Глава 1

Глава 1. Измерение технологических параметров.

1.1. Основные определения

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Измерить какую-либо величину – значит сравнить ее с другой однородной величиной (мерой), принятой за единицу.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Прямыми измерениями называются такие, при которых значения измеренной величины определяется непосредственным сравнением ее с мерами или показаниями измерительных приборов, градуированных в выбранных единицах измерения. Основные методы прямых измерений: непосредственного определения, компенсационный (нулевой) и дифференциальный (разностный).

Метод непосредственного определения значения технологического параметра состоит в непосредственных показаниях или записях измеренной величины. Тестер показывает текущее значение переменного (~) или постоянного (–) тока в (А), напряжения в (В), а сопротивления в (Ом).
Компенсационный (нулевой) метод состоит в уравновешивании неизвестной измеряемой величины известной. Значение этой величины находится после достижения равновесия с известной величиной, этот момент фиксируется нуль-индикатором. К числу приборов, основанных на компенсационном методе, относятся потенциометры, уравновешенные мосты, весы с гирями и т. д.
Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что прибором определяется разность между измеренной и некоторой известной (образцовой) величиной, после чего измеренная величина находится путем алгебраического сложения.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находится на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
Примеры косвенных измерений – определение плотности по массе и объему или расхода по перепаду давления. Косвенные измерения широко используют в химической промышленности, когда прямые измерения невозможны или нецелесообразны.

Средства измерения – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. Кроме мер, к ним относятся:
· измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
· измерительный преобразователь – средство измерений, служащее для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
· первичный преобразователь (ПП) или датчик – измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина – первый в измерительной цепи.

Чувствительный элемент – часть измерительного прибора или преобразователя, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой величины.
Канал связи служит для передачи сигнала от ПП к вторичному прибору. Если сигнал электрический, то в качестве канала связи используются провода или кабель, а если пневматический или гидравлический – то сигналы передаются по металлическим или пластмассовым трубкам.

Вторичный прибор (ВП) – устройство, воспринимающее сигнал от ПП и выражающее его в числовом виде при помощи показывающего (отсчетного) устройства – шкалы стрелочного прибора, цифрового индикатора, дисплея и др.

Измерительные приборы и преобразователи подразделяются по ряду признаков:
· по роду измеряемых величин (термометры, манометры, расходомеры, уровнемеры, газоанализаторы и т.д.);
· по назначению (рабочие, образцовые);
· по способу отсчета показаний (показывающие, самопишущие);
· по форме представления показаний (аналоговые, цифровые);
· по принципу действия (механические, электрические, пневматические);
· по характеру использования (оперативные, учетные, расчетные);
· по условиям работы (переносные, стационарные);
· по габаритам (полногабаритные, малогабаритные, миниатюрные).

Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации, его показания представлены в цифровой форме.
Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измерения контролируемого технологического параметра – измеряемой величины.

По способу отсчета показаний приборы подразделяют на следующие группы:
· прибор с ручной наводкой, у которого процесс измерения осуществляется сравнением измеряемой величины с мерами или образцами при непосредственном участии наблюдателя (весы с гирями, оптический пирометр с исчезающей нитью).
· показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний (показывающий амперметр, вольтметр, манометр и др.). Отсчетные устройства аналоговых показывающих приборов состоят из шкалы и указателя.
· регистрирующий (самопишущий) измерительный прибор – измерительный прибор, в котором предусматривается регистрация показаний, например, самопишущие мосты и потенциометры КСМ и КСП. Самопишущие приборы могут иметь автоматические устройства записи результатов измерения, например, на бумажный или электронный носитель.
· комбинированный прибор осуществляет одновременное отображение показания и регистрацию измеряемой величины. Эти приборы могут быть оснащены дополнительными устройствами для сигнализации или для регулирования измеряемой величины.

Интегрирующий измерительный прибор – измерительный прибор, в котором контролируемый технологический параметр подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной – счетчики электроэнергии, воды, газа.

Основные характеристики измерительных приборов

Диапазон измерений – это область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями этой шкалы.
Предел измерений – наименьшее или наибольшее значение диапазона измерений.
Погрешность измерения – отклонение результата от истинного значения измеряемой величины:
· абсолютная – выраженная в единицах измерения;
· относительная – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины. Относительная погрешность может быть выражена в процентах.
с
Статическая характеристика – функциональная зависимость между измерениями контролируемой величины и выходным сигналом преобразователя; желательно, чтобы эта зависимость была линейной.
Скорость измерения, быстродействие – максимальное число измерений в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью. Противоположная величина – инерционность прибора, часто характеризуется временем измерения – время, прошедшее с момента изменения измеряемой величины до момента получения нового результата измерения на отсчетном устройстве с нормированной погрешностью.

Контактный и бесконтактный способы измерения

При контактном способе измерения чувствительный элемент находится под непосредственным воздействием измеряемой среды – «в контакте».
При бесконтактном способе измерения чувствительный элемент находится на некотором удалении от измеряемой среды, отделенный от нее промежуточной средой.

1.2. Измерение температуры

Температура может быть определена как параметр теплового состояния (степени нагретости) вещества. Значение этого параметра обуславливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул тела. С изменением средней кинетической энергии движения молекул изменяется степень нагретости тела и его физические свойства, такие как плотность, вязкость, химическая активность и т. д.

Единицей температуры как термодинамической, так и по практическим температурным шкалам является кельвин (К). Допускается применение единицы температуры «градус Цельсия» (°С).

Между температурой T, выраженной в кельвинах и температурой t, выраженной в градусах Цельсия, установлено соотношение

t = T – T0,

где T0 = 273,15 K.

Температурные разности выражаются в кельвинах или градусах Цельсия.
Измерение температуры осуществляется контактным и бесконтактными способами. Контактный способ измерения температуры осуществляется при помощи чувствительного элемента, находящегося в измерительной среде. Для этой цели используются жидкостные термометры, стержневые термометры, термометры сопротивления, термоэлектрические термометры и т. д. Бесконтактный способ измерения температуры не предусматривает прямого контакта с измеряемой средой. К числу таких приборов относятся радиационные, фотоэлектрические пирометры.

1.2.1. Термометры расширения

Термометры расширения используют свойство физических тел изменять свой объем или линейные размеры при изменении температуры – контактный способ измерения температуры.
Термометры расширения подразделяют на три группы:
· жидкостные;
· стержневые (дилатометрические);
· биметаллические.

Жидкостные термометры. Данный вид термометров построен на принципе теплового расширения жидкости в стеклянном резервуаре. В качестве рабочих веществ применяют ртуть или органические жидкости – этиловый спирт, толуол, керосин, пентан.

Ртутные термометры, благодаря своей простоте, сравнительно высокой точности измерения, дешевизне получили наиболее широкое распространение. Они применяются для измерения температур в пределах от –30 до + 750 °С.

Рис. 27. Жидкостные термометры: а, б – обычные; в, г – электроконтактные

Термометры, заполненные органическими жидкостями, применяют главным образом при измерении низких температур (пентан – от –200 до +20 °С, керосин – от –60 до +300 °С, толуол – от –90 до +200 °С, этиловый спирт – от –80 до +70 °С).

Органические жидкости, в отличие от ртути, смачивают стекло, что снижает точность отсчета показаний.

Термометры расширения жидкостные выпускают в прямом (рис. 27,а) и угловом (рис. 27,б) исполнении.

По назначению и области применения жидкостные термометры можно разделить на следующие группы: образцовые, лабораторные и специального назначения; технические; метеорологические; для сельского хозяйства; бытовые.

Ртутные электроконтактные термометры. Эти термометры (рис. 27,в,г) применяют не только для измерения температуры, но и для построения схем сигнализации, защиты и позиционного регулирования. Электроконтактные термометры изготовляют с впаянными в стекло неподвижными контактами 2 и 3 (рис. 27,в) или с одним подвижным контактом 4 (рис. 27,г), который можно перемещать внутри капилляра при помощи специального магнитного устройства 5 (настройка термометра). Один из неподвижный контактов 2 впаивается ниже нулевой отметки шкалы термометра, другой контакт находится выше и его положение определяет температуру срабатывания при замыкании или размыкании электрической цепи. Замыкание (размыкание) электрической цепи между контактами происходит вследствие расширения (сжатия) ртути при нагревании (охлаждении) нижней части термометра 1.

Манометрические термометры. Предназначены для дистанционного измерения температуры газов, паров, жидкостей в стационарных условиях.
Принцип действия прибора основан на свойстве газов и жидкостей изменять давление внутри замкнутого объема при изменении измеряемой температуры. Прибор (рис. 30) состоит из термобаллона 1, выполняющего функцию чувствительного элемента, манометрической пружины 3 и связывающей их капиллярной трубки 2, а так же поводка с биметаллическим компенсатором окружающей температуры 4 (см. устройство пружинного манометра в разделе 2.2). Внутренний объем термобаллона, капиллярной трубки и полой манометрической пружины герметичны и связаны друг с другом, образуя единую термосистему, которая заполняется газом или жидкостью.
Под действием температуры газ расширяется или сжимается, и его давление внутри термосистемы меняется, что воспринимается манометрической пружиной и через механическую передачу 5 передается на стрелочный указатель 6. Шкала прибора градуируется в единицах измерения температуры, хотя фактически происходит измерение давления.

Таким образом, данный прибор состоит из датчика или, другими словами, первичного преобразователя (измеряемая температура преобразуется в давление) – термобаллона, канала связи – капиллярной трубки и вторичного прибора – стрелочного показывающего манометра. Длина капиллярной трубки иногда достигает нескольких десятков метров, поэтому вторичный прибор манометрического термометра можно располагать на значительном удалении от места установки термобаллона.

В зависимости от используемого заполнителя термосистемы манометрические термометры подразделяются:
· на газовые – заполнитель (азот, аргон, гелий) находится в газообразном состоянии во всем диапазоне измеряемых температур;
· жидкостные – заполнитель (полиметилсилоксановые жидкости) находится в жидком состоянии во всем диапазоне измеряемых температур;
· конденсационные – температура кипения заполнителя (ацетон, метил хлористый, фреон) находится внутри диапазона измеряемых температур. В таких термометрах термобаллон примерно на ¾ заполнен жидкостью, остальное пространство термосистемы заполнено парами этой жидкости.
Диапазон измерений наиболее распространенных манометрических термометров от –200 до 600 °С, при специальном заполнении до 1000 °С. Гелиевые манометрические термометры могут применяться для измерения криогенных температур (от 1 К).
Класс точности манометрических термометров – 1; 1,5; 2,5; 4, вероятность безотказной работы в течение 2000 часов не менее 0,9.
Данный тип термометров получил широкое распространение во взрывоопасных производствах как обеспечивающий неплохую точность измерений при отсутствии электрических элементов.

Рис. 30. Манометрический термометр: 1 – термобаллон; 2 – капилляр; 3 – манометрическая пружина; 4 – поводок; 5 – механическая передача; 6 – стрелочный указатель

1.2.2. Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления)

Измерение температуры с помощью термопреобразователей сопротивления (ТС) основано на температурной зависимости электрического сопротивления материала, из которого изготовлен чувствительный элемент ТС. Измерение температуры сводится к измерению электрического сопротивления с помощью электроизмерительных приборов.
Наибольшее распространение получили термометры сопротивления с платиновым (ТСП) и медным (ТСМ) чувствительным элементом. Зависимости сопротивления от температуры показаны на рис. 32,а. Как видно из рисунка, это практически прямые линии, т. е. статические характеристики данных измерительных преобразователей близки к линейным. Следующий вывод состоит в том, что ТСМ более чувствителен к изменению температуры, а пределы измерения для ТСМ от –200 до +200 °С, для ТСП рабочий диапазон от –260 до +1100 °С.

Как уже было сказано, данные преобразователи должны работать с комплекте с электроизмерительным прибором. Измерительная схема таких приборов представляет собой уравновешенный или неуравновешенный мосты.
Для термометров сопротивления, согласно ГОСТ 6651-84, приняты следующие параметры:
· тип (ТСП и ТСМ);

· номинальное значение R0 (сопротивление при 0 °С), Ом;

Рис. 32. Зависимость электрического сопротивления ТС от температуры (а) и электрическая схема уравновешенного моста (б)

· условное обозначение номинальной статической характеристики (НСХ) для ТСП: 1П; 10П; 50П; 100П; 500П; для ТСМ: 10М; 50М; 100М, где цифры соответствуют значению R0, а буква указывает на тип материала чувствительного элемента (П – платина, М – медь);

· величина

W100 = R100/R0

где R100 – сопротивление ТС при температуре плюс 100 °С, Ом.

Конструкция преобразователя состоит из чувствительного элемента (ЧЭ) в виде спирали и защитной арматуры. ЧЭ, помещенный в защитную гильзу, материал и его конструкция выбираются с учетом следующих факторов: свойств контролируемой среды и диапазона измерения температуры, требуемой точности измерения и т. д.

В качестве ВП можно использовать логометр – прибор магнитоэлектрической системы, сегодня чаще всего используются мосты, например, КСМ3 – компенсационный самопишущий мост модификация 3.
Полупроводниковые ТС представляют собой непроволочные, объемные, различной формы, существенно нелинейные резисторы. В отличие от металлических ТС они имеют отрицательный температурный коэффициент, т.е. при нагревании уменьшают свое сопротивление. Диапазон измерения от –60 до +180 °C.
Полупроводниковые ТС имеют значительное удельное электрическое сопротивление, что позволяет получать из них компактные малоинерционные термометры с большим сопротивлением (1 – 1000 кОм) и, следовательно, не учитывать влияние изменения температуры окружающего воздуха на сопротивление линий, соединяющих ТС с вторичными приборами.

1.2.3. Термоэлектрические преобразователи (ТЭП) или термопары (ТП)

Термопара – это чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных проводников (термоэлектродов), одни концы которых соединены сваркой или пайкой, а другие свободны (рис. 34). Контакт (спай) разнородных металлов, помещаемый в измеряемую среду, называется рабочим спаем 1, а два других конца называются свободными или холодными концами 2. Если температура свободных концов отличается от температуры рабочего спая, то на них возникает разность потенциалов (измеряется милливольтами), которая обнаруживается соединенным со свободными концами вторичным прибором 3.
Возникновение разности потенциалов в термопаре есть термоэлектрический эффект, упрощенно объясняемый диффузией свободных электронов через рабочий спай из проводника с большим содержанием свободных электронов в другой проводник, где их меньше. Возникающее при этом электрическое поле препятствует увеличению силы тока, поэтому на свободных концах термопары устанавливается разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Проволочные электроды термопар изолируются один от другого керамическими изоляторами или пропускаются через керамические трубки, термопара помещается в стальной чехол, свободные концы подключаются к клеммнику, защищенному от механических воздействий крышкой. С другой стороны к клеммнику подключают провода, соединяющие ТП со вторичным прибором – потенциометром, например, КСП4 – компенсационный самопишущий потенциометр модификация 4. Шкала прибора градуируется в единицах температуры.

Рис. 34. Термопара

ТермоЭДС является нелинейной функцией разности температур рабочего спая t и свободных концов tсв:

E = f(t - tсв)

Отсюда следует, что показания прибора, измеряющего термоЭДС, будут зависеть как от температуры контролируемой среды, так и от температуры свободных концов. Термопары обычно калибруются при температуре свободных концов, равной 0 °С. В процессе эксплуатации же свободные концы ТП находятся снаружи объекта, т. е. в окружающем воздухе, температура которого не равна 0 °С и, к тому же, не является постоянной. Решить эту проблему можно, обложив свободные концы льдом, но такой вариант возможен лишь в лабораторных условиях. Поэтому вторичный прибор, работающий с термопарой, должен обеспечить введение поправки на температуру свободных концов.
При измерении температуры с помощью термоэлектрических преобразователей существует и другая проблема, которую иллюстрирует рис. 35. Если вторичный прибор должен располагаться на значительном удалении от точки установки термопары, то соединяющие их провода должны быть достаточной длины. Можно изготовить термопару с достаточной длиной термоэлектродов АВ, но целесообразнее продлить электроды термопары с помощью гибких удлиняющих проводов, особенно в случае термопар из благородных металлов. Если термоэлектрические характеристики термометра АВ и пары, составленной из проводов А1В1 различны, то в цепи термометра могут возникать паразитные термоЭДС, что приводит к искажению результатов измерений. Чтобы избежать этого, удлинительные провода можно изготовить из тех же материалов, что и термоэлектроды
. Однако это слишком дорого, если электроды термопары из благородных металлов. Другой способ – подобрать материал удлинительных проводов так, чтобы в нужном диапазоне температур их термоэлектрические характеристики совпадали с таковыми для термопары. Такие удлинительные провода называются компенсационными.

Рис. 35. Схема соединения вторичного прибора с термопарой удлинительными проводами:

A и B – электроды термопары;

A1 и B1 – удлинительные провода;

С – медные провода;

θ – температура рабочего спая;

θ 0 – свободных концов удлинительных проводов;

θ 1 – температура мест соединения элетродов термопары с удлинительными проводами;

ВП – вторичный прибор

1.2.4. Пирометры

Все виды пирометров реализуют бесконтактный оптический метод измерения температуры, основанный на законах теплового излучения тел. Применение этого метода не требует введения датчика в контролируемую среду, что имеет решающее значение при измерении температуры агрессивных сред и сред со значениями температур выше 1600 °С. Кроме того, пирометрические датчики характеризуются малой тепловой инерционностью.
В основе этого бесконтактного метода измерения лежит зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от его температуры. Тепловое излучение любого тела можно характеризовать спектральной плотностью Rl, т.е. количеством энергии, излучаемом в единицу времени с единицы площади поверхности тела и приходящимся на единицу диапазона длин волн. Зависимость спектральной светимости (плотности) абсолютно черного тела от температуры и длина волны определяется формулой Планка

где λ — длина волны; T— абсолютная температура, C1 = 3,74 183*10 -16 Вт*м2 и С2 = 1,43 880*10 −2 м*К— константы. На рис.37 приведены кривые спектральной светимости абсолютно черного тела.

По естественной входной величине датчика оптические пирометры делятся:
· на яркостные, воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой области спектра;
· цветовые, основанные на измерении отношения интенсивности излучения в двух различных точках кривой рис. 37.
· радиационные, воспринимающие полную энергию излучения, соответствующую всей площади под кривыми, приведенными на рисунке.

Рис. 37. Кривые спектральной светимости абсолютно черного тела (1,2,3) и вольфрама (1’,2’,3’)

Радиационные пирометры. Современные радиационные пирометры используются для измерения температур в диапазоне от –100 до 4000 °С.
Конструкция датчика радиационного пирометра представлена на рис. 40. Радиационный поток, идущий от поверхности объекта измерения 6, отражается вогнутым зеркалом 3, расположенным в торце трубы 1 пирометра и фокусируется на терморезисторе 2, нагревая его. Для устранения погрешности измерения, обусловленной отраженными от внутренних стенок трубы лучами, последняя покрыта зачерненными ребрами 5. Терморезистор 2 защищен со всех сторон тепловым экраном 4. Датчик, показанный на рисунке, предназначен для измерения температур от 20 до 100 °С. Для измерения температур в диапазоне от 100 до 2500 °С применяется фокусирующая оптика, изготовленная из кварца.

Рис. 40. Конструкция датчика радиационного пирометра

Диаметр «поля зрения» датчика зависит от расстояния до объекта измерения. При расстоянии 1 м для различных конструкций датчиков радиационных пирометров диаметр «поля зрения» составляет 100 – 200 мм.

Радиационные пирометры обладают значительно меньшей стоимостью по сравнению с цветовыми, кроме того, лишь этот тип пирометров пригоден для измерения температур ниже 300 – 400 °С (современные приборы позволяют измерять температуры до –100 °С) Но, как и у яркостных пирометров, показания радиационных приборов зависят показаний от излучающей поверхности. Кроме этого, радиационные пирометры имеют ряд иных существенных недостатков, их результаты зависят: от расстояния до измеряемого объекта, формы объекта, запыленности и загазованности промежуточной среды, наличия защитных стекол и непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, боковых засветок при работе с крупноразмерными объектами, переотражений измеряемым объектом излучения сильно нагретых объектов, расположенных рядом.

1.3. Измерение давления и разрежения

Давлением называется физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) распределенных сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого.
В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения давления является паскаль (Па). Паскаль – давление, создаваемое силой 1 Н, действующей на поверхность 1 м2. Соотношения между основной единицей (Па) и другими единицами давления приведены в табл. 12.

Соотношения между единицами давления

Различают абсолютное, барометрическое, избыточное, вакуумметрическое давление и вакуум.
Абсолютное давление – давление, отсчитываемое от абсолютного нуля (давление пустоты).
Барометрическое давление – давление, создаваемое атмосферой.
Избыточное давление – давление сверх барометрического. В этом случае абсолютное давление будет равно сумме барометрического и избыточного давлений.
Вакуумметрическое давление (разрежение) – отрицательное избыточное давление, отсчитываемое от барометрического. В этом случае абсолютное давление будет равно разности барометрического и вакуумметрического (без учета знака) давлений. Это абсолютное давление и представляет собой вакуум.
По виду измеряемого давления приборы подразделяют на следующие группы:
· манометры – приборы для измерения избыточного давления с верхним пределом от 60 кПа (0,6 кгс/см2) до 1000 МПа (10000 кгс/см2);
· вакуумметры – приборы для измерения вакуумметрических давлений (разрежений) с пределом измерений до минус 100 кПа (1 кгс/см2);
· мановакуумметры – приборы для измерения избыточного и вакуумметрического давлений с верхними пределами избыточного давления от 0,06 МПа (0,6 кгс/см2) до 2,4 МПа (24 кгс/см2) и вакуумметрического давления – до минус 100 кПа (1 кгс/см2);
· напоромеры – манометры для измерения избыточных давлений, не превышающих 40 кПа (0,4 кгс/см2);
· тягомеры – вакуумметры с верхним пределом измерения, не превышающим минус 40 кПа (0,4 кгс/см2);
· тягонапоромеры – мановакуумметры с пределами измерений, не превышающими 20 кПа (0,2 кгс/см2);
· манометры абсолютного давления;
· дифференциальные манометры – приборы для измерения разности двух давлений, из которых ни одно не является барометрическим;
· микроманометры – дифференциальные манометры с верхним пределом измерения, не превышающим 4 кПа (0,04 кгс/см2);
· барометры – приборы для измерения атмосферного давления.
По принципу действия манометры подразделяют:
· на жидкостные;
· жидкостно-механические;
· механические деформационные;
· электромеханические.

Трубчато-пружинный манометр (рис. 46). Чувствительным элементом является полая трубчатая пружина 1 (латунная, бронзовая или стальная) с эллиптическим или плоскоовальным поперечным сечением, согнутая по дуге окружности. Один конец пружины впаян в штуцер 2, через который ее полость сообщается с контролируемой средой, а второй, свободный, заглушен. С увеличением давления среды поперечное сечение пружины стремится принять круглую форму, в результате ее кривизна уменьшается, пружина несколько распрямляется и свободный конец ее перемещается. Это перемещение через поводок 3 и зубчатый сектор 4 преобразуется в поворот шестеренки 5 с закрепленной на ее оси стрелкой 6. Устранение «мертвого» хода сектора при малых изменениях давления («мертвый» ход возникает вследствие имеющегося воздушного зазора между зубьями сектора и шестеренки) обеспечивается спиральной пружинкой 7, одним концом закрепленной на оси шестеренки, а другим – на плате механизма прибора. Создавая небольшой крутящий момент, пружинка постоянно прижимает зубья шестеренки к зубьям сектора.

Зависимость перемещения свободного конца трубчатой пружины от измеряемого давления линейна до некоторого наибольшего давления, называемого пределом пропорциональности. При его превышении появляется остаточная деформация пружины, и она становится непригодной. С учетом этого давление, соответствующее конечному значению шкалы, устанавливают примерно в два раза ниже предела пропорциональности. Кроме того, манометр выбирают так, чтобы рабочее измеряемое давление (т. е. при нормальном ходе технологического процесса) не выходило за пределы третьей четверти шкалы при плавном его изменении и за две трети ее – при резких колебаниях. Принято значение рабочего давления отмечать на шкале манометра красной чертой.

Наряду с одновитковыми трубчатыми пружинами используют и многовитковые спиральные. Они обладают более высокой чувствительностью. Применяют их в основном в самопишущих приборах.
В мембранных приборах измеряемое давление (или разность давлений) воспринимается мембраной. Применяют мембраны двух видов – вялые (неупругие) и упругие. Вялая резинотканевая мембрана 1 (рис. 47,а) опирается на жесткий центр (диск) и создает на нем усилие, пропорциональное давлению и эффективной (т. е. рабочей) площади мембраны. Это усилие воспринимается винтовой цилиндрической пружиной 3. Ее деформация пропорциональна измеряемому давлению. Чувствительность приборов зависит от размеров мембраны и жесткого центра.

Приборы с вялыми мембранами используют для измерения небольших давлений (перепадов давлений) и разрежений газа, а также в устройствах пневмоавтоматики.
Упругие гофрированные мембраны (рис. 47,б) изготавливают из латуни, бериллиевой бронзы и нержавеющей стали. Величина деформации мембраны под действием давления зависит от ее толщины, диаметра, числа гофр, их высоты и т. д.

Рис. 46. Трубчато-пружинный манометр:
1 – трубчатая пружина; 2 – штуцер; 3 – поводок;
4 – зубчатый сектор; 5 – шестеренка; 6 – стрелка;
7 – спиральная пружинка

Рис. 47. Устройство мембранных манометров:
а – с вялой мембраной; б – с упругой мембраной

Рис. 48. Устройство сильфонного манометра

Для повышения чувствительности к изменению давления мембраны используют в составе мембранных коробок, которые можно объединить в блоки. Такая коробка, например, является чувствительным элементом барометра-анероида. Воздух из нее откачан, и она деформируется при изменении атмосферного давления. Упругие мембраны применяют в дифманометрах, тяго- и напоромерах.

Сильфонные приборы (рис. 48). Сильфон – это упругая гофрированная трубка, наглухо закрытая с одной стороны; ее изготавливают из тех же материалов, что и упругие мембраны. Под действием давления изменяется длина сильфона, при этом он может работать как на растяжение, так и на сжатие. Во втором случае сильфон помещают в герметичный кожух; под действием избыточного давления в нем сильфон сжимается. При больших перемещениях дна сильфона (например, в самопишущих манометрах) внутрь его помещают винтовую цилиндрическую пружину, более жесткую, чем сильфон. Она обеспечивает возврат сильфона в исходное состояние после снятия давления и делает зависимость деформации от давления линейной. Если деформацию сильфона ограничить, то он будет развивать усилие, пропорциональное воспринимаемому давлению.

1.3.1. Манометры с тензопреобразователями

Эти устройства часто называют просто «преобразователи давления», так как на данный момент они получили наиболее широкое распространение. Их чувствительные элементы представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы – тензорезисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления. Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности , определяемый отношением изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых.

Примером чувствительного элемента может служить двухслойная мембрана. Измеряемое давление воздействует на титановую мембрану, к которой припаяна сапфировая мембрана с нанесенными на нее методом напыления кремниевыми тензорезисторами. Принципиальная схема размещения резисторов на поверхности сапфировой мембраны приведена на рис. 54,а. При деформации мембраны в соответствии с эпюрой (рис. 54,б), касательные напряжения st имеют постоянный знак, тогда как радиальные sr его меняют. В связи с этим у размещенных радиально вблизи края мембраны тензорезисторов с ростом давления сопротивление снижается, а у размещенных касательно увеличивается. Выбирая точки размещения тензорезисторов, можно добиться необходимой чувствительности измерительной схемы.

Сопротивление тензорезисторов зависит не только от деформации мембраны, но и от температуры, при которой проводится измерение. Поэтому во всех приборах данного типа выполняется температурная компенсация. В некоторых преобразователях применяется терморезистор, напыленный на участок мембраны, где отсутствуют создаваемые давлением деформации.
Манометры с тензопреобразователями обладают высоким быстродействием. Другим их достоинством является малая деформация чувствительных элементов, что повышает их надежность и стабильность характеристик, обеспечивает виброустойчивость.

Рис. 54. Чувствительный элемент(мембрана) манометра с тензопреобразователем: а – расположение тензорезисторов на мембране; б – эпюра напряжений в мембране

1.4. Измерение уровня

Уровнем называют расстояние от верхней поверхности жидкости или сыпучего вещества, находящегося в резервуаре, до любой произвольно выбранной отметки выше или ниже этой поверхности.
Для измерения уровня жидкости применяют уровнемеры:
· с визуальным отсчетом;
· механические – поплавковые и буйковые;
· гидростатические;
· электрические – кондуктометрические и емкостные;
· акустические;
· радиоизотопные;
· радиоволновые.
Из них для измерения уровня твердых сыпучих материалов подходят:
· емкостные;
· радиоизотопные;
· радиоволновые.
Часто по условиям технологического процесса нет необходимости в измерении уровня по всей высоте аппарата. В таких случаях применяют узкопредельные, но более точные уровнемеры. Особую группу составляют уровнемеры, используемые только для сигнализации предельных значений уровня – сигнализаторы уровня.
Высокая точность измерения уровня требуется не всегда. В большинстве случаев допустима погрешность в 5 – 10 %.

1.4.1. Уровнемеры с визуальным отсчетом

Уровнемеры с визуальным отсчетом (рис. 56) основаны на визуальном измерении высоты уровня жидкости.

Рис. 56. Уровнемеры с визуальным отсчетом:а – смотровое окно; б – водомерное стекло

«Водомерное стекло» основано на принципе сообщающихся сосудов. Уровень измеряется в стеклянной трубке, сообщающейся с газовым и жидкостным пространствами резервуара. Основной источник погрешности – разница плотностей жидкости в резервуаре и в трубке из-за разницы температур.
Достоинство таких устройств в простоте конструкции и низкой стоимости, однако низкая прочность, трудность дистанционной передачи показаний и нарушение видимости из-за загрязнений стекла существенно ограничивают область их применения. Используются для открытых и закрытых резервуаров с невысоким давлением (ограничение на прочность стекла).

1.4.2. Механические уровнемеры

Поплавковые уровнемеры применяются для открытых и закрытых резервуаров с низким давлением.
Чувствительный элемент – поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала, плавает на поверхности жидкости внутри резервуара (рис. 47,а). С помощью троса или рычажной передачи перемещение поплавка x передается на отсчетное приспособление, расположенное вне резервуара.
В буйковых уровнемерах (рис. 57,б) в жидкость помещен буек (чувствительный элемент), представляющий собой цилиндр небольшого диаметра, но значительной длины, закрепленный на упругой подвеске. В отличие от поплавковых уровнемеров здесь измеряется не вертикальное перемещение буйка, которое мало, а выталкивающая (архимедова) сила FA, действующая на буек, и пропорциональная глубине погружения буйка.
Могут применяться при более высоких давлениях, чем поплавковые, но при относительно небольших диапазонах изменения уровня.
Механические уровнемеры имеют невысокую точность измерения, значительную инерционность и недостаточно надежны вследствие износа механических частей.

Рис. 57. Механические уровнемеры: а – поплавковый; б – буйковый

1.4.3. Гидростатический способ измерения уровня

Способ основан на измерении разности давлений двух столбов жидкости – переменного, зависящего от уровня жидкости в резервуаре, и постоянного по высоте столба, служащего мерой сравнения. Разность давлений измеряют дифманометром (ДМ), расположенном ниже резервуара (рис. 59). Данный способ получил наиболее широкое распространение для контроля уровня в барабанах паровых котлов.
Одна из импульсных линий ДМ соединена с объектом измерения, в другой линии постоянный столб жидкости поддерживается с помощью уравнительного сосуда. Давление столбов жидкости в «плюсовой» и «минусовой» трубах дифманометра на рис. 59,а определяется выражениями

откуда видно, что показания дифманометра зависят от плотности жидкости в этих трубах. При измерении уровня в резервуарах под давлением на значения p+ и p– также влияет плотность газа (пара) над поверхностью жидкости. Зависимость результатов от изменения плотности жидкости и газа (пара) над ней – основной недостаток рассматриваемого способа измерения уровня.

Рис. 59. Гидростатический способ измерения уровня: а – в открытом резервуаре; б – в закрытом резервуаре, находящемся под давлением

Дифманометр защищают от воздействия агрессивных жидкостей, как это будет показано в разделе «Расходомеры переменного перепада давления».

1.4.4. Электрические уровнемеры

Принцип действия заключается в измерении изменения электропроводности, емкости, резонансной частоты и других электрических параметров, зависящих от изменения уровня.
Кондуктометрические уровнемеры реагируют на изменение электропроводности столба жидкости в резервуаре. Жидкость должна быть электропроводящей, в том числе недеминерализованная вода.

Чаще всего используются в качестве сигнализаторов и для позиционного регулирования уровня. Пример – стабилизация уровня в напорном баке (рис. 61). Для этого в напорный бак вворачиваются два электрода (датчики), изолированные от корпуса бака, причем длина датчика верхнего уровня «В» короче, чем длина датчика нижнего уровня «Н». Сам металлический корпус бака является общим электродом для двух датчиков уровня.

Рис. 61. Позиционная система регулирования уровня в резервуаре

Как только уровень в баке опускается ниже нижнего конца датчика «Н», электрическая цепь между ним и корпусом бака разрывается, автоматический регулятор включает насос, и вода подается в бак до тех пор, пока не достигнет нижнего конца датчика «В». Тогда цепь между ним и корпусом бака замкнется, и регулятор отключит насос.

1.4.5. Акустические уровнемеры
Акустические уровнемеры подразделяются по принципу действия:
· на уровнемеры поглощения, в которых положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа.
· резонансные, где измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня.
· локационные (ультразвуковые) – наиболее распространенные, поэтому рассмотрим их подробнее (рис. 66). В приборах данного типа используется эффект отражения ультразвука от границы раздела жидкость – газ. Ее положение определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника 1 до приемника 2 после отражения их от поверхности раздела. Время прохождения ультразвукового сигнала рассчитывается, и полученное значение преобразуется в выходной измерительный сигнал преобразователем 3.
Ультразвук может пропускаться как через газовую среду над жидкостью (локация через газ), так и через слой жидкости (локация через жидкость). Во втором случае показания уровнемера могут искажаться при наличии неоднородностей в жидкости.
Ультразвуковые уровнемеры подходят для агрессивных, вязких, кристаллизующихся, дающих твердые осадки сред; могут быть использованы в криогенной технике.
К недостаткам относятся чувствительность к изменениям давления и температуры среды распространения ультразвука (газа или жидкости), а также то, что данные приборы пригодны только для жидкостей со спокойной поверхностью.

Рис. 66. Принцип действия локационных уровнемеров

1.4.6. Радиоволновые уровнемеры

Существует несколько радиоволновых методов, которые могут быть использованы для измерения уровня: радиолокационный, радиоинтерференционный, эндовибраторный, резонансный. Радиолокационный метод стал в последнее время наиболее популярен.

Радиолокационные (радарные) уровнемеры используют схожий принцип действия с ультразвуковыми (рис. 66). Разница заключается в том, что вместо ультразвука для локации используются радиоволны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, т. е. частотой от 0,3 до 300 ГГц. Работа радарных уровнемеров основана на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами.
Схема данного уровнемера (как и ультразвукового) состоит из излучателя 1, приемника 2 и преобразователя 3, измеряющего временные интервалы между моментом посылки зондирующих импульсов радиоизлучения излучателем 1 и приходом отраженного сигнала (эхо-импульса) на приемник 2. Локация обычно ведется через газ.

Метод чувствителен к нахождению в зоне излучения посторонних предметов, например, стенок емкостей. Для устранения этого недостатка применяют узконаправленные рупорные антенны (рис. 67,а) и волноводы (рис. 67,б).

Приборами первого типа уровень жидкости измеряется посредством коротких радарных импульсов, передаваемых от излучателя с антенной, которые находятся в верхней части резервуара, по направлению к этой жидкости. Когда радарный импульс достигает поверхности среды, часть энергии рассеивается в среде, а часть отражается обратно в уровнемер. Время задержки между излучением и приемом отраженного эхо-сигнала пропорционально расстоянию, на основе которого рассчитывается уровень. Интеллектуальная технология обработки эхо-сигнала обеспечивает высокоэффективное подавление ложных отражений, а также шумов и помех, связанных с волнением поверхности измеряемого продукта, загрязнениями антенны и прочими факторами, негативно влияющими на качество измерений. Таким образом, можно с высокой точностью вычислить расстояние до продукта и уровень продукта в резервуаре.

Рис. 67. Радарные уровнемеры: а – с рупорной антенной; б – волноводный

В волноводных уровнемерах микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить. Когда радиоимпульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии отражается в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорционален расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела двух сред. Интенсивность отраженного сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Волноводные уровнемеры позволяют определять не только общий уровень в резервуаре, но и уровень поверхности раздела несмешивающихся жидкостей (рис. 67,б).
Радарные уровнемеры универсальны, обладают высокой точностью измерений, просты в установке, однако наиболее дороги из рассмотренных.

1.5. Измерение расхода и количества вещества

При измерениях, связанных с количеством вещества, различают два важнейших понятия: количество вещества и расход. Количество вещества выражают в единицах массы (кг, т) или объема (м3, л). Расходом или мгновенным расходом называется отношение количества вещества, протекающего за некоторый промежуток времени к этому промежутку времени, при условии, что последний стремится к нулю. Обычно измерению подлежит массовый или объемный расход. Массовый расход измеряется в единицах массы, деленных на единицу времени (кг/с, т/ч и т. д.), объемный расход – в единицах объема, деленных на единицу времени (м3/с , м3/ч, л/мин и т. д.).
Приборы для измерения количества вещества называются счетчиками количества или просто счетчиками. Также в названии прибора принято конкретизировать агрегатное состояние измеряемого вещества – «счетчик газа» или «счетчик жидкости». Счетчики измеряют количество вещества, прошедшее через них за любой промежуток времени: сутки, месяц и т. д. Количество вещества определяется как разность показаний счетчика в конце и начале этого промежутка.
Приборы для измерения мгновенного расхода называются расходомерами. Многие современные приборы, особенно интеллектуальные, позволяют вычислять обе величины одновременно, их называют счетчиками-расходомерами.
Значение расходомеров и счетчиков количества жидкости, газа и пара в современном индустриальном обществе исключительно велико. Их роль очень возросла в связи с необходимостью максимальной экономии энергетических и водных ресурсов страны, которые все более и более дорожают. Без расходомеров нельзя обеспечить управление, и тем более оптимизацию технологических режимов в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой, целлюлозно-бумажной, пищевой и во многих других отраслях промышленности. Без этих приборов невозможны и автоматизация производства, и достижение максимальной ее эффективности. Расходомеры необходимы и для управления транспортными средствами, и том числе судами, самолетами и космическими кораблями. Они нужны для контроля за оросительными системами в сельском хозяйстве, требуются и для проведения лабораторных и исследовательских работ. Счетчики количества необходимы для учета массы или объема нефти, газа, пара, воды и других веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых отдельными объектами. Без них очень трудно контролировать утечки и исключить потери ценных продуктов. А снижение погрешности измерении расхода и количества хотя бы на 1 % может обеспечить громадный экономический эффект. Роль счетчиков в последнее время сильно возрастает в связи с коммерциализацией учета энергоносителей.
Все расходомеры и счетчики имеют ограничения не только по верхнему, но и по нижнему пределу измерений. Только в этих пределах обеспечивает измерение с заданной погрешностью. Поэтому важным параметром, характерным для расходомеров, является динамический диапазон (ДД) – отношение верхнего предела измерения расхода к нижнему:

Динамический диапазон обозначается или в виде числа, равного данному отношению, или в виде дроби, например «20:1», «80:1» и т. д.

Далее рассмотрим наиболее распространенные виды расходомеров и счетчиков.

1.5.1. Расходомеры переменного перепада давления

Принцип действия данных приборов для измерения расхода основан на зависимости перепада давления в неподвижном сужающем устройстве (СУ), устанавливаемом в трубопроводе, от расхода измеряемой среды. Это устройство следует рассматривать как первичный преобразователь расхода. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифференциальным манометром (дифманометром, раздел 2.2), который может быть показывающим со шкалой в единицах расхода. При необходимости дистанционной передачи показаний дифманометр снабжается преобразователем, который линией связи соединяется с вторичным прибором и другими устройствами.
Таким образом, расходомер переменного перепада давления представляет собой измерительный комплекс (рис. 73), состоящий:
· из первичного преобразователя расхода – сужающего устройства 1;
· линий связи 4;
· первичного измерительного прибора – дифманометра 6.

При измерении расхода жидкости дифманометр рекомендуется устанавливать ниже сужающего устройства 1, что исключает попадание в соединительные линии и дифманометр газа, который может выделиться из протекающей жидкости. Для горизонтальных и наклонных трубопроводов соединительные линии должны подключаться через запорные вентили 2 к нижней половине трубы во избежание попадания в линии газа иди осадков из трубопровода. Продувка соединительных линий осуществляется через вентили 3.
При измерении расхода агрессивных сред в соединительных линиях возможно ближе к сужающему устройству устанавливаются разделительные сосуды 5. Соединительные линии между разделительным сосудом и дифманометром, частично и сам сосуд, заполнены нейтральной жидкостью, плотность которой больше плотности измеряемой агрессивной среды. Остальная часть сосуда и линии до сужающего устройства заполнены контролируемой средой. Следовательно, поверхность раздела контролируемой среды и разделительной жидкости находится внутри сосуда, причем уровни раздела в обоих сосудах должны быть одинаковыми. Разделительная жидкость выбирается таким образом, чтобы она химически не взаимодействовала с контролируемой средой, не смешивалась с ней, не давала отложений и не была агрессивной по отношению к материалу сосудов, соединительных линий и дифманометра. Чаще всего в качестве разделительной жидкости используются вода, минеральные масла, глицерин, водоглицериновые смеси.

Рис. 73. Расходомер переменного перепада давления: 1 – сужающее устройство; 2 – запорные вентили; 3 – продувочные вентили; 4 – соединительные линии; 5 – разделительные сосуды; 6 – дифманометр (ДМ)

Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления. Расход может быть определен при известной градуировочной характеристике f :

F = f(Dр)

по перепаду давления Dр на сужающем устройстве, измеренному дифманометром.
В качестве стандартных сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара используются диафрагмы, сопла и значительно реже трубы и сопла Вентури. Диафрагма (рис. 74,а) представляет собой тонкий диск с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы.

Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка отверстия должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусенцев.

Сопло (рис. 74,б) имеет спрофилированную входную часть, переходящую затем в цилиндрический участок диаметром d (его значение входит в уравнения расхода). Задняя торцевая часть сопла включает цилиндрическую выточку диаметром, большим d, для предохранения выходной кромки цилиндрической части сопла от повреждения.

Сопло Вентури (контур показан на рис. 74,в) содержит входную часть с профилем сопла, переходящую в цилиндрическую часть, и выходной конус (может быть длинным или укороченным). Минимальный диаметр трубопровода для стандартных сопл Вентури составляет 65 мм.
На рисунке символами р1 и р2 отмечены точки отбора давлений, подаваемых на дифманометр.

Расходомерам переменного перепада давления присущи недостатки:
· диаметр трубопровода должен быть более 50 мм, в противном случае необходима индивидуальная градуировка;
· значительные длины линейных участков;
· наличие потери давления [23];
· износ сужающего устройства из-за механического и химического разрушения.

Рис. 74. Сужающие устройства

1.5.2. Расходомеры обтекания

Среди расходомеров обтекания рассмотрим только расходомеры постоянного перепада давления. Они подразделяются на ротаметры, а также поплавковые и поршневые (золотниковые) расходомеры.
Ротаметры – наиболее распространенные приборы этой группы, особенно в лабораторной практике.
В конической трубке находится поплавок (рис. 76). Проходящий снизу через трубку поток жидкости или газа поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками трубки не достигнет величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются, и он устанавливается на той или иной высоте в зависимости от величины расхода.

Рис. 76. Схема ротаметра:

1 – поплавок; 2 – коническая трубка

Сверху вниз действуют:

· сила тяжести;
· сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка.
Снизу вверх действуют:
· сила от давления потока на нижнюю поверхность поплавка;
· сила трения потока о поплавок.
Поплавки могут иметь различную форму. Одна из форм – цилиндрическая с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками (как на рис. 76). Контролируемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки.
Каждый ротаметр на заводе-изготовителе градуируется или на воде, или на воздухе. Применять же ротаметры приходится для измерения расхода различных жидкостей и газов. При этом возникает необходимость пересчета заводской градуировки. Пересчетный множитель k, умножая на который значение расхода по градуировочной зависимости, получим искомое значение расхода измеряемого вещества, равен

где ρrп, ρrг и ρr – плотности соответственно материала поплавка, градуировочного вещества (воды или воздуха) и измеряемого вещества.
Если ρrп << ρr (что бывает обычно у газов), то эта формула упрощается и принимает вид

Но воспользоваться множителем k можно лишь в редких случаях, когда вязкости измеряемого и градуировочногo вещества близки друг к другу. Более общие методы пересчета, в которых учитывается также и влияние вязкости вещества, описаны в [30].
Ротаметры используют в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемов жидкостей (верхние пределы от 0,002 до 70 м3/ч) или газов (верхние пределы от 0,05 до 600 м3/ч) в вертикальных трубопроводах диаметром 3 – 150 мм. Динамический диапазон достигает 10.
Ротаметры обладают рядом достоинств:
· простота устройства;
· шкалы ротаметров практически равномерны;
· ими можно измерять небольшие расходы;
· потери давления в них незначительны и не зависят от величины расхода [23].
Недостатки:
· могут работать только в вертикальном восходящем потоке;
· предъявляют требования к длинам линейных участков до (свыше 10 диаметров трубопровода D) и после (более 5D) прибора;
· требуют пересчета градуировочной характеристики или индивидуальной градуировки при отличии условий измерения от тех, при которых проводилась заводская градуировка;
· ротаметры со стеклянными или пластиковыми прозрачными трубками рассчитаны на давления не выше 6 ат.
Поплавковые расходомеры. Принцип действия их такой же, как и ротаметров. От ротаметров они отличаются лишь конструктивно. У них нет стеклянной конической трубки, ход поплавка небольшой и внешняя форма иная. Некоторые выпускаемые серийно поплавковые расходомеры изготовитель даже (в противоречие с ГОСТ 15528-86) называет ротаметрами с электрической и пневматической передачей. Поплавок у этих приборов связан жестким стержнем с железным сердечником или магнитом для дистанционной передачи. Ход поплавка небольшой, не превышающий 40 – 70 мм.

1.5.3. Тахометрические расходомеры и счетчики

Данные приборы получили свое название от слова «тахометр» (греч. τάχος – скорость и μέτρον – мера). Тахометр – это прибор для измерения частоты вращения деталей различных машин и механизмов.

Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижный, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Они подразделяются на турбинные, крыльчатые, шариковые, роторно-шаровые и камерные. Иногда крыльчатки называют турбинками, различаются они конструкцией лопаточного аппарата и подачей потока. Измеряя скорость движения подвижного элемента, получаем расходомер, а измеряя общее число оборотов (или ходов) его – счетчик количества (объем или массу) прошедшего вещества.

Счетчики воды и газа давно получили широкое распространение, так как для этого надо лишь соединить вал турбинки или другого преобразователя расхода через зубчатый редуктор со счетным механизмом. Для создания же тахометрического расходомера скорость движения элемента надо предварительно преобразовать в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения. В этом случае необходим двухступенчатый преобразователь расхода. Его первая ступень – турбинка, шарик или другой элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень – тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела. Здесь измерительным прибором будет электрический частотомер: цифровой или аналоговый [28].

Тахометрические приборы чаще используются для жидкостей, чем для газов.
Их достоинства:
· широкий динамический диапазон (достигает 25);
· высокая точность и быстродействие;
· простота получения и съема показаний.
К недостаткам относятся:
· значительная потеря давления;
· требования к длинам линейных участков до (свыше 10 диаметров трубопровода D) и после (более 3D) прибора;
· износ подшипников при наличии загрязнений в измеряемой среде;
· ограничения по диаметру трубопровода [23].
Конструкции тахометрических расходомеров весьма разнообразны. Рассмотрим лишь турбинные расходомеры (рис. 78,а,б). Их применяют для измерения расхода жидкостей, в частности мазута. В корпусе 5 расходомера установлены струевыпрямители 2 и 4, расположенные на одной оси с турбиной 3. У аксиальной турбины (рис. 78,а) ось совпадает с потоком, а у тангенциальной (рис. 78,б) – перпендикулярна ему. На внешней стороне корпуса размещают дифференциально-трансформаторный преобразователь 1.

Турбинные расходомеры определяют расходы жидкостей в широком диапазоне, в трубопроводах диаметром от 4 до 750 мм при давлениях до 250 МПа и температурах от –240 до +700 °С.

Достоинствами турбинных расходомеров являются малая инерционность и высокая точность (погрешность 0,5 %), а их недостатками – зависимость от расхода и вязкости среды, износ опор турбины.

Рис. 78. Турбинные расходомеры:
а – с аксиальной турбиной; б – с тангенциальной турбиной

1.5.4. Вихревые расходомеры

Вихревыми называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи.
Вихревые расходомеры с обтекаемым телом. Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения обтекающих его струй и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением* тела начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне – пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, пройдя его миделевое сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но так как развитие вихря с одной стороны препятствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит поочередно (рис. 84). При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кáрмана шириной а, имеющая постоянное отношение b/а.
У вихревых расходомеров много достоинств: отсутствие подвижных частей, простота и надежность преобразователя расхода, независимость показаний от давления и температуры, большой диапазон измерения, доходящий в некоторых случаях до 15 – 20, линейность шкалы, хорошая точность (погрешность ± 0,5 – 1,5 %), частотный измерительный сигнал, стабильность показаний, сравнительная несложность измерительной схемы, возможность получения универсальной градуировки.

Рис. 84. Схема вихревого расходомера: 1 – обтекаемое тело; 2 – трубопровод; 3 – измерительный преобразователь; 4 – вихри

К недостаткам вихревых расходомеров относятся значительные потери давления, достигающие 30 – 50 кПа, и некоторые ограничения возможности их применения: они непригодны при малых скоростях из-за трудности измерения сигнала, имеющего малую частоту, и изготовляются лишь для труб, имеющих диаметры от 25 до 150 – 300 мм.

Применение их для больших труб затруднительно, а при очень малых диаметрах нет устойчивого вихреобразования. Они не применяются также при Re < 10–3 + 10–4. Многие конструкции вихревых расходомеров непригодны и для измерения загрязненных и агрессивных веществ, могущих нарушить работу преобразователей [30].

Рис. 87. Принципиальная схема электромагнитного расходомера

1.5.5. Электромагнитные расходомеры

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется электродвижущая сила, пропорциональная скорости движения. Роль проводника в данных расходомерах играет электропроводная жидкость (рис. 87).
Электропроводность – величина, обратная электрическому сопротивлению, измеряется в сименсах (1 См = 1 Ом–1), удельная электропроводность – в См/м. Для водопроводной воды приблизительно равна 10–3 См/м, это нижняя допустимая граница электропроводности для большинства современных серийных электромагнитных расходомеров.

Рабочий участок трубы преобразователя 1, изготовленной из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической изоляцией 2, расположен между полюсами электромагнита. Через стенку трубы изолированно от нее по диаметру введены электроды 3, находящиеся в контакте с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов. В жидкости наводится ЭДС, измеряемая измерительным прибором ИП [23].
В движущемся проводнике (электропроводящей жидкости), перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, наводится электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная скорости движения проводника (закон Фарадея):

где Е – индуцируемая (наводимая) в проводнике ЭДС; l – длина проводника; B – магнитная индукция и v – скорость движения проводника.

В случае измерения расхода электропроводящей жидкости запишем:

где D – внутренний диаметр трубы или расстояние между электродами; vср – средняя скорость протекания жидкости через поперечное сечение трубопровода в зоне наведения ЭДС

Объемный расход жидкости Fоб определяется по формуле:

где S – площадь поперечного сечения трубопровода; если подставить в выражение (5) значение

Или

где k = BD/S

Полученное выражение показывает, что значение объемного расхода токопроводящей жидкости прямо пропорционально значению наводимой электродвижущей силы.
Применяемые магниты могут быть постоянными (как на рис. 87) и переменными. Недостатком использования постоянных магнитов является поляризация электродов – концентрация у положительного электрода отрицательных ионов, а у отрицательного – положительных. Возникает ЭДС поляризации, делающая невозможной стабильную работу прибора. Поэтому расходомеры с постоянным магнитом применяются лишь для измерения сред, в которых отсутствует ионная проводимость, например, расплавленных металлов. Для измерения расходов сред с ионной проводимостью применяются расходомеры с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом.
Для данных расходомеров перечислим достоинства:
· показания не зависят от вязкости и плотности среды;
· динамический диапазон достигает 100 и более;
· безынерционность;
· минимальные требования к длине прямых участков до и после прибора;
· не создают потерь давления, так как не имеют частей, выступающих внутрь трубы;
· применяются на трубопроводах диаметром от 2 мм до 4 м;
· подходят для измерения расходов агрессивных, абразивных и вязких жидкостей, пульп, жидких металлов;
и недостатки:
· требования к минимальной электропроводности измеряемой среды;
· необходимость тщательной защиты преобразователя и линий связи от помех.

1.5.6. Массовые (кориолисовы) расходомеры

Принцип действия основан на измерении силы Кориолиса. Возьмем горизонтально расположенный диск, который может вращаться вокруг вертикальной оси. Прочертим на диске радиальную прямую ОА (рис. 88).
Запустим в направлении от О к А шарик со скоростью v. Если диск не вращается, шарик должен катиться вдоль ОА. Если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик будет катиться по кривой ОВ, причем его скорость относительно диска быстро изменяет свое направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него действовала сила Fk, перпендикулярная направлению движения шарика:

где m – масса шарика; w – угловая скорость вращения диска; [v,w] – векторное произведение v на w.
Сила Fk называется силой Кориолиса по имени впервые описавшего ее французского ученого Г. Г. Кориолиса (1792 – 1843). Сила Кориолиса – одна из сил инерции.
Если во вращающейся системе движущимся телом будет поток жидкости или газа, то формулу (6) можно использовать для определения массового расхода. Для этого необходимо иметь возможность измерить величину силы Fk.
.

Кориолисовы расходомеры и плотномеры. Кориолисов расходомер состоит из датчика расхода и измерительного преобразователя. Принцип работы кориолисова расходомера состоит в том, что поток жидкости проходит через датчик (рис. 89) по двум симметричным изогнутым измерительным трубкам, которые колеблются с определенной резонансной частотой. Каждая трубка приводится в колебательное движение электромагнитной катушкой 3, расположенной в центре изгиба трубки. Колебания трубки подобны колебанию камертона и имеет амплитуду менее 1 мм и частоту в диапазоне 80 – 100 Гц.

Рис. 88. Сила Кориолиса

Рис. 89. Общий вид кориолисова расходомера

Так как датчик состоит из двух трубок, то входной поток делится на две равные части и направляется в колеблющиеся трубки датчика. Форма колебания одной из трубок при отсутствии движения измеряемой среды показана на рис. 90,а.

Рис. 90. Расходомерная трубка кориолисова расходомера: а – колебания трубки при отсутствии движения измеряемой среды; б – распределение сил, действующих на трубку при движении вверх; в – распределение пары сил, приводящих к закручиванию трубки

При перемещении измеряемой среды, проходящей через трубку, формируется вертикальная составляющая движения вибрирующей трубки. Процесс распределения сил, действующих на трубку при вынужденном движении вверх, показан на рис. 90,б.
Измерительной среде, проходящей через трубку, придается вертикальная составляющая движения вибрирующей трубки. При движении трубки вверх во время первой половины цикла колебания жидкость, втекающая в трубку, создает сопротивление движению вверх, давя трубку вниз. Поглотив вертикальный импульс при движении вокруг изгиба трубки, жидкость, вытекающая из трубки, сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения, толкая трубку вверх, что приводит к закручиванию трубки, как это показано на рис. 90,в.

Когда трубка движется вниз во время второй половины цикла колебаний, она закручивается в противоположную сторону. Это закручивание называется эффектом Кориолиса. Исходя из второго закона Ньютона, угол закручивания трубки датчика прямо пропорционален количеству жидкости, проходящей через трубку в единицу времени. Электромагнитные катушки – детекторы скорости (поз. 2 и 4 на рис. 89), расположенные с каждой стороны трубки, снимают сигнал, соответствующий колебаниям трубки. Массовый расход определяется путем измерения временной задержки между сигналами детекторов. Для точного определения расхода требуется также измерение температуры среды, для чего предназначен датчик температуры (поз. 1 на рис. 89).

При отсутствии потока закручивания трубок не происходит, и между сигналами детекторов нет временной разности. При наличии потока трубка закручивается, при этом возникает разность по времени в поступлении двух сигналов по скорости. Эта разность во времени прямо пропорциональна массовому расходу.

1.6. Измерение состава вещества

Существуют две задачи анализа состава:
· определение содержания одного компонента в анализируемой смеси, эту задачу решают автоматические концентратомеры;
· определение содержания двух и более компонентов в анализируемой смеси, ее решают автоматические анализаторы состава. Вторая задача значительно сложнее первой.
Наибольшее распространение получили косвенные методы определения состава, например, кондуктометрический и потенциометрический методы определения концентрации растворов.

1.6.1. Измерение состава жидкостей: кондуктометрические концентратомеры

Кондуктометрический метод анализа широко применяется в лабораторной и производственной практике. Он основан на измерении удельной электропроводности k0 растворов электролитов, в которых перенос тока происходит за счет движения ионов.
Существует функциональная зависимость между концентрацией электролита c и удельной электропроводностью раствора

Зависимость электропроводности от концентрации носит сложный характер: с увеличением концентрации электропроводность раствора сначала увеличивается, а затем уменьшается (рис. 93). Поэтому для каждого кондуктометрического концентратомера установлены свои пределы измерений в единицах удельной электропроводности (См/см) или концентрации (г/л).
Если в растворе находится смесь невзаимодействующих между собой электролитов, то электропроводность подчиняется закону аддитивности, т. е.

где k0,см – удельная электропроводность смеси, состоящей из n компонентов; k0,i – удельная электропроводность i -го компонента в смеси; bi – относительная объемная концентрация i -го компонента в смеси.

Из этого следует, что кондуктометрический метод не является избирательным (селективным) и пригоден в основном для измерения концентрации бинарных и псевдобинарных растворов.
Электропроводность растворов зависит не только от концентрации, но и от температуры. При повышении температуры электропроводность увеличивается, а сопротивление, соответственно, уменьшается. Так, электропроводность водных растворов электролитов при повышении температуры на 1 °С возрастает на 1 – 2,5 %. Поэтому в измерительном приборе необходимо предусмотреть температурную компенсацию – автоматическое устранение погрешности измерения, вызванную изменениями температуры измеряемого раствора. В автоматических приборах это обычно выполняется автоматическим температурным компенсатором электрического типа или схемой с металлическим термометром сопротивления, как, например, на рис. 94 и 97.

Рис. 93. Зависимость электропроводности водных растворов некоторых веществ от их концентрации

Для измерения концентрации растворов по их электропроводности используют приборы с погруженными электродами и бесконтактные измерители электропроводности. Сначала рассмотрим первый тип приборов. Чувствительный элемент концентатомера с погруженными электродами – кондуктометрическая ячейка. В двухэлектродной кондуктометрической ячейке (рис. 94), как следует из названия, в жидкость погружаются два измерительных электрода. Измеряется электрическое сопротивление жидкости между ними Rx и связанная с ним электропроводность k:

Важным параметром данного чувствительного элемента является константа ячейки K. Для идеальной кондуктометрической ячейки K определяется как отношение расстояния между пластинчатыми электродами l к их площади S:

В реальной ячейке l и S необходимо заменить на их эффективные значения lэф и Sэф, lэф и Sэф зависят от конфигурации сосуда ячейки и характера распределения силовых линий электрического поля в межэлектродном пространстве, т. е. определяются конструкцией конкретного чувствительного элемента. Поэтому на практике вычислить lэф и Sэф невозможно, и значения K определяют экспериментально по эталонным растворам на заводе-изготовителе измерительного прибора.
Константа ячейки связывает измеренное значение электропроводности жидкости k с ее удельной электропроводностью k0:

Именно удельная электропроводность k0 определяется концентрацией определяемого вещества.

Именно удельная электропроводность k0 определяется концентрацией определяемого вещества.
Известно, что при погружении металлического электрода в раствор электролита на границе металл-раствор возникает скачок потенциала из-за перехода положительных ионов металла в раствор. В результате на электроде накапливается отрицательный заряд. Через некоторое время между металлом и раствором устанавливается некоторая разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу ионов в раствор – наступает динамическое равновесие.
При наложении разности потенциалов от внешнего источника питания равновесие нарушается. При протекании тока через электрод его потенциал изменяется. Данный процесс называется поляризацией. Явление поляризации вносит дополнительную погрешность в показания кондуктометрических приборов.

Рис. 94. Схема кондуктометрической ячейки с металлическим термометром сопротивления

Измерительная схема (рис. 95) включает R1, R2 и R3 – постоянные манганиновые резисторы; Rр – переменный компенсирующий резистор (КПР); Rx – сопротивление раствора кондуктометрической ячейки. При изменении концентрации контролируемого раствора меняется сопротивление Rx и на вершинах моста ab возникает разность потенциалов. Сигнал разбаланса, пропорциональный по величине изменению концентрации, усиливается электронным усилителем ЭУ и поступает на реверсивный двигатель РД, который перемещает движок КПР, стрелку и перо прибора. В плечо, смежное с Rx, включен параллельно постоянному резистору R1 конденсатор C.

Рис. 95. Измерительная схема двухэлектродной измерительной ячейки

1.6.2. Измерение состава жидкостей: потенциометрический метод анализа

Данный метод применяется в тех случаях, когда качественным показателем растворов электролитов является активность различных ионов, на которые диссоциируют молекулы раствора. В первую очередь, это относится к измерению активности ионов водорода Н+.

Появление ионов водорода в воде вызвано диссоциацией части молекул воды, распадающихся на ионы водорода Н+ и гидроксила OН–:

При растворении кислоты в воде концентрация ионов водорода возрастает, а ионов гидроксила соответственно уменьшается. О концентрации этих ионов в водном растворе можно судить по величине водородного показателя, обозначаемого символом pH:

где
aH+ – активность ионов водорода (понятие «активность» введено для учета отличий свойств реального раствора от свойств раствора идеального; активность связана с концентрацией c выражением a= yc, где y – коэффициент активности).
При 22 °С для нейтральных водных растворов рН = 7, для кислотных рН < 7, для щелочных рН > 7.

Потенциометрический метод измерения концентрации основан на измерении разности электрических потенциалов двух электродов, помещенных в испытуемый раствор, причем один из электродов в процессе измерения имеет постоянный потенциал. Потенциометрические анализаторы кислотно-основных свойств растворов называют также pH-метрами.
Измерительная ячейка рН-метра (рис. 99) состоит из двух электродов: измерительного 1 и вспомогательного (сравнительного) 2.

Рис. 99. Измерительная ячейка рН-метра

Электроды изготавливаются таким образом, чтобы потенциал измерительного электрода Eизм зависел от концентрации ионов водорода, а потенциал вспомогательного Eвсп – нет. Потенциал измерительного электрода связан с активностью ионов водорода уравнением Нернста:

где E0 – стандартный потенциал измерительного электрода; R – универсальная газовая постоянная; F – постоянная Фарадея (заряд 1 моль ионов); T – абсолютная температура.
ЭДС измерительной ячейки Ex равна алгебраической сумме потенциалов измерительного и вспомогательного электродов:

где

Если известны стандартный потенциал измерительного электрода E0 и потенциал вспомогательного электрода E0, то формула (8) однозначно определяет активность ионов водорода по измеренному значению ЭДС ячейки Ex. Подробнее теория этого метода анализа изложена в курсе физической химии.
В качестве вспомогательных электродов обычно применяют хлорсеребряный и каломельный, в качестве измерительных – стеклянные.

1.6.3. Измерение состава газов

В ходе химико-технологических процессов, например, термокаталитической переработки нефти образуются газы и их смеси. Специальные приборы – газоанализаторы позволяют осуществлять их количественный и качественный анализ. По назначению газоанализаторы можно разделить на приборы технологического контроля и приборы контроля воздушной среды. Принцип действия газоанализаторов основан на индивидуальных физико-химических свойствах газов, что обуславливает разнообразие их конструкций. Количественный анализ позволяет определить концентрацию отдельных компонентов в газовых смесях, а качественный – их состав. Концентрации измеряют в объемных процентах, если они малые (микроконцентрация), то в миллионных долях объемного процента (ppm). Отбираемый для анализа газ очищают от механических примесей, осушают, охлаждают, стабилизируют его расход и давление. При необходимости из газа удаляют вредные примеси, например, сернистые соединения, оксид углерода дожигают до диоксида и т. д. Ниже рассмотрим наиболее популярные газоанализаторы, применяемые в нефтепереработке и химической промышленности.

1.6.4. Термокондуктометрический газоанализатор

Действие термокондуктометрических газоанализаторов (ТКГ) основано на зависимости между теплопроводностью газовой смеси и концентрацией в ней анализируемого компонента.
Схема простейшего ТКГ показана на рис. 105, она представляет собой неуравновешенный мост. Плечами моста служат терморезисторы, выполненные из вольфрамовых или платиновых спиралей, находящиеся в камерах. Камеры R1 и R3 – измерительные, через них непрерывно пропускается анализируемый газ, а R2 и R4 – сравнительные, они заполнены воздухом или анализируемым газом с начальной концентрацией определяемого компонента.

Рис. 105. Измерительная схема термокондуктометрических газоанализаторов

Прибор работает следующим образом: от источника тока спирали нагреваются, и тепло от них передается стенкам камер, имеющим более низкую температуру, при этом теплопередача зависит от теплопроводности газа в камерах. Перед измерением через измерительные камеры пропускают такой же газ, которым заполнены сравнительные камеры и после стабилизации теплового режима в камерах мост уравновешивается перемещением движка по реохорду RP, таким образом, устанавливается стрелка милливольтметра на начальную отметку шкалы (режим «Контроль»). Затем измерительные камеры подключаются к линии анализируемого газа (режим «Анализ»). Если измеряемая концентрация больше начального значения, то теплопередача в камерах R1 и R3 меняется, а следовательно, меняются температура и сопротивление спиралей. Равновесие моста нарушается, и на выходе его появляется напряжение, величина которого зависит от концентрации анализируемого газа. Использование двух противоположных плеч моста в качестве измерительных обеспечивает высокую чувствительность прибора.
Тепловой режим в камерах может нарушаться также в результате изменения питающего мост напряжения, расхода и температуры газа. В промышленных ТКГ влияние перечисленных выше факторов значительно ослаблено, что достигается использованием компенсационного метода измерения по схеме двойного моста.

Термокондуктометрические газоанализаторы применяют для определения водорода, аргона, гелия, азота, хлороводорода и других газов в технологических смесях различного состава. Но, в первую очередь, термокондуктометрические газоанализаторы используются для измерения концентрации водорода – его теплопроводность примерно в 7 раз больше, чем теплопроводность воздуха.

1.6.5. Термохимические газоанализаторы

Термохимические газоанализаторы (ТХГ), как правило, используют для определения и сигнализации наличия в воздухе закрытых производственных помещений довзрывоопасных концентраций горючих газов, паров и их смесей: ацетона, бензина, спиртов, эфиров и т. п. Обычно сигнализатор автоматически включает аварийный сигнал, когда концентрация газа в контролируемом воздухе достигает 20 % нижнего концентрационного предела воспламенения.
В термохимических газоанализаторах концентрация определяемого компонента газовой смеси измеряется по количеству тепла, выделившегося при химической реакции – каталитическом окислении. В качестве катализаторов обычно используют нагретую платиновую нить, помещенную в камеру, через которую пропускают газовую смесь. Температура и, следовательно, сопротивление нити будут изменяться при изменении количества тепла, которое, в свою очередь, будет зависеть от концентрации определяемого компонента. Чем она больше, тем больше выделяется тепла в ходе реакции, тем выше температура нити. Датчик термохимического газоанализатора аналогичен по устройству датчику термокондуктометрического газоанализатора. Температуру нити измеряют также мостовой схемой по ее сопротивлению. Схема одного из таких приборов упрощенно изображена на рис. 106

Рис. 106. Схема термохимического газоанализатора-сигнализатора:

1 – эжектор; 2 – дроссель; 3 – ротаметр; 4 – камера; 5 – воронка; 6 – электронный блок;

7 – миллиамперметр; 8 – устройство звуковой и световой сигнализации

Прибор представляет собой неуравновешенный мост, в двух смежных плечах которого находятся платиновые терморезисторы R1 (сравнительный) и R2 (измерительный), нагреваемые током от источника питания моста. Оба этих терморезистора размещены в проточной камере датчика 4. Терморезистор R1 закрыт защитным колпачком, а нить терморезистора R2 находится под слоем специального катализатора, который, в свою очередь, нагревается получаемым от нити теплом.
Сигнализаторы подготавливаются к работе в режиме «Контроль», при этом через датчик пропускают чистый воздух из сети пневмопитания. После стабилизации теплового режима мост уравновешивают перемещением движка переменного резистора RP «Установка нуля», добиваясь установки стрелки миллиамперметра на нулевую отметку.
Затем датчик сигнализатора переключают на режим «Анализ» (показанный на схеме), в котором под действием разрежения, создаваемого воздушным эжектором 1, в датчик 4 засасывается анализируемый воздух. Он отбирается через пробоотборную воронку 5, установленную во взрывоопасном помещении и соединенную с датчиком трубной линией. Расход воздуха устанавливается по показанию ротаметру 3 с помощью дросселя 2.
При движении через датчик воздух сначала омывает колпачок терморезистора R1, а затем проходит к R2. Это уменьшает зависимость выходного напряжения моста от температуры анализируемого воздуха и его расхода.
Появившиеся в воздухе горючие газы или пары соприкасаются с нагретым катализатором и сгорают на его поверхности. Выделяющееся при этом тепло дополнительно нагревает катализатор, что приводит к повышению температуры и электрического сопротивления платиновой нити терморезистора R2. Равновесие моста нарушается, и в конечном итоге появляется ток на выходе электронного блока 6.
Сила тока пропорциональна концентрации анализируемого компонента в воздухе и измеряется миллиамперметром 7. Зона его шкалы, выделенная красным цветом, соответствует концентрации, при которой сигнализатор должен срабатывать от 5 до 50 % НПВ (нижнего предела воспламеняемости). Каждый сигнализатор калибруется по контрольной смеси, вводимой в датчик.

Источник:
Дубровский И.И., Лукьянов В.Л. Проектирование автоматизированных систем управления химико-технологическими процессами и системами. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2015. – 212 c.