учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
§ 7.5. Измерение влажности газов и твердых материалов Содержание влаги в любом теле характеризуется его абсолютной или относительной влажностью. Под абсо- лютной влажностью газа понимают массу водяного пара в 1,0 м 3 газовой смеси при нормальных условиях. Абсо- лютная влажность измеряется в г/м 3 (сух.) и г/м 3 (вл.). Под относительной влажностью φ газа понимают от- ношение массы (объема) водяного пара, заключающегося в 1,0 м 3 смеси, к максимально возможной массе (объему) водяного пара в 1,0 м 3 при той же температуре. Относи- тельная влажность — величина безразмерная, иногда ее выражают в процентах. Под влажностью твердых тел W понимают отношение массы влаги, содержащейся в теле, к массе влажного мате- риала. Отношение же массы влаги в теле к массе абсолют- но сухого материала называют влагосодержанием. К наиболее известным и применяемым методам измере- ния влажности газов относятся: Диапазон измеряемых температур: от −40 до +85 °С. Диапазон измеряемых вязкостей: от 1,5 до 200 мм 2 /с (сСт). «Плот-3» питается от источника постоянного тока, установленного вне взрывоопасной зоны через искрозащитный барьер «Бастион» (АУТП.468243.001 ТУ). При напряжении на входе плотномера от 6,5 до 15 В ток потребления не более 20 мА. «Плот-3» принимает управляющие команды и выдает измеренные плотности, температуры и вязкости жидкости по каналу последова- тельного обмена типа «токовая петля» в виде импульсов тока с уров- нем логической «1» от 5 до 20 мА и логического «0» от 0 до 0,1 мА со скоростью передачи 2400 бит/c. Прибор обладает минимальными габаритными размерами и массой, четырехпроводной линией связи до 2000 м длиной, малым энерго- потреблением, импортной элементной базой. Межповерочный интер- вал прибора составляет 2 года. 207 1. Психрометрический метод, основанный на пси- хрометрическом эффекте, т. е. на зависимости скорости испарения влаги в окружающую среду от влажности этой среды. 2. Метод точки росы, заключающийся в определе- нии температуры, до которой необходимо охла- дить (при неизменном давлении) насыщенный газ для того, чтобы довести его до состояния насыще- ния. 3. Сорбционный метод, основанный на поглощении влаги из анализируемой среды каким-либо гигро- скопичным веществом. 4. Кондуктометрический метод, основанный на за- висимости электрических свойств материалов от влагосодержания. 5. Спектрометрический метод, который использует зависимость поглощения излучений от влажности исследуемого газа. 6. Электрохимический метод (метод К. Фишера), основанный на измерении электрического потен- циала, возникающего в специальном растворе (растворе Фишера). 7. Метод теплопроводности, основанный на различии теплопроводностей сухого и влажного газа. Наибольшее применение получили первые три метода. Основой метода является взаимная связь между нор- мальным давлением (упругостью) водяного пара и разно- стью показаний сухого термометра t с и термометра, по- верхность которого смачивается водой t м (мокрый термо- метр). Разность между показаниями сухого и мокрого тер- мометров называется психрометрической разностью. Относительная влажность в зависимости от психромет- рической разности t с − t м выражается зависимостью 208 φ = [Р В − А(t с − t м )] / P с , (7.16) где Р в — упругость паров, насыщающих испытуемую сре- ду при температуре t м влажного термометра; Р с — упругость паров, насыщающих испытуемую сре- ду при температуре сухого термометра; А — психрометрический коэффициент, зависящий от конструкции психрометра, скорости обдувания влаж- ного термометра газом и давления газа; определяется по справочным психрометрическим таблицам, состав- ленным для определенных конструкций психрометров. На рис. 7.19 показана принципиальная схема электриче- ского психрометра с термометрами сопротивления. Измери- тельная часть прибора состоит из двух мостов, I и II. Оба мо- ста питаются переменным током от обмотки силового транс- форматора электронного усилителя и имеют оба общих пле- ча, R 1 и R 2 . Сухой термометр сопротивления R тс включен в плечо моста I, мокрый R т.м. — в плечо моста II. Мост I об- разован постоянными резисторами R 1 , R 2 , R з и R т.м. Напряжение между точками a и b моста I пропорцио- нально температуре сухого термометра сопротивления, а напряжение между точками а и с — температуре мокрого термометра сопротивления. 209 Рис. 7.19. Принципиальная схема электрического психрометра Величина напряжения между точками b и с пропорцио- нальна разности температур сухого и мокрого термометров. Равновесие измерительной схемы устанавливается автомати- чески изменением положения движка R р , приводимого в движение двигателем РД. Шкала прибора отградуирована в единицах измерения относительной влажности (%). Класс точности 3,0. Метод точки росы. При автоматическом контроле влажности газа этим методом точка росы определяется по ослаблению светового потока, отраженного от зеркала и воспринимаемого фотоэлементом. Влагомеры, работаю- щие на основе метода точки росы, называют также гигро- метрами. На рис. 7.20 показана принципиальная схема конденса- ционного гигрометра точки росы. Охладителем является полупроводниковая термоэлектрическая батарея ПТ, рабо- тающая на принципе эффекта Пельтье: при прохождении 210 тока в термоэлектрической цепи температура одного спая повышается, другого спая понижается. К холодному спаю полупроводникового термоэлемента припаяно металли- ческое зеркало 3. Сила тока, проходящего через термо- элемент, регулируется переменным сопротивлением 4. Для измерения температуры металлического зеркала к его поверхности припаян полупроводниковый термоэлектро- преобразователь T, подключенный к милливольтметру со шкалой, градуированной в единицах абсолютной влаж- ности. Работает гигрометр следующим образом. В отсутствие на поверхности зеркала конденсата падающий на него от осветителя I световой поток отражается и попадает на фо- тоэлемент 5. В цепи фотоэлемента течет фототок, поэтому к сетке одной электронной лампы подается отрицательное, а к другой — положительное напряжение. Уменьшение силы анодного тока в цепи одной из ламп и увеличение ее в цепи другой приводит к тому, что якорь поляризованного реле занимает положение I. При этом через термоэлемент ПТ проходит ток, и зеркало охлаждается. Появление конденсата на поверхности зеркала приводит к рассеянию светового потока, а следовательно, и к умень- шению освещенности фотоэлемента. Это вызывает переклю- чение контактов поляризованного реле в положение II, при котором питание термоэлемента отключается. Так как окру- жающая температура выше температуры зеркала, конденсат с поверхности зеркала быстро испаряется; реле вновь вклю- чает в работу термоэлемент. Для подогрева зеркала предусмотрено питание термо- элемента током обратного направления от батареи Б при помощи ручного переключателя П. Поверхность зеркала обдувается вентилятором 2. 211 Рис. 7.20. Принципиальная схема конденсационного гигрометра Сорбционно-кулонометрический метод. Данный ме- тод является абсолютным и не требует градуировки при- бора по эталонным газовым смесям. Сорбционно- кулонометрические влагомеры применяют для измерения микроконцентрации влаги в газах. Принципиальная схема кулонометрического влагомера приведена на рис. 7.21. Во внутреннем канале цилиндрического пластмассового корпуса 1 размещены два электрода 2, выполненные в виде спиралей. Между электродами нанесена пленка 3 частично гидратированного пятиоксида фосфора, обладающего очень высокой способностью сорбировать влагу. Через чувстви- тельный элемент в направлении, указанном стрелками, про- ходит контролируемый газовый поток со строго постоян- ным расходом. Геометрические размеры чувствительного элемента и расход контролируемого газа подбирают таким образом, чтобы влага практически полностью извлекалась из газа. Обычно длина канала чувствительного элемента 212 составляет несколько десятков сантиметров, диаметр 0,5– 2 мм; диаметр электродов не более 0,2 мм. Поглощенная влага, соединяясь с веществом пленки, об- разует раствор фосфорной кислоты с высокой удельной электрической проводимостью. Рис. 7.21. Принципиальная схема кулонометрического влагомера К электродам подключен источник постоянного напря- жения, которое должно превышать потенциал разложения воды; поэтому одновременно с разложением влаги проис- ходит ее электролиз. Получающиеся в процессе электроли- за кислород и водород уносятся потоком контролируемого газа. В установившемся режиме количество поглощенной и разложенной в единицу времени воды одинаково и, сле- довательно, в соответствии с законом Фарадея сила тока, измеряемая микроамперметром, включенным последова- тельно с источником питания, является мерой концентра- ции влаги в анализируемом газе. Кондуктометрический метод. Сухие твердые материалы обычно являются диэлектриками, а влажные капиллярно- пористые тела становятся проводниками. Для капиллярно- пористых материалов зависимость электрического сопротив- ления от влажности W выражается соотношением 213 R = A / W n , (7.17) где А — постоянная величина, зависящая от свойств кон- тролируемого материала; n — показатель степени, также зависящий от свойств материала. Из уравнения (7.17) следует, что зависимость R от W не- линейна. При изменении относительной влажности от 2 до 30 % сопротивление изменяется очень значительно. Поэтому зависимость R от W используется как способ опре- деления влажности обычно до 30 %. Приборы, основанные на этой зависимости, получили название кондуктометрических, а сам метод назван кондукто- метрическим. Чувствительными элементами кондуктометрических влагоме- ров (рис. 7.22) являются два электрода, выполненные обычно в виде пластин, трубок, роликов и т. д. Измерительным устрой- ством служат электрические мо- сты. § 7.6. Измерение вязкости жидкости Вязкость — это свойство жидкостей и газов, характери- зующее их сопротивляемость скольжению или сдвигу. При сдвиге двух слоев жидкости при установившемся течении возникает тангенциальная сила, которая согласно закону Ньютона определяется соотношением F = μ S (dυ / dn), (7.18) где F — сила сдвига; Рис. 7.22. Схема кондуктометрического влагомера 214 μ — размерный коэффициент, называемый динамиче- ской вязкостью или просто вязкостью; S — площадь внутреннего трения (площадь сдвига); υ — скорость течения слоя; n — толщина движущегося слоя; dυ / dn — градиент скорости движения по толщине движущегося слоя (скорость сдвига). Если μ не зависит от dυ / dn, то жидкости называют ньютоновскими, все остальные жидкости относятся к груп- пе неньютоновских. За единицу динамической вязкости в международной системе единиц принята вязкость потока жидкости, в кото- рой линейная скорость под воздействием давления сдвига в 1 Па имеет градиент 1 м/с на 1 м расстояния, перпенди- кулярного по отношению к плоскости сдвига. Эта единица динамической вязкости имеет размерность Па с (паскаль- секунда). Кинематическая вязкость в Международной системе еди- ниц имеет размерность м 2 /с. Связь между динамической и кинетической вязкостью определяется соотношением = / , (7.19) где ρ — плотность жидкости. Вязкость жидкости в значительной мере зависит от ее температуры: чем выше температура жидкости, тем мень- ше ее вязкость, и наоборот. Для измерения вязкости жид- костей применяют вискозиметры, основанные на следую- щих методах: истечения, падающего тела, крутящего мо- мента и вибрации. Принципиальная схема вискозиметра с коаксиальными цилиндрами показана на рис. 7.23. В этом приборе внеш- ний цилиндр, наполненный исследуемой жидкостью, при- водится в равномерное вращение. Внутренний цилиндр удерживают неподвижным, накладывая гирьки на весовую 215 платформу. Величина вращающего момента определяется произведением веса уравновешивающих гирь на радиус шкива, на котором закреплена нить, поддерживающая ве- совую платформу. Рис. 7.23. Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами Для непрерывного измерения вязкости жидкости в технологическом потоке применяют вискозиметры с параллельными дисками (рис. 7.24). Внутри измерительной камеры установлены неподвиж- ные диски, между которыми с постоянной скоростью вра- щаются подвижные диски. Последние соединены жестко с валом двигателя. Статор двигателя закреплен в опорном подшипнике и поворачивается в сторону, противополож- ную направлению вращения дисков. Момент вращения, развиваемый статором двигателя, уравновешивается гру- зом, подвешенным на тросе. Плечом груза служит профи- лированный диск. Плечо увеличивается с увеличением уг- ла поворота статора. Находясь в жидкости, диски притормаживаются и пово- рачивают статор двигателя до тех пор, пока развиваемый ими момент не уравновесится моментом, развиваемым грузом. Каждому значению вязкости измеряемой жидкости соответствует вполне определенный угол поворота статора двигателя. 216 Со статором двигателя жестко связан подвижный кон- такт реохорда. Сопротивление реохорда является плечом уравновешенного моста, шкала которого градуирована в единицах вязкости. Для стабилизации температуры кон- тролируемой жидкости измерительная камера помещена в термостат, заполненный маслом. Класс точности при- бора 1,0. Рис. 7.24. Вискозиметр с параллельными дисками Вибрационные вискозиметры. Измерение вязкости вибрационными вискозиметрами основано на зависимости амплитуды колебаний тела в контролируемой жидкости от ее вязкости. В зависимости от частоты ко- лебаний вибрационные вискози- метры можно разделить на два типа: низкочастотные, работаю- щие на частоте до 1 кГц, и уль- тразвуковые, работающие на ча- стоте 10–1 000 кГц. Принципиальная схема низко- частотного вискозиметра показа- на на рис. 7.25. Рис. 7.25. Вибрационный вискозиметр 217 К сердечнику I, закрепленному на двух пружинах 2 и 12, на стержне II прикреплены насадка 10 и сменные шайбы 3. Сердечник помещен в поле постоянного магнита 13 и двух одинаковых катушек 4 и 9, соединенных последовательно. При прохождении через катушки переменного тока создается переменное магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита, вызывает вибрацию сердечни- ка 1 с насадкой 10. Амплитуда колебаний при прочих равных условиях зависит от вязкости жидкости. Чем больше вяз- кость, тем меньше амплитуда колебаний, и наоборот. Амплитуда колебаний преобразуется в пропорциональ- ное напряжение, которое измеряется милливольтметром 6 со шкалой, проградуированной в единицах вязкости. Катушки 4 и 9 питаются через стабилизатор напряжения и обмотки 5 и 7 дифференциального трансформатора 8. Ультразвуковые вискозиметры. Действие ультразву- ковых вискозиметров основано на использовании прямого и обратного магнитострикционного или пьезоэлектриче- ского эффектов. Наибольшее распространение из ультра- звуковых вискозиметров получили приборы с магнито- стрикционными преобразователями, работающими в им- пульсном режиме. На рис. 7.26 показана прин- ципиальная схема одного из ультразвуковых (высокочастот- ных) вискозиметров. Пластина закреплена в торце гильзы 3. Нижняя половина пластины помещена в измеряемую жид- кость. В гильзе находится ка- тушка возбуждения 2, питаемая от генератора 4. На катушку по- дается импульс тока длительно- стью около 20 мкс, в результате Рис. 7.26. Ультразвуковой (высокочастотный) вискозиметр 218 этого в пластине возникают продольные колебания с затуха- ющей амплитудой. Затухание колебаний пластины происхо- дит тем быстрее, чем больше вязкость жидкости. Импульс, возбуждающий катушку, одновременно уси- ливается усилителем 5 и детектируется в детекторе 6 с триггером. Через триггер запирается генератор 4. Вслед- ствие обратного магнитострикционного эффекта частота колебаний напряжения в катушке равна частоте колебаний пластины U = U m ехр (−λτ) sin (ω τ), (7.20) где U — напряжение на концах катушки; U m — начальная амплитуда напряжения; λ — коэффициент затухания колебаний, зависящий от вязкости жидкости; ω — частота свободных колебаний пластины; τ — время. Это напряжение и обеспечивает запирание генератора импульсов до момента затухания колебаний пластины. По- сле этого генератор импульсов снова возбуждается. Таким образом, мерой степени затухания являются ин- тервалы времени между последовательными возбуждени- ями генератора. Чем больше вязкость жидкости, тем меньше эти интервалы. Сигнал с детектора поступает на вторичный прибор 7. Шкала прибора градуирована в еди- ницах вязкости. Погрешность вибрационных вискозимет- ров равна 2,5 %; в зависимости от конструкции интервал измерения 0,0001–100 Па с. Область применения вибрационных вискозиметров ограничивается ньютоновскими жидкостями. 219 Вибрационный вискозиметр SV-10 предназначен для измерения динамиче- ской вязкости различных жидких сред в реальном масштабе времени. Области применения: химическая, нефтеперерабатывающая, пищевая, фар- мацевтическая, парфюмерная и другие отрасли промышленности, а также науч- ные исследования. Измерения вязкости проводятся с по- мощью метода камертонной вибрации. За основу измерений берется величина электрического тока, необходимая для того, чтобы поддерживать постоянную амплитуду вибрации сенсор- ных пластин вискозиметра в жидкой среде. Подобный метод позволяет проводить измерения в режиме реального времени с отслеживанием изменений вязкости и температуры образца, что и обеспечивает широ- кие функциональные возможности данных приборов. Особенности вибрационного вискозиметра SV-10: высокая точность: достигает 1 % × 1 (повторяемость результа- тов) в полном диапазоне измерений; непрерывные измерения в течение длительного времени в ши- роком диапазоне: возможны непрерывные измерения в пол- ном диапазоне без замены сенсорных пластин; стандартный сенсор температуры, предназначенный для опре- деления температуры образца и расположенный между двумя сенсорными пластинами, что позволяет точно определить вза- имосвязь между температурой и вязкостью; на дисплее отражается значение, равное произведению ди- намической вязкости и плотности образца (размерность мПа с × г/см 3 ), поскольку при вибрационном методе измере- ния плотность образца существенно влияет на значение вязко- сти; вискозиметр можно калибровать с использованием жидкости, имеющей стандартное или заранее известное значение вяз- кости. Рис. 7.27. Вибрационный вискозиметр SV-10 |