1

В.Н. Скороспешкин

Учебно-методическое пособие по дисциплине

«Технические средства систем автоматизации»

Томск – 2008 г.

2

СОДЕРЖАНИЕ

1 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ .............................5

1.1Средства измерения давления ........................................................................................ 12

1.1.1 Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим

уравновешиванием .................................................................................................................16

1.1.1.1Поплавковые дифманометры. ................................................................................... 16

1.1.1.2 Колокольные дифманометры................................................................................... 17

1.1.2 Грузопоршневые манометры .......................................................................................17

1.1.3 Деформационные приборы для измерения давления ................................................19

1.1.3.1 Трубчатые пружины. ................................................................................................ 21

1.1.3.2 Сильфоны. ................................................................................................................. 22

1.1.3.3 Мембраны. ................................................................................................................. 22

1.1.3.4 Гофры. ........................................................................................................................ 23

1.1.3.5 Эластичные мембраны. ............................................................................................ 24

1.1.4 Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на

методе прямого преобразования ..........................................................................................25

1.1.4.1 Индуктивные измерительные преобразователи давления. ................................... 25

1.1.4.2 Дифференциально-трансформаторные измерительные преобразователи

давления. ................................................................................................................................ 26

1.1.4.3 Емкостные измерительные преобразователи давления. ....................................... 27

1.1.4.3 Тензорезисторные измерительные преобразователи давления. ....................... 27

1.1.4.5 Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления. ....................... 30

1.1.5 Ионизационные манометры. ........................................................................................34

1.1.6 Тепловые манометры. ...................................................................................................35

1.1.7 Методика измерения давления и разности давлений ................................................35

1.2 Средства измерения уровня ............................................................................................39

1.2.1 Визуальные средства измерений уровня ....................................................................40

1.2.2 Поплавковые средства измерений уровня ..................................................................41

1.2.3 Байковые средства измерений уровня ........................................................................43

1.2.4 Гидростатические средства измерений уровня..........................................................47

1.2.5 Электрические средства измерений уровня ...............................................................52

1.2.5.1 Емкостные уровнемеры. ........................................................................................... 52

1.2.5.2 Кондуктометрические сигнализаторы уровня. ...................................................... 54

1.2.6 Акустические средства измерений уровня .................................................................55

1.3 Средства измерения расхода ...........................................................................................57

1.3.1 Приборы, основанные на гидродинамических методах ...........................................58

1.3.1.1 Расходомеры с сужающими устройствами ............................................................ 59

1.3.1.2 Расходомеры с гидравлическим сопротивлением. ............................................ 64

1.3.1.3 Расходомеры с напорным устройствам. ............................................................. 65

1.3.1.4 Расходомеры с напорными усилителями. .......................................................... 66

1.3.1.5 Расходомеры переменного уровня. ..................................................................... 68

1.3.1.6 Расходомеры обтекания. ...................................................................................... 70

1.3.1.7 Расходомеры постоянного перепада давления. ................................................. 70

1.3.1.8 Расходомеры с изменяющимся перепадом давления. ....................................... 74

1.3.1.8 Расходомеры с поворотной лопастью. .................................................................... 77

1.3.1.9 Вихревые расходомеры. ....................................................................................... 78

1.3.1.10 Парциальные расходомеры .................................................................................... 79

1.3.2 Приборы с непрерывно движущимся телом ............................................................. 82

3

1.3.2.2 Крыльчатые и турбинные тахометрические расходомеры. .................................. 83

1.3.2.3 Роторно – шаровые расходомеры. ........................................................................... 87

1.3.2.4 Силовые расходомер. ............................................................................................... 88

1.3.2.5 Турбосиловые расходомеры. ................................................................................... 89

1.3.2.6 Кориолисовые силовые расходомеры. .................................................................... 90

1.3.2.7 Вибрационные расходомеры. .................................................................................. 93

1.3.2.8 Сравнение различных типов силовых расходомеров. ........................................... 95

1.3.3 Приборы основанные на различных физических явлениях .................................... 96

1.3.3.1 Тепловые расходомеры. ........................................................................................... 96

1.3.3.2 Электромагнитные расходомеры. ........................................................................... 97

1.3.3.3 Расходомер с электромагнитными преобразователями скорости потока. .......... 99

1.3.3.4 Электромагнитные расходомеры для вещества с малой электропроводностью и

особых разновидностей. ..................................................................................................... 101

1.3.3.5 Ультразвуковые (акустические) расходомеры..................................................... 103

1.3.3.6 Расходомеры для открытых каналов и рек. .......................................................... 106

1.3.3.7Измерение расхода воздуха в шахтах. ................................................................... 106

1.3.3.8 Измерение скорости воздуха в метеорологических установках. ....................... 106

1.3.3.9 Доплеровские ультразвуковые расходомеры. ...................................................... 107

1.3.3.10 Акустические длинноволновые расходомеры. .................................................. 107

1.3.3.11 Оптические расходомеры. .................................................................................... 108

1.3.3.12 Ядерно – магнитные расходомеры. ..................................................................... 113

1.3.3.13 Амплитудные расходомеры. ................................................................................ 114

1.3.3.14 Частотные расходомеры. ...................................................................................... 114

1.3.3.15Нутационные расходомеры. ................................................................................. 115

1.3.3.16 Меточные расходомеры. ...................................................................................... 116

1.3.3.17 Ионизационные расходомеры. ............................................................................ 117

1.3.4 Приборы, основанные на особых методах .............................................................. 120

1.3.4.1 Корреляционные расходомеры. ............................................................................. 120

1.3.4.2 Меточные расходомеры. ........................................................................................ 125

1.3.4.3 Концентрационные расходомеры.......................................................................... 133

1.4 Средства измерения температуры ............................................................................... 135

1.4.1Средства измерения температуры ..............................................................................137

1.4.2 Термометры расширения .......................................................................................... 138

1.4.3 Манометрические термометры ................................................................................. 142

1.4.4 Термоэлектрические термометры ............................................................................ 145

1.4.6 Пирометры излучения ...............................................................................................152

1.5 Средства измерения плотности, вязкости и концентрации .......................................155

1.5.1 Средства измерения плотности .................................................................................155

1.5.2 Средства измерения вязкости жидкостей .................................................................162

1.5.3 Средства измерения концентрации ...........................................................................166

2 ВТОРИЧНЫЕ АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ .......................................188

2.1 Вторичные аналоговые приборы ..................................................................................188

2.1.1 Милливольтметры и логометры ................................................................................188

2.1.2 Автоматические приборы следящего уравновешивания ........................................194

2.1.3 Аналоговые приборы и устройства АСКР .............................................................. 201

2.1.4 Приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой ....... 205

2.1.4 Узкопрофильные приборы ........................................................................................ 209

2.2 ВТОРИЧНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ ...............................................................218

2.3 Безбумажные регистраторы ..........................................................................................232

3 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ..........................................................................247

4

3.2. Плунжерные исполнительные устройства .................................................................254

3.2.1 Плунжерные исполнительные устройства ...............................................................254

3.2. Бесплунжерные исполнительные устройства ............................................................265

3.3. Поворотные исполнительные устройства ..................................................................267

3.4 Промышленная трубопроводная арматура .................................................................272

5

1 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Все средства измерений определяются как технологические средства,

используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические

характеристики. Под характеристиками будем понимать такие свойства средств

измерений, которые позволяют судить об их пригодности для измерений

определённой физической величины в заданном диапазоне её значений и с заданной

точностью.

По характеру участия в процессе измерений можно выделить четыре основные

группы средств измерений: меры, измерительные устройства, измерительные

установки, измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической

величины заданного размера. Меры подразделяются на однозначные и многозначные.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера. По сути,

она воспроизводит либо единицу измерения, либо некоторое определённое числовое

значения данной физической величины.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера.

Самым многочисленным видом средств измерений является измерительные

устройства.

По роду измеряемой величины измерительные устройства подразделяют на

амперметры – для измерения тока, термометры – для измерения температуры,

манометры – для измерения давления, концентраторы – для измерения концентрации

веществ.

По степени защиты измерительные устройства бывают в нормальном

(обыкновенном), пыле -, водо -, взрывозащищенном, герметичном исполнении.

В зависимости от формы представления сигнала измерительной информации

измерительные устройства подразделяются на измерительные приборы и

измерительные преобразователи.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки

сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного

восприятия наблюдателем. Измерительный прибор всегда имеет устройство,

позволяющее человеку воспринимать информацию о числовом значении измеряемой

величины. Результаты измерений приборами выдаются их отсчетными устройствами.

В качестве такого устройства могут использоваться шкала с указателем, цифровое

табло, цифропечатающая машинка, устройство записи на диаграмме.

6

Измерительные приборы могут быть классифицированы по ряду признаков: по

методу измерения, по способу предоставления величин, по способу предоставления

показаний, по типу вычислительного устройства. По характеру применения

измерительные приборы подразделяют на стационарные (щитовые), корпус которых

приспособлен для жесткого крепления на месте установки, и переносные, корпус

которых не предназначен для жесткого крепления.

По способу определения значения измеряемой величины приборы делятся на две

группы: прямого действия и сравнения.

Приборы прямого действия (непосредственной оценки) позволяют получить

значения измеряемой величины на отсчётном устройстве. Такие приборы состоят из

нескольких элементов, осуществляющих необходимое преобразование измеряемой

величины в сигнал того или иного вида или, если необходимо, усиление этого сигнала,

чтобы вызвать перемещение подвижного органа отсчетного устройства.

Характерной особенностью приборов непосредственной оценки является то, что

результаты, полученные с их помощью, не требует сравнения с показаниями

эталонных средств измерений.

К таким прибором относятся большая часть вольтметров, амперметров,

манометров, термометров.

В приборах сравнения значение измеряемой величины определяют сравнением с

известной величиной, соответствующей воспроизводящей ее мере. Для сравнения

измеряемой величины с мерой используют компенсационные или мостовые

измерительные цепи. Характерной особенностью приборов, основанных на методе

сравнения, является то, что погрешность измерения с их помощью определяется в

основном погрешностью мер, с которыми сравнивают измеряемые величины.

По способу представления величин подразделяются на аналоговые и цифровые

приборы.

Аналоговые приборы – это, как правило, стрелочные приборы с отсчетными

устройствами, состоящими из двух элементов – шкалы и указателя, связанного с

подвижной частью прибора. Показания таких приборов являются непрерывной

функцией измерений измеряемой величины.

Цифровые измерительные приборы автоматически вырабатывают дискретные

сигналы измерительной информации, которые представляют в цифровой форме.

Отсчёт у них производится с помощью механических или электронных цифровых

отсчетных устройств.

7

Цифровые измерительные приборы широко применяют для измерения

электрических напряжений, частоты колебаний, параметров электрических и

радиотехнических цепей и многих других величин. В последние годы они все чаще

заменяют стрелочные приборы.

По способу образования показаний приборы подразделяют на показывающие и

регистрирующие. Показывающие приборы, в свою очередь, подразделяются на

аналоговые и цифровые приборы.

Цифровые измерительные приборы по сравнению с аналоговыми приборами

имеют ряд достоинств: процесс измерения автоматизирован, что исключает

возникновение погрешностей, обусловленных ошибками оператора; время измерения

очень мало; результата измерений, выдаваемый в цифровой форме, легко фиксируется

цифропечатающим устройством и удобен для ввода в электронно-вычислительную

машину.

Регистрирующие измерительные приборы подразделяют на самопишущие

(барографы, термографы, шлейфовые осциллографы), выдающие показания в форме

диаграммы, и печатающие, которые выдают результат измерений в цифровой форме

на бумажной ленте. Регистрирующие приборы находят широкое применение при

измерении физических величин – параметров процессов или свойств объектов и

динамических режимах, когда непрерывно изменяются те или иные условия измерения

(температура, давление).

По типу вычислительного устройства суммирующие, интегрирующие и

вычисляющие сложные функции.

Суммирующий измерительный прибор – измерительный прибор, показания

которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых

к нему по различным каналам.

Интегрирующий измерительный прибор это прибор, в котором подводимая

величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой

переменной.

Измерительный преобразователь – средство измерений служащее для выработки

измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего

преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному

восприятию наблюдателем.

Преобразуемая физическая величина называется входной, а результат

преобразования – выходной величиной. Связь между входной и выходной величинами

преобразователя устанавливается функцией преобразования.

8

Основное требование к измерительным преобразователям – точная передача

информации, то есть минимальные потери информации, иначе говоря, минимальные

погрешности. Измерительное преобразование – это отражение размера одной

физической величины размером другой физической величины, функционально с ней

связанной. На принципе измерительного преобразования построены практически все

средства измерений, так как любое средство измерений использует те или иные

функциональные связи между входной и выходной величинами. Понятие

«измерительный преобразователь» более конкретно, чем «измерительное

преобразование», так как одно и то же измерительное преобразование может быть

выполнено рядом различных по принципу действия измерительных преобразователей.

Например, измерительное преобразование температуры в механическое перемещение

может быть выполнено ртутным термометром или биметаллическим элементом либо

термопарой, преобразующей температуру в ЭДС, а ЭДС в перемещение указателя.

Как видно из рисунка 1.1, измерительные преобразователи могут быть

классифицированы в зависимости от используемого метода измерения и способа

представления величины совершенно аналогично измерительным приборам. Кроме

того, принято различать измерительные преобразователи по расположению в

измерительной системе и виду функции преобразования, представляющей собой

зависимость сигнала измерительного преобразователя от измеряемой величины.

Измерительные преобразователь, к которому подведена измеряемая величина,

называется первичным преобразователем (датчик), например термопара в

термоэлектрическом термометре.

Промежуточный измерительный преобразователь это преобразователь,

занимающий в измерительной цепи место после первого. Измерительный

преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала

измерительной информации, называется передающим, например индуктивный и

пневматические передающие преобразователи.

Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в

заданное число раз (по существу это усилитель сигнала измерительной информации),

называется масштабным, например двигатели напряжений на входе вольтметров или

электронных осциллографов, а также измерительные усилители.

Функционально измерительный преобразователь предназначен для формирования

сигнала измерительной информации, связанной с измеряемой величиной некоторой

заданной функцией.

9

Измерительные преобразователи являются составной частью измерительных

приборов, различных измерительных систем, системы автоматического контроля или

регулирования тех или иных процессов.

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных

средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей)

и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов

измерительной информации в форме, удобной для выработки сигналов измерительной

информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и

расположенных в одном месте. Создания измерительных установок, называемых

также измерительными стендами, позволяет наиболее рационально расположить все

требуемые средства измерений и соединить их с объектами измерений для

обеспечения наиболее высокой производительности труда на данном рабочем месте.

10

Средства измерений

Меры Измерительные

устройства Измерительные

установки Измерительные

системы

Однозначны

е многозначные Измерительные

приборы Измерительные

преобразователи

По

мет

од

у

изм

ерен

ия

По

сп

осо

бу

пр

едста

вл

ени

я

вел

ич

ин

По

сп

осо

бу

пр

едста

вл

ени

я

по

ка

зан

ий

По

ти

пу

вы

чи

сли

тел

ьн

о

го

уст

ро

йств

а

По

мет

од

у

изм

ерен

ия

По

сп

осо

бу

пр

едста

вл

ени

я

вел

ич

ин

По

по

ло

жен

ию

в и

змер

ител

ьн

.

сист

еме

По

фу

нк

ци

и

пр

еоб

ра

зов

а-

ни

я

Пр

ям

ого

дей

ств

ия

Ср

ав

нен

ия

Ан

ал

ого

вы

й

Ци

фр

ов

ой

По

ка

зыв

аю

щи

й

Рег

истр

ир

ую

щи

й

Су

мм

ир

ую

щи

й

Ин

тег

ри

ру

ющ

ий

Вы

чи

сл

яю

щи

й

сло

жен

ие

фу

нк

ци

й

Пр

ям

ого

дей

ств

ия

Ср

ав

нен

ия

Ан

ал

ого

вы

й

Ци

фр

ов

ой

по

ка

зыв

аю

щи

й

Пер

ви

чн

ый

Пр

ом

ежу

то

чн

ый

Пер

еда

ющ

ий

Ма

сшта

бн

ый

Фу

нк

ци

он

ал

ьн

ый

Самопишущий Печатающий

Рисунок 1.1 - Классификация средств измерений

11

Измерительные системы предназначены для выработки сигналов измерительной

информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в

автоматических системах управления. Их главная – цель автоматизация процесса измерения

и использования результатов измерения для автоматического управления различными

процессами производства. В состав таких систем могут входить преобразователи одних

величин в другие, схема автоматического регулирования, меры и измерительные приборы. В

случае если различные элементы системы разнесены на значительные расстояния друг от

друга, связь между ними осуществляется как по проводным, так и беспроводным каналам. В

настоящее время измерительные системы часто рассматриваются как один из классов так

называемых информационно – измерительных систем.

Информационно – измерительная система (ИИС) – совокупность функционально

объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических

средств, служащая либо для получения измерительной информации, ее преобразования,

обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде,

либо для автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики,

идентификации. В случае если различные элементы системы разнесены на значительные

расстояния друг от друга, связь между ними осуществляется как по проводным, так и

беспроводным каналам.

Кроме рассмотренной классификации средств измерений по виду существенной является

классификация по принципу действия.

Принципом действия средства измерений называют физический принцип, положенный в

основу построения средств измерений данного вида. Принцип действия обычно находит

отражения в названии средств измерений, например: термоэлектрический термометр,

деформационный манометр, электромагнитный расходомер.

В силу того, что для средств измерений различных величин классификация по принципу

действия является специфичной, при дальнейшем изложении она будет проводиться для

каждой величины.

12

1.1Средства измерения давления

Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к

площади этой поверхности. Диапазон измеряемых давлений жидкостей и газов лежит в

пределах от 0 до 1010

Па, причем различают задачи измерения абсолютного давления,

вакуума (давления ниже атмосферного) и разности двух давлений (перепада давления),

атмосферное давление (барометрическое).

Давлением во многом определяют ход технологического процесса, состояние

технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления

приходиться сталкиваться при измерениях некоторых технологических параметров,

например расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня

жидкости.

Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум

(разряжен).

Атмосферное (барометрическое) давление – давление, создаваемое массой воздушного

столба земной атмосферы.

Абсолютное давление – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета

абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачен

воздух.

Избыточное давление – разность, между абсолютным и барометрическим давлениями.

Вакуум (разрежение) – разность между барометрическим и абсолютным давлениями.

Средства измерений давления классифицируют по виду измеряемого давления и

принципу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:

манометры избыточного давления – для измерения избыточного давления;

манометры абсолютного давления – для измерения давления, отсчитанного от

абсолютного нуля;

барометры – для измерения атмосферного давления;

вакуумметры – для измерения вакуума (разрежения);

мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения).

Кроме перечисленных средств измерений в практике измерений получили

распространение:

напоромеры – манометры малых избыточных давлений (до 40 кПа);

тягомеры – вакуумметры с верхним пределом измерения не более – 40 кПа;

тягонапоромеры – мановакуумметры с диапазоном измерений плюс 20 ÷ минус 20 кПа;

13

вакуумметры остаточного давления – вакуумметры, предназначенные для измерения

глубокого вакуума или остаточного давления, т.е. абсолютных давлений мене 200Па;

дифференцальные манометры – средства измерений разности давлений.

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия на

чувствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической

величины, средства измерения давления разделяются на жидкостные, деформационные,

поршневые, электрические, ионизационные, тепловые. Такое подразделение не является

исчерпывающим и может быть дополнено средствами измерений, основанными на иных

физических явлениях.

В настоящее время существует большой парк средств измерений давления, позволяющий

осуществить измерение давления в диапазоне 10-12

- 10

11 Па.

В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений

уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используют принцип

сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве

давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное

давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением столба

жидкости в другом.

В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного

элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная

последнему деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие

изменения выходного сигнала. В соответствии с используемым чувствительным элементом

деформационные манометры подразделяют на трубчато-пружинные, сильфонные и

мембранные.

К электрическим приборам для измерения давления относятся манометры с

тензопреобразователями и пьезоэлектрические. Чувствительным элементом манометров с

тензопреобразователями является мембрана, на которой размещены проволочные,

фольговые или полупроводниковые резисторы. При деформации мембраны под действием

контролируемого давления сопротивление резисторов меняется. Принцип действия

пьезоэлектрических манометров основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность

которого заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой

кварцевой пластины, вырезанной перпендикулярно к электрической оси кристаллов кварца.

Для измерения давления в диапазоне от 10-11

до 102 Па используют ионизационные

манометры, основным элементом которых является стеклянная манометрическая лампа.

Принцип действия приборов заключается в том, что эжектируемые раскаленным катодом

электроны ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и

катодом, и при своем движении ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные

14

ионы попадают на отрицательно заряженный коллектор; при постоянстве анодного

напряжения и электронной эмиссии величина коллекторного тока зависит от измеряемого

давления.

В поршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести

неуплотненного поршня с грузами. Манометры используют в качестве образцовых средств

воспроизведения единицы давления в диапазоне от 10-1

до 1010

Па, а также для точных

измерений давления в лабораторной практике рисунок 1.2.

15

Абсолютное давление

Избыточное давление

Деформационные

Поршневые

Тепловые

Жидкостные

Электрические

Ионизационные

10

-11 10

-10 10

-9 10

-8 10

-7 10

-6 10

-5 10

-4 10

-3 10

-2 10

-1 10

0 10

1 10

2 10

3 10

4 10

5 10

6 10

7 10

8 10

9 10

10 10

11

Сверхвысокий вакуум Высокий вакуум Средний вакуум Низкий

вакуум

Ум

ерен

ное

дав

лен

ие

Сред

нее

дав

лен

ие

Вы

сокое

дав

лен

ие

Свер

хвы

сокое

дав

лен

ие

Рисунок 1.2 - Диапазоны давления (в Па), охватываемый существующими средствами измерений давления

16

Далее рассмотрены средства измерений давления, широко применяемые в качестве

рабочих при технологических измерениях.

1.1.1 Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием

В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием мерой измеряемого

давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости,

называемой затворной или манометрической, применяются дистиллированная вода, ртуть,

этиловый спирт, трансформаторное масло. Выбор рабочей жидкости определяется

диапазоном измеряемого давления, условиями эксплуатации и требуемой точности.

В настоящее время номенклатура жидкостных средств измерений давления с

гидростатическим уравновешиванием существенно ограничена. В большинстве случаев они

заменены более совершенными деформационными средствами измерений. К числу

жидкостных средств измерений давления (разности давлений и разрежения) с

гидростатическим уравновешиванием, которые еще применяются на технологических

потоках, относятся поплавковые и колокольные дифманометры.

1.1.1.1Поплавковые дифманометры.

Принцип уравновешивания измеряемого давления силой тяжести столба рабочей

жидкости используется в жидкостных поплавковых дифманометрах, которые являются

разновидностью однотрубных манометров, но не имеют видимого уровня рабочей жидкости.

Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные перепады давления, верхние

пределы которых ограничены значениями от 6,3 кПа до 0,10 МПа, используются при

статических давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности поплавковых

дифманометров 1,0 и 1,5. Для передачи на расстояние информации о значении измеряемого

перепада давления, рассматриваемые дифманометры оснащаются преобразователями

перемещения указателя в унифицированный сигнал измерительной информации.

Передаточные механизмы поплавковых дифманометров, применяемых для измерения

расхода веществ, оснащаются лекалами, профиль которых рассчитывают по квадратичной

корневой зависимости. Показания этих поплавковых дифманометров пропорциональны

измеряемому расходу.

Высокая точность измерений и возможность регистрации показаний без применения

специальных источников энергии являются преимуществами дифманометров данного типа.

Основным их недостатком является наличие токсичной жидкости — ртути, которая при

17

резких изменениях давления может загрязнять объект измерения или окружающую среду.

1.1.1.2 Колокольные дифманометры.

Дифманометры этого типа представляют собой колокол, погруженный в рабочую

жидкость и перемещающийся под влиянием разности давлений. Противодействующая сила

создается за счет утяжеления колокола при его подъеме и уменьшении тяжести колокола при

его погружении. Достигается это за счет изменения гидростатической подъемной силы,

действующей на колокол согласно закону Архимеда.

Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием обладают высокой

чувствительностью и могут быть использованы для измерения малых давлений, перепадов

давлений и разрежений.

Некоторые модификации колокольных дифманометров с гидростатическим

уравновешиванием оснащаются преобразователями П., посредством которых перемещение

поплавка преобразуется в унифицированный сигнал измерительной информации,

передаваемый по каналу связи.

Жидкостные средства измерения имеют высокую точность, однако сложны по

конструкции и в обслуживании, поэтому используются редко.

1.1.2 Грузопоршневые манометры

В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести

неуплотненного поршня с грузами. Предназначены для измерений и воспроизведения

избыточного давления и разности давлений. Применяются для проверки и калибровки

датчиков разности давлений. Манометры используются в качестве образцовых средств

воспроизведения единицы давления в диапазоне от 10-1

до 1013

Па, а также для точных

измерений давления в лабораторной практике.

Внешний вид грузопоршневого манометра дифференциального давления, представлен

на рисунке 1.3.

18

Дифференциальные грузопоршневые манометры состоят из двух поршневых систем -

измерительной (А1) и уравновешивающей (А2), причем обе системы имеют свои

собственные источники создания давления и соединены между собой соединительным

клапаном. При открытом клапане грузы, помещенные на системы А1 и А2, создают

одинаковое требуемое статическое давление. В системе создается давление таким образом,

чтобы оба поршня были уравновешены. Это значит, что оба поршня вращаются с грузами и

опускаются с одинаковой скоростью. Достижение одинаковой скорости опускания,

контролируется с помощью специального устройства, соединительный клапан

перекрывается. В этот момент принимается, что статическое давление в поршневых

системах равны между собой. После этого можно создавать необходимую разность давлений

ΔР путем наложения небольшого груза на систему А1 рисунок 1.4.

Рисунок 1.4 - Схема грузопоршневого манометра дифференциального давления

А1 – измерительная система;

А2 – уравновешивающая система;

ΔР – разность давлений.

Для расширения диапазона давлений, измеряемых грузопоршневыми манометрами,

используются поршни дифференциальные, разгруженные, косвенного нагружения с

мультипликаторами.

Рисунок 1.3 - Грузопоршневой манометра дифференциального давления

19

Низкая погрешность воспроизведения и измерения давления с помощью

грузопоршневых манометров определяется высокой точностью задания массы грузов,

площади сечения поршня и ускорения свободного падения.

Грузопоршневые манометры характеризуются высокой точностью, часто используются

для метрологических целей.

1.1.3 Деформационные приборы для измерения давления

Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются

основными факторами, обусловливающими широкое распространение деформационных

приборов для измерения давления в промышленности и научных исследованиях.

Чувствительные элементы деформационных средств измерений давления.

Принцип действия деформационных средств измерений давления основан на

использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или развиваемой им

силы. Мерой измеряемого давления в средствах измерений данного вида является

деформация упругого чувствительного элемента или развиваемая им сила. Различают три

основные формы ЧЭ, получивших распространение в практике измерения: трубчатые

пружины, сильфоны и мембраны рисунок 1.5.

20

Рисунок 1.5 - Конструкции чувствительных элементов деформационных средств

измерений давления

21

1.1.3.1 Трубчатые пружины.

Трубчатая пружина (манометрическая трубка, пружина Бурдона) — упругая

криволинейная металлическая полая трубка, один из концов которой имеет возможность

перемещаться, а другой — жестко закреплен. Трубчатые пружины используются в основном

для преобразования измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины,

в пропорциональное перемещение ее свободного конца. Наиболее распространена

одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изогнутую по дуге окружности

трубку с обычно овальным поперечным сечением рисунок 1.5(а).

Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскручивается, а под действием

разрежения скручивается. Такое направление перемещения трубки объясняется тем, что под

влиянием внутреннего избыточного давления малая ось трубки (ось Б) увеличивается, в то

время как длина трубки остается постоянной. Теоретически длина трубки также изменяется,

но эти изменения столь малы по сравнению с длиной, что на общее перемещение трубки оно

не оказывает существенного влияния.

На рисунке 1.5(б) показана винтовая n-витковая трубчатая пружина. Величина γ в

чувствительных элементах этой формы равна 360° п.

Для измерения высоких давлений до 1000 МПа используют криволинейные и

прямолинейные трубчатые пружины. Форма сечения прямолинейной трубчатой пружины

показана на рисунке 1.5(в). Перемещение свободного конца пружины происходит не из-за

изменения поперечного сечения, а благодаря изгибающему моменту. Изгибающейся момент

вычисляют по формуле

М= 2r lP,

где 2r — площадь канала;

l — расстояние от центра канала до центра тяжести;

Р—измеряемое избыточное давление, направленное в сторону более толстой стенки.

Основной недостаток рассмотренных пружин — малый угол поворота, что требует

применения передаточных механизмов. Этот недостаток устранен в чувствительных

элементах типа витой трубчатой пружины овального или звездчатого сечения рисунок 1.5(г).

Угол поворота такой витой пружины составляет 40—60°. Это позволяет отказаться от

применения передаточного механизма, так как стрелка может быть укреплена

непосредственно на свободном конце пружины. Трубчатые пружины для давлений до 5 МПа

изготавливают из латуни, томпака, бронзы; для изготовления пружин, рассчитанных на

давления свыше 5 МПа, применяют легированные сплавы, стали различных составов. Для

давлений 1000 МПа и более применяют легированную сталь типа 50 ХФА.

22

1.1.3.2 Сильфоны.

Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами рисунок

1.5(д), способная получать значительные перемещения под действием давления или силы. В

пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на

него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью

сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны

изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака, углеродистой стали, нержавеющей

стали, алюминиевых сплавов и др. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны

диаметром от 8—10 до 80—100 мм и толщиной стенки 0,1—0,3 мм.

1.1.3.3 Мембраны.

Различают упругие и эластичные (вялые) мембраны. Упругая мембрана — гибкая

круглая плоская (плоская мембрана) или гофрированная (гофрированная мембрана)

пластина, способная получить прогиб под действием давления рисунок 1.5(е, ж).

Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением

давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть

возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем

плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. Мембраны

изготавливают из различных марок стали, бронзы, томпака, латуни.

Величина прогиба центра плоской мембраны, закрепленной по контуру, при малых

перемещениях под действием давления Р вычисляется по формуле

3

42

16

)1(3

Eh

PR

,

где R—рабочий радиус мембраны (по контуру закрепления);

h— толщина мембраны.

Величину прогиба гофрированных мембран определяют из выражения

a= )( 4433 EhRPhbh ,

где а и b— коэффициенты, зависящие от формы профиля мембраны и ее толщины.

По такому принципу действия работают дифманометрические датчики КАРАТ-ДД.

Они имеют мембранный первичный преобразователь и электронный модуль (блок) с

конструктивными исполнениями, обусловленными спецификой эксплуатации,

особенностями и пределами измерений.

В дифманометрических датчиках мембранный элемент сравнивает два рабочих давления

контролируемой среды и имеет два явных входа, что и обеспечивает измерение разности

23

давлений. Такой датчик является наиболее универсальным и может использоваться для

измерений избыточного давления и разрежения.

Например, дифманометрический датчик КАРАТ-ДД имеет унифицированную

конструкцию: первичный преобразователь в виде мембранного блока (МБ) с

тензопреобразователем и блок электроники (БЭЛ) с нормирующим преобразователем,

соединенные через горловину МБ. На рисунок 1.6 изображен внешний вид датчика КАРАТ

– ДД.

Рисунок 1.6 - Дифманометрический датчик КАРАТ-ДД

Мембраны имеют ход, допускающий одностороннюю (например, аварийную) перегрузку

рабочим давлением, многократно превышающим измеряемую разность давлений. При

перегрузке, мембраны перемещаются и одна из них ложится на упор – профилированную

поверхность основания.

1.1.3.4 Гофры.

Гофры, применяются треугольной, трапециевидной, синусоидальной и круговой форм.

При необходимости получения большего прогиба используют соединение мембран в виде

мембранных коробок рисунок 1.5(з), а также блоки, собранные из нескольких мембранных

коробок рисунок 1.5(к).

Глубина гофр оказывает существенное влияние на линейность статической

характеристики. Чем больше глубина гофр, тем линейность статической характеристики

выше.

При измерении атмосферного (барометрического) давления получили распространение

гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости которой воздух удален

рисунок 1.5(л).

24

Эластичная мембрана, предназначенная для измерения малых давлений и разности

давлений, представляет собой зажатые между фланцами плоские или гофрированные диски,

выполненные из прорезиненной ткани, тефлона и другие. Плоские и гофрированные

эластичные мембраны предназначены, в основном, для создания достаточных

перестановочных усилий при сравнительно небольших перемещениях.

Перестановочное усилие эластичной мембраны зависит от ее эффективной площади,

которая при умножении на перепад давления создает усилие, приложенное к

геометрическому центру мембраны.

1.1.3.5 Эластичные мембраны.

На рисунке 1.5(м, н) показаны типы эластичных мембран. При измерении перепада

давления необходимо, чтобы при воздействии односторонних перегрузок на чувствительный

элемент не происходило его повреждения.

Применение мембранных блоков с жидкостным заполнением рисунок 1.5(о) позволяет

решить эту задачу. При односторонней перегрузке, когда разность давлений P1 — Р2 больше

верхнего предела измерений, на который рассчитан чувствительный элемент, повреждение

коробки не происходит, так как мембраны складываются по профилю, а жидкость перетекает

во вторую коробку.

Одной из основных характеристик деформационного чувствительного элемента является

зависимость перемещения рабочей точки от действующего давления Р или разности

давлений. Эта характеристика )(Pf , называемая статической, может быть линейной или

нелинейной. Ход статической характеристики в пределах упругой деформации неоднозначен

и образует петлю гистерезиса. Значение гистерезиса определяет систематическую погреш-

ность деформационных средств измерений.

Кроме отмеченного недостатка чувствительным элементам присуще свойство упругого

последействия, суть которого состоит в том, что после прекращения изменения давления

деформация продолжает уменьшаться, асимптотически приближаясь к предельному

значению. Наряду с упругим последействием при эксплуатации чувствительных элементов

имеет место остаточная деформация, заключающаяся в том, что после снятия давления

чувствительный элемент не возвращается в исходное положение. При многократных

измерениях остаточная деформация накапливается, что приводит к значительным

погрешностям.

Изложенные особенности деформационных чувствительных элементов объясняют тот

факт, что для технических манометров верхний предел измерений ограничивается

половиной давления, соответствующего пределу пропорциональности статической

характеристики, в то время как для образцовых приборов предел измерений ограничивается

25

четвертой частью давления, соответствующего пределу пропорциональности.

Наиболее широко применяются мембраны. Они дешевы, легки в эксплуатации,

используются как для местного контроля, так и в составе преобразователей.

Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе

прямого преобразования.

Выпускаемые в настоящее время измерительные преобразователи давления, основанные

на методе прямого преобразования, различаются как видом деформационного

чувствительного элемента, так и способом преобразования его перемещения или

развиваемого им усилия в сигнал измерительной информации. Для преобразования

перемещения чувствительного элемента в сигнал измерительной информации широко

применяются индуктивные, дифференциально-трансформаторные, емкостные,

тензорезисторные и другие преобразовательные элементы. Преобразование усилия,

развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации

осуществляется пьезоэлектрическими преобразовательными элементами.

1.1.4 Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе

прямого преобразования

1.1.4.1 Индуктивные измерительные преобразователи давления.

На рисунке 1.7(а) показана схема измерительного преобразователя давления,

оснащенного преобразовательным элементом индуктивного типа.

Рисунок 1.7 - Схемы измерительных преобразователей давления

Мембрана 1, воспринимающая давления, является подвижным якорем электромагнита 2 с

обмоткой 3. Под действием измеряемого давления мембрана 1 перемещается, что вызывает

26

изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента.

1.1.4.2 Дифференциально-трансформаторные измерительные преобразователи давления.

Измерительный преобразователь давления дифференциально-трансформаторного (ДТ)

типа рисунок 1.7(б) содержит деформационный чувствительный элемент 1 и ДТ-преобра-

зовательный элемент 2. Преобразовательный элемент представляет собой каркас из

диэлектрика, на котором размещены катушка с первичной обмоткой 7, состоящей из двух

секций, намотанных согласно, и двух секций 4, 5 вторичной обмотки, включенных встречно.

Внутри канала катушки расположен подвижный сердечник 6 из магнитомягкого материала,

связанный с пружиной 1 тягой 3.

К выходу вторичной обмотки подключен делитель, состоящий из регулируемого R1 и

постоянного R2 резисторов. Делитель используется при настройке преобразователя на

заданный диапазон.

Путем изменения сопротивления R1 можно изменять пределы измерений на плюс минус

25 процентов.

Формирование выходного сигнала ДТ - преобразовательного элемента осуществляется

следующим образом. При протекании по первичной обмотке тока I1 возникают магнитные

потоки, пронизывающие обе секции вторичной обмотки и индуцирующие в них ЭДС е1 и е2.

Значения этих ЭДС связаны с взаимными индуктивностями M1 и М2 между первичной

обмоткой и каждой из секций вторичной обмотки.

В настоящее время разработаны ДТ - преобразовательные элементы с полным ходом

сердечника 1,6, 2,5 и 4 мм. Преобразователи имеют унифицированный сигнал в виде

напряжения переменного тока, изменяющегося в диапазоне минус1 до 0 до плюс 1 В. Знак

«минус» указывает на изменение фазы сигнала. Указанным значениям выходного сигнала

соответствуют изменения взаимной индуктивности ДТ - преобразовательного элемента

минус10 до 0 до плюс10 мГн.

Преобразование измеряемого давления в электрический сигнал Uвых. рассматриваемым

преобразователем давления осуществляется путем преобразования давления в деформацию

(перемещение) чувствительного элемента, жестко связанного с сердечником 6, и

последующего преобразования перемещения сердечника 6 в электрический сигнал ДТ -

преобразовательным элементом.

Преобразователи давления ДТ - типа работают в комплекте с дифференциально-

трансформаторными вторичными приборами. Классы точности ДТ - преобразователей

давления 1,0 и 1,5.

Для измерения перепада давления разработаны мембранные дифманометры с ДТ -

преобразовательным элементом, осуществляющим преобразование перемещения

27

мембранного блока в сигнал измерительной информации. Классы точности

преобразователей перепада давления 1,0 и 1,5. Время установления выходного сигнала не

более 1 секунды.

1.1.4.3 Емкостные измерительные преобразователи давления.

Схема измерительного преобразователя давления, оснащенного емкостным

преобразовательным элементом, приведена на рисунке 1.7(в). Измеряемое давление

воспринимается металлической мембраной 1, являющейся подвижным электродом

емкостного преобразовательного элемента. Неподвижный электрод 2 изолируется от корпуса

с помощью кварцевых изоляторов.

Для преобразования С в сигнал измерительной информации обычно используют мосты

переменного тока либо резонансные LC - контуры. Емкостные преобразователи давления

применяют для измерения давления до 120 МПа. Толщина мембраны 0,05—1 мм.

Преобразователи давления данного типа используются для преобразования быстро

изменяющихся давлений. Постоянная времени преобразователя 10-4

секунды. Основная

погрешность плюс минус 0,2 — 5 процента.

1.1.4.3 Тензорезисторные измерительные преобразователи давления.

Измерительные преобразователи давления, оснащенные преобразовательными

элементами тензорезисторного типа получили название тензорезисторных измерительных

преобразователей давления. Преобразователи давления этого вида представляют собой

деформационный чувствительный элемент, чаще всего мембрану, на которую наклеиваются

или напыляются тензорезисторы. В основе принципа работы тензорезисторов лежит явление

тензоэффекта, суть которого состоит в изменении сопротивления проводников и

полупроводников при их деформации.

Получили распространение проволочные и фольговые тензорезисторы, изготавливаемые

из проводников типа манганина, нихрома, константана, а также полупроводниковые

тензорезисторы, изготавливаемые из кремния и германия р- и n-типов. Сопротивление

тензорезисторов, изготавливаемых из проводников, составляет 30 — 500 Ом, а

сопротивление полупроводниковых тензорезисторов от 5·10-2

— 10 кОм.

Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов

создало возможность изготавливать тензорезисторы непосредственно на кристаллическом

элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие элементы кристаллических

материалов обладают упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцепление

тензорезистора с мембраной за счет молекулярных сил позволяют отказаться от

28

использования клеющих материалов и улучшить метрологические характеристики

преобразователей. На рисунке 1.8(а) показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на

ней однополосковыми тензорезисторами р-типа с положительной 1 и отрицательной 2

чувствительностями.

Рисунок 1.8 - Схемы тензорезисторных чувствительных элементов

Положительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которого отношение

ΔR/R>0, если же ΔR/R<0— чувствительность отрицательна. Структура однополоскового

тензорезистора приведена на рисунке 1.8(б). Здесь 1 — тензорезистор; 2 — защитное

покрытие; 3 — металлизированные токоведущие дорожки; 4 — упругий элемент

преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно располагать на мембране

так, что при дедеформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления.

Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого включаются

тензорезисторы с соответствующим значением ΔR/R и даже термокомпенсационные

элементы.

На рисунке 1.9(а) показана схема тензорезисторного измерительного преобразователя

разности давления.

29

Рисунок 1.9 - Схемы тензорезисторных измерительных преобразователей разности давлений

с унифицированным токовым выходным сигналом

Мембранный тензомодуль 4 представляет собой металлическую мембрану, к которой

сверху припаяна сапфировая мембрана с напыленными четырьмя кремниевыми

тензорезисторами, образующими плечи неравновесного моста. Тензомодуль закреплен на

основании 2 и отделен от измеряемой среды двумя разделительными металлическими

мембранами 1 и 3. Замкнутые полости между тензомодулем и мембранами заполнены

полиметилсилоксановой жидкостью. Измеряемая разность давлений Р1— P2 воздействует на

тензомодуль через указанные мембраны и жидкость. Через герметичные выводы 5

тензомодуль подключается к встроенному электронному устройству 6. С помощью этого

устройства изменение сопротивления тензорезисторов преобразуется в унифицированный

токовый выходной сигнал (0—5, 0—20 или 4—20 мА), который передается по

искробезопасной двухпроводной линии дистанционной передачи к блоку питания 7.

Последний устанавливается во взрывобезопасном помещении и обеспечивает питание

первичного преобразователя по двухпроводной линии. По этой же линии одновременно

передается выходной токовый сигнал. Наряду с указанной функцией блок питания повышает

мощность выходного сигнала до уровня, необходимого для подключения внешней нагрузки

Rн, и формирует заданный уровень выходного сигнала (0—5, 0—20 или 4—20 мА). В

тензорезисторных преобразователях избыточного давления, абсолютного давления и

разрежения используются измерительные блоки, аналогичные рассмотренным. Отличие

состоит в том, что измерительный преобразователь подключается к объекту «плюсовой»

30

камерой, а «минусовой» сообщается с атмосферой. У измерительных преобразователей

абсолютного давления «минусовая» камера вакуумирована.

Тензорезисторный измерительный преобразователь давления с тензомодулем рычажно-

мембранного типа показан на рисунке 1.9(б). Тензомодуль рычажно-мембранного типа 3

размещен в заполненной полиметилсилоксановой жидкостью замкнутой полости 1 и отделен

от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 2 и 9. Мембраны по

наружному контуру приварены к основанию 10 и соединены между собой центральным

штоком 8, который связан с концом рычага тензомодуля. Разность давлений вызывает

прогиб мембран 2 и 9 тензомодуля 3, что сопровождается изменением сопротивления

тензорезисторов 4. Электрический сигнал с тензомодуля через герметичные выводы 5

подается во встроенное электронное устройство 6, которое связано с блоком питания 7.

Назначение блока питания аналогично рассмотренному.

Классы точности тензорезисторных измерительных преобразователей избыточного

давления, разрежения и разности давлений 0,6; 1,0; 1,5. Время установления выходного

сигнала при скачкообразном изменении измеряемого параметра 0,5 и 2,5 секунды.

Кроме рассмотренных разработана модификация тензорезисторного преобразователя,

предназначенного для измерения избыточного давления. Преобразователь имеет

унифицированные токовые сигналы 0—5, 0—20, 4—20 мА. Классы точности

преобразователя 0,25; 0,5; 1,0.

1.1.4.5 Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления.

В основу работы этих преобразователей положено преобразование измеряемого давления

в усилие посредством деформационного чувствительного элемента и последующего

преобразования этого усилия в сигнал измерительной информации пьезоэлектрическим пре-

образовательным элементом. Принцип действия пьезоэлектрического преобразовательного

элемента основан на пьезоэлектрическом эффекте, наблюдаемом у ряда кристаллов, таких,

как кварц, турмалин, титанат бария и др. Суть пьезоэлектрического эффекта состоит в том,

что если кварцевые пластины Х-среза подвергнуть сжатию силой N, то на ее поверхности

возникнут заряды разных знаков. Значение заряда Q связано с силой N соотношением

Q = kN,

где k — пьезоэлектрическая постоянная.

Значение k не зависит от размера пластины и определяется природой кристалла. На

рисунке 1.10 показана схема пьезоэлектрического измерительного преобразователя

давления.

31

Рисунок 1.10 - Схема пьезоэлектрического измерительного преобразователя давления

Измеряемое давление преобразуется мембраной 4 в усилие, вызывающее сжатие

столбиков кварцевых пластин 2 диаметром 5 мм и толщиной 1 мм. Возникающий

электрический заряд Q через выводы 1 подается на электронный усилитель 5, обладающий

большим входным сопротивлением—1013

Ом.

Для уменьшения инерционности преобразователя объем камеры 3 минимизируют.

Так как частота собственных колебаний системы «мембрана — кварцевые пластины»

составляет десятки килогерц, то измерительные преобразователи этого типа обладают

высокими динамическими характеристиками, что обусловило их широкое применение при

контроле давления в системах с быстропротекающими процессами.

Чувствительность пьезоэлектрических измерительных преобразователей давления может

быть повышена путем применения нескольких, параллельно включенных кварцевых пластин

и увеличения эффективной площади мембраны.

Верхние пределы измерений пьезоэлектрических преобразователей давления с

кварцевыми чувствительными элементами 2,5 — 100 МПа. Классы точности 1,5; 2,0. Из-за

утечки заряда с кварцевых пластин преобразователи давлений этого типа не используются

для измерения статических давлений.

Отечественной промышленностью давно выпускаются манометры с

полупроводниковыми тензопреобразователями типа «Кристалл». С начала 80-х также начат

выпуск приборов давления «Сапфир-22». Дифманометры «Сапфир» характеризуются

высокой точностью и малыми габаритными размерами.

Чувствительным элементом у «Сапфира» является плоская дисковая мембрана малого

диаметра, деформация которой преобразуется в стандартный токовый сигнал 0 – 5 мА с

помощью тензорезисторов.

К поверхности дисковой мембраны из стали или титана жестким припоем присоединен

полупроводниковый тензорезистороный преобразователь. Он состоит из диэлектрической

сапфировой монокристаллической подложки с определенной кристаллографической

ориентацией, на которой методом гетероэпитаксиальной технологии выращена тонкая

монокристаллическая пленка кремния, обладающая тензорезисторным эффектом.

Дифманометры «Сапфир» бесшкальные. В связи с этим возможны два варианта

32

наименования этих дифманометров. Первое — дифманометр мембранный бесшкальный с

электрическим преобразователем перемещения или деформации мембраны в выходной

сигнал. Второе — двухступенчатый преобразователь перепада давления сперва в

перемещение или деформацию мембраны, а затем с помощью тензорезисторного эффекта в

выходной сигнал (электрический). Разработчиками и заводами-изготовителями для диф-

манометров типа «Сапфир» принят последний вариант, и называют эти дифманометры

сокращенно преобразователями разности давлений.

Конструкция такого преобразователя «Сапфир-22ДД» зависит от значения предельного

перепада давления. На рисунке1.11(а) показано устройство преобразователей на большие

предельные перепады.

Рисунок 1.11 - Устройство преобразователей «Сапфир-22Д».

Измеряемый перепад давления воспринимается гофрированными мембранами 7 к 10

(толщиной около 0,1 мм), края которых приварены к основанию 8. Внутри последнего

размещена измерительная дисковая мембрана 4 с тензопреобразователем. Вся внутренняя

полость основания заполнена кремнийорганической жидкостью, которая и передает

давление р1 по каналу 6, а давление р2 по каналу 11 на мембрану 4. Крышки 5 и 9 стянуты с

основанием болтами и уплотнены прокладками 3. При односторонней перегрузке мембраны

7 или 10 прижимаются к боковым поверхностям основания 8, которые имеют соответ-

ствующий профиль. Зазор между мембранами и основанием около 0,5 мм, а измерительное

перемещение мембран 0,2-0,3 мм. Упругость последних (вместе с упругостью мембраны 4)

уравновешивает измеряемый перепад давления. Их профиль и глубина гофрировки

обеспечивают линейность характеристики при перемещении до 0,3 мм при наименьшей

жесткости.

Тензопреобразователь соединен проводами, проходящими через герметический вывод 2,

с электронным устройством 1. Последнее преобразует разность двух напряжений,

33

снимаемых с измерительного моста, в унифицированный сигнал постоянного тока,

изменяющийся в пределах 4-20 мА при двухпроводной линии связи и 0-5 мА или 0-20 мА

при четырехпроводной линии связи. В электронное устройство 1 входят: микросборка

стабилизатора напряжения и регулируемого источника тока, а также элементы схемы

температурной компенсации и перенастройки диапазона измерения (с помощью включения

перемычек) в пределах 10 процентов. Устройство снабжено корректорами нуля и диапазона

измерения. Питание всей схемы от источника постоянного тока напряжением 36 В. Основная

погрешность рассмотренной модели 0,25 и 0,5 процента.

Для средних и небольших перепадов давления рассмотренная конструкция не пригодна

вследствие большой жесткости дисковой мембраны и применяется конструкция, схема

которой показана на рисунке1.11(б). Здесь мембрана 3, установленная в основании 7,

изготовлена как одно целое с рычагом 4 и работает на изгиб при перемещении нижнего

конца рычага 4 пластинчатой тягой 9, закрепленной в рычаге с помощью винта. Другой

конец тяги 9 связан со штоком 5, переходящим в диски с гофрированной наружной

поверхностью. Эти диски образуют жесткие центры гофрированных мембран 6 и 8,

воспринимающих измеряемый перепад давления. Каждая из мембран своими концами

приварена к основанию 7, а в средней части к соответствующему диску, образующему ее

жесткий центр. Вся внутренняя полость основания между воспринимающими мембранами

заполнена кремнийорганической жидкостью. Герметический вывод 2 для проводов от

тензопреобразователя и электронное устройство 1 аналогичны тем, которые были ранее

рассмотрены. При перегрузке мембраны 6 и 8 прижимаются к соответственно

гофрированным поверхностям основания 7 и дисков штока 5, образующих их жесткие

центры.

Преобразователи «Сапфир – 22ДД» имеют высокую точность, металлоемки, компактны и

малогабаритны. Их недостатки: некоторая сложность изготовления; смещение нуля

выходного сигнала, а иногда и изменение характеристики во времени; влияние температуры

на показания вследствие большого коэффициента объемного расширения

кремнийорганической жидкости, хотя тензорезисторный преобразователь и содержит

элементы для температурной компенсации.

С 2004 года производство сориентировано на выпуск датчиков: коррозионностоиких

«Метран – 49», малогабаритных «Метран – 55», интеллектуальных «Метран – 100».

34

1.1.5 Ионизационные манометры.

Для измерения давления в диапазоне 10-1

- 10-8

Па (10-3

— 10-10

мм ртутного столба),

используются ионизационные манометры. Схема прибора представлена на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 - Схема ионизационного манометра

Основным элементом манометра является стеклянная манометрическая лампа,

содержащая катод 1, который находится внутри анодной сетки 2, окруженной

цилиндрическим ионным коллектором 3. Эжектируемые раскаленным катодом электроны

ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и катодом. При

движении электроны ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные ионы

попадают на отрицательно заряженный коллектор 3. При постоянстве анодного напряжения

и электронной эмиссии величина коллекторного тока Iк зависит от измеряемого давления.

Нижний предел измерения ионизационных манометров ограничен фоновым током,

вызванным мягким рентгеновским излучением анода и фотоэлектронной эмиссией

коллектора. Следует отметить, что образцовые приборы, используемые для измерения малых

абсолютных давлений, принято называть манометрами, тогда как промышленные приборы

называют вакуумметрами. Последнее название, хотя оно и является общепринятым, нельзя

считать правильным. В магнитных электроразрядных манометрах с холодным катодом для

снижения нижнего предела измерения до 10-10

Па траектория движения электронов в лампе

формируется за счет использования внешнего магнитного поля, при этом удлиняется пробег

электронов, растет число их соударений с молекулами газа. К группе магнитных

электроразрядных манометров относятся вакуумметры ВМБ-2,3 с манометрическими

преобразователями ММ-8, ММ-ЗМ4 и ВИМ с манометрическим преобразователем ММ-

14М.

35

1.1.6 Тепловые манометры.

Для измерения давления в диапазоне 1—104 Па (10

-2 -10

2 мм ртутного столба)

используются тепловые манометры, которые, как и ионизационные, включают в себя ма-

нометрический преобразователь и измерительный блок.

Она представляет собой неуравновешенный мост, на который напряжение подается от

стабилизированного источника питания ИП. Три плеча моста содержат постоянные

резисторы R1 — R3, а четвертое представляет собой нагретую до 200 °С вольфрамовую

нить, находящуюся в камере, куда подается измеряемое давление. При указанных давлениях

вследствие снижения числа молекул длина их свободного пробега становится соизмеримой с

расстояниями между теплопередающими поверхностями измерительных камер прибора, в

связи с чем теплопроводность при давлениях 103 Па 10 (мм ртутного столба) и ниже линейно

уменьшается по мере снижения давления.

Теплоотдача от вольфрамовой нити зависит как от числа молекул, участвующих в

переносе теплоты, так и от температуры стенок камеры. Для снижения влияния на показания

прибора колебаний температуры окружающей среды, определяющей температуру стенок

камеры, прилежащее к R4 плечо моста помещается в вакуумированную камеру,

аналогичную измерительной.

Нижний предел применения манометров ограничивается возрастанием по мере снижения

теплопроводности роли лучистого теплообмена, который становится определяющим при

давлениях ниже 10-1

Па (10-3

мм ртутного столба).

Для измерения температуры нити могут использоваться термопары, в этом случае

тепловые манометры называют термопарными.

Тепловые манометры могут работать в режиме поддержания постоянного тока через

нагреватель, тогда измеряемое давление пропорционально разности между температурами

нагревателя и стенок лампы.

1.1.7 Методика измерения давления и разности давлений

Погрешность измерения давления зависит от инструментальных погрешностей

измерительных приборов, условий эксплуатации манометров, способов отбора давления и

его передачи к приборам.

При выборе пределов измерения манометра руководствуются значениями измеряемого

давления и характером его изменений. При стабильном измеряемом давлении его значение

36

должно составлять 3/4 диапазона измерения прибора, а в случае переменного давления 2/3.

Для исключения возможности образования взрывоопасных и горючих смесей манометры,

предназначенные для измерения давления таких газов, как кислород, водород, аммиак,

окрашивают в соответствии со стандартом в голубой, темно-зеленый, желтый цвета.

Правила установки манометров на промышленных объектах, отбора давления и его

передачи к приборам с помощью импульсных линий регламентируются

внутриведомственными нормалями, которыми руководствуются при монтаже

измерительных устройств. Обычно датчики гидростатического давления устанавливаются на

боковой стенке резервуара вблизи дна. Возможно установка в дно резервуара при условии

доступа к нему во время монтажа и эксплуатации, а также при отсутствии возможности

осаждения вещества, растворенных в жидкости, на мембране датчика. Ниже рассмотрены

основные положения этих руководящих материалов.

Манометры, показывающие и с дистанционной передачей показаний, как правило,

устанавливаются вблизи точек отбора давления в месте, удобном для обслуживания.

Исключение составляют манометры, используемые для внутриреакторного контроля и

контроля давления в устройствах, размещаемых на АЭС в зонах ограниченного доступа.

Современные серийные преобразователи давления нельзя размещать внутри активной зоны,

поэтому они находятся на значительном расстоянии от точек отбора давления, что приводит

к росту инерционности приборов. При этом необходимо учитывать, что наличие столба

жидкости в импульсной линии создает систематическую погрешность показаний, которая

будет иметь отрицательный или положительный знак в зависимости от того, находится

манометр выше или ниже точки отбора давления. Импульсные линии дифманометров имеют

большую длину, предельное значение которой составляет 50 м. Отбор давления

осуществляется с помощью труб, подсоединяемых к трубопроводу или внутреннему

пространству объекта, где производится измерение давления. В общем случае трубка должна

быть выполнена заподлицо с внутренней стенкой, чтобы у выступающей части не

создавалось торможение потока. При измерении давления или разности давлений жидких

сред не рекомендуется отбор давления производить из нижних и верхних точек

трубопровода, с тем, чтобы в импульсные линии не попадали шлак и газы; при газовых

средах—из нижних точек трубопровода, чтобы в импульсные линии не попадал конденсат.

При измерении давления в вакуумных системах часто используются манометры,

заполненные ртутью. Для исключения попадания токсичных паров ртути в систему на входе

манометров устанавливаются ловушки. Схема одной из них представлена на рисунке 1.13.

37

Рисунок 1.13 - Схема ловушки

Пары ртути из манометра конденсируются при соприкосновении с охлажденной

поверхностью колбы 1, заполненной жидким азотом 2, и стекают в манометр.

Схема установки манометра 1 на трубопроводе представлена на рисунке 1.14.

Рисунок 1 .14 - Схема установки манометра на трубопроводе

Для обеспечения возможности отключения манометра, продувки линии и подключения

контрольного манометра используется трехходовой кран 2, при измерении давлений свыше

10 МПа (100 кгс/см2), а также при контроле давления радиоактивного теплоносителя

дополнительный запорный вентиль 3 устанавливается на выходе из трубопровода. При

измерении давления сред с температурой выше 70°С трубка 4 сгибается кольцом, в котором

вода охлаждается, а пар конденсируется. На АЭС продувка импульсных линий манометров и

дифманометров, работающих с радиоактивными средами, осуществляется в специальную

дренажную систему.

При измерении давления агрессивных, вязких и жидкометаллических сред для защиты

манометров и дифманометров применяются мембранные и жидкостные разделители. Схема

манометра с мембранным разделителем представлена на рисунке 1.15.

38

Рисунок 1 .15 - Схема манометра с мембранным разделителем

Агрессивная среда подается под мембрану, нижняя часть которой и стенки соот-

ветствующей камеры покрыты фторопластом. Пространство над мембраной 2 и внутренняя

полость манометрической пружины тщательно заполнены кремнийорганической жидкостью.

Для того, чтобы в процессе измерения давление над мембраной соответствовало

измеряемому, необходимо, чтобы жесткость мембраны была намного меньше жесткости

чувствительного элемента.

При измерении разности давлений подключение дифманометров должно быть

произведено таким образом, чтобы среда, заполняющая импульсные линии, не создавала

погрешностей из-за разности плотностей или высот столбов жидкостей в них. На рисунке

1.16 изображена схема установки датчика давления.

Рисунок 1.16 - Схема установки датчика давления при измерении гидростатического

давления

Линии не должны иметь горизонтальных участков, минимальный угол наклона должен

быть не ниже 5°. При измерении разности давлений воды и пара измерительные камеры

дифманометров предварительно должны быть заполнены водой.

От правильности показаний манометров зависит не только экономичность работы

технологических объектов, но во многих случаях и безопасность, в связи с этим манометры и

другие приборы давления подвергаются периодическим проверкам. Для большинства

39

приборов межпроверочный период составляет один год. Если приборы работают в условиях

повышенной вибрации и температуры, то этот период может быть сокращен. Поверка

приборов осуществляется представителями метрологических служб.

Для проведения проверок рабочих приборов давления используются образцовые приборы

и устройства, воспроизводящие давление.

У грузопоршневых манометров эти функции могут быть совмещены.

При поверке манометров, предназначенных для измерения давления химически активных

газов, например кислорода, нельзя использовать грузопоршневые манометры, заполненные

маслом.

1.2 Средства измерения уровня

Уровнем – называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой –

жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим

параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы

технологического аппарата, а в ряде случаев для управления производственным процессом.

Средством измерения уровня называют уровнемерами. Уровень измеряют в единицах

длины. Путем измерения уровня получают информацию о массе жидкости в резервуарах.

Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды;

измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных значений

уровня рабочей среды – сигнализаторы уровня.

Классификация уровнемеров:

1. Визуальные средства измерения уровня;

2. Поплавковые средства измерений уровня;

3. Байковые средства измерения уровня;

4. Гидростатические средства измерений уровня;

5. Электрические средства измерений уровня;

6. Акустические средства измерений уровня.

По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов.

Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0,5 – 20 м) предназначены для

проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона (пределы измерений

(0 ÷ ± 100) мм или (0 ÷ ± 450) мм) обычно используются в системах автоматического

регулирования.

40

1.2.1 Визуальные средства измерений уровня

К визуальным средствам измерений уровня относятся мерные линейки, рейки, рейки

рулетки с лотами (цилиндрическими стержнями) и уровнемерные стекла.

В производственной практике широкое применение получили уровнемерные стекла.

Измерение уровня с помощью уровнемерных установки указательных стекол на стекол

рисунок 1.17(а) основано на законе сообщающихся сосудов законе сообщающихся сосудов.

Рисунок 1.17 - Схема установки указательных стекол на технологических аппаратах

Указательное стекло 1 с помощью арматуры соединяют с нижней и верхней частями

емкости. Наблюдая за положением мениска жидкости в трубке 1, судят о положении уровня

жидкости в емкости.

Для исключения дополнительной погрешности, обусловленной различием температуры

жидкости в резервуаре и в стеклянной трубке, перед измерением осуществляют промывку

уровнемерных стекол. Для этого предусмотрен вентиль 2. Арматура уровнемерных стекол

оснащается предохранительными клапанами, обеспечивающими автоматическое

перекрывание каналов, связывающих указательное стекло с технологическим аппаратом

при случайной поломке стекла. Из-за низкой механической прочности уровнемерные стекла

обычно выполняют длиной не более 0,5 м. Поэтому для измерения уровня в резервуарах

рисунок 1.17(б) устанавливается несколько уровнемерных стекол с тем расчетом, чтобы они

перекрывали друг друга. Абсолютная погрешность измерения уровня уровнемерными

стеклами плюс минус (1—2) мм. При измерении возможны дополнительные погрешности,

связанные с влиянием температуры окружающей среды. Уровнемерные стекла применяются

до давлений 2,94 МПа и до температуры 300°С.

41

1.2.2 Поплавковые средства измерений уровня

Среди существующих разновидностей уровнемеров поплавковые являются наиболее

простыми. Получили распространение поплавковые уровнемеры узкого и широкого

диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого диапазона рисунок 1.18 обычно представляют

собой устройства, содержащие шарообразный поплавок диаметром 80 - 100 мм,

выполненный из нержавеющей стали.

Рисунок 1.18 - Схемы поплавковых уровнемеров

Поплавок плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное сальниковое

уплотнение соединяется либо со стрелкой измерительного прибора, либо с

преобразователем 1 угловых перемещений в унифицированный электрический или

пневматический сигналы

Уровнемеры узкого диапазона выпускаются двух типов: фланцевые рисунок 1.18(а) и

камерные рисунок 1.18(б), отличающиеся способом их установки на технологических

аппаратах. Минимальный диапазон измерений этих уровнемеров 10 ÷ 0 ÷ 10 мм,

максимальный 200 ÷ 0 ÷ 200 мм. Класс точности 1,5.

Поплавковые уровнемеры широкого диапазона рисунок 1.18(в) представляют собой

42

поплавок 1, связанный с противовесом 4 гибким тросом 2. В нижней части противовеса

укреплена стрелка, указывающая по шкале 3 значения уровня жидкости в резервуаре. При

расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка,

которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок—противовес» описывается

уравнением

gShGG жпr ,

где Gr , Gп – силы тяжести противовеса и поплавка;

S – площадь поплавка;

h1 – глубина погружения поплавка;

ρж – плотность жидкости.

Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения поплавка и на него

действует дополнительная выталкивающая сила. В результате равенство нарушается, и

противовес опускается вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной

h1. При понижении уровня действующая на поплавок выталкивающая сила уменьшается, и

поплавок начинает опускаться вниз до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет

равной h1. Для передачи информации о значении уровня жидкости в резервуаре применяют

сельсинные системы передачи. Обычно ось сельсина датчика кинематически связана с

барабаном, вращение которого осуществляется в процессе перемещения троса, а ось

сельсина - приемника со счетным механизмом. Уровнемер рисунок 1.18(г) представляет

собой поплавок 1, подвешенный на перфорированной стальной (мерной) ленте 2. Для

исключения горизонтальных перемещений поплавка предусмотрены направляющие струны

3. Отличительной особенностью уровнемера этого типа является то, что в нем

осуществляется натяжение мерной ленты пружинным двигателем. Двигатель состоит из

барабанов 5 и 6. Когда поплавок находится в крайнем верхнем положении, мерная лента 2

сматывается на барабан - накопитель 4. При понижении уровня жидкости сила тяжести

поплавка преодолевает силы трения в подвижной системе и усилие, создаваемое пружинным

двигателем. В результате поплавок перемещается вниз. Перемещение поплавка вниз

сопровождается вращением барабана - накопителя 4 и сматыванием ленты 6 пружинного

двигателя с барабана 5 на барабан 7. При перемещении поплавка вверх натяжение мерной

ленты уменьшается, и лента пружинного двигателя перематывается на барабан - накопитель

4. В процессе перемещения мерная лента вступает в зацепление со штырями мерного шкива

9, на оси которого укреплен счетный механизм 8, представляющий собой десятичный

счетчик с наименьшей ценой деления 1 мм. Для передачи информации на расстояние к валу

отсчетного устройства может быть подключен преобразователь угла поворота в

электрический или пневматический унифицированные сигналы.

43

Для примера, рассмотрим уровнемер поплавковый многофункциональный УПМ-2

предназначен для измерения уровня воды и положения затвора в открытых водоемах,

водовыпусках, водохранилищах. Допускается использование уровнемера в качестве

перепадомера, работающего в режиме индикатора. Уровнемер имеет устройство местного

отсчета, сигнализацию аварийного значения уровня и выход на телеметрическую систему

контроля в виде частотного сигнала, а также на приборы, работающие от стандартных вход-

ных сигналов постоянного тока и напряжения, пропорциональных измеряемому уровню.

Принцип работы поплавкового уровнемера основан на способе прямого слежения за

уровнем системы поплавок — противовес.

Уровнемер поставляется 44 модификаций для обеспечения измерения различных

диапазонов уровней и выполнения функций датчиков положения затвора и перепадомера (в

конструкции датчика положения затвора отсутствует поплавок). Перепадомер снабжен двумя

поплавками и двумя противовесами. Многофункциональность уровнемера обеспечивается за

счет комплекта монтажных частей.

Диапазон измерения уровня воды или положения затвора: 0—1; О—1,6; 0—2,5; 0—4; 0—6

м; индикации перепада уровней воды: 0—0,4; 0—0,6 м. Пределы допустимой основной

погрешности плюс минус 1 процент. Предельные значения выходных сигналов: частотного —

1—2; 2—4 кГц; токового — 0—5; 0—20; 4—20 мА; напряжения — 0—1; 0—10 В. Питание

прибора постоянным током напряжением 24 В; потребляемая мощность 0,2 Вт.

Уровнемер предназначен для работы при температуре окружающего воздуха от 5 до 50 °С и

относительной влажности до 95 процентов. Температура воды от 5 до 25 °С.

Габаритные размеры уровнемера 285x266x197 мм, диаметр поплавка 250 мм. При

использовании прибора в качестве индикатора перепада уровня — 775x325x197 мм; два

поплавка диаметром 260 мм.

1.2.3 Байковые средства измерений уровня

В основу работы буйковых уровнемеров положено физическое явление, описываемое

законом Архимеда. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является

цилиндрических буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности

жидкости. Буек находится в вертикальном положении и частично погружен в жидкость. При

изменении уровня жидкости в аппарате масса буйка в жидкости изменяется

пропорционально изменению уровня. Преобразование веса буйка в сигнал измерительной

информации осуществляется с помощью унифицированных преобразователей «сила —

давление» и «сила — ток». В соответствии с видом используемого преобразователя силы

различают пневматические и электрические буйковые уровнемеры.

44

Схема буйкового пневматического уровнемера приведена на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 - Схема буйкового пневматического уровнемера

Уровнемер работает следующим образом. Когда уровень жидкости становится больше h0,

часть буйка погружается в жидкость. Поэтому вес буйка уменьшается, а следовательно,

уменьшается и момент М1, создаваемый буйком на рычаге 2. Так как М2 становится больше

М1, рычаг 2 поворачивается вокруг точки О по часовой стрелке и прикрывает заслонкой 7

сопла 8 поэтому давление в линии сопла увеличивается. Это давление поступает в

пневматический усилитель 10, выходной, сигнал которого является выходным сигналом

уровнемера. Этот же сигнал одновременно посылает в сильфон отрицательной обратной

связи 5 при действии давления Рвых. Возникает сила R, момент М3 которой совпадает по

направлению с моментом М1, т.е. действие силы R направлено на восстановление равновесия

рычага 2 движение измерительной системы преобразователя происходит до тех пор, пока

сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной 0, то есть

М1 + М3 – М2 = 0 (1)

Представляя моменты М1, М2,М3 в виде произведений соответствующих сил и плеч,

получим

Gl1 + Rl3 = Nl2,

где G – вес буйка при погружении его в жидкость на глубину h;

l1, l2, l3 - плечи действующих сил относительно точки О;

R – сила, развиваемая сильфоном 5;

N – вес противовеса.

Силы G и R определяем из следующих выражений:

)(444

222

hHgd

ghd

gHd

G жж

;

R=fэфРвых,

45

где d и Нσ – диаметр и длина буйка (последняя определяет диапазон измерений

уровнемера);

ρ – плотность материала буйка;

ρж – плотность жидкости;

h – глубина погружения буйка в жидкость, т.е. текущее значение измеряемого

уровня;

fэф – эффективная площадь сильфона 5.

Подставляя выражения для сил G и R в равенство (1), получим

231

2

1

2

44NllРfghl

dlgH

dвыхэфж

В этом равенстве 1

2

4lgH

d

- вес буйка в воздухе.

Если выбрать произведение 2Nl равным 1

2

4lgH

d

, чего можно достигнуть, изменяя,

например, плечо l2 то

31

2

4lРfghl

dвыхэфж

откуда

Рвых= khhlf

gld

эф

ж 3

1

2

4

, (2)

где k=3

1

2

4 lf

gld

эф

ж - коэффициент передачи уровнемера.

Выходной сигнал Рвых уровнемера линейно связан со значением измеряемого уровня h.

Выражение ghd

ж

4

2

представляет собой изменение веса ∆G буйка, поэтому равенство (2)

можно преобразовать к виду

Рвых= k*∆G, (3)

где k*= l1/(fэф l3) – постоянный коэффициент.

Зависимость (3) позволяет градуировать буйковые уровнемеры весовым методом.

Выходной сигнал пневматических буйковых уровнемеров изменяется в диапазоне 0,02 – 0,1

МПа при изменении уровня от нуля до максимального значения. Начальное значение

выходного сигнала (0,02МПа) задается пружиной 6 для предотвращения автоколебаний

измерительной системы уровнемера служит демпфер 4 герметизация технологического

аппарата при установке в нем чувствительного элемента достигается уплотнительной

мембраной 3 при необходимости буек может быть установлен в выносной камере,

46

располагаемой вне технологического аппарата. Минимальный верхний предел измерений

пневматических уровнемеров – 0,02 м, максимальная – 16 м.

Рассмотренной модификации пневматических уровнемеров выпускают уровнемеры,

оснащенные унифицированным преобразователем «сила – давление» рисунок 1.20.

Рисунок 1.20 - Схема унифицированного преобразователя «сила – давление»

Принципиальное отличие преобразователя «сила – давление», от рассмотренного ранее –

в наличии Г - образного рычага 3 с ножевой опорой 4, последняя может перемещаться вдоль

Г – образного рычага, чем достигается изменение пределов измерений преобразователя в

широком диапазоне. Отличительной особенностью преобразователя является и то, что

конструкция рычага 1 позволяет подключать чувствительные элементы разных видов.

Стрелками показаны направления усилий, развиваемых подключаемыми чувствительными

элементами. Назначения остальных элементов преобразователя (пружины 2 корректора нуля,

управляемого пневмосопротивления 5, сильфона обратной связи 6 и усилителя мощности 7).

Схема соединения буйка с унифицированным преобразователем приведена на рисунке

1.21 здесь 1 – груз, уравновешивающий вес буйка; 2 – Т – образный рычаг

унифицированного преобразователя 3.

Рисунок 1.21 - Схема соединения буйка с унифицированным преобразователем

47

Для преобразования уровня в унифицированный токовый сигнал разработаны буйковые

электрические уровнемеры, оснащенные унифицированным преобразователем «сила – ток»

рисунок 1.22.

Рисунок 1.22 - Схема унифицированного преобразователя «сила – ток»

1 – Т – образный рычаг; 2 – пружина корректора нуля; 3 – Г – образный рычаг; 4 – ножевая

опора; 5 – индикатор перемещений; 6 – рычаг обратной связи; 7 – элемент обратной связи; 8

– электронный усилитель.

Верхние пределы измерений уровнемера значениями 0,02 – 16м.

Буйковые средства измерений уровня применяются при температуре рабочей среды от

минус 40 до плюс 400°С и давлении рабочей среды до 16 МПа. Классы точности буйковых

уровнемеров 1,0 и 1,5.

1.2.4 Гидростатические средства измерений уровня

Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к измерению

гидростатического давления Р, создаваемого столбом h жидкости постоянной плотности р,

согласно равенству

P=ρgh (4)

Измерение гидростатического давления осуществляется:

1) манометром, подключаемым на высоте, соответствующей нижнему предельному

значению уровня;

48

2) дифференциальным манометром, подключаемым к резервуару на высоте,

соответствующей нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству

над жидкостью;

3) измерением давления газа (воздуха), прокачиваемого по трубке, опущенной в

заполняющую резервуар жидкость на фиксированное расстояние.

На рисунке 1.23(а) приведена схема измерения уровня манометром. Применяемый для

этих целей манометр 1 может быть любого типа с соответствующими пределами измерений,

определяемыми зависимостью (4).

Рисунок 1.23 - Схемы измерения уровня гидростатическими уровнемерами

Измерение гидростатического давления манометром может быть осуществлено и по

схеме, приведенной на рис. 1.23(б). Согласно данной схеме о значении измеряемого уровня

судят по давлению воздуха, заполняющего манометрическую систему. В нижней части

манометрической системы расположен колокол 2, отверстие которого перекрыто тонкой

эластичной мембраной 1, а в верхней - манометр 3. Применение эластичной мембраны

исключает растворение воздуха в жидкости, однако вводит погрешность в определение

уровня из-за упругости мембраны. Преимуществом данной схемы измерения

гидростатического давления является независимость показаний манометра от его расположе-

ния относительно уровня жидкости в резервуаре.

При измерении уровня по рассмотренным схемам имеют место погрешности измерения,

49

определяемые классом точности манометров и изменениями плотности жидкости.

Измерение гидростатического давления манометрами целесообразно в резервуарах,

работающих при атмосферном давлении. В противном случае, показания манометра

складываются из гидростатического и избыточного давлений.

Для измерения уровня жидкости в технологических аппаратах, находящихся под

давлением, широкое применение получили дифференциальные манометры. С помощью

дифференциальных манометров возможно также измерение уровня жидкости в открытых

резервуарах, уровня раздела фаз и уровня раздела жидкостей.

Измерение уровня в открытых резервуарах, находящихся под атмосферным давлением,

осуществляется по схеме, представленной на рисунке 1.23(в). Дифманометр 1 через

импульсные трубки 2 соединен с резервуаром и уравнительным сосудом 3. Уравнительный

сосуд применяется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости

h1 в импульсной трубке. В процессе измерения уровень жидкости в уравнительном сосуде

должен быть постоянным. Вентиль 4 служит для поддержания постоянного уровня в сосуде

3. При равенстве плотностей жидкостей, заполняющих импульсные трубки и резервуар, и

при условии h1=h2 перепад давления, измеряемый дифманометром,

ΔР=ρжgh

При измерении уровня в аппаратах, находящихся под давлением, применяют схему,

приведенную на рисунке 1.23(г). Уравнительный сосуд 3 в этом случае устанавливают на

высоту, соответствующую максимальному значению уровня, и соединяют с аппаратом. Ста-

тическое давление Р в аппарате поступает в обе импульсные трубки, поэтому измеряемый

перепад давления ΔР можно представить в виде

ΔР=ρ*жghmax – ρжgh (5)

При h = 0 ΔР = ΔРmах, а при h = hmах ΔР = 0.

Как следует из уравнения (5), шкала измерительного прибора уровнемера будет

обращенной. В рассмотренных схемах могут быть использованы дифманометры с

унифицированным токовым или пневматическим сигналом.

Если жидкость, заполняющая резервуар, агрессивна, то подключение дифманометра к

резервуару осуществляется через разделительные сосуды.

Уровнемеры, в которых измерение гидростатического давления осуществляется путем

измерения давления газа, прокачиваемого по трубке, погруженной на фиксированную

глубину в жидкость, заполняющую резервуар, называют пьезометрическими. Схема

пьезометрического уровнемера приведена на рисунке 1.23(д).

Пьезометрическая трубка 1 размещается в аппарате, в котором измеряется уровень. Газ

поступает в трубку через дроссель 2, служащий для ограничения расхода. Для измерения

50

расхода газа служит стаканчик 3 (расход с помощью стаканчика определяется по числу

пузырьков, побулькивающих через заполняющую его жидкость в еденицу времени), а

давление поддерживается постоянным с помощью стабилизатора давления 4 давление газа

после дросселя измеряются дифманометром 5 и служит мерой уровня.

При подаче газа давление в пьезометрической трубке постепенно повышается до тех пор,

пока указанное давление не станет равным давлению столба жидкости высотой h. Когда

давление в трубке станет равным гидростатическому давлению, из нижнего открытого конца

трубки начинает выходить газ. Расход подбирают такой, чтобы газ покидал трубку в виде

отдельных пузырьков (примерно один пузырек в секунду).

При большом расходе давление, измеряемое дифманометром, может быть несколько

большим, чем гидростатическое, из – за дополнительного падения давления, возникающего

за счет трения газа о стенки трубки при его движении. При очень малом расходе газа

увеличивается инерционность измерения. Оба фактора приводят к увеличению погрешности

измерения уровня.

В пьезометрических уровнемерах для стабилизации расхода газа применяют

стабилизатор расхода воздуха рисунок 1.24.

Рисунок 1.24 - Схема мембранного стабилизатора расхода воздуха

Действия стабилизатора основано на автоматическом регулировании постоянного

перепада давления на дросселе 1. который обуславливает постоянство расхода через него.

Для регулирования этого перепада используется статический мембранный регулятор,

который состоит из корпуса 6 и крышки 3, между которыми установлена резинотканевая

мембрана 5 с жестким центром 4, последний опирается на толкатель 10, а сверху на него

воздействует пружина 2, шарик 9, на который воздействует пружина 8, образует вместе с

отверстием 7 в корпусе управляемый клапан. Ротаметр 11 служит для измерения расхода

газа, подаваемого к пьезометрической трубке. Дроссель 1 выполнен переменным, что

позволяет задавать регулируемое значение расхода.

Точность измерений уровня пьезометрическими уровнемерами может быть существенно

51

увеличена, если в качестве средства измерений гидростатического давления использовать

автоматический цифровой манометр дискретно – непрерывного действия. Манометр рисунок

1.25 состоит из деформационного чувствительного элемента – мембраны 9, центр которой

жестко связан с подвижным электродом 11 дифференцального емкостного преобразователя

малых перемещений. Неподвижные 10, 12 и подвижный 11 электроды дифференциального

емкостного преобразователя малых перемещений включены в схему LC – моста индикатора

перемещений.

Рисунок 1.25 - Схема цифрового манометра дискретно – непрерывного действия

К подвижному электроду прикреплена грузовая тарелка 1, над которой расположен

подъемно – навешивающий механизм, состоящий из набора грузов 3, перемещаемых с

помощью втулок 2, закрепленных на подъемной штанге 6, подъемная штанга способна

перемещаться вверх или вниз благодаря передаточному механизму 8, связывающему шток с

валом 7, приводимым во вращение электродвигателем 5. Над дифференциальным емкостным

преобразователем малых перемещений расположен рейтерный механизм с рычагом 15,

выполненным в виде микрометрического винта с подвижным грузом 14. перемещение груза

14 осуществляется при вращении микрометрического винта электродвигателем 17.

Измерение давления З осуществляется по сигналу «Измерение». В соответствии с этим

сигналом клапан 23 соединяет подмембранную полость с объектом измерения. Под

действием давления Р мембрана 9 деформируется и электрод 11 отключается от нейтрали. В

результате нарушается равновесие LC – моста, напряжение разбаланса которого после

усиления воздействует на фазочувствительный каскад и перевод поляризование реле

индикатора перемещений 25 в одно из крайних положений, соответствующее направлению

перемещения электрода. Этот сигнал через двухпозиционный ключ 19 воздействует на блок

52

20, который включает двигатель 5 так, что он начинает вращаться в направлении, при

котором грузы 3 со штанги 6 опускаются на грузоприемную тарелку 1, опускание грузов

происходит до тех пор, пока на выходе индикатора 25 не появится сигнал, вызывающий

реверс двигателя. При реверсе грузы снимаются с грузоприемной тарелки 1, как только

последний перекомпенсирующий груз снимается с грузоприемной тарелки, на выходе

индикатора 25 появляются сигнал отклонения электрода 11 вверх и блок 20 останавливает

электродвигатель. В процессе компенсации грузами 3 усилия, развиваемого мембраной 9,

частота вращения вала 7 преобразуется преобразователем 4 в электрические импульсы,

подаваемые через ключ 22 на счетчик 21 (старший разряд). Одновременно с остановкой

двигателя 5 блок 20 подает сигнал на второй вход ключа 19, при этом выход индикатора 25

подключается к блоку 18 непрерывной компенсации. Последний включает электродвигатель

17, приводящий во вращение микрометрический винт 15, по которому начинает

перемещаться груз 14. Перемещение груза происходит в сторону увеличения

компенсирующего усилия.

Частота вращения винта 15 преобразуется в электрические импульсы, которые через

ключ 24 поступают на счетчик 21 (младший разряд). Вращение винта происходит до тех пор,

пока мембрана, а вместе с ней и электрод не придут в нейтральное положение. При этом

двигатель останавливается. О значении измеряемого давления судят по числу импульсов,

отсчитанных счетчиком. После снятия сигнала «Измерение» показания счетчика

сбрасываются на «нуль» и клапан 23 отключается, соединяя внутреннюю полость

чувствительного элемента с атмосферой.

Пределы измерений цифрового манометра 0 – 105 Па, приведенная погрешность плюс

минус 0,05 процента.

1.2.5 Электрические средства измерений уровня

По виду чувствительного элемента электрические средства измерений уровня

подразделяют на емкостные и кондуктометрические.

1.2.5.1 Емкостные уровнемеры.

В уровнемерах этого типа используется зависимость электрической емкости

чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя от уровня жидкости.

Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняют в виде коаксиально

расположенных цилиндрических электродов или параллельно расположенных плоских

53

электродов. В номенклатуру средств измерений уровня ГСП входят емкостные уровнемеры

с коаксиально расположенными электродами Конструкция емкостного чувствительного

элемента с коаксиально расположенными электродами определяется физико - химическими

свойствами жидкости. Для неэлектропроводных (диэлектрических) жидкостей — жидкостей,

имеющих удельную электропроводность менее 10-6

См/м, применяют уровнемеры,

оснащенные чувствительным элементом, схемы которого представлены на рисунке 1.26.

Рисунок 26 - Схемы электрических средств измерения уровня

Чувствительный элемент рисунок 1.26(а) состоит из двух коаксиально расположенных

электродов 1 и 2, частично погруженных в жидкость Электроды образуют цилиндрический

конденсатор, межэлектродное пространство которого до высоты h заполнено жидкостью, а

пространство Н - h — парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного расположения

электродов предусмотрен изолятор 3. Для цилиндрического конденсатора, межэлектродное

пространство которого заполняется веществами, обладающими различными

диэлектрическими проницаемостями, как показано на рисунке 1.26(б), полная емкость Сп

определяется выражением:

Cп=C0+C1+C2,

где С0—емкость проходного изолятора;

C1—емкость межэлектродного пространства, заполненного жидкостью;

С2 — емкость межэлектродного пространства, заполненного парогазовой смесью.

Для исключения влияния температуры жидкости на результат измерения применяют

компенсационный конденсатор рисунок 1.26(в). Компенсационный конденсатор 1

размещается ниже емкостного чувствительного элемента 2 и полностью погружен в

жидкость. В некоторых случаях при постоянстве состава жидкости его заменяют

конденсатором постоянной емкости.

Для измерения уровня электропроводных жидкостей — жидкостей с удельной

проводимостью более 10-4

См/м применяют уровнемеры, оснащенные емкостным

54

чувствительным элементом, изображенным на рисунке 1.26(б). Чувствительный элемент

представляет собой металлический электрод 1, покрытый фторопластовой изоляцией 2.

Электрод частично погружен в жидкость. В качестве второго электрода используется либо

стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный металлический электрод, если

стенка резервуара выполнена из диэлектрика. Полная емкость чувствительного элемента,

изображенного на рисунке 1.26(в), определяется уравнением:

21

210п

СС

СССС

где Со—емкость проходного изолятора;

C1—емкость конденсатоpa, образованного электродом 1 и поверхностью жидкости на

границе с изолятором;

С2 — емкость конденсатора, образованного поверхностью жидкости на границе с

изолятором и стенками резервуара.

Преобразование электрической емкости чувствительных элементов в сигнал

измерительной информации осуществляется мостовым, резонансным или импульсным,

методом.

В емкостных уровнемерах, входящих в номенклатуру ГСП, преобразование емкости

осуществляется импульсным методом, в реализации которого используются переходные

процессы, протекающие в чувствительном элементе, периодически подключаемом к

источнику постоянного напряжения.

Емкостные уровнемеры выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,5. Их минимальный

диапазон измерений составляет 0—0,4 м максимальный 0—20 м; давление рабочей среды

2,5—10 МПа; температура от минус 60 до плюс 100°С или от 100 до 250° С. На базе

рассмотренных емкостных чувствительных элементов разработаны взрывобезопасные

сигнализаторы уровня раздела жидкостей «нефтепродукт — вода» и других жидкостей с

различными значениями относительной диэлектрической проницаемости. При длине

погруженной части чувствительного элемента 0,25 м погрешность срабатывания

сигнализатора плюс минус10 мм.

Разработаны емкостные уровнемеры сыпучих сред. Верхние пределы измерений

уровнемеров ограничены значениями 4—20 м. Класс точности 2,5.

1.2.5.2 Кондуктометрические сигнализаторы уровня.

Уровнемеры этого вида предназначены для сигнализации уровня электропроводящих

жидких сред и сыпучих сред с удельной проводимостью боле 10-3

См/м.. На рисунке 1.26(г)

55

приведена схема сигнализатора верхнего предельного уровня жидкости.

В соответствии со схемой при достижении уровнем значения h замыкается электрическая

цепь между электродом 1 и корпусом технологического аппарата. При этом срабатывает

реле 2, контакты которого включены в схему сигнализации.

Принцип действия кондуктометрических сигнализаторов уровня сыпучих сред

аналогичен рассмотренному.

Электроды, применяемые в кондуктометрических сигнализаторах уровня, изготавливают

из стали специальных марок или угля. Причем угольные электроды используются только

при измерении уровня жидких сред.

1.2.6 Акустические средства измерений уровня

В настоящее время предложены различные принципы построения акустических

уровнемеров, из которых широкое распространение получил принцип локации.

В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществляют по времени

прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела

двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осу-

ществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего

материала). Уровнемеры, в которых локация границы раздела двух сред осуществляется

через газ, называют акустическими, а уровнемеры с локацией границы раздела двух сред

через слой рабочей среды - ультразвуковыми.

Преимуществом акустических уровнемеров является независимость их показаний от

физико-химических свойств и состава рабочей среды. Это позволяет использовать их для

измерения уровня неоднородных кристаллизирующихся и выпадающих в осадок жидкостей.

К недостаткам следует отнести влияние на показания уровнемеров температуры, давления и

состава газа.

Как правило, акустические уровнемеры представляют собой сочетание первичного,

промежуточного, а в некоторых случаях и передающего измерительных преобразователей.

Поэтому, строго говоря, акустические уровнемеры следует рассматривать как часть

измерительной системы с акустическими измерительными преобразователями

рисунок 1.27.

56

Рисунок 1.27 - Схема акустического уровнемера

Уровнемер состоит из первичного 1 и промежуточного 2 преобразователей. Первичный

преобразователь представляет собой пьезоэлемент, выполняющий одновременно функции

источника и приемника ультразвуковых колебаний.

При измерении генератор 9 с определенной частотой вырабатывает электрические

импульсы, которые преобразуются пьезоэлементом 1 в ультрозвуковые импульсы.

Последние распространяются вдоль акустического тракта, отражаются от границы раздела

жидкость – газ и воспринимаются тем же пьезоэлементом, преобразующим их в

электрические импульсы. После усиления устройством 1 импульсы подаются на схему

измерения 2 времени отражения сигнала, где они преобразуются в прямоугольные импульсы

определенной длительности. В ячейке сравнения 3 осуществляется сравнения импульса,

подаваемого со схемы 2, с длительностью импульса, подаваемого с элемента обратной связи

5, которой преобразует унифицированный токовый сигнал в прямоугольный импульс

определенной длительности. Если длительность импульса схемы измерения 2 отличаются от

длительности импульса в цепи обратной связи, то на выходе ячейки сравнения 3 появляются

сигнал разбаланса, который усилительно – преобразующим устройством 4 изменяет

выходной унифицированный токовый сигнал до тех пор, пока не будет достигнуто равенство

длительностей импульсов. Для уменьшения влияния температуры на сигнал измерительной

информации предусмотрен блок температурной компенсации 8, контроль за работой

электрической схемы осуществляется блоком контроля 7, исключения влияния различного

рода помех на работу промежуточного преобразователя достигается с помощью

помехозащитного устройства 6.

Расстояние между первичным и промежуточным преобразователями не более 25 м.

Диапазоны измерений уровня 0—1, 0—2, 0—3 м. Класс точности 2,5. Температура

контролируемой среды 10—50 °С, давление в технологическом аппарате до 4 МПа.

Акустические уровнемеры сыпучих сред по принципу действия и устройству аналогичны

акустическим уровнемерам жидких сред. Акустические уровнемеры сыпучих сред входят в

номенклатуру приборов ГСП и имеют унифицированный токовый сигнал. Они могут быть

одноточечными и многоточечными. Многоточечные уровнемеры состоят из нескольких (до

30) первичных измерительных преобразователей акустического типа, каждый из которых

размещается на отдельном технологическом аппарате и через коммутатор подключаются к

57

промежуточному измерительному преобразователю. Уровнемеры выпускаются во

взрывобезопасном исполнении Классы точности 1,0; 1,5. Минимальный диапазон измерений

0—2,5 м, максимальный 0—30 м. Контролируемая среда - гранулы диаметром 2—200 мм.

1.3 Средства измерения расхода

Большое разнообразие и сложность требований, предъявляемых к расходомерам и

счетчикам, явилось причиной разработки и создания значительного числа разновидностей

приборов.

Расходомер – прибор или устройство из нескольких частей, измеряющий расход

вещества (жидкости, газа или пара).

Условно расходомеры и счетчики можно подразделить на следующие группы.

А. Приборы, основанные на гидродинамических методах:

1 переменного перепада давления;

2 переменного уровня;

3 обтекания;

4 вихревые;

5 парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:

6 тахометрические;

7 силовые (в том числе вибрационные).

В. Приборы, основанные на различных физических явлениях:

8 тепловые;

9 электромагнитные;

10 акустические;

11 оптические;

12 ядерно – магнитные;

13 ионизационные.

Г. Приборы, основанные на особых методах:

14 корряционные;

15 меточные;

16 ионизационные.

Среди приборов группы А исключительно широкое применение получили расходомеры с

СУ, относящиеся к прибором переменного перепада давления. Для малых расходов

жидкостей и газов служат ротаметры и поплавковые приборы, относящиеся к расходомерам

58

обтекания весьма перспективны вихревые расходомеры.

Из группы Б значительное применение находят различные разновидности

тахометрических расходомеров: турбинные, шариковые и камерные (роторные, с овальными

шестернями), последние – в качестве счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей.

Среди разнообразных приборов группы В чаще других применяют электромагнитные

расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей и ультразвуковые

(разновидность акустических) для измерения жидкостей и частичного газа. Реже

встречаются тепловые – для измерения малых расходов жидкостей и газов.

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к группе Г, служат для

разовых измерений, например при проверке промышленных расходомеров на месте их

установки. Корреляционные приборы перспективные, в частности, для измерения

двухфазных сред.

Количество вещества можно измерять либо в единицах массы килограмм (кг), тонна (т),

либо в единицах объема кубический метр (м3), литр (л). В соответствии с выбранными

единицами может производиться измерение либо массового расхода Qм (единицы кг/с, кг/ч,

т/ч и т. д.), либо объемного расхода Qo (единицы м3/с, л/с, м

3/ч и т. д.). Единицы массы дают

более полные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема, так как

объем вещества, особенно газов, зависит от давления и температуры. При измерении

объемных расходов газов для получения сопоставимых значений результаты измерения

приводят к определенным (так называемым нормальным) условиям. Такими нормальными

условиями принято считать температуру tн = 20°С, давление рн = 101325 Па (760 мм

ртутного столба) и относительную влажность φ=0. В этом случае объемный расход

обозначается Qн и выражается в объемных единицах.

Q = k Р

где k – коэффициент, зависящий от параметров сужающего устройства, плотности и

вязкости вещества;

ΔP – перепад давлений.

1.3.1 Приборы, основанные на гидродинамических методах

Классификация расходомеров переменного перепада давления

Расходомером переменного перепада давления называются измерительный комплекс,

основанный на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого преобразователем

расхода, установленным в трубопроводе, или элементом последнего.

Расходомеры переменного перепада давления имеют следующие разновидности, в

59

зависимости от вида преобразователя расхода:

1 с сужающими устройствами;

2 с гидравлическим сопротивлением;

3 центробежные;

4 с напорными устройствами;

5 с напорными усилителями;

6 ударно – струйные.

1.3.1.1 Расходомеры с сужающими устройствами

Расходомеры с сужающими устройствами СУ основаны на измерении перепада давления,

возникающего в результате преобразования в СУ части потенциальной энергии в

кинетическую. Рассмотрим разновидности СУ.

Стандартные диафрагмы представляют собой тонкий диск с центральным круглым

отверстием диаметром d, имеющим острую входную кромку. Диафрагма установлена строго

концентрично оси трубопровода, имеющего диаметр D. Обозначим через А –А рисунок 1.28

сечение, от которого начинается сужение потока, а штриховой линией – границы потока,

обусловленного проходом через отверстие диафрагмы.

Рисунок 1.28 - Прохождения потока через диафрагму

По инерции небольшого сужения поток достигает в сечении В –В. Затем поток начинает

расширяться и вновь достигает стенок трубопровода в сечении С – С.

Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока

через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со

скоростью до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии

вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления.

Расход может быть определен по перепаду давления ∆p, измеренному дифманометром в

соответствии с градуировочной характеристикой ∆p=f(Q). Использование рассматриваемого

метода измерения требует выполнения определенных условий: характер движения потока до

и после сужающего устройства должен быть турбулентным и стационарным; поток должен

60

полностью заполнять все сечение трубопровода; фазовое состояние потока не должно

изменяться при его течении через сужающее устройство; во внутренней полости

трубопровода до и после сужающего устройства не образуются осадки и другие виды

загрязнений; на поверхностях сужающего устройства не образуются отложения,

изменяющие его геометрию; пар является перегретым, при этом для него справедливы все

положения, касающиеся измерения расхода газа.

На рисунке 1.29 изображены разновидности сопла и диафрагм. Стандартные диафрагмы

- а и б; стандартные сопла - в; сегментная диафрагма – г; эксцентричная диафрагма – д;

кольцевая диафрагма – е.

Рисунок 1.29 - Разновидности диафрагм

Сужающие устройства для малых чисел Рейнольдса к этим устройствам относятся:

двойная диафрагма, диафрагма с входным конусом, диафрагма с двойным конусом, сопло

четверть круга, сопло полу круга, комбинированное сопло и цилиндрическое сопло.

Они отличаются друг от друга не только устройствами, но и областями чисел Re, в

пределах которых у них сохраняются постоянство коэффициента α.

Двойная диафрагма – одно из первых сужающих устройств, предложенное и

исследованное Вельцхольцем в 1936 года. Это устройство состоит из двух стандартных

дисковых диафрагм, расположенных на расстоянии α = (0,3÷0,5)D друг от друга. Давление

р1 отбирается у передней плоскости первой вспомогательной диафрагмы, имеющей диаметр

отверстия d1, а давление р2 – у задней плоскости второй основной диафрагмы, диаметр

отверстия которой d рисунок 1.30.

Рисунок 1.30 - Двойная диафрагма

61

Двойная диафрагма по своим свойствам – промежуточная между стандартной

диафрагмой и стандартным соплом, так как вспомогательная диафрагма при правильно

выбранном расстоянии облегчает вход потока в отверстие основной диафрагмы. В связи с

этим потеря давления на ней меньше, чем у стандартной сопла, а значение коэффициента

расхода α меньше, чем у сопла, но больше чем у диафрагмы.

Двойные диафрагмы имеют постоянные значения d в области средних чисел Re и

нередко применяются для измерения расхода вязких веществ.

Диафрагма с двойным конусом приведена на рисунке 1.31 диафрагма имеет конический

вход с углом конуса Θ и конический выход с углом 450.

Рисунок 1.31- Схема диафрагмы

Конусная диафрагма, состоит из конической части длиной b с углом входа Θ рисунок

1.32.

Рисунок 1.32 - Конусная диафрагма Куратова

Сопло четверть круга – одно из наиболее исследованных сужающих устройств,

предназначенных для малых чисел Re. Возможные четыре разновидности этого сопла

показаны на рисунке 1.33.

Рисунок 1.33 - Сопло четверть круга

62

Профиль сопла образуется дугой радиуса r. Во всех случаях, когда центр радиуса r

находится в пределах диаметра трубы рисунок 1.33 (а – в), профиль сопла равен четвертой

части окружности, соединяющейся по касательной с торцевой плоскостью сопла. При

больших m, когда r > (D – d)/2, профиль сопла очерчен другой, которая образует угол с

торцевой плоскостью сопла.

Имеются два типа цилиндрических сопел: несимметричное рисунок 1.34(а) и

симметричное рисунок 1.34(б).

Рисунок 1.34 - Цилиндрические сопла: а – несимметричное; б – симметричное

Достоинство цилиндрического сопла – простота изготовления, недостаток –

неизбежность в процессе эксплуатации притупления выходной острой кромки, в результате

которого коэффициент расхода α будет возрастать и одновременно, как показали опыты

будет возрастать и значение Remin. Последнее приводит к уменьшению области постоянства

α.

Комбинированное сопло, профиль которого показан на рисунке 1.35, является

сочетанием сопла четверть круга на входе и цилиндрической части, имеющей длину z на

выходе.

Рисунок 1.35 - Комбинированное сопло

Профиль комбинированного сопла имеет сходства с профилем стандартного сопла, но

входная часть очерчена не двумя, а одним небольшим радиусом, а цилиндрическая часть

значительно длиннее.

Наряду с рассмотренными диафрагмами и соплами к стандартным сужающим

устройствам международный стандарт ИСО 5167, а также отечественные нормы относят так

называемые расходомерные трубы: классические трубы Вентури и сопло Вентури.

63

Характерный их признак – расходящийся конус – диффузор, расположенный на выходе

после наименьшего сечения горловинытрубы. Диффузор отрезает мертвые зоны, имеющиеся

на выходе у диафрагм и сопел, в которых вследствие вихреобразования происходит потеря

энергии.

Диафрагма рисунок 1.36(а) представляет собой тонкий диск с круглым отверстием, ось

которого располагается по оси трубы Передняя (входная) часть отверстия имеет

цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка от-

верстия должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. Стандартные

диафрагмы устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм.

Сопло рисунок 1.36(б) имеет спрофилированную входную часть, которая затем

переходит в цилиндрический участок диаметром d (его значение входит в уравнения

расхода). Торцевая часть сопла имеет цилиндрическую выточку диаметром, большим d, для

предохранения выходной кромки цилиндрической части сопла от повреждения.

Сопло Вентури контур показан на рисунке 1.36 (в) имеет входную часть с профилем

сопла, переходящую в цилиндрическую часть, и выходной конус (может быть длинным или

укороченным). Минимальный диаметр трубопровода для стандартных сопл Вентури

составляет 65 мм. На рисунке 1.36 символами p1 и р2 отмечены точки отбора давлений на

дифманометр.

Между расходом и перепадом давления в сужающем устройстве существует

определенная квадратичная зависимость, что позволяет дифманометры, измеряющие

перепад давления, градуировать в единицах расхода. Такие дифманометры называются

дифманометрами-расходомерами. Для получения равномерной шкалы расходомера в

кинематическую или электронную схему дифмакометров или вторичных приборов включа-

ются различные типы устройств, извлекающих квадратный корень. Наличие таких устройств

является одним из недостатков метода измерения расхода по перепаду давления.

Рисунок 1.36 - Стандартные сужающие устройства: а — диафрагма; б — сопло; в — сопло Вентури

64

Имеются три разновидности классических труб Вентури, обусловленные способом

изготовления внутренней поверхности входного конуса (конфузора) и профиля пересечения

его с горловиной.

1. Обработанные трубы Вентури. Применяют для трубопроводах небольших диаметров

D – от 50 до 250 мм. Изготовляются литьем. Входной конус, горловины и входную

цилиндрическую часть обрабатывают. Переходы между коническими и цилиндрическими

элементами выполняют с закруглениями и без них.

2. Литые трубы Вентури. Применяют для трубопроводов средних диаметров – от 100 до

800 мм. Изготавливаются литьем в песочную форму или другими способами. Обрабатывают

только горловину сопла, а места перехода между коническими и цилиндрическими

сегментами закругляют.

3. Сварные трубы Вентури с входным коническим конусом из листовой стали.

Применяют для трубопроводов больших диаметров – от 200 до 1200 мм. Обычно

изготавливаются сваркой. В трубах малого диаметра горловину обрабатывают.

Достоинствами труб Вентури являются:

1. Очень малая потеря давления.

2. Возможность установки на трубопроводах, не имеющих длинных прямых участков.

3. Отсутствие влияния шероховатости трубопровода на коэффициент истечения.

4. Возможность измерения загрязненных сред.

5. Простота расчета вследствие независимости коэффициента истечения.

6. Возможность очень длительной многолетней работы благодаря хорошей

износоустойчивости.

1.3.1.2 Расходомеры с гидравлическим сопротивлением.

Расходомеры основаны на измерении перепада давления, создаваемого этим

сопротивлением. Режим потока в нем стремятся создать ламинарным, с тем чтобы перепад

давления был пропорциональным расходу. Применяются редко, преимущественно для

измерения малых расходов. В качестве преобразователя могут служить капиллярная трубка

(реометр) или пакет таких трубок, и другой тип преобразователя для больших расходов с

шариковой набивкой.

Диаметр капиллярной трубки менее 0,25 мм не следует из – за опасности засорения.

Поэтому для получения достаточного перепада давления при малом значении расхода

применяют различные способы.

Длину капиллярной трубки увеличивают и располагают ее в виде спирали для

достижения компактности преобразователей.

Недостаток спиральных капилляров – отсутствие линейной зависимости между расходом

65

и перепадом давления вследствие действия центробежной силы, резко увеличивающей

перепад давления по сравнению с прямыми капилляром.

Другой путь состоит в применении прямого капилляра достаточно диаметра, но со

стержнем внутри трубки. При этом измеряемое вещество движется по кольцевой щели. Здесь

можно обеспечить линейную зависимость между расходом и перепадом давления путем

расположения отверстий для отбора давлений в пределах прямолинейного участка трубки.

Такие преобразователи нашли распространения в химической промышленности.

Третий путь – применения капиллярных преобразователей винтового типа. Их основа –

прецизионная винтовая пара с неполной ленточной, трапецеидальной или конусной резьбой.

Достоинство – возможность легкого перехода на разные пределы измерения путем

регулирования длине винтовой части, находящейся в зацепление.

1.3.1.3 Расходомеры с напорным устройствам.

Напорные устройства создают перепад давления, зависящий от динамического давления

потока. Они преобразуют кинетическую энергию потока в потенциальную. К этим

устройствам относятся напорные трубки, усреднители, крылья и усилители. Только

напорные усреднители образуют перепад давления в зависимости от расхода, а остальные

устройства – в зависимости от скорости, существующей в месте их установки. Тем не менее

с помощью напорных трубок можно определять расход жидкостей и газов.

Достоинство напорных устройств: малая потеря давления, возможность измерять в

трубах и каналах некруглого сечения, доступность измерения местных скоростей при

экспериментальных и других работах. Недостаток – очень малая чувствительность при

небольших скоростях.

Напорные трубки. Классический пример напорного устройства – трубка Г – образной

формы с отверстием, направленным навстречу потоку, которя называется трубкой Пито по

имени французского ученого, применившего ее для измерения скорости течения реки. Такая

трубка воспринимает полное давление, которое равно сумме динамического рд = ρυ2/2 и

статического рс давлений потока. Чтобы с помощью такой трубки измерить скорость υ в

трубопроводе, необходимо кроме трубки Пито иметь еще трубку для отбора только

статического давления рс. Тогда дифманометр, который измеряет разность давлений, будет

служить для определения скорости.

В большинстве случаев трубки для отбора полного и статического давлений

конструктивно объединяют. Подобное устройство наиболее правильно называть

дифференциальной трубкой Пито.

Каждая из них состоит из двух трубок, одна из которых расположена концентрично

внутри другой. Центральная трубка имеет открытый конец, направленный навстречу потоку.

66

Она воспринимает полное давление рп. статическое давление воздействует через отверстия,

находящиеся на цилиндрической поверхности внешней трубки. Оси этих отверстий

перпендикулярны к оси трубки, а значит, и к направлению трубкой Пито, измеряет

динамическое давление, которое равно разности полного и статического давлений.

Часть трубки, параллельная оси трубопровода, называется головкой, а перпендикулярная

к этой оси – держателем. Носовая часть трубки имеет обтекаемую форму: коническую,

полусферическую или полуэллипсоидальную.

Напорные усреднители. В напорных усреднителях перепад давления происходит в

зависимости не от местного, а от некоторого среднего динамического давления потока.

Усреднение может осуществляться в пределах одного, а так же двух радиусов или диаметров

при кольцевой площади или иным способам.

Усреднение по кольцевой площади встречаются довольно редко. В этом случае в

трубопроводе установлена кольцевая вставка длиной 1,5 D прилегающая к его внутренней

поверхности рисунок 1.37.

Рисунок 1.37 - Кольцевая вставка

На входе и выходе вставка, имеющей плавный сопловой профиль, сделаны отверстия на

равных расстояниях друг от друга. Одни из них направлены навстречу потока, а другие – в

противоположную сторону.

Напорная лопасть. Напорное устройство имеет форму обтекаемой лопасти или крыла,

занимающего небольшую часть проходного сечения трубы и установленного под некоторым

углом (обычно в пределах 45 – 900) к оси потока.

Лопасть имеет отверстия, расположенные различным образом по отношению к оси

потока. Разность давлений в этих отверстиях зависит от угла установки лопасти, что дает

возможность применять данное устройство для измерения расхода при малых, так и при

больших скоростях.

Напорные усилители представляют собой сочетание напорных трубок с сужающими

устройствами (обычно микротрубками Вентури), занимающими небольшую часть сечения

потока. Их появление обусловлено стремлением повысить измеряемый перепад давления,

который при небольших скоростях потока очень мал у напорных трубок.

1.3.1.4 Расходомеры с напорными усилителями.

Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразователь расхода, в котором

67

сочетаются напорное и сужающее устройство. Перепад давления создается в результате как

местного перехода кинетической энергии потока, та и частичного перехода потенциальной

энергии в кинетическую.

Внутри небольшой трубки Вентури рисунок 1.38 помещается вторая меньшая трубка

Вентури, у которой входное или выходное отверстие совпадает с горлом первой трубки.

Рисунок 1.38 - Двухступенчатая трубка Пито – Вентури

Давление р2 отбирают в самой узкой части второй трубки, а давление р1 – из отверстия,

направленного навстречу потоку. Коэффициент усиления k данного преобразователя можно

немного изменять, перемещая кольцо, имеющееся снаружи большей трубки у ее выходного

конца.

Напорные усилители применяют преимущественно для изменения расхода в трубах

большого диаметра.

Ударно – струйные расходомеры.

Ударно – струйные расходомеры, предназначенные для измерения малых расходов

жидкостей м газов, предложены и разработаны Левиным. Они основаны на измерении

перепада давления, возникающего в процессе удара струи о твердое тело непосредственно

или через слой измеряемого вещества. Давление удара ру зависит от скорости υ, плотности ρ

вытекающей жидкости и определяется уравнением

ру = ρυ2 (1 - cos α)

где α – угол между направлением движения жидкости до и после удара.

Обычно α = π/2, тогда ру = ρυ2, в два раза больше динамического давления потока. Так как υ

= q0/f,

где q0 – объемный расход;

f – площадь струи, то ру = ρq02/ f

2.

На рисунке 1.39 изображена схема ударно – струйного расходомера.

68

Рисунок 1.39 - Схема ударно – струйного расходомера

Жидкость вытекает из сопла 1, ударяясь о перегородку 2, имеющую центральное

отверстие, через которое давление удара передается жидкости, заполняющей сильфон 3, и

создает усилие, приложенное к его днищу. Внутри сильфона действует ударное давление

плюс статическое давление измеряемого вещества рс, снаружи сильфона – только давление

рс. Перемещение дна сильфона, нагруженного измерительной пружиной 4, вызывает

перемещение плунжера 5 внутри диамагнитной трубки, снаружи которой находится

катушка 6 индуктивной или дифференциальной – трансформаторной передачи

1.3.1.5 Расходомеры переменного уровня.

Принцип действия расходомеров переменного уровня основан на зависимости высоты

уровня жидкости в сосуде от расхода непрерывно поступающей и вытекающей из сосуда

жидкости. Вытекание жидкости из сосуда происходит через отверстия в дне или боковой

стенке. Сосуды для приема жидкости выполняют цилиндрическими или прямоугольными.

В расходомерах с полностью затопленными отверстиями истечения последние имеют

круглую форму и располагаются либо в дне, либо в боковой стенке. В расходомерах с

частично заполненными отверстиями истечения последние выполнены в виде щели в

боковой стенке. Расходомеры переменного уровня могут быть использованы для измерения

расхода газонасыщенных нефтей, сточных вод и загрязненных жидкостей, в том числе

содержащих взвеси.

В расходомере переменного уровня с затопленным отверстием рисунок 1.40, (а)

измеряемый поток поступает в сосуд 3 через патрубок 4.

69

Рисунок 1.40 Схемы расходомеров переменного уровня

На дне сосуда в качестве отверстия истечения обычно устанавливается нормальная

диафрагма 1. для предохранения диафрагмы от загрязнения и успокоения потока жидкости

внутри сосуда установлены перегородки 5. уровень в сосуде определяется по водомерному

стеклу 2.

Расходомеры с щелевым отверстием истечения рисунок 1.40,б состоит из сосуда 1, в

который через патрубок 2 поступает измеряемая жидкость. Внутри сосуда размещена

перегородка, снабженная щитом с профилированной сливной щелью 5, через которую

происходит истечение жидкости из левой части сосуда в правую с выходным патрубком 8.

для измерения уровня Н над нижней кромкой щели в защитном чехле установлена

пьезометрическая трубка 3, через которую непрерывно продувается воздух, предварительно

прошедший систему подготовки газа 6. давление воздуха в трубке 3, измеряемое

дифманометром 7, служит мерой уровня Н. Зависимость объемного расхода Q жидкости от

уровня Н определяется формой отверстия истечения 1.40,в. Расход dQ через элементарную

площадку шириной х и высотой dy для щели произвольной формы запишем в виде:

yHgxdydQ 2 ,

Полный расход составит

ydyHxgQ

H

0

2 (6)

Чтобы проинтегрировать уравнения (6), необходимо определить зависимость между х и

у. для этого задаются либо формой щели, либо желаемой зависимостью между Q и Н.

Зададимся линейной зависимостью

Q = kH, (7)

где k – коэффициент, определяемый из условия k =Qmax/Hmax. Подставляя значение Q из

уравнения (7) в (6), имеем

H

Hg

kydyH

0 2

Желаемая зависимость (7) оказывается возможной при условии:

70

yс / (8)

где с – постоянная величина; )/(2 gкс

Подставляя значение х из (8) в (6) и интегрируя его, получим

H

kHdyy

yHkQ

0

2

(9)

из выражения (9) следует, что у щелевых расходомеров для измерения объемного расхода

необходимо измерять уровень жидкости Н, а для получения массового расхода – давление

гидростатического столба gH . Коэффициент расхода для щелевых расходомеров

определяют путем индивидуальной градуировки, а ориентировочное его значение может

быть принято равным 0,6.

1.3.1.6 Расходомеры обтекания.

Расходомерами обтекания называются приборы, чувствительный элемент которых

воспринимает динамическое давление потока и перемещается под его воздействием, причем

величина перемещения зависит от расхода. Расходомеры обтекания состоят из следующих

трех групп.

1. Расходомеры постоянного перепада давления, у которых обтекаемое тело перемещается

вертикально, а противодействующая сила создается весом тела.

2. Расходомеры с изменяющимся перепадом давления, в которых в большинстве случаев

имеется противодействующая пружина и помимо вертикальной может быть и другая

траектория перемещения обтекаемого тела.

3. Расходомеры с поворотной лопастью, противодействующая сила в них создается не

только весом тала, но во многих случаях еще и пружиной. Кроме того, имеются

компенсационные расходомеры с поворотной лопастью, в которых противодействующая

сила создается посторонним источником энергии.

1.3.1.7 Расходомеры постоянного перепада давления.

Расходомеры постоянного перепада давления подразделяются на: ротаметры,

поплавковые и поршневые (или точнее золотниковые). Эти приборы (особенно ротаметры)

наиболее широко применяются по сравнению с другими расходомерами обтекания.

Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения

небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы измерения ротаметров по воде

находятся в пределах от 0,04 до 16 м3

/ч) или газов (верхние пределы измерения ротаметров

по воздуху находятся в пределах от 0,063 до 40 м3

/ч) в вертикальных трубопроводах

71

диаметром 4—100 мм.

Основные элементы ротаметра – коническая трубка 1 и поплавок 2 – образуют его

проточную часть рисунок 1.41.

Рисунок 1.41 - Схема ротаметра

Поплавки могут иметь различную форму. Одной из форм является цилиндрическая с

нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками.

Контролируемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка,

при этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки.

Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор fк, при

прохождении через который жидкость сужается и, таким образом, возникает разность между

давлением p1 в сечении АА до начала сужения и давлением р2 в самом узком сечении ВВ

кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь fк увеличивается, что в случае неизменного

расхода приведет к уменьшению разности p1—р2. Принцип действия ротаметра основан на

уравновешивании при любом расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на

него со стороны жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно

связано с расходом.

Положение поплавка зависит не только от расхода, но и от плотности контролируемой

среды, т. е. градуировка ротаметра должна производиться с учетом ее. Из-за большого

разнообразия контролируемых сред ротаметры подразделяются на две группы: для жидкос-

тей, которые градуируются на воде, и для газов, которые градуируются на воздухе.

Переградуировка ротаметра может быть осуществлена изменением рп, например путем

изготовления поплавка из другого материала или пустотелым.

Обычно в ротаметрах используются стеклянные конические трубки, на наружной

поверхности которых нанесена шкала. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость

поплавка. Ротаметры со стеклянной конусной трубкой применяются для измерения расхода

газов или прозрачных жидкостей, находящихся под давлением не более 3,6 МПа (6 кгс/см2).

Для измерения расхода сред под избыточным давлением до 6,4 МПа (64 кгс/см2)

72

используются ротаметры с металлической конической трубкой. Обычно такие ротаметры

снабжаются дифференциально - трансформаторными или пневматическими

преобразователями для дистанционной передачи показаний. Класс ротаметров с

дифференциально - трансформаторным преобразователем в комплекте с вторичным

прибором равен 2,5.

Серийно выпускаемые ротаметры со стеклянной конической трубкой соответствуют

ГОСТ 13045 – 81. В зависимости от пределов измерения поплавки изготавливаются из:

сталь, алюминий, бронза, эбонит, пластмассы — не должен подвергаться коррозии в кон-

тролируемой среде. Ротаметры обладают рядом достоинств: простота устройства;

возможность измерения малых расходов и на трубопроводах малых диаметров; практически

равномерная шкала.

Недостатками ротаметров являются необходимость установки только на вертикальных

участках трубопроводов, трудности дистанционной передачи показаний и записи,

непригодность для измерения расхода сред с высокими давление и температурой.

Поплавковые расходомеры. Принцип действия их такой же, как и ротаметров. От

ротаметров они отличаются лишь конструктивно. У них нет стеклянной конической трубки,

ход поплавка небольшой и внешняя форма иная.

Выпускаемые серийно поплавковые расходомеры типов РЭ и РП изготовитель даже

называет ротаметрами с электрической и пневматической передачей. Поплавок у этих

приборов связан жестким стержнем с железным сердечником или магнитом для

дистанционной передачи. Ход поплавка небольшой, не превышающий 40 – 70 мм. В

зависимости от калибра прибора у них применяются различные проточные части.

Рассмотрим устройство Поплавского расходомера с пневматической передачей типа РП

показано на рисунке 1.42.

73

Рисунок 1.42 - Поплавковый расходомер РП с пневматической передачей

Поплавок 1 грибовидной формы, связанный со сдвоенным магнитом 4, перемещается в

конусообразной расточке втулки 2. одновременно с магнитом 4 перемещается

расположенный за пределом диамагнитного корпуса 3 (на расстоянии 0,5 – 3 мм от него)

следящий магнит 6 и вызывает приближение (или удаление) заслонки 8 к соплу 9, при этом

измеряется давление воздуха в сопле и в полости сильфона 11 обратной связи, с дном

которого связан трубчатый шток 10 с соплом. Последнее перемещается до тех пор, пока

следящий магнит с заслонкой не займет первоначального положения относительного

магнита 4, давление воздуха в сильфоне передается через пневмоусилитель 7 на выход,

соединенный с вторичным прибором манометрического типа. Наибольшее расстояние между

вторичным прибором и поплавковым расходомером 300 м кроме того имеется стрелка 5,

указывающая расход по шкале прибора. Для питания необходим воздух давлением 0,14

МПа.

Поршневые или золотниковые расходомеры – третья разновидность расходомеров

постоянного перепада давления. В этих приборах роль поплавка выполняет поршень или

другой элемент, перемещайся во втулке с окнами особой формы. Измеряемое вещество

поступает под поршень и, приподнимая его, выходит через окно или прорезь во втулке.

Давление над поршнем то же, что и в выходном штуцере. Чем больше расход, тем выше

74

поднимается поршень, открывая все большую часть отверстия во втулке. Перепад давления

на поршне при этом сохраняется постоянным. Выбирая надлежащий профиль прорези,

можно получить желаемую зависимость между расходом и перемещением поршня.

На рисунке 1.43 показан поршневой расходомер, разработанный для измерения

массового расхода нефтепродуктов.

Рисунок 1.43 - Поршневой расходомер

Для достижения практической независимости показаний от изменений плотности ρ

измеряемого вещества плотность поршня ρп в два раза больше, чем ρ. На входном патрубке 1

укреплен цилиндр с втулкой 3, внутри которой перемещается поршень 2, связанный с

магнитным стержнем 4; последний воздействует на заслонку у сопла, давление воздуха в

котором служит выходным сигналом прибора. Во втулке 3 прорезано окно, через которое

измеряемое вещество уходит в выходной патрубок 5.

1.3.1.8 Расходомеры с изменяющимся перепадом давления.

Расходомеры обтекания с изменяющимся перепадом давления можно подразделить на:

поплавково – пружинные, поплавково – архимедовые, расходомеры с электромагнитным

уравновешиванием и шариковые с движением в криволинейной трубке.

Основные среди них – поплавково – пружинные расходомеры. Если поплавок или

поршень в поплавковом или поршневом расходомере соединить с пружиной, то получим

поплавково – пружинный расходомер, в котором давление потока должно преодолевать не

75

только вес подвижного элемента, но и упругость пружины.

Достоинство поплавково – пружинных расходомеров: возможность существенного

повышения максимального предела измерения и удобства перехода на другой диапазон

измерения путем смены пружины.

Для измерения расхода различных жидкостей и газов разработан поплавково –

пружинный расходомер рисунок 1.44

Рисунок 1.44 - Поплавково – пружинный расходомер с горизонтальным ходом поплавка

Подвижный элемент – поршень 4 нагружен пружиной3. в середине находится

неподвижный стержень6, профиль которого позволяет получить желаемую зависимость

между расходом и перемещением поршня 4. внутри последнего находится цилиндрический

магнит, вызывающий перемещения цилиндрического указателя расход 5, который

расположен снаружи диамагнитной трубы 2. шкала нанесена на прозрачной трубке 1 из

акрила. Расходомер прост и компактен, но его погрешность составляет плюс минус 4

процента.

Имеются расходомеры обтекания, у которых уравновешивание силы динамического

давления на поплавок осуществляются электромагнитным способом. У них поплавок связан

с железным сердечником, находящимся в поле наружного соленоида. Кроме того, имеется

устройство, реагирующее на перемещение поплавка и изменяющее силу тока в соленоиде

так, чтобы обеспечить возврат поплавка в исходное положение. Подобные расходомеры

работают по компенсационной схеме и предназначены для измерения сравнительно

небольших расходов. Их называют также расходомерами с магнитной подвеской.

Шариковыми называются тахометрические расходомеры, подвижным элементом

которых является шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней

поверхности трубы под воздействием предварительно закрученного потока. Скорость движе-

ния шарика по окружности трубы пропорциональна объемному расходу жидкости. Схема

шарикового преобразователя для средних и больших расходов представлена на рисунке 1.45

76

Рисунок 1.45 - Схема шариковых преобразователей расхода

а—для больших расходов, б—для малых расходов

Поток жидкости, закрученный формирователем 1 в винтовом направлении, вызывает

движение шарика 2 по окружности. От перемещения вдоль трубы шарик удерживается

ограничительным кольцом 3, за которым располагается струевыпрямитель 4 для вы-

прямления закрученного потока. На внешней стороне немагнитного корпуса располагается

тахометрический преобразователь 5 для преобразования частоты вращения шарика в час-

тотный электрический сигнал.

Для небольших расходов применяется конструкция, представленная на рисунке 1.45(б).

Здесь нет специального формирователя для закручивания потока, а движение шарика по

окружности вызывается тангенциальным подводом жидкости. В шариковых расходомерах

применяются тахометрические преобразователи скорости, аналогичные преобразователям

турбинных расходомеров. Шар рисунок 1.45(а) под действием центробежной силы прижи-

мается к внутренней поверхности трубы, а под действием осевой составляющей скорости

потока к ограничительному кольцу, т. е. шару кроме сил вязкого трения жидкости

необходимо преодолевать силы трения о поверхности трубы и ограничительного кольца.

Для уменьшения скольжения масса шарика делается по возможности малой. Согласно

стандарту шариковые расходомеры могут применяться для измерения расхода жидкостей с

плотностью 700—1400 кг/м3, вязкостью 0,3—12 с Ст. [(0,3÷12)Х10

-6 м

2 /с]. Из-за отсутствия

опор у подвижного элемента расходомеры могут использоваться на жидкостях с твердыми

включениями (ограниченной крупности) и агрессивных.

Камерными называются тахометрические расходомеры и счетчики, имеющие один или

несколько подвижных элементов, которые при движении отмеривают определенные объемы

жидкости. Обычно эти подвижные элементы движутся непрерывно со скоростью, пропор-

циональной объемному расходу. В промышленности в подавляющем большинстве случаев

применяются камерные счетчики. Достоинствами их является высокая точность измерения

(0,5—1 процента для жидкостей и 1—1,5 процента для газов), достаточно большой диапазон

измерения, слабое влияние вязкости измеряемой среды. Последнее обстоятельство позволяет

применять камерные счетчики для жидкостей вязкостью до 3·10-4

м2 /с.

77

Одним из приборов камерного типа являются счетчики жидкости с овальными шестер-

нями. Такие счетчики предназначены для измерения количества жидкостей, имеющих вяз-

кость от 55·10-6

до 3·10-4

м2

/с, температуру от минус 40 до плюс 120°С и давление до 64

кгс/м2 в трубах диаметром до 100 мм. Такие счетчики имеют основную погрешность 0,5

процента.

1.3.1.8 Расходомеры с поворотной лопастью.

В трубопроводе подвешивается лопасть, на которую воздействует гидродинамическое

давление потока жидкости или газа. Расход определяется по углу поворота лопасти или по

величине противодействующей силы, уравновешивающей давление потока в

компенсационных приборах. В последнем случае угол поворота лопасти может ничтожно

мал.

По виду противодействующей силы расходомеры с поворотной лопастью

подразделяются на расходомеры с грузовым и с пружинным уравновешиванием, а также на

компенсационные с пневматическими или электрическим уравновешиванием.

Достоинство их: большой диапазон измерения, доходящий до 15 – 20, и возможность

двустороннего действия. Кроме того, они позволяют сравнительно просто осуществить

измерения больших расходов жидкости и газов, а также веществ, имеющих высокую

температуру или обладающих агрессивными свойствами. Их динамические характеристики

достаточно хорошие.

Основной элемент расходомера – поворотная лопасть – даже при постоянном расходе

непрерывно вибрирует вследствие срыва вихрей с ее тыльной стороны. Небольшая вибрация

не мешает работе. Она в ряде случаев даже может быть полезна, так как препятствует

оседанию грязи и других механических примесей на лопасти.

Расходомеры с поворотной лопастью, имеющей грузовое уравновешивание

устанавливаются только в горизонтальном трубопроводе. Простота устройства

расходомеров с поворотной лопастью позволяет создавать их даже самими потребителями и

применять в различных практических случаях, в частности для измерения расхода сточных

вод, содержащих крупные механические примеси.

Расходомеры с поворотной лопастью, имеющей пружинное уравновешивание могут

устанавливаться как на горизонтальных, так и на вертикальных трубопроводах. У них

поворотная лопасть либо укреплена на конусе торсионной трубки, создающей при своей

закуте противодействующий момент Мпр, либо связана с винтовой, спиральной или другого

рода противодействующей пружиной.

На рисунке 1.46 показана схема прибора ДР – 21.

78

Рисунок 1.46 - Схема расходомеров с поворотной лопастью – пружинным противодействием

Поворотная лопасть в виде перфорированного диска 5, имеющего диаметр,

составляющий 0,75 от диаметра трубопровода, укреплена на оси 3, жестко связанной с

концами двух торсионов 2 и 4, которые предварительно закручены в противоположные

стороны на некоторый угол для температурной и гистерезисной компенсации. Центральный

стержень 6 вызывает при закрутке торсиона 2 поворот ротора 1 дистанционной передачи

показаний. Для поворотных лопастей, связанных с торсионами, характерен очень малый угол

поворота, обычно находящийся в пределах 1 градуса.

Особую группу приборов представляют расходомеры, у которых верхний конец лопасти

жестко закреплен. Такая лопасть под действием динамического давления потока не

поворачивается, а работает на изгиб. При этом противодействующий момент образуется

силами упругости лопасти.

1.3.1.9 Вихревые расходомеры.

Вихревыми называют расходомеры, основанные на зависимости от расхода частоты

колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания

струи. Они разделяются на три группы, существенно отличные друг от друга.

1. расходомеры, имеющие в первичном преобразователе неподвижное тело, при

обтекании которого с обеих его сторон попеременно возникают срывающиеся вихри,

создающие пульсации давления.

2. Расходомеры, в первичном преобразователе которых поток закручивается , попадая

затем в расширенную часть трубы, прецессирует, создавая при этом пульсации давления.

3. Расходомеры, в первичном преобразователе которых струя, вытекающая из отверстия,

совершает автоколебаний, создавая при этом пульсации давления.

Работу вихревых расходомеров могут нарушать акустические и вибрационные помехи,

создаваемым различными источниками: насосами и компрессорами, местными

сопротивлениями, завихрителями, вибрирующими трубами. Если частота вредных

пульсаций отличается от частоты измерительного сигнала, то ее влияния можно устранить с

помощью электрических фильтров. Сложнее их устранить, если эти частоты совпадают.

Иногда применяют струевыпрямитель на выходном патрубке преобразователя расхода.

79

Рассмотрим принцип действия на примере многопараметрического датчика Метран –

335. Измерение расхода газа реализована на вихревом принципе действия. На входе в

проточную часть датчика установлено тело обтекания рисунок 1.47.

Рисунок 1.47 - Конструктивное представление датчика Метран – 335

За телом обтекания по направлению потока газа, симметрично расположены два

пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2. При протекания потока газа

через проточную часть датчика за телом обтекания образуется вихревая дорожка, частота

следования вихрей в которой с высокой точностью пропорционально скорости потока, а,

следовательно и расходу. В свою очередь, вихреобразования приводит к появлению за телом

обтекания пульсаций давления среды.

Пульсации давления воспринимаются пьезоэлектрическими преобразователями, сигналы

с которых в форме электрических колебаний поступают на плату цифровой обработки, где

происходит вычисления объемного расхода и объема газа.

Преобразователь избыточного давления 3 тензорезистивного принципа действии

размещен перед телом обтекания вблизи места его крепления.

Термопреобразователь сопротивления платиновый 4 размещен внутри тела обтекания.

Для обеспечения непосредственного контакта со средой в теле обтекания выполнены

отверстия 5. электрический сигнал термопреобразователя подвергается цифровой обработке.

Плата цифровой обработки 6, содержащая два микропроцессора, производит обработку

сигналов преобразователей пульсации давления. Выходные сигналы передаются на

вычислитель 7.

1.3.1.10 Парциальные расходомеры

Парциальными называются расходомеры, основанные на измерении лишь небольшой

80

части расхода, обычно ответвляемой от основного потока измеряемого вещества.

Применяют различные способы ответвления. В первом из них в основном трубопроводе

устанавливают сужающее устройство или какое-либо сопротивление, по обе стороны от

которого присоединены концы небольшой обводной трубки. Парциальный поток в

последней возникает под влиянием разности статических давлений р1 и р2, создаваемой

сужающим устройством или сопротивлением в основном трубопроводе. При втором способе

обводная трубка введена в основной трубопровод так, что ее переднее отверстие направлено

навстречу потоку, а заднее — в противоположную сторону. Парциальный поток в обводной

трубке образуется здесь под влиянием разности динамических давлений у ее концов. При

третьем способе обводная трубка установлена на колене трубопровода, где под влиянием

центробежной силы создается разность давлений, зависящая от расхода. Этот способ удобен

при измерении расхода воды на всасывающем патрубке коленчатой формы у крупных

вертикальных насосов.

Наряду с основным вариантом парциальных расходомеров, когда ответвленный поток

возвращается в основной трубопровод,

иногда встречаются расходомеры с невозвращаемым ответвленным потоком и расходомеры,

у которых парциальный поток образуется вспомогательным веществом.

Основная область применения парциальных расходомеров — измерение расхода в трубах

большого диаметра, например в водооросителъных системах при отсутствии

преобразователей расхода большого калибра или при желании иметь сравнительно не

дорогостоящее средство измерения при допустимости повышенной погрешности результата.

Парциальный метод позволяет с помощью одного серийно изготовленного калибра

преобразователя измерять расход в трубах разного диаметра, как это имеет место, например,

у тепловых парциальных расходомеров. Кроме того, с помощью особых схем парциальный

метод позволяет измерять пульсирующие расходы.

Если парциальный поток создается с помощью диафрагмы, установленной в основном

трубопроводе, то, как было указано выше, в обводной трубке полезно иметь диафрагму для

обеспечения пропорциональности между расходами Q и q. Но измерять парциальный расход

q с помощью этой диафрагмы целесообразно разве лишь при пульсирующем расходе. В

небольшой обводной трубке можно сравнительно легко сгладить пульсации с помощью не-

больших емкостей. На рисунке 1.48 показана схема парциального расходомера,

предназначенного для измерения пульсирующего расхода загрязненного газа. q

81

Рисунок 1.48 - Схема парциального расходомера для измерения пульсирующего расхода за-

грязненного газа

В этом случае парциальный поток создается вспомогательным веществом — чистым

воздухом, а диафрагма 8, установленная на обводной трубке, служит лишь для обеспечения

пропорциональности между расходом воздуха q и расходом Q измеряемого газа. Для

измерения расхода q имеется другая диафрагма 4 и дифманометр 2. С обеих сторон

диафрагмы 8 установлены полистироловые мембраны 6 и 9 (толщиной 0,1 мм, диаметром 8

мм), воспринимающие давления p1 и р2, образующиеся с обеих сторон диафрагмы 7,

помещенной в основном трубопроводе. Мембраны 6 и 9 отделяют диафрагму 8 от

загрязненного газа, и через нее непрерывно протекает чистый воздух, предварительно

прошедший через фильтр 11 и дроссель 12. В центре мембран 6 и 9 укреплены стальные

диски, находящиеся против отверстий сопел 5 и 10. Благодаря этому автоматически

поддерживается равенство давлений. Через сопло 10 избыточный воздух удаляется в

атмосферу, а степень открытия сопла 5 определяет значение парциального расхода д. Для

сглаживания пульсаций давления перед измерительной диафрагмой 4 служит небольшая ем-

кость 3, а для измерения количества прошедшего воздуха — газосчетчик 1. В случае

применения расходомера с невозвращаемым парциальным потоком расход q последнего

можно измерить с помощью гидравлического сопротивления, обладающего линейной

характеристикой, и, кроме того, с помощью особого компенсатора исключить в

значительной мере влияние изменения давления р и температуры t газа на результаты

измерения.

В некоторых схемах для обеспечения равенства температур основной и парциальной

диафрагмами последнюю заключают в гильзу, монтируемую в основном трубопроводе.

82

1.3.2 Приборы с непрерывно движущимся телом

1.3.2.1Тахометрические расходомеры

Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижной, обычно

вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу.

Они подразделяются на турбинные, крыльчатые, шариковые, роторно-шаровые и камерные.

Иногда крыльчатки называют турбинками, различаются они конструкцией лопаточного

аппарата и подачей потока.

Измеряя скорость движения подвижного элемента, получаем расходомер, а измеряя

общее число оборотов (или ходов) его — счетчик количества (объем или массу) прошедшего

вещества. Счетчики воды и газа давно получили широкое распространение, так как для этого

надо лишь соединить вал турбинки или другого преобразователя расхода через зубчатый

редуктор со счетным механизмом. Для создания же тахометрического расходомера скорость

движения элемента надо предварительно преобразовать в сигнал, пропорциональный

расходу и удобный для измерения. В этом случае необходим двухступенчатый

преобразователь расхода. Его первая ступень — турбинка, шарик или другой элемент,

скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень —

тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту

электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела. Здесь

измерительным прибором будет электрический частотомер: цифровой или аналоговый. Если

его дополнить счетчиком электрических импульсов, то получим наряду с измерением

расхода также и измерение количества прошедшего вещества. Тахометрические

расходомеры появились значительно позже упомянутых ранее счетчиков количества

жидкости и газа и не получили еще столь широкого распространения. Их существенные

достоинства — быстродействие, высокая точность и большой диапазон измерения. Так, если

погрешность турбинных счетчиков воды (ось которых через редуктор связана со счетным

механизмом) равна плюс минус 2 процента, то у измерителей количества, имеющих

тахометрический преобразователь, эта погрешность снижается до плюс минус0,5 процента.

Причина в том, что этот преобразователь почти не нагружает ось турбинки в отличие от

редуктора и счетного механизма. Погрешность же турбинного расходомера от 0,5 до 1,5

процента в зависимости от точности примененного частотомера.

Крыльчатые и турбинные тахометрические расходомеры и счетчики количества могут

изготовляться для труб диаметром от 4 до 750 мм, для давлений до 250 МПа и температур от

минус 240 до плюс 700 °С. У нас турбинные приборы применяют преимущественно для

измерения расхода и количества воды, различных нефтепродуктов и других жидкостей. На

83

ряде российских заводов начато их производство и для измерения расхода газа. Основной

недостаток турбинных расходомеров — изнашивание опор, и поэтому они непригодны для

веществ, содержащих механические примеси. Кроме того, с увеличением вязкости вещества

диапазон линейной характеристики уменьшается, что исключает их применение для очень

вязких веществ. Но смазывающая способность измеряемого вещества желательна для тур-

бинных расходомеров. Это делает их более пригодными для жидкостей, чем для газов.

Иногда для измерения расхода в трубах большого диаметра применяют маленькие

крыльчатки и турбинки, занимающие небольшую часть площади сечения трубы. С помощью

жесткой штанги они вводятся в центр или в другую точку сечения потока. Погрешность

измерения расхода ориентировочно плюс минус 5 процента.

Шариковые расходомеры появились позднее турбинных. Они служат для измерения

расхода жидкостей, главным образом воды, в трубах диаметром до 150-200 мм. Их важное

достоинство — возможность работы на загрязненных средах.

Роторно-шаровые расходомеры появились сравнительно недавно и пока не получили

широкого применения.

Камерные приборы как счетчики жидкости и газа наряду с турбинными применяют очень

давно. Ранее их называли объемными приборами. Они отличаются большим разнообразием

подвижных элементов, дающих наименование разновидностям этих приборов: роторные,

поршневые, дисковые, с овальными шестернями, лопастные, винтовые и т. д. По сравнению

с турбинными и шариковыми счетчиками количества они могут обеспечить большую

точность и больший диапазон измерения. Так, несмотря на связь вала подвижного элемента с

редуктором и счетным механизмом, погрешность у некоторых из них составляет всего плюс

минус (0,2÷0,5) процента. Кроме того, камерные счетчики пригодны для измерения

количества жидкости любой вязкости, в том числе и очень большой. Но они чувствительны к

загрязнениям и механическим примесям.

При необходимости иметь результаты измерения крыльчатыми, турбинными,

шариковыми и камерными приборами в единицах массы их дополняют устройствами,

корректирующими показания в зависимости от плотности измеряемого вещества или только

от температуры — для жидкостей.

1.3.2.2 Крыльчатые и турбинные тахометрические расходомеры.

Аксиальные турбинки имеют винтовые лопасти с переменным по высоте углом подъема

винтовой линии. Попытка применения плоских лопастей при измерении расхода вязких сред

привела к ухудшению линейной характеристики. Но при измерении расхода газа и

жидкостей с малой вязкостью их применение целесообразно. Схема аксиальной турбинки

для труб небольшого диаметра показана на рисунке 1.49(а).

84

Рисунок 1.49 - Различные типы крыльчаток и турбинок: аксиальные при малом (а) и

большом (б) диаметрах; тангенциальные со светоотражательными пластинками (в), в

многоструйных водосчетчиках (г), в одноструйных водосчетчиках с полуцилиндрическими

лопастями (е) и лопастями полушаровой формы (ж)

Непосредственно на ступице установлены несколько лопастей (4-6), которые реализуют

значительную часть винтовой линии. Ось турбинки вращается в подшипниках скольжения. В

турбинках средних размеров применяют как подшипники скольжения, так и

шарикоподшипники. При больших диаметрах рисунок 1.49(б) число лопастей возрастает до

20-24, но длина их по винтовой линии очень мала. Лопасти укрепляются на ободе, который

соединяется со ступицей диском или ребрами. Поэтому высота их составляет небольшую

долю диаметра турбинки. Подшипники обычно шариковые, оси могут быть как

неподвижные, так и вращающиеся.

Конструкции тангенциальных турбинок более разнообразны. В большинстве случаев

рисунке 1.49 (в—д) поток жидкости одной общей струей поступает тангенциально к

турбинке. В серийных одноструйных водосчетчиках применяют крыльчатки с плоскими

радиально расположенными плоскостями рисунок 1.49(д). На рисунке 1.49 (в) показана

особая конструкция маленькой крыльчатки также с плоскими радиальными лопастями, на

торцах которых расположены пластины, служащие для отражения луча, падающего от

осветителя на фотоэлемент тахометрического преобразователя. Иногда для измерения

расхода газа в трубах очень малого диаметра применяют турбинки с лопастями полушаровой

формы рисунок 1.49(ж).

Во избежание одностороннего изнашивания опор в одноструйных водосчетчиках

применяют многоструйные водосчетчики, у которых вода поступает на радиальные лопасти

крыльчатки тангенциально в виде нескольких отдельных струй рисунок 1.49 (г) через косые

85

отверстия, равномерно расположенные в кольце, охватывающем крыльчатку,

В трубах большого диаметра иногда применяют турбинки, занимающие незначительную

часть площади поперечного сечения потока и измеряющие местную скорость. Обычно они

бывают аксиального типа. Но известны случаи применения турбинки особого типа,

состоящей из двух полуцилиндрических лопастей, сдвинутых относительно друг друга и

имеющих сечение, показанное на рисунке 1.49 (е). Ось этой турбинки перпендикулярна к

потоку.

Срок службы турбинного преобразователя зависит главным образом от опорных узлов,

работающих в тяжелых условиях (очень высокие скорости вращения, отсутствие смазочного

материала, возможность динамических нагрузок, агрессивность некоторых измеряемых

веществ). С уменьшением диаметра цапф осей снижается момент трения, но одновременно и

срок службы преобразователя. Оси изготовляют из материалов с повышенной износо-

устойчивостью, остальные вращающиеся части — из алюминиевых сплавов и пластмасс, а

при измерении расхода газа в некоторых случаях из полипропилена или полистирола для

уменьшения нагрузки на опоры. Но при индукционных или индуктивных тахометрических

преобразователях лопатки в большинстве случаев изготовляют из ферромагнитных

материалов. Подшипники скольжения делают из графита или пластмассы, а при малых

размерах — из часовых камней. Наконечники осей следует изготовлять из сплава иридий —

осмий или других твердых материалов.

При измерении расхода газа для уменьшения трения и удлинения срока службы

подшипников иногда предусматривают подачу смазочного материала, а для защиты от

действия твердых частиц предложена турбинка с воздушными опорами, у которой через

неподвижную ось к опорным поверхностям непрерывно подводится сжатый воздух.

Шариковые расходомеры.

Шариковыми расходомерами называются тахометрические расходомеры, подвижной

элемент которых — шарик — непрерывно движется по кругу. Это движение обеспечивается

или винтовым направляющим аппаратом, закручивающим поток, или же тангенциальным

подводом измеряемого вещества.

86

На рисунке 1.50 - Показаны преобразователи шариковых расходомеров.

Рисунок 1.50 Преобразователи расхода шариковых расходомеров: а — с винтовым

направляющим аппаратом; б — с тангенциальным подводом; в — с тангенциальным

подводом.

Основное применение из них получил преобразователь с винтовым направляющим

аппаратом 1 рисунок 1.50(а). Поток, закрученный в последнем, приводит в движение

ферромагнитный шарик 5 по окружности трубы. Частота вращения шарика по кругу

преобразуется в электрический частотный сигнал индукционным или индуктивным

преобразователем 2. Ограничительное кольцо 3 удерживает шарик от перемещения вдоль

оси трубы. Для выпрямления потока на выходе служат неподвижные лопасти 4.

Преобразователи с тангенциальным подводом измеряемого вещества, показанные на рисунке

1.50 (б, в), применяют при измерении малых расходов. Они проще и опасность засорения у

них меньше. Во всех случаях шар под действием центробежной силы прижимается к

внутренней поверхности трубы рисунок 1.50 (а) или камеры рисунок 1.50(б, в), а под

действием осевой скорости потока рисунок 1.50(а) или веса рисунок 1.50(б, в) — к ограни-

чительному кольцу. При этом возникают силы механического трения, которые вместе с

вязкостным трением жидкости тормозят шар.

Несомненное преимущество шариковых расходомеров перед турбинными —

возможность измерения загрязненных жидкостей, обусловленная отсутствием

изнашиваемых подшипников, и простота конструкции. Однако диапазон измерения у них

меньше, а погрешность несколько выше. Кроме того, их показания сильнее зависят от

вязкости жидкости. Изнашивание шара и дорожки качения приводит к появлению

отрицательной погрешности. Потеря давления достигает 0,05 МПа.

87

1.3.2.3 Роторно – шаровые расходомеры.

У роторно-шаровых расходомеров в отличие от шариковых шар или другое тело

вращения движется не по кругу, а вращается вокруг своей оси под воздействием потока

измеряемого вещества. Иногда эти приборы называют расходомерами с левитирующим

шаром или расходомерами с гидродинамической подвеской ротора. Они пока не нашли

широкого применения, однако имеется несколько их разновидностей, отличающихся друг от

друга, в частности, способом приведения шара во вращение.

Преобразователь расхода одного из таких расходомеров типа «Глобус» показан на

рисунке1.51.

Рисунок 1.51 - Преобразователь расхода расходомера «Глобус» (с шаровым ротором)

В корпусе 1 запрессована втулка 3, внутри которой находится шар 4. Последний имеет

канавку на горизонтальной окружности и, кроме того, для обеспечения надлежащей своей

ориентации в пространстве воздушную полость, в верхней части закрываемую пробкой 7.

Втулка 3 закрыта сверху крышкой 2, а снизу крышкой, в которой расположены две индук-

ционные катушки 8 тахометрического преобразователя. Жидкость через отверстие в корпусе

1 входит в кольцевой коллектор 6, откуда через два тангенциальных отверстия 10 диаметром

0,4 мм поступает в камеру, где расположен шар, и вызывает его вращение. При этом

гидродинамические силы способствуют такому расположению шара по высоте, при котором

его канавка оказывается в зоне действия струй, вытекающих из отверстий 10. Вращение

шара с помощью двух находящихся в нем магнитных стержней 9 и индукционных катушек 8

преобразуется в модулированный электрический сигнал. Жидкость удаляется через два

кольцевых коллектора 5 в выходную трубу. Расходомер «Глобус» рассчитан на расходы от

0,3·10-6

до 5·10-6 м/с и давление до 25 МПа. Приведенная погрешность плюс минус1

процент. Потеря давления при расходе 3·10-6

м3/с не более 0,03 МПа. Допустимы механичес-

кие примеси в жидкости при размере частиц не более 0,04 мм (0,1 от диаметра

тангенциальных отверстий). Градуировочная характеристика расходомера достаточно

линейна. Некоторую аналогию с преобразователем расходомера «Глобус» имеет безопорный

преобразователь с вращающимся кольцевым диском. Жидкость тангенциально поступает в

камеру и приводит во вращение кольцевой диск, наружный диаметр которого на 5 процентов

88

меньше внутреннего диаметра камеры. Частота вращения диска преобразуется в импульсы

тока с помощью светлых меток, нанесенных на торцевой поверхности диска, видимых

посредством волоконного оптического устройства и воздействующих на фотодетектор.

Диапазон измерения от 0,06 до 6 мл/с.

В НИИтеплоприбор были исследованы и разработаны преобразователи расхода, у

которых шар с диаметральным отверстием снабжен осью с небольшой аксиальной

турбинкой на ее конце. Это обеспечивает вращение шара вокруг оси обтекающего его

потока, устраняет возможность зависания и прецессии шара и упрощает устройство

тахометрического преобразователя, размещаемого на боковой поверхности корпуса, но

одновременно и усложняет общую конструкцию преобразователя расхода. По сравнению же

с турбинными преобразователями их преимуществами являются отсутствие опор и

возможность измерения расхода веществ, содержащих механические примеси.

1.3.2.4 Силовые расходомер.

Силовыми называются расходомеры, в которых с помощью силового воздействия,

зависящего от массового расхода, потоку сообщается ускорение того или другого рода, и

измеряется какой-либо параметр, характеризующий степень этого воздействия или его

эффекта.

Ускорение потока возникает в процессе изменения его первоначального движения. В

зависимости от характера этого изменения и сообщаемого при этом ускорения силовые

расходомеры разделяются на: 1) кориолисовые; 2) гироскопические; 3) турбо-силовые.

Силовое воздействие может быть внешним и внутренним. Внешнее воздействие

сообщается обычно от электродвигателя, который вращает (или колеблет) один из элементов

преобразователя расхода, например прямолопастную крыльчатку, закручивающую

проходящий через нее поток. Внутреннее воздействие осуществляется за счет снижения

потенциальной энергии потока, например, при его закручивании неподвижными винтовыми

лопатками.

Дополнительное ускорение, сообщаемое потоку в силовых расходомерах,

пропорционально массовому расходу. Соответственно пропорционален массовому расходу и

измеряемый параметр, характеризующий степень силового воздействия, — например мощ-

ность, затрачиваемая на закручивание потока, угол закрутки противодействующей пружины

и т. п. Поэтому силовые расходомеры как типичные представители приборов, измеряющих

массовый расход, нередко назывались ранее массовыми расходомерами.

Измерение массового расхода — основное и весьма существенное их достоинство. Кроме

того, они пригодны для измерения среднего значения пульсирующих расходов, а их

показания сравнительно мало зависят от профиля скорости, благодаря чему не требуется

89

значительных прямых участков после большинства местных сопротивлений, за исключением

двойного колена, создающего винтовое движение потока. Недостаток силовых расходомеров

— сложность конструкции их преобразователей расхода и большое число вращающихся

элементов внутри трубопровода.

Приведенная погрешность силовых расходомеров плюс минус 0,5-3,0 процента.

Большинство из них предназначено для измерения расхода жидких видов топлива, имеются

конструкции и для измерения расхода газа. На практике применяются редко. Особую группу

силовых расходомеров образуют перепадно-силовые расходомеры, в которых в результате

внешнего силового воздействия создается разность давлений в отдельных местах потока,

пропорциональная массовому расходу.

1.3.2.5 Турбосиловые расходомеры.

Турбосиловыми называют силовые расходомеры, в преобразователе которых в ре-

зультате силового воздействия, пропорционального массовому расходу, поток

закручивается.

На рисунке 1.52 показана принципиальная схема такого расходомера при внешнем

силовом воздействии.

Рисунок 1.52 - Принципиальная схема турбосилового расходомера

Внутри трубопровода 2 установлен ротор 3 с малым радиальным зазором, имеющий

каналы для прохода жидкости, разделенные перегородками, параллельными его оси, или же

выполненный в виде прямолопастной крыльчатки. Ротор вращается от электродвигателя 1 с

угловой скоростью со и закручивает жидкость, которая приобретает винтовое движение,

показанное стрелками. Далее жидкость поступает на ротор 5, закрепленный на пружине 6, и

закручивает последнюю на угол φ, пропорциональный массовому расходу. Неподвижный

диск 4 уменьшает вязкостную связь между роторами.

Главный момент количества движения жидкости lx относительно оси вращения роторов

определяется выражением

xx Jl

где Jх — момент инерции закручиваемой жидкости относительно оси вращения;

90

ω — угловая скорость вращения жидкости.

Турбосиловые расходомеры применяются чаще, чем кориолисовые и гироскопические,

особенно для более значительных расходов. Максимальные расходы для жидкости от 6 до

300 т/ч при диаметрах труб от 50 до 200 мм. Они более компактны по сравнению с

кориолисовыми и гироскопическими. Их погрешность плюс минус (0,5÷2) поцета от предела

шкалы. Постоянная времени около 1 секунды.

1.3.2.6 Кориолисовые силовые расходомеры.

Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием

силового воздействия возникает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Для

образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают

конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по

отношению к оси вращения, совпадающей с осью трубопровода.

Принципиальная схема кориолисового расходомера, изображена на рисунке 1.53.

Рисунок 1.53 - Схема действия сил в корриолисовом расходомере

Два трубных штуцера 1 и 6 с помощью гибких трубных соединений связаны с тру-

бопроводом, по которому течет измеряемое вещество. Штуцеры соединены друг с другом

металлической втулкой (не показанной на схеме) и лежат в шарикоподшипниках. Они вместе

с остальной частью преобразователя расхода вращаются с частотой 1800 об/мин от

электродвигателя через зубчатую передачу, связанную со штуцером 6. Жидкость поступает

через штуцер 6. Во вращающихся трубках 5 возникает кориолисово ускорение, создающее

момент сил, приложенных к стенкам трубки, который направлен противоположно

вращающему моменту. В трубках 3, связанных эластичными соединениями 4 с трубками 5,

кориолисово ускорение имеет направление, обратное кориолисову ускорению в трубках 3.

Поэтому к стенкам трубок 3 приложен момент сил Mк, направленный в сторону вращающего

момента. Момент Mк закручивает тонкую торсионную трубку 2, соединенную с выходным

штуцером 1. Угол закрутки измеряется с помощью тензорезисторных преобразователей.

Выпускается восемь типов моделей датчиков расходов (сенсоров) и шесть моделей

91

микропроцессорных преобразователей, функциональные возможности которых отвечают

самым различным требованиям.

Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (сенсора) и преобразователя.

Сенсор напрямую измеряет расход, плотность и температуру. Преобразователь конвертирует

полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы.

Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины,

протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки рисунок

1.54 приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении

друг к другу.

Рисунок 1.54 - Вид сенсора

1 — Измерительные (расходомерные трубки); 2 — детектор скорости; 3 — задающая

катушка

По такому принципу работает расходомер кориолисовый «Метран – 360», изображенный

на рисунке 1.55.

92

Рисунок 1.55 - Кориолисовый «Метран – 360»

При движении измеряемой среды через сенсор проявляется физическое явление,

известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды во вращательном

движении сенсорной трубки приводит к возникновению кориолисова ускорения, которое, в

свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена против

движения трубки, приданного ей задающей катушкой, т. е. когда трубка движется вверх во

время половины ее собственного цикла, то для жидкости, поступающей внутрь, сила

Кориолиса направлена вниз. Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы

меняется на противоположное. Таким образом, во входной половине трубки сила,

действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а в выходной

способствует. Это приводит к изгибу трубки. Когда во второй фазе вибрационного цикла

трубка движется вниз, направление изгиба меняется на противоположное.

Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо

пропорциональны массовому расходу жидкости. Детекторы измеряют фазовый сдвиг при

движении противоположных сторон сенсорной трубки.

Как результат изгиба сенсорных трубок генерируемые детекторами сигналы не

совпадают по фазе, так как сигнал от входной стороны запаздывает по отношению к сигналу

с выходной стороны. Разница во времени между сигналами (ΔT) измеряется в мик-

росекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше массовый расход, тем

больше ΔТ.

Сборки магнитов и катушек-соленоидов, называемые детекторами, установлены на

сенсорных трубках. Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая

катушка движется сквозь однородное магнитное поле постоянного магнита.

93

Сгенерированное напряжение от каждой катушки детектора имеет форму синусоидальной

волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой.

1.3.2.7 Вибрационные расходомеры.

Вибрационными называются кориолисовы или гироскопические расходомеры, в которых

подвижной элемент преобразователя расхода не вращается, а лишь совершает непрерывные

колебания с постоянной или периодически затухающей амплитудой под влиянием внешнего

силового воздействия.

Во всех вибрационных преобразователях расхода в подвижном элементе возникает

кориолисово ускорение и соответствующие силы, создающие момент Мк,

пропорциональный массовому расходу Qм, который действует навстречу вращающему

моменту.

Схема преобразователя вибрационного расходомера показана на рисунке 1.57.

Рисунок 1.57 - Принципиальная схема вибрационного кориолисового преобразователя

расхода

Измеряемое вещество поступает по вертикальной трубке, закрепленной в корпусе 2.

Труба 3 связана гибким соединением с трубой 1. Это позволяет ей совершать колебательное

движение вокруг точки О, вызываемое электромагнитной катушкой возбуждения 5. Поток

вытекает через нижний конец трубы 3 и уходит по трубе 4. Абсолютное движение потока в

трубе 3 образуется в результате его относительного движения вдоль оси трубы и

переносного движения, вызываемого колебаниями трубы. При этом в потоке возникает

кориолисово ускорение α и соответствующие силы (их равнодействующая Nк показана на

рисунке), создающие момент Мк, направленный противоположно вращающему моменту.

Уравнение движения трубки, колеблющейся с угловой скоростью ω, имеет вид

Jω + Мк + Мс + Му = Mв,

где J — момент инерции трубки, заполненной измеряемым веществом;

Мк — момент, создаваемый кориолисовыми силами;

94

Мс — момент сопротивления вращению при неподвижной жидкости в трубке,

обусловленный ее вязкостью;

М — момент сопротивления, вызываемый упругими силами трубки;

Мв — вращающий момент.

Рассмотрим гироскопические вибрационные расходомеры, у которых подвижная система

не вращается, а колеблется вокруг своей оси. У них так же, как и в случае непрерывного

вращения вокруг оси х, возникают кориолисовы силы, которые вызывают колебания

прецессии вокруг оси у. Чем больше расход, тем больше угол и амплитуда этих колебаний.

Путем измерения указанных величин или напряжения в упругих связующих элементах судят

о массовом расходе Qм. Ряд конструкций гироскопических вибрационных расходомеров был

разработан как у нас, так и за рубежом.

На рисунке 1.58 изображен преобразователь одного из таких расходомеров.

Рисунок 1.58 - Вибрационный гироскопический преобразователь расхода

Жидкость поступает в кольцо (трубку) 2 через гибкое соединение 6, колено и радиальный

участок, а выходит через второй радиальный участок и гибкое соединение 4. Радиальные

участки проходят внутри пустотелой горизонтальной оси, на которой укреплено кольцо 2.

Электродвигатель 9 имеет выходной вал 8 с эксцентриковым пальцем, входящим в прорезь

горизонтальной оси. Поэтому вращение электродвигателя будет вызывать колебание оси

вместе с укрепленным на ней кольцом 2 вокруг вертикальной оси 7. Возникающий под

влиянием кориолисовых сил гироскопический момент действует относительно го-

ризонтальной оси и будет вызывать колебания кольцевой трубки вокруг нее.

Противодействующий момент создается упругими силами скручиваемых тонких шеек 3 и 5

горизонтальной оси. Гироскопический момент, пропорциональный расходу Qmax, может

быть измерен или с помощью тензорезисторов, связанных с шейками 3 и 5, или же по

амплитуде колебаний кольца с помощью укрепленной в нижней его точке витка проволоки

1, плоскость которого перпендикулярна к плоскости кольца 2. При колебании витка в поле

95

постоянного магнита 10 в ней образуется ЭДС, амплитуда которой пропорциональна углу

поворота кольца вокруг горизонтальной оси.

1.3.2.8 Сравнение различных типов силовых расходомеров.

Для измерения расхода однофазных веществ (жидкости или газа) в большинстве случаев

наиболее целесообразны турбосиловые расходомеры (особенно при измерении больших

расходов). Гироскопические расходомеры пригодны лишь для измерения малых расходов в

трубах, имеющих диаметр менее 50 мм. Кориолисовы расходомеры занимают

промежуточное положение.

Преобразователи турбосиловых и кориолисовых расходомеров, не имеющие

электропривода, проще, компактнее и надежнее в работе. Но угловая скорость вращения их

зависит от расхода, измерительная схема сложнее и чаще приходится применять из-

мерительные пружины. При этом точность измерения будет зависеть от совершенства

упругих свойств пружин, влияния температуры на эти свойства и возможности их изменения

во времени и при изменении частоты их вращения из-за отсутствия или несовершенства

динамической балансировки.

Преобразователи с внешним электроприводом сложны и нерациональны. Электропривод

лучше иметь внутри преобразователя, когда их роторы совмещены друг с другом, а статор

отделен диамагнитной втулкой. Относительно просты расходомеры с электроприводом, у

которых расход определяется измерением мощности, питающей электродвигатель. Но у них

шкала с подавленным нулем (мощность при нулевом расходе), а пропорциональность между

мощностью или силой питающего тока и расходом сохраняется лишь в определенных

пределах.

Если вязкость измеряемого вещества может существенно изменяться, надо применять

двухроторные, турбосиловые или кориолисовы расходомеры с компенсацией вязкости. При

этом роторы и зазоры у них должны быть совершенно одинаковы, равно как и

характеристики электродвигателей, вращающих роторы.

Предпочтительно применение силовых расходомеров для измерения расхода двухфазных

сред, в частности нефтегазовых потоков. Но при этом возникает опасность расслоения фаз

при вращении подвижного элемента преобразователя расхода, особенно в турбосиловых

расходомерах. В меньшей степени это явление наблюдается в кориолисовых расходомерах,

поэтому они нашли применение для измерения расхода нефтегазовых потоков, но не с

вращающимся ротором, а с колеблющейся (вибрирующей) трубой при небольшой частоте ее

вибрации.

96

1.3.3 Приборы основанные на различных физических явлениях

1.3.3.1 Тепловые расходомеры.

Тепловыми называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода

эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Они служат

для измерения расхода газа и реже для измерения расхода жидкости.

Существует много разновидностей тепловых расходомеров, различающихся способом

нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода) и характером

функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Основной способ

нагрева — электрический омический. Индуктивный нагрев почти не применяется на

практике. Кроме того, в некоторых случаях находит применение нагрев с помощью элект-

ромагнитного поля и с помощью жидкостного теплоносителя. По характеру теплового

взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на калориметрические,

термоконвективные и термоанемометрические. При электрическомомическом нагреве у

калориметрических расходомеров нагреватель расположен внутри, а у термоконвективных

— снаружи трубы.

Раньше всех появились термоанемометрические приборы для измерения местных

скоростей потоков, потом калориметрические расходомеры с внутренним нагревом, но они

не получили заметного применения. Позднее стали разрабатываться термоконвективные

расходомеры. Благодаря наружному расположению нагревателя они находят все более

широкое применение в промышленности. Термоконвективные расходомеры разделяются на

квазикалориметрические и теплового пограничного слоя. В первых измеряется разность

температур потока, или же мощность нагрева, во вторых — разность температур

пограничного слоя или же соответствующая мощность нагрева. Они применяются для

измерения расхода главным образом в трубах небольшого диаметра от 0,5-2,0 до 100 мм. Для

измерения расхода в трубах большого диаметра находят применение особые разновидности

термоконвективных расходомеров: парциальные с нагревателем на обводной трубе; с

тепловым зондом; с наружным нагревом ограниченного участка трубы.

Калориметрические и термоконвективные расходомеры измеряют массовый расход при

условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества, что является их достоинством.

Другое достоинство термоконвективных расходомеров — отсутствие контакта с измеряемым

веществом. Недостаток тех и других — большая инерционность. Для улучшения

быстродействия применяют корректирующие схемы, а также импульсный нагрев. В отличие

от остальных тепловых расходомеров термоанемометры весьма малоинерционны, но они

97

служат преимущественно для измерения местных скоростей, хотя и имеются конструкции

термоанемометрических расходомеров.

Значительно реже применяются тепловые расходомеры с нагревом электромагнитным

полем или жидкостным теплоносителем. Достоинство первых — сравнительно малая

инерционность. Электромагнитное поле создается у них с помощью излучателей энергии

высокой частоты, сверхвысокой частоты или инфракрасного диапазона. Они предназначены

в основном для электролитов и диэлектриков, а также селективно-серых агрессивных жид-

костей. Расходомеры с жидкостным теплоносителем нашли применение в промышленности

при измерении расхода пульп, их иногда применяют и при измерении расхода

газожидкостных потоков.

Температурный предел применения термоконвективных расходомеров обычно не

превосходит 150-200°С и в редких случаях достигает 250°С. При нагреве электромагнитным

полем или жидкостным теплоносителем этот предел повышается до 450 °С.

Особая разновидность тепловых — меточные расходомеры, в которых измеряется время

перемещения тепловой метки на определенном участке пути.

1.3.3.2 Электромагнитные расходомеры.

В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся

электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющееся закону электромагнитной

индукции.

Достоинство электромагнитных расходомеров: независимость показаний от вязкости и

плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра,

отсутствие потери давления, линейности шкалы, необходимость в меньших длинах прямых

участков труб, чем у других расходомеров, высокое быстро действие, возможность

измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Но электромагнитные

расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и пара, а также жидкостей

диэлектриков, таких, как спирты и нефтепродукты. Они пригодны для измерения расхода

жидкости, у которых удельная электрическая проводимость не менее 10-3

См/м.

Магнитные системы расходомеров.

При измерении расхода жидких металлов, имеющих электронную проводимость,

магнитную систему расходомеров образуют постоянные магниты, создающие постоянное

магнитное поле. При измерении расхода жидкостей с ионной проводимостью для создания

переменного магнитного поля применяют электромагниты, питаемые переменным током.

Устройство последних зависит от желаемой формы переменного магнитного поля. Серийно

изготовляются расходомеры с равномерным полем и полем, индукция которого

удовлетворяет уравнению BW= const, т. е. распределена обратно пропорционально весовой

98

функции W.

Равномерное магнитное поле. Ранее, как правило, стремились получить в

электромагнитных расходомерах как можно более равномерное магнитное поле. И теперь

еще некоторые серийно изготовленные расходомеры, особенно небольших калибров, имеют

такое поле. Его достоинства: независимость ЭДС от режима течения (турбулентного или

ламинарного) при осесимметричном потоке, отсутствие паразитной ЭДС от вихревых токов

Фуко, уменьшение влияния концевых эффектов. Недостаток равномерного поля: большая

протяженность l магнитной системы вдоль трубопровода (1/D = 3÷4), вследствие чего

возрастают масса, габаритные размеры, а также стоимость преобразователя расхода и

зависимость ЭДС от степени деформации потока при недостаточной длине прямого участка

трубы.

На рис. 1.59(а-д) показаны магнитные системы, предназначенные для создания

равномерного магнитного поля.

Рисунок 1.59 - Магнитные системы, создающие равномерное магнитное поле

Их форма зависит от диаметра D трубопровода. Так, для D значение параметра больше

или равно 25 мм удобен магнитопровод из шихтованной стали с плоскими полюсами, между

которыми помещается труба рисунок 1.59 (а). Но с увеличением D такая система становится

все более громоздкой и требует значительного расхода трансформаторной стали. В этих

случаях целесообразно электромагнитную систему делать в виде нескольких слоев ленты из

магнитомягкого материала, охватывающего трубу, а обмотку возбуждения размещать между

лентой и трубой рисунок 1.59(б—г). Недостаток простейшей разновидности такой системы,

показанной на рисунок 1.59(б), — большой воздушный зазор, а следовательно, и излишний

расход мощности. Для устранения этого недостатка ленточному магнитопроводу придают

форму эллипса рисунок 1.59(в) или овала рисунок 1.59(г). При этом магнитопровод

приближается к трубе в плоскости, перпендикулярной к плоскости расположения

электродов, и воздушный зазор сокращается. Но здесь длина магнитных линий в воздушном

зазоре и жидкости уменьшается от центра трубы к ее краю. Чтобы сохранить равномерность

магнитного поля, надо обмотку возбуждения располагать так, чтобы магнитодвижущая сила

возрастала от краев трубы к центру. Это наряду с требованием полного заполнения обмоткой

пространства между трубой и магнитопрово-дом определяет геометрию последнего. С

увеличением диаметра трубы D происходит уменьшение разницы осей овала, и

99

магнитопровод приближается по форме к кругу. Поэтому для труб, имеющих D значение

параметра больше или равно 300 мм, целесообразно применять круглый магнитопровод

рисунок 1.59( д).

1.3.3.3 Расходомер с электромагнитными преобразователями скорости потока.

Для больших диаметров труб разработаны расходомеры с электромагнитными

преобразователями скорости. Они проще и дешевле. С увеличением диаметра трубы эти

преимущества усиливаются. Но расходомеры с преобразователями скорости требуют

больших прямых участков труб.

На рисунке 1.60(а, б) показаны два варианта подобных преобразователей.

Рисунок 1.60 - Схема электромагнитного преобразователя скорости с осью

В трубопровод в место нахождения средней скорости вводится с помощью штанги 2

пустотелый обтекатель 5, в котором размещены обмотка возбуждения магнитного поля 1 и

электроды 4. Через 3 обозначены силовые линии магнитного поля. Ось преобразователя

(обтекателя) на рисунке 1.60 (а) параллельна штанге и перпендикулярна к потоку, а на

рисунке 1.60 (б) параллельна потоку и перпендикулярна к штанге. Первый преобразователь

удобнее вводить в трубопровод, но у него электроды находятся там, где происходит срыв

вихрей с обтекателя, что вызывает сильную пульсацию сигнала, которую надо подавлять в

измерительной схеме. В НИИтеплоприбор разработаны электромагнитные расходомеры

типов ЭРИС и ПСГ с преобразователями скорости по рисунку 1.6 (б, а).

В расходомере ЭРИС-1 применяется лишь один электромагнитный преобразователь

скорости, а в расходомере ЭРИС-3 — три таких преобразователя, размещаемые равномерно

по окружности на расстоянии 0,76D/2 от оси трубы. Расходомер ЭРИС-1 можно применять

лишь при достаточно большой длине прямого участка, обеспечивающей создание

осесимметричного потока. Расходомер ЭРИС-3 позволяет существенно сократить длины

прямого участка. Так, по данным НИИтеплоприбор, при задвижке, закрытой на 1/3,

допустимо размещение преобразователей скорости ЭРИС-3 на расстоянии от задвижки не

менее 3D.

100

В системе нефтяной промышленности освоен выпуск расходомеров типа ЭРИС-М. Его

электромагнитный преобразователь скорости ПС-2 такой же, как у расходомеров ЭРИС, а

измерительная схема немного модифицирована.

Существенно отличается от всех рассмотренных расходомеров с электромагнитными

преобразователями скорости новый расходомер типа ПСГ (площадь—скорость—градиент),

разработанный в НИИтеплоприбор для труб большого диаметра, не имеющих достаточного

прямого участка, когда профиль скоростей может быть сильно деформирован.

Блок-схема расходомера ПСГ показана на рисунке 1.61.

Рисунок 1.61 - Блок – схема расходомера ПСГ (площадь – скорость – градиент)

Преобразователи скорости у него соответствуют рисунку 1.60 (б), но расстояние между

электродами 60 мм (у ЭРИС оно равно 28 мм) и расположены так, что линии, соединяющие

электроды, направлены по радиусу трубы. Это позволяет измерять радиальные градиенты

скорости. Сигналы с электродов 1 проходят через усилители 5, на выходе из которых

группируются в два канала. По одному поступают сигналы с электродов, расположенных на

окружности большего радиуса, а по другому — с электродов, находящихся на меньшем

радиусе. Сигналы в каждом канале складываются в сумматорах 6 и подаются в коммутатор

7, куда подается также сигнал с опорного сопротивления 10, характеризующий силу тока в

индукторе, поступающий от блока питания 4. Коммутатор 7 через усилитель 8 и

преобразователь «напряжение—частота» 9 связан с микропроцессором 11, который

управляет коммутатором и блоком питания, так что индукторы преобразователей питаются

периодически повторяющимися однополярными прямоугольными импульсами

длительностью 330 мс и интервалом между ними 670 мс. Измерительный сигнал с каждого

электрода — это разность сигналов при наличии магнитного поля и при его отсутствии. Это

исключает влияние поляризации электродов на показания. Кроме того, микропроцессор

преобразует частотные входные сигналы в двоичный код и производит обработку сигналов и

вычисление расхода в соответствии с заданной программой. На выходе микропроцессора

имеется цифро-аналоговый преобразователь 12. Элементы 5-9 находятся в блоке

101

подготовки сигналов 2, а микропроцессор 11 и преобразователь 12 в измерительно-

вычислительном устройстве 3. Расходомер ПСГ предназначен для труб диаметром от 1250

до 3600 мм и на максимальные расходы от 0,63 до 50 м /с. Основная погрешность ±значение

параметра плюс минус 1,5 процента, выходной сигнал 0-5 и 4-20 мА, потребляемая

мощность не более 200 В·А.

1.3.3.4 Электромагнитные расходомеры для вещества с малой электропроводностью и

особых разновидностей.

Серийно изготовляемые электромагнитные расходомеры пригодны лишь для веществ,

удельная электропроводность которых не менее 10-3

См/м. Но уже давно стали

разрабатывать расходомеры, пригодные для веществ с меньшей электропроводностью.

Современные электромагнитные расходомеры характеризуются импульсным питанием

низкой частоты электромагнитов и применением микропроцессоров для преобразования

сигналов датчиков, что позволило уменьшить энергопотребление и повысить точность

измерения расхода.

Краткие технические данные ряда электромагнитных расходомеров-счетчиков приведены

ниже.

Семейство электромагнитных расходомеров «Взлет ЭР» (фирма «Взлет», Санкт-Пе-

тербург) включает модели: ЭРСВ-410 (ранее была модель ЭРСВ-110), ЭРСВ-440, ЭРСВ-450,

ЭРСВ-510 (ЭРСВ-210), ЭРСВ-540, ЭРСВ-550, ЭРСВ-310, ЭРСВ-011, ЭРСВ-012, ЭРСВ-022,

ЭРСВ-013, а ранее и МР 400. Приборы позволяют измерять расход и объем питьевой,

отопительной или сточной воды, жидких пищевых продуктов, растворов кислот, щелочей и

других жидкостей.

Расходомер обеспечивает вывод результатов измерений на внешние устройства в виде

импульсов с нормированным весом. Импульсный выход гальванически развязан, вес

импульса программируется.

По заказу ЭРСВ-310, ЭРСВ-012, ЭРСВ-013, ЭРСВ-011, ЭРСВ-022 оснащаются кнопкой

обнуления значения накопленного счетчиком объема, обеспечивая, таким образом, режим

ручного дозирования, а также имеют интерфейс RS232, который может использоваться для

связи с ПВM-совместимым компьютером, что позволяет применять расходомеры в системах

регулирования и обеспечивает простой доступ ко всем параметрам. Скорость передачи

информации по RS232 — 19 200 Бод (по специальному заказу поставляется программное

обеспечение пользователя для считывания данных, в том числе через телефонный или

радиомодем). По заказу данные исполнения приборов могут быть дооснащены токовым

выходом (4-20 или 0-5 мА).

Покрытие внутреннего канала расходомера, контактирующего с жидкостью, может быть

102

выполнено из фторопласта для воды и т. д. или из полиуретана для абразивных жидкостей и

пульп. Электроды могут быть из нержавеющей стали, тантала, титана, хастелоя.

Расходомеры «Взлет ЭР» используются в составе многих сертифицированных

теплосчетчиков. Вид датчика «Взлет ЭР» показан на рисунке 1.62.

Рисунок 1.62 - Датчик «Взлет ЭР»

Преобразователи ПРЭМ-2 и 3 («Теплоком», Санкт-Петербург) обеспечивают

преобразование объемного расхода и объема жидких сред, протекающих через них в любом

направлении, в электрические сигналы и предназначены для работы с другими изделиями:

тепловычислителями, регуляторами и другими вторичными приборами, могут быть

использованы при измерении расхода объема воды, спиртосодержащих жидкостей и других

с удельной электропроводностью от 10-3

до 10 См/м.

Преобразователи ПРЭМ-2 и 3 предназначены для эксплуатации при воздействии на них:

измеряемой среды, не агрессивной к материалу внутреннего покрытия трубы — фторопласту

и электродов — стали; давления измеряемой среды до 1,6 МПа. Питание преобразователей

от источника постоянного тока с номинальным напряжением 12 В. Вид датчика ПРЭМ-3 дан

на рисунке 1.63.

Рисунок 1.63 - Датчик прибора ПРЭМ-3

103

1.3.3.5 Ультразвуковые (акустические) расходомеры.

Акустическими называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от

расхода того или другого эффекта, возникающего при переходе акустических колебаний

через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические

расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются

ультразвуковыми.

Они разделяются на расходомеры, основанные на перемещении акустических колебаний

движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера, появившиеся позже.

Главное распространение получили приборы, основанные на измерении разности времени

прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже

встречаются приборы в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к

потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления.

Приборы, основанные на явлении Доплера, предназначены в основном для измерения

местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода.

Измерительные схемы у них более простые.

Наряду с указанными разновидностями ультразвуковых расходомеров имеются

акустические расходомеры, получившие название длинноволновых, работающих в звуковом

диапазоне.

Фазовые ультразвуковые расходомеры.

Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых

сдвигов ультразвуковых колебаний , возникающих на приемных пьезоэлементах, от разности

времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку

движущейся жидкости или газа и против него.

Было предложено и реализовано много схем одно- и двухканальных фазовых

расходомеров. В одноканальных расходомерах большим разнообразием отличаются схемы

переключения пьезоэлементов с излучения на прием, в частности, схемы с одновременной

посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением

пьезоэлементов с излучения на прием. Подобная схема применена в одноканальном

расходомере УЗР-2, разработанном во ВНИКИцветметавтоматике для измерения расхода

суспензии полиэтилена в бензине в трубе диаметром 150 мм, Qmax = 180 м3/ч, частота

колебаний 1 МГц. Пьезоэлементы расположены снаружи трубы.

Электронная схема расходомера включает в себя коммутирующее устройство; задающий

генератор; два генератора амплитудно-модулированных колебаний, поступающих на

пьезоэлементы; устройство регулировки фазы, состоящее из усилителя ограничителя,

усилителя мощности, реверсивного двигателя, фазовращателя и фазорасщепителя; изме-

104

рительный фазометр и фазометр синхронизации, из которых каждый состоит из катодного

повторителя, селекторных усилителей, фазового детектора и схемы автоматической

регулировки усиления.

В расходомере УЗР-Т4, разработанном для контроля нефти и нефтепродуктов,

переключение пьезоэлементов с излучения на прием производится с помощью

мультивибратора, управляющего модуляторами задающего генератора. Особый генератор

создает синусоидальное напряжение низкой частоты, из которого в триггерном устройстве

образуются прямоугольные импульсы. Задний фронт этих импульсов служит для включения

мультивибратора.

В схеме расходомера, разработанного Швайгером, ультразвуковые колебания частотой

2,1 МГц в течение 500 мкс распространяются навстречу друг другу со сдвигом фазы на 180°,

после чего мультивибратор переключает пьезоэлементы с режима излучения на режим

приема. В другом зарубежном расходомере переключение производится особым

генератором, создающим сигналы двух форм. Один из сигналов включает генератор,

возбуждающий колебания пьезоэлементов, второй сигнал переключает пьезоэлементы на

прием. Принятые колебания после усиления преобразуются в импульсы прямоугольной

формы. После прохода через детектор сдвига фаз ширина импульсов на выходе

пропорциональна этому сдвигу. На выходе после выпрямления имеем напряжение

постоянного тока, пропорциональное расходу. Частота колебаний 4,2 МГц, частота

переключения пьезоэлементов 4,35 кГц. Угол наклона пьезоэлементов 30°. Диаметр трубы

100 мм.

Ввиду сложности большинства схем переключения пьезоэлементов с излучения на прием

созданы фазовые одноканальные расходомеры, не требующие переключения. В таких

расходомерах оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух

разных, но весьма близких частот, например 6 МГц и 6,01 МГц.

Более простые электронные схемы имеют двухканальные фазовые расходомеры. На

рисунке 1.64 показана схема прибора типа УЗР-1, предназначенного для измерения расхода

жидкостей в трубах, имеющих D, равный 100 и 200 мм, и рассчитанного на Qmax, равный

30; 50; 100; 200 и 300 м3/ч.

105

Рисунок 1.64 - Схема фазового ультразвукового расходомера УЗР-1

Частота 1 МГц, максимальная разность фаз (2-2,1) рад. Погрешность расходомера плюс

минус 2,5 процента. Генератор Г с помощью согласующих трансформаторов связан с

пьезоэлементами И1 и И2. Ультразвуковые колебания, излучаемые последними, проходят

через жидкостные волноводы 1, мембраны 3, герметично вмонтированные в стенки

трубопровода 4, проходят через измеряемую жидкость 2 и затем через мембраны 5 и

жидкостные волноводы 6 поступают на приемные пьезоэлементы П1 и П2. Последние на

выходе соединены с фазометрической схемой в составе фазорегулятора ФВ; двух

одинаковых усилителей У1 и У2, управляемых узлами автоматической регулировки АРУ1 и

АРУ2; фазового детектора ФД и измерительного прибора (потенциометра) РП.

Фазорегулятор ФВ предназначен для регулировки начальной точки фазового детектора и

корректировки нуля. Во ВНИКИцветметавтоматика помимо УЗР-1 были разработаны

двухканальные фазовые расходомеры РУЗ-282, РУЗ-282М и РУЗ-714. Первые два

предназначены для измерения расхода четыреххлористого титана при температуре 100°С и

давлении 0,3 МПа, а третий — для алюминатных растворов тоже при температуре 100 °С и

давлении 0,6 МПа.

Фазовые расходомеры были раньше самыми распространенными среди ультразвуковых,

но в настоящее время преимущественное применение имеют другие расходомеры, с

помощью которых можно получить более высокую точность измерения.

Ультрозвуковые расходомеры особого назначения.

Ультразвуковой метод находит применение не только для измерения расходов жидкости

и газов, движущихся в трубопроводах, но также для измерения скоростей и расходов этих

веществ в открытых каналах и реках, в шахтных выработках и метеорологических

установках. Кроме того, имеются разработки переносных расходомеров, предназначенных

для установки снаружи трубопровода.

Переносные преобразователи расхода.

На основании 6 рисунок 1.65 укреплены две обоймы 1 и 2 из оргстекла, уменьшающего

106

паразитные внутренние отражения.

Рисунок 1.65 - Переносной ультразвуковой преобразователь расхода

В каждой обойме установлены два пьезоэлемента 3 и 4 из керамики под углом 45° к оси

трубы, работающие на частоте 2,5 МГц. Пружины 5 прижимают обе камеры к трубопроводу,

причем нижняя может перемещаться вдоль оси последнего по направляющей 7 с помощью

ходового винта. Переносной преобразователь предназначен для измерения расходов

жидкости от 1 до 150 л/мин в трубах малого диаметра (6—25 мм). Расходомер работает по

фазовой схеме. Принятые сигналы при напряжении генератора 10 В равны 50-60 мВ при

стальной трубе и 130-150 мВ при трубе из алюминиевого сплава. Напряжение помех при

стальной трубе не более 1,5 мВ, а при алюминиевой — не более 5 мВ.

1.3.3.6 Расходомеры для открытых каналов и рек.

С помощью пьезоэлементов, укрепленных на стержнях и устанавливаемых у про-

тивоположных боковых стенок канала, можно измерять средние скорости на любой глубине

канала и по ним вычислять объемный расход. В работе, где был применен одноканальный

частотный метод, была достигнута высокая точность измерения в открытом канале.

1.3.3.7Измерение расхода воздуха в шахтах.

Имеются опыты применения ультразвукового метода для измерения расхода воздуха,

подаваемого в шахты. Два пьезоэлемента, установленные на одной стенке шахтной

выработки, направляют акустические излучения небольшой частоты (16-17 кГц) в

противоположные стороны. Приемные пьезоэлементы расположены на другой стенке на

больших (5-6 м) расстояниях от излучателей магнитострикционного типа.

1.3.3.8 Измерение скорости воздуха в метеорологических установках.

Акустические методы измерения скорости воздуха все шире внедряются в

метеорологическую практику. Разрабатываются специальные конструкции

преобразователей, предназначенные для применения в метеорологических установках. В

одной из них пьезокерамическое радиально поляризованное кольцо создает ненаправленное

107

излучение в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии.

1.3.3.9 Доплеровские ультразвуковые расходомеры.

Рассматриваемые расходомеры основаны на измерении, зависящем от расхода

допплеровской разности частот f1 – f2, возникающей при отражении акустических колебаний

неоднородностями потока. Разность f1 – f2 зависит от скорости υ частицы, отражающей

акустические колебания и скорости с распространения этих колебаний в соответствии с

уравнением

cvfff /''coscos '

121

где f1 – f2 — исходная и отраженная частоты акустических колебаний соответственно;

α' — угол между вектором скорости v частицы отражателя и направлением исходного

луча;

α" — угол между тем же вектором и и направлением луча отраженного.

При симметричном расположении излучающего и приемного пьезоэлементов рисунок

1.66 относительно скорости υ или, что то же, оси трубы углы α' и α" равны друг другу.

Рисунок 1.66 - Схема доплеровского преобразователя расхода

Таким образом, измеряемая разность частот может служить для измерения скорости υ

частицы отражателя, т. е. для измерения местной скорости потока. Это сближает

допплеровские ультразвуковые расходомеры с другими расходомерами, основанными на

измерении местной скорости.

Допплеровские ультразвуковые расходомеры находят все более широкое

распространение. В США их в 1985 г. установлено около 13 000 (изготовленных 23 фир-

мами). Они применяются главным образом для измерения расхода различных гидросмесей, в

том числе пульп, суспензий и эмульсий, содержащих частицы, отличающиеся по плотности

от окружающего вещества.

1.3.3.10 Акустические длинноволновые расходомеры.

В отличие от всех ранее рассмотренных ультразвуковых расходомеров длинноволновые

акустические расходомеры работают на низкой (звуковой) частоте. Схема преобразователя

расхода опытного образца такого расходомера показана на рисунке 1.67.

108

Рисунок 1.67 - Низкочастотный акустический расходомер

Источник акустических колебаний — громкоговоритель 1, установленный на входном

участке латунной трубы диаметром 50 мм. Этот участок с помощью муфты 2,

предотвращающей передачу вибраций и других помех, соединен с трубой 3, на которой на

расстоянии L = 305 мм друг от друга размещены два микрофона 4. Их крепление снабжено

прокладками 5 из пористой резины. Приемные диафрагмы микрофонов расположены

заподлицо с внутренними стенками трубы. Акустические колебания, создаваемые

источником 1, имеют длину волны L, в несколько раз превосходящую диаметр

трубопровода, что благоприятно для устранения высокочастотных помех. Эта волна

отражается от обоих концов трубы, в результате чего в последней навстречу друг другу

движутся две волны: одна со скоростью с - υ, а другая со скоростью с + υ (где — с и υ

скорости ультразвука и измеряемого вещества соответственно). Эти две волны образуют

стоячую волну в трубопроводе. Амплитуда последней в узлах не равна нулю, так как

амплитуды волн, движущихся навстречу, не равны друг другу. Так, если источник звука 1

установлен до микрофонов, то волна, движущаяся по потоку, образуется из сложения волны,

образованной источником 1, и волны, отраженной от переднего конца трубы, в то время как

обратная волна — только отраженная от выходного конца и местных сопротивлений между

ним и микрофонами. Следует избегать установки микрофонов вблизи узлов стоячей волны.

При скорости потока υ = 0 фазы синусоидальных сигналов обоих микрофонов совпадают. С

появлением скорости υ возникает сдвиг фаз, возрастающий с увеличением υ. Расстояние L

между микрофонами выбирают так, чтобы оно равнялось длине волны λ, или ее половине

λ/2, т. е. чтобы выполнялось уравнение

λ = 2L/n,

где n = 1 или n = 2.

При этом частота f акустических колебаний определяется зависимостью / = nc/2L.

Основная область применения ультразвуковых расходомеров — измерение расхода

различных жидкостей. Особенно целесообразны они для измерения расхода

неэлектропроводных и агрессивных жидкостей, а также нефтепродуктов.

1.3.3.11 Оптические расходомеры.

Оптическими называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода вещества

109

того или другого оптического эффекта в потоке. Имеется несколько разновидностей этих

приборов:

1) допплеровские расходомеры, основанные на измерении разности частот, возникающей

при отражении светового луча движущимися частицами потока;

2) расходомеры, основанные на эффекте Физо—Френеля, в которых измеряется какой-

либо параметр (сдвиг интерференционных полос или сдвиг частоты световых колебаний),

связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрачном веществе от скорости

последнего;

3) расходомеры, основанные на особых оптических эффектах, например, зависимости

оптических свойств фибрового световода от скорости обтекающего его потока;

4) расходомеры, основанные на измерении времени перемещения на определенном

участке пути оптической метки, введенной в поток;

5) корреляционные оптические расходомеры.

Иногда оптическими расходомерами называют приборы, определяющие расход

жидкости, вытекающей из емкости путем измерения оптическими методами высоты уровня в

нем или же путем измерения интенсивности выхода из емкости флуоресцирующих частиц,

предварительно введенных в жидкость и распределенных в ней равномерно.

Развитие основных разновидностей оптических расходомеров стало возможно после

создания мощных и надежных оптических квантовых генераторов ОКГ, часто называемых

лазерами, в связи с чем оптические расходомеры нередко называют лазерными.

Оптические расходомеры имеют много достоинств: высокие точность и быстродействие,

отсутствие контакта с измеряемым веществом и ряд других. Они применяются для

оптически прозрачных жидкостей, к которым относятся вода, керосин, бензин, спирт,

четыреххлористый углерод, растворы серной и азотной кислот, а также для газов.

Основные среди рассматриваемых оптических приборов — допплеровские. Они

применяются главным образом для измерения местных скоростей жидкости и газа в

различных исследовательских работах по изучению турбулентности, снятию поля скоростей.

Для измерения расхода они применяются реже. Приборы же, основанные на эффекте Физо—

Френеля, предназначены именно для измерения расхода. Оптические расходомеры и ско-

ростемеры обычно применяются в трубах небольшого диаметра.

Доплеровские расходомеры и скоростемеры.

Принцип действия. Принцип действия допплеровских оптических и акустических

(ультразвуковых) расходомеров и скоростемеров один и тот же. Эти приборы основаны на

измерении разности частот.

Устройство допплеровских оптических скоростемеров. Ряд принципиальных схем

допплеровских оптических анемометров изображен на рисунке1.68 (а—г).

110

Рисунок 1.68 - Схемы допплеровских скоростемеров

Первая по времени схема Иэха и Каммингса показана на рисунке1.68 (а). Луч,

образованный лазером ОКГ и сфокусированный линзой Л1 в точке О, отражает часть своей

энергии, которая собирается линзой ЛЗ и направляется зеркалом З1 через диафрагму D на

фотокатод фотоэлектронного умножителя ФЭУ, куда также поступает луч от линзы Л2 через

полупрозрачное зеркало П3, 32 — второе зеркало. Недостаток схемы — трудность

регулирования положения рабочей точки О. Другие схемы, изображенные на рисунке 1.68,

лишены этого недостатка. У них разделение луча происходит до входа в поток, что поз-

воляет легко менять положение рабочей точки. На рисунке 1.68 (б) луч после выхода из

ОКГ падает на полупрозрачное зеркало П3 и частично отражается последним, образуя

опорный луч, проходящий через линзу Л1, затем через жидкость перпендикулярно

движению последней без допплеровского сдвига, и через диафрагму D поступает на

фотокатод ФЭУ. Другая же часть луча, идущего из ОКГ, проходит через зеркало П3,

фокусируется линзой Л2 в рабочей точке О, где частично рассеивается, образуя рабочий луч,

проходящий через диафрагму D и поступающий на фотокатод ФЭУ. Передвижением зеркала

3 можно регулировать положение рабочей точки О.

В схеме Крейда и Гольдштейна (1967 г.) , показанной на рисунке 1.68(в), луч после

выхода из ОКГ разделяется полупрозрачным зеркалом П3 на две части, отражающиеся затем

от зеркал 31 и 32 и фокусируемые линзами Л1 и Л2 в рабочей точке О, проходят через поток

симметрично относительно его оси. Луч (опорный), прошедший через линзу Л2, не меняя

своего направления, собирается линзой ЛЗ, проходит через диафрагму D и поступает к ФЭУ.

Луч же, прошедший через линзу Л1, частично рассеивается в рабочей точке О и с

допплеровским сдвигом также поступает через линзу ЛЗ и диафрагму D к ФЭУ.

На рисунке 1.68(г) показана схема Рудда (1969 г.), в ней луч из ОКГ разделяется

полупрозрачным зеркалом п3 на две части, проходящие через диафрагму D1 и большую

линзу Л1, которая фокусирует их в одной рабочей точке О. Затем оба луча собираются

линзой Л2 и через диафрагму D2 поступают к ФЭУ. В этой схеме каждый из поступающих к

ФЭУ лучей содержит и опорный и рабочий сигналы. Луч 1/ как продолжение луча 1 будет

111

опорным, но вместе с ним на ФЭУ приходит рассеянная часть луча 2 с допплеровским

сдвигом. То же относится и к лучу 2/.

Как видно из приведенных схем, оптические анемометры состоят из источника

излучения, затем оптического устройства, образующего наряду с опорным и рабочий луч с

допплеровским сдвигом частот и приемно-измеряющего этот сдвиг устройства.

Схемы оптических устройств у анемометров и расходомеров Допплера, как это видно из

рисунка 1.68, могут быть весьма различными. В большинстве случаев источник излучения и

фотоприемное устройство располагаются на противоположных сторонах трубы, несмотря на

то, что при этом требуется весьма жесткая опорная конструкция, обеспечивающая

неизменность положения оптической системы. Но при необходимости вся система может

находиться с одной стороны. Однако в этом случае требуются более мощный источник

излучения и более чувствительная измерительная схема, потому что здесь на фотоприемник

поступают отраженные лучи, направленные в сторону, противоположную движению потока.

Их интенсивность в сотни и тысячи раз меньше лучей, отражаемых по направлению потока.

На рисунке 1.69 показана схема прибора, измеряющего допплеровский сдвиг частот в

нескольких точках.

Рисунок 1.69 - Схема многолучевого допплеровского расходомера

Световой луч от лазера 1 падает на полупрозрачное зеркало 2. Часть луча отражается от

зеркала и направляется непосредственно в поток 5, а другая часть поступает на зеркало 3 и

затем на расщепитель 4, из которого выходит в виде ряда пучков. Последние интерферируют

с прямым пучком в отдельных точках потока, проходят через линзу 6 и диафрагму 7 и

поступают на протяженный фотоприемник 8. Для получения измерительной информации

применяется многоканальный быстродействующий анализатор спектра. Применения его

можно избежать в случае установки многолучевого допплеровского измерителя с частотным

сдвигом пучков, в котором осуществляется не только пространственное, но и частотное

разделение световых пучков с помощью вращающейся дифракционной решетки. Несколько

иная схема многолучевого допплеровского измерителя приведена в работе.

Возможен еще и другой метод измерения расхода путем экспериментального определения с

помощью ЛДС профиля скоростей и нахождения по нему средней скорости.

112

Если допплеровский оптический расходомер дополнить корректором, учитывающим

плотность измеряемого вещества, то можно обеспечить измерение массового расхода. Схема

такого расходомера показана на рисунке1.70.

Рисунок 1.70 - Схема доплеровского измерителя массового расхода

Измеряемая жидкость проходит через диффузор 8, турбулизирующую сетку 9 и

сужающее устройство 10, образующее на выходе в измерительную камеру 11 равномерный

профиль скоростей. Луч от лазера 1 падает на расщепитель 2, где разделяется на две части.

Затем оба луча (один из них предварительно проходит через фазосдвигающий элемент 4,

компенсирующий постоянную составляющую сигнала) через выходное окно-мениск 3

входят в измеряемое вещество и фокусируются на оси потока. В точке пересечения лучей

образуется пространственная интерференционная картина. Движущиеся частицы, рассеивая

свет, модулируют его по интенсивности. Рассеянный свет проходит через окно 5 и поступает

на фотодетектор 6, связанный с измерительным прибором 7.

Особые оптические расходомеры.

К особым оптическим расходомерам относятся приборы, основанные на зависимости от

расхода оптических свойств волоконного световода, находящегося в потоке измеряемого

вещества. В одном из таких расходомеров гелиево-неоновый лазер 1 рисунок 1.71, а

соединен с волоконным световодом 2, проложенным вдоль оси медной трубки 3 (диаметром

30 мм и длиной 500 мм), по которой движется измеряемая жидкость.

Рисунок 1.71 - Схема оптического расходомера с волоконным световодом, расположенным

Противоположный конец световода соединен с фотопреобразователем 4. Течение

жидкости вызывает вибрацию волоконного световода, хотя и небольшую, но достаточную

для возникновения фазовых изменений светового луча. Сигнал, вырабатываемый

113

фотопреобразователем 4, после усиления, фильтрации и интегрирования поступает к

измерительному прибору. Расходомер прост по устройству, но его точность невысока.

Лучшую точность можно ожидать от преобразователя, состоящего из тонкого

стекловолокнистого световода 6 рисунок 1.71 (б), натянутого грузом 9 и расположенного

поперек трубопровода 7. Нить проходит через уплотнения 8 и укреплена вверху в

клеммодержателе 5. Источник света — гелиево-неоновый лазер. При движении измеряемого

вещества с обеих сторон нити будут поочередно срываться вихри с частотой,

пропорциональной объемному расходу. Поэтому данный преобразователь можно

рассматривать как один из возможных вариантов преобразователей вихревых расходомеров.

Срывы вихрей вызывают вибрацию световода и, как следствие, фазовую модуляцию

проходящего через него светового луча, воспринимаемую фотодетектором. Опыты

проводили на трубе диаметром 25 мм. Применялись световоды из стекловолокна, а также

волокна из другого светопроводящего материала, имевшие диаметры внутренний 0,3 и 0,2

мм и наружный с оболочкой 0,56 и 0,25 мм соответственно. При изменении скорости воды от

0,3 до 3,0 м/с наблюдалось пропорциональное измерение частоты выходного сигнала от 200

до 2200 Гц.

1.3.3.12 Ядерно – магнитные расходомеры.

Ядерно-магнитные расходомеры основаны на зависимости ядерно-магнитного резонанса

от расхода потока.

Атомные ядра многих элементов имеют собственный момент количества движения —

спин S и магнитный момент μ. Отношение магнитного момента к спину называется

гиромагнитным отношением γ= μ/S. Ядра располагаются на различных энергетических

уровнях. Чем ниже последний, тем больше ядер находится на нем. Ядро, помещенное в

магнитное поле с индукцией В, благодаря взаимодействию поля с магнитным моментом и

спином ядра будет прецессировать вокруг вектора В с угловой частотой ω = γВ, называемой

ларморовой. Разность энергии магнитных моментов двух ядер, находящихся на соседних

уровнях, равна γВ. Если на внешнее магнитное поле с индукцией В наложить переменное

магнитное поле, квант энергии которого равен γВ, а угловая частота равна ларморовой, то

произойдет отклонение вектора ядерной намагниченности от направления вектора индукции

поля В, что приведет к появлению изменяющейся с частотой ω проекции ядерной

намагниченности на направление, перпендикулярное к полю В. Одновременно произойдет

поглощение энергии переменного поля ядрами вещества, сопровождающееся переходом

части ядер из нижнего энергетического уровня в соседний верхний. Это явление называется

ядерно-магнитным резонансом.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты ядер ориентированы в

114

различных направлениях. При наложении магнитного поля с индукцией В происходит ори-

ентация магнитных моментов ядер вдоль оси поля В и распределение ядер по различным

энергетическим уровням. Чем ниже последний, тем больше ядер располагается на нем. Из-

быток числа ядер в нижнем уровне по сравнению с соседним верхним определяет значение

вектора М намагниченного вещества.

Основные разновидности ядерно-магнитных расходомеров — амплитудные, частотные,

нутационные и меточные, причем последние подразделяются на временные, амплитудно-

частотные и фазово-частотные. Кроме того, имеются и некоторые другие промежуточные

схемы приборов.

1.3.3.13 Амплитудные расходомеры.

Эти расходомеры — наиболее простая и очевидная реализация идеи измерений расхода

на основе явления ЯМР. В них измеряется непосредственно амплитуда резонансного

сигнала, зависящая от расхода вещества. Преобразователь расхода состоит из поляризатора,

резонатора и участка трубы, по которому протекает жидкость. Резонатор включает в себя

магнит, одну или две катушки модуляции, катушку, связанную с высокочастотным ге-

нератором, возбуждающим в ней переменное магнитное поле и катушку, воспринимающую

сигнал ЯМР. Последняя катушка обычно наматывается на трубопровод и включается в

контур, настроенный на резонансную частоту. Катушка же возбуждения делается

седловидной. Ее ось нормальна индукции поля магнита резонатора и оси приемной катушки.

Между катушками расположены гребнеобразные экраны. Все это способствует уменьшению

наводки из возбуждающей в приемную катушку. Существует и более простая модификация

преобразователя амплитудного расходомера, в которой обе эти катушки заменены одной,

намотанной на трубопровод. Она возбуждает резонансное магнитное поле, и она же

воспринимает сигнал ЯМР. Наконец, в самом простом случае резонатор состоит лишь из

одной подобной катушки; магнит и модуляционные катушки отсутствуют. Достоинства ам-

плитудных расходомеров — простота устройства и линейность шкалы прибора. Но

погрешность измерения у них значительная (5-7 процента), потому что амплитуда сигнала

ЯМР зависит от многих причин, в том числе от времени релаксации Т1 температуры жид-

кости и ее состава, постоянства и однородности магнитного поля. Амплитудные

расходомеры находят применение при лабораторных и медицинских исследованиях.

1.3.3.14 Частотные расходомеры.

При несимметричном расположении относительно плоскости, параллельной внешнему

полю катушки, создающей переменное резонансное поле, и траектории движения жидкости

115

ядерно-магнитный резонанс наблюдается при частоте ω, немного отличной от ларморовой

частоты ωл. Сдвиг частоты Δω = ω- ωл пропорционален объемному расходу Qо. Расходомеры,

измеряющие Δω, можно назвать частотными. К их числу следует отнести приборы, не

имеющие обычного поляризатора, а измеряющие расход жидкости, используя ядерно-

магнитный резонанс в магнитном поле земли. Они могли бы применяться для измерения

расхода нефти и других веществ в полевых условиях, в трубах, расположенных вдали от

любых источников местного возмущения магнитного поля земли. Преобразователи опытных

образцов таких расходомеров состояли из кольцевого участка трубы, на котором

наматывается катушка, расположенная в плоскости, перпендикулярной к земному полю.

Через катушку пропускается ток, образующий поле напряженностью около 8000 Ам-1

. Оно

создает ядерную намагниченность жидкости, направленную параллельно полю. После

выключения тока вектор намагниченности прецессирует вокруг направления поля Земли Н3

и наводит в катушке ЭДС индукции. В каждом сечении кольцевого участка трубы начальная

фаза прецессии различна, поэтому при приходе жидкости из соседнего сечения происходит

дополнительное изменение фазы намагниченности относительно оси катушки. Это сдвигает

частоту сигнала ЯМР относительно частоты γH3 на значение υ/R, где и — средняя скорость

жидкости, a R — средний радиус кольца. При испытании нескольких таких приборов их

погрешность оказалась в пределах плюс минус 1-6 процента.

Иногда частотными помимо вышеуказанных называют меточные и нутационные

расходомеры, в которых выходной измеряемой величиной является частота. Подобные

расходомеры правильно называть меточно-частотными и нутационно-частотными.

1.3.3.15 Нутационные расходомеры

Характерное отличие нутационных расходомеров от амплитудных состоит в том, что

между поляризатором и «резонатором» на трубе, по которой протекает жидкость,

располагается особая катушка, называемая катушкой нутации. Ее назначение — отклонять

вектор намагниченности ядер от направления магнитного поля, в котором она находится, на

некоторый угол 8 и тем менять проекцию ядерной намагниченности от значения Мн2 до

значения

Мн2 = kнMн,

где kн — коэффициент нутации. Для этого катушка нутации питается переменным током,

создающим магнитное поле с амплитудой индукции Вн.

Угловая частота этого поля равна ларморовой, соответствующей тому магнитному полю,

в котором находится катушка. Коэффициент нутации kн изменяется по закону косинуса и

зависит от Вн и от расхода жидкости. Он может иметь значения от плюс1 до минус1. При kн

= 0 угол θ = π/2 и жидкость будет деполяризована. При дальнейшем возрастании амплитуды

116

индукции Вн можно получить kн = —1 и угол θ = π. При этом будет полный поворот, или

инверсия, вектора намагниченности.

Угол θ возрастает с увеличением Вн, но уменьшается с увеличением расхода Qо или

скорости υ прохода жидкости через катушку нутации. Поэтому, измеряя Вн (путем

измерения силы i тока в катушке) при каком-нибудь определенном угле нутации θ, можно

найти расход Qо. Обычно в нутационном расходомере с помощью следящей системы

регулируют силу тока i так, чтобы kн = 0 и θ= π/2. В этом случае амплитуда сигнала ЯМР в

резонаторе будет равна нулю.

1.3.3.16 Меточные расходомеры

В меточных ядерно-магнитных расходомерах на каком-либо участке пути от

поляризатора до приемной катушки «резонатора» производится создание метки в потоке

путем изменения вектора намагниченности ядер. Существует много разновидностей ядерно-

магнитных меточных расходомеров, различающихся как способом создания метки в потоке,

так и методом измерения времени.

Чаще всего отметчиком жидкости служит нутационная катушка, находящаяся между

поляризатором и «резонатором». Через нее импульсами пропускается переменный ток,

создающий резонансное поле с индукцией. Обычно коэффициент нутации kн выбирают так,

чтобы при kн = 0 деполяризовать ядра или же при kн = — 1 осуществить инверсию их

намагниченности. В последнем случае отношение сигнала к шуму в два раза больше. Время

tн прохождения жидкости через катушку нутации длиной lн, зависящее от расхода Q0, не

должно влиять на коэффициент kн. Для этого надо иметь или очень короткие импульсы,

чтобы их длительность τ была много меньше t при наибольшем расходе, или же наоборот,

длительность τ должна быть достаточно большой, чтобы получить угол нутации θ > 5π. В

последнем случае достигается kн = 0 вследствие расфазировки ядерной намагниченности в

различных точках поперечного, сечения потока.

Рассмотрим принцип работы амплитудно – частотного расходомера. На рисунке 1.72

изображена схема амплитудно-частотного меточного расходомера, разработанного для

измерения расхода воды, ацетона и других жидкостей в диапазоне от 0,08 до 1,4∙10-5

м3 /с.

Рисунок 1.72 - Схема амплитудного – частотного меточного ядерно – магнитного

расходомера

117

Магнит поляризатора 1 из стали «магнико», полюсные наконечники из стали марки. В

зазоре размером 10x10x200 мм, имеющем индукцию поля 0,6 Тл, расположена труба из

немагнитной стали диаметром 10 мм. Полюсные наконечники 3 магнитной системы

«резонатора» из железа «Армко». Индукция поля 0,13 Тл. К этим наконечникам прикреплен

каркас из фторопласта, на котором расположены катушки модуляции поля 4 и приемно-воз-

буждающая резонансное поле катушка 5. Между поляризатором и «резонатором»

расположена катушка отметчика 2, питаемая резонансной частотой от генератора 9 через

электронный ключ 8. Когда последний включен, жидкость из катушки отметчика 2 выходит

деполяризованной. Пройдя за время t расстояние L между катушками 2 и 5, она прекращает в

катушке 5 действие ЯМР и сигнал последнего пропадает. На выходе схемы выделения 6

возникает отрицательный перепад напряжения, отключающий через ключ 8 генератор 9 от

катушки отметчика 2. Через время t поляризованная жидкость достигает катушки 5 и в

последней возникает сигнал ЯМР, образующий на выходе схемы выделения положительный

перепад напряжения, который вновь подключает генератор к катушке отметчика. Частота

повторения цикла

F = l/2t = υ/2L,

где υ — скорость течения жидкости.

Эта частота с помощью схемы 7 преобразуется в постоянное напряжение, измеряемое

указывающим или самопишущим прибором. Средняя квадратическая погрешность

измерения расхода 1 процента.

1.3.3.17 Ионизационные расходомеры

Ионизационными расходомерами в широком смысле называются приборы, основанные

на измерении того или другого зависящего от расхода эффекта, возникающего в результате

непрерывной или периодической ионизации потока газа или (реже) жидкости.

Ионизационные расходомеры разделяются на две существенно отличные друг от друга

группы:

1) расходомеры, в которых измеряется зависящий от расхода ионизационный ток между

электродами, возникающий в результате обычно непрерывной искусственной ионизации

потока газа (или жидкости) радиоактивным излучением или электрическим полем;

2) расходомеры, в которых измеряется зависящее от расхода время перемещения на

определенном участке пути ионизационных меток, возникающих в результате

периодической ионизации потока газа ионизирующим излучением или электрическим раз-

рядом; эти расходомеры называются меточными ионизационными.

Погрешность приборов, основанных на измерении ионизационного тока, довольно

значительна (около плюс минус 5 процентов) и применяются они сравнительно редко,

118

преимущественно для измерения скоростей, а не расходов газовых потоков. Кроме того,

имеются разработки ионизационных приборов для измерения расхода жидкостей-

диэлектриков, в частности расхода индустриального масла. Меточные ионизационные

приборы более точные.

Расходомеры, основанные на зависимости ионизационного тока от расхода.

Ионизация движущегося потока в рассматриваемых расходомерах производится

радиоактивным излучением или электрическим полем.

Расходомеры с ионизацией потока газа радиоактивным излучением. Радиоактивный

источник, создающий α- или β-излучение, может находиться как внутри рисунок 1.73 (а,б),

так и снаружи трубы рисунок 1.73 (в).

Рисунок 1.73 - Схемы ионизационных расходомеров, в которых источник излучения и

приемные электроды расположены на некотором расстоянии / вдоль оси трубы

Это излучение ионизирует поток газа, движущегося в трубе. Внутри нее помещены два

(иногда три) электрода, к которым подана разность потенциалов. Сила ионизационного тока,

возникающего между электродами, будет зависеть от числа ионизированных молекул в

промежутке между электродами, т. е. от скорости движения газа. Имеются два типа

ионизационных расходомеров. В первом — источник излучения и электроды (по крайней

мере, один из них) находятся друг от друга на некотором расстоянии l по оси трубы рисунок

1.73 (а), в и ионизационный ток течет вдоль оси трубы. Во втором — ионизационный ток

течет не вдоль, а поперек трубы, так как источник излучения и приемные электроды

расположены на противоположных сторонах трубы рисунок 1.73.

Две разновидности расходомеров первого типа показаны на рисунке 1.73 (а—в). В первой

схеме рисунок 1.73 (а) слой радиоактивного вещества нанесен на первом по ходу потока

электроде 1, второй 2 расположен от первого на расстоянии I. Во второй схеме рисунок

1.73(б), радиоактивный источник 3 кольцевой формы находится на расстоянии l от двух

пластинчатых электродов 4 полукольцеобразной формы, расположенных друг против друга.

В третьей схеме радиоактивный изотоп хрома помещен снаружи трубы в защитном

контейнере 5. β-излучение проходит в газопровод через окно, закрытое медной фольгой, и

119

поступает внутрь кольцевого электрода 6. Второй электрод 8 находится на расстоянии l от

первого. Стенка трубы 7 из изоляционного материала. При отсутствии расхода во всех трех

схемах все ионизированные молекулы рекомбинируют, прежде чем достигнут приемного

или приемных электродов и тока в цепи не будет. С увеличением же расхода будет

возрастать число ионизированных молекул, достигающих приемных электродов, и сила тока

в цепи станет расти. Вначале рост силы тока пропорционален расходу, но затем станет

замедляться. Ток будет стремиться к некоторому постоянному значению, когда все

ионизированные молекулы, не успев рекомбинировать, достигнут приемных электродов.

При дальнейшем возрастании скорости газа наблюдается даже небольшое уменьшение силы

тока, объяснимое тем, что часть ионизированных молекул проносится мимо электродов.

В схеме, изображенной на рисунке 1.74(а), против излучающего электрода расположен

один приемный электрод, а в схеме на рисунке 174(б) — два приемных электрода 2 и 3

расположены симметрично относительно излучающего электрода 1 и включены навстречу

друг другу.

Рисунок 1.73 - Схемы ионизационных расходомеров, в которых источник излучения и

приемные электроды расположены на противоположных стенках трубы

В первой схеме при отсутствии расхода сила тока будет максимальной. С увеличением

расхода сила тока будет уменьшаться, потому что при этом все большее число ионизи-

рованных молекул будет уноситься из межэлектродной зоны. Во второй схеме — наоборот:

при отсутствии расхода и полной симметрии схемы разность ионизационных токов, текущих

через приемные электроды, равна нулю. С увеличением расхода число ионизированных

молекул, достигающих электрода 2, уменьшается, а достигающих электрода 3 —

увеличивается, благодаря чему разность ионизационных токов возрастает.

Расходомеры с ионизацией газа или жидкости электрическим полем. Ионизация потока

газа может происходить под действием электрического разряда того или другого вида.

Ионизация диэлектрической жидкости происходит в результате возникновения в ней

электрических зарядов под действием внешнего электрического поля.

При ионизации газа электрическим разрядом промежуток между электродами очень мал

(несколько миллиметров или даже доли его). Поэтому соответствующие приборы находят

применение преимущественно в качестве анемометров для измерения местных скоростей

воздуха. Различаются анемометры с тлеющим, дуговым и искровым разрядами.

120

В одной из конструкций анемометра с тлеющим разрядом расстояние между

заточенными на конус концами платиновых электродов диаметром 0,15-0,5 мм равнялось

0,1-0,25 мм. Электроды были припаяны к металлическим стержням, изолированным друг от

друга. При столь малом расстоянии между электродами и достаточной величине

приложенного к ним напряжения возникает тлеющий разряд (один из видов

самостоятельных электрических разрядов в газах), ионизирующий газ.

Ионизационный расходомер для жидкостей диэлектриков изображен на рисунке 1.75.

Рисунок 1.75 - Ионизационный преобразователь для жидкостей-диэлектриков

Поток индустриального масла В протекает в кольцевом пространстве между наружным

трубчатым электродом 6 и цилиндрическим электродом 7, укрепленным вдоль оси потока с

помощью изоляционной втулки 8. Электрод 6 заземлен, а к электроду 7 через винт 9

подается высокое отрицательное напряжение. Под действием электрического поля в

жидкости, находящейся в кольцевом пространстве между электродами 6 и 7, возникают

отрицательные электрические заряды. Чем больше скорость жидкости, тем больше число

этих зарядов будет собираться на третьем электроде — коллекторе 4, отделенном от

электрода 6 изоляционной втулкой 5, и тем больше будет сила тока, измеряемая микроам-

перметром 11. Металлическая крестовина К со стержнем 12 дополняет электрод 4,

способствуя лучшему сбору всех зарядов из жидкости. С помощью изоляционных втулок 13

и 10 преобразователь расхода монтируется в трубопроводе.

1.3.4 Приборы, основанные на особых методах

1.3.4.1 Корреляционные расходомеры

Между корреляционными и меточными расходомерами имеется много общего. В том и

другом случае на концах некоторого участка длины устанавливаются преобразователи,

служащие для определения времени – прохода потока этого участка. Но в одном случае в

121

поток водиться метка, и преобразователи вырабатывают дискретные сигналы при проходе

потоком контрольного участка, а в другом – вырабатываются непрерывные сигналы,

соответствующие характеру изменения случайных процессов в контролируемых сечениях.

Особенно близки к меточным те корреляционные расходомеры, у которых случайные

процессы создаются искусственным путем.

Достоинство корреляционных расходомеров: возможности применения для измерения

расхода загрязненных сред, многофазных потоков и расплавленных металлов; отсутствие

потери давления; отсутствие контакта с измеряемым веществом в большинстве случаев.

Недостатки корреляционных расходомеров: длительность процесса измерения; так как с

уменьшением времени измерения погрешность возрастает; ограниченная точность, обычно

погрешность измерения расхода не менее 1,5 – 2 процента.

Корреляционные расходомеры предназначены в первую очередь для измерения

многофазных веществ и различных потоков, имеющих какие - либо неоднородности.

Иногда случайные изменения какого – либо параметра потока, например температуры с

помощью нагревателя, создается искусственным путем. Перед преобразователями

корреляционного расходомера надо иметь прямой участок трубы.

В зависимости от вида и способа измерения параметров, случайные колебания которых

контролируются в корреляционных расходомерах, существует много их различных

вариантов.

Один из самых основных и нашедших промышленное применение — это ультразвуковой

корреляционный расход. В обоих контрольных сечениях снаружи или внутри трубы

устанавливается излучатель акустических колебаний частотой 0,3-1 МГц. Эти колебания

направлены перпендикулярно к оси трубы и воспринимаются пьезопреобразователем,

находящимся на противоположной стороне трубы. Присутствие в жидкости различных

неоднородностей в виде твердых частиц или газовых пузырей вызывает в результате

поглощения и рассеяния ослабление акустических колебаний, поступающих на приемные

преобразователи, соединенные через усилители, демодуляторы и фильтры с коррелометром.

Турбулентность смещает луч, это модулирует по фазе сигнал приемника.

Расходомер-счетчик корреляционный ультразвуковой ДРК-М производства фирмы

«Флоукор» (Москва), в зависимости от исполнения, обеспечивает измерение расхода от

0,0008 до 150 м3/с в трубопроводах с внутренним диаметром от 43 до 4200 мм рисунок 1.76.

122

Рисунок 1.76 - Схема расходомера ДРК - М

Состоит из: 1 — трубопровод; 2 — излучатель ПП; 3 — приемник ПП; 4 — кабель; 5 —

ЭП; 6 — шестиразрядный электро-механический счетчик объема; 7 — токовый выход; 8 —

импульсный выход.

Предназначен для измерения расхода и объема воды в полностью заполненных

трубопроводах и может быть использован как в технологических целях, так и для

проведения расчетных операций. Измеряемая среда — вода питьевая, теплофикационная,

техническая, речная, сточная и т. д., имеющая следующие параметры: температура от 1 до

150 °С; давление до 2,4 МПа. Погрешность измерения расхода плюс минус1,5 процента.

По согласованию с изготовителем расходомер-счетчик может использоваться для

измерения расхода других сред — растворов солей, кислот, щелочей.

Состоит из электронного преобразователя (ЭП) и первичного преобразователя (ПП), в

состав которого входят два акустических излучателя и два приемника. Установка ПП может

производиться без демонтажа трубопровода. ПП и ЭП соединяются между собой

радиочастотным кабелем длиной до 200 м.

Выходные сигналы: по каналу измерения расхода — постоянного тока 0÷5, 4÷20 мА; по

каналу измерения объема — импульсный, 1 импульсу в зависимости от исполнения

соответствует объем от 0,1 до 10 000 м3 . Цифровую индикацию объема воды обеспечивает

шестиразрядный электромеханический счетчик.

В упрощенном варианте ультразвукового корреляционного расходомера. В контрольных

сечениях установлены лишь по одному пьезоэлементу, излучающему акустическую волну

перпендикулярно к оси трубы и воспринимающему волну, отраженную от рефлектора,

помещенного на противоположной стенке трубы. Неоднородности потока жидкости или газа

влияют на образовавшуюся стоячую волну и изменяют акустическую нагрузку на

пьезоэлемент, а следовательно, и его электрический импульс.

Ионизационный корреляционный расходомер состоит из источников радиоактивного

излучения, устанавливаемых с одной стороны трубы, и приемников — обычно

сцинтилляционных счетчиков, располагаемых с другой стороны. Подобные расходомеры

пригодны для измерения газа, содержащего твердые частицы, но применяются сравнительно

редко, так как требуют мощных источников радиации, чтобы приемное устройство могло

реагировать на высокочастотный измерительный сигнал. Если само измеряемое вещество

123

радиоактивно, то устройство корреляционного расходомера упрощается благодаря

отсутствию необходимости в посторонних источниках измерения.

Оптические корреляционные расходомеры — третья разновидность приборов, в которых

посторонний луч, пронизывающий трубопровод, модулируется неоднородностями потока.

Они нашли преимущественное применение для измерения расхода жидкости в открытых

потоках, где отражение световых лучей происходит от неровностей, имеющихся на

поверхности жидкости. Но их с успехом можно применять и для измерения расхода

гидросмесей, движущихся в трубопроводах, например целлюлозной пульпы. В контрольных

сечениях, расположенных близко друг от друга, помещают световоды 1 и 2 из волоконной

оптики рисунок 1.77.

Рисунок 1.77 - Схема оптического корреляционного расходомера

Диоды 3 посылают через эти световоды лучи света, которые отражаются частицами

целлюлозы. Отраженные лучи возвращаются по этим световодам и воспринимаются

фотопреобразователями, сигналы которых после прохода через предварительный усилитель

поступают в измерительную схему. Прибор предназначен для измерения расхода

целлюлозной пульпы при ее температуре до 100°С и давлении до 1 МПа. Приведенная по-

грешность плюс минус 1 процент. Достижению высокой точности измерения способствует,

как показывает опыт, равномерный профиль скоростей пульпы.

Диэлектрические корреляционные расходомеры, реагирующие на изменение емкости,

имеют в каждом контрольном сечении по электроду в виде тонкого полукольца, изоли-

рованного от трубы и не выступающего за ее поверхность. Заземленная труба образует про-

тивоположные электроды. Такие расходомеры целесообразны для измерения расхода воз-

душных потоков, переносящих порошкообразные (цемент, муку и т. п.), гранулометрические

(зерно и т. п.) и кусковые материалы.

Кондуктометрические корреляционные расходомеры, основанные на измерении

изменения электрической проводимости, имеют в каждом контрольном сечении по

электроду. Они весьма пригодны для измерения расхода различных пульп, а также смесей

двух жидкостей при условии, что компоненты обладают разной электрической

проводимостью. Их измерительные схемы очень просты, и они проще и дешевле, чем

ультразвуковые, также пригодные для измерения расхода пульп. Но их нельзя применять,

124

если среда дает осадки, залепляющие электроды и тем изменяющие их сопротивление.

Электростатические корреляционные расходомеры основаны на детектировании

электростатических зарядов, имеющихся у твердых частиц, движущихся в воздушном

потоке. Они имеют приемные пластины, как у диэлектрических расходомеров, и могут

служить для измерения расхода газа при очень малом содержании в нем твердых частиц.

Для жидкостей с низкой электрической проводимостью предложены корреляционные

расходомеры, основанные на измерении пульсаций плотности электрических зарядов,

срываемых турбулентным потоком из двойного электрического слоя, возникающего на

внутренней поверхности трубопровода. Преобразователь расхода состоит из

диэлектрического участка трубы, снаружи которой расположены два кольцевых электрода на

некотором расстоянии друг от друга.

Для расплавленных металлов возможно применение корреляционных расходомеров,

основанных на измерении перемещения гидродинамических неоднородностей типа вихрей,

возникающих в местных сопротивлениях. Детекторами могут служить два

электромагнитных преобразователя расхода, из которых первый устанавливается вблизи

местного сопротивления, а второй — на расстоянии 5-10 диаметров трубопровода.

Во всех рассмотренных вариантах корреляционных расходомеров контролируются

случайные процессы, возникающие за счет неоднородностей, имеющихся в измеряемом

веществе. Наряду с ними имеются корреляционные расходомеры, в которых эти

неоднородности создаются искусственно. К ним относятся тепловые и электролитические

корреляционные расходомеры. Они предназначены для измерения расхода строго

гомогенных однофазных веществ.

Схема теплового корреляционного расходомера показана на рисунке 1.78, а.

Рисунок 1.78 - Схемы корреляционных расходомеров: а — теплового; б — элек-

тролитического

В трубе 2 помещен нагреватель 2, ток в котором меняется случайно, например из-за

изменения напряжения питания или путем частого выключения через различные про-

межутки времени генератора псевдослучайных сигналов. Далее по ходу потока установлены

две термопары 3 и 4 на расстоянии L друг от друга. Они через усилитель 5 и 7 связаны с

коррелометром 6.

Наряду с рассмотренной имеются схемы тепловых корреляционных расходомеров без

125

источника, создающего искусственную неоднородность потока. Для одной из них оказалась

достаточной небольшая неоднородность температурного поля после теплообменника,

вызывавшая разность температур от 0,01 до 1 °С. Термопреобразователи —

малоинерционные термопары — размещались на расстоянии 100-150 мм друг от друга.

В другой схеме в контрольных сечениях были установлены проволочные

преобразователи термоанемометров, нагреваемые током. Случайные изменения скорости

воздушного потока, например турбулентные вихри, будут менять теплопередачу у

преобразователей термоанемометров, а следовательно, и вырабатываемый ими сигнал. При

диаметре трубы 94 мм расстояние между преобразователями варьировали от 100 до 500 мм.

Имеются также тепловые расходомеры, у которых в контрольных сечениях установлены

терморезисторы. Если в первый из них по ходу потока подавать периодически от генератора

сигнал, то последний образует в потоке тепловую метку, которая, достигнув второго

термистора, пошлет в схему приемный сигнал, и разность времен между этими сигналами

даст время прохода меткой контрольного участка. Это соответствует работе теплового

меточного расходомера. Если же для уменьшения тепловой нагрузки и соответственно

электрической мощности подавать в первый термистор периодически слабый, но

длительный сигнал и определять с помощью коррелометра время прохода этим сигналом

контрольного участка, то получим тепловой корреляционный расходомер.

1.3.4.2 Меточные расходомеры

Меточными называют расходомеры, основанные на измерении времени перемещения

какой-либо характерной части (метки) потока на контрольном участке пути.

Метку в потоке создают, как правило, искусственным путем. Метки могут быть самые

разнообразные: ионизационные, радиоактивные, физико-химические, тепловые, оптические,

ядерно-магнитные и др. Соответственно различны будут устройства для создания метки и ее

детектирования при прохождении ею контрольного участка пути. Радиоактивные, физико-

химические и некоторые оптические метки создают путем ввода в поток постороннего

вещества-индикатора. В большинстве остальных случаев метка образуется в самом потоке

без ввода постороннего вещества. Меточные расходомеры — приборы не непрерывного, а

дискретного действия, но при высокой частоте образования меток можно практически

говорить о непрерывном измерении расхода. Значительно чаще меточные расходомеры

применяют не в качестве эксплуатационных приборов для непрерывного измерения, а для

различных лабораторных и исследовательских работ, и в частности при градуировке и

поверке других расходомеров.

Погрешность измерения расхода у меточных расходомеров колеблется от плюс минус

(0,1÷0,2) до (2-3) процентов в зависимости от рода метки, измерительной аппаратуры,

126

способа детектирования и соответствия скорости перемещения метки средней скорости

потока. Наибольшая точность достигается при отсутствии необходимости в отборе проб в

контрольных сечениях. Длина контрольного участка, в зависимости от рода метки, может

быть от нескольких миллиметров до нескольких километров.

Меточные расходомеры могут быть с одним или двумя детекторами метки. В первом

случае рисунок 1.80(а) контрольное расстояние L считается от места ввода метки 1 до

детектора 2, во втором рисунок 1.80(б) — между двумя детекторами 2 к 3.

Рисунок 1.80 - Принципиальные схемы меточных расходомеров

Обычно у меточных расходомеров расстояние L в процессе измерения остается неизмен-

ным, но были разработаны расходомеры, у которых время Дт поддерживалось постоянным

путем автоматического перемещения одного из детекторов и изменения таким образом

расстояния L, которое в этом случае будет измеряемой величиной. В этом случае

достигается линейность шкалы, но усложняется устройство. Такие расходомеры не получили

распространения.

Приборы с радиоактивными метками.

Радиоактивные метки в измеряемом веществе создаются путем ввода в него того или

иного изотопа, дающего обычно у-излчение, хорошо проникающее через стенки трубы. Это

позволяет легко проконтролировать проход метки через входное и выходное сечения

контрольного участка. Схема расходомера для жидкостей с радиоактивными метками

показана на рисунке 1.81.

Рисунок 1.81 - Схема расходомера жидкости с изотопными метками

1— устройство для ввода радиоактивного изотопа; 2 и 4 — детекторы меток; 3 — схема

измерения; 5 — усилитель; 6 — измерительный прибор; 7 — самописец.

127

Приборы с радиоактивными метками применяют для измерения расхода как жидкостей,

так и газов, даже когда последние ионизированы. Обычно в качестве детекторов метки

применяют сцинтилляционные счетчики. При незначительных диаметрах D трубопровода их

устанавливают снаружи его на концах контрольного участка. При большом же диаметре D

целесообразно производить непрерывный отбор проб газа из контрольных сечений через

трубки диаметром 12,5 мм, на которых и размещают детекторы.

Приборы с ионизационными метками.

Рассматриваемые приборы применяют преимущественно для измерения расхода или

скорости газа, в котором метки создаются путем периодической или, реже, непрерывной его

ионизации. Метки создаются или ионизирующим излучением, обычно с помощью

радиоактивного изотопа, или же электрическим разрядом. У первых метки возникают по

всему сечению потока, и они предназначены лишь для измерения расхода газа. У вторых

метки образуются в ограниченной части потока, и они служат для измерения местной

скорости или расхода. Значительно реже встречаются приборы для измерения расхода

жидкого диэлектрика. В этом случае метка создается путем поляризации жидкости в

электрическом поле.

Ионизационные метки вследствие диффузии и особенно рекомбинации ионов имеют

весьма короткий срок существования.

Приборы с ионизацией потока ионизирующим излучением. Как правило, ионизирующее

излучение образуется радиоактивным изотопом, помещаемым снаружи или внутри трубы.

Кроме того, были испытаны расходомеры, у которых ионизирующее излучение (х-лучи)

создаются с помощью катодно-лучевой трубки. При помещении изотопа снаружи

трубопровода применяют то или другое устройство, например вращающийся обтюратор для

периодического создания ионизационных меток. Если изотоп расположен внутри

трубопровода, то целесообразнее иметь непрерывную ионизацию потока газа. В том и

другом случае обычно работают с (β-излучением). Изотоп с γ-излучением здесь избегают

применять по соображениям техники безопасности и необходимости иметь очень большую

толщину обтюратора.

Принципиальная схема расходомера с изотопом, размещенным снаружи трубы показан

на рисунке 1.82

128

Рисунок 1.82 - Схема ионизационного расходомера с метками, создаваемыми радиоактивным

излучением

В контейнере 1 заключен изотоп. Обтюратор 2, вращающийся с постоянной скоростью,

периодически пропускает через стенку 3 трубы пучок β-лучей, которые образуют в газе

ионные метки. Одновременно обтюратор посылает импульс в мультивибратор 11.

Последний отпирается, и начинается отсчет времени. Находящиеся на конце контрольного

участка электроды 5 включены последовательно с большим входным сопротивлением (108-

109 Ом) первого каскада усилителя 6 в цепь источника питания 4, создающего на электродах

разность потенциалов Е, которая выбирается с учетом максимальной скорости Vmax

движения газа. Чем больше Vmax , тем больше должно

быть Е, с тем чтобы скорость движения ионов была много больше Vmax . При прохождении

метки между электродами в цепи возникает импульс тока, который, пройдя через усилитель

6, запирает мультивибратор 11, возвращая его в исходное положение. Очевидно, что

длительность импульсов на выходе мультивибратора равна времени Δτ перемещения метки

на контрольном участке от места ее образования до электродов. Последующее

преобразование этих импульсов может быть различно. В схеме генератор 10 формирует

пилообразное напряжение, амплитуда которого пропорциональна длительности посту-

пающих импульсов. Это напряжение в блоке 9 преобразуется в напряжение постоянного

тока, поступающее через каскад 8 с низкоомным входом к измерителю 7. Приведенная

относительная погрешность рассмотренного расходомера плюс минус 2 процента.

Приборы с тепловыми метками.

Расходомеры с тепловыми метками можно применять для измерения расхода как

жидкости, так и газа. Они состоят из нагревателя, создающего тепловую метку, и

термопреобразователей для измерения времени перемещения метки на контрольном участке.

Иногда нагреватель отсутствует. В этом случае термопреобразователи служат для измерения

времени перемещения случайных тепловых неоднородностей, имеющихся в потоке.

Имеются расходомеры, у которых нагреватель расположен как снаружи, так и внутри трубы.

Предложено несколько разновидностей расходомеров с наружным расположением

нагревателя: расходомер, в котором тепловая метка создается излучателем инфракрасного

(ИК) или сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов, расположенных на наружной

129

поверхности трубчатой вставки длиной 300 мм из кварца для ИК-диапазона и фторопласта

для СВЧ-диапазона.

Иногда применяют расходомеры, у которых тепловая метка создается нагреваемым

элементом, обычно проволочкой, находящейся внутри измеряемого вещества. Если ток

подается в виде отдельных импульсов, то образуются метки, скорость которых равна

местной скорости потока. Если же ток изменяется по синусоидальному закону, то возникает

температурное поле, движущееся со скоростью потока. На контрольном расстоянии L поме-

щается малоинерционный термопреобразователь, фиксирующий момент прихода метки или

служащий для измерения разности фаз Δφ между температурами, а следовательно, и токами

в нагревающей проволочке и термопреобразователе.

Проблема создания современных методов и средств измерения расходов веществ,

обладающих специфическими свойствами (агрессивность, нестационарность физико-

химических характеристик, высокая вязкость и т. п.), функционирующих в различного рода

сложных условиях эксплуатации, несмотря на определенный прогресс, остается весьма

актуальной.

Развитие бесконтактного теплового метода в направлении синтеза интеллектуальных

многоканальных тепловых расходомеров позволило существенно повысить их

метрологические характеристики при решении сложных задач измерения расхода. При

создании таких многоканальных расходомеров использовались некоторые принципы теории

инвариантности, в соответствии с которыми первичный измерительный преобразователь

(ПИП) теплового расходомера должен обеспечивать организацию как минимум двух каналов

передачи первичной информации, помимо канала компенсации возмущающего воздействия

(температуры потока вещества). Это является необходимым условием автономизации

информации об измеряемой величине (расходе) и неинформативных величинах

(изменяющихся свойствах веществ). Предложены и реализованы две структуры многока-

нальных тепловых расходомеров (МТР), основанных на термоконвективных ПИП. В МТР

первого типа организация каждого из каналов передачи первичной информации

осуществляется с помощью отдельного термопреобразователя или оба канала базируются на

комплексной информации, генерируемой одним термопреобразователем. На основе

структуры второго рода синтезируются только меточные МТР. Реализация алгоритмов

функционирования МТР предполагает использование широких возможностей

вычислительной техники. Создание МТР позволило снизить методическую погрешность

измерения расхода вязких жидкостей. Для этого использовалась структура МТР первого

типа.

Существенно снижено влияние нестабильности свойств измеряемых потоков растворов

жидкостей на показания меточного МТР, в котором использованы два контрольных участка

130

измерения времени переноса метки (τ). Причем, на первом участке по ходу метки на

информативную величину τ влияет как значение объемного расхода, так и свойства раствора

(например, плотность), а на втором — величина τ определяется только объемным расходом

(скоростью) раствора.

Совершенствование динамических (меточных) методов измерения включает

исследования возможности уменьшения величин измеряемых расходов газов, а также

расширения динамического диапазона измерения и создания методики определения

градуировочной характеристики расчетным путем. Критерием оценки эффективности

решения поставленных задач являлись метрологические показатели лучших зарубежных

тепловых расходомеров газов (фирма «BRONKHORST» типа «ELFLOW»).

Разработан опытный образец парциального меточного теплового расходомера,

структурная схема которого представлена на рисунке 1.83.

Рисунок 1.83 - Структурная схема парциального расходомера

1 — корпус ПИП; 2 — измерительный (основной) канал; 3 — обводной канал; 4, 5 —

измерительные пленочные терморезисторы; 6,7 — компенсационные пленочные

терморезисторы; 8 — нагреватель пленочный; 9 — вставка с набором диафрагм; 10 —

измерительно-преобразующий блок; 11 — ПЭВМ.

Экспериментальные исследования парциального расходомера показали, что его

динамический диапазон увеличился более чем в 7 раз, что обеспечило измерение расхода

воздуха в диапазоне 10-300 мл/с с приведенной погрешностью, не превышающей плюс

минус1,2 процента.

Приборы с оптическими метками.

Оптическими метками могут быть или вещества-индикаторы, вводимые в поток, или же

частицы, присутствующие в потоке, отличные по своим оптическим свойствам от остального

измеряемого вещества. В больших и средних трубопроводах оптические метки занимают

лишь некоторую часть потока. В малых трубах диаметром менее 10 мм каждая метка может

целиком перекрывать сечение потока.

Веществами-индикаторами, создающими оптические метки, могут быть алюминиевая

131

стружка, плексигласовый или алебастровый порошок, полистироловые частицы сферической

формы диаметром около 1 мм. Кроме того, для этой же цели могут служить окрашенные

жидкости и различные эмульсии, например эмульсия из вазелинового масла и хлорбензола,

которая в потоке воды превращается в шарики диаметром 2-2,5 мм. Поэтому необходимо,

чтобы плотности индикатора и измеряемого вещества были близки друг другу. Заметим, что

полистироловые частицы после обработки их ацетоном имеют плотность, почти равную

плотности воды.

Существуют разные способы образования оптических меток в самом измеряемом

веществе. Если поток содержит флуоресцирующие частицы, то метки в нем могут быть

созданы периодическим излучением через прозрачные для последнего окна.

Образование оптических меток в потоке, в который введен раствор пиридина в этиловом

спирте. Под воздействием создаваемого газоразрядной трубкой кратковременного

(длительность 0,3-3 мкс) ультрафиолетового луча, пересекавшего поток через оптически

прозрачные кварцевые стенки, узкая полоса жидкости мгновенно окрашивалась в синий

цвет. Другой способ заключается в образовании в водном потоке путем электролиза газовых

пузырьков, состоящих из водорода и кислорода. Для осуществления процесса электролиза к

двум металлическим проволочкам, установленным перпендикулярно к оси трубы,

прикладывается необходимая разность потенциалов.

Предложены также различные оптико-механические системы для контроля за

оптическими метками, распределенными по сечению потока. Так, с помощью лазера и

оптической системы, образующей в газопроводе два световых луча на близком расстоянии

друг от друга, можно контролировать время пересечения этих лучей механическими

частицами, содержащимися в газе.

Приборы с электромагнитными метками.

В рассматриваемых приборах имеется катушка-отметчик, расположенная рядом с

трубопроводом или намотанная на него, которая в зависимости от свойств измеряемого

вещества создает токовую или магнитную метку. При проходе метки через контрольное

сечение, где расположена вторая катушка, в последней возникает импульс тока. Время

перемещения метки на контрольном участке определяется по разности между временем по-

явления импульса во второй катушке и временем подачи возбуждающего импульса в первую

катушку.

На рисунке 1.84 показана схема прибора с токовыми метками для измерения расхода

электропроводной жидкости, движущейся по прямоугольному каналу А.

132

Рисунок 1.84 - Схема расходомера с токовыми метками

Токовая метка создается прямоугольной катушкой Б, расположенной параллельно

плоскости канала, при подаче в нее прямоугольного импульса тока от генератора 5.

Возникающий при этом в жидкости ток перемещается вместе с ней. Когда он проходит мимо

приемной катушки В, установленной на расстоянии х от первой катушки с другой стороны

канала перпендикулярно к его плоскости, в ней возникает ЭДС. В момент пересечения

токовой меткой плоскости катушки. В ЭДС в ней переходит от положительного к

отрицательному значению. Поэтому время Δτ перемещения метки по контрольному участку

длиной х равно разности времен между моментом, когда ЭДС в катушке. В становится

равной нулю, и моментом подачи возбуждающего импульса в катушку Б. Сигнал от катушки

В поступает на усилительно-амплитудный ограничитель 1. Последний, связанный через

ключ Г с генератором 5, включает его в момент перехода через нуль напряжения на выходе

усилителя 1. На селектор полярности 2 одновременно поступают сигналы от усилителя 1 и

генератора 5 после дифференцирования вырабатываемых им прямоугольных импульсов

тока. Выходной сигнал селектора 2 имеет сложную форму. Его передний фронт переключает

триггер 3, на выходе которого образуется прямоугольный импульс. Частота этих импульсов,

равная частоте импульсов генератора 5, и, следовательно, обратно пропорциональная

расходу, измеряется частотомером 4.

Расходомер с магнитными метками был разработан для измерения расхода магнитных

железорудных пульп. Вокруг трубопровода из немагнитного материала, по которому

движется пульпа, намотаны две катушки на расстоянии друг от друга. При подаче в первую

из них кратковременного импульса тока в пульпе образуется магнитная метка длиной l. В

момент прохода метки внутри второй катушки в последней возникает импульс тока.

Средний радиус катушки рекомендуется иметь равным l для получения выходного сигнала

наибольшей крутизны.

Приборы с ядерно – магнитными метками.

Приборы с ядерно – магнитными метками основан на явлении ядерно – магнитного

резонанса. Их применяют для жидкостей, имеющих большое гиромагнитное отношение, и

лишь для труб, диаметр которых не более 100 – 150 мм.

133

1.3.4.3 Концентрационные расходомеры

Рассматриваемые расходомеры основаны на зависимости от расхода кратности

разбавления вещества индикатора, вводимого в поток.

Существенное достоинство концентрационного метода измерения расхода – отсутствие

необходимости знать размеры поперечного сечения трубопровода или другого канала.

Особенно целесообразен концентрационный метод при разовых измерениях больших

расходов в закрытых и открытых каналах, а также при проверке других расходомеров, так

как при этом не требуется демонтаж их преобразователей расхода. Так, этот метод с успехом

был применен для проверке состояния и работоспособности труб Вентури.

Погрешность измерения расхода с помощью концентрационного метода зависит от

индикатора, надлежащей степени его перемешивания и особенно от правильности измерения

его концентрации.

Устройство концентрационных расходомеров.

Элементы конструкции. Концентрационный расходомер состоит из устройства для ввода

индикатора в поток при одновременном измерении его расхода или количества и устройства

для измерения концентрации Сх в потоке после его перемешивания или устройства для

измерения отношения этой концентрации и концентрации Сс образцовой смеси.

Концентрация индикатора Си во вводимом веществе должна быть предварительно

определена. Устройства для непрерывного ввода индикатора отличны от устройств для его

залпового ввода. В первом случае для ввода жидкостных, в том числе и радиоактивных

растворов, применяют поршневые или ротационные насосы-дозаторы. Пример подобного

поршневого насоса, снабженного коробкой скоростей для изменения скорости движения

поршня, показан на рисунке 1.85.

Рисунок 1.85 - Устройство для ввода радиоактивного раствора с постоянной скоростью

Насос предназначен для ввода радиоактивного раствора. Возможное время ввода 5, 20,

30 и 45 мин. Внутри тщательно обработанного цилиндра 4 из коррозионно-стойкой стали

диаметром 69,9 мм (полезный объем 751 см) перемещается поршень 6, снабженный

134

уплотнением 5. Поршень приводится в движение синхронным электродвигателем 3 через

коробку скоростей 2, переключение которых производится рукоятками 11. Ход поршня

ограничен концевыми выключателями 10. Заполнение цилиндра раствором происходит через

вентиль 9 и съемную крышку 7, а подача раствора в измеряемое вещество — через ту же

крышку и вентиль 8. Учитывая радиоактивность раствора, все устройство закрыто

свинцовым защитным чехлом, снабженным ручкой 1 для переноса. Подобный насос-дозатор

одновременно измеряет расход и обеспечивает хорошее его постоянство. В других случаях

для измерения индикатора применяют те или другие расходомеры, а для обеспечения

постоянства подачи — регуляторы расхода. Нередко раствор из дозатора вводят не

непосредственно в поток, а в промежуточную емкость (трубу) с водой, где разбавление

индикатора доводят до 1 : 1000. Этот разбавленный раствор и подается в поток. В результате

сокращается необходимая длина перемешивания.

Газообразный индикатор вводят из баллона, давление в котором выше, чем давление

измеряемого вещества, через редуктор и теплообменник. Постоянство расхода достигается

при критической скорости истечения через одно или несколько отверстий. При

необходимости может быть применен регулятор расхода. А расход определяется путем

взвешивания баллона до и после введения индикатора в измеряемое вещество и измерения

времени введения.

У концентрационных расходомеров залпового типа индикатор вводится с помощью

быстродействующих устройств (пневматических, пружинных и т. п.).

Концентрационный метод применяют лишь для разовых измерений в большинстве

случаев больших расходов в закрытых и открытых каналах, а также для периодической

проверки расходомеров жидкостей и газов на месте их установки без демонтажа. Из двух

разновидностей метода с непрерывной и залповой подачей индикатора первый применяется

чаще. Он может обеспечить большую точность измерения, и нет необходимости следить за

временем полного прохода индикатора через контрольное сечение. Кроме того, в этом

случае возможно сокращение расстояния между точкой ввода индикатора и контрольным

сечением за счет усреднения времени отбираемой пробы. Преимущество залпового метода –

сокращение времени измерения и расхода индикатора, что имеет значение при больших

расходах измеряемого вещества. Он может быть рекомендован при измерениях, не

требующих особо высокой точности. Залповый метод можно реализовать с помощью

компактной и малогабаритной измерительной установки.

Достоинство нерадиоактивных веществ – индикаторов – отсутствие ограничений по

технике безопасности, связанных с применением радиоактивных изотопов, и постоянство

свойств индикатора, позволяющее хранить его неограниченно долго. Поэтому при

измерении расхода жидкостей, и прежде всего воды, целесообразно применение

135

нерадиоактивных индикаторов, преимущественно солевых растворов, которые могут

обеспечить высокую точность измерения. При измерении расхода газа радиоактивные

индикаторы (изотопы) нередко более предпочтительны. С их помощью можно получить

более точное измерение расхода, так как погрешность измерения малых концентраций

нерадиоактивных газов – индикаторов весьма значительна.

1.4 Средства измерения температуры

Температурой называется величина, которая характеризует степень нагрева тела.

Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от

температуры.

Зависимость между средней кинетической энергией поступательно движущихся молекул

и температурой идеального газа определяется выражением:

E=(3/2)kT,

где k 1,380*10-23

Дж * К-1

— постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура тела, К.

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от

температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному

измерению. Эти свойства тел называют термометрическими. К ним относят длину, объем,

плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т. д. Вещества, характеризующиеся

термометрическими свойствами, называют термометрическими. Средство измерений

температуры называют термометром. Для создания термометра необходимо иметь темпе-

ратурную шкалу.

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь

температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. В этой связи

представляется возможным построение температурной шкалы на основе выбора любого

термометрического свойства. В то же время нет ни одного термометрического свойства,

которое линейно изменяется с изменением температуры и не зависит от других факторов в

широком интервале измерения температур.

В настоящее время применяется Международная практическая температурная шкала

(МПТШ) редакции 1968 г. Согласно МПТШ-68 основной температурой является термодина-

мическая температура Т, единица которой кельвин (К) — 1/273,16 часть термодинамической

температуры равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами воды (тройная точка

136

воды). Температура Цельсия t определяется из выражения

t=T-T0,

где Т0=273,15 К.

Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия, - градус Цельсия (°С),

равный кельвину. Разность температур выражают как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия.

МПТШ-68 выбрана таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была

близка к термодинамической температуре с точностью, обеспечиваемой современными

средствами измерений. МПТШ 68 основана на значениях температур, присвоенных 11

воспроизводимым состояниям равновесия (основные постоянные точки), и на специально

аттестованных интерполяционных приборах. Интерполяция между температурами по-

стоянных точек производится по формулам, служащим для установления связи между по-

казаниями этих приборов и значениями международной практической температуры.

В качестве эталонного средства измерения для области температур от 13,81 до 903,89 К

(630,74 °С) применяют термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки.

Для области температур от 630,74 до 1064,43°С в качестве эталонного применяется

платинородий - платиновый термоэлектрический термометр. Для области температур от

1337,58 К (1064,3 °С) до 6300 К применяется квазимонохроматический пирометр. Также

кроме МПШТ 68 установлены практические температурные шкалы (ГОСТ 8.157-75),

которые предназначены для осуществления единообразных измерений температуры в

диапазоне от 0,01 до 100 000 Для диапазона 0,01—0,8 К установлена температурная шкала

термометра магнитной восприимчивости (ТШТМВ), основанная на зависимости магнитной

восприимчивости термометра из церий-магниевого нитрата от температуры.

В диапазоне от 0,8 до 1,5 К установлена шкала конденсационного термометра 3Не

1962 года, основанная на зависимости давления насыщенных паров изотопа гелия-3 от

температуры.

В диапазоне от 1,5 до 4,2 К применяется шкала конденсационного термометра 4Не 1958

года, основанная на зависимости давления насыщенных паров изотопа гелия-4 от темпера-

туры.

Температурная шкала германиевого термометра электрического сопротивления

(ТШГТС) основана на зависимости сопротивления германиевого термометра от температуры

Т и установлена для диапазона температур от 4,2 до до 13,81 К.

Температурная шкала пирометра микроволнового излучения (ТШПМИ) основана на

зависимости спектральной плотности энергии излучения L(T) черного тела от температуры Г

в микроволновом диапазоне излучения и установлена для диапазона от 6300 до 100 000 К.

137

1.4.1Средства измерения температуры

В настоящее время в различных отраслях науки и в промышленности применяются

десятки различных способов измерения температуры. В таблице 1.1 приведены наиболее

распространенные в промышленности средства измерения температуры и указаны пределы

применения серийных средств измерения.

Таблица 1.1 – Наиболее распространенных промышленные средства измерений температуры

Тип средства измерения Разновидность средства

измерения

Предел длительного

применения -°С

нижний верхний

Термометры расширения

Жидкостные стеклянные термо-

метры -200 600

Манометрические термометры -200

(-272) 1000

Термометры сопротивления

Металлические

(проводниковые) термометры

сопротивления

-260 1100

Полупроводниковые

термометры сопротивления -272 600

Термоэлектрические

термометры

Термоэлектрические

термометры

-200

(-270)

2200

(2800)

Пирометры

Квазимонохроматические

пирометры 700

6000

(100 000)

Пирометры спектрального отношения 300 2800

Пирометры полного излучения -50 3500

Средство измерений температуры, предназначенное для выработки сигнала в форме,

удобной для восприятия наблюдателем, автоматической обработки, передачи и

использования в автоматических системах управления, называется термометром.

Средство измерения температуры по тепловому электромагнитному излучению

называется пирометром. Пирометры применяются для бесконтактного измерения

температуры.

В автоматических системах измерение и контроль температуры осуществляют на основе

измерения физических свойств тел, функционально связанных с температурой последних.

Приборы для измерения и контроля температуры по принципу действия могут быть

разделены на следующие группы:

А. Термометры для измерения температуры контактным методом.

1. Термометры расширения, измеряющие температуру по тепловому расширению

жидкости (жидкостные) или твердых тел (дилатометрические, биметаллические).

2 Манометрические термометры и преобразователи, использующие зависимость

между температурой и давлением газа (газовые) или насыщенных паров жидкости

138

(конденсационные).

3. Термоэлектрические преобразователи (ТП), работающие в комплекте со

вторичными приборами или измерительными преобразователями; принцип действия

основан на измерении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), развиваемой

термопарой (спаем) из двух различных проводников (термоЭДС зависит от разности

температур спая и свободных концов ТП, присоединяемых к измерительной схеме).

4 Термопреобразователи сопротивления (ТС), работающие в комплекте со

вторичными приборами или измерительными преобразователями различного типа,

используют изменение электрического сопротивления материалов (металлов,

полупроводников) в зависимости от изменения температуры.

Б. Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом.

1. Яркостные пирометры, измеряющие температуру по яркости нагретого тела на

данной длине волны.

2. Радиационные пирометры для измерения температуры по левому действию

лучеиспускания накаленного тела во всем спектре длин волн.

1.4.2 Термометры расширения

Стеклянные жидкостные термометр.

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на расширении

термометрической жидкости, заключенной в термометре, в зависимости от температуры.

Стеклянные термометры по своей конструкции бывают палочные и с вложенной шкалой.

Стеклянный термометр с вложенной шкалой состоит из стеклянного резервуара 1 и

припаянного к нему стеклянного капилляра 2 рисунок 1.86 (а).

139

Рисунок 1.86 - Стеклянный жидкостный термометр

Вдоль капилляра расположена шкала 3, которая, как правило, наносится на пластине

молочного стекла. Резервуар, капилляр и шкала помещаются в стеклянную оболочку 4,

которая припаивается к резервуару. Палочные стеклянные термометры изготавливаются из

толстостенных капилляров 1, к которым припаивается резервуар 2. Шкала термометра 3

наносится на наружной поверхности капилляра рисунок 1.86(б).

Температура измеряемой среды, в которую помещены резервуар и часть капилляра,

определяется по изменению объема термометрической жидкости, отсчитываемому по

положению уровня жидкости в капилляре, которое отградуировано в градусах Цельсия. В

связи с тем что одновременно с расширением термометрической жидкости происходит

также расширение резервуара и капилляра, фактически мы судим о температуре не по

изменению объема жидкости, а по видимому изменению объема термометрической

жидкости в стекле. Поэтому видимое расширение жидкости несколько меньше действи-

тельного.

Среди жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные

стеклянные термометры. Химически чистая ртуть как термометрическое вещество имеет ряд

достоинств: она остается жидкостью в широком интервале температур, не смачивает стекло,

легко может быть получена в чистом виде. Однако ртуть имеет относительно малый

температурный коэффициент объемного расширения, что требует изготовления термометров

с тонкими капиллярами. Нижний предел измерения ртутных термометров минус 35°С

определяется температурой затвердевания ртути. Верхний предел измерения плюс 600°С

определяется прочностными характеристиками стекла. В связи с тем что температура

140

кипения ртути при атмосферном давлении значительно меньше верхнего предела

применения ртутных термометров, в термометрах, предназначенных для измерения высоких

температур, капилляр над ртутью заполняется инертным газом, например азотом. При этом

для исключения образования паров ртути в капилляре давление газа должно быть тем

больше, чем выше верхний предел измерения. Для термометров с верхним пределом

измерения 600 °С давление газа над ртутью превышает 3МПа (30 кгс/см2).Стеклянные

термометры с органическими термометрическими жидкостями применяются в интервале

температур от минус 200 до плюс 200°С. Однако эти жидкости смачивают стекло и поэтому

требуют применения капилляров с относительно большим диаметром канала.

К достоинствам стеклянных жидкостных термометров относятся высокая точность

измерения, простота и дешевизна. Недостатками стеклянных термометров являются

относительно плохая видимость шкалы, практическая невозможность передачи показаний на

расстояние и, следовательно, невозможность автоматической регистрации показаний, а

также невозможность ремонта термометров.

В настоящее время выпускаются следующие разновидности стеклянных термометров.

1. Технические ртутные термометры с вложенной шкалой прямые рисунок 1.87 (а) и

угловые рисунок 1.87 (б), выпускаются 11 модификаций со шкалами –90 ÷ +30; -60 ÷ +50; -

30 ÷ +50;0—100; 0—160; 0—200; 0—300; 0—350; 0—450; 0—500 и 0—600°С. Цена деления

шкалы составляет от 0,5 °С (шкала минус 30 ÷ плюс 50°С) до 5 и 10°С (шкала 0—600°С).

141

Рисунок 1.87 - Технические стеклянные термометры а – прямой; б - угловой

2. Лабораторные ртутные термометры палочные рисунок 1.85 (б) и с вложенной шкалой

рис. 1.85 (а) предназначены для измерения температур от минус 30 до плюс 600°С. Эти

термометры погружаются в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки.

Термометры подразделяются на четыре группы. Термометры с ценой деления 0,1 °С имеют

диапазон измерения 55 °С (например, 0—55°С или 200— 255°С) с верхним пределом

измерения не более 305 °С. Для больших диапазонов измерения 0—500°С, 0—600°С цена

деления шкалы 2°С.

3. Жидкостные (не ртутные) термометры (ГОСТ 9177-74) выпускаются палочные, с

вложенной шкалой и с наружной шкальной пластиной на пределы измерения от минус 200

до плюс 200°С с ценой деления от 0,2 до 5.

4. Термометры ртутные повышенной точности и образцовые (ГОСТ 13646-68)

выпускаются с узкими диапазонами измерения (от 4 до 50°С) и с ценой деления от 0,01 до

0,1 °С.

5. Термометры ртутные электроконтактные (ГОСТ 9871-75) выпускаются для

поддержания постоянной температуры или сигнализации заданной температуры в интервале

от минус 30 до плюс 300°С. Термометры выпускаются с постоянным рабочим и с

подвижным рабочим контактами, которые могут быть установлены на любом значении

температуры в пределах шкалы.

6. Специальные термометры; медицинские (максимальные), метеорологические

(максимальные, минимальные, психрометрические, почвенные и др.) и другого назначения.

Стеклянные термометры являются одним из наиболее точных средств

142

измерения температуры.

1.4.3 Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления

термометрического вещества в герметически замкнутом объеме от температуры.

Термосистема манометрического термометра рисунок 1.87 состоит из термобаллона 1,

капилляра 2 и манометрической пружины, один конец которой соединен с капилляром, а

другой, запаянный конец пружины соединен со стрелкой измерительного прибора 3.

Рисунок 1.87 - Манометрический термометр

Манометрические термометры в зависимости от вида рабочего (термометрического)

вещества, заполняющего термосистему, подразделяются на газовые, жидкостные и

конденсационные. Манометрические термометры изготавливаются для измерения тем-

ператур от минус 200 до плюс 600°С, конкретные диапазоны измерения определяются

заполнителем термосистемы. Термометры со специальным заполнителем применяются для

измерения температур от 100 до 1000°С (ГОСТ 8624-80).

Термобаллон термометра погружается в измеряемую среду, и рабочее вещество,

находящееся в термобаллоне, принимает температуру измеряемой среды. При этом в

термосистеме устанавливается давление, определяемое температурой измеряемой среды.

При повышении температуры давление повышается, при уменьшении температуры

понижается. Изменение давления рабочего вещества через гибкий капилляр передается на

143

измерительный прибор, являющийся частью манометрического термометра. Измерительный

прибор является пружинным манометром, рассчитанным на те диапазоны измерения

давления, которые имеют место в термосистемах манометрических термометров.

Газовые манометрические термометры.

Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температуры от

минус 200 до плюс 600 °С. В качестве рабочего вещества в газовых термометрах

применяется азот. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме

описывается линейным уравнением

pt=p0(1+βt),

где pt и ро — давление газа при температурах 0 и °С;

β - температурный коэффициент расширения газа, β=1/273, или 0,00366 К-1

.

Изменение температуры окружающего воздуха будет влиять на расширение рабочего

вещества в капилляре и манометрической пружине, что будет вызывать изменение давления

в термосистеме и соответствующее изменение показаний термометра. Для уменьшения этого

влияния стремятся уменьшить отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объе-

му термобаллона. Для этого увеличивают длину термобаллона или его диаметр. Длина

термобаллона газового манометрического термометра не должна превышать 400 мм, а

диаметр термобаллона выбирается из ряда 5, 8, 10, 12, 16, 20, 25 и 30 мм (ГОСТ 8624-80).

Длина капилляра может составлять от 0,6 до 60 м. Для уменьшения температурной

погрешности в некоторых измерительных приборах внутри устанавливают термокомпенса-

торы. Специально изготовленные газовые манометрические термометры могут применяться

и для измерения температур более низких, чем 0°С. Например, водородный газовый

термометр может применяться до минус 250 °С, а гелиевый — до минус 267 °С.

Жидкостные манометрические термометры.

Жидкостные манометрические термометры предназначены для измерения температуры

от минус 150 до плюс 300°С. В качестве рабочего вещества, заполняющего термосистему,

применяют ртуть, пропиловый спирт, метаксилол и другие жидкости. Рабочее вещество

жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо. Поэтому изменение

объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры на величину,

соответствующую диапазону измерения, вызовет такое увеличение давления в термосистеме,

при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний объем на величину

изменения объема жидкости. Давление, при котором это будет иметь место, зависит от

жесткости пружины и для различных манометрических пружин может быть различным.

В жидкостных манометрических термометрах погрешность, вызванная изменением

барометрического давления, как правило, отсутствует, так как давление в системе

значительно. Погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет

144

место и в жидкостных манометрических термометрах. Для ее уменьшения применяют те же

способы, что и в газовых манометрических термометрах: уменьшают относительный объем

жидкости, находящейся при температуре окружающей среды, уменьшая внутренний объем

термокапилляра и пружины, или внутрь измерительного прибора встраивают специальные

термокомпенсаторы погрешности.

В жидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая

погрешность, возникающая при различных уровнях расположения термобаллона и

измерительного прибора. Для снижения возможных гидростатических погрешностей длину

капилляра уменьшают до 10 м. Допускаемые расстояния по высоте между термобаллоном и

измерительным прибором указываются в инструкциях к приборам.

Конденсационные манометрические термометры.

Конденсационные манометрические термометры предназначены для измерения

температур от минус 50 до плюс 300°С. Термобаллон термометра примерно на 3/4 заполнен

низкокипящей жидкостью, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости.

Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной

температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве рабочей жидкости применяются

фреон-22, пропилен, хлористый метил, ацетон и этилбензол. Капилляр и манометрическая

пружина заполняются, как правило, другой жидкостью. Давление в термосистеме

конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара

рабочей жидкости, определяемому в свою очередь температурой, при которой находится

рабочая жидкость, т. е. температурой измеряемой среды с помещенным в нее

термобаллоном. Эта зависимость давления насыщения пара от температуры имеет

нелинейный вид, она однозначная, когда измеряемая температура не превышает критичес-

кую.

Специально изготовленные конденсационные манометрические термометры

применяются для измерения сверхнизких температур. Конденсационные термометры,

заполненные гелием, используются для измерения температур от 0,8 К.

Манометрические термометры отличаются простотой устройства, возможностью

дистанционной передачи показаний и автоматической записи. Одним из важных

преимуществ является возможность их использования в пожаро- и взрывоопасных

помещениях. К недостаткам относится трудность ремонта при разгерметизации системы,

ограниченное расстояние дистанционной передачи показаний и во многих случаях большие

размеры термобаллона. Газовые и жидкостные манометрические термометры имеют класс

точности 1; 1,5 и 2,5, конденсационные — 1,5;2,5 и 4.

145

1.4.4 Термоэлектрические термометры

Применение термоэлектрических термометров для измерения температуры основано на

зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) возникает в цепи, составленной из двух

разнородных проводников при неравенстве температур в местах соединения этих провод-

ников, если в цепи температуры мест соединения проводников а и b будут одинаковы и

равны t рисунок 1.88, то и разности потенциалов будут равны по значению, но иметь разные

знаки,а суммарная термо-ЭДС и ток в цепи будут равны нулю.

Рисунок 1.88 – Термоэлектрическая цепь

Если t ≠ to, то суммарная термо-ЭДС не равна нулю, так как разности потенциалов для

одних и тех же проводников при разных температурах не равны. Результирующая термо-

ЭДС зависит для данных проводников а и b от температур t и to. Чтобы получить

однозначную зависимость термо-ЭДС от измеряемой температуры t, необходимо другую

температуру t0 поддерживать постоянной.

Для измерения термо-ЭДС в цепь термоэлектрического термометра включают

измерительный прибор, причем его включение вводит в цепь по крайней мере еще один,

третий проводник.

Для измерения температуры термоэлектрическим термометром необходимо измерить

термо-ЭДС, развиваемую термометром, и температуру свободных концов. Если температура

свободных концов термометра при измерении температуры равна 0°С, то измеряемая

температура определяется сразу из градуировочной характеристики (таблиц, графиков)

рисунок 1.89, устанавливающей зависимость термо-ЭДС от температуры рабочего спая.

146

Рисунок 1.89 – Введение поправки на температуру свободных концов

термоэлестрического термометра

Градуировочные характеристики термоэлектрических термометров определены, как

правило, при температуре свободных концов, равной 0 °С. Если температура свободных

концов на практике отличается от 0°С, но остается постоянной, то для определения

температуры рабочего конца по градуировочной характеристике необходимо знать не только

термо-ЭДС, развиваемую термометром, но и температуру свободных концов t0. Чтобы

ввести поправку на температуру свободных концов to, если to, необходимо к термо-ЭДС,

развиваемой термоэлектрическим термометром E(t,to), прибавить E(to,0), чтобы получить

значение термо-ЭДС E(t,0):

E(t,to)+ E(to,0)=E(t,0),

Такую термо-ЭДС E(t,0) развивает термоэлектрический термометр при температуре

рабочего спая t и температуре свободных концов 0°С, т. е. при условиях градуировки.

Если в процессе измерения температура свободных концов примет какое-то новое

значение to, то термо-ЭДС, развиваемая термометром, будет E(t,t'0) рисунок 1.89 и величина

поправки на температуру свободных концов будет E(t'o,0), а термо-ЭДС, соответствующая

условиям градуировки,

E(t,t’o)+ E(t’o,0)=E(t,0).

Значение поправки на температуру свободных концов термоэлектрического термометра

зависит от градуировочной характеристики термометра, определяемой материалами

проводников, из которых изготовлен термоэлектрический термометр. Независимо от способа

введения поправки (расчетного или автоматического) методика введения поправки остается

неизменной: определяется расчетным путем или автоматически в схеме получается значение

E(to,0), которое затем суммируется с термо-ЭДС термопары. Суммарная термо-ЭДС E(t,

0) соответствует градуировочному значению.

Устройство термоэлектрических термометров и применяемые материалы. Два любых

147

разнородных проводника могут образовать термоэлектрический термометр. К материалам,

используемым для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляется целый

ряд требований жаростойкость, жаропрочность, химическая стойкость,

воспроизводимость, стабильность, однозначность и линейность градуировочной

характеристики и ряд других. К числу обязательных требований относятся стабильность

градуировочной характеристики и (для стандартных термометров) воспроизводимость в

необходимых количествах материалов, обладающих вполне определенными термо-

электрическими свойствами. Все остальные требования являются желательными.

Например, могут быть очень жаропрочные материалы, воспроизводимые с однозначной и

линейной градуировочной характеристикой и высоким коэффициентом преобразования. Но

если градуировочная характеристика этих материалов нестабильна, то измерять таким

термометром нельзя. С другой стороны, материалы, имеющие низкий коэффициент преоб-

разования, нелинейную градуировочную характеристику, но имеющие стабильную

характеристику, используются для термоэлектрических термометров.

Стандартные термоэлектрические термометры, характеристики которых приведены в

таблице 1 .2.

Таблица 1.2 – Стандартные термоэлектрические термометры

Тип термопары

термоэлектрического термометра

Обозначение

новое (старое)

Рабочий диапазон

длительного

режима работы,

°С

Максимальная

температура

кратковремен-

ного режима

работы, °С

Медь-копелевая

Медь-медноникелевая

Железо-медноникелевая

Хромель-копелевая

Никельхром-медноникелевая

Никельхром-никельалюминиевая

(хромель алюмелевая)

Платинородий (10 %)-платиновая

Платинородий (30 %)-платиноро-

диевая (6 %)

Вольфрамрений (5 %)-вольфрам-

рениевая (20 %)

-

Т

J

(ХК)

Е

К

(ХА)

S

(ПП)

В

(ПР)

(ВР)

-200 ÷ +100

-200 ÷ +400

-200 ÷ +700

-50 ÷ +600

-100 ÷ +700

-200 ÷ +1000

0 ÷ +1300

300—1600

0—2200

-

-

900

800

900

1300

1600

1800

2500

Медь-копелевые и медь-медноникелевые типа Т (близкие к медь-константановым)

термоэлектрические термометры применяются главным образом для измерения низких

температур в промышленности и лабораторной практике. Применение этих термометров

для температур менее 200°С осложняется существенным уменьшением коэффициента

148

преобразования с уменьшением температуры. При температурах свыше 400 °С начинается

интенсивное окисление меди, что ограничивает применение термометров этих типов.

Железо-медноникелевые, близкие к железо-константановым термоэлектрическим

термометры типа J применяются в широком диапазоне температур от минус 200 до плюс 700

°С, а кратковременно — и до 900 °С. Они имеют достаточно большой коэффициент преобра-

зования (около 55 мкВ/°С). Верхний предел измерения ограничен окислением железа и

медноникелевого сплава.

Хромель-копелевые термоэлектрические термометры обладают наибольшим

коэффициентом преобразования из всех стандартных термометров (около 70—90 мкВ/°С).

Для термометров с термоэлектродами диаметром менее 1 мм верхний предел длительного

применения менее 600 °С и составляет, например, для термоэлектродов диаметром 0,2—0,3

мм только 400 °С. Верхний предел применения определяется стабильностью характеристик

копелевого термоэлектрода

Никельхром-медноникелевые (тип Е), близкие к хромель-константано-вым, и

никелъхром-никельалюминие-вые (тип К) термометры, ранее называемые хромель-

алюмелевыми, применяются для измерения температуры различных сред в широком

интервале температур. Термоэлектрод из никель алюминиевой проволоки менее устойчив к

окислению, чем никельхромовый Верхние пределы применения зависят от диаметра

термоэлектродов. Для термоэлектродов диаметром 3—5 мм верхний предел длительного

применения никельхром - никельалюминиевых термометров составляет 1000°С, а для

диаметра 0,2—0,3 мм — не более 600°С. Для никельхром-медноникелевой термопары он не

превышает 700 °С.

Все вышеперечисленные термоэлектрические термометры из неблагородных материалов

хорошо стоят в инертной и восстановительной атмосфере, в окислительной атмосфере их

срок службы ограничен Кроме того, термоэлектрические термометры хромель-копелевые и

никельхром-никельалю-миниевые (хромель-алюмелевые) отличаются достаточно высокой

стабильностью градуировочной характеристики при высокой интенсивности ионизирующих

излучений

Платинородий-платиновые термоэлектрические термометры (тип S) могут длительно

работать в интервале температур от 0 до 1300 °С, а кратковременно — до 1600 °С.

Положительный термоэлектрод представляет собой сплав, состоящий на 10 процентов из ро-

дия и на 90 процентов из платины, отрицательный термоэлектрод состоит из чистой

платины. Эти термометры сохраняют стабильность градуировочной характеристики в

окислительной и нейтральной средах. В восстановительной атмосфере платинородий-

платиновые термометры работать не могут, так как происходит существенное изменение

термо-ЭДС термометра. Так же неблагоприятно воздействует на платинородий-платиновые

149

термометры контакт с углеродом, парами металлов, соединениями углерода и кремния, а

также рядом других материалов, загрязняющих термоэлектроды. Следует отметить, что

градуировочная характеристика типа S не совпадает с градуировочной характеристикой

ПП, применявшейся ранее.

Платинородий-платинородиевые термоэлектрические термометры (тип В) применяются

длительно в интервале температур от 300 до 1600°С, кратковременно—до 1800°С

Положительный электрод — сплав из 30 процентов родия и 70 процентов платины, а

отрицательный — из 6 процентов родия и 94 процентов платины. Эти термометры

отличаются большей стабильностью градуировочной характеристики, чем платинородий-

платиновые, но они также плохо работает в восстановительной среде. В связи с тем, что

термо-ЭДС, развиваемая платино-родийплатинородиевыми термометрами в интервале

температур 0—100°С, незначительна, при технических измерениях их можно применять без

термостатирования свободных концов. Например, если температура свободных концов 70 °С

и поправка на нее не вводится, то при температуре рабочего спая 1600°С это вызовет

погрешность около 2,1°С. Градуировочная характеристика типа В также не совпадает с

градуировочной характеристикой ПР.

Вольфрамрений - вольфрамрениевые термоэлектрические термометры предназначены

для длительного измерения температур от 0 до 2200 °С и кратковременно до 2500 °С в

вакууме, в нейтральной и восстановительной средах. Положительный термоэлектрод —

сплав из 95 процентов вольфрама и 5 процентов рения, отрицательный—сплав из 80

процентов вольфрама и 20 процентов рения..

Термопреобразователи сопротивления.

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве

металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением

температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротивлением Rt

термопреобразователя сопротивления и его температурой t Rt=f(t) - градуировочная

характеристика, то, измерив Rt, можно определить значение температуры среды, в которую

он погружен.

Термопреобразователи позволяют надежно измерять температуру в пределах от минус

260 до плюс 1100°С. К металлическим проводникам термопреобразователей сопротивления

предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность

градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспечивающая

взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразователей сопротивления. К числу не

основных, но желательных требований относятся: линейность функции Rt=f(t), по

возможности высокое значение температурного коэффициента электрического

сопротивления, большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.

150

Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает

указанным основным требованиям и тем больше значения отношения электрического

сопротивления металла при 100 и при 0°С соответственно R100 /R0 и α. Поэтому степень

чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений, принято

характеризовать значениями R100 /R0 и α.. При снятии механических напряжений в металле

путем его отжига указанные характеристики достигают своих предельных значений для

данного металла.

Для изготовления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в

настоящее время применяют платину и медь.

Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления,

так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически

инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой

температурный коэффициент сопротивления, равный 3,94·10-3

°С-1

, и высокое удельное

сопротивление 0,1·10-6

Ом·м. Платиновые преобразователи сопротивления используются

для измерения температуры от минус 260 до плюс 1100°С, при этом для диапазона

температур от минус 260 до плюс 750°С используются платиновые проволоки диаметром

0,05—0,1 мм, а для измерения температур до 1100°С, в силу распыления платины при этих

температурах, диаметр проволоки составляет около 0,5 мм. Значение отношения R100/R0 для

применяемых платиновых проволок составляет 1,3850 - 1,3910.

Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наиболее точными

первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы.

Платиновые термопреобразователи сопротивления используются в качестве рабочих,

образцовых и эталонных термометров. С помощью последних осуществляется

воспроизведение международной шкалы температур в диапазоне от - 182,97 до 630,5 °С.

Недостатком платины является нелинейность функции Rt=f(t) и, кроме того, платина —

очень дорогой металл.

Медь — один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные

термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в

диапазоне от минус 50 до плюс 200°С. При более высоких температурах медь активно окис-

ляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки обычно 0,1 мм, а значение

отношения R100/R0 составляет 1,4260 - 1,4280. В широком диапазоне температур зависимость

сопротивления от температуры линейна и имеет вид Rt=R0(1+at), где a=4,26·10-3

°С-1

.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяются для измерения

температуры от минус100 до плюс 300 °С. В качестве материалов для них используются

различные полупроводниковые вещества — оксиды магния, кобальта, марганца, титана,

меди, кристаллы германия. Основным преимуществом полупроводников является их боль-

151

шой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении

температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3—5

процента, что делает их очень чувствительным к изменению температуры. Кроме того, они

обладают значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых

размерах обладают значительным номинальным электрическим сопротивлением (от

нескольких до сотен килоОм), что позволяет не учитывать сопротивления соединительных

проводов и элементов измерительной схемы. Следствием же малых размеров

полупроводниковых термопреобразователей сопротивления является возможность

безынерционного измерения температуры.

Недостатком полупроводниковых материалов является их значительная нелинейность и,

главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. Поэтому

полупроводниковые термопреобразователи сопротивления даже одного и того же типа

имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

Исключением являются германиевые термопреобразователи сопротивления, которые при

технических измерениях используются для температур 30—90 К с погрешностью плюс

минус (0,05—0,1) К, а также специальный германиевый термопреобразователь, предназ-

наченный в качестве эталонного термометра для воспроизведения температурной шкалы в

интервале 4,2—13,81 К с погрешностью не более плюс минус 0,001 К.

Чувствительные элементы из полупроводников выполняются в виде цилиндров, шайб,

бусинок малых размеров.

В силу указанных недостатков полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в

системах температурной сигнализации, вследствие присущего им релейного эффекта —

скачкообразного изменения сопротивления при достижении определенной температуры.

Кроме того, полупроводниковые термопреобразователи сопротивления используются в каче-

стве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах.

В практике технологических измерений температуры с использованием

термопреобразователей сопротивления широкое применение нашли мосты (уравновешенные

и неуравновешенные), логометры и нормирующие преобразователи.

Для точных измерений температуры и метрологической аттестации

термопреобразователей сопротивления, проводимых обычно в лабораторных условиях,

получили применение потенциометры постоянного тока.

152

1.4.6 Пирометры излучения

Для измерения температуры (термометры расширения, термоэлектрические и

сопротивления) предусматривают непосредственный контакт между чувствительным

элементом термометра и измеряемым телом или средой. Поэтому такие методы измерения

температуры иногда называются контактными. Верхний предел применения контактных

методов ограничивается значениями 1800—2200 °С. Однако в ряде случаев в

промышленности и при исследованиях возникает необходимость измерять более высокие

температуры. Кроме того, часто недопустим непосредственный контакт термометра с

измеряемым телом или средой. В этих случаях применяются бесконтактные средства

измерения температуры, которые измеряют температуру тела или среды по тепловому

излучению. Все физические тела, температура которых превышает абсолютный нуль,

испускают тепловые лучи. Средства измерения, определяющие температуру тел по их теп-

ловому излучению, называют пирометрами излучения или просто пирометрами. Серийно

выпускаемые пирометры применяются для измерения температур от 20 до 6000 °С.

Бесконтактные методы измерения теоретически не имеют верхнего предела измерения и

возможности их использования определяются соответствием спектров излучения

измеряемых тел или сред и спектральных характеристик пирометров. Если для каких-либо

условий могут быть использованы и контактные и бесконтактные методы измерения, то, как

правило, предпочтение следует отдать контактным, так как они позволяют обеспечить более

высокую точность измерения.

Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое

веществом за счет его внутренней энергии (в отличие, например, от люминесценции, которая

возбуждается внешними источниками энергии).

Ввиду того, что интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением

температуры тел, пирометры используются, в основном, для измерения температуры от 300

до 6000°С и выше. Для измерения температур выше 3000 °С методы пирометрии являются

практически единственными, так как они бесконтактны, т. е. не требуют непосредственного

контакта датчика прибора с объектом измерения. Теоретически верхний предел измерения

температуры пирометрами излучения неограничен.

Следует также отметить, что бесконтактные методы измерения обладают тем

положительным свойством, что при использовании их не искажается температурное поле

объекта измерения. В то же время для тех интервалов температур, где могут применяться и

контактные методы, последним отдается предпочтение из-за их более высокой точности.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т.е. излучает

волны всех длин λ в диапазоне от 0 до ∞. Видимое глазом человека излучение, называемое

153

светом, охватывает диапазон длин волн 0,40—0,75 мкм. Невидимые лучи охватывают

инфракрасный участок спектра, т. е. диапазон от λ =0,75 до , λ ≈400 мкм, за которым следует

постепенный переход в радиоволновой диапазон. Лучи с λ <0,40 мкм также невидимы и

относятся к ультрафиолетовому диапазону, за которым следуют рентгеновские и гамма-

лучи.

Для измерения яркостной температуры тел используются оптические

(квазимонохроматические) визуальные пирометры, а также фотоэлектрические пирометры.

Оптические пирометры.

Оптические пирометры широко применяются в лабораторных и производственных

условиях для измерения температур выше 800°С. Принцип действия оптических пирометров

основан на сравнении спектральной яркости тела со спектральной яркостью градуирован-

ного источника излучения. В качестве чувствительного элемента, определяющего

совпадение спектральных яркостей в визуальных оптических пирометрах, служит глаз

человека.

Фотоэлектрические пирометры.

Фотоэлектрические пирометры. В отличие от оптических визуальных пирометров

фотоэлектрические пирометры являются автоматическими. Чувствительными элементами,

воспринимающими лучистую энергию, в этих приборах могут служить фотоэлементы,

фотоумножители, фотосопротивления и фотодиоды. Измерение температуры

фотоэлектрическими пирометрами, как и оптическими визуальными, основано на

зависимости спектральной яркости тела от его температуры.

Фотоэлектрические пирометры по принципу действия бывают двух типов. К первому типу

относятся приборы, в которых воспринимаемая прибором лучистая энергия, попадая на

чувствительный элемент, изменяет его параметры (фототок, сопротивление). В приборах

второго типа измерение лучистой энергии осуществляется компенсационным методом, здесь

чувствительный элемент работает в режиме нуль-индикатора, сравнивая интенсивности

излучения от измеряемого тела и стабильного источника излучения - миниатюрной

лампочки накаливания.

Фотоэлектрические пирометры второго типа более сложны, но более точны, так как их

показания не зависят от характеристик чувствительного элемента и электронной схемы.

Пирометры спектрального отношения.

Пирометры спектрального отношения, или цветовые пирометры, как указывалось,

предназначены для определения цветовой температуры путем измерения отношения

спектральных энергетических яркостей, соответствующих двум длинам волн.

Существует несколько модификаций двух- и одноканальных цветовых пирометров. В

двухканальных пирометрах измерительные сигналы, соответствующие каждой длине волны

154

излучения, передаются одновременно по двум независимым каналам, и из соотношения

величин данных сигналов определяется мгновенная цветовая температура объекта. В

пирометрах с одноканальной схемой измерения два различных монохрометрических потока

с помощью оптического коммутатора поочередно подаются на один фотоэлектрический

приемник.

Двухканальные пирометры используются в основном в лабораторной практике, когда

требуется измерять температуру с большой скоростью.

Одноканальные пирометры нашли широкое применение благодаря большой

стабильности их работы, так как в этих пирометрах одновременно с изменением

характеристик схемы (изменение чувствительности фотоприемника, напряжения питания и

др.) происходит изменение значений обоих сигналов, соответствующих различным длинам

волн.

Показания цветового пирометра однозначно связаны с логарифмом отношения

спектральных яркостей и, следовательно, с цветовой температурой объекта.

Диапазон измерений описываемого пирометра 1400—2800°С. Он подразделяется на пять-

шесть поддиапазонов по 250—300°С. Меняя диск со светофильтрами, переходят от одного

диапазона измерений к другому. Класс точности пирометра 1.

Радиационные пирометры, или пирометры полного излучения,— это приборы,

воспринимающие излучение от объекта во всем спектральном диапазоне. Строго говоря,

приемники излучения имеют ограниченный рабочий диапазон длин волн и поэтому в

пирометре используется не полный спектр излучения, а лишь определенная полоса спектра.

И все же принято считать, что пирометр является радиационным, если в нем используется не

менее 90процентов излучения от объекта измерения. Радиационные пирометры имеют

самый широкий диапазон измерения, он лежит в интервале 50—2000°С и выше.

Измерение температуры радиационными пирометрами основано на улавливании

теплового излучения и концентрировании его на термочувствительном элементе с помощью

собирательной линзы (рефракторные приборы) или вогнутых зеркал (рефлекторные при-

боры).

Классы точности радиационных пирометров 1,0 и 1,5. Постоянная времени этих приборов

составляет 0,3—1,5 с. При установке телескопа между ним и объектом не должно быть паров

влаги, дыма, пыли, так как последние поглощают лучистую энергию, что может привести к

дополнительной погрешности измерения. Кроме того, следует оберегать корпус прибора от

нагрева выше 100—200°С. Если это невозможно, то телескоп устанавливают в кожух с водя-

ным охлаждением.

155

1.5 Средства измерения плотности, вязкости и концентрации

1.5.1 Средства измерения плотности

Измерения плотности жидкостей и газов осуществляется для целей управления химико –

технологическими процессами и выполнения операций учета количества сырья, топлива,

реагентов и готовой продукции.

Средства измерения плотности часто называют плотномерами или денсиметрами

(денситометрами).

Для измерения плотности в настоящее время применяются плотномеры весовые,

поплавковые, гидроаэростатические, гидрогазодинамические, радиоизотопные,

акустические, вибрационные.

Далее рассмотрим наиболее широко применяемые автоматические плотномеры жидкостей и

газов.

Весовые, или пикнометрические плотномеры.

Принцип действия этих механических плотномеров состоит в непрерывном взвешивании

постоянного объема анализируемого вещества в некоторой емкости или трубопроводе.

Наиболее распространен плотномер жидкостей, схема которого показана на рисунке 1.90.

Рисунок 1.90 - Схема весовых и поплавковых плотномеров жидкостей

Чувствительным элементом плотномера служит U- образная трубка 7, изготовленная из

нержавеющей стали, соединенная через тягу 3 с рычагом 4. Концы трубки 7 через сильфоны

2 соединены с неподвижными патрубками 1, через которые подается анализируемая

жидкость. Наличие сильфонов 2 позволяет трубке 7 поворачивается вокруг оси О – О. При

увеличении плотности жидкости увеличивается масса трубки с жидкостью, что через рычаг 4

передается к механоэлектрическому или механопневматическому преобразователю 5,

156

построенному по принципу компенсации сил, выходной сигнал Свых. которого

пропорционален изменению плотности анализируемой жидкости. Противовес 6,

укрепленный на рычаге 4, служит для уравновешивания момента сил, создаваемого трубкой

7 с жидкостью при выбранном нижнем приделе измерения плотности. Устройство 8 служит

для автоматического введения поправки к сигналу плотномера в зависимости от

температуры анализируемой жидкости, которую это устройство непрерывно измеряет.

Поплавковые или ареометрические плотномеры.

Принцип действия этих механических плотномеров основан на непрерывном измерении

выталкивающей (подъемной) силы, действующей на поплавок, частично или плотностью

погруженный в анализируемое вещество.

На рисунке 1.90(б) показана схема поплавкового плотномера жидкостей с частично

погруженным поплавком 2, который размещается в емкости 1. через эту емкость непрерывно

прокачивается анализируемая жидкость. За счет перелива в емкости поддерживается

постоянный уровень. Анализируемая жидкость удаляется из плотномера через сборник 3.

При изменении плотности жидкости изменяется степень погружения поплавка 2 в емкость.

Достижение положения равновесия обеспечивается при этом изменения длины стержня 4,

погруженного в жидкость. Перемещение поплавка 2 преобразуется в электрический сигнал с

помощью диференцального трансформатора 5.

Существует много различных конструкций плотномеров с частично погруженным

поплавком. Они обладают высокой чувствительностью, что позволяет осуществлять

измерения плотности в узком диапазоне.

На рисунке 1.90 (в) показана схема поплавкового плотномера жидкостей с плотностью

погруженным поплавком 2. Последний размещен в камере 1. через которую прокачивается

анализируемая жидкость. Изменения выталкивающей силы, действующей на поплавок, при

прочих постоянных условиях пропорционально изменению плотности жидкости. Поплавок

укреплен на рычаге 3, герметичность вывода которого из камеры 1 обеспечивается

сильфоном 4. Момент на рычаге 3, создаваемый выталкивающей силой при значении

плотности, соответствующему нижнему пределу измерений, уравновешивается моментом,

создаваемым противовесом 5. Изменение выталкивающей силы преобразуется

преобразователем силы 6 в унифицированный пневматический или электрический сигнал

Свых.

Гидро – и аэростатические плотномеры.

Принцип действия этих механических плотномеров основана на зависимости давления Р

столба анализируемой жидкости или газа от плотности ρ этих сред:

157

,gHР

где Н – высота столба жидкости или газа.

Если значения Н принять постоянным, то давление Р однозначно определяется

плотностью среды:

kР ,

где k =gH – постоянный коэффициент.

На рисунке 1.90(а) приведена схема гидростатического плотномера жидкости. В данном

измерительном устройстве анализируемая жидкость непрерывно прокачивается через камеру

1, в которой на опорной плате 9 размещены измерительные сильфоны 2 и 4. Расстояние

между этими сильфонами по высоте составляют Н, поэтому на сильфон 2 действует большее

гидростатическое давление, чем на сильфон 3 заполнены вспомогательной жидкостью.

Сильфон 3 служит для температурной компенсации и по существу представляют собой

жидкостный манометрический термометр. Разность усилий на сильфонах 2 и 4,

возникающая за счет разности гидростатических давлений на них, создает на измерительном

рычаг 7 передается в преобразователь 5 силы в унифицированный электрический или

пневматический сигнал. Мембрана 6 обеспечивает герметичный вывод рычага 7.

Схемы гидростатического плотномера, принцип действия которого основан на измерении

гидростатического давления путем продувки сжатого газа. Такие плотномеры используются

в химико – технологических процессах для измерения плотности непосредственно в

технологических аппаратах. В аппарате 7 установлены трубки 1 и 2 с различной глубиной

погружения. Газ (обычно воздух) от регулятора расхода 5 поступает к пневматически

дросселям 3 и 4, а затем к трубкам 2 и 1. Через открытые торцы трубок газ барботирует через

жидкость. Давление газа в трубках 1 и 2 определяется гидростатическим давлением столба

жидкостей высотой Н1 и Н2 рисунок 1.91(б).

158

Рисунок 1.91 - Схемы гидро- и газостатических плотномеров жидкостей и газов

Разность давлений в трубках измеряется дифманометром 6 с пневматическим или

электрическим выходным сигналом.

Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на результат измерений возможных

изменений уровня жидкости в аппарате.

Схема широко распространенного аэростатического плотномера газов показана на

рисунке 1.91(в). В этом плотномере анализируемый газ и воздух прокачиваются при

постоянных давлениях соответственно через вертикальные трубки 1 и 2, внутренние полости

которых образуют столбы анализируемого газа и воздуха одинаковой высоты. Разность

аэростатических давлений этих столбов измеряется с помощью высокочувствительного

колокольного дифманометра 3, работающего по принципу уравновешивания за счет измене-

нии выталкивающей силой. Перемещение колокола 4 дифманометра с помощью

преобразователя 5 преобразуется в уинфицированный электрический или пневматический

сигнал.

Одним из наиболее совершенных и чувствительных является плотномер рисунок 22, г, в

котором используется комбинация механического и теплового эффектов. Анализируемый газ

с постоянным объемным расходом поступает в трубку 2, а в трубку 3 при постоянном

давлении поступает вспомогательный газ (обычно воздух). Газовые потоки выводятся через

159

трубку. Трубки 1, 2 и 3 расположены вертикально. При изменении плотности

анализируемого газа и меняется аэростатическое давление столба газа в трубке 2, а

следовательно, и давление в точке А. Поэтому изменяется расход воздуха, омывающего

резисторный измерительный термоанемометр Rи, в результате чего изменяется его

сопротивление. Сопротивление сравнительного термоанемометра Rcp остается постоянным,

так как омывающий его поток воздуха практически не изменяется. Изменение

сопротивления термоанемометра Rи вызывает разбаланс U неравновесного моста 4. Этот

разбаланс описывается выражением:

U = К(ρ-ρв ),

где К — коэффициент преобразования плотномера;

ρв — плотность иоздуха.

Гидро-газо(аэро)динамические плотномеры.

Принцип действия этих механических плотномеров основан на сообщении потоку

анализируемого вещества дополнительной кинетической энергии и на измерении

параметров, характеризующих эффекты, возникающие при этом воздействии. В основном

указанные плотномеры применяются для измерения малой по значению плотности газов.

На рисунке 1.92 показаны упрощенные схемы газодинамических плотномеров газов.

Рисунок 1.92 - Схема газодинамических плотномеров газов

В плотномере рисунке 1.92 (а) потоку анализируемого газа, протекающего через камеру

2, сообщается кинетическая энергия турбинкой 3, приводимой во вращательное движение

синхронным двигателем 1. Поток газа поступает к турбинке 4 и создает на ней своей

кинетической энергии вращающий момент, определяемый формулой:

160

М= k ω2 ρ,

где k — постоянный коэффициент,

ω — частота вращения турбинки 3.

Под действием этого момента турбинка 4 поворачивается, а возникающий на ней

момент уравновешивается моментом, создаваемым на оси 8 плоской пружины 5. Угол

поворота от оси 8 и стрелки 6 по шкале пропорции плотности газа. С помощью

преобразователя 7 угол поворота преобразуется в унифицированный сигнал.

В основу работы плотномеров рисунок 1.92(б,в) положен эффект истечения газа через

диафрагму. В плотномере представленном на рисунке 1.92(б), анализируемый газ

прокачивается с постоянным объемным расходом Q, создаваемым трехступенчатым

вентилятором 3, через диафрагму 4 диаметром 0,5 – 1 мм. Вентилятор приводиться во

вращательное движение через магнитную муфту 2 синхронным двигателем или

пневматической турбинкой 1. Перепад давлений (50 – 500Па), возникающий на диафрагме 4,

измеряется дифманометром 5 с унифицированным сигналом.

Плотномер способен измерять плотность газа в нормальных, рабочих условиях.

Плотномер рисунок. 1.92 (в) является устройством циклического действия и работает

в импульсном режиме. Он представляет собой пневматический неравновесный мост,

составленный из четырех диафрагм (турбулентных пневмосопротивлений), два из которых

RИ И R1 включены в измерительную 4, а два других RСР И R2 - в сравнительную 7 ветвь моста.

Через обе ветви моста протекает сухой воздух (газ-носитель), поступающий от давления 1.

При этом перепад давления между точками А и В моста равен нулю. В дозатор 3 все время

поступает анализируемый газ, промывая дозируемый объем 2. Периодически по сигналу

командного прибора 6 каналы дозатора переключаются так, что дозируемый объем

отключается от линии анализируемого газа, а к нему подключается линия подачи газа-

носителя. Газ - носитель начинает выталкивать отобранный объем газа через мерительную

ветвь 4 и турбулентное пневмосопротивление RИ. При этом давление в точке А изменяется, а

в точке В остается постоянным. Разность давления между точками А и В описывается

выражением:

∆Р = k(ρ –ρв)

где k - постоянный коэффициент.

Перепад давлений на измерительной диагонали моста измеряется дифманометром 5 с

унифицированным выходным сигналом. Сигнал плотномера практически не зависит от

изменений окружающей температуры и давления. Продолжительность одного цикла

работы 3 мин.

161

Вибрационные плотномеры.

Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости

параметров упругих колебаний (вибрация), сообщаемых камере с анализируемым

веществом или телу, размещенному в нем, от плотности этого вещества. Обычно в

качестве параметра упругих колебаний используется частота собственных колебаний

резонатора, находящегося в режиме автоколебаний. Резонаторы вибрационных плотномеров

выполняют в виде трубки, пластины, стержня, струны, камертона.

Конструктивно различают проточные и погруженные вибрационные плотномеры. В

первых анализируемое вещество протекает через внутреннюю полость резонатора, во

вторых —резонатор размещается в потоке анализируемого вещества.

На рисунке 1.93(а) показана схема проточного вибрационного плотномера

жидкостей.

Рисунок 1.93 Схемы вибрационных плотномеров жидкостей и газов

Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 и 2 (резонатор),

установленные в сильфонах 6 и скрепленными перемычками 8. Сильфоны 6 расположенные

в опорах 5. Указанные трубки, катушка 3. воспринимающая колебания трубок резонатор,

катушка возбуждения 4 и электронный усилитель 10 составляет электромеханический

генератор, частота колебаний которого определяется плотностью анализируемой жидкостью

Выходной сигнал усилитель 10 в виде частоты вводится в вычислительное устройство 9. к

которому подключены платиновые термометры сопротивления 7 и 11, позволяющие

корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры

жидкости в нем.

162

На рисунке 1.93(б) показана схема погруженного камертонного вибрационного

плотномера газов. Здесь электромеханический генератор состоит из воспринимающих

катушек 2 с магнитом 1, катушек возбуждения 6 с магнитом 7, камертона 4, расположенного

в корпусе 3, и электронного усилителя 5. Частота колебаний системы на выходе усилителя 5

сравнивается с частотой кварцевого генератора, а разность частот этих колебаний,

определяющих плотность газа, измеряется частотомером.

1.5.2 Средства измерения вязкости жидкостей

Для химико – технологических процессов, связанных с производством нефтяных масел,

консистентных смазок, полимеров, растворителей, вязкость является показателем,

однозначно определяющим качество продукции.

Вязкость (внутреннее трение) свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать

сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкого

течения описывается формулой Ньютона:

dn

dWSF ,

где F - тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа)

друг относительно друга;

S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг;

dW/dn — градиент скорости W течения (быстроты изменения ее от слоя к слою) по

нормали n.

Коэффициент пропорциональности η называют динамической вязкостью. Он

характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоев. Величину, обратную

динамической вязкости φ =1/η называют текучестью. Наряду с понятием динамической

вязкости используют понятия кинематической вязкости:

ν = η /ρ

Единица динамической вязкости с СИ — Па·с, в системе СГС—П (пуаз); единица

кинематической вязкости в СИ — м2/с, и системе СГС—ст (стокс). Соотношение между

названными единицами: 1П=10 -1

Па·с; 1CT=10 -4

М2/С.

Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, и газов — увеличивается.

Динамическая вязкость до давлений 20 МПа практически не зависит от давления. Вязкость в

общем случае не является аддитивным физическим свойством.

Средства измерений вязкости называют вискозиметрами. На химико - технологических

процессах вискозиметры используются только для измерения вязкости жидкостей. В

163

настоящее время разработаны автоматические капиллярные, ротационные, вибрационные

вискозиметры, вискозиметры с падающим телом.

Капиллярные вискозиметры (вискозиметры истечения).

Принцип действия этих механических вискозиметров основан на закономерности

истечения жидкости через капилляр, описываемой законом Пуазейля:

)(128

21

4

PPl

dQ

,

где Q — объемный расход жидкости;

d и l —внутренний диаметр и длина капилляра;

P1, P2 — давление до и после капилляра по потоку.

На рисунке 1.94 показана схема капиллярного вискозиметра, в котором для создания

постоянного объемного расхода анализируемой жидкости используется шестеренчатый

насос 1, приводимый в движение синхронным двигателем 2.

Рисунок 1.94 - Схемы капиллярных вискозометров

Из насоса анализируемая жидкость поступает в змеевик 3, где нагревается до

температуры масла, заполняющего термостат 6, а затем – в капилляр 4, размеры которого

выбираются в зависимости от диапазона измеряемых значений вязкости. Перепад давлений

на капилляре измеряется дифманометром 5 с пневматическими или электрическими

унифицированным выходным сигналом, который пропорционален динамической вязкости

анализируемой жидкости. Температура в термостате поддерживается постоянной и

равняется 50 или 1000С.

В вискозометре представленном на рисунке 1.93 (б) стабилизация объемного расхода

анализируемой жидкости осуществляется пневматической системой автоматического

регулирования, состоящей из диафрагмы 4, дифманометра 7, пневматического регулятора 8

и исполнительного механизма 2. Анализируемая жидкость подается из напорной емкости 1 с

переливной трубкой. Возможность стабилизации расхода жидкости таким способом

базируется на том, что перепад давлений на диафрагме практически не зависит от

динамической вязкости, а плотность анализируемой жидкости изменяется незначительно.

При таких условиях поддержание постоянного перепада давления обеспечивает постоянство

164

объемного расхода анализируемой жидкости. Змеевик 3, диафрагма 4 и капилляр 5

размещены в водяном термостате 9, где поддерживается температура, равная 1000С, за счет

подачи в него насыщенного водяного пара при атмосферном давлении. Перепад давления на

капилляре измеряется дифманометром 6 с пневматическим выходным сигналом.

Вискозиметры с падающим телом (шариковые вискозометры).

Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении скорости

(или времени) движения тела (шарика) под действием сил тяжести и трения в анализируемой

жидкости.

На рисунка 1.95 показана схема шарикового вискозиметра циклического действия.

Рисунок 1.95 - Схема шарикового вискозиметра

Анализируемая жидкость из аппарата 7 или трубопровода прокачивается насосом 6 по

трубке 1 из немагнитного материала снизу вверх или при своем движении поднимает шарик

4 от нижней 11 до верхней 5 ограничительной сетки. При включении двигателя 8 насоса

(периодическое включение и выключение осуществляются блоком управления 9) шарик

падает в анализируемую жидкость. С помощью дифференциальных трансформаторов 3 и 2

формируются электрические импульсы в моменты времени, когда шарик проходит две

выбранные отметки отстоящие друг от друга по высоте трубки на расстояние l. С помощью

измерителя временных интервалов 10 измеряется отрезок времени между указанными

импульсами, значение которого и определяет динамическую вязкость.

Ротационные вискозиметры.

Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении крутящего

момента, возникающего на оси ротора (цилиндра, диска и т. п.), погруженного в измеряемую

среду, при взаимном их перемещении. Указанный крутящий момент в общем случае

описывается выражением:

М = kωm,

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора вискозиметра;

165

ω — угловая скорость вращения ротора (при постоянной угловой скорости крутящий

момент однозначно I определяет вязкость жидкости).

Из большого многообразия конструкций вращающихся элементов ротационных

вискозиметров в автоматических анализаторах обычно используются конструкции,

показанные на рисунке 1.96.

Рисунок 1.96 - Схемы ротационных вискозиметров

Вискозиметры, представленные на рисунке 1.96 (а—в), объединяет общий принцип

действия, в соответствии с которым вязкость определяется по моменту сил трения,

возникающему при вращении тела, погруженного в анализируемую жидкость. Таким телом

может быть цилиндр рисунок 1.96 (а), шар рисунок 1.96 (б) или диски, посаженный на

общий вал и расположенные между неподвижными шайбами рисунок 1.96 (б). в

вискозиметрах момент вращения, создаваемый диском рисунок 1.96 (г) или цилиндром 2

рисунок 1.96 (д), передается через жидкость диску или цилиндру 3. диску или цилиндру

вращательное движение сообщается синхронным двигателем 1. Вращающий момент,

возникающий на диске (цилиндре) 3, а следовательно, на шкиве 5, насаженном на одном

валу 4 с диском (цилиндром) 3, пропорционален динамической вязкости. Этот момент

уравновешивается силой упругой деформации пружины 7, соединенной с гибкой нитью 6,

которая прикреплена к шкиву 5. Значение деформации пружины можно наблюдать по шкале

8. с помощью преобразователя 9 сила упругой деформации пружины 7 преобразуется в

унифицированный электрический или пневматический сигнал.

166

1.5.3 Средства измерения концентрации

Измерения концентрации определяемого компонента в бинарных и псевдобинарных

смесях жидкостей и газов – одна из наиболее распространенных задач автоматического

контроля качества потоков химико – технологических процессов. В общем случае измерения

концентрации определяемого компонента в бинарной смеси осуществляется путем

измерения какого – либо физико – химического свойства этой смеси и выполнение

вычислений. Во многих важных для практики автоматических измерений случаях с

достаточной точностью считают, что физико – химические свойства анализируемой смеси

аддитивны, то есть могут быть определены как сумма произведений физико – химических

свойств компонентов на их концентрации, выраженные в долях.

Термокондуктометрические газоанализаторы.

Принцип действия термокондуктометрических газоанализаторов основан на процессе

теплопереноса в газах под действием градиента температур. Термокондуктометрические

анализаторы по принципу действия относятся к тепловым средствам измерений.

Теплопроводность определят собой количество тепловой энергии, проходящей через единицу

площади, за единицу времени при градиенте температуры, равном единице температуры на

единицу длины. Размерность теплопроводности в СИ Дж/(град·см) или Вт/(гра·м).

Передача тепловой энергии теплопроводностью происходит при столкновении между собой

молекул, имеющих различную кинетическую энергию. Теплопроводность газов

пропорциональна произведению длины свободного пробега молекул на их число в единице

объема. Она практически не изменяется при больших изменениях давления, пока длина

свободного пробега молекул не становится соизмеримой с размерами емкости, в которой

расположен газ. Для подавляющего большинства газов теплопроводность заметно возрастает с

увеличением температуры.

Измерение теплового сопротивления анализируемой газовой смеси осуществляется в

термокондуктометрических газоанализаторax по электрическому сопротивлению

терморезистора в процессе передачи тепловой энергии от этого терморезистора, нагреваемого

электрическим током до некоторой температуры, через слой анализируемого газа постоянной

толщины к стенкам камеры, в которой этот терморезистор размещен, имеющим меньшую, чем

терморезистор, постоянную температуру.

Основной частью термокондуктометрического газоанализатора является детектор,

представляющий собой металлический блок 7 рисунок 1.97 (а, б) в котором высверлены две

или чаще четыре камеры 2, 6, 7, 8 цилиндрической формы.

167

Рисунок 1.97 - Схемы термокондуктометрического детектора (а) и газоанализатора (б)

В каждой из камер в проволочных держателях 4, укрепленных в электроизоляционной

обойме 5, размещены металлические или полупроводниковые терморезисторы 3.

Металлические терморезисторы выполнены из платиновой, вольфрамовой или

вольфрамрениевой проволоки диаметром 0, 02—0, 05 мм. Иногда проволока защищена от

коррозии стеклянной оболочкой. Сопротивление металлических терморезисторов составляет

обычно 5—60 Ом. Полупроводниковые терморезисторы выполнены в виде бусинок

диаметром 0, 2—0, 5 мм с сопротивлением 2 –ЗО кОм.

Схема термокондуктометрического газоанализатора показана на рисунке 1.97 (б).

Анализируемый и вспомогательный газы поступают из блока подготовки газов 9 с

постоянными (объемными расходами соответственно в соединенные последовательно

камеры 2, 6 и 8, 7 рисунок 1.97 (а). Размещенные в этих камерах измерительные Rи и

сравнительные Rcp терморезисторы включены в неравновесный мост, для питания

которого служит стабилизированный источник питания 11 (обычно постоянного тока).

Напряжение питания подбирают таким, чтобы терморезисторы были нагреты до

температуры 50— 200°С. Резистор Ro служит для настройки начального уровня сигнала

неравновесного моста, Rд - для настройки коэффициента передачи. Тепловая энергия,

выделяющаяся на терморезисторах Rи отводится в общем случае за счет теплопроводности

через слой газа, конвекции, излучения и теплопроводности в тонких креплениях

терморезистора. Режим работы терморезисторов подбирают так, чтобы теплопередача в

камерах детектора происходила практически полностью за счет теплопроводности через

слой газа.

Когда теплопроводности анализируемого и сравнительного газов одинаковы, с помощью

резистора R0 на измерительной диагонали моста устанавливается нулевое значение сигнала.

При изменении теплопроводности смеси условие теплопередачи в камерах 2 и 6 изменяется,

168

а в камерах 7 и 8 остается прежним. Это вызывает изменение сопротивлений

терморезисторов Rи. В результате на измерительной диагонали моста возникает разбаланс,

часть которого с резистора Rд поступает в промежуточный преобразователь 12,

вырабатывающий унифицированный сигнал. Этот сигнал воспринимается автоматическим

потенциометром 13.

В термокондуктометрических анализаторах аналитическое устройство 10 обычно

термостатируется либо применяются дополнительные устройства, осуществляющие

коррекцию показаний анализатора в зависимости от его температуры. Иногда камеры 7 и 8

выполняют герметичными и заполняют газом с теплопроводностью, соответствующей

нижнему пределу измерений газоанализатора.

Термокондуктометрические газоанализаторы применяются для измерения концентрации

Н2, Не, СО2, S02, NH3, Аг, в бинарных и псевдобинарных газовых смесях.

Диффузионные газоанализаторы.

Принцип действия диффузионных газоанализаторов основан на процессе переноса

вещества (компонента смеси) под действием градиента его концентрации. Этот перенос

может происходить при соприкосновении веществ друг с другом (диффузия) или сквозь

твердое вещество (трансфузия или прорицание). Процесс переноса вещества связан с

хаотическим тепловым движением молекул, происходящим в направлении уменьшения

концентрации вещества и ведущим к его равномерному распределению по занимаемому

объему. Проникновение через твердое тело определяется наличием разрывов в их

кристаллической решетке, нерегулярных щелей и пор в макроструктуре твердого вещества

или растворением газов и паров в твердом веществе. Наиболее быстро процесс переноса

вещества под действием градиента концентрации происходит в газах, что во многом

определяет использование этого явления для автоматического контроля концентрации газов.

На рисунке 1.98(б) показана схема диффузионного мембранного анализатора

концентрации водорода.

Рисунок 1.98 - Схемы диффузионных газоанализаторов

169

В этом анализаторе камеры 2 и 1 разделены тонкой (10—20 мкм) мембраной из сплава

палладия серебром. Аналитическое устройство анализатора термостатируетя при

температуре 45°С. Через камеру 2 с постоянным объемным расходом прокачивается

анализируемый газ, содержащий водород, а через камеру 1 — вспомогательный газ,

который предварительно проходит через камеру 4. В камере 1 размещены измерительный Rи,

а в камере 4 — сравнительный Rcv терморезисторы. Эти терморезисторы подключены к

неравновесному мосту 5 и образуют термокондуктометрический детектор. При работе

анализатора, через мембрану из камеры 2 в камеру 1 диффундирует только водород,

который добавляется к вспомогательному газу и изменяется теплопроводность газового

потока, омывающего измерительный терморезистор Rи. Это вызывает изменения сигнала

неравновесного моста 5, который измеряется и регистрируется самопишущим

потенциометром 6.

На рисунке 1.98 (б) приведена схема автоматического диффузионного анализатора

концентрации легкого компонента в многокомпонентных смесях, основанного на взаимной

диффузии. Здесь через камеру 2 с постоянным объемным расходом прокачивается анали-

зируемый газ, а через камеры 1 и 5 — вспомогательный газ, например воздух. Камеры 2 и 5

отделены друг от друга непроницаемой перегородкой 4, в которой имеется окно 3, закрытое

металлической сеткой или бумагой. В камере 1 размещены сравнительный Rсp, а в камере 5

— измерительный Rи терморезисторы термокондуктометрического метрического

детектора.

При протекании по каналам названных газовых потоков через окно 3 между ними

происходит диффузия. Причем условия ее протекания (скорость потока, размеры окна 3,

расстояние терморезистора Ru от окна) подобраны так, что к измерительному терморе-

зистору успевает продиффузировать только компонент, обладающий наибольшим в данной

анализируемой смеси коэффициентом диффузии (обычно это наиболее легкий компонент).

Остальные компоненты сносятся потоком вспомогательного газа и практически не

достигают терморезистора Rи. Поэтому изменения сопротивления терморезистора Ru,

связанные с изменением теплопроводности омывающей газовой смеси, будут происходить

только за счет изменения концентрации легкого компонента. Возникающий при этих

изменениях разбаланс неравновесного моста 6 измеряется и записывается потенциометром

7. Аналитическое устройство анализатора термостатируется при температуре 45°С.

Диффузионные газоанализаторы обладают на порядок большей селективностью при измерении

концентрации определяемого компонента, чем термокондуктометрические, за счет существенно

меньшего влияния на их показания изменений концентраций неопределяемых компонентов

многокомпонентных газовых смесей.

Магнитные газоанализаторы.

170

В основу работы магнитных газоанализаторов положены различные явления, связанные с

взаимодействием определяемого компонента анализируемой (в общем случае

многокомпонентной) газовой смеси с магнитным полем.

Газы, которые втягиваются в магнитное поле, называют пара магнитными, а те газы, которые

выталкиваются из магнитного ноля, — диамагнитными. Количественно магнитные свойства газов

определяются величиной, называемой магнитной восприимчивостью. Эта величина для

парамагнитных и диамагнитных газов описывается выражениями:

2РТ

Рсп

,

РТ

Рсд

где п и д - объемные магнитные восприимчивости парамагнитных и диамагнитных газов;

ск – постоянная Кюри;

μ – молекулярная масса;

Р и Т – абсолютные давления и температура;

R – универсальная газовая постоянная;

д - удельная магнитная восприимчивость диамагнитного газа.

Магнитная восприимчивость парамагнитных газов является положительной величиной,

диамагнитных газов — отрицательной. Она обладает свойством аддитивности. Подавляющее

большинство газов и паров являются диамагнитными. Парамагнитными свойствами обладают

кислород и оксиды азота. Причем по абсолютному значению магнитная восприимчивость кислорода

в 100 раз и более превосходит магнитную восприимчивость остальных газов и паров (кроме оксидов

азота). Аномальные параметрические свойства кислорода используются для получения

измерительной информации о его концентрации в многокомпонентных смесях газов и паров.

Измерение концентрации кислорода с помощью магнитных газоанализаторов базируется на

рассмотренном методе анализа псевдобинарных смесей.

В настоящее время разработано много конструкций магнитных газоанализаторов для

измерения концентрации кислорода. Наиболее распространенными являются термомагнитные

газоанализаторы.

На рисунке1.99 приведена схема термомагнитного газоанализатора.

Рисунок 1.99 - Схема термомагнитного газоанализатора

171

В его работе используется явление термомагнитной конвекции, сущность которого

заключается в том, что при расположении в неоднородном магнитном поле проводника,

нагреваемого электрическим током, за счет уменьшения магнитной восприимчивости

кислорода, вызванного нагреванием, образуется движение газовой смеси, направленной от

области большей напряженности магнитного поля к области меньшей напряженности.

Анализируемый газ поступает из блока подготовки 1 с постоянным объемным расходом

в кольцевую камеру 3. По диаметру этой камеры установлена тонкостенная стеклянная

трубка 4. С намотанными на ней терморезисторами теплового расходомера R1 и R2. Если в

анализируемом газе отсутствует кислород, то при горизонтальном положении трубки 4 поток

газа через нее отсутствует.

Когда в анализируемом газе имеется кислород, он втягивается в магнитное поле,

создаваемое постоянным магнитом 2 около левого (на рисунке) конца трубки 4. Затем

кислород нагревается терморезистором R1 до температуры выше точки Кюри (~80°С), при

которой он теряет свои парамагнитные свойства, становится диамагнитным и выталкивается

из магнитного поля (в направлении стрелки на рисунке 1.99). Возникает «магнитный ветер»

— поток газа, протекающий по трубке 4. Расход газа в трубке 4 измеряется тепловым

расходомером. Разбаланс неравновесного моста 5, определяемый объемной концентрацией

кислорода в анализируемом газе, измеряется и регистрируется потенциометром 6.

Аналитическое устройство 7 анализатора термостатируется при температуре 45°С.

Сорбционные газоанализаторы.

В основу работы сорбционных газоанализаторов положены различные эффекты,

сопровождающие процесс сорбции (сорбция — поглощение твердым телом или жидкостью

вещества из окружающей среды). Это явление давно используется в аналитическом

контроле. Так, широко распространены волосяные влагомеры воздуха, в которых сигнал

измерительной информации формируется за счет изменения длины волоса с изменением

влажности воздуха. Интенсивное развитие сорбционных методов и средств автоматического

контроля наблюдается в последнее время. В сорбционных газоанализаторах используются

механические, тепловой, оптические и электрические эффекты, сопровождающие процесс

адсорбции газов и паров. В дилатометрическом газоанализаторе рисунок 1.100(а),

предназначенном для измерения концентрации водорода, в камере 2, через которую

прокачивается анализируемый газ, размещена тонкостенная трубка 1, изготовленная из

палладия.

172

Рисунок 1.100 - Схема сорбционных газоанализаторов

Водород, содержащийся в анализируемом газе, растворяется в палладии. При этом длина

трубки 1 за счет эффекта набухания с увеличением концентрации водорода увеличивается.

Так как верхний конец трубки 1 закреплен на корпусе 2, то ее нижний конец свободно

перемещается. С помощью емкостного, индуктивного или пневматического преобразователя

перемещений 4 измеряются перемещения пластины 3, укрепленной на нижнем конце трубки

1. Эти перемещения связаны с концентрацией водорода в многокомпонентных газовых

смесях.

Известны сорбционные дилатометрические газоанализаторы, предназначенные для

измерения концентрации пропана, бутана, диоксида углерода или других технических газов,

в которых вместо палладиевой трубки используется стержень, изготовленный из

адсорбента (активированный уголь, алюмогель, силикагель).

На рисунке 1.100 (б) показана схема газоанализатора, основанного на определении массы

сорбированного определяемого компонента анализируемой смеси. Последнее

осуществляется путем измерения частоты или амплитуды колебаний пьезоэлектрической

(обычно кварцевой) пластины 1 (размерами 12×120, 2 мм), на поверхности которой

напылены электроды 3 и нанесен слой сорбента 2. Пластина включена в колебательный

контур высокочастотного генератора 5 и размещена в камере 4 через которую

прокачивается анализируемый газ. При изменении концентрации определяемого компонента,

который селективно сорбируется слоем сорбента 2, изменяется масса последнего, что

изменяет частоту колебаний пластины, а следовательно, и частоту колебаний генератора 5.

Выходной сигнал этого генератора поступает в смеситель 6, а сигнал опорной частоты

поступает в смеситель от генератора 7, частота колебаний которого определяется

пьезокварцевой пластиной 9 с электродами 10, размещенной в герметичной камере 8.

Рассмотренный газоанализатор может использоваться для измерения концентрации Н2,

NO2, S02, NH3, H2S и паров НС1, Hg, Н20, ароматических углеводородов и других веществ

при соответствующем подборе сорбирующего слоя. В качестве сорбирующего слоя обычно

используются различные жидкие фазы, применяемы в газожидкостной хроматографии. При

173

использовании газоанализатора для измерения концентрации паров воды, т. е в качестве

гигрометра, сорбирующий слой выполняют из диоксида кремния, пентоксида фосфора,

сульфированного полистирола и других гигроскопических полимеров и природных смол.

Интенсивно развивающимся направлением автоматического газового анализа являются

методы и средства, базирующиеся на использовании электрических явлений, сопровождающих

процесс сорбции. В основу работы сорбционных электрокондуктометрических (далее просто

кондуктометрических) газоанализаторов положено измерение проводимости адсорбентов,

изготовленных в виде гранул, пластин или пленок. Проводимость существенно изменяется при

сорбции газов или паров. Как правило, материалы, из которых изготавливают указанные

элементы, являются полупроводниками.

В настоящее время разработано большое число конструкций сорбционно-

кондуктометрических газоанализаторов. Из всего многообразия этих конструкций можно

выделить газоанализаторы с пленочным, диодным, триодным чувствительным элементом и

чувствительным элементом в виде гранулы. В качестве материалов в полупроводниковых

пленочных чувствительных элементах используют в основном оксиды металлов Sn02, Nb2Os,

CoO, ZnO, Zr02, а также германий и кремний. На рисунке 1.100(в) показана схема

газоанализатора с пленочным чувствительным элементом. В качестве пленки 2 используется

оксид цинка, нанесенный на боросиликатную подложку. Толщина пленки 20—1000 А,

размеры ее 20×4 мм. Через нанесенные на нее контакты 3 пленка подложки подключается к

измерительной схеме. При протекании через камеру 1 анализируемого газа определяемый

компонент сорбируется на пленке и изменяет ее электрическое сопротивление.

Вещества, обладающие донорными свойствами, увеличивают электропроводность, а

вещества с акцепторными свойствами уменьшают ее. Сигнал анализатора определяется

током, создаваемым в цепи стабилизированным источником 5, который преобразуется в

унифицированный сигнал высокоомным преобразователем 4. Для получения высокой

чувствительности пленку нагревают до температуры 200—400°С.

Испарительные и конденсационные анализаторы.

По принципу действия испарительные и конденсационные газоанализаторы относятся к

тепловым средствам измерений, так как в их работе используются тепловые эффекты

испарения, кипения и конденсации жидкости.

Одним из старейших и распространенных газоанализаторов является

психрометрический, или психрометр. Действие его основано на измерении изменений

температуры жидкости при ее испарении в анализируемый газ, содержащий в качестве

определяемого компонента пары этой жидкости. Психрометры могут использоваться для

измерения концентрации паров любых жидкостей в газах, однако наиболее широко они

применяются для измерения концентрации паров воды, т. е. и качестве гигрометров.

174

Концентрацию паров жидкости в газах принято характеризовать абсолютной или

относительной влажностью.

Диэлькометрические анализаторы.

Принцип действия диэлькометрических анализаторов состоит в измерении

диэлектрической проницаемости ε среды, заполняющей электрический конденсатор,

емкость которого определяется выражением:

C = k ε,

где k — постоянный коэффициент, который определяется размерами конденсатора и его

конструкцией.

Эти анализаторы применяются для анализа состава бинарных или псевдобинарных

смесей газов и жидкостей. На рисунке 1.101,(а) по казана схема диэлькометрического

гигрометра, в котором измерение диэлектрической проницаемости используется совместно с

явлением сорбции паров воды из анализируемого газа.

Рисунок 1.101 - Схема диэлькометрических анализаторов

В этом гигрометре анализируемый газ прокачивается с постоянным объемным расходом

через камеру 1, в которой размещен алюминиевый стержень 2, по поверхности которого

сделана нарезка и нанесен оксид алюминия. В нарезку уложена никелевая проволока 3.

Стержень 2 и проволока 3 образуют конденсатор, емкость которого увеличивается при

сорбции паров воды оксидом алюминия. Последняя вызывает увеличение емкости

конденсатора, которая измеряется не равновесным электрическим мостом переменного тока

и вторичным прибором (вольтметром) 4. Существуют схемы диэлькометрических

гигрометров с равновесным электрическим мостом.

Обычно гигрометры рассмотренного типа обеспечивают измерение относительной

влажности в пределах 20—100процентов. Известны диэлькометрические гигрометры, в

которых поры оксидной пленки заполнены насыщенным раствором гигроскопической соли. Они

обеспечивают измерение микроконцентраций влаги в газах.

Диэлькометрические анализаторы находят широкое применение для автоматического контроля

концентрации воды в нефти. Схема диэлькометрического дифференциального влагомера нефти

175

показана на рисунке 1.101(б). Анализатор содержит два цилиндрических конденсатора 1 и 9.

Конденсатор 1 установлен в трубопроводе 10, по которому протекает анализируемая нефть, а

конденсатор 9 установлен и емкости 8, которая периодически заполняется нефтью, очищенной и

устройстве 7 от воды и механических примесей. Конденсаторы 1 и 9 включены в

колебательные контуры генераторов 2 и 6. Частоты колебаний последних пропорциональны

емкостям конденсаторов 1 и 9. Входные сигналы генераторов поступают в смеситель 3. Сигнал

смесмесителя в преобразователе 4 преобразуется в унифицированный сигнал постоянного тока,

который измеряется и регистрируется автоматическим потенциометром 5. Необходимость

использования дифференциальной схемы связана с тем, что при малых концентрациях воды

дополнительная погрешность, вызванная различием в значениях диэлектрических проницаемостей

нефти из различных месторождений, становится существенной.

Оптические анализаторы, в работе которых используется излучение видимой части

спектра.

Для измерения концентраций в настоящее время используется излучение практически

всего спектра электромагнитных колебаний, начиная с радиоволн и кончая γ-излучениями.

Наиболее широкое применение имеют излучения инфракрасной, видимой и ультрафио-

летовой областей спектра. Анализаторы, работающие с излучениями этих областей спектра,

называют фотометрическими. В анализаторах используются явления поглощения, отражения

и рассеяния электромагнитного излучения анализируемым веществом.

Анализаторы, основанные на явлении поглощения электромагнитного излучения,

называют абсорбционнооптическими и абсорбционнометрическими.

Поглощение излучения видимой части спектра связано с переходами между

энергетическими уровнями валентных электронов атомов или молекул поглощающего

вещества.

Анализаторы жидкостей и газов, основанные на явлении поглощения электромагнитного

излучения видимой части спектра, называются колориметрами или фотоколориметрами.

Излучение видимой части спектра используется также для измерения концентрации

жидких или твердых частиц в газе (дым, туман), твердых или форменных частиц в

жидкостях (суспензия, эмульсия). Газы или жидкости, содержащие различные частицы,

называют дисперсными средами.

При прохождении потока света через дисперсную среду имеет место его рассеяние,

которое при прочих постоянных условиях зависит от соотношения размеров частиц и длины

световой волны. Если последняя значительно больше размера частиц, то имеет место

дифракция световой волны, то есть огибание волной частицы. Если же размеры частицы

больше длины волны, то имеет место преломление и отражение света на границе фаз.

Рассеяние света дисперсной средой принято характеризовать мощностью последней.

176

Анализаторы дисперсных сред, основанные на явлении рассеянии света и измерении

светового потока, проходящего через анализируемую среду, называются турбидиметрами.

Анализаторы дисперсных сред, основанные на явлении рассеянии света и измерении

отраженного этой средой светового потока, и называют нефелометрами.

В силу того, что свет разных длин волн имеет различные коэффициенты преломления

при разработке фотоколориметрических, турбидиметрических и нефелометрических

анализаторов, для обеспечения требуемой чувствительности применяют фильтры, что позволяет

использовать ту часть спектра, которая в наибольшей степени изменяется при прохождении через

анализируемую среду.

Схемные и конструктивные решения анализаторов, в работе которых используется излучение

видимой части спектра, весьма разнообразны. Колориметрические анализаторы классифицируют в

зависимости от числа источников и приемников излучения, числа используемых лучей и наличия

предварительного преобразования анализируемого вещества. На рисунке 1.102 приведены схемы

колориметрических, турбидиметрических и нефелометрических анализаторов.

Рисунок 1.102 - Схема фотометрических анализаторов видимого излучения

Колориметрический анализатор рисунке 1.102(а) имеет один источник (лампа 1) и два

приемника (фотоэлементы 6 и 9) излучения и является двухлучевым. Излучение, выходящее

из источника 1, пройдя через фильтр 2, разделяется на два луча, которые через зеркала 4

поступают в измерительную 5 и сравнительную 10 кюветы. Через измерительную кювету

прокачивается анализируемое вещество, а сравнительная обычно заполняется образцовым

веществом (вещество с известной или равной нулю концентрацией определяемого

177

компонента). Фотоэлементы 6 и 9 включены на вход усилителя 7 встречно, поэтому разность

их сигналов, преобразованная в этом усилителе в унифицированный сигнал, однозначно

зависит от концентрации определяемого компонента в анализируемом веществе. Выходной

сигнал усилителя 7 измеряется и регистрируется вторичным прибором 8.

Колориметрический анализатор рисунок 1.102 (б) является двухлучевым и имеет один

источник и один приемник излучения.

На рисунке 1.102(в) приведена схема турбидиметрического погруженного анализатора

мутности жидкостей. В этом анализаторе источник и приемник излучения размещены в

герметичных боксах 3 и 12, укрепленных на держателе 4. Источник света содержит лампу 2

и линзу 1, а приемник — линзу 11, светофильтр 10, диафрагму 9 и фотоэлемент 8. Во

внутренней полости держателя 4 размещен блок 6, который служит для питания источника

излучения и усиления сигнала фотоэлемента. Выходной сигнал блока 6 измеряется

вторичным прибором 7. Держатель 4 прикреплен к подвеске 5, на которой анализатор

подвешивается при погружении в анализируемую жидкость.

На рисунке 33, г показана схема турбидиметрического анализатора содержания частиц

сажи в дымовых газах (дымомер).

Схема нефелометра, построенного по методу уравновешивающего преобразования, показана на

рисунке 1.102(д). Излучение от источника 2 разделяется на два потока. Поток отраженного в

кювете 1 анализируемой средой света через линзу 13 и полупрозрачное зеркало 12 поступает в

фотоэлемент 10. Второй поток попадает в этот фотоэлемент через линзу 3, диафрагму, зеркала 7 и

12 и линзу 11. Названные потоки поочередно перекрываются обтюратором 6, который вращается

синхронным двигателем 5. Световые потоки сравниваются между собой и в случае их различия

электронный усилитель вырабатывает сигнал, управляющий работой реверсивного двигателя 5,

который перемещает заслонку 4 до тех пор, пока не восстановится равенство световых потоков,

поступающих в фотоэлемент. Мерой концентрации взвешенных частиц в анализируемом

веществе служит перемещение стрелки, связанной с ротором двигателя.

Информационные возможности рассмотренных анализаторов существенно расширяются, когда в

их состав включено устройство предварительного воздействия на анализируемое вещество.

Анализаторы такой конструкции применяются для измерения жесткости воды, концентрации в

ней кремниевой кислоты, фосфатов, гидразина, сахара, растворенных в жидкостях газов. Из-

меряемые концентрации составляют от долей до нескольких десятков миллиграммов в литре.

Известны колориметрические анализаторы, основанные на предварительном

преобразовании жидкого анализируемого вещества в аэрозоль, а также анализаторы, в

которых аэрозоль или иней образуется в результате конденсации определяемого компонента

из анализируемого газа.

Абсорбционные ультрафиолетовые и инфракрасные анализаторы.

178

Большинство газообразных и жидких веществ обладает способностью поглощать

ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение), однако спектры поглощения этого излучения

для многих веществ существенно перекрываются. Это определяет возможность селективного

измерения по поглощению УФ-излучения концентрации весьма ограниченного числа

веществ. Способностью поглощать УФ-излучение обладают ароматические и

гетероциклические соединения. Углеводороды парафинового ряда практически не

поглощают УФ-излучение. Абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы на химико-

технологических процессах применяются в основном для измерения концентрации газов и

паров, а именно: диоксида азота, озона, ртути, сернистого ангидрида, сероводорода,

сероуглерода, формальдегида, фосгена, хлора, четыреххлористого углерода. В последнее

время абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы с миниатюрными (в несколько

микролитров) оптическими кюветами находят применение в промышленных жидкостных

хроматографах.

Конструктивно абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы, выполняемые

однолучевыми и двухлучевыми, реализуют методы прямого или уравновешивающего

преобразований, в работе которых используется излучение видимой части спектра.

Особенностью абсорбционных ультрафиолетовых анализаторов является необходимость

применения в их оптических системах элементов, изготовленных из кварца. В качестве

источника УФ-излучения в этих анализаторах применяются ртутные, ртутно-кадмиевые,

кадмиевые, водородные и ртутные газоразрядные лампы, и в качестве лучеприемников —

фотоэлементы, фотосопротивления, фотоумножители, чувствительные к УФ-излучению.

В последнее время разработано несколько схем инфракрасных анализаторов, в работе

которых используется метод прямого или уравновешивающего преобразования. Как

правило, эти схемы являются дифференциальными и двухлучевыми. В качестве источников

излучения используются излучатели из хромоникелевой проволоки (нихром)

диаметром 0, 3 мм, нагретой до 700 — 800°С. Приемниками излучения служат

болометры батареей термоэлектрических чувствительных элементов или

терморезисторов, фоторезисторы так называемые конденсаторные микрофоны.

Инфракрасные газоанализаторы, в которых в качестве приемника излучения

используется конденсаторный микрофон, называют оптико-акустическими по той

причине, что первоначально при их разработке частота колебаний мембраны

конденсатора составляла 200 Гц, т. е. располагалась в области звуковых частот.

Впоследствии эти частоты были снижены до 6 Гц, однако первоначально принятое название

газоанализаторов пока применяется часто.

На рисунке 1.103 показана одна из распространенных схем оптикоакустических

газоанализаторов.

179

Рисунок 1.103 - Спектры поглощения ИК –излучения газами (а) и схема инфракрасного

газоанализатора (б)

Здесь инфракрасное излучение (2-8 мкм) от источников 1, расположенных в сферических

отражателях 2 и нагреваемых током источника питания 3, направляется в измерительный

канал через фильтровую кювету 6, измерительную кювету 7 и отражатель 8 к нижней камере

лучеприемника 9, а в сравнительном канале — через сравнительную кювету 18 и

компенсационную отражающую кювету 16 к верхней камере лучеприемника 9. Обтюратор 5,

приводимый в движение синхронным двигателем 4, осуществляет поочередное прерывание

потока излучения в измерительном и сравнительном каналах. Через измерительную кювету 7

непрерывно прокачивается анализируемый газ. Сравнительная кювета 18 заполняется

газовой смесью, в состав которой торой входят какой-либо не поглощающий ИК-излучение

газ и неопределяемые компоненты в концентрациях, соответствующих их средним

значениям в анализируемой смеси. Фильтровые кюветы 6 заполняются теми

неопределяемыми компонентами анализируемого газа, полосы поглощения которых

частично перекрываются полосами поглощения определяемого компонента, что уменьшает

влияние изменений концентраций этих компонентов на результат измерения. Камеры

лучеприемника 9 и кюветы 16 заполняются определяемым компонентом.

При поступлении ИК-излучения в камеры лучеприемника 9 за счет энергии излучения,

поглощаемой определяемым компонентом, изменяется его температура (изменение

температуры обычно составляет 10-5

°С). Это сопровождается появлением колебаний

разности давлений в камерах лучеприемника в результате поочередного прерывания потоков

180

ИК-излучения обтюратором. Под действием этой разности давлений тонкая (толщина 5 — 10

мкм) металлическая мембрана 12 совершает периодические колебания. Эта мембрана и

неподвижная пластина 11, укрепленная на изоляторе 10, составляют конденсаторный

микрофон, емкость которого изменяется при колебаниях мембраны. При изменении

содержания определяемого компонента в анализируемой смеси колебания мембраны 12, а

следовательно, и изменения емкости конденсаторного микрофона становятся

асимметричными, что воспринимается электронным усилителем 13, который управляет

работой реверсивного двигателя 14. Ротор этого двигателя через механическую передачу

перемещает отражающий шток 17, что изменяет толщину поглощающего слоя газа в кювете

16 до тех пор, пока колебания мембраны не станут симметричными. Угол поворота ротора

двигателя 14 с помощью реохорда 15 реостатной системы передачи передается вторичному

прибору 19. Оптико-акустические газоанализаторы используются для измерения в

многокомпонентных смесях концентраций.

Ионизационные газоанализаторы.

Принцип действия этих анализаторов состоит в ионизации анализируемого вещества и

измерении ионного тока. В практике аналитического контроля в настоящее время находят

применение в основном ионизационные газоанализаторы, различающиеся по способу

ионизации анализируемого газа (ионизация радиоактивных излучений, фотоионизация,

поверхностная ионизация, ионизация в тлеющем разряде).

На рисунке 1.104 приведены схемы радиоактивных (радиоизотопных) ионизационных

газоанализаторов.

Рисунок 1.104 - Схемы ионизационных газоанализаторов

Анализируемый газ рисунок 1.104 (а) поступает в камеру 1 (называемую ионизационной)

с постоянным объемным расходом. Под действием источника излучения α- или β-лучей 2

181

молекулы анализируемой бинарной или псевдобинарной газовой смеси ионизируются.

Между источником 2 и анодом 3, укрепленным на фторопластовом изоляторе 4, под дей-

ствием электрического потенциала стабилизированного источника 7 (полярность включения

источника соответствует случаю ионизации β-лучами) проходит ионный ток. Значение этого

тока измеряется электрометрическим преобразователем 5, выходной унифицированный

сигнал которого посылается на потенциометр 6.

Радиоактивные ионизационные газоанализаторы с достаточной для многих случаев

чувствительностью могут работать в генераторном режиме, т. е. без внешнего источника

потенциала рисунок 1.104 (б), когда расстояние между плоским по конструкции источником

излучения 2 и анодом 3 составляет несколько десятых долей миллиметра.

Радиоактивные ионизационные газоанализаторы обладают малой инерционностью и

имеют классы точности 2—5. Они находят применение в газовой хроматографии, а также

используются в составе аэрозольно-ионизационных газоанализаторов. Принцип действия

этих комбинированных газоанализаторов состоит в предварительном воздействии на

анализируемый газ, при котором определяемый компонент избирательно преобразуется в

аэрозоль.

Термохимические анализаторы.

Принцип действия термохимических анализаторов состоит в использовании теплового

эффекта химической реакции, протекающей между определяемым компонентом

анализируемой смеси и вспомогательным реагентом. Сигналом измерительной информации

в термохимических анализаторах служит температура, значение которой зависит от

теплового эффекта химической реакции. Термохимический принцип анализа используется

для создания анализаторов газов и жидкостей. Для создания термохимических

газоанализаторов используются химические реакции окисления на каталитически активной

поверхности, в пламени и в газовых потоках. Для термохимических газоанализаторов

жидкостей применяются реакции разбавления (разведения), нейтрализации и смешения, а

также реакции с использованием специфических реагентов.

В работе термохимических газоанализаторов, используется тепловой эффект реакции

окисления горючих газов на каталитически активной поверхности.

В термохимическом анализаторе рисунок 1.105 анализируемый газ воздушным

эжектором (струйным насосом) 3 прокачивается через кран 10 и камеру 1.

182

Рисунок 1.105 - Схемы термохимических газоанализаторов (а, г) и конструкции чувст-

вительных элементов (б, в)

В камере размещены взрывопреградительные сетки 2 и 7, измерительный 4 и

сравнительный 5 чувствительные элементы. Последний закрыт колпачком 6 и служит для

устранения влияния изменения окружающей температуры на сигнал газоанализатора. В

качестве чувствительных элементов в этих газоанализаторах используются платиновые

проволочки с активированной поверхностью или так называемые пеллисторы. Конструкция

чувствительного элемента с платиновой проволочкой показана на рисунке 1.105(б).

Проволочка 2 диаметром 0,03—0,05 мм укреплена между держателем 1 и контактом 4,

размещенным в изоляторе 3. Пеллистор рисунок 1.105(в) представляет собой платиновую

проволочку 3 диаметром 0,03—0,05 мм, заключенную в шарик 2 или цилиндр из оксида

алюминия, покрытый слоем 1 платино-палладиевого катализатора. Чувствительные

элементы в термохимических газоанализаторах рисунок 1.105(а) нагреваются током

неравновесного моста 8 до температуры 200—500 °С. При сгорании на поверхности

измерительного чувствительного элемента горючего определяемого компонента температура

элемента увеличивается, что вызывает увеличение электрического сопротивления

платиновой проволочки, а это, в свою очередь, вызывает разбаланс электрического моста,

измеряемый вторичным прибором 9.

Для проверки и корректировки нулевого значения сигнала газоанализатора через кран 10

в камеру 1 может быть направлен воздух, не содержащий горючих компонентов.

Чувствительный элемент, представленный на рисунок 1.105(в), обладает значительно

большей стабильностью, чем чувствительный элемент на рисунке 1.105(б), за счет большой

поверхности. В то же время он имеет большую инерционность.

Газоанализатор, показанный на рисунке 1.105(а), в настоящее время является одним из

наиболее распространенных в промышленности средств аналитической техники по той

причине, что он используется в качестве сигнализатора взрывоопасных концентраций газов

и паров в воздухе. Сигнализируемые значения 5—50 процентов нижнего предела

183

взрываемости (НВП) для горючих газов и паров и 5—20 процентов НВП — для

водородовоздушных смесей, время реакции 30 секунд.

В термохимическом газоанализаторе рисунок 1.105(г) используется насыпной

катализатор. Его температура, изменяющаяся при сгорании на нем определяемого

компонента, измеряется платиновым терморезистором. Анализируемый газ с постоянным

объемным расходом поступает через теплообменник 6 в сравнительную камеру 7, а затем —

в измерительную камеру 1. Эти камеры выполнены в корпусе 5 из нержавеющей стали,

температура которого автоматически стабилизируется на значении (200+5) °С с помощью

электронагревателя 4 и регулятора. Камера 7 заполнена неактивной массой, а камера 1—

катализатором (платина, нанесенная на оксид алюминия). Терморезисторы 8 и 2,

размещенные соответственно в неактивной массе и в катализаторе, включены в

неравновесный мост 10, сигнал которого измеряется электронным потенциометром 11.

Термохимические газоанализаторы применяются для измерения малых концентраций

горючих газов (СО, Н2, СН4, пары углеводородов) в воздухе или кислороде, а также для

измерения малых концентраций кислорода в горючих газах.

Новым типом термохимических газоанализаторов являются озонолизные, в работе

которых используется тепловой эффект селективной реакции озона с газообразными

олефинами, протекающей в газовых потоках. В результате этой реакции озоном разрушается

двойная связь между атомами углерода в молекуле олефина и выделяется большое

количество тепловой энергии (420 кДж/моль), возникает люминесценция и образуются

высококипящие продукты реакции — озониды, которые при нормальной температуре

конденсируются и образуют аэрозоль.

В основе работы анализатора концентрации этилена в многокомпонентных газовых

смесях, содержащих другие олефины, лежит различие в константах скоростей реакций

индивидуальных олефинов с озоном. Обычно в многокомпонентных газовых смесях помимо

этилена присутствуют еще пропилен и бутилен. Константы скоростей реакций озона с

бутиленом и пропиленом существенно превосходят эту величину для этилена. Это и

обеспечивает возможность избирательного измерения концентрации последнего.

Диапазоны измерений озонолизных газоанализаторов от 0—5 до О—100 % об.;

продолжительность одного цикла 3—5 мин; классы точности 3—5 (в зависимости от

диапазона измерений). Озонолизные газоанализаторы предназначены для автоматического

контроля базовых нефтехимических процессов.

Термохимические анализаторы предназначены для измерения концентраций водных

растворов неорганических кислот и щелочей, солей и спиртов, концентраций ароматических

углеводородов, воды в нефтях и нефтепродуктах, для измерения кислотного числа неф-

тепродуктов. В качестве вспомогательных жидкостей — реагентов— используются: вода,

184

щелочи, кислоты, спирты, специальные растворители. Диапазоны измерений от 0—0,1 до

0—100%, время реакции не более 120 с, классы точности 2—5 (в зависимости от решаемой

задачи и диапазона измерений).

Электрокондуктометрические анализаторы.

Принцип действия электрокондуктометрических (или просто кондуктометрических)

анализаторов или кондуктометров, которые относятся к электрохимическим средствам

измерений, состоит в измерении электрической проводимости (электропроводности) ра-

створов электролитов, по которой определяется концентрация растворенных веществ.

Единицей электропроводности в СИ служит сименс (См) — величина, обратная ому.

В растворах электролитов часть молекул диссоциирует на положительные и

отрицательные ионы, которые соответственно называют катионами и анионами. Это придает

растворам способность проводить электрический ток. В общем случае, если жидкость яв-

ляется частью электрической цепи, то она ведет себя при определенных условиях как

электрическое сопротивление.

Чувствительные элементы кондуктометров, по сопротивлению которых определяется

концентрация анализируемого раствора, называют электролитическими измерительными

ячейками. По конструкции различают контактные и бесконтактные измерительные ячейки и

соответственно кондуктометры. В контактных измерительных ячейках в анализируемом

растворе размещаются электроды, т. е. имеет место гальванический контакт с ним. В

бесконтактных измерительных ячейках этот контакт отсутствует, а используется

электромагнитное взаимодействие с анализируемым раствором.

По числу электродов в контактной измерительной ячейке различают двух-, трех- и

четырехэлектродные ячейки.

Простейшей является двухэлектродная ячейка рисунок 1.106, которая представляет собой

камеру 1 с двумя инертными металлическими электродами 2 и 3, заполняемую или

промываемую анализируемой жидкостью.

Рисунок 1.106 - Простейшая двухэлектродная ячейка

При приложении к электродам постоянной разности потенциалов на границе металл —

электрод — электролит образуется так называемый двойной электрический слой, в пределах

которого и протекают электрохимические процессы в ячейке. Этот слой рассматривают как

плоский конденсатор, обкладками которого являются заряженные поверхности

185

металлического электрода и слой ионов противоположного знака, находящихся вблизи

поверхности электрода. По мере прохождения тока в одном направлении положительные и

отрицательные ионы, соприкасаясь с электродами, разряжаются и выделяются на них в виде

атомов. При этом ток через раствор постоянно уменьшается, что можно рассматривать как

процесс зарядки конденсаторов, образованных двойными электрическими слоями около

электродов. Это явление называют поляризацией электродов. Им объясняется тот факт, что

зависимость тока от напряжения, приложенного к электродам измерительной ячейки,

является нелинейной.

При прохождении через измерительную ячейку переменного тока явление поляризации

электродов примерно на два порядка меньше искажает результат измерения

электропроводности. Поэтому практически все измерения электропроводности растворов

осуществляются на переменном токе. Причем для уменьшения погрешности от поляризации

частоту переменного тока увеличивают.

В практике автоматического аналитического контроля наиболее широкое применение

имеют кондуктометры с контактными измерительными ячейками. Для измерения

сопротивления электролитических измерительных ячеек применяются разные по схемам

уравновешенные и неуравновешенные мосты переменного тока. На рисунке 1.107, приведена

схема простейшего контактного кондуктометра.

Рисунок 1.107 - Схема автоматического кондуктометра

Измерительная ячейка 1 с измеряемым сопротивлением Rx, в которую из блока

подготовки поступает анализируемая жидкость, является одним из плечей уравновешенного

моста. Смежное плечо моста составлено из сопротивления R и переменной емкости С,

служащей для компенсации реактивной (емкостной) составляющей измерительной ячейки.

Электронный усилитель 2 и реверсивный двигатель 3 служат для уравновешивания моста

путем изменения сопротивлений плеч при перемещении движка реохорда Rp. Такой

кондуктометр может использоваться только при постоянной температуре анализируемой

186

жидкости.

Кондуктометрические анализаторы используются для автоматического контроля

концентрации растворов солей, кислот, щелочей и других сред. В зависимости от схемы и

конструкции класс точности промышленных кондуктометров составляет 1—5. Диапазон из-

мерений по электропроводности от 1 ∙10-8

до 1 См/см.

Кондуктометры могут быть использованы для анализа газовых смесей. Такой анализ

базируется на предварительном растворении анализируемого газа во вспомогательной

жидкости и измерении ее электрической проводимости.

Кондуктометрия находит применение в автоматическом контроле содержания солей в

нефти до ее поступления на электрообессоливающие установки, широко применяемые в

нефтепереработке, и на выходе из них. Анализ основывается как на измерении электро-

проводности, так и на предварительном воздействии на анализируемое вещество. Последнее

реализуется путем тщательной промывки пробы нефти водяным конденсатом и получения

так называемой водной вытяжки либо на растворении в смеси полярных и неполярных

растворителей.

Пламенные ионизационные и фотометрические газоанализаторы.

Химическая реакция окисления горючих веществ, протекающая в пламени,

сопровождается рядом эффектов, которые используются для получения измерительной

информации. Так, тепловой эффект этой реакции используется в работе калориметров газов.

Эффекты ионизации и возникновение электромагнитного излучения применяются для

измерения концентраций некоторых веществ в многокомпонентных смесях.

На рисунке 1.108 приведена схема пламенного ионизационного газоанализатора, в

котором анализируемый газ и водород, служащий для поддержания пламени, подаются из

блока подготовки газов 1 с постоянными объемными расходами в миниатюрную горелку 3.

Рисунок 1.108 - Схема пламенного газоанализатора

Последняя установлена в корпусе 4 на изоляторе 6. Воздух, необходимый для горения

водорода, с постоянным объемным расходом, поступает в камеру 4 через распределитель 2.

Над горелкой на фторопластовом изоляторе 6 установлен коллекторный электрод 5 из

платины или нихрома. Между горелкой 3 и коллекторным электродом 5 прикладывается

электрическое поле от источника 9 напряженностью 150—200 В/см. При сгорании чистого

187

водорода почти не образуется ионов (сопротивление водородного пламени порядка 1016

Ом).

Органические вещества (газы и пары), содержащиеся в анализируемом газе, попадая в

водородное пламя, сгорают и вызывают резкое увеличение ионного тока. Последний

преобразуется в унифицированный сигнал преобразователя 7 с большим входным

сопротивлением (108 —10

9 Ом), а сигнал последнего воспринимается автоматическим

потенциометром 8.

Физические основы работы плазменных ионизационных анализаторов изучены еще

недостаточно полно.

Хемилюминесцентные газоанализаторы.

Принцип действия хемилюминесцентных газоанализаторов основан на явлении

люминесценции, которое сопровождает некоторые химические реакции. Такую

люминесценцию называют хемилюминесценцией. В хемилюминесцентном газоанализаторе

рисунок 1.109 анализируемый газ и воздух с постоянными объемными расходами из блока

подготовки газов 1 поступают в реакционную камеру 2.

Рисунок 1.109 - Схема хемилюминесцентного газоанализатора

Воздух предварительно проходит через озонатор 7, где под действием барьерного

высоковольтного разряда в воздухе образуется озон. При взаимодействии в камере 2 озона с

определяемым компонентом анализируемой смеси образуются продукты реакции в

возбужденном состоянии. При переходе их в устойчивое состояние происходит излучение

квантов люминесценции. Электромагнитное излучение через окно 3 попадает в

фотоумножитель 4, сигнал которого преобразуется в унифицированный сигнал с помощью

преобразователей 5. Выходной сигнал последнего воспринимается автоматическим

потенциометром 6. При постоянной концентрации озона в воздухе, поступающем в камеру 2,

интенсивность электромагнитного излучения пропорциональна концентрации

определяемого компонента в анализируемом газе. При такой подаче газов

хемилюминесцентный газоанализатор может использоваться для селективного измерения

микроконцентраций непредельных углеводородов и оксидов азота. Он может применяться

для селективного измерения микроконцентраций озона в воздухе. В этом случае воздух

поступает в реакционную камеру 2, минуя озонатор, а вместо анализируемого газа в камеру с

постоянным объемным расходом подается этилен.

188

2 ВТОРИЧНЫЕ АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

Вторичные приборы служат для преобразования контролируемых параметров и

представления их оператору. Приборы делятся на две группы:

1. вторичные аналоговые приборы;

2. вторичные цифровые приборы.

2.1 Вторичные аналоговые приборы

Аналоговым называют измерительный прибор, показания которого являются

непрерывной функцией измеряемой величины по значению. Основной отличительной

особенностью такого прибора является наличие аналогового отсчетного устройства,

состоящего из школы и указателя.

Аналоговые измерительные приборы достигли весьма высокой степени конструктивного

и технологического совершенства и составляют преобладающую массу средств измерения.

Группу аналоговых приборов составляют:

1. милливольтметры и логометры;

2. автоматические приборы следящего уравновешивания;

3. аналоговые приборы и устройства агрегатного комплекса АСКР;

4. приборы с дифференциально – трансформаторной схемой;

5. узкопрофильные приборы.

2.1.1 Милливольтметры и логометры

Милливольтметры и логометры представляют собой приборы магнитоэлектрической

системы, предназначенные для измерения и регулирования (или сигнализации) температуры

и других неэлектрических величин, преобразуемых с помощью первичных преобразователей

в функционально изменяющееся напряжение постоянного тока или изменение активного

сопротивления.

Приборы магнитоэлектрической системы широко применяются в устройствах

электроизмерительной техники.

В магнитоэлектрических милливольтметрах используется действие магнитного поля

189

постоянного магнита на проводники, по которым течет измеряемый ток. Милливольтметр

рисунок 2.1 состоит из постоянного магнита 4, неподвижного железного сердечника 3 и

подвижной рамки 1.

Рисунок 2.1 - Схема магнитоэлектрического милливольтметра

Рамка охватывает сердечник и может поворачиваться в узком воздушном зазоре между

полюсными наконечниками магните и сердечником. Рамка выполняется из сотен витков

тонкой изолированной медной (реже алюминиевой) проволоки скрепленных бакелитовым

или другим лаком, и приобретает жесткую, обычно прямоугольную форму. Рамка укрепляет-

ся по центру сердечника на кернах рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема крепления подвижной системы на керновых опорах

В реальных конструкциях иглы опор обычно направляются внутрь рамки к подпяткам,

встроенным в тело сердечника): 1 – проводники рамки; 2 – сердечник; 3 – иглы опоры из

высококачественной стали; 4 – подпятники опоры из агатовых (или рубиновых) камней; 5 –

противодействующие спиральные пружинки из фосфористой бронзы; L – активная длина

рамки, равная высоте сердечника; 2r – ширина рамки.

190

Вся подвижная система прибора (рамка, стрелка и др.) тщательно балансируется с

помощью грузиков-противовесов 5 рисунок 2.1 с тем, чтобы центр тяжести ее совпадал с

геометрической осью вращения. Существуют приборы с вертикальной и горизонтальной

осью вращения подвижной системы.

Рамка подключается к электрической цепи, в которой производится измерение

термоЭДС. Подключение осуществляется либо через спиральные пружинки рисунок 2.2,

которые соединяются одним концом с рамкой, а другим закрепляются с неподвижными дета-

лями прибора. В результате взаимодействия проводников рамки (при протекании по ним

тока) с магнитным полем постоянного магнита возникает магнитоэлектрический момент,

заставляющий рамку поворачиваться в определенном направлении.

Одноканальные приборы могут использованы для замера температуры в нескольких

местах при применении ручных переключателей. Приборы предназначены для работы при

температуре окружающего воздуха от 5 до 50 С и относительной влажности 80 процентов.

Ниже представлены характеристики наиболее распространенных милливольтметров и

логометров. Рассмотрим их типы и особенности:

Милливольтметр типа Ш 69003 имеет электрическую измерительную схему. В

результате взаимодействия поля постоянного магнита с электрическим током в рамке,

последняя поворачивается на угол, пропорциональный величине термоЭДС.

Противодействующий момент создается двумя спиральными пружинками, служащими

одновременно токо - проводами к рамке. Для компенсации влияния окружающей

температуры на показания милливольтметра служит термокомпенсатор, представляющий

собой терморезистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент,

зашунтированный манганитовой катушкой. Добавочный резистор служит для подгонки

прибора на заданный предел измерения. Подгонка внешнего сопротивления линии связи

осуществляется изменением сопротивления подгоночной катушки сопротивления R

(суммарное сопротивление линии связи и катушки должно быть равно величине, указанной в

паспорте прибора). Пределы измерения прибора Ш 69003 аналогичны пределам измерения

описанного ниже милливольтметра.

Милливольтметры типа Ш 69004 выпускаются только со следующими пределами

измерения: 0-600 С с характеристиками ХК (L), 0-900 и 0-1100 С с характеристиками ХА

(К). Переключатель на 12 положений встроен в корпус прибора. Подгоночные

сопротивления внешней линии смонтированы внутри блока П691.

Милливольтметры типа Ш 4500 с номинальным статическими характеристиками ХА (К),

ХК (L) и ПП (S) имеют устройство компенсации температуры (КТ) свободных концов

термоэлектрического преобразователя. Для работы КТ к прибору подводится переменный

ток напряжением 220 в частотой 50 Гц. Потребляемая мощность 4 ВА.

191

Милливольтметры типа Ш 450 имеют аналогичные с милливольтметрами Ш 4500

характеристики по питанию; устройство КТ смонтировано в блоке БУ 11.

Милливольтметры типа Ш 4501 оснащен устройством КТ, имеет встроенное устройство

сигнализации обрыва цепи термоэлектрического преобразователя, обеспечивающее

коммутацию цепей напряжением 220 В при токе 0,2 А, и регулирующее выходное

устройство с генераторным датчиком. Потребляемая мощность 10ВА.

Прибор типа Ш4516 состоит из показывающего прибора и блока регулирования, который

также устанавливается на щите. Ручки настройки регулятора вынесены на лицевую панель

блока регулирования. Комплект питается переменным током напряжением 200 В частотой 50

Гц. Потребляемая мощность 15 ВА.

Логометры — приборы, предназначенные в основном для измерения температуры с

помощью термометров сопротивления. Логометры построены по принципу сравнения сил

токов в цепях термометра и постоянного сопротивления.

По конструкции логометр представляет собой двухрамочный магнитоэлектрический

миллиамперметр. Подвижная часть его рисунок 2.3 состоит из двух рамок 1 и 2, жестко

скрепленных друг с другом и соединенных со стрелкой, конец которой перемещается вдоль

шкалы 0—tm.

Рисунок 2.3 - Магнитоэлектрический логометр — упрощенная принципиальная схема

Рамки охватывают неподвижный сердечник С и могут перемещаться в зазоре переменной

ширины между полюсами S и N постоянного магнита и сердечника. Вся подвижная система

укрепляется по центру сердечника, обычно на керновых опорах. Для подвода тока к рамкам

применяют либо безмоментные вводы, практически не создающие противодействующего

момента, либо маломощные спиральные пружинки рисунок 2.4, противодействующий

момент которых много меньше магнитоэлектрического момента рамок.

192

Рисунок 2.4 - Магнитоэлектрический логометр — электрическая схема

Без рамки питаются от общего источника постоянного тока Б с напряжением Еб.

Последовательно с рамкой 1 включается постоянное сопротивление Rк, а последовательно с

рамкой 2—термометр Rt.

Для переносных приборов класс точности логометров составляет 0,2; 0,5 и 1,0, а для

стационарных щитовых— 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5. Логометры могут быть показывающими,

самопишущими до 12 точек измерения, а также иметь дополнительные устройства для

регулирования, сигнализации.

Существовало много разновидностей логометров. Они отличались по форме сердечника,

по относительному расположению рамок, по другим конструктивным деталям и по схеме

соединений. В последние годы применение логометров заметно снизилось в связи с

широким распространением автоматических электронных уравновешенных мостов, которые

имеют более высокий класс точности.

Логометр типа Ш 69000 имеет принципиальную электрическую схему, приведенную на

рисунке 2.5.

193

Рисунок 2.5 - Принципиальная электрическая схема логометра Ш69000 в комплекте

с термопреобразователями

1 – термопреобразователь сопротивления; 2 – контактная панель;

3 – логометр; 4 – переключатель.

Изменение сопротивления термопреобразователя приводит к изменению равновесия

моста R1, R2, R3, R6 и, следовательно, к изменению тока в рамках r1, r2, вследствие чего

стрелка займет новое положение равновесия. Резисторы R4 и R5 предназначены для

температурной компенсации и изменения угла отклонения стрелки; резистор Rк, позволяет

осуществить контроль правильности показаний логометра. При трехпроводном

подключении Б термопреобразователя сопротивления каждый из проводов линии,

соединяющих преобразователь с логометром, вместе со своей уравнительной катушкой Rу,

входит в отдельное плечо мостовой схемы и должен иметь сопротивление 7,5 Ом. При

двухпроводной схеме А включения сопротивления обоих проводов линии связи совместно с

уравнительной катушкой сопротивления R должно быть равно 7,5 Ом; сопротивление

второй уравнительной катушки остается без изменения (7,5 Ом). Катушки Rу входят в

комплект поставки логометра. По договоренности с изготовителем подгоночные катушки

монтируются на контактной панели для 1, 2, 4, 6, или 8 термопреобразователей

сопротивления (вариант двухканальной панели представлен на рисунке 2.5).

Логометры типа Ш 69000 и Ш 69001 записываются постоянным током напряжением 4 В.

Прибор Ш 69002 отличается от прибора Ш 69001 встроенным выпрямительным

устройством, получающим питание от сети переменного тока напряжением 220 В.

Логометр типа Ш 69006 оснащен контактным устройством с указателем и генераторным

датчиком. Комплектно с логометром может быть поставлено 20 уравнительных катушек.

194

Питание прибора переменным током напряжением 220 В частотой 50 Гц. Потребляемая

мощность 10 ВА.

Логометры типа Л-64И, имеют искробезопасное исполнение, предназначены для работы

во взрывоопасных зонах всех классов. Прибор Л-64И работает в комплекте только с сетевым

выпрямителем типа СВ-4И с искробезопасным выходом. На выходе выпрямителя

напряжение постоянного тока составляет 4В при нагрузке 35 мА. Выпрямитель СВ-4И

устанавливается в невзрывоопасной зоне помещения.

Питание выпрямителя переменным током напряжением 220 В частотой 50 Гц.

Потребляемая мощность не более 10 ВА.

Логометр типа Ш 69006 оснащен контактным устройством с указателем и генераторным

датчиком. Комплектно с логометром может быть поставлено 20 уравнительных катушек.

Питание прибора переменным током напряжением 220 В частотой 50 Гц. Потребляемая

мощность 10 ВА.

Логометры типа Л-64И, имеют искробезопасное исполнение, предназначены для работы

во взрывоопасных зонах всех классов. Прибор Л-64И работает в комплекте только с сетевым

выпрямителем типа СВ-4И с искробезопасным выходом. На выходе выпрямителя

напряжение постоянного тока составляет 4 В при нагрузке 35 мА. Выпрямитель СВ-4И

устанавливается в невзрывоопасной зоне помещения.

Питание выпрямителя переменным током напряжением 220 В частотой 50 Гц.

Потребляемая мощность не более 10 ВА.

2.1.2 Автоматические приборы следящего уравновешивания

К автоматическим приборам следящего уравновешивания относятся автоматические

потенциометры и уравновешенные мосты, предназначенные для измерения, записи и

регулирования температуры и других неэлектрических величин, преобразуемых с помощью

первичных преобразователей в напряжение постоянного тока или в изменение активного

сопротивления. Разновидностью потенциометров являются автоматические

миллиамперметры и вольтметры, предназначенные для измерения, записи и регулирования

величин, которые могут преобразованы в унифицированные сигналы постоянного тока или в

напряжение постоянного тока с пульсацией переменной составляющей, не превышающей

1процент от максимального значения предела измерения.

В приборах типа «КП» - потенциометры, «КМ» - мосты и «КС» – потенциометры с

входным унифицированным сигналом, используется принцип следящего уравновешивания

195

входного сигнала сигналом обратного преобразователя реостатного типа. Сравнение

осуществляется на входе прибора, что предопределяет различие в электрических схемах и

соответственно в конструкциях приборов (потенциометры, мосты).

Самопишущие приборы отличаются от показывающих наличием устройства автоматической

записи. Запись производиться на дисковой или ленточной диаграмме, приводимой в действие

двигателем. В одно- и двухканальных приборах запись осуществляется пером,

кинематически связанным с реверсивным двигателем, в многоканальных - печатающей

кареткой, циклически проставляющей точки и стоящие рядом с ними цифры, которые

соответствуют номеру канала. Циклы печати (промежуток времени между печатью одной и той же

точки) для многоканальных приборов 4 и 12 сек.

Вторичные приборы изготавливаются в корпусе, приспособленном для настенного или

щитового монтажа. Конструктивно каждый типоразмер прибора состоит из ряда

унифицированных модулей, настраиваемых отдельно от прибора, что облегчает ремонт и

обслуживание его при эксплуатации.

В связи с тем, что приборы серии «КС3» производятся в Армении, а «КС2» на Украине, в

России взамен комплекса были разработаны приборы серии «Диск – 250», выпускаемые

Открытым Акционерным Обществом завода «Теплоприбор» г. Челябинск. По

функциональным возможностям приборы серии «Диск – 250» аналогичны приборам серий

«КС1», «КС2», «РП 160», «КС3», «КС4», «КП1», поэтому при модернизации систем

управления техпроцессами возможна замена этих приборов на приборы серии «Диск – 250»

т.к. заменяющие приборы перекрывают почти все диапазоны и виды входных и выходных

сигналов заменяемых приборов.

Одноканальные приборы с круговой шкалой, прибор серии «ДИСК – 250».Прибор

аналоговый показывающий с круглой шкалой.

В основу работы приборов серии «Диск – 250» положен принцип электромеханического

следящего уравновешивания. Измерение и регистрация на дисковой диаграмме сигналов от

преобразователей термоэлектрических, термопреобразователей сопротивления, фольговых

или проволочных тензорезисторов, неэлектрических величин, преобразованных в

унифицированные сигналы силы и напряжения постоянного тока; сигнализация и

регулирование параметров техпроцесса; преобразование входного сигнала в выходной

унифицированный непрерывный токовый сигнал.

Приборы выполнены в прямоугольных стальных корпусах, предназначенных для

щитового монтажа, имеют хорошо видимую круглую шкалу. На передней панели

расположены светодиодная индикация включения прибора, обрыва датчика, состояния

регулирующих и сигнализирующих устройств, оси переменных резисторов для задания

196

уставок регулирующих и сигнализирующих устройств. Регистрация показаний прибора

производится непрерывной линией на диаграммном диске.

Основная погрешность прибора, выраженная в процентах от нормирующего значения, не

выходит за пределы допускаемых значений, равных:

+- 0,5 по показаниям и по преобразованию;

+- 1,0 по регистрации, регулированию и по сигнализации.

Диапазон задания уставок регулирования и сигнализации: от 0 до 100% диапазона входного

сигнала.

Длина шкалы: 560 мм (диаметр шкалы 250 мм).

Толщина линии регистрации: не более 0,8 мм.

Потребляемая мощность не более 25 ВА.

Габаритные размеры 320 х 320 х 195 мм. Масса не более 13 кг, общий вид изображен

на рисунок 2.6.

Рисунок 2.6 - Внешний вид прибора «Диск – 250»

1- кнопки; 2 - резисторы; 3 - индикатор устройства регулирования и

сигнализации; 4 - индикатор включения прибора в сеть;

5 - индикатор обрыва датчика.

Виды климатических исполнений приборов серии «Диск – 250»:

УХЛ категории размещения 4.2 – для районов с умеренным климатом (обыкновенное

исполнение – по ГОСТ 15150 – температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50С,

верхнее значение относительной влажности 80 процентов при плюс 25С и более низких

температурах без конденсации влаги);

197

О категории размещения 4.2 – для районов с тропическим климатом (тропическое

исполнение – по ГОСТ 15150 – температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50С,

относительная влажность 98 процентов при плюс 35С без конденсации влаги).

Исполнение по виду поставки: обыкновенное, экспортное, тропическое.

Вторичные показывающие приборы "КП1Т", выполненные на современной элементной базе,

по функциональным возможностям, основным техническим характеристикам и габаритам

аналогичны приборам "КП1", производимым в Республике Армения, поэтому при

модернизации систем автоматики возможна замена "КП1" на "КП1Т". Прибор выпускается

ОАО завод «Теплоприбор», г. Челябинск.

В основу работы приборов "КП1Т" положен принцип электромеханического следящего

уравновешивания. Прибор выполнен в стальном корпусе, предназначенном для щитового

монтажа, по габаритам аналогичен прибору "КП1" (160 х 200 х 420 мм) и занимает

промежуточное положение между приборами серии "А" и серии "ДИСК-250", имеет круглую

шкалу. Установка приборов в щитах осуществляется струбцинами, укрепленными на

корпусе приборов. На передней панели расположена светодиодная индикация включения

прибора, обрыва датчика, состояния регулирующих и сигнализирующих устройств, оси

переменных резисторов для задания уставок регулирующих и сигнализирующих устройств.

Назначение: Измерение сигналов от преобразователей термоэлектрических (термопар),

термопреобразователей сопротивления, различных неэлектрических величин,

преобразовавших в унифицированные сигналы силы и напряжения постоянного тока;

сигнализация и регулирование параметров техпроцесса; преобразование входного сигнала в

выходной унифицированный непрерывный токовый сигнал.

Прибор серии КП1Т применяют в системах регулирования и управления

технологическими процессами в энергетике, металлургии, химической, нефтехимической,

нефтеперерабатывающей, пищевой, целюлозно - бумажной и других отраслях

промышленности, где традиционно применяются приборы "КП1".

Основные технические характеристики:

Основная погрешность прибора, выраженная в процентах от нормирующего

значения, не выходит за пределы допускаемых значений, равных:

+- 0,5 по показаниям и по преобразованию {+-1,0 для узкопредельных),

+- 1,0 по регулированию и по сигнализации (+-1,5 для узкопредельных)

Диапазон задания уставок регулирования и сигнализации: от 0 до 100 % диапазона

входного сигнала.

Длина шкалы: 295 мм (диаметр шкалы 110 мм).

Напряжение питания 220 В частотой 50 Гц.

Потребляемая мощность не более 20 ВА.

198

Габаритные размеры 160x200x420 мм.

Масса не более 7,5 кг.

Виды климатических исполнений:

УХЛ категории размещения 4.2 - для районов с умеренным климатом (обыкновенное

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50С,

верхнее значение относительной влажности 80 процентов при плюс 25С и более низких

температурах без конденсации влаги);

По устойчивости к воздействию окружающей среды прибор соответствует группе

исполнения В4 по ГОСТ 12997.

Исполнение по виду поставки: обыкновенное, экспортное, тропическое.

Приборы имеют различные модификации в зависимости от:

- входного сигнала:

0-5 и 4-20 мА, 0-5 и 0-10 В, 0-50 и 0-100 мВ по ГОСТ 26.011;

от термоэлектрических преобразователей с НСХ К (ХА(К), L (ХК(L), S (ПП(S)), В (ПР(В))

по ГОСТ Р 50431 (ГОСТ 3044);

от термопреобразователей сопротивления с НСХ 10П, 50П, 100П, 50М, 100М по ГОСТ Р

50353 (ГОСТ 6651);

- быстродействия: 2,5 или 5 или 10 сек.

Особенность: приборов КП1Т любой модификации является наличие:

- двух двухпозиционных сигнальных устройства с независимыми уставками и релейным

выходом;

- трехпозиционного регулирующего устройства с контактным (релейным) выходом и

двумя независимыми уставками;

- устройство преобразования входного сигнала в выходной непрерывный токовый сигнал.

Прибор КП1Т любой модификации имеет два двухпозиционных сигнальных устройства

и трехпозиционное устройство регулирования с независимыми уставками («Мало»,

«Много») и контактным выходом, позволяющим коммутировать нагрузку при силе

переменного тока или постоянного тока до 1А и напряжением до 220В.

Прибор КП1Т любой модификации имеет устройство пропорционального

преобразования входного сигнала в выходной непрерывный электрический сигнал 0-5 мА

(сопротивление нагрузки не более 2,0 кОм) или 4-20 мА (сопротивление нагрузки не более

0,5 кОм).

Приборы серии КС3.

Выпуск вторичных показывающих и регистрирующих приборов серии "КСЗ" сегодня

ограничен, что связано с трудностями обеспечения комплектации этих приборов, поэтому

199

мы рекомендуем, если возможно, заменять приборы серии "КСЗ" на приборы серий "ДИСК-

250","КСД-250","А","КП1Т"; некоторые их модификации по функциональным

возможностям и основным техническим характеристикам, а приборы серии "ДИСК-250" -

и габаритным размерам (по вырезу в щите для монтажа), аналогичны приборам серии

"КСЗ". Приборы выпускаются ОАО завод «Теплоприбор» г. Челябинск. Ниже приводится

информация о выпускаемых сегодня модификациях приборов серии "КС3" их технические

характеристики.

В основу работы приборов "КСЗ" положен принцип электромеханического следящего

уравновешивания . Прибор выполнен в прямоугольном стальном корпусе, предназначенном

для щитового монтажа, имеет хорошо видимую круглую шкалу. Крепление приборов в

щитах осуществляется струбцинами, укрепленными на корпусе.

Назначение: измерение и регистрация на дисковой диаграмме сигналов от

преобразователей термоэлектрических (термопар), термопреобразователей сопротивления,

различных неэлектрических величин, преобразованных в унифицированные сигналы силы и

напряжения постоянного тока или в комплексную взаимоиндуктивность; сигнализация и

регулирование параметров техпроцесса; преобразование входного сигнала в выходной

унифицированный непрерывный токовый, частотный или пневматический сигнал.

Приборы серии "КСЗ" применяются: в системах регулирования и управления

технологическими процессами в энергетике, металлургии, химической, нефтехимической,

нефтеперерабатывающей, пищевой, целюлозно - бумажной и других отраслях

промышленности, где традиционно применяются приборы серии "КСЗ".

Основная погрешность прибора, выраженная в процентах от нормирующего

значения, не выходит за пределы допускаемых значений, равных:

+- 0,5 по показаниям (для приборов КСУЗ, КСПЗ, КСМЗ),

+- 1.0 по показаниям (для приборов КСДЗ),

+- 1,0 по регистрации (для приборов КСУЗ, КСПЗ, КСМЗ),

+- 1,5 по регистрации (для приборов КСДЗ),

+-1,0 по "токовому" преобразованию (для приборов КСУЗ, КСПЗ, КСМЗ),

+- 1,5 по "токовому" преобразованию (для приборов КСДЗ),

+- 1,5 по "частотному" преобразованию (вход преобразователя непосредственно связан с

лекалом),

+- 2,0 по "частотному" преобразованию (вход преобразователя непосредственно не

связан с лекалом),

+- 2.5 по "частотному" преобразованию (вход преобразователя непосредственно не связан

с лекалом - для приборов КСДЗ),

+- 2,0 по регулированию (со 100 процентным реостатным задатчиком),

200

+- 2,5 по регулированию (со 100 процентным реостатным задатчиком -для приборов

КСДЗ).

Диапазон задания уставок регулирования и сигнализации: от 0 до 100 процентов

диапазона входного сигнала.

Скорость вращения диаграммного диска (период регистрации): 24 часа.

Длина шкалы: 560 мм (диаметр шкалы 250 мм).

Толщина линии регистрации: не более 0,8 мм.

Напряжение питания 220 В частотой 50 Гц. Потребляемая мощность не более 35 ВА.

Габаритные размеры 320х320х395 мм. Масса не более 16,0 кг.

Виды климатических исполнений приборов серии "КСЗ":

УХЛ категории размещения 4.2 - для районов с умеренным климатом (обыкновенное

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50 С,

верхнее значение относительной влажности 80 процентов при плюс 35С и более низких

температурах без конденсации влаги);

По устойчивости к воздействию окружающей среды прибор соответствует группе

исполнения В4.

Приборы имеют различные модификации в зависимости от:

- входного сигнала:

для КСПЗ:

0-10, 0 - 20, 0-50, 0 - 100, -10 - 0 - +10, -100 - 0 - +100 мВ,

от термоэлектрических преобразователей с НСХ К (ХА(К)), L (XK(L), S (ПП(S)), В

(ПР(В));

для КСУЗ: 0-5, 0 - 20, 4 - 20 мА

для КСМЗ: от термопреобразователей сопротивления с НСХ 10П, 50П, гр.21, 100П,

50М, rp.23, 100M;

для КСДЗ: 0-10, 10-0-10 мГн;

- быстродействия: 5 или 16 сек;

- наличия встроенных выходных устройств:

- преобразования: пропорциональное токовое, частотное, пневматическое;

- регулирования: 100 процентный реостатный задатчик, электрическое позиционное;

- сигнализации: двух - или трехпозиционное.

201

2.1.3 Аналоговые приборы и устройства АСКР

Приборы аналоговые показывающие и регистрирующие с входными сигналами "А542М",

"А100", "А543" представляют собой агрегатные средства контроля и регулирования (АСКР).

По функциональным возможностям и основным техническим характеристикам приборы

"А542М", "А100", "А543" аналогичны приборам серий "РП160", "КС1", "КС2", "КСЗ",

"КС4", поэтому при модернизации систем управления техпроцессами возможна замена

этих приборов на приборы серии "А".

Ниже приводится информация о модификациях приборов "А542М", "А100", "А543" их

технические характеристики.

Приборы серии "А542М", "А100", "А543" предназначены для измерения силы и

напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в

указанные выше электрические сигналы.

В основу работы приборов положен компенсационный метод измерения входного

сигнала, осуществляемый электромеханической следящей системой.

На передней панели расположена светодиодная индикация включения прибора. Оси

переменных резисторов для задания уставок сигнализирующих устройств расположены в

верхней части шасси приборов (при выдвинутом шасси).

Приборы выполнены в прямоугольных стальных корпусах, предназначенных для

щитового или стоечного монтажа. Установка приборов в щитах осуществляется обоймами,

укрепленными на корпусе. Расположение шкал приборов – вертикальное.

Назначение: иизмерение и регистрация на ленточной диаграмме шириной 100 мм

значений параметров технологического процесса от датчиков, имеющих унифицированные

выходные сигналы силы (мА) и напряжения (В) постоянного тока, а также

неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы; сигнализация о

состоянии параметров техпроцесса.

Приборы этой серии применяются в системах регулирования и управления

технологическими процессами в энергетике, металлургии, химической, нефтехимической,

нефтеперерабатывающей, пищевой, целюлозно—бумажной и других отраслях

промышленности.

Виды климатических исполнений:

УХЛ категории размещения 4.2 - для районов с умеренным климатом (обыкновенное

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50С

для щитового исполнения, от плюс 5 до плюс 60С для стоечного исполнения, верхнее

значение относительной влажности 80 процентов при полюс 35С и более низких

температурах без конденсации влаги).

202

О категории размещения 4.2 - для районов с тропическим климатом (тропическое

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50°С

для щитового исполнение, от плюс 5 до плюс 60С для стоечного исполнения, верхнее

значение относительной влажности 98 процентов при + 35С и более низких температурах

без конденсации влаги).

По устойчивости к воздействию окружающей среды прибор соответствует группе

исполнения В4 по ГОСТ 12997.

Исполнение по виду поставки: обыкновенное, экспортное, тропическое

Приборы имеют различные модификации в зависимости от:

- входного сигнала: 0-5, 0-20, 4-20 мА; 0-1, 0-10, -10-0-+10 В

- быстродействия (1,0 или 2,5 или 5,0 или 10,0 сек.)

- функциональных возможностей: показывающие или показывающие и регистрирующие;

- конструктивного исполнения: щитовые (А542М, А100, А543) или стоечные (А542М,

А100);

- числа каналов: одно-, двух- (А542М, А100) или трехканальные (А543);

- напряжения (24, 220, 240 В) и частоты (50 и 60 Гц) питающего тока.

Приборы аналоговые показывающие и регистрирующие с входными сигналами

«низкого» уровня А100 – Н.

По функциональным возможностям и основным техническим характеристикам приборы

"А100-Н" аналогичны приборам серий "РП160", "КС1", "КС2", "КСЗ", "КС4", поэтому при

модернизации систем управления техпроцессами возможна замена этих: приборов на

приборы "А100-Н". Прибор выпускается ОАО завод “Теплоприбор”, г. Челябинск.

В основу работы приборов положен компенсационный метод измерения входного

сигнала, осуществляемый электромеханической следящей системой. На передней панели

расположена светодиодная индикация включения прибора. Оси переменных резисторов для

задания уставок сигнализирующих устройств расположены в верхней части шасси приборов

рисунок 2.7 (при выдвинутом шасси).

203

Рисунок 2.7 - Вид прибора с выдвинутым из корпуса шасси:

1 - шасси; 2 - капилляры и указатели; 3 - шкалы; 4 - индикатор; 5 - ручка; 6 -

лентопротяжный механизм; 7 - исполнительные двигатели; 8 - защелка лентопротяжного

механизм.

Приборы выполнены в прямоугольных стальных корпусах, предназначенных для

щитового монтажа. Установка приборов в щитах осуществляется обоймами, укрепленными

на корпусе. Расположение шкал приборов - вертикальное. Назначение: измерение и

регистрация на ленточной диаграмме шириной 100 мм значений параметров

технологического процесса от датчиков температуры (выходные сигналы активного

сопротивления (Ом) напряжения постоянного тока (мВ) или датчиков, имеющих

унифицированные выходные сигналы силы (мА) или напряжения (В) постоянного тока), а

также неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы; сигнализация о

состоянии параметров техпроцесса; преобразование входного сигнала в выходной

унифицированный сигнал постоянного тока (без линеаризации).

Область применения: системы регулирования и управления технологическими

процессами в энергетике, металлургии. химической, нефтехимической, нефтеперераба-

тывающем, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.

Виды климатических исполнений:

УХЛ категории размещения 4.2 - для районов с умеренным климатом (обыкновенное

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50°С

для щитового исполнения, от плюс 5 до плюс 60С для стоечного исполнения, верхнее

значение относительной влажности 80 процентов при плюс 35°С и более низких

температурах без конденсации влаги);

О категории размещения 4.2 - для районов с тропическим климатом (тропическое

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50°С

204

для щитового исполнения, от плюс 5 до плюс 60°С для стоечного исполнения, верхнее

значение относительной влажности 9В при плюс 35°С и более низких температурах без

конденсации влаги).

По устойчивости к воздействию окружающей среды прибор соответствует группе

исполнения В4 по ГОСТ 12997.

Исполнение по виду поставки: обыкновенное, экспортное, тропическое.

Приборы имеют различные модификации в зависимости от:

- входного сигнала:

непосредственно от термоэлектрических преобразователей с НСХ

L (ХК(L)), К (ХА(К)), S (ПП(S)), В (ПР(В)) по ГОСТ Р 50431 (ГОСТ 3044);

непосредственно от термопреобразователей сопротивления с НСХ

50П, 100П, 50М, 100М по ГОСТ Р 50353 (ГОСТ 6651);

от датчиков с унифицированными выходными сигналами по ГОСТ 26.011.

- числа измерительных каналов: одно-, двух- или трехканальные;

- выходных сигналов: 0-5 или 4-20 мА по ГОСТ 26.011;

Устройства блочно – агрегатного типа А600

Блочно-агрегатные устройства состоит из показывающего и регистрирующего прибора

А650-001 и комплектующих с ними вспомогательных блоков различного назначения.

Устройства предназначены для высокоточного измерения, регистрации, сигнализации и

управления; они работают совместно с первичными термопреобразователями и

преобразователями с унифицированными выходными сигналами постоянного тока.

Элементная база устройств – аналоговые и цифровые интегральные микросхемы малой и

средней степени интеграции. Прибор А600-001 и блоки монтируются на щите. Устройства

предназначены для работы при температуре окружающего воздуха 5-50С и относительной

влажности до 80 процентов.

Устройство типа А682-002 предназначено для измерения и регистрации величин по

двенадцати каналам. Входные сигналы всех каналов могут поступать или от

термопреобразователей с одинаковыми номинальными статическими характеристиками, или

от преобразователей с унифицированными сигналами постоянного тока; все преобразователи

должны иметь один предел измерения.

Возможны сочетания различных входных сигналов, включая сигналы от одних и тех же

типов преобразователей, но отличающихся пределами измерения. Устройство допускает

подключение не более трех разновидностей входных сигналов; количество сигналов каждой

разновидности не более четырех. Погрешность измерения и регистрации плюс минус(0,25-

05) процентов. Быстродействие 0,5 и 1 секунды.

205

Принцип функционирования устройства аналогичен приведенному ниже для устройства

А683-001, но многоканальный блок реализует только нормализации входных сигналов.

Устройство типа А682-003 предназначено для измерения и регистрации величин по двум

каналам в прецизионном электротермическом оборудовании. Работает в комплекте с

термоэлектрическими преобразователями и первичными преобразователями напряжения

постоянного тока; пределы измерения входных сигналов обоих преобразователей 0-20 или 0-

50 мВ. Входное сопротивление, включая сопротивление линии связи, 100 Ом.

Устройство состоит из блока заданий и нормализации, а также регистрирующего

щитового прибора А650-001. Повышенная точность измерений достигается благодаря

прецизионному калиброванному подавлению части входного сигнала с дискретностью 0,002

мВ в пределах 0-20 мВ и 0,005 мВ в пределах 0-50 мВ.

Устройство типа А683-001 предназначено для измерения, регистрации, сигнализации и

регулирования величин по двенадцати каналам. Особенности подключения входных

сигналов аналогичны приведенным выше особенностям подключения входных сигналов для

устройства А682-002. Погрешность измерения и регистрации плюс минус (0,25-0,5)

процентов.

Приборы А55ОМ-О01, А550М-О02, А65ОМ-ОО1, А650М-ОО2(далее приборы) и

устройства А682-002, ФЩЛ5О1, ФЩЛ5О2 (далее устройства) предназначены для

измерения и регистрации силы и напряжения постоянного тока и неэлектрнческих

величин, преобразованных в унифицированные выходные сигналы силы и напряжения

постоянного тока и активное сопротивление в нефтехимической, химической,

металлургической, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности, в том

числе с взрывоопасным производством (кроме устройств A682-002 и ФЩЛ501).

2.1.4 Приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой

Вторичные приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой

предназначены для работы в комплекте с первичными взаимозаменяемыми приборами,

преобразующими измеряемую неэлектрическую величину в электрический параметр —

комплексную взаимную индуктивность, изменяющуюся в пределах 0—10 или 10—0—10

мГн. Приборы применяются для непрерывного измерения или записи расхода, давления,

перепада давлений, напора, тяги, уровня, вакуума и других величин, а также (при наличии

соответствующих устройств) для регулирования или сигнализации отклонения измеряемого

параметра от заданных пределов. Приборы типа КПД1, КСД1, ВМД, КСДЗ могут также

работать с невзаимозаменяемыми первичными преобразователями; для этого в комплект

приборов КПД1, КСД1, КСДЗ по особому заказу может быть включена специальная

206

приставка — делитель входного сигнала. В приборах ВМД такая приставка смонтирована

внутри прибора. Приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой

выпускаются по ГОСТ 19610—74*.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи (ДТП) предназначены для

преобразования линейного перемещения сердечника, связанного с чувствительным

элементом, в выходной электрический сигнал. Принцип их действия основан на зависимости

взаимной индуктивности между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой от положения

сердечника. Схема дистанционной передачи с использованием ДТП представлена на

рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Схема дистанционной передачи

В первичный прибор I встраивается преобразователь, которой представляет собой

трансформатор, имеющий обмотку возбуждения 1 и вторичную обмотку 3, состоящую из

двух секций, включенных встречно (дифференциально). Аналогичный преобразователь

встраивается во вторичный прибор II. Дифференциально-трансформаторный

преобразователь первичного прибора обычно называется передающим преобразователем,

ДТП вторичного прибора — компенсирующим. Перемещение сердечника (плунжера) 2

передающего преобразователя осуществляется чувствительным элементом первичного

прибора; сердечник 9 компенсирующего преобразователя перемещается профилированным

кулачком 7 (линейным или квадратичным), который поворачивается реверсивным

двигателем 5 через редуктор 6. Двигатель управляется усилителем 4, подключенным между

вторичными обмотками ДТП первичного и вторичного приборов. Первичные обмотки обоих

преобразователей соединены последовательно и питаются от специальной обмотки силового

трансформатора усилителя напряжением 24 В. Вторичные обмотки включены встречно, и,

следовательно, на вход усилителя поступает сигнал, равный разности выходных

напряжений преобразователей.

207

Создаваемый током возбуждения магнитный поток обмоток возбуждения пронизывает

обе секции вторичной обмотки, индуцируя в них ЭДС. При симметричном расположении

сердечник относительно секций вторичной обмотки напряжение на ее клеммах равно нулю.

Перемещение сердечника приводит к тому, что ЭДС секции, в которую он входит,

увеличивается, а ЭДС секции из которой он выходит, уменьшается. Если сердечники обои

преобразователей находятся в одинаковом положении относительно секций вторичных

обмоток, то напряжение, поданное на вход усилителя, равно нулю. При рассогласовании

положения сердечников напряжение, индуктируемое во вторичных обмотка. становится

разным. Это напряжение разбаланса подается на вход усилителя, усиливается и приводит во

вращение реверсивный двигатель, который перемещает сердечник в катушке до тех пор пока

разность напряжений не станет близкой к нулю. Таким образом, каждому положению

сердечника ДТП первичного пpибора, которое определяется величиной измеряемого

параметр, соответствует определенное положение сердечника ДТП вторичного прибора и,

следовательно, определенное положение стрелки на шкале или пера на диаграмме.

Прибор аналоговый и регистрирующий с круглой шкалой и дисковой диаграммой и

входными сигналами от диференциально – трансформаторных датчиков.

Вторичные показывающие и регистрирующие приборы "КСД-250" разработаны взамен

комплекса приборов "КСДЗ", поэтому при модернизации систем управления техпроцессами

возможна замена приборов "КСДЗ" на приборы "КСД-250"

Назначение: измерение и регистрация на дисковой диаграмме сигналов от

дифференциально - трансформаторных датчиков давления, уровня, напора, расхода и др.,

имеющих стандартные выходные сигналы 0… 10 или –10…+10 мГн; сигнализация и регулирование

параметров техпроцесса; преобразование входного сигнала в выходной унифицированный непрерывный

токовый или частотный сигнал.

Область применения: системы регулирования и управления технологическими процессами в

отраслях промышленности, где традиционно применялись приборы "КСДЗ": энергетике, пищевой,

металлургической, химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях..

В основу работы приборов "КСД-250" полонен принцип электромеханического следящего

уравновешивания. Прибор выполнен в прямоугольном стальном корпусе, предназначенном для

щитового монтажа, имеет хорошо видимую круглую шкалу. Установка приборов в щитах

осуществляется струбцинами, укрепленными на корпусах приборов. На передней панели

расположены светодиодная индикация включения прибора, состояния регулирующих и

сигнализирующих устройств, кнопка "КОНТРОЛЬ" для проверки исправности прибора, оси

переменных резисторов для задания уставок, регулирующих и сигнализирующих устройств.

Регистрация показаний прибора производится непрерывной линией на диаграммном диске.

208

Основная погрешность прибора, выраженная в процентах от нормирующего значения, не

выходит за пределы допускаемых значений, равных:

+ -1,0 по показаниям и по преобразованию,

+ -1,5 по регистрации, регулированию и по сигнализации.

Диапазон задания уставок регулирования и сигнализации: от 0 до 100 процентов диапазона

входного сигнала.

Толщина линии регистрации: не более 0,8 мм.

Длина шкалы: 560 мм (диаметр шкалы 250 мм).

Напряжение питания 220 В при частоте питающего тока 50 Гц. Потребляемая мощность не более 32 ВА.

Габаритные размеры 320x320x195 мм.. Масса не более 17 кг.

Виды климатических исполнений:

УХЛ категории размещения 4.2 - для районов с умеренным или (обыкновенное исполнение - по ГОСТ

15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50 0С, относительной влажности 80

процентов при 350 0С и более низких температурах без конденсации влажности верхнее значение. По

устойчивости к воздействию окружающей среды прибор соответствует группе В4.

Исполнение по виду поставки: обыкновенное.

Приборы имеют различные модификации в зависимости от:

- выходного сигнала: 0-10 или –10-0-+10 мГн;

- быстродействия: 5 сек. или 16 сек.;

- скорости вращения диаграммного диска: 1 оборот за 8 или 24 часа;

- типа регулирующего устройства:

трехпозиционное с бесконтактным выходом,

трехпозиционное с контактным (релейное) входом,

пропорционально – интегральное с выходным непрерывным токовым сигналом от 0 до плюс 5 мА,

пропорционально – интегральное с выходным непрерывным пневматическим сигналом от 0,2 до 1,0

кгс./кв.см.;

- устройства преобразования: токовое или частотное.

Приборы "КСД-250" в зависимости от модификации (кроме приборов, вторая цифре

модификации которых. "0" - "Х0ХХ") могут иметь следующие устройства регулирования:

1. Трехпозиционное бесконтактное регулирующее устройство, имеющее: две

независимые уставки "МАЛО", "МНОГО".выходные сигналы постоянного тока " 24 В" при

сопротивление нагрузки не менее 300 Ом вторая цифра обозначения модификации - "1".

2. Трехпозиционное контактное (релейное) регулирующее устройство, имеющее: две

независимые уставки "МАЛО", "МНОГО" "ПРЕВЫШЕНИЕ", "АВАРИЯ", контактный выход -

приборы укомплектованы двумя реле типа РЭК28-1, которые устанавливаются вне прибора,

на них подаются выходные сигналы постоянного тока "24 В" и "- 24 В", контакты реле

209

позволяют коммутировать нагрузку при силе постоянного или переменного тока до 1 ,0 А

и напряжении до 220 В - вторая цифра обозначения модификации - "2".

3. Пропорционально – интегральное регулирующее устройство, имеющее:

пропорциональный или пропорционально – интегральный законы регулирования, выходной

непрерывный токовый сигнал 0 - 5 мА приноминальном сопротивление нагрузки не более

2000 Ом, диапазон изменения коэффициента пропорциональности от 0,5 до 20, диапазон

изменения постоянной времени интегрирования от 20 до 2000 сек.- вторая цифра обозначения

модификации - "3".

4. Пропорционально – интегральное регулирующее устройство с пневматическим

выходом, имеющее: пропорциональный или пропорционально – интегральный законы

регулирования выходной унифицированный пневматический сигнал 0,2 - 1,0

кгс/кв.см.(20 - 100 кПа), преобразование осуществляется электропневматическим

преобразователем ЭП - 1324, поставляемым в комплекте с прибором, входным сигналом для

ЭП-1324 служит выходной сигнал пропорционально — интегрального устройства регулирования

прибора КСД - 250; характеристики прибора при этом не меняются, за исключением основной

погрешности по регулированию, которая для комплекта "Прибор КСД-250 + ЭП - 1324"

не превышает 2,0 процентов - вторая цифра обозначения модификации - "4".

Изготовитель ОАО завод «Теплоприбор», г. Челябинск.

2.1.4 Узкопрофильные приборы

Узкопрофильнные приборы занимают на щитах и пультах сравнительно мало места, удобно

группируются, облегчая взаимное сопротивление контролируемых параметров, и могут

встраиваться непосредственно в мнемосхемы. На щитах и пультах приборы можно располагать как

отдельно, так и группами (вплотную друг к другу). Приборы, индексы которых начинается буквой

«Ф», имеют оптоэлектронное отсчетное устройство, остальные приборы входят в комплексе

аналоговых сигнализирующих контактных приборов. Технические характеристики приведены в

таблице 2.1.

210

Таблица 2.1 – Технические характеристики узкопрофильных приборов

Наименование

приборы Тип прибора

Клас

с то

чност

и п

ока

зан

ий

Погр

ешност

ь

сраб

аты

ван

ия

канта

тного

уст

ройст

ва. %

Верхние

пределы

измерения

Параметры окружающего

воздуха

Температура, 0С

Влаж

ност

ь,

%

Приборы постоянного тока

Амперметры и

вольтметры, включая

вторичные прибор для

датчиков

неэлектрических

величин

М1530-М1 1,5 2,5 5 мкА – 6 кА;

10 мВ – 250 В (-30) – (+50)

90

М1531-М1 1,0 2,0

М1830 0,5 1,0 100 мкА – 6 кА;

10 мВ – 600 В

80

М1730 1,0 1,5 5 мкА -6 кА;

10мВ – 600 В

(-30) – (+60) 90

М1738 1,0 1,5 0,2; 5 мА; 1 А –

6 кА; 1 – 600 В

(-30) – (+50) 100

Ф1759 1,0 0,5 5 мА; 1; 10 В (-10) – (+50) 95

Ф303

1,5 1,5 100 мкА – 20

мА; 5 – 100 А;

100 мВ – 100 В

(-5) – (+40)

98

Ф309К

1,0 1,5 4 – 400 мкА; 1 –

20 мА; 10 – 400

мВ; 1 – 100 В

(-5) – (+50)

90

Приборы переменного тока

Амперметры и

вольтметры для частоты

50, 60, и 400 Гц

Ц1730 1,5 2,0

5 – 800 А; 1 – 6

кА; 30 – 450 В

(-30) – (+50)

100

Частотомеры на

напряжения 127; 220;

380 В

Э393 0,5 1,0 45 – 55 Гц 95

Ц1736 2,5 3,0 45 – 55; 55 – 65;

350 – 450 Гц 100

Ваттметры и варметры

Д390

1,5

2,5

1 кВт – 30 ГВт

211

на 50 Гц трехфазные 95

Фазометры на 50 Гц

трехфазные Д392

2,5 4,0

0,5 – 1 – 0,5; 0,9

– 1 – 0,2 cosφ (-30) – (+50)

Мегомметр для частоты

50 – 500 Гц М1733

0 - 5 МОм 100

Пирометрические приборы

Милливольтметры,

работающие в комплекте

с термоэлектрическими

преобразователями

МВУ6 - 41

1,0 1,5

(-50) – (+1800)

5 – 50 80 Милливольтметры,

работающие в комплекте

с

термопреобразователями

сопротивления

МВУ6 - 42

(-200) – (+600)

Многоканальные приборы

Амперметры и

вольтметры постоянного

тока, включая

вторичные приборы для

датчиков

неэлектрических

величина: 3–х канальные М1743 1,0 -

0 – 1 ; 1 – 0 – 1 ;

0 – 5 – 5; 0 – 20;

20 – 0 – 20 мА

(-30) – (+50)

80

4 – х канальные М1740

8 – и канальные М1747 0 – 1; 1 – 0 – 1;

0 – 10; 10 – 0 –

10 В

12 – и канальные М1742

Трансформатор для питания ламп

Трансформатор:

на 4 – 10 ламп П1710

- -

Выходное

напряжение 5;

5,5 или 6 В (-30) – (+50) 90 на 10 – 20 ламп П1711

на 20 – 50 ламп П1712

212

Многокшкальные приборы

Микроамперметры

постоянного тока,

включая вторичные

приборы для датчиков

неэлектрических

величин: одно- и

двухшкальные М1633 0,5

2,0

25 – 0 – 25; 0 -

50; 50 – 0 – 50;

0 – 100 мкА

(-30) – (+50) 90 Трех- и

четырехшкальные

М1634 1,0

5 – 0 – 5; 0 – 10;

10 – 0 -10; 25-

0-25; 0-50; 50-

0-50; 0-100мкА

пятишкальные

М1635

0,5 25-0-25; 0-50;

50-0-50; 0-100

мкА

Блоки сигнализации и регулирования

Блоки

трехпозиционной

сигнализации и

регулирования

П1730

- - - (-10) – (+50) 95

Блоки

двухпозиционной

сигнализации и

регулирования

П1731

Унифицированный комплекс малогабаритных узкопрофильных

Унифицированный комплекс малогабаритных узкопрофильных аналоговых приборов

серии АСК включает в себя узкопрофильные, многоканальные и многошкальные приборы;

блоки сигнализации и регулирования, предназначенные для работы с контактными

модификациями узкопрофильных приборов; трансформаторы для питания осветительных

приборов. Приборы постоянного тока и пирометрические изготовляются в горизонтальном

исполнении и предназначены для установки на пультах и щитах с уклоном от вертикали до

15 градусов. Приборы на пределы измерения от 1мА и выше и от 10 В и выше могут быть

изготовлены в вертикальном исполнении и могут устанавливаться на щитах и пультах с

любым углом наклона к горизонту. Приборы переменного тока изготавливаются в

213

горизонтальном исполнении и предназначены для установки с любым углом наклона

относительно вертикали.

Верхние пределы измерения, приведены в таблице 2.1, обеспечиваются при

непосредственном подключении приборов, а также благодаря расширению пределов

измерений, которое достигается применением наружных шунтов, трансформаторов,

измерительных преобразователей. Нижний предел измерения (за исключением частотомеров

и фазометров) равен нулю. Приборы для датчиков с унифицированным сигналом могут быть

отградуированы в единицах измеряемой величины.

Внешний вид узкопрофильного прибора системы АСК приведен на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Узкопрофильный прибор система АСК

Внутри корпуса 1 прибора размещены измерительный механизм с внутрирамочным

магнитом, элементы измерительной схемы и оптическая система. Шкала 4 прибора

беспаралаксная; она снабжена прорезью, закрытой матовым экраном 5. с задней стороны

корпуса расположен патрон 2 осветительной лампы и штепсельный разъем 3 для

подключения измерительных цепей, релейных устройств питания осветительной лампы.

Лампа снабжена фокусирующим цоколем. Луч света от лампы накаливания направляется

через конденсатор с диафрагмой на неподвижное зеркало, отражается от него, проходит

сквозь объектив, фокусируется на зеркале измерительного механизма и направляется на

шкалу, на которой проектируется в виде яркого пятна с риской.

Сигнализирующие приборы модификации С снабжены двумя цветными светофильтрами

– шторками 6 и 7, которые видны сквозь прозрачную щель в матовом экране. Светофильтры

расположены за шкалой таким образом, Что при выходе измеряемой величины из области

установленных значений световой указатель изменяет цвет. При горизонтальном исполнении

прибора в правой части шкалы находится красный светофильтр, в левой – зеленый; у

приборов вертикального исполнения в верхней части шкалы – красный, в нижней - зеленый.

Приборы М1733, М1738, Ц1730, Ц1736 имеют виброустойчивое, ударопрочное и

брызгозащищенное исполнения.

214

Пирометрические приборы типа МВУ6 состоят из магнитоэлектрического

узкопрофильного милливольтметра М1734 и добавочного блока. Блоки БУ – 11

предназначены для компенсации температуры свободных концов термоэлектрических

преобразователей, блоки БУ – 21 - для преобразования сигнала термопреобразователя

сопротивления в напряжение постоянного тока. Блоки БУ 1 и БУ 2, кроме того,

обеспечивают сигнализацию отклонения и регулирование параметра. От блоков может

осуществляется питание осветительной лампы измерителя.

Многоканальные приборы предназначены для одновременного контроля нескольких

параметров, имеющих одинаковые номинальные значения или одинаковый диапазон

измерений, в различных точках объект. Световые указатели каналов, соответствующих

измеряемым параметрам, располагаются на одной вертикали и образуют своего рода

график, что облегчает производить сопоставление параметров и оценку общего состояния

объекта. Применение многоканальных приборов значительно уменьшает размеры пультов и

щитов, и повышает плотность информации даже по сравнению с узкопрофильными

приборами. Приборы состоят из одного или нескольких модулей, каждый модуль содержит

четыре измерительных механизма, общее число измерительных механизмов в приборе

соответствует числу каналов (для трехканального прибора в модуле устанавливаются три

измерительных механизма). В оптическую систему модуля входят общая для всех каналов

лампа накаливания и индивидуальные для каждого канала диафрагмы, объективы и зеркала.

Количество вырезов в шкале соответствует числу каналов прибора. Светофильтрами –

шторками зеленого и красного цвета, расположенными за матовыми экранами,

устанавливают границы допустимых значений измеряемых величин.

Многошкальные приборы, предназначенные для измерения различных параметров или

одного параметра, имеющего разные диапазоны измерений. Приборы имеют шкалы равной

длины, световой указатель появляется на нужной шкале одновременно с подключением

измеряемой величины. Для включения указателя на требуемую шкалу предусмотрены

заслонки, перекрывающие диафрагму; количество заслонок равно числу шкал прибора.

Заслонки связаны с якорями электромагнитов, включающихся внешним переключателем

вручную или автоматически. Обмотки электромагнита питаются от цепи осветительной

лампы через двухполупериодный выпрямитель. При включении обмотки одного из

электромагнитов его заслонка отдвигается и на соответствующей шкале появляется световой

указатель. При отключении обмотки заслонка под действием пружины перекрывает

диафрагму. По отдельному заказу поставляют приборы, снабженные двумя

фоторезисторами, фотоконтактное устройство должно питаться от источника постоянного

напряжения 12 В. выходной сигнал цепи фоторезистора может быть использован для

автоматического переключения шкал.

215

Трансформаторы тока П1710, П1711, П1712 предназначены для питания осветительных

ламп приборов АСК от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц.

Приборы с оптоэлектронным отсчетным устройством обеспечивают представление

информации о контролируемом параметре при помощи столбцового светоизлучающего

индикатора, у которого длина святящегося столбца меняется в зависимости от значения

измеряемой величины. Приборы могут устанавливаться на пультах и щитах с любым углом

наклона к горизонту и могут иметь горизонтальное или вертикальное перемещение

светового указателя в зависимости от исполнения. Сигнализация о выходе измеряемой

величины из зоны регулирования и о срабатывании контактного устройства осуществляется

мерцанием светящегося столбца. У приборов с односторонней шкалой нижний предел

измерения равен нулю. По требованию заказчика и по согласованию с изготовителем

допускается нанесение числовых отметок шкал приборов в единицах измерения

электрических величин, а также в единицах измерения неэлектрических величин.

Амперметры и вольтметры Ф1759 выпускаются двух модификаций – Ф1759А и Ф1759К.

Модификация Ф1759А предназначена для визуального наблюдения за измеряемым

параметром, модификация Ф1759К – для визуального наблюдения, сигнализации и

регулирования контролируемых параметров при выходе измеряемой величины из заданной

зоны.

Модификации, в состав которых входит блок цифровой индикации (БЦИ), обеспечивают

кроме аналогового представления информации также представление информации о

контролируемом параметре в цифровом виде; они применяются только для пределов

измерений кратных 10.

Прибор Ф303 предназначены для измерения, трехпозиционного регулирования и

сигнализации о выходе из зоны регулирования постоянных токов и напряжений, а так же для

работы в качестве выходного устройства датчиков и преобразователей ГСП. В качестве

выходного контактного устройства комплекса может быть использован блок

трехпозиционной сигнализации и регулирования П1730. аналоговая индикация измеряемой

величины осуществляется при помощи столбцового индикатора; указатели регулирующего

устройства индицируются при помощи второго святящегося столбца индикатора.

Допускается воздействие вибрации в диапазоне частот от 5 до 80 Гц при максимальном

ускорении 30 м/с2 и периодических ударов с максимальным ускорением 100 м/с

2.

Структурная схема комплекса Ф303 приведена на рисунке 2.10.

216

Рисунок 2.10 - Структурная схема комплекса Ф303.

В блоке аналого-цифрового преобразователя I входной сигнал, подаваемый на входное

устройство 3, и сигналы задатчиков зоны регулирования, получаемых от блока управления

II, преобразуются в нормированные по значению напряжения: постоянного тока. Эти

напряжения времяимпульсным методом преобразуются в последовательности импульсов,

которые осуществляют индикацию измеряемой величины и зоны регулирования. Аналоговая

индикация осуществляется при помощи газоразрядного индикатора, находящегося в блоке

аналоговой индикации III, и представляющего собой плоскую панель с двумя диаграммными

столбцами, каждые из которых содержит 105 тесно примыкающих друг к другу сегментов-

катодов, являющихся отметками шкалы. Газоразрядный индикатор работает в режиме

сканирования разряда, который сводится к последовательному переносу вдоль столбца

газового разряда между анодом и одним из катодов. Перенос разряда осуществляется путем

подачи импульсов пульсов на сегменты-катоды. Как только разряд в столице переместится на

расстояние, пропорциональное измеряемой величине, снижается анодное напряжение и

разряд в столбце гасится. Таксе последовательное перемещение газового разряда с

последующим гашением осуществляется с высокой частотой и воспринимается в виде

непрерывно светящегося столбца.

Управление катодами газоразрядного индикатора осуществляет схема управления

катодами 8. На эту схему поступают импульсы с генератора тактовых импульсов 10,

определяющие скорость переноса разряда, а также импульсы с делителя частоты 11, которые

задают частоту повторения цикла сканирования. С началом цикла сканирования запускается

генератор пилообразного напряжения 6, выходное напряжение которого сравнивается с

выходным напряжением входного устройства. В момент равенства этих напряжений

компаратор 4 срабатывает и через схему управления анодами 5 снижает анодное напряжение

соответствующего столбца газоразрядного индикатора, прекращая разряд в этом столбце.

Благодаря этому обеспечивается прямая зависимость между значением измеряемой

217

величины и длиной светящейся части столбца. Аналогичным образом при помощи

компараторов 1 и 2 осуществляется индикация зоны регулирования.

При срабатывании компаратора 4 происходит установка делителя частоты 7 в исходное

положение, поэтому импульсы на выходе ходе этого делителя отсутствуют. При перегрузке,

когда напряжение, на выходе входного устройства превышает максимальное значение

пилообразного напряжения, компаратор 4 перестает срабатывать и на выходе делителя

частоты 7 появляются импульс низкой частоты. Эти импульсы через схему управления

анодами прекращают разряд в столбце в течение нескольких циклов сканирования,

вследствие чего возникает мерцание светящегося столбца. Формирование сигналов

регулирующего воздействия осуществляется при помощи двух триггеров задержки;

управление триггерами задержки производится компараторами 1, 2, 4.

Блок цифровой индикации V осуществляет отображение значения измеряемой величины

в цифровом виде на цифровых светодиодных индикаторах и обеспечивает вывод

информации о результате тате измерения -в двоично-десятичном коде. Питание прибора

осуществляется от блока питания IV через импульсный стабилизатор затор и

преобразователь постоянного напряжения 9.

218

2.2 ВТОРИЧНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

В цифровых вторичных приборах значения измеренного параметра отображаются в

цифровой форме с помощью специальных цифровых индикаторов. Такой метод

представления информации удобен для восприятия, а также исключает субъективные

факторы оценки значения измеряемого параметра по сравнению со стрелочными приборами.

Помимо этого цифровые вторичные приборы с помощью специальных согласующих

устройств дают возможность регистрировать значения измеренного параметра на

цифропечатающих устройствах и перфораторах, а также обеспечивают ввод данных в

электронные вычислительные машины. Приборы предназначены для непосредственного

измерения физических величин при использовании первичных преобразователей, а также

для работы с унифицированными измерительными преобразователями.

Цифровые приборы находят широкое применение в иформационно-измерительных

системах в качестве агрегатного средства измерения или как автономные вторичные

приборы щитового монтажа.

Показывающие и регистрирующие цифровые приборы «Технограф 100».

Вторичные микропроцессорные показывающие и регистрирующие прибор

"ТЕХНОГРАФ 100" выполнены на современной элементной базе.

Ниже приводится информация о модификациях приборов "ТЕХНОГРАФ 100", их

технические характеристики, пример заказа, схемы внешних соединений.

Назначение: измерение и регистрации сигналов датчиков температуры (термопреобра-

зователей сопротивления, термоэлектрических преобразователей-термопар) и датчиков,

имеющих унифицированные выходные сигналы силы и напряжения постоянного тока,

сигнализация о состоянии параметров техпроцесса и преобразование входных сигналов в

цифровой сигнал (интерфейс К3232) по шести каналам (от шести точек измерения).

Приборы "ТЕХНОГРАФ 100" могут быть применены в различных отраслям

промышленности: энергетике, металлургии, химической, нефтехимической,

нефтеперерабатывающей, пищевой, целюлозно - бумажной и других отраслях для

визуального контроля и регистрации параметров производственных и технологических

процессов, сигнализации об отклонении параметров от допустимых (заданных) значений.

Краткое описание ТУ 4217-100-20512765"95 ОКП 42 1716

Прибор "ТЕХНОГРАФ 100" обеспечивает:

- аналоговую или цифровую регистрацию значений измеряемых параметров каждого канала

в циклическом режиме на диаграммной ленте шириной 100мм,

- индикацию значения измеряемых параметров в циклическом режиме или выборочно по

219

любому каналу в единицах измеряемой величины на цифровом табло при одновременной

регистрации всех каналов,

- сигнализацию об отклонении значений измеряемых параметров от заданных значений:

уставки: на каждый измерительный канал - две независимые уставки, каждая их которых

может иметь вид "БОЛЬШЕ", "МЕНЬШЕ" (с регистрацией на ленте номера канала, времени,

даты, номера уставки и значения величины параметра) или "РЕГУЛИРОВАНИЕ" (без

регистрации, срабатывают только реле сигнализации),

контактный (релейный) выход: "раздельная задача - раздельный выход" или "раздельная

задача - общий выход",

- автоматический контроль исправности по всем входящим платам,

- программно - кодовую защиту от несанкционированного доступа с клавиатуры в базу

данных,

- обмен данными с внешней ЭВМ по каналу интерфейса К5232,

- хранение введенных значений параметров и счет текущего времени при перерывах в

электропитании длительностью до 10 суток,

- отключение измерения, регистрации и сигнализации по любому из шести каналов.

На передней панели прибора расположены табло цифровой индикации, светодиоды

"СЕТЬ" (прибор включен в сеть), "УСТАВКА 1,2" (значение параметра вышло за

установленные пределы), "НЕИСПРАВНОСТЬ", клавиатура. с помощью которой можно

выбрать: типы датчиков (входные сигналы), диапазоны измерения, значения уставок

сигнализации, режим регистрации (цифровая или аналоговая), скорость перемещения

диаграммной ленты.

Прибор "ТЕХНОГРАФ100" выполнен в прямоугольном стальном корпусе,

предназначенном для щитового монтажа. Установка прибора в щите осуществляется

обоймами, укрепленными на корпусе.

Основная погрешность прибора, выраженная в процентах от диапазона

измерения, не выходит за пределы допускаемых значений, равных:

по показаниям плюс минус 0.25 % (для узкопредельных 0.5процента)

по цифровой регистрации плюс минус 0,25 % (для узкопредельных 0,5 процента)

по аналоговой регистрации плюс минус 0,5 % (для узкопредельных 1,0процент)

по сигнализации плюс минус 0,5 % (для узкопредельных 1,0 процент)

по преобразованию» плюс минус 0,5 % (для узкопредельных 1,0 процент)

Диапазон задания уставок сигнализации: от 0 до 100 % диапазона измерения (входного

сигнала).

220

Регистрация показаний: в прямоугольных координатах на ленте ЛПГ-100 по ГОСТ 7826,

номинальная ширина поля регистрации - 100 мм, толщина линии регистрации не более 0,5

мм.

Скорость движения диаграммной ленты при аналоговой регистрации - любое значение

из ряда 5, 10, 20, 40, 60, 120, 240, 480, 1200. 2400 мм/ч (устанавливается с помощью

клавиатуры).

Скорость движения диаграммной ленты при цифровой регистрации устанавливается

автоматически .

Цикл измерения по всем шести каналам: не более 8 с.

Цикл регистрации (N): любое значение из ряда 10, 15, 20, 30, 60, 120, 300, 600 с.

(устанавливается с помощью клавиатуры).

Расход диаграммной ленты (метров в час) при цифровой регистрации рассчитывается по

формуле L= (3600/N) · 3200.

Погрешность скорости движения диаграммной ленты не превышает 0,5 процента.

Напряжение питания 220 В частотой 50 Гц. Потребляемая мощность не более 15 ВА.

Габаритные размеры 144х144х565 мм. Масса не более 8,0 кг.

Виды климатических исполнений:

УХЛ категории размещения 4.2 - для районов с умеренным климатом (обыкновенное

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50С,

верхнее значение относительной влажности 80 процентов при плюс 35 °С и более низких

температурах без конденсации влага, атмосферное давление от 66 до 106,7 кПа). Прибор

соответствует группе исполнения по ГОСТ 12997 по устойчивости к воздействию:

- температуры и влажности окружающего воздуха - группе исполнения В4,

- атмосферного давления - группе исполнения Р2,

- по виброустойчивости - группе исполнения L3.

Исполнение по виду поставки: обыкновенное, экспортное.

Приборы имеют различные модификации в зависимости от:

- от типа устройства сигнализации: «с раздельным выходом», «с общим выходом»;

- входного сигнала:

0-5, 0-20, 4-20 мА, 0-10, 0-20, 0-50, 0-100 мВ, 0-5 В

от термоэлектрических преобразователей (термопар) с НСХ К(ХА(К)), L(ХК(L)),

S(ПП(S)), В(ПР(В))

От термопреобразователей сопротивления с НСХ 50П, 100П, 50М, 100М

Описание устройства сигнализации:

Прибор «Технограф 100» может иметь следующие устройства сигнализации:

221

- два двухпозиционных сигнальных устройства с независимыми уставками («больше»,

«меньше» или «регулирование») на каждый измерительный канал – «раздельный вход –

раздельный выход» (всего 12 уставок и 2 реле);

При использовании уставок «больше», «меньше» выход значения измеряемого параметра

за установленные пределы фиксируются на диаграммной ленте (время, дата, номер канала,

значение уставки и измеренного параметра).

Уставка «регулирование» в каждом измерительном канале предназначена для

организации контура регулирования (срабатывает только реле, регистрация не

производится).

Контакты реле устройства сигнализации позволяют коммутировать нагрузку:

- при силе переменного тока до 0,25 А и напряжения до 220В,

- при силе постоянного тока до 1,0 А и напряжении до 36 В.

Прибор «Технограф 100» любой модификации имеет устройство преобразования

входного сигнала в выходной цифровой сигнал, который может передаватся по интерфейсу

RS232 (через порт СОМ персонального компьютера).

Технические характеристики интерфейса: скорость передачи данных 2400 бит/с., формат

слова – 8 бит данных, 2 стоповых бита, контроля на четность и готовность нет.

Рисунок 2.11 Внешний вид прибора «Технограф 100»

Рисунок 2.11 – Внешний вид прибора «Технограф -100»

Показывающие и регистрирующие цифровые приборы «Технограф 160»

Прибор для измерения, показания и регистрации сигналов от двенадцати аналоговых

датчиков технологических процессов.

Основные характеристики: 12 независимых аналоговых входов (измерение температуры,

влажности, давления, расхода, уровня и т.д. - сочетание сигналов - любое):

- термопары с НСХ L, К, В, S

222

- термопреобразователя сопротивления с НСХ50П, 100П,50М, 100М

- датчики с выходным унифицированным сигналами 0-10 мВ, 0-20 мВ, 0-50 мВ, 0-100 мВ,

0-5 В, 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА.

Аналоговая или цифровая регистрация на диаграммной ленте шириной 160 мм,

встроенный интерфейс RS232, показания - на цифровом табло в единицах измеряемой

величины. Две независимые уставки сигнализации (регулирования) для каждого

входного сигнала. Программно-кодовая защита от несанкционированного доступа с

клавиатуры в базу данных.

Преимущества: регистрация измеренных значений одновременно с датой и

временем, измерение и регистрация мгновенного расхода (функция "корнеизвлечение")

и суммарного значения расхода (функция "интегрирование"), легкость

перепрограммирования установленных параметров прибора, не требующая высокой

квалификации персонала, возможность передачи данных на расстояние до 8 метров через

интерфейс RS232, а с применением преобразователя RS232/RS485 - до нескольких км.

Функции: - измерение, отображение и регистрация, сигнализация (регулирование),

преобразование. Прибор ТЕХНОГРАФ 160 отображает измеренные значения аналоговых

входных сигналов на цифровом табло и их значения в аналоговой или цифровой форме

на диаграммной ленте типа ЛПГ-160 по ГОСТ 7826.

При аналоговой регистрации справа (если значение входного сигнала близко к концу

диапазона измерения - слева) от линии регистрации наносится номер канала.

При цифровой регистрации формат сообщений состоит из 2 строк, разбитых на 7

колонок: в первой колонке первой строки печатается время, в остальных шести и на второй

строке - номера каналов и измеренные значения входных сигналов.

В режиме "сигнализация" при выходе значения измеряемого параметра за пределы,

заданные уставками сигнализации, печатается строка, содержащая: время и дату выхода

параметра за заданное значение, номера канала и уставки, значения уставки ("<", ">") и

данного параметра.

Кроме показаний и регистрации значений входных сигналов прибор позволяет

контролировать по две независимые контрольные точки (уставки сигнализации) для

каждого входного сигнала - их значения устанавливаются с помощью клавиатуры. Выход

сигнализации - релейный.

Параметры прибора устанавливаются легко и просто при помощи клавиатуры и

встроенного программного обеспечения.

Достоинства: наглядность предоставления значений измеряемых входных сигналов на

цифровом табло в единицах измеряемой величины, хранение установленных значений

(времени, типов входных сигналов, диапазонов измерения, значений уставок сигнализации),

223

встроенное программное обеспечение дает возможность измерять и регистрировать

мгновенное и суммарное значения расхода, экспорт данных в персональный компьютер

для дальнейшей обработки.

В режиме "регулирование" сообщения о выходе значения измеряемого параметра за

пределы, заданные уставками сигнализации, не печатается и сигнализация на

цифровом табло не включается.

В приборе реализован один из двух (по заказу) алгоритмов сигнализации: "раздельное

задание - раздельный выход" - два реле сигнализации для каждого входного сигнала или

"раздельное задание - общий выход" -два реле сигнализации для всех 12-ти входных

сигналов. Отклонения от уставок отображаются на дисплее и печатаются на ленте.

Встроенный интерфейс RS-232 позволяет передавать значения измеренных параметров

техпроцесса для дальнейшей обработки в ПК.

Таблица2.2 - Технические характеристики.

Применение Прибор для измерения, регистрации значений входных сигналов,

сигнализации об их выходе за установленные значения и передаче

этой информации для дальнейшей обработки в ЭВМ Название ТЕХНОГРАФ160

Изготовитель ОАО «Теплоприбор» г. Челябинск

Принцип

Действия

Коммутатор осуществляет поочередное подключение к плате

АЦП 12 датчиков. АЦП построен по принципу двойного

интегрирования. Входные сигналы поступают на нормирующий

преобразователь и далее на интегрирующий усилитель.

Центральный процессор считывает двоичный код,

пропорциональный входному сигналу и, в соответствии с

записанной в ПЗУ программой, преобразует этот код в значение

измеряемого параметра. На плате ЦП формируются и сигналы

управления исполнительными реле блока сигнализации.

Конструкция

прибора

Прибор выполнен в прямоугольном корпусе и предназначен для

утопленного щитового монтажа (с помощью прижимов, входящих

в комплект принадлежностей) На передней панели находятся

тумблер "СЕТЬ", цифровое табло, клавиатура и светодиоды

"СЕТЬ", "НЕИСПРАВНОСТЬ", "СИГНАЛИЗАЦИЯ 1,2". На

задней панели корпуса расположены колодки подключения

питания, входных сигналов, цепей сигнализации, интерфейса.

Тип: RS 232.

Вход Термопары с НСХ L, К, В, S по ГОСТ Р 50432

Термопреобразователя сопротивления с НСХ50П, 100П, 50М,

100М по ГОСТ Р 50353

Датчики с выходным унифицированным сигналом по ГОСТ

26011: 0-10,

0-20, 0-50, 0-100 мВ, 0-5 В, 0-5, 0-20, 4-20 мА

Число входов Независимых аналоговых входов: до 12

224

Аналоговый вход Основная погрешность, выраженная в процентах от диапазона

измерения, не превышает:

- по показаниям +-0,25 (для узкопредельных +-0,5)

- по цифровой регистрации +-0,25 (для узкопредельных +-0,5)

- по аналоговой регистрации +-0,5 (для узкопредельных +-1,0)

- по сигнализации +-0,5 (для узкопредельных +-1,0)

- по регулированию +-0,5 (для узкопредельных +-1,0)

Носитель В прямоугольных координатах на ленте ЛПГ-160 по ГОСТ

7826, толщина линии регистрации не более 0,5 мм. Скорость

диаграммной ленты

При аналоговой регистрации - любое значение из ряда 5, 10, 20,

40, 60, 120, 240, 480, 1200, 2400 мм/ч При цифровой

регистрации - 5 мм. за один цикл регистрации. Погрешность

средней скорости ленты - не более 0,5%. Цикл регистрации Любое значение из ряда 10, 15, 20, 30, 60, 120, 300, 600 с.

Сигнализация тип Контактная (релейная) общая (2 реле) или раздельная (12 реле).

Нагрузка Коммутация нагрузки

• цепей переменного тока до 0,25А при напряжении до 220В

• цепей постоянного тока до 1А при напряжении до 36В

Условия эксплуатации:

Климатическое

исполнение

УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150

Температура,

влажность и

атмосферное

давление

+5...+50 °С относительная влажность воздуха не более 80% при

+35°С и более низких температурах без конденсации влаги,

атмосферное давление 66...106,7 кПа

Устойчивость по воздействиям внешней среды

Температуры и

влажности

Группа исполнения В4 по ГОСТ 12997

Атмосферного

давления

Группа исполнения Р2 по ГОСТ 12997

Виброустойчивос-

ти

Группа исполнения L3 по ГОСТ 12997

Габаритные

размеры

220х240х305

Вес Не превышает 8 кг.

Электрическое

соединение

Термопреобразователя сопротивления подключается ко входу

без промежуточного преобразователя по 4-х проводной схеме.

Сопротивление каждого провода линии связи - не более 500

Ом. Суммарное сопротивление термопары и линии связи -не

более 1 кОм

225

Модификации прибора

Модификация Вид сигнализации Тип датчика, входной сигнал

ТЕХНОГРАФ 160-1 общая (2 реле) ТСМ ,ТСП, ТХА, ТХК,

ТПП, ТПР

0-10 мВ, 0-20 мВ, 0-50 мВ,

0-100мВ, 0-5 мА, 4-20 мА,

0-20 мА, 0-5 В

ТЕХНОГРАФ 160-2 раздельная (24 реле)

Диапазоны измерения по каналам:

1.100М,0-150°С 7. 0-100мВ, 0-100мВ

2. 50М,0-50°С 8. 100М,0-100°С

3. 50П, 0-300°С 9. 50М, 0-100°С

4. 0-5 мА, 0-100 °С 10. 50П, 0-400°С

5. S,0-1300°C 11. L,0-200°C

6. 0-5B, 0-5B 12. 0-5 мА, 0-5 мА

Рисунок 1.11 - Внешний вид прибора «Технограф 160»

Устройства многоканальной сигнализации

Устройства многоканальной сигнализации предназначены для циклического контроля

температуры 12-ти (УМС1, УМС2) или 16-ти (УМСЗ, УМС4) объектов, преобразование

сигналов от датчиков температуры в унифицированный электрический сигнал,

сигнализация о выходе температуры объектов за пределы заданных значений, сигнализация

обрыва и короткого замыкания датчиков.

226

Устройство многоканальной сигнализации УМС выпускается взамен приборов КПМЗ-

МГ и СТ-136.

Применяется для измерения и контроля температуры технологического процесса в

пищевой, фармакологической промышленности, в тепличном хозяйстве, в банно-прачечном

комплексе, прокатном производстве и других отраслях энергетической, нефтехимической,

газоперерабатывающей промышленности, для циклического контроля температуры

подшипников, воздуходувок, турбогенераторов, компрессоров, шаровых мельниц,

прокатных станков.

Принцип действия: термопреобразователя циклически поочередно, через коммутатор

подключаются к измерительному усилителю.

Выходной сигнал измерительного усилителя нормализованный до уровня от 0 до 8 В,

подается на вход АЦП, на вход блока компаратора К и на преобразователь напряжения – ток

U/I.

Блок задания уставок формирует уставки МАЛО и МНОГО (ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ и

АВАРИЯ) для каждой группы каналов 1-4, 5-8, 9-12, 13-16. Уставки задаются переменными

резисторами на лицевой стороне устройства при нажатии соответствующей кнопки.

Величина уставок контролируется на табло устройства.

Блок компараторов, состоящий из четырех компараторов, формирует выходные релейные

сигналы для блока индикации, информирующие потребителя о состоянии опрашиваемого

термопреобразователя (обрыв или короткое замыкание) и о температуре объекта.

Блок АЦП производит преобразование сигнала с термопреобразователя (или уставок) в

цифровую форму с индикацией на блоке индикации.

Блок индикации формирует информацию о номере опрашиваемого термопреобразователя

в цифровом виде и информацию о состоянии термопреобразователя и температуре объекта в

виде световых сигналов.

Конструктивно устройство выполнено в прямоугольном стальном корпусе,

предназначенном для щитового монтажа. Установка устройств в щитах осуществляется

обоймами, укрепленными на корпусе.

В устройстве полностью отсутствует кинематика. Вся электрическая схема устройства

размещена блочно на печатных платах, связь между которыми осуществляется при помощи

генмонтажной платы. Выходные разъемы соединяются с генмонтажной платой при помощи

переходной печатной платы со жгутом.

Уставки сигнализации задаются:

в УМС1 и УМС2 - с помощью внешнего магазина сопротивлений;

227

в УМСЗ и УМС4 - с помощью расположенных на передней панели переменных резисторов

при нажатии соответствующих кнопок, величина у ставок контролируется на табло

устройства.

Устройство имеет четыре исполнения:

УМС1, УМСЗ - с трехпозиционной сигнализацией ( "МАЛО", "НОРМА", "МНОГО") ;

УМС2, УМС4 - с предупредительной и аварийной сигнализацией

("ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ", "АВАРИЯ" ).

На передней панели устройства имеют следующую индикацию:

УМС1, УМС2 - включения устройства номера контролируемой точки, короткого замыкания

(КЗ) и обрыва (0) датчика, трехпозиционной "МАЛО" (М), "НОРМА" (Н), "МНОГО" (Мн)

(для УМС1) или предупредительной (П) и аварийной (А) сигнализации (для УМС2);

УМСЗ, УМС4 - включения устройства, номера контролируемой точки, результата

измерения температуры в цифровой форме, короткого замыкания (КЗ) и обрыва (О) датчика,

трехпозиционной "МАЛО" (М), "НОРМА" (Н), "МНОГО" (Мн) (для УМСЗ) или

предупредительной (П) и аварийной (А) сигнализации (для УМС4).

Устройства имеют режимы работы:

"НЕПРЕРЫВНО" (УМС1. УМС2, УМСЗ. УМС4) - коммутация осуществляется

непрерывно, независимо от состояния сигнализации;

"БЛОКИРОВКА" (УМС1, УМС2) - коммутация прекращается при срабатывании аварийной

сигнализации.

Возможно прекращение коммутации термопреобразователей на любом канале

оператором, ручной опрос датчиков и сокращенный цикл опроса.

Виды климатических исполнений:

УХЛ категории размещения 4.2 - для районов с умеренным климатом (обыкновенное

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс 50°

С, верхнее значение относительной влажности 80 процентов при плюс 25° С и более

низких температурах без конденсации влаги);

О категории размещения 4.2 - для районов с тропическим климатом (тропическое

исполнение - по ГОСТ 15150 - температура окружающего воздуха от плюс 5 до плюс

50°С, относительная влажность 98 процентов при плюс 35°С без конденсации влаги);

Приборы УМС имеют следующие устройства сигнализации:

УСМ1. УМС2 - с двумя независимыми уставками для всех 12-ти точек контроля

температуры и контактным выходом (коммутация переменного напряжения до 110 В при

токе до 0,1 А или постоянного напряжения до 30В при токе до 0,25А);

УСМЗ, УМС4 - с двумя независимыми уставками для каждой группы из 4-х точек

контроля температуры и контактным выходом (коммутация переменного или постоянного

228

напряжения до 220 В при токе до 1 А).

Приборы УМС имеют следующие устройства преобразования:

УМС1, УМС2 - устройство пропорционального (без линеаризации) преобразования

входного сигнала в выходной непрерывный электрический сигнал 0-10 В (сопротивление

нагрузки не менее 2 кОм);

УМСЗ, УМС4 - устройство пропорционального (с линеаризацией) преобразования входного

сигнала в выходной непрерывный электрический сигнал 0-5 мА (сопротивление нагрузки

не более 2 кОм);

Приборы имеют различные модификации в зависимости от:

- входного сигнала:

от термопреобразователей сопротивления с НСХ 50П, 100П, 50М, 100М

- типа сигнализации:

УМС1, УМС3 – с трехпозиционной сигнализацией («МАЛО», «МНОГО», «НОРМА»);

УМС2, УМС4 – с предупредительной и аварийной сигнализацией

(«ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ», «АВАРИЯ»);

- диапазона измерения.

Приборы серии «УМС» выпускает ОАО завод «Теплоприбор», г. Челябинск.

Цифро-графические индикаторы с сигнализацией КN-1000, КN-1100, КN-1200.

Цифро-графические индикаторы серии КN-1000 предназначены для отображения

параметров технологических процессов и сигнализации. Прибор имеет цифровое табло и

светодиодную, хорошо видимую издалека, шкалу (барграфический индикатор).

Уставки, свободно устанавливаемые пользователем, отображаются на светодиодной

шкале. Имеются встроенные специальные функции отображения входных сигналов mV, V,

mA:

- извлечение корня квадратного из значения входного сигнала (Y=Х) при измерении

расхода посредством сужающих устройств

- возведение в квадрат (Y=Х2) при необходимости линеаризации входного сигнала

(выходной сигнал датчика имеет вид )

Наличие порта связи RS 422 А дает возможность вводить измеряемые величины в

компьютер и передавать информацию на значительные расстояния. Для 2-х уставок

сигнализации пользователь может сам выбрать тип сигнализации:

- очень много - много

- мало – норма – много

- мало – очень мало

При выборе опции с 4-мя уставками сигнализации реализуется сигнализация вида: очень

много – много – мало – очень мало.

229

Входные сигналы:

- термопары (В, R, S, K, E, J, T)

- термопреобразователя сопротивления (Pt100)

- напряжения, mV, V

- тока, mA

Дисплей:

- столбчатая диаграмма – 101 сегмент светодиодной шкалы (цвет зеленый)

- цифровая индикация – 4 цифры (цвет красный)

Выходы:

сигнализация:

- с 2-мя устаками (очень много – много, много – мало, мало – очень мало)

- с 4-мя уставками (очень много – много – мало – очень мало)

- без сигнализации

токовый: 4-20мА, сопротивление нагрузки 600 Ом

цифровой : интерфейс RS 422А

Питание:

- 85…264 В / (503) Гц переменного тока

- (246) В постоянного тока

Защита от помех: коэффициент подавления помех от сети питания 50dВ или более (50Гц),

коэффициент ослабления синфазного сигнала: 240dВ или более (50Гц).

Параметры окружающей среды: температура минус 5…плюс 55С ; хранение минус

20…плюс 70С, влажность 10…90процентов; хранение 5…95процентов.

Монтаж: щитовой. Габариты 36х144х169,5 мм.

Выпускает ОАО завод «Теплоприбор», г. Челябинск.

Цифровые индикаторы с сигнализацией КN-2100, КN-2200

Новая серия КN программируемых цифровых индикаторов температуры, работающих с

разнообразными видами входных сигналов, спроектированы для наиболее широкого

применения в промышленных системах контроля и регулирования техпроцессов, системах

контроля качества и для исследований окружающей среды.

Имеются встроенные специальные функции отображения входных сигналов mV, V, mA:

- извлечение корня квадратного из значения входного сигнала (Y=Х) при х0, Y=Х при

Х0 при измерении расхода посредством сужающих устройств

- возведение в квадрат (Y=Х2) при необходимости линеаризации входного сигнала

(выходной сигнал датчика имеет вид )

Наличие функции масштабирования (для mV, V, mA) позволяет пользователю свободно

выбирать шкалу отображения параметра на дисплее (масштаб диапазона), функция коррекции

230

смещения нуля, самодиагностика, модификации: - КN-2100 – без сигнализации, КN-2200 – с

сигнализацией.

Входные сигналы:

- термопары

- термопреобразователя сопротивления

- напряжения, mV, V

- тока, mA

Выходы:

сигнализации: контакты реле 110 В / 1А переменного тока или 30 В / 2А постоянного тока.

токовый: 4-20мА

Питание:

- 220 В / 50Гц переменного тока (внутренний переключатель на 110 В/50(60) Гц

- (246) В постоянного тока

Защита от помех: коэффициент подавления помех от сети питания 50dВ или более (60Гц),

коэффициент ослабления синфазного сигнала: 140dВ или более (60Гц).

Параметры окружающей среды: температура минус 5…плюс55С; хранение

минус20…плюс 70С, влажность 10…90 процентов; хранение 5…95процентов.

Монтаж: щитовой. Габариты 96х48х112 мм.

Выпускает ОАО завод «Теплоприбор», г. Челябинск.

Многоточечные индикаторы с сигнализацией серии SS-2400.

Многоточечные цифровые индикаторы серии SS – 2400 предназначены для измерения и

отображения на хорошо видимом издалека табло значений температуры, расхода, уровня и др.

наиболее распространенных параметров технологических процессов, а также сигнализации

при выходе измеряемых параметров за установленные пределы.

Особенности: переключение каналов автоматическое или вручную, имеются встроенные

специальные функции отображения входных сигналов mV, V, mA:

- извлечение корня квадратного из значения входного сигнала (Y=Х) при х0, Y=Х при

Х0 при измерении расхода посредством сужающих устройств;

- возведение в квадрат (Y=Х2) при необходимости линеаризации входного сигнала

(выходной сигнал датчика имеет вид ).

Наличие функции масштабирования (для mV, V, mA) позволяет пользователю свободно

выбирать шкалу отображения параметра на дисплее (масштаб диапазона), функция коррекции

смещения нуля, самодиагностика.

Входные сигналы (один тип входа по всем каналам):

- термопары ПП(R), ПР(В), ХА(К), и др.

- термопреобразователя сопротивления (Pt100)

231

- напряжения, mV, V

- тока, mA

Дисплей:

1) значение измеренной величины 4 цифры, 7 – сегментный ЖКИ -9999…9999 или –

9,999…9,999;

2) номер канала – 2 цифры, 7 – сегментный ЖКИ

Выходы:

сигнализации: (много / мало ): одно реле 250 В / 1 А переменного тока на все каналы.

Входное сопротивление:

- 200 кОм (для входа с V);

- 250 Ом (для входа с мА;

- 1 МОм (для других вх. с).

Питание:

- 220 В / 50Гц переменного тока (внутренний переключатель на 110 В/50(60) Гц

- (246) В постоянного тока

Защита от помех: коэффициент подавления помех от сети питания 50dВ или более (60Гц),

коэффициент ослабления синфазного сигнала: 140dВ или более (60Гц).

Параметры окружающей среды: температура минус 5…плюс 55С ; хранение минус

20…плюс 70С, влажность 10…90процентов; хранение 5…95 процентов.

Монтаж: щитовой.

Выпускает ОАО завод «Теплоприбор», г. Челябинск.

Универсальный микропроцессорный регистратор КR-100

Универсальный микропроцессорный регистратор КR-100 имеет широкое применение во

всех отраслях промышленности для регистрации, отображения и регулирования параметров

тех процессов.

Обеспечивает многоцветную запись трендов с помощью 6 цветной головки. Аналоговая

запись сопровождается цифробуквенными распечатками (периодически – цифровое значение

сигнала, имя объекта, единицы измерения, текущее время, значение уставки сигнализации).

Результаты измерений и номер канала также отображаются на светодиодном табло. Выбор

пределов измерений по каналам и скорости движения бумаги осуществляется пользователем с

помощью клавиатуры в диалоговом режиме. Наличие порта связи RS 485 дает возможность

вводить измеряемые величины в компьютер и передавать информацию на значительные

расстояния. Выбор одного из пяти типов фильтра позволяет стабильно отображать и чисто

записывать входные сигналы при наличии шума или помех. Возможность непрерывного

отображения значения сигнала на одном выбранном входе без остановки опроса по другим.

Скорость подачи бумаги: 10, 20, 40, 60, 120, 240, 360, 480, мм/час.

232

Выходы: поле записи 100 мм, видимая длина записи 60 мм; дисплей: номер канала,

значение измеряемой величины, состояние реле сигнализации; цифровой: 1 порт RS 485;

релейный: 6 нормально разомкнутых контактов, нагрузочная способность 5А 30 V

постоянного тока или 250 V переменного тока.

Бумага: фальцованная, перфорированная 9м.

Параметры окружающей среды: температура минус 10…плюс 60С, влажность

10…80процентов.

Монтаж щитовой. Габариты 140х140х255 мм.

Изготовитель ОАО завод «Теплоприбор», г. Челябинск.

2.3 Безбумажные регистраторы

Безбумажные регистраторы являются экономичной альтернативой для обычных

самописцев, использующих бумагу. Могут использоваться для записи и контроля

параметров технологических процессов во всех отраслях промышленности, для контроля

качества продукции.

Приборы предназначены для измерения и регистрации силы и напряжения постоянного

тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в электрические сигналы

постоянного тока, могут иметь до тридцати семи цифровых и четыре математических канала.

Безбумажные регистраторы «МЕМОГРАФ». Приборы предназначены для измерения и

регистрации по восьми или шестнадцати каналам силы и напряжения постоянного тока, а

также неэлектрических величин, преобразованных в электрические сигналы постоянного тока,

могут иметь до тридцати семи цифровых и четыре математических канала.

Приборы позволяют осуществлять:

измерение температуры с помощью термопар (ТП) с компенсацией температуры

холодных спаев;

измерение температуры с помощью термопреобразователей сопротивления (ТС),

подключенных по трехпроводной линии связи;

позиционное регулирование;

регистрацию, отображение и архивирование результатов измерения аналоговых

сигналов, состояния цифровых входов и системных сообщений;

представление результатов измерения в аналоговом и цифровом виде и отображение

на видеографическом цветном дисплее;

реагирование на внешние события посредством использования цифровых входов;

233

математические вычисления;

обмен данными с внешними устройствами по протоколу PROFIBUS DP;

обмен данными с персональным компьютером (ПК) по интерфейсам RS-232 и RS-

485.

С клавиатуры прибора можно устанавливать любой диапазон измерений и входной

сигнал в (соответствии с приложением А), имеется функция самоконтроля и контроля

предельных значений, информативный поиск событий и наглядное группирование по

каналам, автоматическая обработка сигналов.

Максимальная разность потенциалов между каналами - 60 В постоянного или

переменного тока.

Прибор оснащен программно-кодовой защитой (паролем) от несанкционированного

доступа в базу данных.

Технические характеристики прибора «МЕМОГРАФ»:

Результаты измерения по каждому каналу (четыре разряда) отображаются на дисплее в

единицах измеряемой физической величины.

2,0 – предел допускаемой абсолютной погрешности термокомпенсации, °С. Пределы

дополнительной погрешности прибора по показаниям и цифровой индикации от изменения

окружающей температуры на каждые 10 °С не превышают 0,25 % от нормирующего

значения.

Входное сопротивление прибора при входном сигнале:

напряжения постоянного тока или от ТП не менее 1 МОм;

силы постоянного тока не более 50 Ом.

Цикл регистрации из ряда 1, 2, 3, 5, 10, 15, 30, 60, 120, 180,

360 с выбирается для каждой группы индивидуально. Скорость заполнения памяти зависит от

цикла регистрации.

Приборы имеют групповое реле (Rel 1) для сообщения предельных значений или

внезапного отключения сети - переключающий контакт 230 В, 3 А.

Период измерения одного канала 125 мс. Все каналы на одной аналоговой карте (восемь

каналов) измеряются последовательно, с общим циклом 1 секунда. В приборах с двумя

аналоговыми картами (шестнадцать каналов) измерение производится параллельно по обеим

картам и общий цикл измерения по всем каналам составляет 1 секунда.

Питание прибора в зависимости от модификации осуществляется от сети переменного

тока (50/60 Гц) напряжением 90-253 В или постоянным и переменным (50/60 Гц),

напряжением 18 - 30 В.

Все настройки прибора (включая калибровочные коэффициенты) хранятся в

энергонезависимой памяти (Flash-память). Результаты измерений хранятся во внутренней

234

памяти (статическое ОЗУ), которая при перерывах внешнего электропитания питается от

внутреннего источника постоянного напряжения (литиевая батарея).

В процессе работы прибор производит архивирование результатов измерений на дискету.

Долговременное архивирование происходит в ПК, при этом данные переносятся на дискете

или передаются по последовательному интерфейсу.

Прибор позволяет устанавливать демпфирование в пределах от 0 до 999,9 с в

зависимости от аналогового входного сигнала.

Отображение результатов измерений в приборе осуществляется в режимах аналоговой

регистрации и цифровой индикации.

В режиме аналоговой регистрации результаты измерения отображаются на дисплее в

виде двухмерных графиков (далее - кривых). Каждая кривая соответствует одному из

каналов измерения и имеет свой цвет. Регистрация в приборах осуществляется в

прямоугольных координатах рисунок 2.12.

Рисунок 2.12 - Отображение сигналов

В приборе предусмотрена возможность контроля целостности цепей подключения

термопар и контура тока 4-20 мА.

Приборы имеют следующие условия эксплуатации:

температура окружающего воздуха от 0 до 50 С;

относительная влажность до 80 процентов при 35 С и более низких температурах

без конденсации влаги;

атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.

Приборы сохраняют свои характеристики:

235

при воздействии внешнего постоянного или переменного магнитного поля частотой

50 Гц и напряженностью до 40 А/м;

при отключении напряжения питания на время не более 20 мс.

Приборы, имеющие устройство «Цифровые входы/выходы», могут дополнительно

выполнять следующие функции:

формировать четыре уставки на любом из каналов, каждая из которых может

программироваться одним из двух видов - «меньше» или «больше». Приборы имеют один

выход с открытым коллектором (максимально 25 В и 100 мА) и четыре реле с

замыкающимися контактами, коммутирующие нагрузку 220 В, 3 А переменного тока;

сравнивать измеряемые параметры с уставками и при выполнении условий

срабатывания выдавать двухпозиционные выходные сигналы;

по состоянию управляющих входов осуществлять:

печать произвольного текста, текущей строки, даты, времени и обозначения канала с

предельным значением,

остановку регистрации параметров,

счет импульсов и времени работы;

запрет на изменение установок прибора (дополнительная защита от

несанкционированного доступа в базу данных).

Прибор имеет возможность подключения интерфейсов RS-232 или RS-485.

Использование последовательных интерфейсов позволяет организовать обмен данными с

удалённым ПК. Длина линии связи при использовании RS-485 - до 1000 м.

Степень защиты для приборов щитового исполнения по ГОСТ 14854-96: с фронтальной

стороны IP54, с обратной стороны IP20.

Приборы, имеющие дополнительно четыре математических канала, могут выполнять

следующие функции:

дополнительные каналы с входными сигналами y1 и y2 могут быть соединены между

собой математически и рассчитаны при помощи формул (1) и (2):

f = {g(y1)*a}?(y2*b)+c, (1)

f = (y1:y2)*b+ c (2)

где f - результат математического соединения;

g - функция, например {lg, ln, exp, abs, sqrt, quad, sin, cos, tan};

y1, y2 – значения сигналов каналов, которые требуется математически объединить;

? – арифметическая операция {+, - ,* , / },

a или b - коэффициенты (рабочая установка - «1»);

с - константа (рабочая установка - «0»);

236

результат вычисления (четыре разряда) может иметь физическую единицу

измерения;

результат математического соединения, например, расчёт количества, может быть

интегрирован.

Максимальная мощность, потребляемая прибором при номинальном напряжении

питания, не более 25 В·А, масса прибора не более 3,5 кг, рабочее положение (9030) град.

Внешний вид прибора показан на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Прибор, предназначенный для

утопленного щитового монтажа

(1) - окно для изображения результатов:

отсутствие сигнала, повреждение провода;

цифровые показания результатов измерения; если изображены

красным цветом, это означает нарушение предельного значения.

Аналоговые сигналы изображаются во всю ширину экрана. Цифровые каналы (например,

«Цифровой 1 2 3 . . . 7»), когда они активизированы, записываются на правом крае экрана

цветной полосой (например, изображение времени работы насоса).

(2) - заглавная строка - Отображение текущей даты / времени.

(3) - индикация о заполнении памяти дискеты и сигнал при низком напряжении

батарейки.

237

(4) - клавиатура управления в виде шести кнопок.

(5) - функции кнопок управления.

Функции кнопок управления описаны на дисплее непосредственно над самими кнопками.

Функции динамически меняются, в зависимости от того, какая раскладка кнопок выбирается.

Смена раскладки кнопок производится при помощи кнопок, обозначенных символами

«…» и «…».

Свободные поля означают, что соответствующие кнопки временно без функций.

В то время, когда пользователь управляет прибором, регистрация результатов измерения

не прерывается.

Чтобы выбрать раскладку кнопок («Группа», «Режим», «Анализ» и т.п.) необходимо

нажать соответствующую кнопку и сделать выбор при помощи следующих кнопок:

«» или «» (выбрать / изменить параметры);

«» или «» (передвигать курсор);

↵ «Изменить» (подтверждение выбора);

«ESC» (возврат к предыдущему экрану, остановка последнего шага управления);

«<< >>» (листать вперёд / назад в ЗУ). Чёрным цветом выделяются дата / время.

Посредством изменения масштаба выбрать линию развёртки, можно «сжать» линию

развёртки до 10 периодов. На экране будет виден в 10 раз увеличенный период.

«<<» - быстрое перелистывание назад в памяти (аналогично перемотке бумаги).

«<» - медленное перелистывание назад в памяти.

«>>» - быстрое перелистывание вперёд в памяти.

«>» - медленное перелистывание вперёд в памяти;

«Выбор (смена группы). «Поиск» - просмотр внутренней памяти (ЗУ). Можно

свободно выбирать время, результат измерения. При нажатии «ОК» возврат в основной

режим, отображает сигналы в виде кривых.

«Enter» - подтверждает ввод значения;

«ОК» - запускает поиск с установленными критериями.

(6), (10) - индикаторы:

зелёный светится, когда прибор работает нормально, без помех. Нормальный режим

- прибор регистрирует результаты измерения/сигналы и записывает их;

зелёный индикатор мерцает: прибор загружает новую программу (только с целью

обслуживания);

красный индикатор светится: неисправность, прибор вышел из строя, не готов к

эксплуатации;

238

красный индикатор мерцает: необходимость в обслуживании из-за внешней

причины, например, обрыв провода, калибровка и т. д., или предстоит подтвердить

сообщение/указание.

(7) - крышка дисковода.

(8) - дисковод.

(9) - кнопка извлечения дискеты.

На задней панели корпуса расположены:

колодка внешних подключений входных сигналов;

разъем для подключения питания;

разъемы для подключения интерфейсов;

разъемы для подключения к выходным реле и управляющим входам.

Пружинные штекерные клеммы обеспечивают лёгкое и удобное подключение и

перенесение кабеля. Сечение подключаемых проводов не должно превышать 1,5 мм2.

Сечение подключаемых проводов при подключении сети не должно превышать 2,5 мм2.

На входе напряжения питания установлены предохранители.

Отображение

Для отображения информации используется цветной STN-дисплей с диагональю экрана

126 мм (5"), 76800 точек изображения (320х240 пикселей).

Режимы отображения:

режим аналоговой регистрации: отображение результатов измерений осуществляется в

виде кривых разного цвета на полную ширину экрана (аналогично многоканальному

регистратору, использующему бумагу). Кроме того, верхняя часть экрана используется для

цифровой индикации;

режим аналоговой регистрации, с отображением результатов измерений для каждого

канала в отдельной зоне.

режим цифровой индикации, с отображением результатов измерений в цифровом виде,

для каждого канала в отдельной зоне;

режим отображения информации об использовании памяти и величине экономии

эксплуатационных расходов;

режим отображения карты идентификаторов каналов;

режим отображения списка системных событий - все системные события, такие как

срабатывание уставок, активизация цифровых входов, изменение настроек прибора,

включение и выключение питания прибора и т.п., заносятся в список событий.

Аналоговые сигналы отображаются на всю ширину экрана. Графики состояния цифровых

входов рисуются справа от аналоговых кривых

239

Прибор сообщает автоматически для аналоговых точек измерения средние величины,

минимум, максимум. Вычисляет среднее, дневное, месячное, годовое значение параметра;

отображает показание счётчика, время эксплуатации и количество. Модуль записи

Для отображения результатов измерения в режиме аналоговой регистрации для каждого

канала используется свой цвет рисунок 2.14: канал

1 – синий, канал 2 - чёрный, канал 3 - красный, канал 4 - зелёный, канал

5 - малиновый, канал 6 - коричневый, канал 7 - темно зеленый, канал

8 - фиолетовый. Результаты измерений хранятся во внутренней памяти (1 или

2 Мбайт) и архивируются на дискету (1,44 Мбайт).

Рисунок 2.14 - Изображение сигналов.

Архивирование на дискету происходит автоматически, по мере накопления результатов

измерения, блоками по 8 Кбайт. При этом на дискете создаётся копия данных, содержащихся

во внутренней памяти. При заполнении дискеты на 100 процентов результаты измерений

продолжают накапливаться во внутренней памяти. Если внутренняя память заполнена

на 100 процентов, то по мере поступления новых результатов измерения старые из

внутренней памяти удаляются. Время заполнения внутренней памяти и памяти дискеты

результатами измерения зависит от скорости регистрации.

Безбумажный регистратор «ЭКОГРАФ-АС» используется для атомных станций,

«ЭКОГРАФ-Т» может использоваться для записи и контроля параметров технологических

процессов во всех отраслях промышленности.

Рассмотрим «ЭКОГРАФ-Т» используемых во всех отраслях промышленности рисунок

2.15.

240

Рисунок 2.15 - Внешний вид «ЭКОГРАФ-Т»

Приборы позволяют осуществлять по трем или шести каналам:

преобразование сигналов постоянного напряжения и силы постоянного тока по

ГОСТ 26.011 в значения параметра.

позиционное регулирование;

измерение температуры с помощью термопреобразователей сопротивлений (ТС),

подключенных по трех- или четырехпроводной линии связи;

измерение температуры с помощью термопар (ТП) с компенсацией температуры

холодных спаев;

обмен данными с ЭВМ по интерфейсам: RS-232, USB, RS-485 и Ethernet;

измерение и регистрацию мгновенного расхода (корнеизвлечение);

регистрацию, отображение и архивирование результатов измерения аналоговых

входных сигналов, состояния цифрового входа и системных сообщений;

представление результатов измерения в аналоговом и цифровом виде и отображение

на видеографическом цветном дисплее;

реагирование на внешние события посредством использования цифрового входа.

Прибор оснащен программно-кодовой защитой (паролем) от несанкционированного

доступа в базу данных, приборы относятся к устройствам непрерывного действия.

Приборы имеют климатическое исполнение УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69, но для работы при

температуре окружающего воздуха от 0 до 50 С.

241

Технические характеристики.

Прибор эксплуатируется в следующих условиях:

температура окружающего воздуха от 0 до 50 С,

относительная влажность не более 80 процентов при 35 С и более низких

температурах без конденсации влаги,

атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.

Входное сопротивление прибора:

при входном сигнале напряжения постоянного тока:

а) напряжение не более 1 В, МОм, не менее 2,7;

б) напряжение более 1 В, кОм, не менее 980;

при входном сигнале силы постоянного тока, Ом, не более 50;

при входном сигнале от термопар, МОм, не менее 2,7.

Пределы допускаемой абсолютной погрешности компенсации температуры свободных

концов термопары (для входных сигналов с компенсацией температуры «холодного спая»)

не более 2,0 °С.

Сопротивление каждого провода линии связи при подключении ТС, Ом, не более:

трехпроводная линия связи 40;

четырехпроводная линия связи 200.

Прибор обеспечивает счет текущего времени. Работа в режиме реального времени,

отклонение не более 10 мин за год. Возможна синхронизация времени.

Приборы обеспечивают хранение введенных значений и результатов измерения в течение

10 лет (литиевая батарея).

Хранение данных происходит во внутренней памяти и на флэш-карте. Долговременное

архивирование происходит в ПК, причём данные переносятся через последовательный

интерфейс.

Прибор имеет возможность подключения последовательных интерфейсов: USB, RS-232

или RS-485, Ethernet. Использование интерфейсов позволяет организовать обмен данными с

удалённого ПК. Длина линии связи при использовании RS-485 - до 1000 м.

Прибор имеют возможность устанавливать внешнюю термокомпенсацию в задаваемых

точках, С.

Измерение производится параллельно по всем каналам с периодом 100 мс.

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока

(50/ 60 Гц) напряжением от 115 до 242 В, частотой 50/ 60 Гц или постоянным напряжением

от 20 до 28 В (переменным 50/60 Гц), в зависимости от исполнения.

242

Прибор позволяет устанавливать цифровой фильтр в пределах от 0 до 999,9 с в

зависимости от уровня помех аналогового входного сигнала.

Отображение результатов измерений в приборе осуществляется в режимах аналоговой

регистрации и цифровой индикации (максимально пять разрядов). В режиме аналоговой

регистрации результаты измерения отображаются на дисплее в виде двухмерных графиков

(далее кривых). Каждая кривая соответствует одному из каналов измерения и имеет свой

цвет. Регистрация в приборах осуществляется в прямоугольных координатах.

Термопары и контур тока 4-20 мА контролируются при обрыве. Имеется индикация

обрыва цепи кабеля на дисплее.

Масса приборов должна быть не более 1,0 кг, приборы сохраняют свои

характеристики при воздействии внешнего постоянного или переменного магнитного поля

частотой 50 Гц и напряженностью до 40 А/м; максимальная мощность, потребляемая

прибором при номинальном напряжении питания, не более 25 В·А.

Период регистрации (цикл памяти) устанавливается с помощью клавиатуры: 0, 1, 2, 3, 4, 5,

10, 15, 20, 30 с; 1, 2, 3, 4, 5, 10, 30 мин; 1 час.

Приборы выполняют следующие функции:

формируют до 12 уставок на любом из каналов, каждая из которых может

программироваться одним из двух видов: «меньше», «больше»;

сравнивают измеряемые параметры с уставками и, при выполнении условий

срабатывания («меньше», «больше»), выдают двухпозиционные выходные сигналы;

по состоянию цифрового входа реагируют на внешние события.

Приборы имеют три реле с замыкающими контактами и одно выходное реле с

переключающими контактами, коммутирующие нагрузку

250 В, 3 А переменного тока (50 В, 300 мА постоянного тока).

Максимальная разность потенциалов между каналами - 500 В постоянного или

переменного тока.

Электрическое сопротивление изоляции цепей при приложении напряжения 500 В при

температуре окружающего воздуха (20±5) °С, относительной влажности не более 80 %

должно быть не менее:

40 МОм – цепь питания относительно цепей сигнализации,

20 МОм – цепь питания относительно входных, выхода источника, интерфейсов.

Электрическая изоляция цепей питания относительно цепей, указанных ниже, при

нормальных условиях должна выдерживать в течение 1 мин испытательное напряжение 750

В практически синусоидального переменного тока частотой 50 Гц:

цепь питания относительно цепей сигнализации

цепь питания относительно входных

243

цепь питания относительно выхода источника, интерфейсов.

Прибор выполнен в прямоугольном пластмассовом корпусе и предназначен для

утопленного щитового монтажа. Крепление прибора осуществляется с помощью зажимов

монтажных, входящих в комплект принадлежностей. Вид спереди приведен на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 - Прибор, предназначенный для утопленного щитового монтажа

(1) – Клавиатура управления:

прекращение ввода или обратный переход к предыдущему

отображению;

,

,

двигает курсор влево или вправо;

двигает выделяющую полосу вверх или вниз, изменяет параметры;

E

клавиша Enter - выбор отмеченной функции, запуск изменения

параметров, подтверждение измененной настройки.

Ο при нажатии клавиши выводится список событий или справка (все

необходимые подсказки по использованию меню, управлению прибором,

отображаются после пометки нужного пункта и нажатии кнопки)

(2, 2a, 2b) – гнездо для установки флэш-карты;

Желтый индикатор около флэш-карты указывает на доступ к данным!

(2с) – разъем для подключения USB;

(3) – окно для изображения результатов:

Аналоговые сигналы изображаются во всю ширину экрана.

Цифровой канал, когда он активизирован, записывается на правом краю экрана как

цветная полоса (например, изображение времени работы насоса).

244

превышение (принижение) диапазона измерений;

отсутствие сигнала, повреждение провода;

если результат измерения изображен красным цветом, это означает

нарушение предельного значения.

(4) – отображение текущей даты/времени.

(5) – отображение периода регистрации и процента использованной памяти.

Значение периода регистрации (в выбранных единицах измерения подачи) отображается

поочерёдно со значением процента использованной памяти.

(6) индикаторы

индикатор зелёный светится, когда прибор работает нормально, без помех.

Нормальный режим - прибор регистрирует результаты измерения/ сигналы и записывает их;

зелёный индикатор мигает - прибор загружает новую программу (только с целью

обслуживания);

красный индикатор светится - неисправность, прибор вышел из строя, не готов к

эксплуатации;

красный индикатор мигает - необходимость в обслуживании из-за внешней

причины, например, сработала уставка.

питания,

входных аналоговых сигналов,

цифрового входа,

источника 24 В (для питания датчиков);

устройств сигнализации на контакты реле,

интерфейсов RS 232/485 и Ethernet.

Имеются два светодиода Ethernet, расположенные на задней стенке прибора.

Для отображения информации используется цветной ЖК-дисплей с диагональю экрана

120 мм, 76800 точек изображения, 64 цвета.

Аналоговые сигналы отображаются на всю ширину экрана. Графики состояния цифровых

входов рисуются справа от аналоговых кривых.

Режимы отображения:

режим аналоговой регистрации, с отображением результатов измерений в виде

кривых разного цвета на полную ширину экрана (аналогично многоканальному

регистратору, использующему бумагу). Кроме того, верхняя часть экрана используется для

цифровой индикации;

режим аналоговой регистрации, с отображением результатов измерений для каждого

канала в отдельной зоне.

245

режим цифровой индикации, с отображением результатов измерений в цифровом

виде, для каждого канала в отдельной зоне;

режим отображения в виде диаграммы;

режим отображения списка событий все системные события, такие как

срабатывание уставок, активизация цифрового входа, изменение настроек прибора,

включение и выключение питания прибора и т. п. заносятся в список событий рисунок 2.17.

Рисунок 2.17 - Список события

Список состоит из 30 последних событий (например, исчезновение напряжения сети,

нарушение предельного значения и т. д.).

Модуль записи.

Для отображения результатов измерения в режиме аналоговой регистрации для каждого

канала используется свой цвет:

для трехканального прибора:

аналоговый канал 1 синий;

аналоговый канал 2 красный;

аналоговый канал 3 зелёный;

цифровой голубой.

Для шестиканального прибора:

канал 1 – фиолетовый, канал 4 – зелёный,

канал 2 – красный, канал 5 – синий,

канал 3 – чёрный, канал 6 – коричневый,

246

цифровой голубой.

Внутренняя память:

Память программы: 2 Mбайт Flash (энергонезависимая).

Память данных настройки, память измеренных данных: постоянное дублирование

данных настройки и измеренных данных во внутренней Flash памяти (около 700 000 данных

измерения, энергонезависимая).

Основная память: 2 Mбайт SRAM.

Данные сохраняются в режиме реального времени с помощью литиевой батареи (замена

после 10 лет).

Внешняя память:

Циклическое копирование данных измерения для архивирования на компактной

Flash карте – CF (основная CompactFlash: Тип I).

Поддерживаются CF карты памяти: 32 Mбайт, 64 Mбайт,

128 Mбайт, 256 Mбайт и 512 Mбайт.

Если CF карта памяти не установлена, происходит внутреннее сохранение данных

приблизительно за один день (или около 700 000 значений измерения).

Если внутренняя память заполнена на 100 процентов, то по мере поступления новых

результатов измерения старые из внутренней памяти удаляются.

Время заполнения внутренней памяти результатами измерения зависит от выбранного

цикла регистрации.

247

3 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Исполнительное устройство - это одно из звеньев автоматических систем регулирования,

предназначенных для непосредственного воздействия на объект регулирования. В общем

случае исполнительное устройство состоит из исполнительного механизма и

регулирующего органа. На рисунке 3.1. показана структурная схема исполнительного

устройства.

Рисунок. 3.1- Структурная схема исполнительного устройства:

i - командный сигнал; l - относительный ход затвора; КV — пропускная способность;

Q — расход.

Регулирующий орган (РО) исполнительного устройства, предназначен для измерения

расхода вещества или энергии в объекте регулирования. Различают дозирующие и

дроссельные РО. К дозирующем относятся такие устройства, которые изменяют расход

вещества за счет изменения производительности агрегатов. Дроссельные РО представляют

собой переменное гидравлическое сопротивление, изменяющее расход вещества за счет

изменения своего проходного сечения; к ним относятся регулирующие клапаны, поворотные

заслонки, шиберы и краны. Регулирующие органы характеризуются многими параметрами,

основными из которых являются: пропускная и условно пропускная способности, условное и

рабочее давление, перепад давления РО и условный проход.

За пропускную способность исполнительного устройства Кv принимается расход

жидкости (в м3

/ч) плотностью, равной 1000 кг/м3, пропускаемой регулирующим органом при

перепаде давления на нем, равном 0,1 МПа (1 кгс/см2).

Исполнительный механизм (ИМ) представляет собой функциональный преобразователь

сигнала управляющего устройства (командной информации) во входной сигнал

регулирующего органа. Оба блока кинематически связаны между собой посредством

выходного элемента исполнительного механизма, передающего регулирующему органу

перестановочное усилие. Перестановочное усилие воспринимается затвором,

представляющим собой подвижную часть регулирующего органа, перемещением которой

достигается изменение проходного сечения и пропускной способности. В большинстве

248

конструкций затвор движется относительно неподвижного седла и образует вместе с ним

проходное сечение регулирующего органа.

3.1 Классификация

Разнообразие условий, в которых эксплуатируются ИУ, вызвало к жизни большое число их

конструктивных типов, модификаций, исполнений. В таблице 3.1 приведена классификация

исполнительных устройств по признакам, относящимся к ИУ как целостному изделию.

Исключение составляют два признака, которые, строго говоря, следовало отнести к уровню,

характеризующему отдельные блоки; это, во-первых, вид вспомогательной энергии,

используемой в исполнительном механизме, и определяющий принадлежность ИУ к одной

из трех ветвей Государственной системы приборов - электрической, пневматической,

гидравлической.

В большинстве случаев, но не всегда, вид вспомогательной энергии, используемой в

исполнительном механизме, совпадает с физической природой носителя сигнала в канале

связи. Иногда при электрическом сигнале используются гидравлические или пневматические

исполнительные механизмы с включением в схему соответственно электрогидравлических

или электропневматических позиционеров или стандартных преобразователей. Второй

признак - функциональное назначение - выделяет запорно-регулирующие исполнительные

устройства, обеспечивающие герметичное перекрытие трубопровода.

249

Таблица 3.1 - Классификация исполнительных устройств.

В условиях химических и нефтехимических производств большое значение имеет

устойчивость агрегата к воздействию окружающей среды. При классификации в первую

очередь обращают внимание на такие факторы, как взрывоопасность среды, ее температура,

содержание в ней пыли, влаги, коррозионно-активных агентов. Исполнительные

устройства в обыкновенном исполнении не должны работать в условиях воздействия повы-

шенной концентрации пыли, брызг, влажности; во взрывоопасной и агрессивной среде; при

интенсивных механических воздействиях. Исполнительные устройства во взрывобезопасном

исполнении характеризуются защищенностью исполнительных механизмов и

дополнительных блоков. В зависимости от степени опасности и характера воздействия

взрывоопасных веществ установлено несколько категорий взрывозащиты.

Устойчивость к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха

определяется долговечностью наименее стойких соприкасающихся с воздухом деталей,

изготавливаемых обычно из неметаллического материала. По этому признаку ИУ разделены

на три группы таблица 3.1; относительная влажность во всем диапазоне температур должна

Признак классификации ИУ Классификационные типы ИУ

Вид вспомогательной энергии

Функциональное назначение

Пропускная характеристика

Вид действия

Защищенность от воздействия окружающей

среды

Устойчивость к воздействию температуры и

влажности окружающего воздуха

Электрический, гидравлический,

пневматический, электрогидравлический,

электропневматический,

пневмогидравлический

Регулирующий, запорно-регулирующий

Равно процентная, линейная, специальная

Нормально открытый, нормально закрытый

Обыкновенное исполнение,

взрывобезопасное исполнение

I группа (от —50 до +50 °С)

II группа (от +30 до +50 °С)

III группа (от —15 до + 50 °С)

250

быть в пределах от 30 до 80 процентов. Для I и II групп при температуре 35 °С должна быть

обеспечена также устойчивость к воздействию относительной влажности 95 процентов.

Большое значение для технологического процесса имеет так называемый вид действия

исполнительного устройства, определяемый положением затвора при прекращении подвода

энергии к исполнительному механизму. По этому признаку ИУ разделяются на нормально

открытые, в которых с прекращением подвода энергии проход между затвором и седлом

полностью открывается, и нормально закрытые, в которых с прекращением подвода энергии

проход полностью перекрывается.

К классификационным признакам отнесена также пропускная характеристика. В

подавляющем большинстве конструкций она определяется формой затвора и седла

регулирующего органа, но может быть обеспечена и с помощью профилированного кулачка

позиционера.

Классификационные признаки, определяемые особенностями регулирующего органа,

приведены в таблице 3. 2.

Основной признак, по которому подразделяют регулирующие органы - это

конструктивный тип, определяемый особенностями затвора и корпуса. Затвор заслоночного

РО представляет собой поворотный диск (заслонку), полностью перекрывающий в закрытом

положении проход в корпусе. В шаровом РО перекрытие прохода осуществляется поворотом

шара с прорезью. В шланговом РО затвор состоит из упругого патрубка (шланга), проходное

сечение которого изменяется с помощью пережимного устройства. В диафрагмовом РО

изменение проходного сечения достигается перемещением центра диафрагмы относительно

седла. В односедельных РО цилиндрический или профилированный затвор перемещается

вдоль оси седла, в двухседельных - цилиндрический или профилированный затвор пе-

ремещается вдоль оси двух седел и имеет две посадочные поверхности. Корпус трехходового

РО имеет три присоединительных прохода, через которые один поток разделяется на два,

либо два потока смешиваются в один. Затвор - цилиндр с прорезями - имеет две посадочные

поверхности.

251

Таблица 3.2 – Классификация РО

В зависимости от характера движения и формы затвора конструктивные типы могут

быть объединены в группы: поворотные, т. е. с поворотным затвором (заслоночные,

шаровые); плунжерные, т. е. с плунжерным затвором (односедельные, двухседельные,

клеточные трехходовые, микрорасходов); бесплунжерные (шланговые, диафрагмовые).

Выбор того или иного конструктивного типа определяется на основании учета

технологических параметров процесса и расчета требуемой пропускной способности.

По величине условной пропускной способности Kvу регулирующие органы разделяются

на четыре группы:

для больших расходов .......…от 40 до 25 000;

для средних расходов ........…от 2 до 5000;

для малых расходов .........….от 0,1 до 4;

для микрорасходов . ........…..0,1 и менее.

Деление регулирующих органов по расходу не строгое, значения условной пропускной

способности для разных групп частично перекрывают одно другое, но оно позволяет

Признак классификации РО Классификационные типы РО

Расход среды

Конструкция

Условное давление

Температура среды

Материал основных деталей

Способ уплотнения выхода штока

Взаимное расположение входного и

выходного

патрубков

Присоединение к трубопроводу

Для больших расходов

Для средних, микро- и малых расходов

Заслоночный, односедельный (для всех

расходов, кроме больших), двухседельный,

трехходовой, шланговый, диафрагмовый,

шаровой

Для низкого, среднего и высокого давления

Для низких, нормальных и высоких

температур

Чугунный, стальной, коррозионно-стойкий,

специальный

Сальниковый, сильфонный

Проходной, угловой

Фланцевый, муфтовый, линзовый,

приварной, цапковый

Kvу . м3/ч

252

предварительно отобрать конструктивный тип. В группы микро- и малых расходов входят

только регулирующие органы односедельного типа. Группа средних расходов наиболее

многочисленна, в нее входят все конструктивные типы, в том числе и заслоночные при

малых диаметрах проходов. Группу больших расходов составляют только заслоночные,

двухседельные и шаровые конструктивные типы.

Регулирующие органы разделяются по величине условного давления и допустимой

температуры проходящей через него среды:

Условное давление, МПа

низкое ..........до 1,6

среднее . .......до 16

высокое . ......До 150

Допустимая температура, °С

высокая . .…...от ±225 до +450

низкая . ...……До —225

нормальная . ...... От —40 до +225

Нельзя сказать, что это разделение в одинаковой степени подходит для всех

конструктивных типов. Например, шланговые и диафрагмовые регулирующие органы

рассчитаны только на низкое давление и нормальную температуру.

Практически отсутствуют заслоночные регулирующие органы на высокое давление.

Более универсальны односедельные и двухседельные регулирующие органы. Очень важно

разделение регулирующих органов по материалу основных деталей. Для условий низкого

давления и нормальной температуры основные детали РО (корпус, седло, диски заслонок)

изготавливаются из чугуна; для более тяжелых условий, но при неагрессивных и

слабоагрессивных средах—из углеродистой стали; для высоких давлений высоких и низких

температур при агрессивных средах основные детали изготавливаются из

высоколегированных сортов сталей, таких, как хромоникелевая и

хромоникельмолибденовая.

По способу уплотнения штока, регулирующие органы разделяются на сальниковые и

бессальниковые. Сальниковое уплотнение поддерживает герметичность внутренней полости

регулирующего органа за счет создания радиального давления между сальниковой набивкой

и штоком затвора, бессальниковое — за счет упругой связи между корпусом и штоком

253

затвора. В качестве бессальниковых уплотнений чаще всего используются сильфонные

устройства, обеспечивающие абсолютную герметичность и применяемые в случаях, когда

даже минимальная утечка среды из полости регулирующего органа недопустима. К

бессальниковым относятся также диафрагмовые и шланговые регулирующие органы.

Имеющийся в них сальник играет вспомогательную роль. Основной уплотнительный эффект

достигается с помощью самих эластичных элементов.

Для проектирования и монтажа трубопроводной линии главное значение имеют два

признака: расположение входного и выходного патрубков корпуса РО и вид присоединения

к трубопроводу. Присоединительные патрубки могут располагаться на одной оси, образуя

проходную конструкцию, и под углом один к другому, образуя угловую конструкцию. Это

разделение касается только односедельных исполнительных устройств как малых, так и

средних расходов. Остальные типы имеют проходную конструкцию. Все стандартные РО

имеют либо муфтовое (до 25 мм), либо фланцевое (свыше 25 мм) присоединение к

трубопроводу. Для малых диаметров прохода применяется также цапковое соединение; в

особо серьезных случаях применяют самое надежное в отношении плотности присоединение

к трубопроводу - сварное, на которое не влияют ни деформации трубопровода, ни колебания

температуры. Для высоких давлений применяется линзовое соединение.

Главное требование АСУ ТП к исполнительному устройству - высокая надежность

работы. В отличие от других элементов АСУ ТП применение ИУ не допускает

резервирования; фактически это единственный элемент, не имеющий дублирующих

устройств. Поэтому при подборе исполнительных устройств для АСУ ТП необходимо

руководствоваться принципом обеспечения надежности в широком смысле: выбирать ИУ с

ограниченными последствиями отказов, способное реализовать свои функции в широком

диапазоне изменения параметров технологического процесса.

Из исполнительных устройств наиболее разнообразную номенклатуру,

удовлетворяющую широкому диапазону технологических параметров, имеют двухседельные

ИУ. Остальные типы имеют более ограниченное применение, отчасти вследствие того, что

их конструкции более специализированы, предназначены для определенных условий работы.

Но изготавливаемые отечественной промышленностью исполнительные устройства не

исчерпывают допустимого диапазона значений параметров; число типоразмеров, т. е.

изделий, отличающихся числовыми значениями главных параметров, гораздо уже

допустимого диапазона. Исключение составляют диафрагмовые и шланговые конструкции, в

которых соприкасающиеся с рабочей средой упругие неметаллические элементы

значительно ограничивают по температуре и давлению среды применение этих устройств.

Широкое применение двухседельных ИУ объясняется универсальностью конструкции,

позволяющей применять их в большом диапазоне давлений, температур, перепадов

254

давлений, физических свойств среды. Этому способствуют модификации данных устройств

на базе разнообразных материалов для основных деталей, наличие разных конструкций

крышек, что определяет температурные условия работы сальникового уплотнения, а также

наличие широких размерных рядов по условному давлению и условным проходам. Однако

крупносерийное изготовление двухседельных устройств имеет и теневую сторону:

двухседельные конструкции используются и там, где должны были бы применяться

специализированные конструкции.

Для каждого конструктивного типа ИУ существует оптимальная область применения,

определяемая минимумом суммарных затрат на изготовление и эксплуатацию. Параллельная

установка нескольких двухседельных устройств там, где можно было бы обойтись одним

заслоночным, или последовательная их установка там, где можно установить одно

односедельное, приводит к увеличению и капитальных, и эксплуатационных затрат.

Основной недостаток традиционных конструкций ИУ, за исключением устройства для

микрорасходов,— это малый диапазон изменения пропускной способности. Для плунжерных

устройств средних расходов он не превышает 25, а при линейной пропускной

характеристике - даже 10. Это значит, что на объекте регулирования с большим диапазоном

изменения нагрузки потребуется последовательная установка нескольких ИУ, при этом

необходимо будет делить командный сигнал, что в свою очередь, означает перенастройку

исполнительных механизмов. Этого недостатка в значительной мере лишены ИУ с поворот-

ным затвором. Малое гидравлическое сопротивление корпуса и возможность почти без

потерь пропускать поток при полностью открытом положении затвора обеспечивают им

наибольшее значение максимальной пропускной способности и тем самым - гораздо

больший диапазон изменения пропускной способности. Поворотные затворы соответствуют

также не менее важному требованию автоматической системы - высокой надежности; они

характеризуются высоким коэффициентом безотказной работы.

3.2. Плунжерные исполнительные устройства

3.2.1 Плунжерные исполнительные устройства

Исполнительные устройства с плунжерным затвором образуют группу, в принципе

удовлетворяющую наиболее часто встречающимся условиям эксплуатации. Из этих ИУ

могут быть выбраны устройства для больших, средних и малых расходов, рассчитанные на

давление до 16 МПа и широкий диапазон температур.

Односедельные исполнительные устройства.

255

Односедельные регулирующие органы пневматических исполнительных устройств ПОУ-7—

ПОУ-12 рисунок 3.3 объединяют практически все варианты исполнений: с угловой и

проходной конструкцией корпуса; с муфтовым и фланцевым присоединением к

трубопроводу, с обычной верхней крышкой 6, рассчитанной на температуры от минус 40 до

плюс 225 °С рисунок 3.3(а) и с оребренной крышкой для температур от плюс 225 до плюс

450 °С рисунок 3.3(б). Основные, элементы односедельного РО: корпус 1, верхняя крышка 6,

в которой устанавливается направляющая втулка 3 с находящимися в ней седлом 2,

пробочным затвором 4 и штоком 7, нижняя крышка 10 для проходных конструкций.

Спирально-навитая прокладка 5 обеспечивает эффективное уплотнение по двум посадочным

поверхностям корпуса: внешней (с верхней крышкой) и внутренней (с седлом). Сальниковое

уплотнение состоит из колец 9 — фторопластовых, поджатых пружиной 8, для нормальной

температуры рисунок 3.3(б).

Размещение седла и затвора в одной направляющей дает хорошее центрирование затвора

в сопряженных с ним деталях—сальнике, направляющей втулке и седле. Благодаря этому

достигается высокая надежность работы сальника и незначительная негерметичность.

Отсутствие резьбы в регулирующем органе такой конструкции делает его удобным в

эксплуатации и при ремонте.

256

Рисунок 3.3 - Односедельные исполнительные устройства ПОУ-7—ПОУ-12 с угловой (а) и

проходной (б) конструкцией корпуса, муфтовым (а) и фланцевым (б) присоединением к

трубопроводу.

1—корпус, 2—седло, 3 — направляющая втулка, 4— затвор; 5 — прокладка, б—верхняя крышка, 7

— шток. 8 — пружина, 9 — кольца; 10—нижняя крышка

Вследствие малой величины уплотняющей поверхности односедельные РО дают хорошую

плотность соединения затвор — седло: не герметичность закрытия не превышает

0,05процента Коу. Отсутствие застойных зон в корпусе позволяет применять эти

регулирующие органы на вязких средах. Врезка в уплотняющий поясок затвора

фторопластовой прокладки придает односедельному РО запорно - регулирующие свойства.

257

На рисунке 3.3 односедельные регулирующие органы показаны в состоянии, когда затвор

находится в закрытом положении. Это соответствует величине командного сигнала либо

полной, либо равной нулю. Первая ситуация имеет место при «нормально-открытом» (НО)

исполнении исполнительного устройства, вторая —при «нормально-закрытом» исполнении

(НЗ). Изменение вида действия получено за счет некоторых изменений в конструкции

исполнительного механизма. В исполнении НО минимальной нагрузке на шток

соответствует минимальный перепад давлений на исполнительном устройстве, в исполнении

НЗ - максимальный. Это означает, что оба исполнения отличаются не только по способу

воздействия на поток при отсутствии сигнала в исполнительном механизме, но и силовыми

характеристиками. При этом большую роль играет направление подачи среды в корпус

регулирующего органа. При подаче среды «под затвор», т. е. против движущегося к седлу

затвора, от вида действия зависит величина перепада давлений, при которой не

герметичность затворной пары не превышает допустимой по техническим условиям. При

подаче «под затвор» и нормально открытом исполнении для достижения максимально

возможного перепада целесообразно применять ИУ в комплекте с позиционером. При

подаче потока «на затвор» вид действия ИУ и наличие позиционера не влияют на величину

допустимого перепада, так как перекрытие прохода происходит при содействии потока.

Двухседельные исполнительные устройства.

Двухседельное ИУ — наиболее широко распространенный в отечественной

промышленности тип. Несмотря на довольно сложную конструкцию, значительную

металлоемкость и большие габариты, двухседельные ИУ нашли повсеместное применение

благодаря своей высокой пропускной способности, малой энергоемкости, достаточно

высокой надежности. Пропускная способность двухседельной конструкции примерно в 1,3

раза выше пропускной способности односедельного ИУ, имеющего тот же диаметр

условного прохода. Вследствие уравновешивающего действия разветвляющегося под углом

180° потока затвор двухседельного регулирующего органа испытывает значительно меньшее

неуравновешенное усилие и соответственно требует меньших перестановочных усилий

исполнительного механизма.

На рисунке 3.4 приведено двухседельное ИУ, рассчитанное на температуру до 450 °С. В

корпус 1 ввинчиваются два седла: верхнее 2 и нижнее 3. Внутренний диаметр верхнего седла

обычно на 2 мм больше внутреннего диаметра нижнего седла. Затвор 4 пробочного типа

движется в двух направляющих втулках. Нижняя втулка 5 устанавливается в нижней крышке

6, Верхняя направляющая втулка 7 устанавливается в удлиненной оребренной верхней

крышке 8, имеющей сварную конструкцию. Шток 9 охвачен асбографитовым сальником 10.

С помощью лубрикатора 11 в сальник периодически подается смазка.

258

Рисунок 3.4 - Двухседельное ИУ:

1-корпус; 2,3-седла; 4-затор; 5, 7-направляющие втулки, 6 - нижняя крышка, 8- верхняя

крышка, 9 - шток. 10 - сальник, II - лубрикатор.

259

Затвор имеет две уплотнительные и две регулирующие поверхности. Профили

регулирующих поверхностей верхней и нижней пробок затвора различаются. При

одинаковых профилях не была бы обеспечена одинаковая пропускная способность

расходящихся каналов, поскольку имеется технологическая разность диаметров

уплотнительных поверхностей. Кроме того, и условия обтекания верхней и нижней пробок

потоком различны. При подаче потока в направлении стрелки верхняя пробка образует с

седлом плавное сужение, а нижняя - плавное расширение. Распределение

гидродинамических усилий по профилям пробок существенно различно.

Проточная часть корпуса состоит из последовательно сопряженных местных

сопротивлений: диффузора, конфузора, внезапного сужения, внезапного расширения,

колена. Высокая пропускная способность двухседельного РО достигается тщательной

обработкой внутренней конфигурации корпуса, обеспечивающей плавность переходов от

сечения к сечению, плавность нарастания скорости от входного патрубка к выходному,

отсутствие мертвых зон. На участке подвода среды к седлам основным фактором, влияющим

па пропускную способность РО, является глубина кармана межседельной камеры от правой

кромки седла до внутренней стенки камеры. Поток среды движется прямолинейно и

ударяется в стенку камеры, затем возвращается и проходит в отверстия седел. Чем больше

глубина кармана, тем больше ось проходящего через седла потока сдвинута к правой кромке

седел (проходное сечение седла полностью не заполняется). Когда кармана нет, стенка

камеры находится на расстоянии, равном половине диаметра седла, и ось

потока почти совпадает с осью седел. Пропускная способность корпуса в этом случае

повышается на 25 - 30 процентов.

Пропускная способность двухседельного РО может быть увеличена еще одним простым

способом — изменением направления подачи среды. При традиционной (прямой) подаче

поток закручивается в межседельной камере, а в выходном патрубке при слиянии потоков

образуется вихрь. При обратной подаче на выходе из межседельной камеры вихрь

незначителен, потери энергии меньше, и при соответствующих профилях пробок затвора

может быть получена пропускная способность, в 1,6 раза превышающая стандартную для

данного типоразмера. В существующих схемах, если исполнительное устройство

ограничивает расход среды, положение может быть исправлено поворотом его корпуса на

180°.

Обогрев осуществляется с помощью перегретого водяного пара, подаваемого внутрь

кожуха, присоединенного к корпусу регулирующего органа.

Двухседельное ИУ требует большого внимания при эксплуатации. В среднем каждые 3 -

4 месяца необходимо заново притирать уплотнительные поверхности затвора и седел,

каждые шесть месяцев – обновлять профильные поверхности. Среднее время восстановления

260

изделия, не считая времени демонтажа и монтажа, - пять часов; срок службы – не менее

шести лет

Клеточные исполнительные устройства

Клеточные исполнительные устройства рисунок 3.5 являются усовершенствованным

видом плунжерных устройств. В них устранены основные недостатки односедельной

конструкции (неуравновешенность затвора) и двухседельной конструкции (не герметичность

затвора). Цилиндрический полый затвор 2 перемещается в клетке—направляющей 3,

имеющей поперечные сверления. Продольные сверления в верхнем торце затвора спо-

собствуют уравновешиванию давлений над затвором и под ним. Длинная направляющая

препятствует вибрации. Направляющая 3 одновременно служит и седлом затвора, причем в

данной конструкции затворная пара имеет не одну, а две уплотнительные поверхности; это

позволяет снизить не герметичность до 0,5процента. В корпусе 1 отсутствуют резьбовые

соединения. Допуски на размеры сопрягаемых деталей компенсируются с помощью

спирально-навитых прокладок 4. Такая прокладка состоит из металлического спирального

каркаса и неметаллического наполнителя (паронита, асбеста или асбобумаги). Прокладка

обладает высокой упругостью и допускает многократное использование. Уплотнительный

эффект достигается дополнительной установкой паронитовых прокладок. Разгруженный

затвор клеточного ИУ позволяет при одинаковой мощности исполнительных механизмов

применять его при значительно более высоких перепадах давления, чем допустимо для

двухседельного ИУ того же типоразмера (до 5 МПа). Клеточная конструкция служит

основой ветви исполнительных устройств, обладающих дополнительными свойствами - от-

сутствием или уменьшением разрушающего действия кавитации в регулирующем органе при

прохождении потока жидкости и снижением уровня шума при регулировании сжимаемых

сред.

261

Рисунок. 3.5 - Клеточное исполнительное устройство ПОУ-32:

1- корпус; 2 — направляющая; 3 — затвор; 4 — прокладка.

262

Трехходовые исполнительные устройства.

Во многих технологических схемах предусматривается смешений или разделение

потоков, такие потоки целесообразно регулировать с помощью специально предназначенных

для этого смесительных и разделительных исполнительных устройств. Корпус

смесительного регулирующего органа аналогичен проходному корпусу односедельного, но

вместо нижней крышки в нем установлен дополнительный патрубок с закрепленным вторым

седлом.

Корпус разделительного регулирующего органа аналогичен корпусу двухседельного, но

в нем имеется дополнительная перегородка, отделяющая разделенные затвором потоки.

Серийно выпускаемое трехходовое смесительное ИУ рассчитано на условное давление

0,6 МПа. Максимальное условное давление равно 1,6 МПа. Невысокие перепады давлений

позволяют применить облегченный затвор юбочного типа, который состоит из штока, соеди-

ненного с двумя полыми цилиндрами, имеющими прорези (окна).

Исполнительные устройства для микрорасходов.

ИУ для микрорасходов применяются не в промышленных, а в экспериментальных

установках, моделирующих промышленные условия в меньшем масштабе, при малых

расходах потоков жидкостей и газов. На таких установках, характеризующихся высоким

уровнем автоматизации, оснащенных надежными средствами контроля и управления,

технологические процессы изучаются в широком диапазоне изменения технологических

параметров. Малые размеры установок позволяют значительно ускорить проведение

экспериментов. ИУ для микрорасходов применяются в основном на двух видах эксперимен-

тальных установок: пилотных и микропилотных. Для пилотных установок характерны

расходы жидкостей 1—100 л/ч, газов— 0,5—0,25 мУч. Пилотные установки работают на

различных видах сырья, для них характерны частые остановки, изменения технологических

схем, изменения режимов.

Микропилотные установки характеризуются еще большей миниатюрностью, более

высоким уровнем автоматизации и надежности. Расход жидкости составляет от 0,5 до 50 л/ч,

расход газов — от 1 до 100 л/ч. Исполнительное устройство, предназначенное для

регулирования таких расходов, должно иметь очень тонкую регулировку и по пропускной

способности, и по величине хода. По уровню изготовления такое устройство соответствует

высокоточным приборам. Для исполнительного устройства ПОУ-13 рисунок 3.6 характерны

большой диапазон пропускной способности и возможность работы со стандартным

исполнительным механизмом. В корпус 3 угловой формы помещено седло 6. Затвор 5,

перемещаемый в сальнике 4, соединен с буксой 2. Букса шарнирно соединена с тягой 1. С

помощью рычага движение штока исполнительного механизма (ход 6 мм) через

упирающийся в сухарь 9 стержень 10 преобразуется в движение штока регулирующего

263

органа (условный ход затвора — от 0,4 до 4 мм). Мембранный исполнительный механизм

опирается на кронштейн 7, к которому прикреплен и регулирующий орган. Величину

условного хода настраивают перемещением сухаря по шкале 8. Путем перестановки сухаря 9

можно изменить вид действия. Широкий диапазон условной пропускной способности

регулирующего органа обеспечивается тремя парами затвор — седло, первая из которых дает

значения Kv, от 0,1 до 0,01 мУч, вторая — от 0,01 до 0,0002 мУч, а третья — от 0,001 до

0,00007 мУч. Условный проход регулирующего органа равен 3 мм, условное давление — 32

МПа, допустимый перепад давления также равен 32 МПа. Температура среды — от минус

40 до плюс 200 °С, пропускная характеристика — линейная.

264

Рисунок 3.6 - Исполнительное устройство для микрорасходов

1—тяга, 2—букса, 3 - корпус 4 — сальник, 5 — затвор, 6—седло, 7—кронштейн, 8 -

шкала, 9 — сухарь, 10 — стержень.

265

3.2. Бесплунжерные исполнительные устройства

Бесплунжерные прямоходные исполнительные устройства отличаются гибкой

конструкцией затвора, которая определяет и достоинства, и недостатки этой небольшой

группы устройств. К их достоинствам относится возможность регулировать потоки сред,

соприкосновение которых с металлом по разным причинам нежелательно. Основные

недостатки бесплунжерных ИУ— недолговечность гибкого элемента и невозможность

работы при высоких давлениях и температурах.

Шланговые исполнительные устройства.

Шланговые ИУ рисунок 3.7 незаменимы при регулировании потоков

шламообразующих сред, поскольку в них отсутствуют застойные зоны. Они удобны для

регулирования сред, содержащих твердые и абразивные частицы, так как поток не

контактирует с металлическими поверхностями. В корпусе 1 при помощи фланцев с удли-

ненной конической частью 6 зажат эластичный патрубок — шланг 8, пережимаемый в

середине двумя валиками - траверсами 5 и 7. Верхняя траверса закреплена на штоке 3;

нижняя соединяется с верхней посредством втулочно-роликовой цепи 9, надеваемой на

зубчатое колесо (на рисунке не показано). При движении вниз нижняя траверса

поднимается, и шланг сжимается, перекрывая поток. На случай разрыва шланга в крышке 2

предусмотрено сальниковое уплотнение 4. Для сжатия шланга, находящегося под

давлением среды, требуется значительное усилие, зато поток надежно перекрывается. При

открывании прохода поток активно воздействует на шток, поэтому привод может иметь

пружину меньшей жесткости и, следовательно, развивать большее полезное усилие при

закрывании прохода. Серийное исполнительное устройство ПШУ-1 имеет цилиндрический

патрубок в виде отрезка резинового шланга с тканевой прослойкой, повышающей его

прочность. Применение шланговых ИУ для регулирования агрессивных сред ограничивается

только химической стойкостью материала шланга. Перспективно применение полихлор-

виниловых патрубков, имеющих более высокую по сравнению с резиновыми химическую и

эрозионную стойкость и механическую прочность.

266

Шланговые ИУ с резиновым патрубком могут работать при температуре среды не выше

80 °С и давлении не выше 1 МПа. При соблюдении условий эксплуатации гарантированный

срок службы резинового патрубка — 6 месяцев.

Диафрагмовые исполнительные устройства.

Диафрагмовые ИУ рисунок 3.8 применяются для регулирования потоков агрессивных

сред при невысоких давлениях и температурах. Внутренняя поверхность корпуса 1 проход-

ной формы футеруется химически стойким материалом (полиэтиленом, резиной,

фторопластом) или покрывается эмалью. Корпус и прочие детали изготавливаются из

чугуна. Затвор представляет собой диафрагму 2, зажатую по периферии между корпусом и

крышкой 3, а в центре привинченную к крестовине 4. Набранная из колец телескопическая

опора 5 предохраняет диафрагму от выгибания под давлением среды. Материал диафрагмы -

Рисунок 3.7 - Исполнительное устройство для микрорасходов

1 - тяга, 2 - букса, 3 - корпус 4 - сальник, 5 - затвор, 6 - седло, 7- кронштейн, 8 -

шкала, 9 -сухарь, 10 — стержень.

267

резина или фторопласт - 4. Конструкция регулирующего органа — бессальниковая; на

случай разрушения диафрагмы к крышке может прикрепляться сигнализатор прорыва

диафрагмы.

Рисунок 3.8 – Диафрагмовое ИУ

1 – корпус; 2- диафрагма; 3- крышка; 4 – крестовина; 5 – телескопическая опора

3.3. Поворотные исполнительные устройства

ИУ с поворотным затвором образуют перспективную группу, расширяющую пределы

применения неспециализированных конструкций по составу и свойствам среды, величине и

диапазону изменения пропускной способности.

В отличие от плунжерных поворотные затворы не профилируются. В особых случаях

необходимая пропускная характеристика может быть получена с помощью кулачка

268

позиционера; в общем случае пропускные характеристики поворотных ИУ близки к равно

процентной.

Шаровые исполнительные устройства.

В шаровых ИУ отражен принцип минимизации номенклатуры в широком диапазоне

условий эксплуатации. Основу конструкции составляет поворотный сферический затвор с

цилиндрическим или V-образным отверстием. В сочетании с прямоточным корпусом такой

затвор имеет малое гидравлическое сопротивление в открытом положении. В закрытом

положении затвор упирается в пару седел, изготавливаемых из упругих материалов, чаще

всего из фторопласта. Этим обеспечивается герметичность перекрытия прохода и

возможность работы в интервале температур от минус 60 до плюс 230 °С. Шаровые ИУ

выдерживают рабочие перепады давления до 8 МПа в диапазонах условных проходов от 15

до 400 мм и условной пропускной способности от 7 до 3500 мУч. Исключительно простая

форма рисунок 3.9, проточной части позволяет успешно применять их для регулирования

потоков вязких и кристаллизующихся сред, шламов, пульп, сред, содержащих абразивные

частицы.

Рисунок 3.9 - Конструктивная схема

1 – корпус; 2 – седло; 3 – шток; 4 – кольцо; 5 – втулка; 6 – манжета; 7 – кольцо

уплотнительное; 8 – седло; 9 – шар; 10 – корпус; 11 – рукоятка.

Пропускная характеристика шарового ИУ близка к равно процентной.

Шаровые регулирующие органы имеют «плавающие» затворы, которые надежны и

просты, но применимы при невысоких перепадах давления. При больших перепадах затвор

крепится в подшипниковых опорах (игольчатые подшипники), воспринимающих большую

часть усилия от давления среды и требующих относительно меньшего крутящего момента

привода для поворота затвора. В некоторых конструкциях применяется промежуточный

269

вариант крепления затвора: затвор изготавливается заодно с валом и зажимается между

седлами. При креплении затвора в опорах для создания уплотнительного контакта затвора с

седлами необходимы дополнительные приспособления.

Упоминавшиеся вначале затворы с V-образным вырезом применяются для регулирования

вязких легкозастывающих сред; такой вырез исключает образование в отверстии затвора

пробок из затвердевшей массы.

Заслоночные исполнительные устройства

Простота конструкции, малые габариты, невысокая металлоемкость и стоимость

заслоночных ИУ делают предпочтительным их применение в схемах регулирования,

предназначенных для пропускания больших расходов при невысоких перепадах давления (до

2,5 МПа). Из всех видов исполнительных устройств заслоночные ИУ обладают наименьшей

строительной длиной (расстоянием между присоединительными концами).

На рисунке 3.10 приведена типовая конструкция заслоночного ИУ

В кольцевом корпусе 1 вращается затвор-диск 2, соединенный с валом 4 болтами 3. С

помощью кривошипно-шатунного механизма вал соединяется со штоком исполнительного

механизма. При повороте диска относительно поперечного сечения корпуса от 0 до 90°

пропускная способность РО изменяется от нуля до максимальной. При этом динамический

крутящий момент на валу достигает максимума при 65—75° и падает до нуля при 90°. В зоне

65—90° положение затвора неустойчиво, так как одной величине крутящего момента

соответствуют две величины угла поворота диска.

Рисунок 3.10 - Заслоночное ИУ:

1 - корпус; 2 - затвор; 3 - болты; 4 -вал.

270

Поэтому традиционные заслонки с плоским диском выбираются в расчете на поворот

диска от 0 до 60°. При повороте на 60° пропускная способность примерно вдвое ниже

пропускной способности при повороте на 90°.

Улучшение динамики заслоночного ИУ достигается с помощью измененной формы

сечения диска. На рисунке 3.11. показаны заслонки с профильными дисками — выпукло-

вогнутым и типа «рыбий хвост».

Рисунок 3.11 – Профильные диски заслоночных ИУ

а) – выпукло- вогнутой; б) – типа «рыбий хвост»

Для уменьшения динамического крутящего момента на валу используются профильные

диски, при этом момент может быть уменьшен в 18-20 раз.

При обтекании плоского диска поток перед диском делает более крутой поворот в

верхней части, чем в нижней рисунок 3.12.

Рисунок 3.12.- Схема обтекания плоского и профильного дисков

271

Силовое воздействие потока на диск пропорционально величине (1—cosφ). При повороте

плоского диска крутящий момент возникает как следствие несимметричности динамических

усилий, развиваемых на нем. При другом профиле диска угол поворота в верхней части

потока увеличивается, а в нижней - уменьшается, что приводит к значительному снижению

так называемого моментного коэффициента.

На рисунке 3.13. показано изменение крутящего момента М в зависимости от угла

поворота диска для плоского и выпукло - вогнутого профилей

Рисунок 3.13 - Зависимость крутящего момента на валу заслоночных ИУ от угла поворота

диска:

1—плоского. 2—выпукло-вогнутого

Отечественной промышленностью выпускаются заслоночные ИУ только с плоским

диском и в очень ограниченных количествах. Максимальное условное давление

выпускаемых ИУ равно 1 МПа, максимальная условная пропускная способность составляет

10000 м3/ч. В Приложении 2 приведены технические данные по пневматическим

заслоночным исполнительным устройствам.

В обычных регулирующих заслонках плотность перекрытия потока невелика. Плотное

перекрытие потока вращающимся затвором трудно достижимо, не герметичность составляет

2—6 процента условной пропускной способности, причем более низкая герметичность

характерна для меньших условных проходов. Герметичное перекрытие потока достигается

установкой упругого металлического кольца в ободе диска, резинового кольца в корпусе или

в диске, резиновой рубашки между корпусом и диском.

Дисковые затворы выпускаются на условное давление до 1,6 МПа и условные проходы до

2000 мм. Температура среды не превышает 80 °С.

272

3.4 Промышленная трубопроводная арматура

Под термином "арматура трубопроводная" понимают устройство, устанавливаемое на

трубопроводах, агрегатах, сосудах и предназначенное для управления (отключения,

распределения, регулирования, сброса, смешивания, газоразделения) потоками рабочих сред

(жидкой, газообразной, газожидкостной, порошкообразной, суспензии и т.п.) путем

изменения площади проходного сечения.

По области применения трубопроводную арматуру принято разделять на:

1. промышленную трубопроводную арматуру общего назначения. Эта арматура

предназначена для использования в различных отраслях промышленности (системы

водопровода, канализации и т.д.) и изготавливается большими сериями;

2. промышленную трубопроводную арматуру для особых условий работы. Сюда относят

арматуру для энергетических установок с высокими параметрами, арматуру для

абразивных, агрессивных и высокотоксичных сред;

3. специальную арматуру. К такой арматуре относят арматуру для АЭС, судовых

энергетических установок, арматуру для объектов Минобороны и т.д. Специальная

арматура конструируется и поставляется по отдельным заказам;

4. судовую и транспортную арматуру. Эта арматура выпускается для работы в

специфических условиях эксплуатации на транспортных средствах, в том числе на

судах речного и морского транспорта. К ней предъявляют повышенные требования по

условиям управления и эксплуатации, массогабаритным характеристикам и ряду

других параметров;

5. сантехническую арматуру. Эта арматура предназначена для оснащения различных

бытовых устройств, имеет небольшие DN, проста в управлении, и к ней предъявляются

повышенные требования по дизайну. Выпускается, как правило, на поточных линиях

специализированных предприятий.

В процессе эксплуатации на трубопроводную арматуру воздействуют:

а) Рабочая среда (физико-химические свойства рабочей среды, рабочее давление,

рабочая температура).

Под рабочей средой подразумевается среда, для которой предназначена трубопроводная

арматура. Рабочее давление (Рр) — наибольшее избыточное давление, при котором

обеспечивается заданный режим эксплуатации арматуры. В зависимости от степени

агрессивности рабочие среды делятся на три группы:

1. неагрессивные и малоагрессивные (скорость коррозии менее 0,1 мм/год);

2. среднеагрессивные (скорость коррозии 0,1 — 0,5 мм/год);

3. высокоагрессивные (скорость коррозии более 0,5 мм/год).

273

б) Управляющая среда, управляющее давление.

Под управляющей средой понимают среды, подаваемые в привод (пневматический,

гидравлический) для создания перестановочного усилия на рабочем органе.

Управляющее давление обычно задается в определенном диапазоне значений давлений

управляющей среды, обеспечивающем нормальную работу привода арматуры.

в) Командная среда, командное давление.

Под командной средой понимают среду, передающую команду (сигнал) от системы

автоматического регулирования к позиционеру или другому виду реле.

Командное давление задается в установленном диапазоне значений давлений командной

среды, обеспечивающем нормальную работу позиционера или другого вида реле.

В целях стандартизации и унификации в арматуростроении используется термин

"номинальное давление". Под номинальным давлением понимают наибольшее избыточное

давление при температуре среды 20°С, при котором допускается длительная работа

арматуры при выбранных материалах и прочностных характеристиках, соответствующих

этой температуре.

В зависимости от давления среды технологические трубопроводы и трубопроводная

арматура делятся на:

- вакуумные (давление среды ниже 0,1 МПа абс.);

- низкого давления (PN от 0 до 1,5 МПа);

- среднего давления (PN от 1,5 до 10 МПа);

- высокого давления (PN от 10 до 80 МПа);

- сверхвысокого давления (PN от 80 МПа).

По температурному режиму арматура делится на:

- криогенную (рабочие температуры ниже-153 °С);

- для холодильной техники (рабочие температуры от —153 до —70 °С);

- для пониженных температур (рабочие температуры от -70 до —30 -С);

- для средних температур (рабочие температуры до +455 °С);

- для высоких температур (рабочие температуры до +600 °С);

- жаропрочную (рабочие температуры свыше +600 °С).

По методу управления существующие конструкции арматуры делятся на управляемые и

автоматически действующие.

Управляемая арматура (непрямого действия) выполняет рабочий цикл по

соответствующим командам извне. Команду подает оператор или автоматически

действующие приборы управления. К автоматически действующей арматуре относят

арматуру, у которой рабочий цикл осуществляется под воздействием рабочей среды, без

274

посторонних источников энергии.

Основные типовые конструктивные элементы трубопроводной арматуры:

1. блок "корпус-крышка" устанавливается непосредственно на трубопроводе или

монтируется на управляемом объекте (агрегате, сосуде и т.д.). Образует герметически

изолированную от внешней среды полость, внутри которой перемещается рабочий

орган. Корпус имеет в проточной части проходное отверстие (седло). По форме

корпуса подразделяются на проходные, прямоточные и угловые.

2. рабочий орган. Подвижная деталь (узел), предназначенная для перекрытия (полного

или частичного) проходного отверстия в корпусе. Для различных конструкций

рабочим органом служат: золотник, диск, клин, плунжер, пробка и т.п.

Рабочий орган может совершать поступательное или поворотное движение

относительно оси потока.

3. детали, предназначенные для передачи усилия перемещения рабочему органу. В

качестве таких деталей используются шток, шпиндель, вал, рейка.

4. привод - обеспечивает управление арматурой и может быть как ручным, так и

механическим.

По месту расположения он может быть местным (насадным, встроенным) и

дистанционно расположенным.

5. соединение корпуса с трубопроводом имеет следующие конструктивные решения:

патрубки под приварку, фланцевые, резьбовые.

6. узел уплотнения крышки служит для герметизации подвижного сопряжения штока,

шпинделя, вала с крышкой. Имеет следующие исполнения: сальниковое, сильфонное и

мембранное.

В арматуростроении используются следующие группы конструкционных материалов:

7. стали (нелегированные, легированные, высоколегированные со специальными

свойствами);

8. чугуны (с пластинчатым графитом, ковкие, высокопрочные);

9. цветные металлы;

10. специальные металлы и сплавы;

11. полимерные материалы.

В арматуростроении также применяют покрытия стенок базовых элементов различными

полимерными материалами. Среди них - резина, пентапласт, полиэтилен, фторопласты и рад

других.

По функциональному назначению (виду) трубопроводная арматура подразделяется на:

1. запорную. Предназначена для полного перекрытия потока рабочей среды в

275

трубопроводе и пуска среды в зависимости от требований технологического процесса

(цикл "открыто - закрыто").

2. регулирующую. Предназначена для регулирования параметров рабочей среды

посредством изменения ее расхода. К ней относятся: регулирующие клапаны,

регуляторы давления, регуляторы уровня жидкости, дросселирующая арматура и т.п.;

3. распределительно-смесительную (трехходовую или многоходовую). Эта

трубопроводная арматура предназначена для распределения рабочей среды по

определенным направлениям или для смешения потоков среды (например, холодной и

горячей воды). Сюда относятся распределительные клапаны и краны;

4. предохранительную. Предназначена для автоматической защиты оборудования и

трубопроводов от недопустимого давления посредством сброса избытка рабочей

среды. Сюда относятся: предохранительные клапаны, импульсные предохранительные

устройства, мембранные разрывные устройства, перепускные клапаны;

5. защитную. Предназначена для автоматической защиты оборудования и трубопроводов

от недопустимых или предусмотренных технологическим процессом изменений

параметров или направления потока рабочей среды и для отключения потока без

выброса рабочей среды из технологической системы. Сюда относятся: обратные

клапаны, отключающие клапаны;

6. фазоразделительную. Предназначена для автоматического разделения рабочих сред в

зависимости от их фазы и состояния. Сюда относятся конденсатоотводчики,

воздухоотводчики и маслоотделители.

По характеру взаимодействия рабочего органа с потоком среды арматура подразделяется на:

1. задвижки - рабочий орган у них перемещается возвратно-поступательно

перпендикулярно направлению потока рабочей среды. Используются

преимущественно в качестве запорной арматуры. Разновидностью этого типа арматуры

являются шланговые задвижки, у которых перекрытие потока среды осуществляется

запорным органом, Пережимающим эластичный шланг, внутри которого проходит

транспортируемая рабочая среда;

2. клапан - запорный или регулирующий рабочий орган у них перемещается возвратно-

поступательно параллельно оси потока рабочей среды в седле корпуса арматуры.

Разновидностью этого типа арматуры являются мембранные клапаны, у которых в

качестве запорного элемента используется мембрана. Мембрана фиксируется по

внешнему периметру между корпусом и крышкой, выполняет функцию уплотнения

корпусных деталей и подвижных элементов относительно внешней среды, а также

функцию уплотнения запорного органа";

3. кран - запорный или регулирующий рабочий орган у них имеет форму тела вращения

276

или его части; поворачивается вокруг своей оси, произвольно расположенной по

отношению к направлению потока рабочей среды;

4. затворы - запорный или регулирующий рабочий орган у них имеет форму диска и

поворачивается вокруг оси, не являющейся его собственной.

Термины, определяющие обозначение трубопроводной арматуры:

1. типоразмер арматур - конструкция трубопроводной арматуры, регламентированная

условным проходом и номинальным или рабочим давлением, имеющая обозначение

группового основного документа (основного исполнения изделия);

2. тип арматуры - классификационная единица, характеризующаяся взаимодействием

рабочего органа с потоком среды и определяющая основные конструктивные

особенности трубопроводной арматуры.

Пример: задвижка клиновая с выдвижным шпинделем;

3. исполнение арматуры - определяет конкретные решения вариантов технических

характеристик, указанных в технических условиях на изделие. Исполнение

соответствует конкретному коду ОКП. Например, исполнение по вариантам рабочих

сред, конструкционных материалов.