Контрольно-измерительные приборы

1. ВведениеКонец ХХ столетия ознаменовался стремительным развитием электронной техники, обновлением парка средств измерения, применяемых в целлюлозно бумажном производстве. Появились приборы, использующие новые принципы измерения технологических параметров. Информация о новых разработках не всегда вовремя доходит до учебных заведений. Авторы этого учебного пособия понимают, что их работа отстает от новейших требований промышленности, поэтому в тему «Контрольно измерительные приборы» включили наиболее доступные материалы.

10. 2. Измерение температурыТемпературой называют физическую величину, характеризую]щую степень нагретости тела. Это понятие связано со способностью тела с более высокой температурой передавать свою теплоту телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не сравняются. Одновременно с изменением температуры тел меняют]ся и их физические свойства. Приборы для измерения температуры классифицируют в зависимости от того, какой метод измерения положен в основу их конструкции: контактный (метод непосредственного соприкосно]вения измерительного прибора с измеряемой средой) и неконтак]тный (метод, основанный на расположении измерительного прибора на расстоянии от измеряемой среды). К приборам, основанным на контактном методе измерений, относят жидкостные стеклянные термометры, термометры расширения твердых тел, манометрические термометры, термоэ]лектрические термометры (термопары), термопреобразователи (тер]мометры) сопротивления.

Для целей автоматизации применимы только два последних вида термометров. Термоэлектрические термометры (термопары) являются первичными преобразователями, выходной сигнал которых измеряют магнитоэлек]трическими милливольтметрами или автоматическими потенциометрами.

Термоэлектрический термометр, простейшая цепь которого показана на рис. 10. 1, а, представляет собой чувствительный элемент, выполнен]ный в виде двух проводников из раз]ных металлов (или полупроводников) со спаянными концами. Сущность термоэлектрического эффекта заклю]чается в том, что в месте соединения двух проводников из разных металлов возникает электродвижущая сила, на]зываемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). Термо-ЭДС зависит от материала проводников А и Б, составляющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного спая, называемого свободным концом 1. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне постоянной температуры, имеющей определенное (известное) значение.

При этом условии термо-ЭДС термоэ]лектрического термометра, а значит, и показания измерительного прибора будут зависеть только от температуры рабочего конца2. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных применяют так называемые компен]сационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с постоянной известной температурой. Для предохранения от повреждений термоэлектрические термо]метры заключают в защитную арматуру (рис. 10. 1, б). Термоэлектрические термометры имеют стабильную харак]теристику: термо-ЭДС, развиваемая ими, стандартизована, что де]лает термоэлектрические термоменты взаимозаменяемыми. Современные средства микроэлектроники позволяют сигналы от термопар не только усиливать до нормального уровня, но и оцифровывать.

Рис. 10. 1. Простейшая термо]электрическая цепь (а) и об]щий вид термоэлектрического термометра (6): 1 - свободный конец; 2 - рабочий конец; 3 - термоэлемент; 4 - жаро]упорный наконечник; 5 - металли]ческий чехол; 6 - фарфоровые изо]ляторы; 7 - головка термометра с зажимами; А, Б - проводники из разных металловПредусмотрено изготовление пяти типов термоэлектрических термометров; вольфрамрений (5% рения) вольфрамрениевые (20% рения) типа ТВР; платинородий платиновые типа ТПП; платинородий (30% родия) платинородиевые (6% родия) типа ТПР; хромел ь-алюмелевые типа ТХА; хромель-копелевые типа ТХК. Кроме того, промышленность изготовляет нестандартные вольфраммолибденовые термоэлектрические термометры типа ВМ.

Верхний предел температур, измеряемых термоэлектрическими термометрами, зависит от их типа. Так, термометр ТВР применяют для измерения температур до 2200`С, ТПП до 1300, ТПР до 1600, ТХА до 1000, ТХК до 600`С. Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротив]ления) широко применяют во всех отраслйх промышленности для измерения температуры в трубопроводах, технологическом обору]довании, электрических вращающихся машинах, нагревательных печах, а также в производственных помещениях. Действие термопреобразователей сопротивления основано на свойстве применяемых в них проводниковых материалов (химически чистой платины или меди) изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от 260 до 1100`С.

Чувствительный элемент такого термопреобразователя (рис. 10. 2) изготовлен из платиновой проволоки /диаметром 0,05... 0,08 мм, намотанной на слюдяную пластинку4 (каркас) с зубчатой нарезкой, и помещен в защитную арматуру 8. Медные термопреобразователи сопротивления для измерения температуры от 50 до 200`С изготовляют из медной изолирован]ной проволоки диаметром 0,1.. 0,2 мм, а выводыиз медной луженой проволоки диаметром 1... 1,5 мм. Рис. 10. 2. Платиновый термопреобразователь сопротивления: 1 - платиновая проволока; 2 - каркас; 3 - серебряная лента; 4 - слюдяная пластин]ка; 5 - выводы; 6 - чувствительный элемент; 7 - оксид аммония; 8 - защитная арматура; 9 - зажим; 10 - крышка; 11 - головка; 12, 13 - штуцера под кабель и штуцер для крепления оправы; 14 - изоляторыВторичными измерительными приборами для термопреобразо]вателей сопротивления служат такие же нормирующие усилители и аналого- цифровые преобразователи, применяемые для термопар.

Пирометры излучения применяют для измерения температуры твердых и расплавленных тел в пределах от 400 до 4000`С. Ин]тенсивность излучения накаленных тел зависит от температуры их нагрева.

Чем выше эта температура, тем больше излучение. Пирометры, измеряющие температуру по яркости накаленного тела, известны под названием пирометров частичного излучения; к ним относятся оптические и фотоэлектрические пирометры. Оптические пирометры для стационарных измерений не применя]ют, поэтому в данном учебнике они не рассматриваются. Для измерения мощности полного излучения накаленных тел, т. е. суммарного теплового и светового, служат радиационные пиромет]ры, их называют еще пирометрами полного излучения. Фотоэлектрические пирометры. В них исполь]зовано свойство фотоэлемента образовывать под действием ярко накаленного тела фотоэлектрический ток, значение которого пропорционально интенсивности падающего на фотоэлемент све]тового потока. Фотоэлектрический пирометр (рис. 10.

3, а) состоит из визирной головки б, силового блока 2, стабилизатора напряжения 1, элект]ронного потенциометра 14 и разделительного трансформатора 15. В визирной головке, являющейся первичным прибором пирометра, помещен фотоэлемент 12. Для измерения температуры визирную головку устанавливают так, что световой поток от излучателя 5 направляется через линзу 4 объектива на фотоэлемент. Правильная наводка визирной головки на излучатель производится с помощью окуляра 11 и зеркального отражателя 7. Перед кассетой установлен электромагнитный вибратор 8, заслонка которого вибрирует с час]тотой электрического тока 50 Гц и попеременно открывает отверстия кассеты Р, пропуская на фотоэлемент световой поток то от излучателя, то от лампы накаливания 3, являющейся эталоном.

Под влиянием световых потоков от излучателя и лампы накаливания на фотоэлементе образуется переменный фотоэ]лектрический ток, сила которого зависит от разности световых потоков. Переменное напряжение фотоэлектрического тока вначале усиливается электронным усилителем Д, расположенным в визирной головке, а затем в силовом блоке. Лампа накаливания подключена к выходному каскаду силового блока. Если световые потоки от излучателя и лампы накаливания одинаковы, то одинаковы и электрические импульсы, посылаемые фотоэлементом в измерительную цепь.

Если температура излучателя увеличится, то импульсы, посылаемые фотоэлементом, будут также увеличиваться, вследствие чего ток в лампе накаливания возрастет до восстановления равновесия. Таким образом, схема, реагируя на неравновесие (разбаланс) импульсов фотоэлемента, будет непре]рывно изменять значения тока, протекающего через лампу, обес]печивая равенство потоков лампы накаливания и излучателя. Измеряя силу тока, протекающего через лампу накаливания, можно определять температуру излучателя. Для измерения силы тока использован самопишущий электрон]ный потенциометр 14, подключенный к шунту, который находится в цепи лампы накаливания.

Рис. 10. 3. Фотоэлектрический (а) и радиационный (б) пирометры излуче]ния:Фотоэлектрические пирометры применяют для автоматического контроля так называемой яркостной температуры в пределах от 600 до 4000` С (например, прокатываемого металла). Радиационные пирометры состоят из следующих основных частей: телескоп вторичного измерительного прибора и панели с катушками сопротивления. В зависимости от конст]руктивного выполнения телескопы, являющиеся первичным прибором (преобразователем), разделяются на рефлекторные и рефракторные. В пирометрах с рефлекторным телескопом поток излучения концентрируется на чувствительном элементе с помощью сферического зеркала-рефлектора, а в пирометрах с рефракторным телескопомс помощью двояковыпуклой схеклянной линзы объектива.

Рассмотрим принципиальную схему радиационного пирометра с рефракторным телескопом (рис. 10. 3, б), получившего наиболее широкое применение. Объектив 17 телескопа направляют (визируют) на излучатель 5 (в данном случае отверстия в кладке печи) так, чтобы поток лучей от него проходил через линзу 4 объектива и концентрировался на термоприемнике 18 чувствительном элементе телескопа.

Термоприемник представляет собой термобатарею, состоящую из десяти миниатюрных термоэ]лектрических термометров, соединенных последовательно для увеличения термо-ЭДС. Линза окуляра 11 предназначена для правильной наводки (визирования) телескопа на нагретое тело, защитное стекло для предохранения глаз наблюдателя, а диафрагма 16для подгонки напряжения на зажимах телескопа при его градуировке. Телескоп применяют для измерения температуры нагретых тел в пределах от 400 до 2500`С.

Оптическая система (линзы объектива и окуляра), чувствительный элемент (термобатарея), диафрагма и защитное стекло помещены в литой цилиндрический корпус, снаб]женный штуцером для крепления телескопа. Наиболее распространенным радиационным пирометром явля]ется пирометр РАПИР, основным элементом которого является телескоп ТЭРА-50 с термобатареей, преобразующей тепловое излу]чение нагретого тела в термо-ЭДС, измеряемую вторичным прибором.

Кроме телескопа ТЭРА-50 в комплект пирометра РАПИР входят панель с катушками сопротивлений, защитная арматура ЗАРТ-53, один или два вторичных прибора (милливольтметры или потенциометры) и соединительные медные провода. Арматура ЗАРТ-53 защищает телескоп от возможных механических повреж]дений, загрязнений и главным образом от высокой температуры окружающей среды.

Рис. 10. 4. Общий вид телескоп ТЭРА-50: 1 - зажимы для подключения измерительного прибора; 2 - линза оку]ляра; 3 - корпус телескопа; 4 - термобатарея; 5 - фланец; 6 - линза объектива; 7 - диафрагма; 8 - штуцерПри измерении радиационным пирометром температуры рас]плавленного металла применяют так называемые калильные трубы (защитные огнеупорные чехлы).

Агрегатный комплект стационарных пиро]метров АПИР-С (ГСП) относится к пирометрам полного и частичного излучения и предназначен для бесконтактного изме]рения и контроля радиационной температуры поверхностей от 100 до 2500`С. Преобразователи этих пирометров работают в комплекте с вторичными измерительными преобразователями ПВ-0. В комплект АПИР-С входит несколько первичных преоб]разователей, предназначенных для измерения различных темпе]ратур. Рассмотрим устройство и принцип действия одного из наиболее распространенных первичных преобразователей ППТ-121 (рис. 10. 5) для измерения температуры полного излучения. Рис. 10. 5. Пирометрический преобразователь ППТ-121:Он состоит из двух основных узлов: объектива, предназначенного для передачи энергии излучения от объекта измерения в приемное устройство, и приемного устройства, преобразующего энергию излучения в электрический сигнал термо-ЭДС.

Объектив собран на кронштейне 1 и состоит из завальцованной в металлической втулке линзы 7 объектива, полевой диафрагмы 5, апертурной диафрагмы 6 и кон]денсора 3. Линза служит для получения изображения объекта в плоскости полевой диафрагмы, которая укреплена на кронштейне с помощью винта. Конденсор, состоящий из втулки и двух одинаковых конденсорных линз 4, передает изображение от полевой диафрагмы в плоскость приемного элемента 2 приемного устройства. Приемный элемент представляет собой термобатарею из миниатюрных фольговых хромель-копелевых термоэлектрических термометров (термопар), соединенных последовательно для увеличения термо-ЭДС.

Термо-ЭДС, развиваемая термобатареей, зависит от разности температур горячих спаев, нагреваемых сфокусированным излу]чением, и холодных спаев, имеющих хороший тепловой контакт через медную шайбу с корпусом преобразователя. Температура холодных спаев зависит от температуры окружающей среды и, в частности, от температуры корпуса преобразователя, в котором находится термобатарея.

Для настройки стандартной градуировочной характеристики термобатареи используют апертурную диафрагму 6, которую пере]мещают до подгонки градуировочной характеристики преобразова]теля до номинальной. Наружную трубу 9 пирометра надевают на объектив и закреп]ляют крышкой со стеклом 8, предохраняющим объектив от загряз]нения. Подключают преобразователь ППТ-121 в измерительную схему с помощью разъема 10.

Вторичный измерительный преобразователь ПВ-0 предназначен для усиления и преобразования в выходной сигнал ГСП напряжения низкого уровня, поступающего от первичного пирометрического преобразователя полного излучения ППТ-121. Сигнал низкого уровня, пропорциональный измеряемой темпе]ратуре объекта, от первичного пирометрического преобразователя полного излучения ППТ поступает на вход преобразователя ПВ-0, где он преобразуется и усиливается до напряжения 0... 2 В. 10. 3. Измерение давления и вакуумаВсе тела, находящиеся на земной поверхности, испытывают со всех сторон одинаковое давление атмосферы, окружающей земной шар. Это давление называется атмосферным. Кроме того, различают абсолютное p, избыточное p.

Абсолютнымназывают полное давление с учетом давления атмосферы, отсчиты]ваемое от абсолютного нуля. Избыточным называют давление сверх атмосферного, равное разности между абсолютным и атмос]ферным давлением p. Избыточное давление отсчитывается от условного нуля, за который принимается атмосферное давление. Если из закрытого сосуда откачать часть воздуха, то абсолютное давление внутри сосуда понизится и станет меньшим, чем атмос]ферное. Такое давление внутри сосуда называют вакуумом. Вакуум равен разности между атмосферным и абсолютным давлениями. Для измерения избыточного давления газа, пара и жидкости применяют манометры; небольших давлений и вакуума напоромеры и тягомеры; вакуума вакуумметры; давления и вакуума тягонапоромеры и мановакуумметры.

Манометры, вакуумметры и мановакуумметры изготовляют по ГОСТ 2405ё8, а напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры по техническим условиям предприятий-изготовителей. Манометры. По принципу действия их подразделяют на жидкос]тные (трубные), пружинные, мембранные, сильфонные, пьезоэ]лектрические, поршневые и проволочные (тензоманометры). Рассматрим лишь тензорезисторные манометры, пригодные для автоматизации технологических измерений. Манометр САПФИР-22ДИ (рис. 10. 6) для измерения избыточного давления состоит из измерительного блока4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8которого заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды ме]таллической гофрированной мембра]ной 10.

Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2. Рис. 10. 6. Мембранный мано]метр САПФИР-22ДИ: 1 - прокладка; 2 - основание; 3 -полость; 4 - измерительный блок; 5 - электронное устройство; 6 -гермовывод; 7 - мембранный тен]зопреобразователь; 8 - полость тензопреобразователя; 9 - фла]нец; 10 - мембрана; 11 - камераЧувствительным элементом тен]зопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10. Основное свойство тензорезисторов способность изме]нять свое электрическое сопроти]вление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразова]теля. Измеряемая величина (давление среды в технологическом аппарате или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца 9 измерительного блока и через жидкость, заполняющую тензопреоб]разователь, воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов.

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из изме]рительного блока в электронное устройство 5 по проводам через вывод 6.

Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления. 10. 4. Измерение расхода и количестваВ промышленности учет расхода жидкостей, пара и газа ведут с помощью двух групп приборов: расходомеров, измеряющих расход вещества, т. е. его количество, протекающее по трубопроводу в единицу времени, и счетчиков количества, измеряющих суммарный объем или массу вещества, протекающего по трубопроводу.

Часть расходомеров оборудована счетными устройствами, слу]жащими как для измерения расхода, так и для определения суммар]ного расхода за определенный промежуток времени. Наиболее широко применяют расходомеры переменного и постоянного пере]пада. Расход вязких жидкостей, например мазута, измеряют ульт]развуковыми расходомерами. Однако они сложны и дороги, поэтому их применяют сравнительно редко (в данной книге они не рас]сматриваются). Расходомеры, основанные на других принципах действия, пока еще не получили широкого распространения.

Расходомеры переменного перепада. Принцип действия расходомеров переменного перепада основан на измерении давления по перепаду, который создается в трубо]проводе установленным внутри него сужающим устройством. В суженном сечении увеличиваются скорость, а следовательно, и кинетическая энергия потока, что вызывает уменьшения его потенциальной энергии. Соответственно статическое давление потока после сужающего устройства будет меньше, чем перед ним. Разность между статическими давлениями потока, взятыми на некоторых расстояниях до и после сужающего устройства, называютперепадом давления. Простейшая схема измерения расхода по методу переменного перепада давления (рис. 10. 7) включает в себя сужающее устройство (диафрагму) 2, установленное в трубопроводе 1, соединительные трубки 3 для отбора давления до сужающего устройства и после него и передачи этого давления к U-образному манометру 4.

Рис. 10. 7. Принципиальная схема измерения расхода по методу пере]менного перепада давления: 1 - трубопровод; 2 - сужающее устрой]ство (диафрагма); 3 - соединительные трубки; 4 - U-образный манометрПерепад давления р будет тем больше, чем больше скорость потока, т.

е. чем больше расход. Следовательно, перепад давления на сужающем устройстве является мерой расхода жидкости, газа или пара, проте]кающих через трубопровод. К достоинствам расходомеров переменного перепада относится возможность использования их при различных температурах и давлениях измеряемой среды, а к недостаткам потеря давления потока и относительная трудность промышленного применения расходомеров при малых расходах.

Для измерения расхода по методу переменного перепада дав]ления в качестве сужающих устройств применяют стандартные диафрагмы и сопла, изготовленные в соответствии с требованиями специальных правил. диафрагмы. Наиболее часто в качестве сужающего устройства используются диафрагмы. Расходомерная диафрагма представляет собой диск с отверстием. Диафрагмы бывают бескамерные и камерные. Бескамерная диафрагма 2 (ГОСТ 2696986) представляет собой стальной диск, имеющий концентрическое (симметричное оси) отверстие с острой кромкой со стороны входа потока и коническую часть со стороны выхода.

Толщина диска не должна превышать 0,05 внутреннего диаметра трубопровода. Бескамерные диафрагмы применяют в трубопроводах диаметром более 400 мм. Отбор дав]ления производится непосредственно перед диафрагмой и после нее по ходу потока в трубопроводе. При этом отборное устройство, установленное перед диафрагмой, обозначают знаком «+», а распо]ложенное за диафрагмой знаком «». Камерная диафрагма (рис. 10. 8) состоит из диска 1и двух кольцевых камер 2 и для отбора давления до диафрагмы и после нее. Камеры соединяются с внутренним пространством трубопровода через коль]цеобразные щели А и Б,расположенные непосредственно у торцо]вой поверхности диафрагмы. Таким образом, отбор давления в камерных диафрагмах производится по периметру трубопровода для измерения среднего давления в трубопроводе.

К камерам присоединяют трубки 5 и 6, передающие перепад давления от диафрагм к дифманометру. Рис. 10. 8. Камерная диафраг]ма: 1 - диск; 2, 3 - кольцевые камеры; 4, 7 - фланцы; 5, 6 - соединитель]ные трубки; 8 - прокладки; 9 -болтыКамерные диафрагмы применяют в трубопроводах с внутренним диаметром от 50 до 400 мм. Диафрагму и кольцевые камеры изготовляют из материалов, ус]тойчивых к длительным воздействиям измеряемой среды. Чаще всего диск делают из нержавеющей, а камерыиз угле]родистой стали. К качеству механической обработки поверхностей камерных диаф]рагм и других сужающих устройств предъявляют повышенные требования.

Отверстие диска со стороны входа потока цилиндрическое на длине по оси не более 0,02 внутреннего диаметра трубопровода, а далее расточено на конус под углом 45` у выхода потока. Кромка отверстия диска у входа потока острая, без закруглений, вмятин и заусенцев. Угол между торцовой поверхностью диафрагмы и цилиндрической частью отверстия 90`. Камерные диафрагмы устанавливают на прямолинейных участ]ках трубопроводов между двумя фланцами 4 и 7, стягиваемыми болтами 9.

Для уплотнения соединения между фланцами и кольце]выми камерами, а также между камерами и диском ставят прокладки 8. Материал для прокладок выбирают в зависимости от химических свойств и давления измеряемой среды. Расходомерное сопло (рис. 10. 9) состоит из плавно сужающейся части на входе и цилиндрической на выходе.

Кром]ка цилиндрической части острая, без фасок, закруглений и заусен]цев. Очертание профильного отверстия сопла подобно очертанию струи при входе ее в сужающее устройство, поэтому в нем образуется значительно меньше завихрений, приводящих к безвозвратной потере давления потока, чем в диафрагме. Кроме того, сопла более стойки к истиранию и менее подвержены загрязнению. Но из-за сложности изготовления их применяют редко. Рис. 10. 9. Расходомерное соплоДавление отбирают до начала сужения потока и в начале цилиндрической части сопла. На рисунке показаны два варианта отбора давления через кольцевые камеры (вверху) и через отдельные отверстия непосредственно у сужающего устройства (внизу). 1. Универсальность.

Данный метод применяется для измерения расход практически любых сред: жидкостей, газа, пара. Для вязких жидкостей применяются сужающие устройства специальной формы. 2. Низкая первоначальная стоимость. Стоимость расходомера, основанного на методе переменного перепада давления, складывается, исходя из стоимости сужающего устройства, импульсных линий и датчика дифференциального давления. 3. Беспроливная методика поверки.

Для периодической поверки расходомеров на СУ требуется измерить геометрические размеры сужающего устройства и поверить датчик дифференциального давления. 4. Отсутствие движущихся частей. 5. Измерение расхода в условиях высокого давления. Давление в трубопроводе может достигать 40МПа. 6. Измерение расхода в условиях высоких и низких температур. Диапазон температуры измеряемой среды лежит в пределах от -200 до +1000`С. 7. Широкий диапазон типоразмеров. Метод переменного перепада давления используется как на трубопроводах с малым диаметром условного прохода (Ду = 15 мм), так и на больших трубопроводах (Ду = 2000 мм). 1. Узкий динамический диапазон. Стандартный динамический диапазон сужающих устройств приблизительно 1:3. Такое ограничение связано, в первую очередь, с квадратичной зависимостью между расходом и перепадом давления на СУ.

Использование высокоточных датчиков дифференциального давления позволяет увеличить динамический диапазон. 2. Высокая стоимость эксплуатации. Расходомеры на сужающих устройствах требуют периодического обслуживания: измерение геометрических размеров сужающего устройства, прочистка импульсных линий, прогрев импульсных линий, установка нуля на датчике дифференциального давления.

3. Небольшой межповерочный интервал. Стандартный межповерочный интервал расходомера на СУ составляет 1 год. 4. Низкая точность измерений. Погрешность измерений обычно менее 3,0-3,5 %..