Конспект лекций-ТСУТП. Введение в курс технические средства автоматизации и управления Лекция 1
 Скачать 2.67 Mb.
|
|
Мостовые схемы измерения сопротивления термометров Для измерения сопротивления используют четырехплечие уравновешенные (ручные или автоматические) и неуравновешенные мосты. Уравновешенный мост Уравновешенный мост используется для определения величины сопротивления при градуировке ТС и при измерениях температуры в лабораторных условиях. Нулевой метод измерения характеризуется высокой точностью, так как исключается влияние окружающей температуры, магнитных полей и изменения напряжения батареи питания Б. Однако значительная погрешность может возникать при изменении сопротивления соединительных проводов R л , что вызывается значительными сезонными и суточными колебаниями температуры в местах прохождения кабеля, соединяющего ТС и измерительный мост. Сопротивление проводов Rл оказываются включенными в различные плечи моста, поэтому изменение их величины Rл практически взаимно компенсируются. Неуравновешенный мост Неуравновешенный мост исключает необходимость выполнения ручных операций по изменению величины R3. В нем вместо нуль-прибора G в диагональ моста AC устанавливается миллиамперметр. При постоянном напряжении питания и постоянных сопротивлениях R1, R2, R3 через этот прибор протекает ток, величина которого зависит (нелинейно) от изменения RТ. Использование данных мостов для измерения температуры ограниченно. В основном они применяются для преобразования сопротивления термометра в напряжение. Автоматические уравновешенные мосты Автоматические уравновешенные мосты широко используются для измерения и регистрации температуры в комплекте с ТС. Их характеризует высокая точность и возможность использования в системах автоматического регулирования. Они выпускаются различных модификаций: одно- и многоточечные, с дисковой или ленточной диаграммой, с сигнальными устройствами и др. 4. Бесконтактное измерение температуры Основные понятия и законы излучения 62 О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0 С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных. На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов: 1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения; 2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра; 3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра. В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры. Радиационной температурой реального тела Т р называют температуру, при которой полная мощность АЧТ (абсолютно черное тело) равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Т д Яркостной температурой реального тела Т я называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд. Цветовой температурой реального тела Т ц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Т д Пирометры частичного излучения К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн. Оптические пирометры Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры. 63 Изображения излучателя линзой и диафрагмой объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы. Оператор через диафрагму линзу окуляра и красный светофильтр на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Прибор, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в 0 С. Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 8000 0 С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей. Фотоэлектрические пирометры Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерения и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители. Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы: 1. пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения; 2. пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта. Пирометры спектрального отношения Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны. ПСО используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300 до 2200 0 С и имеют класс точности 1 и 1.5 (в зависимости от предела измерения). Данные пирометры имеют 64 в 3-5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее надежны, чем другие приборы. Пирометры суммарного излучения Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем. Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п. Наиболее широко применяются термобатареи, в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы термопар. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам, закрепленным на слюдяном кольце. Металлические выводы служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры. Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. ПСИ имеют меньшую точность по сравнению с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты, из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (измерение температуры металла в печах) и из-за поглощения энергии водяными парам и углекислым газом, содержащихся в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром. ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500 0 С. 65 Лекция №8 Средства измерения давления. Измерение механических усилий, давления и разряжения. 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 разрежения. Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д. В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па). В большинстве случаев первичные преобразователи давления имеют неэлектрический выходной сигнал в виде силы или перемещения и объединены в один блок с измерительным прибором. Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то применяют промежуточное преобразование этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический или пневматический. При этом первичный и промежуточный преобразователи объединяют в один измерительный преобразователь. 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). 66 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). В большинстве приборов измеряемое давление преобразуется в деформацию упругих элементов, поэтому они называются деформационными. Деформационные приборы широко применяют для измерения давления при ведении технологических процессов благодаря простоте устройства, удобству и безопасности в работе. Все деформационные приборы имеют в схеме какой-либо упругий элемент, который деформируется под действием измеряемого давления: трубчатую пружину, мембрану или сильфон. Наибольшее применение получили приборы с трубчатой пружиной. Их выпускают в виде показывающих манометров и вакуумметров c максимальным пределом измерений. В таких приборах с изменением измеряемого давления р трубчатая пружина / изменяет свою кривизну. Ее свободный конец через тягу поворачивает зубчатый сектор и находящуюся с ним в зацеплении шестерню. Вместе с шестерней поворачивается закрепленная на ней стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы. Для дистанционной передачи показаний выпускают манометры с промежуточными преобразователями с токовым и пневматическим выходом (МП-Э, МП-П), а также с дифференциально- трансформаторными преобразователями (МЭД). Манометр с трубчатой пружиной: 1 — трубчатая пружина; 2 — тяга; 3 — зубчатый сектор; 4 — шестерня; 5 — стрелка; 6 — шкала. Мембранный дифманометр: 1- 2 — мембранные коробки; 3 — дифференциально-трансформаторный преобразователь 67 Из мембранных приборов широко используют бесшкальные дифманометры ДМ, снабженные дифференциально- трансформаторным преобразователем перемещения в унифицированный сигнал напряжения переменного тока. Упругим чувствительным элементом такого дифманометра является мембранный блок, состоящий из двух сообщающихся мембранных коробок 1 и 2, заполненных жидкостью. Перепад давлений в камерах дифманометра вызывает деформацию мембранных коробок. При этом сжатие нижней мембранной коробки больше и жидкость вытесняется из нее в верхнюю мембранную коробку, вызывая тем самым ее расширение. Перемещение верхней мембраны передается жестко связанному с ней плунжеру дифференциально- трансформаторного преобразователя 3. Дифманометр снабжен вентилями «+», «-» и «0». Через вентиль «+» к дифманометру подводится большее давление, а через вентиль «-»- меньшее. При работе дифманометра оба эти вентиля открыты, а вентиль «0» закрыт. Если вентили «+» и «-» закрыть, а уравнительный вентиль «0» открыть, то давления в камерах дифманометра станут одинаковыми. При этом стрелка измерительного прибора КСД должна установиться на делении, соответствующем нулевому перепаду давлений. Промышленность выпускает также мембранные дифманометры с промежуточными преобразователями, имеющими унифицированные токовые или пневматические сигналы. Для преобразования деформации мембраны в унифицированный токовый сигнал применяют также тензорезисторные промежуточные преобразователи, в которых сопротивление резистора изменяется при его растяжении или сжатии. В таких приборах тензорезистор укреплен на жесткой измерительной мембране. Деформация мембраны, пропорциональная приложенному давлению, приводит к деформации тензорезистора и изменению его сопротивления. Это сопротивление преобразуется измерительной схемой, включающей неуравновешенный мост, в выходной сигнал постоянного тока. Так как деформация жесткой мембраны мала, то применяют полупроводниковые кремниевые тензорезисторы, обладающие высокой чувствительностью. В дифманометрах чувствительным элементом служит блок из двух неупругих мембран, соединенных между собой штоком. Смещение этого штока под действием перепада давлений приводит к изгибу рычага и деформации измерительной мембраны. Мембраны выполнены из коррозионно-стойкого материала, что позволяет использовать дифманометр для измерений в сильноагрессивных средах. 68 Для измерения давления агрессивных сред применяют датчики, снабженные защитной мембраной, изготовленной, как и в дифманометрах, из коррозионно- стойкого материала. Измеряемое давление передается к измерительной мембране через силиконовое масло, которым заполнена внутренняя полость датчика. Промышленные тензорезисторные преобразователи предназначены для преобразования давления, разрежения и разности давлений в пропорциональное значение выходного сигнала — постоянного тока. Особенности эксплуатации приборов для измерения давления При эксплуатации приборов, измеряющих давление, часто требуется защита их от агрессивного и теплового воздействия среды. Если среда химически активна по отношению к материалу прибора, то его защиту производят с помощью разделительных сосудов или мембранных разделителей. Разделительный сосуд заполняется жидкостью, инертной по отношению к материалу прибора, соединительных трубок и самого сосуда. Кроме того, разделительная жидкость не должна химически взаимодействовать с измеряемой средой или смешиваться с ней. В качестве разделительных жидкостей применяют водные растворы глицерина, этиленгликоль, технические масла и др. В мембранном разделителе измеряемая среда отделяется от прибора мембраной с малой жесткостью из нержавеющей стали или фторопласта. Для передачи давления от мембраны к прибору полость между ними заполняют жидкостью. Для предохранения прибора от действия высокой температуры среды применяют сифонные трубки. Деформационные приборы требуют периодической поверки. В эксплуатационных условиях у них проверяют нулевую и рабочую точки шкалы. Для этого применяют трехходовые краны. При поверке нулевой точки прибор соединяют с атмосферой. Стрелка прибора должна вернуться к нулевой отметке. Поверку прибора в рабочей точке шкалы осуществляют по контрольному манометру, укрепляемому на боковом фланце. При пользовании краном необходимо строго соблюдать плавность включения и выключения прибора. С помощью трехходового крана можно проводить также продувку соединительной линии. Манометр Манометр (от греческого слова manos — редкий, неплотный, разрежённый) — прибор, измеряющий давление жидкости или газа. Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более 69 чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трибко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки. В группу приборов измеряющих избыточное давление входят: Манометры — приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (Измеряют избыточное давление — положительную разность между абсолютным и барометрическим давлением) Вакуумметры — приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) (до минус 100 кПа). Мановакуумметры — манометры измеряющие как избыточное (от 60 до 240000 кПа), так и вакуумметрическое (до минус 100 кПа) давление. Напоромеры -манометры малых избыточных давлений до 40 КПа Тягомеры -вакуумметры с пределом до минус 40 КПа Тягонапоромеры -мановакуумметры с крайними пределами не превышающими ±20 кПа Данные приведены согласно ГОСТ 2405-88 Большинство отечественных и импортных манометров изготавливаются в соответствии с общепринятыми стандартами, в связи с этим манометры различных марок заменяют друг друга. При выборе манометра нужно знать: предел измерения, диаметр корпуса, класс точности прибора. Также важны расположение и резьба штуцера. Эти данные одинаковы для всех выпускаемых в нашей стране и Европе приборов. Также существуют манометры измеряющие абсолютное давление, то есть избыточное давление+атмосферное Прибор, измеряющий атмосферное давление, называется барометром. В зависимости от конструкции, чувствительности элемента различают манометры жидкостные, грузопоршневые, деформационные (с трубчатой пружиной или мембраной). Манометры подразделяются по классам точности: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (чем меньше число, тем точнее прибор). |