3 — чувствительный элемент; 4 — слои олова; J-чехол; 6-стекло; 7-ме- таллическая фольга
Пирометры излучения. Пирометрами излучения, или пирометрами, называют- ся средства измерения, предназначенные для определения температуры тел по их тепловому излучению. В качестве величин, характеризующих тепловое излучение тел, ис- пользуют энергетическую светимость (излучательность), т. е. величину, численно равную энергии, испускаемой за единицу времени с единицы площади поверхности тела и энерге- тическую яркость (лучистость), т. е. поток излучения в единичный телесный угол в рас- сматриваемом направлении, отнесенный к единице площади проекции светящейся по- верхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению.
Методы измерения температур, в которых использованы различные свойства теп- лового излучения тел, основаны на законах излучения абсолютно черного тела, т. е. тела,
которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию. Лучистая энергия излуча- ется нагретыми телами в виде волн различной длины.
Теоретическая зависимость спектральной энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны и температуры выражается уравнением Планка
где Ro(KT)—спектральная энергетическая светимость абсолютно черного тела,
Вт/м
2
; Сь Сг — постоянные коэффициенты, или константы, излучения;. Ci=3J413-10-
16
Вт-м
2
; с
2
= 1,4388-10
2
м-К; X —длина волны, м; Г —температура, К.
Уравнение Планка для спектральной энергетической яркости (лучистости) абсо- лютно черного тела имеет вид
где
В0(Х, Т)—энергетическая яркость (лучистость), Вт/(ср-м
2
);
ci'—Ci/n= = 1,191-
Ю-
16
Вт-м
2
/ср.
Для практического применения удобнее использовать уравнение Вина которое показывает зависимость спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела от длины волны и температуры.
Пирометры по принципу действия делятся на яркостные (оптические), радиацион- ные (полного излучения) и цветовые (спектрального отношения).
Яркостные пирометры. Принцип действия яркостных оптических пирометров ос- нован на сравнении яркости монохроматического излучения исследуемого тела с ярко- стью нити накаливания пирометрической лампы. Они предназначены для измерения тем- ператур (от 700 до 8000 °С) нагретых тел в видимой области спектра.
Пирометр (рис. 6.2.12,
а) представляет собой телескопическую трубку с объекти- вом и окуляром. Окуляр предназначен для наблюдения оператора за нитью пирометриче- ской лампы на фоне изображения источника излучения (нагретого тела). Объектив и оку- ляр пирометра могут перемещаться вдоль оси телескопической трубки с целью получения четкого изображения раскаленного тела и нити накаливания. Пирометрическая лампа на- гревается от источника питания постоянного тока через реостат. Изменяя силу тока с по- мощью реостата, можно добиться одинаковой яркости изображений нагретого тела и нити накаливания. В этот момент часть нити, совмещенной с нагретым телом, температуру ко- торого измеряют, становится не видна. Температуру отсчитывают по шкале измеритель- ного прибора.
В общепромышленных яркостных пирометрах в качестве измерительного прибора применяют показывающий милливольт-• метр со шкалой, на которой яркостная темпера- тура выражена в градусах Цельсия.
В пирометре установлены две диафрагмы, предназначенные для обеспечения по- стоянства углов входа и выхода в оптической системе. Для создания монохроматического пучка лучей установлен красный светофильтр 7. Серый светофильтр служит для измере- ния пределов излучения. Конструкция пирометров предусматривает возможность выведе- ния из поля зрения оператора светофильтров для облегчения наводки и фокусировки теле- скопической трубки.
Кроме яркостных пирометров, позволяющих оператору
осуществлять визуальное измерение температуры, отечественная промышленность выпускает пирометры, у кото-
рых оценка яркости производится автоматически с помощью фотоэлектрических прибо- ров (фотоэлементов, фотоумножителей, фотосопротивлений).
Радиационные пирометры. Принцип действия радиационных пирометров полного излучения основан на зависимости полной энергетической яркости тела (как в видимой,
так и невидимой частях спектра) от температуры. Они предназначены для измерения тем- ператур от 400 до 3500 °С.
Пирометр (рис. 6.2.12, б) состоит из объектива, предназначенного для изображения нагретого тела в плоскости, лежащей за диафрагмой. Энергия теплового излучения от на- гретого тела фокусируется на концах термобатареи, состоящей из набора термоэлектриче- ских преобразователей температуры, т. е. термобатарея является не только приемником лучистой энергии, но и преобразователем ее в термо-ЭДС, величина которой измеряется специальным прибором. В качестве измерительных приборов используют милливольт- метры и автоматические потенциометры со шкалами, позволяющими отсчитывать радиа- ционную температуру в градусах Цельсия. Для защиты глаз оператора при наводке пиро- метра на излучатель перед линзой окуляра установлено цветовое защитное стекло.
Низкотемпературные радиационные пирометры, в которых в качестве тепловос- принимающего элемента используются термопреобразователи сопротивления, предназна- чены для измерения температуры в диапазоне от 20 до 100 °С. Они могут иметь большое практическое применение для бесконтактного измерения температуры при производстве мясных и молочных продуктов.
Цветовые пирометры. Принцип действия цветовых пирометров, или пирометров спектрального отношения, основан на зависимости отношения спектральных энергетиче- ских яркостей в двух участках спектра с определенными значениями длин волн от темпе- ратуры тела. Они предназначены для измерения температур от 800 до 2800 °С.
Принципиальная схема двухканального цветового пирометра приведена на рис.
6.2.12, в. Измеряемое излучение от нагретого тела через объектив с помощью призмы раз- дваивается и поступает на зеркало, а через обтюратор, служащий для модуляции потока лучистой энергии, и светофильтры красный 6 и синий 7 направляется на фотоэлементы.
Обтюратор приводится во вращение синхронным электродвигателем, поэтому на фото- элементы попеременно попадают излучения красной и синей спектральных яркостей.
Сигналы с фотоэлементов, усиленные усилителями, передаются в схему, представляю- щую специальное устройство, которое преобразует сигнал в постоянный ток. Далее по- стоянный ток поступает в измерительный прибор, в качестве которого может быть ис- пользован автоматический потенциометр.
В
заключение следует отметить, что пирометры в химической промышленности найдут применение, так как они являются бесконтактными средствами измерений, обла- дающими высокой чувствительностью и точностью.
Рисунок 6.2.12. . Принципиальные схемы пирометров:
а — яркостного с исчезающей нитью накаливания:
1— источник излучения;
2—
объектив;
3, 8 — диафрагмы;
4, 7— светофильтры; 5 —лампа;
6 — окуляр;
9 — оператор;
10— измерительный прибор; Л — источник питания постоянного тока;
12 — реостат; б —
радиационного: / — источник излучения;
2 — объектив;
3 — диафрагма;
4 — термобата- рея;
5 — окуляр;
6 — защитное стекло; 7 — оператор;
8 прибор для измерения термо-
ЭДС;
в — двухканального цветового:
1 — источник излучения;
2—объектив;
3 — зеркало;
4 — призма; 5 — обтюратор;
6, 12 — светофильтры; 7 — электродвигатель;
8 — фотоэле- менты;
9 — усилители;
10 — пересчетная схема;
11 — измерительный прибор
6.2.2 Приборы для измерения давления
В химической промышленности широко применяются приборы для измерения дав- ления. Единицей давления в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (Па).
Паскаль равен давлению, вызываемому силой в один ньютон, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью в один квадратный метр. В соответствии со стандартом СТ СЭВ-1052—78 временно допускаются к применению следующие единицы давления: килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см
2
), называемая технической атмосферой (ат), миллиметр водяного столба (мм вод. ст.) и миллиметр ртутного столба
(мм рт. ст.).
Различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давления. Абсолютным
называется давление, под которым находится жидкость, газ или пар. Абсолютное давле- ние определяют по формуле где Рабс—абсолютное давление, Па;
Р
ИЗб
— избыточное давление, Па; Ратм
— атмосферное давление, Па.
Избыточным называют давление, отсчитываемое от условного нуля, за который принимают атмосферное давление:
Вакуумметрическое давление (разрежение, вакуум)—это разность между атмо- сферным и абсолютным давлением:
Приборы для измерения давления классифицируются по принципу действия и виду измеряемого давления.
По принципу действия различают следующие приборы для измерения давления:
жидкостные, основанные на принципе уравновешивания измеряемого давления гидроста- тическим давлением столба жидкости; деформационные (с упругими чувствительными элементами), измеряющие давление по величине деформации упругого чувствительного элемента или по усилию, развиваемому чувствительным элементом.
По виду измеряемого давления приборы классифицируются следующим образом:
барометры (для измерения атмосферного давления); манометры (для измерения избыточ- ного давления); вакуумметры (для измерения разрежения); мановакуумметры (для изме- рения избыточного и вакуумметрического давлений);
6.2.3. Автоматическое управление расходом жидких и сыпучих веществРасходом вещества обычно называют количество вещества (массы или объема), проходящее через определенное сечение канала (трубопровода) в единицу времени, а приборы или компоненты приборов, определяющие расход вещества в единицу времени, называют расходомерами. Расходомер может быть снабжен счетчиком
(интегратором),
показывающим массу или объем вещества, прошедшего через прибор за какой-либо промежуток времени.
Единицы измерения расхода могут быть объемные - м
3
/ч, м
3
/мин, л/мин, и т. д. и массовые - кг/ч, т/ч, и т. д. В зависимости от принципа действия, наиболее часто применяемые в промышленности приборы для измерения расхода вещества, можно разделять на следующие группы: постоянного и переменного перепада давления,
тахометрические, электромагнитные, ультразвуковые и различные конструкции специальных.
1. Расходомеры обтеканияК этим расходомерам относятся приборы, чувствительные элементы которых обтекаются потоком. Наибольшее распространение получили расходомеры постоянного перепада давления, у которых перепад давления измеряемого вещества на чувствительном элементе на всём диапазоне измерений с некоторым приближением можно считать постоянным. К этой группе приборов относятся ротаметры (см. рис.6.3.1).Выпускают
ротаметры для местного измерения расхода без дистанционной передачи показаний, с электрической дистанционной передачей показаний без местной шкалы, с пневматической дистанционной передачей и местной шкалой показаний. Широко применяются для измерения малых расходов жидкостей и газов. Основными элементами ротаметра для местного измерения расхода являются расширяющаяся кверху вертикальная конусная трубка - 1 (длинна трубки обычно не менее чем в 10 раз превышает ее диаметр) и поплавок - 2, находящийся в потоке измеряемого вещества внутри трубки.
Рис.6.3.1. Схема ротаметра с конической трубкой.
Принцип действия ротаметров (стеклянных и металлических) основан на восприятии динамического напора потока измеряемой среды чувствительным элементом
ротаметра – поплавком, помещённым в коническую трубку, по которой вверх проходит поток измеряемой среды
По мере повышения расхода через ротаметр поплавок перемещается вверх. При изменении положения поплавка сечение между ним и внутренней стенкой конической трубы изменяется, что ведёт к изменению скорости потока в проходном сечении, а,
следовательно, к изменению перепада давления на поплавке. Перемещение поплавка происходит до тех пор, пока перепад давлений не станет равным массе поплавка,
приходящейся на единицу площади его поперечного сечения. Каждому значению расхода среды, проходящему через ротаметр при определённой плотности и кинематической вязкости, соответствует определённое положение поплавка. Поплавок можно визуально контролировать по всему диапазону его применения.
Равновесное состояние поплавка,
соответствующее его определенному положению по вертикали, однозначно характеризует расход.
Ротаметры предназначены для измерения объемного расхода плавно меняющихся однородных потоков чистых и слабо загрязненных жидкостей и газов с дисперсными включениями инородных частиц.
К основным преимуществам ротаметров можно отнести простоту конструкции,
возможность измерения малых расходов, значительный диапазон измерения, возможность измерения расхода агрессивных сред, достаточно равномерную шкалу. Недостатками ротаметров являются большая чувствительность к температурному изменению вязкости
(особенно при малых расходах), невозможность измерения расхода загрязненных жидкостей и жидкостей, из которых выпадает осадок.
На заводе - изготовителе ротаметры тарируются по воде или воздуху. Для применения ротаметров на других средах требуется индивидуальная градуировка.
Промышленный ротаметр для местного измерения расхода (рис. 2) представляет собой коническую трубку
2 из стекла (или органического стекла), закрепленную в металлических головках 5, которые стянуты шпильками 4, образующими защитную решетку вокруг стекла. В трубке 2 свободно перемещается поплавок 1. Движущийся поток измеряемого вещества, проходя по косым прорезям, имеющимся в верхней части поплавка, вращает его, благодаря чему, поплавок центрируется в трубке. Шкала 3 прибора
(условно в процентах) нанесена непосредственно на стеклянную трубку. Отсчет показаний прибора производят по острой верхней кромке поплавка.
Рис.6.3.2.РотаметрРис.6.3.3. Схема работы ротаметраРотаметры с электрической дистанционной передачей показаний являются бесшкальными датчиками, предназначенными для измерения расхода жидкости,
нейтральной к стали 12Х18Н9Т и преобразования величины расхода в электрический унифицированный сигнал. Для этого типа приборов минимальный расход среды, который может быть надежно измерен, составляет 20% максимального значения измеряемого расхода.
Прибор состоит из двух основных частей - ротаметрической и электрической,
которые трубкой разделены между собой. Основным элементом
ротаметрической части является конический поплавок, перемещающийся внутри кольцевой диафрагмы или грибообразный поплавок, движущийся внутри вертикально расположенной конической трубки. Электрическая часть состоит из индукционной катушки с сердечником, жестко связанным с поплавком. Катушка включена в дифференциально-трансформаторную схему вторичного прибора. Под действием потока измеряемого вещества поплавок перемещается вверх и увлекает за собой плунжер индукционного датчика. Перемещение плунжера приводит к дисбалансу дифференциально -трансформаторной схемы, и на вторичный прибор поступает сигнал, пропорциональный измеряемому расходу.
Конструктивно ротаметр представляет собой стальной корпус с камерой, внутри которой имеется кольцевая диафрагма и поплавок со стержнем. В верхней части корпуса имеется направляющая трубка с насаженной на неё индукционной катушкой, закрытой кожухом.
Под кожухом имеется регулировочная гайка, вращением которой производят перемещений индукционной катушки при градуировке ротаметра. На верхнем конце стержня закреплён плунжер индукционного датчика. Под действием потока измеряемого вещества поплавок перемещается вверх и увлекает за собой плунжер индукционного датчика.
Перемещение плунжера приводит к разбалансу дифференциально- трансформаторной схемы, и на вторичный прибор поступает сигнал, пропорциональный измеряемому расходу.
Ниже приведено описание принципа работы ротаметра РЭ с дифференциально - трансформаторным выходом включает в себя ротаметр электрический РЭ-16 и вторичный дифференциально - трансформаторный прибор типа КСД-3. Схема лабораторной установки приведена на рис. 4. Ротаметр типа РЭ-16 разрезан для того, чтобы было видно его устройство. Для перемещения поплавка 1 относительно дискового седла 2 служит винт 3 с нарезанной на нем резьбой. Вращая ручку 4 можно поднимать или опускать площадку 5, на которую опирается стержень 6, связанный с поплавком 1 и сердечником 7
дифференциально - трансформаторного датчика 8.
Вторичный прибор 9 типа КСД -3 включает в себя электронный усилитель ЭУ,
реверсивный двигатель РД, кинематические связанный с кулачком 10 и стрелкой прибора,
а также дифтрансформаторный датчик 11, аналогичный датчику 8. Сердечник 12
дифтрансформаторного датчика 11 прибора КСД-3 может перемещаться при вращении кулачка 10. К первичным обмоткам датчиков 8 и 11 подводится переменное напряжение
24 В с частотой 50 Гц. Вторичные обмотки датчиков 8 и 11 включены встречно друг к другу. Если сердечники 7 и 12 находятся в одинаковых положениях то сигналы в них равны по амплитуде и противоположны по фазе. В этом случае на вход усилителя ЭУ
сигнал не поступает и реверсивный двигатель РД не вращается. При изменение расхода жидкости поплавок 1 переместится относительно дискового седла 2, а вместе с ним переместится сердечник 7. В результате сигнал во вторичной обмотке датчика 8 станет отличаться от сигнала датчика 11. Сигнал разбаланса поступит на усилитель ЭУ, усилится и приведёт во вращение реверсивный двигатель РД, который посредством кулачка 10
переместит сердечник 12 в такое новое положение, в котором сигналы во вторичных обмотках датчиков 8 и 11 станут равны по амплитуде и противоположны по фазе. В
результате сигнал на входе усилителя ЭУ станет равен нулю и схема придёт в равновесие.
Рис. 6.3.4. Схема лабораторной установкиРотаметры с пневматической дистанционной передачей и местной шкалой показаний выпускают четырёх типов: типа РП для измерения расхода жидкостей,
нейтральных к стали 12Х18Н9Т, типа РПФ для измерения расхода агрессивных жидкостей, нейтральных к фторопласту-4, типа РПО с паровым обогревом для измерения расхода кристаллизующихся жидкостей, нейтральных к стали 10Х17Н13М2Т, типа РПФ-
И, которые являются индикаторами и применяются для контроля расхода агрессивных жидкостей, нейтральных к фторопласту-4. Все эти 4 типа приборов предназначены для измерения расхода жидкости и преобразования его в дифференцированный выходной сигнал
0,02
-
0,1
МПа, подаваемый на вторичный прибор.
Ротаметр с пневматической дистанционной передачей и местной шкалой показаний состоит из двух основных частей - ротаметрической и пневматической. Ротаметрическая часть прибора представляет собой прямоточную трубу, в которой находятся мерительный конус и, перемещающийся под воздействием измеряемого потока, поплавок с хвостовиком, направленным вверх и имеющим дополнительное центрируещее устройство.
К
корпусу ротаметрической части крепят пневмоголовку, обеспечивающую местные показания и преобразование высоты положения поплавка в пневматический сигнал,
который поступает к вторичному прибору.
Преобразование высоты положения поплавка в пневматический сигнал осуществляется с помощью магнитопневматического преобразователя. При перемещении сдвоенных магнитов 5, встроенных в хвостовик поплавка, изменяется положение находящегося в пневмоголовке следящего магнита 4 и жёстко связанной с ним заслонки сопла 3. Изменение зазора между соплом и заслонкой вызывает изменение давления в пневмоусилителе 2. Усиленный по мощности сигнал поступает на выход прибора и в стакан 7. Вследствие этого, сильфон 8 сжимается или разжимается, перемещая шток 6, с закреплённым на его конце соплом 3. Перемещение будет происходить до тех пор, пока
следящий магнит с заслонкой не займёт первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов. Перемещение штока 6 с помощью кинематической передачи преобразуется во вращательное движение стрелки, шкала местных показаний - 100%-ная равномерная. Выходное давление и давление питания контролируются по манометрам 1.
При перемещении поплавка из нижнего положения, соответствующего отсутствию расхода, в верхнее положение, соответствующее верхнему пределу измерения, давление на выходе прибора изменяется от 20 до 100 кПа.
Кроме соблюдения общих требований к месту расположения приборов, фланцевым соединением и т. п., следует учитывать, что ротаметры должны устанавливаться на трубопроводах, не подверженных вибрации, так как возможно повреждение рота метрической части и возникновение дополнительных погрешностей.
Следует предусмотреть обводную линию (байпас) с запорными вентилями для возможного отключения прибора без перекрытия потока жидкости в трубопроводе. Направление потока среды должно быть таким, чтобы она входила в вертикальный патрубок и выходила из горизонтального (ротаметры РЭ) и снизу вверх (ротаметры РС, РП, РПО).
Ротаметры устанавливаются строго в вертикальном положении во избежание заклинивания поплавка или штока, возможно дальше от побудителей расхода.
Рис.6.3.6.
Ротаметр с пневматической дистанционной передачей данных:
а) - схема магнитопневматического преобразователя; б) - внешний вид
Рис.6.3.7. Работа ротаметра с пневматической дистанционной передачей данныхРаботы по наладке ротаметров состоят из индивидуального опробования и собственно наладки систем измерения. При наладке систем измерения расхода требуемую точность измерения проверяют сравнением показаний прибора систем измерения с непосредственными измерениями расхода или данными, полученными расчётом. При отклонениях показаний системы измерений от расчётных проверяют все элементы смонтированной системы,
включая и линии связи, устраняют неисправности и повторно включают систему в работу. Налаженные системы измерения в большинстве случаев проходят испытания на точную и безаварийную работу, в течение определенного времени,
обычно не более 3 суток. В процессе испытаний проводятся эксплутационные операции с приборами: контроль работы, смазка, продувка мест отбора импульсов, заправка чернилами и т. п.
Скачать 4.71 Mb.