№10: контрольно-измерительные приборы (стр. 1 из 10)

Из учебного пособия «Автоматизации технологических процессов и производств» М.Ю. Богдан, В.Ф. Дунаев.

…

ТЕМА №10: КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

10.1. Введение

10.2. Измерение температуры

10.3. Измерение давления и вакуума

10.4. Измерение расхода и количества

10.5. Измерение уровня

10.6. Измерение концентрации растворов

10.7. Контроль состава и влажности газов

Вопросы по теме №10

10.1. Введение

Конец ХХ столетия ознаменовался стремительным развитием электронной техники, обновлением парка средств измерения, применяемых в целлюлозно – бумажном производстве. Появились приборы, использующие новые принципы измерения технологических параметров. Информация о новых разработках не всегда вовремя доходит до учебных заведений. Авторы этого учебного пособия понимают, что их работа отстает от новейших требований промышленности, поэтому в тему «Контрольно – измерительные приборы» включили наиболее доступные материалы.

10.2. Измерение температуры

Температурой называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Это понятие связано со способностью тела с более высокой температурой передавать свою теплоту телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не сравняются. Одновременно с изменением температуры тел меняются и их физические свойства.

Приборы для измерения температуры классифицируют в зависимости от того, какой метод измерения положен в основу их конструкции: контактный (метод непосредственного соприкосновения измерительного прибора с измеряемой средой) и неконтактный (метод, основанный на расположении измерительного прибора на расстоянии от измеряемой среды).

К приборам, основанным на контактном методе измерений, относят жидкостные стеклянные термометры, термометры расширения твердых тел, манометрические термометры, термоэлектрические термометры (термопары), термопреобразователи (термометры) сопротивления. Для целей автоматизации применимы только два последних вида термометров.

Термоэлектрические термометры (термопары) являются первичными преобразователями, выходной сигнал которых измеряют магнитоэлектрическими милливольтметрами или автоматическими потенциометрами.

Термоэлектрический термометр, простейшая цепь которого показана на рис. 10.1, а, представляет собой чувствительный элемент, выполненный в виде двух проводников из разных металлов (или полупроводников) со спаянными концами. Сущность термоэлектрического эффекта заключается в том, что в месте соединения двух проводников из разных металлов возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС).

Термо-ЭДС зависит от материала проводников А и Б, составляющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного спая, называемого свободным концом 1. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне постоянной температуры, имеющей определенное (известное) значение. При этом условии термо-ЭДС термоэлектрического термометра, а значит, и показания измерительного прибора будут зависеть только от температуры рабочего конца 2. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных применяют так называемые компенсационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с постоянной известной температурой.

Для предохранения от повреждений термоэлектрические термометры заключают в защитную арматуру (рис. 10.1, б).

Термоэлектрические термометры имеют стабильную характеристику: термо-ЭДС, развиваемая ими, стандартизована, что делает термоэлектрические термоменты взаимозаменяемыми.

Современные средства микроэлектроники позволяют сигналы от термопар не только усиливать до нормального уровня, но и оцифровывать.

Рис. 10.1. Простейшая термоэлектрическая цепь (а) и общий вид термоэлектрического термометра (6): 1 - свободный конец; 2 - рабочий конец; 3 - термоэлемент; 4 - жароупорный наконечник; 5 - металлический чехол; 6 - фарфоровые изоляторы; 7 - головка термометра с зажимами; А, Б - проводники из разных металлов

Предусмотрено изготовление пяти типов термоэлектрических термометров; вольфрамрений (5% рения) —вольфрамрениевые (20% рения) типа ТВР; платинородий — платиновые типа ТПП; платинородий (30% родия) — платинородиевые (6% родия) типа ТПР; хромел ь-алюмелевые типа ТХА; хромель-копелевые типа ТХК. Кроме того, промышленность изготовляет нестандартные вольфраммолибденовые термоэлектрические термометры типа ВМ.

Верхний предел температур, измеряемых термоэлектрическими термометрами, зависит от их типа. Так, термометр ТВР применяют для измерения температур до 2200°С, ТПП —до 1300, ТПР —до 1600, ТХА —до 1000, ТХК —до 600°С.

Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления) широко применяют во всех отраслйх промышленности для измерения температуры в трубопроводах, технологическом оборудовании, электрических вращающихся машинах, нагревательных печах, а также в производственных помещениях.

Действие термопреобразователей сопротивления основано на свойстве применяемых в них проводниковых материалов (химически чистой платины или меди) изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от —260 до 1100°С. Чувствительный элемент такого термопреобразователя (рис. 10.2) изготовлен из платиновой проволоки /диаметром 0,05...0,08 мм, намотанной на слюдяную пластинку 4 (каркас) с зубчатой нарезкой, и помещен в защитную арматуру 8.

Медные термопреобразователи сопротивления для измерения температуры от —50 до 200°С изготовляют из медной изолированной проволоки диаметром 0,1. .0,2 мм, а выводы—из медной луженой проволоки диаметром 1... 1,5 мм.

Рис. 10.2. Платиновый термопреобразователь сопротивления: 1 - платиновая проволока; 2 - каркас; 3 - серебряная лента; 4 - слюдяная пластинка; 5 - выводы; 6 - чувствительный элемент; 7 - оксид аммония; 8 - защитная арматура; 9 - зажим; 10 - крышка; 11 - головка; 12, 13 - штуцера под кабель и штуцер для крепления оправы; 14 - изоляторы

Вторичными измерительными приборами для термопреобразователей сопротивления служат такие же нормирующие усилители и аналого- цифровые преобразователи, применяемые для термопар.

Пирометры излучения применяют для измерения температуры твердых и расплавленных тел в пределах от 400 до 4000°С. Интенсивность излучения накаленных тел зависит от температуры их нагрева. Чем выше эта температура, тем больше излучение.

Пирометры, измеряющие температуру по яркости накаленного тела, известны под названием пирометров частичного излучения; к ним относятся оптические и фотоэлектрические пирометры. Оптические пирометры для стационарных измерений не применяют, поэтому в данном учебнике они не рассматриваются. Для измерения мощности полного излучения накаленных тел, т. е. суммарного теплового и светового, служат радиационные пирометры, их называют еще пирометрами полного излучения.

Фотоэлектрические пирометры. В них использовано свойство фотоэлемента образовывать под действием ярко накаленного тела фотоэлектрический ток, значение которого пропорционально интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока.

Фотоэлектрический пирометр (рис. 10.3, а) состоит из визирной головки б, силового блока 2, стабилизатора напряжения 1, электронного потенциометра 14 и разделительного трансформатора 15. В визирной головке, являющейся первичным прибором пирометра, помещен фотоэлемент 12. Для измерения температуры визирную головку устанавливают так, что световой поток от излучателя 5 направляется через линзу 4 объектива на фотоэлемент. Правильная наводка визирной головки на излучатель производится с помощью окуляра 11 и зеркального отражателя 7. Перед кассетой установлен электромагнитный вибратор 8, заслонка которого вибрирует с частотой электрического тока 50 Гц и попеременно открывает отверстия кассеты Р, пропуская на фотоэлемент световой поток то от излучателя, то от лампы накаливания 3, являющейся эталоном.

Под влиянием световых потоков от излучателя и лампы накаливания на фотоэлементе образуется переменный фотоэлектрический ток, сила которого зависит от разности световых потоков. Переменное напряжение фотоэлектрического тока вначале усиливается электронным усилителем Д, расположенным в визирной головке, а затем в силовом блоке.

Лампа накаливания подключена к выходному каскаду силового блока. Если световые потоки от излучателя и лампы накаливания одинаковы, то одинаковы и электрические импульсы, посылаемые фотоэлементом в измерительную цепь. Если температура излучателя увеличится, то импульсы, посылаемые фотоэлементом, будут также увеличиваться, вследствие чего ток в лампе накаливания возрастет до восстановления равновесия. Таким образом, схема, реагируя на неравновесие (разбаланс) импульсов фотоэлемента, будет непрерывно изменять значения тока, протекающего через лампу, обеспечивая равенство потоков лампы накаливания и излучателя. Измеряя силу тока, протекающего через лампу накаливания, можно определять температуру излучателя.

Для измерения силы тока использован самопишущий электронный потенциометр 14, подключенный к шунту, который находится в цепи лампы накаливания.

Рис. 10.3. Фотоэлектрический (а) и радиационный (б) пирометры излучения: