Измерение не электрических величин. Гсп. Измерение температуры, давлений, расхода. Измерение неэлектрических величин. Первичные измерительные преобразователи
 Скачать 447.63 Kb.
|
|
Измерение не электрических величин. Измерительные преобразователи ГСП. Измерение температуры, давлений, расхода. Измерение неэлектрических величин. Первичные измерительные преобразователи (датчики) Все величины, которые не попадают под определение электрической величины, ,называют неэлектрическими. Из всего разнообразия неэлектрических величин на электростанциях наиболее часто измеряют температуру, давление, расход (воды, газа и т.п.). Для измерения этих величин обычно применяются специальные измерительные приборы, принципы, действия которых основаны, как правило, на законах механики и гидродинамики. Эти принципы неприменимы или их применение вызывает большие сложности, когда необходимо или передавать информацию о значении измеряемой величины на сравнительно большие расстояния (больше 10-15 метров), или необходимо выполнять какие-либо расчеты, используя значения измеренных величин. Поэтому развилась специфическая отрасль измерительной техники -измерение неэлектрических величин электрическими методами. В настоящее время актуальность применения электрических методов измерения неэлектрических величин обусловлена переходом к системам автоматического управления различными технологическими процессами. Особенно в котельных и гидравлических цехах электростанций. Практически измерение неэлектрических величин выполняют с помощью преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую. Например, при измерении температуры используют термопару, у которой выходная ЭДС практически линейно зависит от температуры. С физической точки зрения выражение «преобразование какой-либо величины в другую» не имеет смысла. С точки зрения физики невозможно преобразовать, например, давление в силу постоянного тока. Строго говоря, измеряемая величина ни во что не преобразуется. Происходит смена носителя информации о значении измеряемой величины. В нашем примере до преобразования носителем информации о значении давления было то вещество, давление которого подлежало измерению (вода, пар и т.п.). После преобразования носителем информации о значении измеряемой величины (давления) стал электрический ток (сила этого тока). Произошла смена носителя информации. Такой подход характерен для информационной теории измерений В измерительной технике принято говорить о преобразовании величин. При этом под преобразованием одной величины в другую понимают смену носителя информации о значении преобразуемой величины. После преобразования неэлектрической величины в электрическую последняя измеряется с применением методов измерения электрических величин и электроизмерительных приборов. Преобразование неэлектрических величин в электрические производится с помощью специальных измерительных устройств - первичных преобразователей или датчиков, к изучению которых мы сейчас переходим. Методы и приборы для измерения температуры Классификация термометров Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел. Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению. По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров: термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких тел; термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых тел; термометры газовые манометрические; термометры жидкостные манометрические; конденсационные; электрические; термометры сопротивления; оптические монохроматические пирометры; оптические цветовые пирометры; радиационные пирометры. Термометры расширения. Жидкостные стеклянные Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом объемного расширения, значение которого определяется как ) t t ( V V V 1 2 0 t t t , t 2 1 2 1 , 1/град, где V 0 , V t1 , V t2 - объемы жидкости при 0 С, температурах t 1 и t 2 соответственно. Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/ С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/ С). Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой. Термометры, основанные на расширении твердых тел К этой группе приборов относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры. 1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими коэффициентами линейного расширения: ) t t ( l l l 1 2 0 t t t , t 2 1 2 1 , 1/град, где l 0 , l t1 , l t2 - линейные размеры тела при 0 С, температурах t 1 и t 2 соответственно. В силу того, что мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры. 2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1 - 1,5 %. Газовые манометрические термометры В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании. Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме. Достоинства: шкала прибора практически равномерна. Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона. Жидкостные манометрические термометры В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловый спирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д. Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу. Конденсационные манометрические термометры Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем газовые жидкостные. Электрические термометры Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры. В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В (см. рисунок 7) возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t 0 : E AB (t t 0 ) = e AB (t) + e BA (t 0 ), где e BA и e AB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В. ТЭДС E AB (t t 0 ) является функцией от температуры горячего спая t при условии постоянства температуры холодного спая t 0 Термопары градуируются при определенной постоянной температуры t 0 (обычно t 0 = 0 C или 20 C). При измерениях температура t 0 может отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения: E AB (t t 0 ) = E AB (t t 0 ’ ) + E AB (t 0 ’ t 0 ). Поправка E AB (t 0 ’ t 0 ) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара при температуре горячего спая t 0 ’ и градуировочном значении температуры холодных спаев. Поправка берется положительной, если t 0 ’ > t 0 и отрицательной, если t 0 ’ < t 0. Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы. А t 0 t В Рисунок 44 Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур или получения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар. Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар. Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t 0 Оно обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для переноса свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а также для подсоединения свободных концов термопары к зажимам измерительных приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном. Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые; ХК - хромель-копелевые; ПП - платинородий-платиновые и т.д. Требования к термопарам: 1) воспроизводимость, 2) высокая чувствительность, 3) надежность, 4) стабильность, 5) достаточный температурный диапазон. Методы и средства для измерения ТЭДС: 1) Метод непосредственной оценки ( с помощью милливольтметра); 2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров). Термометры сопротивления Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования: а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой; б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла должен быть достаточно большим и неизменным; в) функция R = f(t) должна быть однозначна. Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др. Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.). Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные). Пирометры излучения Пирометры излучения основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение температурного поля, вызываемого введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях. Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого. Возрастание интенсивности монохроматического излучения с повышением температуры описывается соответствующими уравнениями. Методы и приборы для измерения давления и разряжения Классификация приборов для измерения давления Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие. В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Р а или избыточное Р и . При измерении Р а за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Р а = 0 невозможно. Барометрическое давление Р бар - давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы. Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями: Р и = Р а - Р бар Если Р абс < Р бар , то Р и называется давлением разряжения. Классификация приборов для измерения давления: I. По принципу действия: 1) жидкостные (основанные на уравновешивании давления столбом жидкости); 2) поршневые (измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень); 3) пружинные (давление измеряется по величине деформации упругого элемента); 4) электрические (основанные на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину). II. По роду измеряемой величины: 1) манометры (измерение избыточного давления); 2) вакуумметры (измерение давления разряжения); 3) мановакуумметры (измерение как избыточного давления, так и давления разряжения); 4) напорометры (для измерения малых избыточных давлений); 5) тягомеры (для измерения малых давлений разряжения); 6) тягонапорометры; 7) дифманометры (для измерения разности давлений); 8) барометры (для измерения барометрического давления). Р бар Р а Рисунок 45 Жидкостные манометры Широко применяются в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла. Двухтрубный манометр представляет из себя U- образную трубку, заполненную затворной жидкостью. Чашечные манометры и дифманометры Чашечный (однотрубный) манометр является разновидностью U-образного трубного манометра (см. рис. 47), у которого одна из трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряется давление Р а , действующее на жидкость в широком сосуде, а открытый конец трубки совмещен с атмосферой. Уравнение равновесия: Р = g (h + H). Чашечные и трубные манометры применяются для тарировки и поверки рабочих приборов, реже - в качестве рабочих приборов. Электрические манометры. Преобразователи давления типа "Сапфир" Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.). Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (см. рис. 48). Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой. Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2. Н Р а h Р бар Р 1 Р 2 Рисунок 46 Рисунок 47 Рисунок 48 - Преобразователь давления типа "Сапфир" Преобразователи Сапфир-22ДА моделей 2050 и 2060, предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизирована. Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости Классификация Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м 3 или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа - только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием. Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный - в м 3 /с. Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами- счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Классификация: Механические объемные ковшовые барабанного типа мерники скоростные по методу переменного перепада давления по методу постоянного перепада давления напорные трубки ротационные Электрические электромагнитные ультразвуковые радиоактивные |