КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
Пирометры излучения Пирометры излучения применяются для измерения температуры нагретых тел в пределах 100…6000°С. Действие этих приборов основано на измерении излучаемой телом энергии, зависящей от его температуры и физико–химических свойств. В отличие от других типов пирометров первичный прибор пирометра излучения при измерении не подвергается вредному влиянию высокой температуры и не искажает температурного поля, так как находится вне измеряемой среды. Давление Давлением жидкости, газа или пара принято называть силу, действующую равномерно на площадь, а единицей давления – единицу силы, действующую равномерно на единицу площади. При измерении давления различают: барометрическое, избыточное и абсолютное давления. Барометрическое (атмосферное) давление Рб создается массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменную величину, зависящую от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий (погоды). Величина превышения давления среды над барометрическим называется избыточным (манометрическим) давлением Р. Подавляющее большинство приборов, измеряющих давление, показывают именно избыточное давление. Абсолютное (полное) давление среды Ра может быть больше или меньше барометрического. В первом случае абсолютное давление равно сумме барометрического и избыточного давлений: Глубокое разрежение принято называть вакуумом. Последний иногда представляют в виде относительной величины V в процентах барометрического давления. Для 108 измерения давления и разрежения применяются единицы: Н/м 2 , кгс/см 2 , кгс/м 2 и бар. Первая из них является производной единицей давления системы СИ, а остальные, кроме кгс/м 2 – внесистемными единицами. Единица давления 1 н/м 2 равна давлению на площадь 1 м 2 силы в 1 Н (1 Н – сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение в 1 м/сек 2 ). Широкое распространение имеет внесистемная единица давления 1 кгс/см 2 , равная давлению на площадь 1 см 2 силы в 1 кгс (1 кгс – сила, сообщающая массе в 1 кг нормальное ускорение свободного падения в 9,81 м/сек 2 ), а также единица давления системы МКГСС (метр, килограмм–сила, секунда), равная 1 кгс/м 2 . В настоящее время почти все приборы для измерения давления и разрежения градуируются в единицах кгс/см 2 и кгс/м 2 Используемые в теплоэнергетике приборы для измерения давления и разрежения в зависимости от назначения делятся на следующие группы: манометры – для измерения избыточного давления; тяго– и напоромеры – для измерения небольшого разрежения и небольшого избыточного давления; вакуумметры – для измерения значительного разрежения (вакуума); мановакуумметры – для измерения избыточного давления и разрежения; барометры – для измерения атмосферного давления; баровакуумметры – для измерения абсолютного давления; дифференциальные манометры – для измерения разности давлений. Существующие виды манометров по принципу действия разделяются на жидкостные стеклянные, пружинные, грузопоршневые и электрические. В жидкостных стеклянных манометрах величиной, характеризующей измеряемое давление, служит высота столба рабочей жидкости в стеклянной трубке, в пружинных – степень упругой деформации (изгиба) различного рода пружин, в грузопоршневых – действующая на поршень сила, создаваемая массой калиброванного груза (гирь), и в электрических – изменение под влиянием давления некоторых электрических величин. К ним относятся: изменение электрического сопротивления проводников (манганиновый манометр сопротивления), возникновение электростатических зарядов на поверхности кристаллических минералов – кварца, турмалина или сегнетовой соли (пьезоэлектрический манометр), изменение электрической емкости (емкостный манометр) и т. п. Электрические манометры, применяемые главным образом при измерении очень высоких и быстропеременных давлений, являются приборами специального назначения и 109 поэтому здесь не рассматриваются. Приборы для измерения давления Тяго– и напоромеры Для измерения небольших разрежений и избыточных давлений газа (воздуха) применяются тягомеры (для разрежения), напоромеры (для давления) и тягонапоромеры (для разрежения и давления). Эти приборы, широко используемые для определения давления, разрежения и разности давлений в топке, газоходах и воздуховодах котлоагрегата, имеют одностороннюю (тягомеры и напоромеры) или двустороннюю (тягонапоромеры) шкалу, градуированную в кгс/м 2 или мм вод. ст. Так как между тягомерами, напоромерами и тягонапоромерами нет существенного различия, в дальнейшем они для простоты изложения называются тягонапоромерами. По принципу действия тягонапоромеры разделяются на жидкостные стеклянные, мембранные, колокольные и кольцевые. Наибольшее распространение получили мембранные приборы. Вакуумметры и мановакууметры Вакуумметры применяются для измерения значительных разрежений (вакуума) в конденсаторах паровых турбин, во всасывающих линиях насосов и т. п. Величина вакуума V, выраженная в процентах, широко используется для оценки эффективности работы конденсационных устройств турбин. Она подсчитывается по формуле: где Во – атмосферное (барометрическое) давление, мм рт. ст., при температуре 0°С; Но – вакуум в конденсаторе турбины, мм рт. ст., при температуре 0°С. Мановакуумметры применяются в тех случаях, когда абсолютное давление измеряемой среды может принимать значение выше или ниже атмосферного. Эти приборы имеют двустороннюю шкалу. По своему устройству вакуумметры и мановакуумметры бывают ртутные стеклянные и пружинные. 100 6 , 735 ) ( 6 , 735 o o h B V 110 Барометры и баровакууметры Измерение атмосферного (барометрического) давления, производимое при помощи барометра, необходимо для точного определения абсолютного давления любой среды. Так, например, для определения по показаниям вакуумметра абсолютного давления отработавшего в турбине пара необходимо согласно равенству одновременно измерить и барометрическое давление. Барометры разделяются на ртутные стеклянные и пружинные, причем первые, так же, как и ртутные вакуумметры, чаще всего выполняются однотрубными (чашечными). Общие понятия расхода и количества. Основные приборы Количество вещества, проходящее в единицу времени по трубопроводу, каналу и т. п., называется расходом вещества. Количество и расход вещества выражают в объемных или массовых единицах измерения. Объемными единицами измерения количества обычно служат кубический сантиметр (см 3 ), литр (л) и кубический метр (м 3 ), а массовыми – грамм (г), килограмм (кг) и тонна (т). Объемное количество газа иногда для сравнения представляют приведенным к нормальному состоянию – абсолютному давлению 101325 н/м 2 (1,0332 кгс/см 2 ), температуре 20°С и относительной влажности 0% и выражают его в нормальных кубических метрах (нм 3 ). Наиболее распространенными единицами измерения объемного расхода являются м 3 /сек, м 3 /ч, л/ч, нм 3 /сек, а массового — кг/сек, кг/ч и т/ч. Переход от объемных единиц измерения расхода к массовым и обратно производится по формуле: где G – массовый расход вещества, кг/сек; V – объемный расход вещества, м 3 /сек; – плотность вещества, кг/м 3 К приборам, измеряющим количество, относятся счетчики и весы. С их помощью определяется суммарное количество вещества, прошедшее за известный промежуток времени, для чего отсчитываются показания прибора в начале и конце периода измерения и вычисляется разность этих показаний. Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. В зависимости от рода измеряемого вещества они делятся на водомеры, паромеры, мазутомеры и пр. V G 111 Расходомеры показывают или записывают мгновенное значение измеряемого количества, отнесенное к единице времени. Часто расходомер снабжается встроенным в него суммирующим счетным механизмом (интегратором). Для определения количества и расхода жидкости, газа, пара и сыпучих тел обычно применяются следующие методы измерения: дроссельный, скоростной, объемный и весовой. Дроссельным методом производится определение расхода жидкости, газа и пара, скоростным и объемным — количества жидкости и газа и весовым – количества твердого топлива в кусковом или пылевидном состоянии. Дроссельный метод измерения, имеющий большое практическое значение, основан на изменении статического давления среды, проходящей через искусственно суженное сечение трубопровода, скоростной – на определении средней скорости движения потока, а объемный и весовой – на определении объема и массы вещества. Достоинствами первых двух методов измерения являются сравнительная простота и компактность измерительных устройств, а последних двух – более высокая точность измерения. В отдельных случаях измерение расхода производится также электрическими методами. В соответствии с указанными методами измерения количества и расхода вещества измерительные приборы разделяются на следующие группы: дроссельные расходомеры; скоростные счетчики и расходомеры; объемные счетчики; ротаметры; индукционные и ультразвуковые расходомеры; весы. Дроссельные расходомеры Для измерения расхода жидкости, газа и пара, протекающих по трубопроводам, весьма широкое применение получили дроссельные расходомеры. Принцип действия этих приборов основан на изменении потенциальной энергии вещества при протекании через искусственно суженное проходное сечение трубопровода. Дроссельный расходомер состоит из сужающего устройства, устанавливаемого в трубопроводе и служащего для местного сжатия струи (первичный прибор), дифференциального манометра, предназначенного для измерения разности статических давлений протекающей среды до и после сужающего, устройства (вторичный прибор), и 112 соединительных линий (двух трубок), связывающих между собой оба прибора. Сужающее устройство обычно имеет круглое отверстие, расположенное концентрично относительно стенок трубы, диаметр которого меньше внутреннего диаметра трубопровода. Дифференциальный манометр (дифманометр) выполняется показывающим или самопишущим и дополнительно может иметь интегратор. Шкала дифманометра градуируется в объемных или массовых единицах расхода. Дроссельный расходомер с дистанционной передачей показаний содержит, как правило, бесшкальный дифманометр с электрическим датчиком, соединенный проводами со вторичным прибором. Дроссельные расходомеры пригодны для измерения протекающего по трубопроводу вещества при условии заполнения им всего поперечного сечения трубы и установленного в нем сужающего устройства. Скоростные счетчики и расходомеры Скоростной метод определения количества и расхода жидкости и газа положен в основу ряда конструкций счетчиков и расходомеров, обладающих весьма простым устройством и значительным диапазоном измерений. Принцип действия этих приборов заключается в измерении средней скорости потока, связанной с объемным расходом вещества. По конструкции и назначению скоростные счетчики и расходомеры разделяются на скоростные счетчики для жидкости, напорные трубки и анемометры. Скоростные счетчики для жидкости чаще всего применяются для измерения количества воды и поэтому называются скоростными водомерами или водосчетчиками. Чувствительным элементом их является вертушка с лопастями, приводимая во вращение потоком измеряемой жидкости. Ось вертушки при помощи передаточного механизма, уменьшающего число оборотов, связана со счетным механизмом прибора. Принцип действия объемных счетчиков основан на отмеривании определенного объема проходящего через прибор вещества и суммировании результатов этих измерений. К числу таких устройств относятся: мерные баки, объемные счетчики для жидкости и объемные счетчики для газа. Мерный бак является наиболее простым и в то же время точным измерительным устройством, применяемым для определения расхода жидкости при поверке счетчиков и расходомеров, а также при испытаниях соответствующих установок. Ротамеры Ротаметры относятся к приборам дроссельного типа, служащим для измерения 113 расхода жидкости и газа (воздуха). Приборы устанавливаются в вертикальных участках трубопроводов с восходящим потоком измеряемой среды. Изменение расхода вызывает у них соответствующее изменение проходного сечения, в результате чего перепад давления в приборе остается все время постоянным и равным расчетному значению. В зависимости от устройства ротаметры делятся на стеклянные и металлические. Первые из них являются местными показывающими приборами, а вторые – бесшкальными датчиками, предназначенными для работы в комплекте с дифференциально–трансформаторными приборами. Индукционные и ультразвуковые расходомеры Рассмотренные выше методы измерения количества и расхода жидкости, пара и газа (воздуха) характеризуются тем, что чувствительный элемент приборов находится непосредственно в измеряемой среде, т. е. подвергается механическому и химическому ее воздействию и вызывает непроизводительную потерю давления потока. Непрерывное воздействие измеряемой среды на чувствительный элемент расходомера оказывает с течением времени отрицательное влияние на точность показаний, надежность действия и срок службы прибора. Для измерения расхода химически агрессивных (кислоты, щелочи), абразивных (пульпы) и других жидкостей, разрушающе действующих на материал соприкасающихся с ними частей расходомера, описанные методы и приборы вообще непригодны. Существует ряд приборов для измерения расхода, чувствительный элемент которых не имеет непосредственного контакта с измеряемым веществом, что позволяет применять их при агрессивных средах. К числу таких приборов относятся индукционные и ультразвуковые расходомеры. Приборы для измерения количества вещества Весы Наиболее точным и распространенным способом измерения количества твердого топлива является взвешивание. Основным прибором, применяемым для этой цели, являются рычажные (коромысловые) весы, определяющие массу взвешиваемого топлива путем сравнения ее с массой калиброванных грузов (гирь). Существуют два вида рычажных весов: ручные и автоматические, при этом ручные весы разделяются на гирные, шкальные, циферблатные и смешанные. 114 Определение уровня жидкости В современных мощных барабанных паровых котлах имеется весьма ограниченный водяной запас (количество воды в пространстве между предельными положениями уровня в барабане), вследствие чего при прекращении питания котла водой уровень в нем может опуститься за нижнюю предельную отметку через 1…2 мин. Отсюда видно, какое большое значение имеет контроль уровня воды в барабане. Обычно в паровых котлах для наблюдения за уровнем воды применяются указательные стекла, являющиеся частью их арматуры. Крупные котлы ввиду значительной их высоты оснащаются также уровнемерами, устанавливаемыми в пунктах управления работой агрегатов. Наиболее простым устройством для измерения уровня жидкости в резервуаре является указательное стекло. Однако при высоком или низком расположении резервуара относительно места наблюдения пользоваться указательным стеклом затруднительно. В таких случаях применяются специальные указатели уровня. Приборы для контроля состава дымовых газов и качества питательной воды, пара и конденсата Контроль состава дымовых газов На экономичность работы котлоагрегата основное влияние оказывают потери тепла из–за химической неполноты сгорания топлива и с уходящими газами. Размеры этих потерь зависят от расхода воздуха, подводимого в топку котла. Уменьшение подачи воздуха приводит к возрастанию потерь от химической неполноты сгорания вследствие недостатка кислорода. Каждое топливо для своего сгорания нуждается в определенном количестве воздуха, причем это количество тем больше, чем выше содержание в топливе горючих частей – углерода и водорода. При полном сгорании углерода образуется двуокись углерода, а при сгорании водорода – водяной пар. Неполное сгорание углерода связано, с образованием окиси углерода и уменьшением выделения тепла почти в три раза. Увеличение расхода подводимого в топку воздуха вызывает возрастание потери с уходящими газами, так как на нагрев добавочного воздуха бесполезно затрачивается часть тепла. Кроме того, чрезмерная подача воздуха приводит к понижению температуры в топке, что связано с ухудшением условий теплообмена. 115 Для каждого частного случая, характеризуемого типом котлоагрегата, его нагрузкой и родом сжигаемого топлива, существует экономически наиболее выгодное соотношение между расходами топлива и воздуха, потребного для сгорания. При этом оптимальном расходе воздуха суммарная потеря тепла от химической неполноты сгорания и с уходящими газами составляет наименьшую величину. Поддержание оптимального режима работы топки котла требует непрерывного контроля количественного состава дымовых газов, причем наиболее важным является определение содержания в них кислорода или двуокиси углерода, характеризующих достигнутое соотношение между расходами топлива и воздуха. Приборы для количественного анализа газов называются газоанализаторами. Для определения состава дымовых газов в прибор подается проба газа, отобранная из газохода котла. Содержание в ней отдельных компонентов измеряется газоанализатором объемных единицах, выраженных в процентах общего объема газовой смеси. При полном сгорании топлива дымовые газы содержат азот (N 2 ), кислород (О 2 ), двуокись углерода (СО 2 ), водяной пар (Н 2 О) и в случае содержания в топливе горючей серы (S) двуокись серы (SО 2 ). При неполном сгорании в дымовых газах дополнительно появляются горючие газы: окись углерода (СО), водород (Н 2 ) и метан (СН 4 ). Существуют ручные и автоматические газоанализаторы. Первые служат для контрольных и лабораторных измерений, а вторые – для непрерывного анализа газов в промышленных установках. Ручные газоанализаторы являются переносными контрольными и лабораторными приборами. Благодаря большой точности измерения ими широко пользуются при испытаниях и наладке работы котлоагрегатов, а также для поверки автоматических газоанализаторов. Автоматические газоанализаторы представляют собой технические приборы. Они выполняются показывающими и самопишущими и имеют дистанционную передачу показаний. По принципу действия, применяемые на электростанциях газоанализаторы делятся на химические, хроматографические, магнитные и электрические. Шкалы газоанализаторов градуируются в процентах объемного содержания отдельных компонентов в газовой смеси. К ручным газоанализаторам относятся переносные химические и хроматографические приборы. Наибольшее применение получили химические газоанализаторы как весьма точные, простые и надежные устройства. В последнее время дли лабораторных измерений во многих отраслях начали использовать 116 хроматографические газоанализаторы, применение которых перспективно и для электростанций. Химические газоанализаторы по своему назначению разделяются на газоанализаторы для сокращенного и полного (общего) анализа газа. Из них особенно широко применяются газоанализаторы для сокращенного анализа. Химические газоанализаторы производят определение отдельных компонентов газовой смеси путем избирательного поглощения (абсорбции) их соответствующими химическими реактивами. Уменьшение при этом объема газовой смеси характеризует содержание в ней искомого компонента. |