Измерение и регулирование давления и расхода технологической среды

Измерение и регулирование давления и расхода технологической среды

Датчики давления и расхода

Технологическая среда, используемая при термической обработке, характеризуется давлением, расходом и химическим составом.

В практике термической обработки необходимо измерять статическое давление, которое определяется потенциальной энергией газа или жидкости.

Принято различать абсолютное давление p_абс и относительное давление p_отн, которое отсчитывается от атмосферного давления p_атм = 10⁵ Па.

p_отн = p_абс–p_атм

Если относительное давление p_отн>0, его называют избыточным давлением p_изб, если p_отн<0 – давлением разрежения p_р.

Расход – количество вещества, проходящее через сечение трубопровода в единицу времени. Количество вещества выражают в единицах объема или массы. Соответственно, принято различать объемный Q_о и массовый Q_м расход.

Значение объемного расхода Q_о наиболее сильно зависит от давления. Поэтому для получения сопоставимых результатов объемный расход приводят к нормальным условиям (t_н=20 °С, р_н=101325 Па (1 атм.), относительная влажность φ=0). В этом случае объемный расход обозначают Q_н.

Массовый расход Q_м зависит от плотности газа. Эта зависимость увеличивает погрешность измерения массового расхода смеси газов, особенно, при изменении ее химического состава.

В дальнейшем индекс в обозначении расхода будем опускать, за исключением особо оговоренных случаев.

Датчики давления

Общее название приборов для измерения давления – манометры.

Манометры подразделяют на следующие группы:

- манометры избыточного давления (p_изб);

- вакуумметры разрежения (p_р);

- мановакуумметры (p_р…p_изб);

- вакуумметры абсолютного давления (p_абс=0…p_атм, обычно до 13 кПа или 100 мм рт.ст.).

Принцип действия: преобразование силового действия давления на чувствительный элемент непосредственно в показания (перемещение указателя), либо в пропорциональное изменение иной физической величины.

По принципу действия датчики давления подразделяют на следующие группы:

- жидкостные;

- деформационные;

- электрические;

- тепловые.

Жидкостные манометры (дифференциальные манометры)

Принцип действия: уравновешивание измеряемого давления (разности давлений) столбом жидкости.

По конструкции подразделяют на следующие группы:

- U-образные;

- колокольные;

- поплавковые.

U-образные манометры

а – дифференциальный манометр;

б – манометр абсолютного давления (вакуумметр);

1 - манометрическая U-образная трубка;

2 - манометрическая жидкость;

3 - шкала;

4 - местное сужение.

Необходимое количество манометрической жидкости 2 (ртуть, вода, спирт, минеральное масло) наливают в U-образную манометрическую трубку 1. Разность давлений p_изм1–p_изм2 в левом и правом колене манометрической трубки 1 уравновешивается столбом манометрической жидкости 2.

Высота столба h манометрической жидкости 2 связана с разностью давлений Δp следующим образом:

Δp = ρgh,

где ρ – плотность манометрической жидкости; g – ускорение свободного падения.

Для уменьшения влияния поверхностного натяжения манометрической жидкости на показания датчика внутренний диаметр манометрической трубки должен быть не менее 6 мм.

В том случае, если одно колено трубки выполняют открытым (p_изм2=p_атм, вариант а), манометр является прибором относительного давления и может измерять как избыточное, так и давление разрежения.

Если одно колено манометрической трубки выполняют закрытым (вариант б), то p_изм2 равно давлению насыщенных паров манометрической жидкости. Такой датчик является манометром абсолютного давления.

Ртутные манометры с закрытым коленом выполняют с местным сужением 4 для уменьшения гидравлических ударов при резких колебаниях давления.

Для измерения разности давлений Δp следует измерить по шкале 3 высоту двух столбов манометрической жидкости. Точность отсчета составляет ±2 мм (или ±1 мм для зеркальной шкалы).

Диапазон измеряемых давлений ограничен высотой манометрической трубки.

Для различных манометрических жидкостей погрешность измерения составляет значения, указанные в таблице.

Манометрическая жидкость	Плотность ρ, кг/м3	Разность давлений Δp, соответствующая 1 мм столба жидкости, Па
Ртуть		132,9
Вода		9,81
Минеральное масло	840-890*)	~8,5
Спирт	810-850*)	~8,1

^*) - необходимо точное определение плотности манометрической жидкости.

Поплавковые манометры

1 - манометрическая трубка;

2 - манометрический сосуд;

3 - манометрическая жидкость;

4 - сосуд с запасом манометрической жидкости;

5 - поплавок;

6 - преобразователь перемещения или устройство индикации;

7 - уплотнение.

Поплавковый манометр является разновидностью U-образного манометра. В сосуде 2 на поверхности манометрической жидкости 3 размещен поплавок 5. Поплавок 5 связан с преобразователем перемещения или устройством индикации 6. Для нормального функционирования манометр дополнен сосудом 4 с запасом манометрической жидкости.

Положение поплавка 5 относительно сосуда 2 пропорционально разности давлений p_изм1–p_изм2. Для преобразования линейного перемещения поплавка 5 в электрический сигнал используют устройство 6, выполненное на основе резистивного или индукционного преобразователя (рассмотрим далее).

В основном в качестве манометрической жидкости используют ртуть. Диапазон измеряемых давлений составляет ±63 кПа при погрешности измерения ±1,5 %.

Свойства жидкостных манометров:

- наиболее точные приборы (масляные и спиртовые U-образные манометры используют как поверочные для других средств измерения давления);

- дешевизна, простота эксплуатации;

- взрывобезопасность;

- плохо видимая шкала и невозможность дистанционной передачи показаний (для U-образных манометров);

- чувствительность к вибрациям и положению в пространстве.

Электрические манометры

Принцип действия: преобразование силового действия давления в электрический сигнал.

По конструкции подразделяют на следующие группы:

- тензоэлектрические;

- пьезоэлектрические;

- механотронные.

Тепловые вакуумметры

Принцип действия: зависимость температуры тонкого нагревателя от давления вследствие теплопереноса в газах.

Рассмотрим схему термопарного вакуумметра.

1-2 – тонкая нихромовая проволока (нагреватель);

3-4 – термопара хромель-копель;

5 - точка контакта нагревателя и рабочего спая термопары;

6 - баллон.

Чувствительный элемент вакуумметра образован тонким нагревателем 1-2 из нихромовой проволоки и термопарой 3-4 хромель-копель. Нагреватель и термопара размещены в баллоне 6, куда подается давление p_изм, которое требуется измерить. Нихромовый нагреватель 1-2 и рабочий спай термопары 3-4 контактируют в точке 5, где измеряется температура нагревателя. Через нагреватель 1-2 пропускают стабильный электрический ток (около 100 мА). В зависимости от давления p_изм изменяется скорость теплопереноса от нагревателя 1‑2 к холодным стенкам баллона 6. Соответственно, изменяется температура нагревателя 1-2 и термоЭДС, вырабатываемая термопарой 3-4.

Тепловой вакуумметр работает в диапазоне от 0,13 до 133 Па (10^-3…1 мм рт.ст.) с погрешностью не более ±15%.

Свойства тепловых вакуумметров:

- нелинейная шкала вследствие зависимости скорости теплопереноса в газах от давления;

- невысокая точность из-за зависимости показаний от химического состава газа;

- обратная шкала (меньшему давлению соответствуют бóльшие показания);

- единственный датчик для указанного диапазона давлений.

Реохордный преобразователь

R_p – реохорд;

+U_стаб, –U_стаб – двухполярный стабилизированный источник питания;

0 – общая точка стабилизированного источника питания U_стаб;

U_вых – выходной сигнал преобразователя;

1 - указатель манометра.

В реохордных преобразователях используют реохорд (прецизионный переменный резистор) R_p, подвижный контакт которого связан с чувствительным элементом или указателем 1 манометра. Для преобразования линейного перемещения используют линейный реохорд; если указатель манометра совершает вращательное движение, –применяют круговой реохорд.

Для питания реохорда используют двухполярный стабилизированный источник питания +U_стаб, –U_стаб с общей точкой 0. В этом случае среднему положению подвижного контакта реохорда соответствует выходное напряжение U_вых=0.

Для линейного реохорда при перемещении подвижного контакта вверх или вниз на расстояние x можно записать:

U_вых= ,

где l – максимальный ход подвижного контакта реохорда.

Погрешность преобразования определяется качеством реохорда (линейностью зависимости сопротивления от перемещения) и стабильностью источника питания. Обычно она составляет ±0,5 %. Дополнительными источниками погрешности служат сила трения в подвижных элементах и невысокая разрешающая способность реохорда.

Из-за низкой разрешающей способности в основном используют для преобразования относительно больших перемещений указателя манометра в электрический сигнал.

Тахометрические расходомеры

Принцип действия: измерение скорости тела, установленного внутри трубопровода и движущегося за счет потока газа или жидкости. В основном используют для измерения расхода жидкостей.

По конструкции подразделяют на следующие группы:

- камерные; работают по принципу гидромотора (поршневые, шестеренчатые, пластинчатые, роторные и т.п.);

- турбинные; чувствительным элементом является крыльчатка, установленная в трубопроводе;

- шариковые; чувствительный элемент – шарик, вращающийся в предварительно закрученном потоке.

Рассмотрим схему турбинного расходомера.

1 - трубопровод;

2 - крыльчатка (турбинка);

3 - индукционный преобразователь;

4 - немагнитный участок трубопровода.

В трубопроводе 1 установлена крыльчатка 2, которая вращается под действием потока. Лопасти крыльчатки изготовлены из ферромагнитного материала, а участок трубопровода 1 в месте установки крыльчатки 2 изготовлен из немагнитного материала (4). В непосредственной близости от крыльчатки 2 установлен индукционный преобразователь.

При движении ферромагнитных лопастей крыльчатки 2 относительно индукционного преобразователя 3 в последнем появляется импульсный сигнал, частота импульсов которого пропорциональна расходу.

Свойства тахометрических расходомеров:

- возможность дистанционной передачи показаний;

- возможность получения показаний в виде серии импульсов; легкое сопряжение со средствами микропроцессорной и вычислительной техники;

- большое сопротивление потоку; безвозвратные потери до 0,1 МПа;

- сложная конструкция (движущиеся элементы внутри трубопровода);

- необходима фильтрация среды перед измерением;

- класс точности приборов: 0,5…2,5.

Тепловые расходомеры

Принцип действия: зависимость температуры тонкого нагревателя от расхода (скорости потока) среды вследствие теплопереноса. В основном используют для измерения расхода газа.

1 - тонкостенная никелевая трубка (δ=0,1 мм);

2,3 - терморезисторы-нагреватели из тонкой медной проволоки сопротивлением R_t1, R_t2;

4 - усилитель;

R₁, R₂ - резисторы мостовой измерительной схемы;

U_стаб - стабилизированный источник питания.

Чувствительный элемент теплового расходомера образован тонкостенной никелевой трубкой 1, на наружной поверхности которой размещены два терморезистора R_t1, R_t2 (2,3). Терморезисторы выполнены из тонкой медной проволоки и включены в мостовую измерительную схему с резисторами R₁; R₂. Для питания мостовой схемы используют стабилизированный источник U_стаб. Выходной сигнал с мостовой схемы поступает в усилитель 4 и далее на измерительный прибор.

При включении питания терморезисторы R_t1 и R_t2 нагреваются проходящим током до температуры около 50 °С. В отсутствие потока среды (Q=0) резистором R₁ устанавливают выходной сигнал, равный нулю.

Протекающий по трубке 1 поток газа Q охлаждает терморезисторы R_t1 и R_t2, однако, температура терморезистора R_t1 будет меньше, чем R_t2 из-за явления теплопереноса. Возникающий дисбаланс моста зависит от скорости теплопереноса и приводит к появлению сигнала, который зависит от расхода газа Q.

Свойства тепловых расходомеров:

- практически линейная шкала;

- тонкостенный чувствительный элемент ограничивает избыточное давление до 0,1 МПа;

- чувствительность к положению в пространстве; отклонение от горизонтального положения вызывает конвективные потоки;

- показания расходомера зависят от химического состава газа, т.к. скорость теплопереноса зависит не только от скорости потока (расхода), но и от теплоемкости газа; статическая характеристика расходомера для иного газа может быть определена экспериментально или рассчитана по уже известной характеристике через теплоемкость газов;

- зависимость показаний от температуры и давления;

- применяют для измерения расхода от 0 до 3 дм³/ч с погрешностью ±2 %; для измерения больших расходов следует использовать парциальные расходомеры.

Парциальные расходомеры

Принцип действия: измерение части общего расхода, протекающей по ответвлению основного трубопровода и определение по измеренной части общего расхода.

1 - трубопровод;

2 - сужающее устройство;

3 - трубопровод расходомера;

4 - расходомер;

Q – общий расход;

Q_р – расход, протекающий через ответвление (расходомер).

Парциальный расходомер представляет собой участок трубопровода 1 с установленным в нем сужающим устройством 2. В обход сужающего устройства 2 смонтирован трубопровод 3 расходомера 4.

Под действием падения давления на сужающем устройстве 2 по трубопроводу 3 протекает часть Q_р общего расхода Q, который нужно определить. Связь между общим расходом Q и парциальным Q_р можно выразить следующим образом:

Q = Q_р ,

где S_р и S_су – проходное сечение расходомера и сужающего устройства соответственно; α – поправочный коэффициент, учитывающий сужение струи.

Свойства парциальных расходомеров;

- дают возможность измерения больших расходов чувствительным элементом, имеющим узкие пределы измерений;

- вносят дополнительное динамическое сопротивление в магистраль, т.к. требуют использования сужающего устройства;

- вносят дополнительную погрешность измерения, связанную с использованием сужающего устройства.

Парциальные расходомеры в основном применяют с тепловыми расходомерами. В этом случае верхний предел измерения можно увеличить до 3000 дм³/ч.

Измерение и регулирование давления и расхода технологической среды

Датчики давления и расхода

Технологическая среда, используемая при термической обработке, характеризуется давлением, расходом и химическим составом.

В практике термической обработки необходимо измерять статическое давление, которое определяется потенциальной энергией газа или жидкости.

Принято различать абсолютное давление p_абс и относительное давление p_отн, которое отсчитывается от атмосферного давления p_атм = 10⁵ Па.

p_отн = p_абс–p_атм

Если относительное давление p_отн>0, его называют избыточным давлением p_изб, если p_отн<0 – давлением разрежения p_р.

Расход – количество вещества, проходящее через сечение трубопровода в единицу времени. Количество вещества выражают в единицах объема или массы. Соответственно, принято различать объемный Q_о и массовый Q_м расход.

Значение объемного расхода Q_о наиболее сильно зависит от давления. Поэтому для получения сопоставимых результатов объемный расход приводят к нормальным условиям (t_н=20 °С, р_н=101325 Па (1 атм.), относительная влажность φ=0). В этом случае объемный расход обозначают Q_н.

Массовый расход Q_м зависит от плотности газа. Эта зависимость увеличивает погрешность измерения массового расхода смеси газов, особенно, при изменении ее химического состава.

В дальнейшем индекс в обозначении расхода будем опускать, за исключением особо оговоренных случаев.

Датчики давления

Общее название приборов для измерения давления – манометры.

Манометры подразделяют на следующие группы:

- манометры избыточного давления (p_изб);

- вакуумметры разрежения (p_р);

- мановакуумметры (p_р…p_изб);

- вакуумметры абсолютного давления (p_абс=0…p_атм, обычно до 13 кПа или 100 мм рт.ст.).

Принцип действия: преобразование силового действия давления на чувствительный элемент непосредственно в показания (перемещение указателя), либо в пропорциональное изменение иной физической величины.

По принципу действия датчики давления подразделяют на следующие группы:

- жидкостные;

- деформационные;

- электрические;

- тепловые.