Технические измерения и приборы

Технические измерения и приборы

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Физической величиной называют свойство общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуально для каждого объекта.

Физическая величина, выбираемая для измерения, называется измерительной величиной.

Различают истинное и  действительное значение измеряемой величины. Истинное значение физической величины – это значение, которое идеальным образом отображало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить его всегда трудно (несовершенство конструкций технических средств, методов измерений, способов отображения информации и тому подобное). Действительное значение физической величины – это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

По способу получения  результатов измерений (виду уравнения) различают четыре класса:

1. Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Прямые измерения можно  выразить формулой:

 

                                         У = ƒ (Х)                                           (1.1)

 

где У – искомое значение измеряемой величины;

Х – значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

2. Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми (определенными, найденными) прямым измерениям.

Значение измеряемой величины определяют путем вычисления по формуле:

 

                              У = ƒ (X₁; X₂; … X_j;...X_m)                                       (1.2)

 

где X₁; X₂; … X_j;...X_m – значения величин, измеренных прямым способом;

ƒ – знак функциональной зависимости, форма которой и природа связанных ею величин заранее известны.

3. Совокупными называют производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величины находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин или ряда других величин, функционально связанных с измеряемыми.
4. Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Целью совместного измерения, как правило, является определение функциональной зависимости между величинами.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Давление является одним  из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо в расчетных целях, например для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, используемых на предприятии.

Жидкие и газообразные среды  характеризуются свойствами упругости   – обратимого изменения объема, то есть уменьшения объема среды при сжатии ее под давлением и восстановления исходного объема при снятии этого давления, и текучести – обратимого изменения формы.

Жидкости обладают наиболее меньшими свойствами сжимаемости, чем газы, следовательно, сжимаемость жидкостей не учитывается.

Давление бывает внешним и внутренним.

Внешнее давление Р на поверхность S жидкой или газообразной среды, равное отношению нормальной составляющей суммы сил F, приложенной извне, к площади поверхности S, передается внутрь среды без изменений и равномерно во все стороны.

                                               Р=∑F/S                                                     (2.1)

Внутреннее давление покоящихся жидких и газообразных сред зависит не только от внешнего давления, но и от веса самой среды. Эта зависимость наиболее существенна для жидкостей, обладающих большей плотностью, чем газы. Положение точки измерения относительно горизонтальных плоскостей – поверхностей равного давления – определяет весовую составляющую внутреннего давления – гидростатическое давление. Полное внутреннее давление в движущейся среде, например, горизонтального напорного трубопровода определяется суммой внешнего, гидростатического и гидродинамического давления – скоростного напорного давления, а также потерями давления на трение по всей длине трубы и вихревыми потерями при изменениях величины и направления потока в гидравлических сопротивлениях – коленах, задвижках, диафрагмах. В напорных трубопроводах с энергоносителями измеряется, как правило, статическое давление, которое является разностью полного и динамического давлений; при этом скоростные характеристики потока учитываются в расходомерах и счетчиках при измерениях расхода и количества среды.

Давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рисунок 1):

 

                                                                 

                                                                           

Рисунок 1– Виды  измеряемых давлений физического процесса

 

где Р – давление;

      Р_атм – давление барометрическое;      

     Р_абс – давление абсолютное

      Р_изб – давление избыточное;

      Р_вак – давление вакуумметрическое.

 

1. уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления;
2. уровня атмосферного, или барометрического, давления.

Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (Р_абс). Барометрическое давление (Р_атм) – это абсолютное давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного,  называют соответственно избыточным (Р_изб) или давлением разрежения, вакуумметрическим (Р_вак). При измерении разности давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, такую разность называют дифференциальным давлением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 КЛАССИФИФКАЦИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

По принципу действия:

1. Жидкостные;
2. Поршневые;
3. Деформационные;
4. Электрические.

По виду и величине суммарного давления:

1. Манометры (для измерения положительного давления)
2. Вакуумметры (для измерения отрицательного давления)
3. Мановакуумметры
4. Напоромеры (для измерения очень малых положительных давлений)
5. Тягомеры (для измерения очень малых отрицательных давлений)
6. Тягонапоромеры
7. Дифференциальные манометры (для измерения разности давлений)
8. Барометры (для измерения Р_атм)

 

Таблица 3.1–Соотношение между единицами давления различных систем

 

Переводимые ед. измерения	Единицы измерения, в которые переводятся
	Па (Н/м2)	Кгс/см2	бар	мм рт. ст.	мм. вод. ст.
Па (Н/м2)	1	1·10-5	1	735.	1·104
Кг/см2	105	1	1·10-5	7.5·10-3	0.1
бар	1	1·105	1	750	104
мм рт. ст.	1.36·10-5	133	133·10-5	1	13.6
мм. вод. ст	1·10-4	10	10-6	7.4·10-2	1

 

3.1 Деформационные манометры

Принцип действия деформационных манометров основан на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации чувствительных элементов. Различают три основных формы ЧЭ, получивших распространение в практике измерения: трубчатые пружины, сильфоны (гармониковые пружины) и мембраны (плоские пружины).

Трубчатая пружина представляет собой  упругую криволинейную металлическую полую трубку, один из концов которой (свободный) может перемещаться, и запаян, а другой – жестко закреплен. При подаче во внутреннюю полость трубки избыточного давления трубка раскручивается, а при разряжении – скручивается. Перемещение свободного конца трубки только до определенного предела пропорционально давлению. При дальнейшем повышении давления линейная зависимость нарушается. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещением свободного конца трубки и измеряемым давлением, называется пределом пропорциональности. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерений.

Сильфон (гармониковая пружина) представляет собой тонкостенный цилиндрический стакан с поперечными гофрами.

Мембрана (плоская пружина) представляет собой круглую плоскую или  гофрированную пластину, закрепленную по окружности и способную получить прогиб под действием давления. Статическая характеристика мембран изменяется не линейно с увеличением давления, поэтому в качестве рабочего участка используют не более 10% возможного хода. Гофрированные мембраны применяются при больших прогибах чем, плоские не гофрированные.

3.2 Электрические манометры

Электрические манометры – деформационные манометры, принцип действия которых основан на преобразовании измеряемого давления в электрический параметр, функционально связанный с давлением. Это манометры индуктивные, сопротивления, емкостные, тензорезисторные, пьезоэлектрические и другие.

Индуктивные измерительные преобразователи давления имеют в качестве чувствительного элемента следующую конструкцию (рисунок 2). Мембрана 1 воспринимает измеряемое давление Р. Жесткий диск 2 является подвижным якорем электромагнита 3. Перемещение диска вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента.

 

Рисунок 2– Чувствительный элемент индуктивного преобразователя давления

 

Если пренебречь активным сопротивлением катушки, магнитными потоками рассеяния и потерями в сердечнике, индуктивность преобразовательного элемента можно определить по уравнению:

           ,                                                  (3.1)

 

где n – число витков катушки;

  L_c и r_с – длина и площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;

  d – ширина воздушного зазора;

  m_с m₀ – магнитная проницаемость сердечника и воздуха;

  r – площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода.

Измерение индуктивности L обычно осуществляется мостами переменного тока или резонансными LC -контурами и имеют основную погрешность 0,2 – 5%.

Емкостные измерительные преобразователи давления имеют следующую конструкцию  (рисунок 3)

Рисунок 3– Чувствительный элемент ёмкостного преобразователя давления

 

Измеряемое давление воспринимается металлической мембраной 1, которая является подвижным электродом емкостного преобразовательного элемента. 2– жесткий диск. Неподвижный электрод 3 изолируется от корпуса с помощью кварцевых изоляторов 4. Зависимость емкости преобразовательного элемента от перемещения d мембраны имеет следующий вид:

,                                                  (3.2)

где e – диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродный зазор;

r – площадь электродов

d₀ – расстояние между электродами при давлении равном нулю.

Тензорезисторные измерительные преобразователи давления. Тензорезисторные чувствительные элементы представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану 1, на которой размещаются тензорезисторы 2. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу – изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (рисунок 4).

Рисунок 4 –Чувствительный элемент тензорезисторного преобразователя давления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Для контроля и управления технологическими процессами широко используются системы дистанционной передачи  информации, которые предназначены для сбора  информации с удаленных от наблюдателя объектов. С помощью этих систем  измерительная информация  может быть передана на расстояние до нескольких десятков километров.

По виду энергии носителя  информации  системы передачи информации подразделяют на электрические, пневматические и гидравлические. В ГСП приняты следующие системы передачи, в которых информация передается в виде унифицированных сигналов: пневматическая, электрическая токовая, электрическая частотная. Реже в практике измерений используются следующие системы передачи информации: реостатная, индуктивная, дифференциально – трансформаторная, ферродинамическая, сельсинная и другие.

Перечисленные системы передачи  информации получают  название в соответствии с типом преобразователя. Первичные измерительные преобразователи (ПИП) систем передачи информации ГСП обычно построены на блочно–модульном принципе, что позволяет большое число технологических параметров легко и с достаточной  точностью преобразовать  в усилие или линейное (угловое) перемещение. Преобразование усилия в унифицированный  пневматический  или электрический сигнал осуществляется, как правило, промежуточными преобразователями, работа которых основана на принципе компенсации сил. Широко распространены преобразователи типа “сила-давления” (пневмосиловые) и “сила-ток” (электросиловые), а также “перемещение-ток» (магнитомодуляционные с компенсацией магнитных потоков).

ПИП в ГСП конструктивно  выполняются в виде блока, включающего чувствительный элемент, к которому непосредственно подводится измеряемый технологический параметр и один из вышеуказанных промежуточных преобразователей.

4.1 Пневматическая система передачи измерительной информации

Основным элементом  в пневматических преобразователях является преобразователь “сопло-заслонка”. Передача информации  в пневматических системах осуществляется посредством пластмассовой или металлической  трубки с внутренним диаметром  4–10 мм на расстоянии    до 300 мм, а при использовании специального усилителя мощности  – до 600м. С увеличением расстояния точность  системы передачи  измерительной информации уменьшается.

 

 

Рисунок 5–  Принципиальная схема пневматической системы передачи информации

 

На схеме (рисунок 5) ПИП I и приемник информации  IV соединены между собой каналом связи. ПИП получает информацию  от объекта и осуществляет преобразование измеряемого параметра в унифицированный сигнал (пневматический) Рвых. ПИП состоит из чувствительного элемента II и преобразователя “сила-давление III. Преобразователь III включает в себя  корректор нуля - пружину 1; рычаг 2; сильфон обратной связи 3; пневмосопротивление – преобразователь “сопло-заслонка”  4; пневматический усилитель  мощности 7. Преобразователь ‘‘сопло-заслонка” является индикатором перемещения рычага 2. Питание сопла осуществляется через усилитель 7 из линии выходного сигнала через  постоянное пневмосопротивление11. Потому давление в камере Б всегда меньше, чем в камерах А и В на одно и то же значение, которое определяется натяжением пружин 9.

 При отклонении  измеряемого параметра от заданного  значения изменяется сила Rx,  что   приводит к перемещению рычага 2 относительно точки опоры 0. Одновременно с рычагом перемещается  и укрепленная на нем заслонка   5 относительно сопла 6 .Зазор   между  соплом и заслонкой изменяется  и становится равным  h₁(рисунок 6) , а рычаг 1 занимает положение, которому  соответствует новое значение давления на выходе сопла. 

Сигнал давления после усиления подается в сильфон отрицательной обратной связи и в канал связи к приемнику  информации  IV  .Под действием измененного давления сильфон3. начинает деформироваться и под действием усилия Roc отодвигается заслонка от сопла. Изменение Рвых происходит  до тех пор, пока не наступает равновесие системы. Рычаг 1 при этом занимает положение, при котором расстояние между соплом и заслонкой станет равным h₂, которое меньше  расстояния h на Δh. В новом состоянии равновесия положение рычага уже отличается от начального, но перемещения рычага, определяющие ход заслонки, очень малы. Ход заслонки относительно сопла составляет 0,01 – 0,02мм. Сопло представляет собой тонкостенную   трубку, ограниченную двумя дросселями  d₁ и d₂ с диаметрами соответственно 0,2 и 0,4 мм. Дроссель d₁    имеет постоянное сечение, а d₂ – ”переменное”, так как его проходное сечение зависит  от положения  заслонки  относительно сопла. В линии сопла давление воздуха  0,14МПа. Дроссель постоянного сечения обеспечивает  постоянный приток воздуха в линию сопла  и перепад давления на нем остается постоянным всегда (4000–6500Па), что увеличивает крутизну статической характеристики  преобразователя “сопло–заслонка” (рисунок 7).

Рисунок 6– Принципиальная схема преобразователя «сопло-заслонка»

 

 

Рисунок 7– Статическая характеристика преобразователя «сопло-заслонка»

 

      Диаметры  дросселей очень малы и это  устраняет влияние струи воздуха  на положение заслонки (реактивное  действие). Диаметры дросселей различны для повышения чувствительности преобразователя. Статическая характеристика преобразователя “сопло-заслонка” имеет нелинейный вид (рисунок 7). Для ее линеаризации ограничивается ход заслонки с помощью узла отрицательной обратной связи. Уравнение статической характеристики преобразователь  “сила-давление” может быть  получено из следующего выражения (равновесие рычага 2):

                                R_x × ℓ₁ = R_ос × ℓ₂                                                      (4.1)

где  R_x – усилие, развиваемое чувствительным элементом;

       R_ос– усилие, развиваемое сильфоном обратной связи;  

       ℓ₁ и ℓ₂ – плечи рычага 2.

                               R_ос = F_эф × Р_вых                                                     (4.2)

 тогда:                       

                             Р_вых =                                                         (4.3)

 

где  F_эф – эффективная площадь сильфона  обратной связи.

При  R_x = 0 корректором нуля 1 проводится настройка нулевого сигнала преобразователя. Тогда:

                               P_вых =                                             (4.4)

4.2 МСП ПВ 10

 

 

1. Текущее значение параметра;
2. Заданное значение параметра;
3. Выходное значение от прибора на исполнительном механизме;

РЗ – ручной задатчик;

Р – ручной режим работы;

А – автоматический режим работы;

АП – автоматически - программный режим работы.

Станция управления предназначена  для обеспечения работы контура  регулирования в трех режимах: ручном, автоматическом, автоматически - программном.

В ручном режиме выходной сигнал от вторичного прибора задается задатчиком, а при автоматическом и автоматически - программном выходной сигнал формируется автоматическим регулятором.

Z

 

 

 ИУ

 

 

 

 

 

 

 

                                    в автоматическом режиме от  регулятора

 

Рисунок 8– Одноконтурная система автоматического регулирования в ручном режиме

 

ПЗ– программный задатчик в автоматически - программном режиме.

При работе в автоматическом режиме сигнал задания устанавливается для регулятора ручным задатчиком прибора ПВ-10, в программном режиме – программным задатчиком.

На станции управления одновременно могут быть включены только 2 кнопки, одна из кнопок – РА ли РП и одна из кнопок ВКЛ или ОТКЛ.

В ручном режиме нажаты кнопки Р и ОТКЛ.

В автоматическом режиме – кнопки А и ВКЛ.

В автоматически - программном режиме – кнопки АП и ВКЛ.

При переходе из одного режима в другой необходимо соблюдать определенную последовательность переключения кнопок, чтобы предотвратить резкий толчок воздуха в линии исполнительного механизма.

В ручном режиме HP соединяется с исполнительным механизмом.

Переход из ручного режима в автоматический.

1. Нажимается кнопка А; при этом задатчик отключается от исполнительного механизма
2. Рукояткой HP устанавливаем давление задания (на средней шкале) равное текущему положению значения измеряемого параметра;
3. Нажимается кнопка ВКЛ, при этом выход регулятора соединяется с исполнительным механизмом и его шкалой на приборе (правая шкала); Задание от PЗ поступает на регулятор и на шкалу задания прибора ПВ-10 (средняя шкала).

Переход из автоматического  режима в программный.

1. Нажимается кнопка ОТКЛ; при этом регулятор отключается;
2. Нажимается кнопка АП, по шкале задания вторичного прибора (средняя шкала) наблюдаем показания программного задатчика и в момент, когда давление программы сравняется с давлением от PЗ нажимаем кнопку ВКЛ;

РЗ отключен от регулятора и от шкалы прибора, регулятор управляет исполнительным устройством по программе от программного задатчика.

Переход из программного режима в автоматический.

1. Нажимается кнопка ОТКЛ; при этом регулятор отключается;
2. Нажимается кнопка А;
3. РЗ устанавливается давление равное давлению на программном задатчике в момент его отключения;
4. Нажимается кнопка ВКЛ, регулятор включается, и контур работает в автоматическом режиме.

Переход из автоматического  режима в ручной.

1. Нажимается кнопка ОТКЛ; при этом регулятор и ручной задатчик отключается от исполнительного механизма;
2. По шкале задания (по средней шкале) PЗ устанавливаем давление равное давлению на шкале клапана;
3. Нажимается кнопка Р, при этом задатчик соединяется с исполнительным механизмом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

В настоящем время  в нашей стране допускается применение двух температурных шкал: абсолютной термодинамической и международной практической.

Температура по обеим  шкалам может быть выражена в единицах Кельвина (К)  и в градусах Цельсия (⁰С) в зависимости от положения нуля по шкале.

Температуру измеряют двумя основными способами – контактным и бесконтактным.

Контактный способ измерения  основан на прямом контакте термометра с контролируемым объектом. При измерении температуры этим способом добиваются состояния теплового равновесия термометра и объекта. Этот способ широко применяется, так как  обеспечивается высокая точность и надежность измерений, возможность передачи показаний на расстоянии и так далее.

Недостатки: искажение  поля объекта, не всегда возможно осуществить контакт среды и термометра и тому подобное.

Бесконтактный метод  основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием от объекта и воспринимаемой на расстоянии термометром – приемником (пирометром). Они основаны на восприятии изменения интенсивности излучения нагретых тел.

К пирометрам излучения  относятся пирометры частичного излучения (оптические), предназначенные  для измерения температуры от 400 ºС до 5000 ºС.

Пирометры полного излучения  с пределами от 100 ºС до 2500 ºС и  пирометры спектрального излучения (цветовые) с диапазоном от 500 ºС до 2800 ºС.

При изменении температуры  пирометрами частичного и полного  излучения необходимо вводить поправку на степень черноты тела, температура которого измеряется.

Пирометры излучения  применяются для измерения температуры  тел, нагретых до видимого свечения.

Приборы контактные в  промышленности применяются наиболее широко: в зависимости от физических свойств, на которых основано действие контрольных приборов различных термометров расширения, манометрических, механических, термоэлектрических преобразователей, термопреобразователей сопротивления.

5.1 Термометры расширения

Их действие основано на изменении объема жидкости в жидкостных термометрах или на изменении линейных размеров твердых тел деформационных термометров при изменении температуры.

Жидкостные стеклянные термометры имеют различные коэффициенты теплового расширения термоме6трического вещества (ртуть, спирт) и оболочки (из термометрического стекла, кварца) в которой находится это вещество.

Жидкостные термометры используются в промышленности и в лабораторных исследованиях при измерении температур в диапазоне от -200 ºС до +600 ºС с высокой точностью. Класс точности может составлять 0,01.

Достоинства: простота, высокая  точность измерения.

Недостатки: невозможность  регистрации и передачи показаний на расстояния; значительная тепловая инерция; невозможность ремонта.

В деформационных термометрах чувствительные элементы выполнены из твердых тел с различными коэффициентами линейного расширения.

К деформационным термометрам  относятся дилатометрические и биметаллические термометры.

 

Рисунок 9– Дилатометрический термометр

 

Дилатометрический термометр состоит из трубки 2, закрытой с одного конца и изготовленная из материала с большим коэффициентом линейного расширения (латунь, алюминий, медь) и стержня 1, изготовленного из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварц, фарфор, инвар). Стержень 1 вставлен в трубку 2 и прижимается к ее дну пружиной 4 через рычаг 3. Трубка со  стержнем помещается в среду, температуру которой измеряют. При изменении температуры среды линейные изменения трубки и стержня будут различными. При увеличении температуры трубка удлинится, а стержень практически не изменит своих размеров, при этом стержень перемещается относительно трубки и рычаг 3 со стрелкой поворачивается.