей радиации или радиоактивность излучения и длительное их воздействие. Альфа-излучение ...
Вид этой функции зависит от природы материала. В качестве измерительных приборов термометров сопротивления применяют уравновешенные мосты и логометры (омметры).
Для полупроводниковых термисторов измерительные устройства, как правило, представляют собой несбалансированные мосты.
1.3.1 Уравновешенные мосты
Уравновешенные мосты делятся на лабораторные (неавтоматические) и производственные (автоматические).
Автоматические балансирные мосты выполнены в виде индикации, регистрации и регулировки.
Мост состоит из двух резисторов R1 и R3 с постоянными и равными сопротивлениями, переменного резистора R2 и термометра R t . К сопротивлению термометра присоединяются сопротивления 2Rпр двух соединительных проводов. В одну диагональ моста включен источник постоянного тока, в другую — нуль-прибор НП.
При равновесии моста, которое достигается перемещением движка по резистору R2, сила тока в диагонали моста I 0 = 0. В этом случае потенциалы в вершинах основания моста равны, ток от ветвей источника питания в две ветви I1 и I3, падение напряжения на резисторах R1 и R3 одинаковое. Падение напряжения на плечах моста bc и cd также одинаковое. При изменении сопротивления Rt мост можно уравновесить изменением сопротивления КПР R2.
1.3.2 Неуравновешенные мосты
Прямое считывание температуры является преимуществом несимметричного моста по сравнению с лабораторным уравновешенным мостом.
Для определения силы токов в плечах моста воспользуемся методом кольцевых токов. Принимая ЭДС источника питания постоянной, рассмотрим три контура с силами тока I a , Ib , Ic . Cила тока зависит от Е или разности потенциалов Uab на вершинах моста. Следовательно, необходимым условием правильного измерения является поддержание разности потенциалов постоянной, для чего в цепь источника тока вводят регулировочный реостат R.
1.3.3 Логометры
Логометры — это магнитоэлектрические приборы, подвижная система которых состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, расположенных под некоторым углом (в предельном случае в одной плоскости).
Постоянный магнит имеет полюсные наконечники N и S с цилиндрическими канавками. Центры канавок полюсных наконечников смещены относительно центра сердечника. Между полюсными наконечниками расположен цилиндрический сердечник из стали, вокруг которого вращается подвижная система из двух рамок R1 и R2. К рамкам прикреплена стрелка, она движется по шкале, градуированной в градусах. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником неравномерный, поэтому магнитная индукция меняется (наибольшее значение в середине полюсных наконечников, наименьшее — у края), являясь функцией угла поворота от среднего положения.
Если сопротивление рамок одинаковое и R = R t , то I1 = I2, т. е. вращающие моменты рамок равны. При этом подвижная система находится в среднем положении. При изменении сопротивления термометра вследствие нагрева (или охлаждения) через одну из рамок потечет ток большей силы, равенство моментов нарушится, и подвижная система начнет поворачиваться в сторону действия большего, момента. При вращении движущейся системы рама, через которую протекает ток большей силы, попадает в зазор с меньшей магнитной индукцией, в результате чего действующий на нее крутящий момент уменьшается. В этом случае другая рамка входит в пространство с большей магнитной индукцией, и ее момент увеличивается.
Средства измерения давления
... преобразователь. Именно о средствах измерения давления пойдет речь в этом реферате. 1. История изобретения и развития жидкостного манометра Вопросы водоснабжения для ... полушария»). 2. Жидкостные манометры и дифманометры В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся ...
1.4 Пирометры излучения
Принцип действия пирометров излучения основан на использовании теплового излучения нагретых тел.
Лучистая энергия выделяется из нагретого тела в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 °С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. При повышении температуры цвет тела меняется с темно-красного на белый, содержащий волны любой длины, воспринимаемые глазом. Одновременно с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает спектральная энергетическая яркость (СЭЯ), т. е. излучение определенной длины волны (яркости), а также заметно увеличивается суммарное (интегральное) излучение. Указанные свойства нагретых тел используются для измерения их температуры, и по этим свойствам пирометры излучения делятся на квазимонохроматические, спектральные отношения и суммарное излучение.
1.4.1 Квазимонохроматический пирометр
Принцип работы квазимонохроматических пирометров основан на сравнении яркости монохроматического излучения двух тел: эталонного тела и тела, температура которого измеряется. В качестве эталона обычно используется нить лампы накаливания, яркость излучения которой регулируется.
1.4.2 Пирометры спектрального отношения (цветовые)
В цветовых пирометрах, применяемых для промышленных измерений, определяется отношение СЭЯ реального тела в лучах двух заранее выбранных длин волн, т. е. показания пирометра являются функцией ѓ(Ел 1 /Ел2 ).
Это отношение для каждой температуры различно, но вполне однозначно.
Большинство конструкций цветных пирометров основаны на определении измеренного цвета тела в зависимости от коэффициента яркости для двух длин волн, которые не очень близки друг к другу в видимой части спектра.
1.4.3 Пирометры полного излучения
Пирометры полного излучения измеряют температуру по мощности излучения нагретого тела. Пирометр снабжен оптической системой (линзой, зеркалом), собирающей испускаемые нагретым телом лучи на каком-либо теплоприемнике. Теплоприемник обычно состоит из миниатюрной термоэлектрической батареи (из нескольких малоинерционных последовательно соединенных ТЭП), термометра сопротивления или полупроводникового терморезистора. В качестве измерительных приборов используются милливольтметры, автоматические потенциометры и симметричные мосты.
2. Средства для измерения давления
Приборы для измерения давления обычно классифицируют (по ГОСТ 2405—80) по принципу действия и по роду измеряемой величины.
По принципу действия приборы для измерения давления делятся на:
- жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;
- деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой ими силе;
- электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления.
По роду измеряемой величины приборы для измерения давления и разрежения делят на:
Приборы измерения давления
... Из всех приведенных выше видов приборов для измерения давления самыми простыми являются жидкостные манометры. Они представляют собой U-образную стеклянную трубку, заполненную до половины жидкостью и снабженной шкалой обычно ...
- манометры — приборы для измерения абсолютного и избыточного давления;
- вакуумметры — приборы для измерения разрежения (вакуума);
- мановакуумметры — приборы для измерения избыточного давления и вакуума;
- напоромеры (микроманометры) — приборы для измерения малых избыточных давлений;
- тягомеры (микроманометры) — приборы для измерения малых разрежений;
- тягонапоромеры (микроманометры) — приборы для измерения малых давлений и разрежений;
- дифференциальные манометры — приборы для измерения разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды;
- барометры — приборы для измерения атмосферного давления.
Для описания устройств наиболее удобна классификация по принципу действия.
2.1 Жидкостные приборы
Жидкостные приборы отличаются простотой устройства и относительно высокой точностью измерения; их широко применяют как для лабораторных, так и для технических измерений. Жидкостные приборы используются для калибровки и проверки приборов из других систем, измерения небольших избыточных давлений, вакуума, перепада давления и атмосферного давления.
2.1.1 Приборы с видимым уровнем
Приборы для измерения температуры с видимым уровнем разделяются на:
- двухтрубный U-образный прибор;
- однотрубный (чашечный) прибор;
- микроманометр с наклонной трубкой.
Двухтрубный U-образный прибор представляет собой стеклянную трубку, изогнутую в виде буквы U. Труба монтируется на доске с трапом, расположенным между ответвлениями трубы. Трубка прибора заполнена жидкостью (ртутью, водой, спиртом).
Система находится в равновесии, если давление гидростатического напора в открытом ответвлении уравновешивается давлением в другом ответвлении.
Если давление в пространстве, с которым соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в трубках переместится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответствовать разрежению (вакууму).
Подключив оба свободных конца трубки инструмента к двум полостям с разным давлением, можно определить разницу давлений по разнице уровней жидкости в приборе.
Прибор наполнен жидкостью до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба жидкости необходимо делать два отсчета (снижения в одном колене, подъема в другом) и суммировать замеренные величины.
Однотрубный (чашечный) прибор представляет собой модификацию двухтрубного, одно из колен которого заменено широким сосудом (чашкой).
Сосуд соединен с вертикальной стеклянной трубкой. Бак, в котором измеряется давление, подсоединяется к сосуду, а бак, в котором измеряется вакуум, подсоединяется к трубе. О величине давления или вакуума судят по высоте столба жидкости в вертикальной трубке устройства.
Микроманометр с наклонной трубкой. При измерении малых давлений применяют приборы с наклонной трубкой . Устройство представляет собой стеклянный сосуд, к которому под определенным углом μ относительно горизонта приварена стеклянная трубка. Сосуд с трубкой укреплен на деревянной доске со шкалой. Шкала выполнена подвижной таким образом, чтобы при заполнении устройства жидкостью можно было совместить ноль шкалы с мениском жидкости в трубке. Конец трубки присоединен к полости, в которой измеряют разрежение.
2.1.2 Приборы без видимого уровня
Для технических измерений жидкостные устройства выполняются в виде так называемых комбинированных жидкостно-механических устройств. К ним относятся поплавковые, кольцевые и колокольные.
Лабораторная работа: Изучение и проверка способов измерения давления, ...
... состоянии. Каждый прибор должен иметь непросроченное свидетельство про его государственную проверку и пломбу. Поверка устройства для измерения давления может проводиться весовым способом или способом сравнения. Пружинные манометры на большое давление удобней проверять ...
Поплавковые устройства представляют собой П-образные жидкостные устройства, в которых одно из колен расширяется и в него помещается поплавок, связанный со стрелкой, которая движется по лестнице. Поплавковые приборы чаще всего используют как дифференциальные манометры (дифманометры) для измерения разности давлений.
Кольцевые инструменты предназначены для измерения низкого давления, вакуума и дифференциального давления. Кольцевое устройство состоит из замкнутого полого кольца, разделенного сверху перегородкой. Кольцо подвешено на ножевой опоре в геометрическом центре. Трубы входят в кольцо с обеих сторон перегородки и служат для соединения кольца с полостью, в которой измеряется давление или вакуум. К нижней части кольца прикреплен груз. Полость кольца до половины заполнена жидкостью (водой, маслом, ртутью).
Колокольные приборы используют для измерения малых давлений и разрежений (тягомеры и напоромеры) и в качестве дифференциальных манометров. Прибор состоит из сосуда с жидкостью, в которую погружен колокол. Под колпаком вставлена трубка, соединяющая пространство подколокола с объемом, в котором измеряется давление или вакуум. Если под колпаком создается избыточное давление, то оно увеличивается, так как на него действует дополнительная восходящая сила.
В существующих колокольных устройствах сила Архимеда, сила тяжести груза или сжимающая сила пружины используются для создания противоположной силы.
2.2 Приборы с упругими чувствительными элементами (деформационные)
Действие деформирующих устройств основано на использовании деформационного или изгибающего момента различных упругих элементов, которые воспринимают измеренное давление среды и преобразуют его в смещение или силу.
2.2.1 Приборы с трубчатыми пружинами
Наиболее широко применяют приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной.
Приборы с одновитковой трубчатой пружиной. Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной — согнутая по дуге окружности трубка 1 эллиптического или плоскоовального сечения (рисунок 2.1).
На одном конце трубка заделана в опору 2, которая заканчивается резьбовым ниппелем для соединения с полостью, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, который соединяется с внутренней полостью трубки.
а — схема трубчатой пружины;
- б — эллиптическое поперечное сечение;
в — плоскоовальное поперечное сечение
Рисунок 2.1 — Прибор с одновитковой трубчатой пружиной
Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшается и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Поскольку один конец трубы закреплен, то при изменении кривизны трубы ее свободный конец движется по траектории, близкой к прямой, и одновременно воздействует на передаточный механизм, который вращает стрелку индикаторного устройства.
Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной отличаются от одновитковых формой рабочего органа, имеющего вид цилиндрической спирали с шестью — девятью витками, свернутой из плоской трубки. Спиральную трубку можно представить как серию последовательно соединенных одновитковых трубок. В результате движение свободного конца трубки намного больше, чем движение однооборотного манометра.
Приборы для измерения уровня
... приборами для измерения уровня являются указательные стекла (водомеры), применяемые в паровых котлах, а также в различных емкостях для измерения уровня осветленных жидкостей. Они представляют собой стеклянную трубку с нанесенными на нее давлениями ... потока с угловой скоростью, пропорциональной скорости потока и, следовательно, расходу. Турбинные расходомеры применяют для измерения расхода жидкостей. ...
2.2.1 Мембранные приборы
Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры).
Величина прогиба мембраны является сложной функцией действующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа и формы гофров), а также модуля упругости материала мембраны. Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежений) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) в мембранные коробки, а коробки — в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными и манометрическими.
Деформация ящика-анероида происходит под действием разницы давлений между окружающей средой и давления в полости ящика. Поскольку давление в полости ящика очень мало, можно предположить, что его деформация определяется атмосферным давлением. Деформация анероида или измерительной коробки равна сумме деформаций составляющих его мембран.
2.2.2 Пружинно-мембранные приборы
Пружинно-мембранные приборы отличаются от описанных тем, что мембрана, воспринимающая давление, выполнена из гибкого материала (вялая мембрана), а давление уравновешивается цилиндрической винтовой пружиной. Гибкие мембраны обычно изготавливают из резины на тканевой основе, газонепроницаемой ткани или специальных пластиков. Мягкие мембраны используются в манометрах, манометрах, манометрах и манометрах дифференциального давления. Неметаллические мембраны, как правило, снабжают жестким центром.
2.2.3 Сильфонные приборы
Чувствительным элементом сильфонных приборов является цилиндрический тонкостенный сосуд с кольцевыми складками (гофрами), называемый сильфоном. Сильфоны изготовляют из латуни, бериллиевой бронзы и коррозионно-стойкой стали (обычно марки 12Х18Н9Т).
При действии нагрузки (внешнего или внутреннего давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы.
2.3 Электрические приборы
Работа устройств этой группы основана на прямом или косвенном преобразовании давления в электрический параметр, функционально связанный с давлением.
Эти устройства в основном используются в лабораторной практике для исследовательских целей.
2.3.1 Манометры сопротивления
Работа устройств основана на изменении электрического сопротивления проводника под действием внешнего избыточного давления. В принципе, все металлы и сплавы, а также полупроводники могут действовать как электрические проводники.
2.3.2 Пьезоэлектрические манометры
Действие пьезоэлектрических манометров основано на свойстве некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Особенностью пьезоэффекта является его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические манометры незаменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих процессов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т. п.).
Методы и средства измерений сопротивления и давления
... быстроте измерения; от величины измеряемых сопротивлений. Методы измерения малых сопротивлений существенно отличаются от методов измерения больших сопротивлений, так как в первом случае надо принимать меры для исключения влияния на результаты измерений сопротивления соединительных ...
2.3.3 Теплопроводные манометры
При низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с геометрическими размерами системы, теплопроводность газа зависит от давления. Эту зависимость используют в теплопроводных манометрах, применяемых для измерения давления газа в пределах от 0,0133 до 1333 Па. Манометр состоит из нагревателя и термометра, помещенных в сосуд, в котором контролируется давление. Термисторы и термоэлектрические термометры используются как датчики температуры.
2.3.4 Ионизационные вакуумметры и манометры
Работа вакуумметра основана на ионизации молекул газа потоком электронов, испускаемых горячим катодом или испускаемых радиоактивным веществом. В первом случае преобразователь представляет собой трехэлектродную манометрическую лампу, баллон которой соединен с измеряемой средой. В баллоне расположена вольфрамовая нить (катод), сетка и анод-коллектор. Электроны, испускаемые катодом, притягиваются к положительно заряженному аноду. В зависимости от давления газа электроны на своем пути ионизируют большее или меньшее число молекул. Ионы собираются коллектором и создают ток, сила I к которого пропорциональна силе анодного тока и давлению газа.
Во втором случае при небольших измеряемых давлениях и небольших размерах радиоизотопных манометров эффективнее применять б-излучение, обладающее наивысшей ионизирующей способностью на 1 см длины пробега частиц.
3. Средства для измерения количества и расхода
Приборы, измеряющие количество вещества, называют счетчиками. Счетчики измеряют протекающий через них объем вещества за любой промежуток времени: сутки, месяц и т. п.
Расходом вещества называется количество вещества, проходящего через данное сечение канала в единицу времени. Приборы, измеряющие расход, называют расходомерами.
В зависимости от принятого метода измерения наиболее распространены расходомеры:
- переменного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода перепада давлений в сужающем устройстве вследствие частичного перехода потенциальной энергии потока в кинетическую;
- скоростного напора для измерения расхода по динамическому напору потока с помощью пневмометрических трубок;
- переменного уровня, основанные на зависимости от расхода высоты уровня жидкости в сосуде при свободном истечении ее через отверстие в дне или боковой стенке сосуда;
- постоянного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела (поплавка), изменяющего при этом площадь сечения проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давлений по обе стороны поплавка остается постоянным;
- бесконтактные.
3.1 Счетчики
Счетчики для измерения количества жидкости по принципу действия делятся на объемные, весовые и скоростные. Преимущественно применяют объемные и скоростные счетчики. Для измерения количества газа используют объемный метод.
3.1.1 Объемные счетчики для жидкостей
Принцип действия объемных счетчиков основан на измерении объема жидкости, вытесняемой из измерительной камеры под действием разности давлений, и суммировании результатов этих измерений.
В основном применяют счетчики с овальными зубчатыми колесами. Проходя через счетчик, поток жидкости теряет часть своей энергии на вращение овальных колес. В зависимости от расположения колес относительно входа потока жидкости каждое из них является поочередно то ведущим, то ведомым.
При вращении овальных колес периодически отсекается определенный объем жидкости, ограниченный овалом колеса и стенкой измерительной камеры. За один оборот колес отсекается четыре определенных объема жидкости, которые в сумме равны, свободному объему измерительной камеры счетчика.
Количество жидкости, прошедшей через счетчик, определяют по числу оборотов овальных колес.
3.1.2 Скоростные счетчики для жидкостей
Скоростные счетчики для измерения количества жидкостей работают по принципу измерения средней скорости движущегося потока. Объемный расход Q жидкости связан со средней скоростью движущегося потока соотношением
Q = ? cp s,
где ? ср — средняя скорость движения вещества, м/с; s — площадь поперечного сечения потока, м2.
Количество жидкости, прошедшей через прибор, пропорционально частоте вращения лопастной турбинки, расположенной на пути потока.
Частота вращения турбинки также пропорциональна расходу жидкости. Однако при малых расходах эта зависимость не соблюдается из-за утечки жидкости через зазоры между лопастями турбинки и корпусом счетчика, а также из-за трения в опорах подвижной системы. Частота вращения турбинки счетчика заметно зависит от характера протекающего потока. Для успокоения потока перед турбинкой со стороны входа жидкости устанавливают струевыпрямитель; участки трубопровода до счетчика и после него делают прямыми.
3.1.3 Счетчики количества газов
Из счетчиков для газов наиболее распространены ротационные счетчики. Они предназначены для измерения больших количеств газа. Счетчик состоит из кожуха, внутри которого вращаются на параллельных горизонтальных валах роторы. Валы роторов связаны зубчатыми колесами, находящимися вне кожуха. От одного из валов вращение передается счетному механизму.
Перепад давлений газа в счетчике контролируется дифференциальным манометром.
3.2 Расходомеры
3.2.1 Расходомеры переменного перепада давлений
Наиболее распространенным методом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада давлений. Измерение расхода по этому методу основано на изменении потенциальной энергии (статического давления) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В измерительной технике в качестве сужающих устройств (первичных преобразователей) используют диафрагмы, сопла и сопла Вентури.
Диафрагма представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода.
Сужение потока начинается до диафрагмы, затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.
Давление потока около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и снижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении потока. Далее по мере расширения струи давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения.
3.2.2 Расходомеры динамического давления (скоростного напора)
Измерение расхода основано на зависимости динамического давления (напора) от скорости потока контролируемой среды.
Динамический напор, а следовательно, и скорость измеряют скоростными трубками в комплекте с дифференциальным манометром. По приведенной схеме левой трубкой измеряют статическое давление, а правой (изогнутой под углом) — полное давление. Дифференциальный манометр, соединяющий обе трубки, показывает разность между полным и статическим давлением, т. е. динамическое давление
3.2.3 Расходомеры переменного уровня
Расходомеры переменного уровня основаны на зависимости уровня от расхода жидкости, поступающей в сосуд.
Расходомер переменного уровня включает в себя приемную емкость (сосуд) с отверстием истечения той или иной формы и измеритель уровня жидкости. В качестве измерителей уровня можно применять любые стандартные приборы. Приемными емкостями служат цилиндрические или прямоугольные сосуды с круглым (диафрагма) или щелевым отверстием истечения.
Расходомеры с круглым отверстием истечения. Расходомер переменного уровня с нормальной диафрагмой, установленной в дне цилиндрического сосуда, состоит из цилиндрического сосуда с подводящим жидкость патрубком. В дне сосуда установлена нормальная диафрагма, через которую жидкость может свободно вытекать в отводящий трубопровод. По уровнемерному стеклу определяют уровень жидкости в сосуде
Расходомеры со щелевым отверстием истечения. В сосуде со щелевым отверстием истечения расход определяется высотой уровня жидкости над нижней кромкой отверстия.
Расходомер представляет собой прямоугольный корпус с двумя штуцерами: боковым — для ввода измеряемой жидкости и нижним — для слива жидкости в открытый приемник. Внутри корпус разделен глухой перегородкой, к которой герметично прикреплен щит с профилированной щелью. В данном случае уровень жидкости измеряют пьезометрическим методом. В сосуд, перед сливной щелью в защитном чехле погружена пьезометрическая трубка, через которую непрерывно продувается воздух.
3.2.4 Расходомеры постоянного перепада давлений
К приборам постоянного перепада давлений относятся ротаметры, поплавковые и поршневые расходомеры. Наибольшее применение имеют ротаметры и поплавковые расходомеры, шкалы которых практически равномерны. Ротаметры и поплавковые расходомеры имеют большой диапазон измерения (Q max /Qmin = 10 : 1).
Проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются. При равновесии сил поплавок устанавливается на некоторой высоте, зависящей от расхода.
3.2.5 Бесконтактные расходомеры
В последнее время создан ряд бесконтактных методов и приборов для измерения расхода:
- электромагнитные расходомеры;
- ультразвуковые расходомеры;
- калориметрические расходомеры.
Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости (кислоты, щелочи, соли) под действием внешнего магнитного поля.
Трубопровод из немагнитного материала (фторопласта, эбонита и др.) с перемещающейся в нем жидкостью расположен между полюсами и магнита перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. В стенки трубопровода диаметрально противоположно (заподлицо с внутренней поверхностью трубы) заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам, создавая в них ЭДС Е, пропорциональную скорости течения жидкости. К электродам подключен измерительный прибор, шкала которого отградуирована в единицах расхода.
Ультразвуковой (частота более 20 кГц) метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся жидкой средой.
Принцип действия калориметрических расходомеров основан на нагреве потока жидкости или газа посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур, зависящую от скорости потока и расхода теплоты в нагревателе.
4. Средства для измерения уровня
4.1. Указательные стекла
Работа указательных стекол для жидкостей основана на принципе сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединяют с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разрежением).
Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде.
4.2 Поплавковые уровнемеры
В поплавковом уровнемере перемещение поплавка на поверхности жидкости передается на показывающее устройство или преобразователь для преобразования перемещения или силы в выходной сигнал.
Подъемная (выталкивающая) сила, действующая на поплавок произвольной формы, по закону Архимеда.
4.3 Гидростатические уровнемеры
В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т. е. р = Hсg. Существуют гидростатические уровнемеры с непрерывным продуванием воздуха или газа (пьезометрические уровнемеры) и с непосредственным измерением столба жидкости.
4.4 Электрические уровнемеры
В электрических уровнемерах положение уровня жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Из электрических уровнемеров наиболее распространены емкостные и омические. В емкостных уровнемерах используются диэлектрические свойства контролируемых сред, в омических — свойство контролируемой среды проводить электрический ток.
4.5 Радиоизотопные уровнемеры
Положение уровня жидкостей или сыпучих материалов в закрытых емкостях можно контролировать с использованием проникающего г-излучения. Измерение уровня основано на поглощении г-лучей при прохождении их через слой вещества. Интенсивность г-излучения при поглощении его веществом выражается экспоненциальной зависимостью
J х = Jo exp (—мx),
где J x — интенсивность г-лучей после прохождения слоя вещества толщиной х; Jo — начальная интенсивность г-излучения; м — коэффициент ослабления г-излучения, зависящий от природы и толщины слоя вещества.
Наиболее употребительные изотопы, испускающие г-лучи, — это 60 Со и l73 Cs.
Радиоизотопный уровнемер со следящей системой типа УР-8 предназначен для непрерывного бесконтактного контроля границы раздела двух сред различной плотности: газ — жидкость, жидкость — жидкость, газ — твердое или сыпучее тело, жидкость — твердое или сыпучее тело, кипящая жидкость — пар (условный уровень).
Действие прибора основано на сравнении интенсивностей потоков у-лучей, проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред равной плотности.
4.6 Ультразвуковые и акустические уровнемеры
Ультразвуковые и акустические уровнемеры позволяют измерять уровень при отсутствии контакта с контролируемой средой и в труднодоступных местах. В этих уровнемерах используется принцип отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. В ультразвуковых уровнемерах используется принцип отражения ультразвуковых колебаний со стороны жидкости, а в акустических — со стороны газовой среды.
4.7 Уровнемеры для сыпучих тел
Для ряда технологических процессов в химической промышленности нередко возникает необходимость непрерывного измерения уровня сыпучих материалов в бункерах. Для этой цели наиболее часто применяют поплавковые, емкостные и весовые уровнемеры.
Работа поплавкового уровнемера с поплавком постоянного погружения основана на поддерживающей способности сыпучего тела, выражающейся в том, что опущенный на открытую поверхность поплавок прибора не проваливается в глубь сыпучего материала.
Весовые уровнемеры сыпучего материала применяют в случаях, когда подвеска бункера не вызывает конструктивных осложнений, а загрузка и выгрузка материала происходят не периодически, а равномерным потоком. При нагружении бункера происходят сжатие опорных пружин и линейное перемещение бункера по вертикали. Штанга, укрепленная на бункере, взаимодействуя с конечными выключателями, обеспечивает срабатывание при наполнении и опорожнении бункера.
В качестве преобразователей в весовых уровнемерах можно использовать динамометрические датчики (ДД) и тензометры. В первом случае измеряют давление, передаваемое на опору бункера. Это давление является функцией степени наполнения бункера материалом. Во втором случае измеряют сопротивление проводника, пропорциональное уровню материала в бункере.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/po-avtomatike-sredstva-izmereniya-osnovnyih-tehnologicheskih-parametrov/
1. Кулаков М.В. «Технологические измерения и приборы для химических производств» — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1983.— 424 с., ил.
