Классификация средств измерения температуры по принципу действия

Лекция № 9

измерение технологических параметров

Измерение технологических параметров осуществляется посредством первичных преобразователей в механический, пневматический или электрический сигнал.

Первичный преобразователь (датчик, сенсор) – наиболее многочисленная группа преобразователей, предназначенных для измерения состояния окружающей среды и диагностики.

Измерение температуры

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств как: длина, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление, которые поддаются непосредственному измерению.

Для оценки количественного значения температуры используют температурные шкалы, имеющие начало отсчета (ноль температурной шкалы) и единицу измерения температурного интервала (1 градус).

В 1927 году на VII Генеральной конференции по мерам и весам была принята международная «практическая» температурная шкала. Она согласована со 100°С шкалой. Сейчас действует МПТШ-68 («международная практическая температурная шкала - 1968»). Она базируется на 11 основных рейперных точках (температуры кипения, затвердевания) и 27 вторичных. Эта шкала охватывает диапазон от -259,194 до +3387 °С.

Классификация средств измерения температуры по принципу действия

Термометрическое свойство	Наименование средства	Диапазон измерения, °С
1. Изменение объема жидкости или твердого тела	Термометры расширения	-260 … +600
2. Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме	Манометрические термометры: - газовые; - жидкостные; - конденсационные	-150 … + 600 -150 … +600 -50 … +350
3. Термоэлектрический эффект (термоЭДС)	Термоэлектрический преобразователь	-200 … +2200
4. Изменение электрического сопротивления	Термометры сопротивления: - металлические; - полупроводниковые	-260 … +1100 -240 … 300
5. Теплое излучение	Пирометры излучения: - квазимонохромные; - спектрального отношения; - радиационные	+700 … + 6000 +1400 … + 2800 +50 … +3500

Термометры расширения

1.1. Жидкостные термометры расширения

Принцип действия основан на различие коэффициентов теплового расширения термометрического вещества (ртуть, спирт, эфиры) и оболочки, в которой оно находится (термометрическое стекло).

1.2. Термометры расширения твердого тела

Принцип действия основан на расширение при нагреве стержня, изготовленного из сплава с большим коэффициентом теплового расширения ( никель и железо).

1 – шкала;

2 – рычаг;

3 – защитный кожух;

4 – стержень.

Применяется для местного контроля.

Достоинства: - простота конструкции.

Недостатки: - ограниченный диапазон измерения;

- без дистанционной передачи данных.

Манометрические термометры

Принцип действия основан на зависимости давления рабочего вещества (газ, жидкость) в замкнутом объеме от температуры.

Диапазон измерения определяется наполнителем термосистемы, например, при использовании расплавленных металлов (сплав Вуда) диапазон составляет +100 … + 1000°С.

Наиболее часто используемые наполнители термосистемы:

1. газы – гелий, азот;

2. жидкости – ртуть (при давлении 10-15МПа), толуол, ксенол, пропиловый спирт;

3. легкокипящие (парожидкостные) жидкости – пропан, этиловый эфир, ацетон.

Схема манометрического термометра

1 – чувствительный элемент – термобалон из латуни или стали (диаметром 5-30 мм и высотой – 60-500 мм);

2– капилляр – медная или стальная трубка d = 0,1 – 0,5 мм, защищенная гофрированной трубкой, длинной от 10 см до 60 м;

3– измерительный прибор – манометрическая пружина;

4– поводок;

5– биметаллический капилляр;

6– зубчатая передача;

7– отсчетное устройство.

Применяется для местного контроля (показывающие и самопишущие приборы) и для дистанционной передачи показаний (бесшкальные) с электрическим или пневматическим токовым выходным сигналом.

Достоинства: - применяется для взрывоопасных объектов;

- простота конструкции;

- высокая чувствительность (класс точности 1, 1,5, 2).

Недостатки: - частые проверки на предмет разгерметизации;

- сложность ремонта;

- большие размеры термобалона для газовых термосистем.

Пружинные манометры

Упругий элемент – одно- и многовитковая пружина.

Измеряемое давление меняет кривизну трубчатой пружины 1. Ее свободный конец через тягу 2 перемещает зубчатый сектор и находящуюся с ним в зацепление шестерню 3. Вместе с шестерней поворачивается стрелка 4 отсчетного устройства.

Выпускают манометры и выкууметры.

Выпускают показывающие и самопишущие приборы, а также бесшкальные с дистанционной передачей показаний через электрический (токовый, напряжение переменного тока) или пневматический сигналы.

Снабжают приборы электроконтактным устройством, которые имеют два подвижных контакта, посредством которых можно выставить максимальное и минимальное пороговые значения.

Мембранные манометры

Упругие элементы – мембрана или мембранная коробка:

ü гофрированная мембрана;

ü мембранная коробка.

Наиболее широкое применение нашли дифманометры, напоромеры и тягонапоромеры, построенные на этом принципе действия.

Пример дифманометра, снабженного дифференциально-трансформаторным преобразователем перемещения в напряжение переменного тока.

Мембранный блок состоит из двух сообщающихся мембранных коробок, заполненных жидкостью. Перепад давлений в камерах дифманометра вызывает деформацию мембранных коробок.

При этом сжатие нижней коробки больше и жидкость вытесняется из нее в верхнюю мембранную коробку, вызывая тем самым ее расширение.

Деформация верхней мембраны передается жестко связанному с ней плунжеру дифференциально-трансформаторного преобразователя.

Дифманометр устанавливают для измерения перепада давлений до 0,63 МПа при статическом давлении до 63 МПа. Выпускаются дифманометры с промежуточными преобразователями, имеющими унифицированный токовый или пневматический сигналы.

Например, для получения токового сигнала применяются тензорезисторные промежуточные преобразователи, в которых сопротивление резистора изменяется при растяжении или сжатии. Это кремневые полупроводниковые резисторы, обладающие повышенной чувствительностью, т.к. перемещение мембраны мало.

Для манометров тензорезистор устанавливают на жесткой измерительной мембране, для дифманометров тензорезистор крепится к блоку неупругих мембран, соединенных между собой штоком.

Смещение штока 1под действием перепада давлений приводит к изгибу рычага 2 и деформации измерительной мембраны 3.

Для измерения агрессивных сред применяются датчики, снабженные защитной мембраной, изготовленной из коррозийно-стойкого материала. Тогда измеряемое давление передается к измерительной мембране через силиконовое масло, которым заполнена внутренняя полость датчика.

Примеры способов защиты материалов датчика от агрессивных сред.

1. Разделительные сосуды.

Полость сосуда заполнена жидкостью, инертной по отношению к материалу прибора, соединительных трубок и сосуда. Она не должна взаимодействовать с измеряемой средой и смешиваться с ней. Обычно это – глицерин, эфирные масла.

2. Мембранные разделители.

Измеряемая среда отделена от прибора мембраной с малой жесткостью из нержавеющей стали или фторопласта. Для переджачи давления верхнее полость заполняется жидкостью.

Измерение уровня

Важен как сам параметр-уровень, так и уровень, как косвенный параметр измерения другого параметра, например давления или количества вещества.

В зависимости от условий измерения применяются разные методы измерения уровня:

Уровнемер	Контактный/безконтактный
1. Поплавковый	Контактные
2. Буйковый
3. Гидростатический	Контактный или без- в зависимости от датчика давления
4. Емкостной	Контактный
5. Акустический и ультразвуковой	Безконтактные
6. Радиоизотопный

Поплавковый уровнемер

Принцип действия основан на преобразовании уровня в перемещение поплавка, плавающего на поверхности жидкости. Поплавок должен быть легким и изготовленным из коррозионно стойкого материала.

Используется в аппаратах, работающих под атмосферным давлением и в неагрессивных средах.

Буйковый уровнемер

Принцип действия основан на законе Архимеда. На погруженный (80% погружения) в жидкость буек действует сила равная весу жидкости, вытесненной буйком.

При неизменности площади резервуара по высоте и плотности жидкости изменение вытесненного ее количества будет пропорционально изменению высоты бака, т.е. уровню жидкости. Таким образом, измерение уровня преобразуется в выталкивающую силу..

В буйковых уровнемерах буек передает усилие на рычаг промежуточного преобразователя.

Выходной сигнал ППр либо унифицированный электрический, либо унифицированный пневматический.

Достоинства:

- линейность характеристик;

- широкий диапазон измерения (0-40мм до 0-16м) за счет смены буйка изменение передаточного отношения рычажного механизма.

Гидростатический уровнемер

Принцип действия основан на существовании гидростатического давления пропорционального уровню, т.е. расстояние от поверхности жидкости.

Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут использоваться приборы для измерения давления (рис. а) или разности давлений, дифманометры (рис. б).

DР или Р_ГС (гидростатическое давление) ~ Н.

Рис. а. Рис. б

Схема с дифманометром целесообразна, если аппарат, в котором измеряется уровень находится под давлением. Тогда плюсовая камера дифманометра соединяется с пространством над жидкостью через уравнительный сосуд, который заполнен жидкостью и создает столб постоянного гидростатического давления в плюсовой камере:

DР = Р + Р_Г – Р_ГС – Р_Г = Р – Р_ГС ~ Н_УС(const) – Н ~ Н.

Для измерения уровня агрессивных сред дифманометр снабжается разделительным сосудом или мембранным разделителем, что позволяет заполнить его камеры неагрессивной жидкостью.

+

Еще один способ построения гидростатического уровнемера – это использование принципа барбатирования:

Р_ГС = g Н,

где g - удельный вес жидкости.

Емкостной уровнемер

Принцип действия основан на различии диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха.

1 – электрод;

2 – вертикальная труба.

Вместе эти два коаксиально расположенных электрода образуют цилиндрический конденсатор, емкость которого зависит от уровня диэлектрической проницаемости и будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости:

С_Ж = f(T) Þ конденсационный конденсатор.

Электрическая измерительная схема (электронный блок) – это электрический неуравновешенный мост постоянного тока.

Достоинства:

- измерение уровня не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов (например цемента);

- емкостные сигнализаторы уровня, при этом электрод располагается горизонтально и погрешность измерения не превышает 3 мм;

- диапазон измерения от 0-0,4 м до 0-20 м.

Радиоизотопный уровнемер

Принцип действия основан на поглощении g-лучей при прохождении через слой вещества.

Источник g-лучей – Со 60 или цезий 13’7. Приемник – счетчик Гейгера.

Может использоваться для контроля и сигнализации уровня, тогда источник и приемник закреплены на поверхности бака (рис. а.). Для непрерывного контроля датчик опускается и поднимается вместе с уровнем (рис. б).

1 – источник;

2 – приемник;

3 – трубы;

СР – система рычагов;

БУ – блок управления.

Источник и приемник в схеме рис. б. подвешены на стальных лентах, а за перемещение приемника отвечает блок управления.

Если источник расположен выше уровня, то g-излучение поглощается слабо Þ на блок управления поступает сильный сигнал Þ измерительная схема спускается.

Иначе, если источник ниже уровня, то g-излучение поглощается сильно Þ подъем измерительной схемы. Таким образом, измерительная схема будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня. Использовать такую схему целесообразно тогда, когда нет возможности применить другую схему.

Достоинства:

- измерение уровня сыпучих сред.

Электромагнитный расходомер

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции (закон Фарадея), согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле будет наводится э.д.с., пропорциональная скорости движения проводника.

Проводником является электропроводная жидкость, протекающая в трубопроводе из немагнитного материала и пересекающая поле электромагнита.

1 – электромагнит;

2 – измерительные электроды;

3 – трубопровод.

Результирующее напряжение пропорциональное расходу вещества в трубопроводе можно рассчитать следующем образом:

,

где В – магнитная индукция;

D_y – внутренний диаметр трубопровода (от 3 мм до 1 м);

V_CP – средняя скорость потока;

Q – объемный расход жидкости.

Трубопровод с перемещающимся в нем потоком жидкости располагается между полюсами постоянного магнита перпендикулярно силовым линиям. В стенках трубопровода диаметрально противоположно заподлицо заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости перемещаются к электродам и отдают свой заряд. Созданная э.д.с. пропорциональна скорости потока, т.е. расходу жидкости.

Участок трубопровода по обе стороны от электродов покрывают электроизоляцией, чтобы исключить шунтирование наводимой э.д.с.

Измерительная схема для этих расходомеров, как правило, выполнена в виде отдельного блока, преобразующего наводимую э.д.с. в унифицированный сигнал.

Ограничением в использовании этого расходомера является электропроводность жидкости, которая должна быть не менее 10^-5-10^-3 См/м. Диапазон измеряемых расходов: 1 - 2500 м³/ч. Класс точности 1,0 – 2,5.

Расстояние от датчика до вторичного преобразователя зависит от электропроводности жидкости:

5*10-2 См/м	расстояние до 100 м
10-3 См/м	расстояние до 10 м

Достоинства:

- использование для измерения расходов жидких металлов;

- измерение расходов пульсирующих потоков, потоков агрессивных сред (условие допустимости использования – стойкость изоляции электродов и материала трубопровода);

- отсутствие дополнительных потерь давления на участке измерения, т.к. нет частей, выступающих внутрь трубопровода;

- безинерционность.

Тепловой расходомер

Принцип действия основан на измерении зависимого от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком.

Зависимость перепада температур до и после участка нагрева связана с расходом следующей закономерностью:

DT = f(G), где DT = Т₂ – Т₁

где N – мощность нагревателя;

С_Р – теплоемкость вещества при ;

К – поправочный множитель на неравномерность распределения температур.

При постоянной мощности нагревателя (U_ПИТ = const) количество тепла, забираемое потоком постоянно: G­ Þ T₂(нагрев потока)¯ Þ DT ¯.

Для измерения больших расходов нагревают не весь поток, только часть, которую пропускают по байпасной трубке.

Недостатки:

- тепловое воздействие на измеряемый поток.

Ультразвуковой расходомер

Принцип действия основан на сложении скорости распространения ультразвука в жидкости и скорости самого потока.

1 – излучатель;

2 – приемник;

3 – электронный блок.

Излучатель и приемник располагаются на торцах измерительного участка трубопровода.

Электронный блок содержит генератор импульсов и измеритель времени прохождения импульсом этого расстояния (между 1 и 2).

Источник и приемник – пьезоэлектрические элементы. При движении потока его скорость будет складываться со скоростью ультразвука, что приведет к уменьшению времени пробега импульса.

Достоинства:

- диапазон измерения практически на ограничен;

- отсутствие влияния на свойства измеряемой среды.

Плотномеры

По плотности можно судить о концентрации, составе, однородности среды. При измерении плотности необходимо обеспечить стабильность температуры.

Весовой плотномер

Принцип действия основан на непрерывном взвешивании постоянного объема жидкости. Жидкость протекает по петлеобразному участку трубы, который соединяется с основным трубопроводом гибкими соединителями (сильфонами).

1 – петлеобразный участок трубы;

2 – сильфоный;

3 – основной трубопровод;

4 – вторичный преобразователь.

Вес трубы F с жидкостью пропорционален плотности, протекающей в петле жидкости. Измерение веса петли производится преобразователем, к рычагу которого подвешена труба.

Буйковый плотномер

По принципу действия аналогичен действию буйкового уровнемера. Но в отличие от уровнемера буек должен быть полностью погружен в измеряемую среду и поэтому ее объем, выталкиваемый буйком постоянен.

Сила F в соответствие с законом Архимеда будет изменяться только в зависимости от плотности среды.

Измерение вязкости

Вязкость – свойство жидкости, характеризующее сопротивлению сдвигу или скольжению при перемещении смежных слоев потока относительно друг друга.

, где F – тангенсальная сила; dV/dt – градиент скорости; m - коэффициент динамической вязкости; S – площадь сдвига; V – скорость течения движущегося слоя; t – толщина движущегося слоя.

Жидкость, не имеющая предела текучести, т.е. вязкость которых не зависит от сдвигающих напряжений (dV/dt =0), называются ньютоновскими жидкостями. Это, например, вода, расплавленное стекло и другие высокотемпературные материалы.

Кинетическая вязкость: м²/с.

Одним из самых простых методов измерения вязкости является вибрационныевискозиметры.

Принцип действия основан на стремлении жидкости затормозить колебания опущенной в нее плоской пластины, причем сила торможения зависит от вязкости жидкости.

1 – пластина;

2 – эластичная мембрана;

3 – катушка;

4 – генератор импульсов;

5 – электронный блок.

Пластина 1 закреплена на мембране 2. Нижняя часть пластины погружена в жидкость, а верхняя находится в катушке 3, соединенной с генератором импульсов 4. при включении катушки в пластине возникают продольные колебания. Затем катушка отключается от генератора, и колебания затухают.

В процессе свободных колебаний пластины в катушке наводится э.д.с., имеющая частоту ее свободных колебаний. Она обеспечивает запирание генератора до момента полного прекращения колебаний и цикл повторяется. Чем больше вязкость жидкости, тем быстрее затухают колебания пластины и тем меньше интервалы между включениями генератора. Прибор 5 измеряет величину этих интервалов.

Вибрационный вискозиметр выпускается для работы в диапазоне 0-50сПз или 0-0,5 10⁶ сПз.

Лекция № 9

измерение технологических параметров

Измерение технологических параметров осуществляется посредством первичных преобразователей в механический, пневматический или электрический сигнал.

Первичный преобразователь (датчик, сенсор) – наиболее многочисленная группа преобразователей, предназначенных для измерения состояния окружающей среды и диагностики.

Измерение температуры

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств как: длина, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление, которые поддаются непосредственному измерению.

Для оценки количественного значения температуры используют температурные шкалы, имеющие начало отсчета (ноль температурной шкалы) и единицу измерения температурного интервала (1 градус).

В 1927 году на VII Генеральной конференции по мерам и весам была принята международная «практическая» температурная шкала. Она согласована со 100°С шкалой. Сейчас действует МПТШ-68 («международная практическая температурная шкала - 1968»). Она базируется на 11 основных рейперных точках (температуры кипения, затвердевания) и 27 вторичных. Эта шкала охватывает диапазон от -259,194 до +3387 °С.

Классификация средств измерения температуры по принципу действия

Термометрическое свойство	Наименование средства	Диапазон измерения, °С
1. Изменение объема жидкости или твердого тела	Термометры расширения	-260 … +600
2. Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме	Манометрические термометры: - газовые; - жидкостные; - конденсационные	-150 … + 600 -150 … +600 -50 … +350
3. Термоэлектрический эффект (термоЭДС)	Термоэлектрический преобразователь	-200 … +2200
4. Изменение электрического сопротивления	Термометры сопротивления: - металлические; - полупроводниковые	-260 … +1100 -240 … 300
5. Теплое излучение	Пирометры излучения: - квазимонохромные; - спектрального отношения; - радиационные	+700 … + 6000 +1400 … + 2800 +50 … +3500

Термометры расширения

1.1. Жидкостные термометры расширения

Принцип действия основан на различие коэффициентов теплового расширения термометрического вещества (ртуть, спирт, эфиры) и оболочки, в которой оно находится (термометрическое стекло).

1.2. Термометры расширения твердого тела

Принцип действия основан на расширение при нагреве стержня, изготовленного из сплава с большим коэффициентом теплового расширения ( никель и железо).

1 – шкала;

2 – рычаг;

3 – защитный кожух;

4 – стержень.

Применяется для местного контроля.

Достоинства: - простота конструкции.

Недостатки: - ограниченный диапазон измерения;

- без дистанционной передачи данных.

Манометрические термометры

Принцип действия основан на зависимости давления рабочего вещества (газ, жидкость) в замкнутом объеме от температуры.

Диапазон измерения определяется наполнителем термосистемы, например, при использовании расплавленных металлов (сплав Вуда) диапазон составляет +100 … + 1000°С.

Наиболее часто используемые наполнители термосистемы:

1. газы – гелий, азот;

2. жидкости – ртуть (при давлении 10-15МПа), толуол, ксенол, пропиловый спирт;

3. легкокипящие (парожидкостные) жидкости – пропан, этиловый эфир, ацетон.

Схема манометрического термометра

1 – чувствительный элемент – термобалон из латуни или стали (диаметром 5-30 мм и высотой – 60-500 мм);

2– капилляр – медная или стальная трубка d = 0,1 – 0,5 мм, защищенная гофрированной трубкой, длинной от 10 см до 60 м;

3– измерительный прибор – манометрическая пружина;

4– поводок;

5– биметаллический капилляр;

6– зубчатая передача;

7– отсчетное устройство.

Применяется для местного контроля (показывающие и самопишущие приборы) и для дистанционной передачи показаний (бесшкальные) с электрическим или пневматическим токовым выходным сигналом.

Достоинства: - применяется для взрывоопасных объектов;

- простота конструкции;

- высокая чувствительность (класс точности 1, 1,5, 2).

Недостатки: - частые проверки на предмет разгерметизации;

- сложность ремонта;

- большие размеры термобалона для газовых термосистем.