Глава 3. Технические средства для измерения параметров

3.1. Измерительные преобразователи и приборы

для измерения параметров состояния сред

Измерительные преобразователи и приборы этой группы

предназначены для получения измерительной информации о

таких физических величинах, как температура, давление,

расход, уровень и др., которые характеризуют состояние разных

технологических сред (твердых, жидких, газообразных), а,

также машин и агрегатов и их отдельных элементов, деталей и

узлов.

Измерение указанных параметров и представление

информации об их значениях и изменениях являются абсолютно

необходимыми на всех стадиях протекания любых

технологических процессов. Ни один технологический процесс

не может управляться ни вручную, ни автоматически без

получения такой информации с помощью соответствующих

технических средств измерений, основанных на использовании

различных методов измерений и способов получения

результатов измерений.

3.1.1. Измерение температуры

Температура является одним из важнейших параметров,

характеризующих многие процессы технологии добычи нефти и

газа. Для измерения температуры применяется большое

количество средств измерения, называемых термометрами.

Термометры расширения. Действие термометров

расширения основано на использовании зависимости удельного

объема вещества от

температуры измеряемой

среды, в которую оно

помещено.

Жидкостные

термометры. Измерение

температуры

жидкостными

термометрами

Рис. 3.1. Стержневой

дилатометрический термометр

расширения основано на

различии коэффициентов

объемного расширения материала оболочки термометра и

жидкости, заключенной в ней. Оболочка термометров

изготовляется из специальных термометрических сортов стекла

с малым коэффициентом расширения. Пределы измерения

стеклянных термометров от –200 до +750 °С.

Дилатометрические термометры. Принцип действия

стержневого дилатометрического термометра (рис. 3.1) основан

на использовании разности удлинений трубки 1 и стержня 2 при

нагревании вследствие различия коэффициентов их линейного

расширения. Движение стержня передается стрелке прибора с

помощью механической передачи 3.

Биметаллические термометры. Чувствительный элемент

термометра (рис. 3.2) выполнен в виде спиральной или плоской

пружины, состоящей из двух пластин из разных металлов,

сваренных по всей

длине. Внутренняя

пластина имеет

больший коэффициент

линейного расширения,

чем внешняя, поэтому

Рис. 3.2. Биметаллический при нагревании такая

термометр пружина

раскручивается, а

стрелка перемещается. Дилатометрическими и биметаллическими

термометрами измеряется температура в пределах от –150 до +700

°С (погрешность 1–2,5 %).

Манометрические термометры. Принцип действия этих

термометров основан на использовании зависимости давления

рабочего вещества при постоянном объеме от температуры. В

зависимости от заполнителя (рабочего вещества) эти термометры

подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные.

Устройство всех типов манометрических термометров

аналогично.

Прибор (рис. 3.3) состоит из термобаллона 1, капиллярной

трубки защищенной металлическим рукавом 7, и

манометрической части, заключенной в специальный корпус 5.

Вся внутренняя система прибора заполняется рабочим

веществом. При нагревании термобаллона увеличивается объем

жидкости или повышается давление рабочего вещества внутри

замкнутой термосистемы. Эти изменения воспринимаются

манометрической трубкой 3, которая через передаточный

механизм, состоящий из тяги 4 и сектора 2, воздействует через

зубчатое колесо на стрелку прибора. Диапазон измерения

температуры с помощью манометрических термометров от –

120 до +600 °С.

Термоэлектрические термометры. Данные

измерительные устройства состоят из термоэлектрического

преобразователя температуры (ТПТ – термопары),

электроизмерительного прибора и соединительных проводов.

Рис. 3.3. Манометрический термометр

В основу измерения температуры термоэлектрическими

преобразователями температуры (ТПТ)

положен термоэлектрический эффект,

который заключается в том, что в

замкнутой цепи, состоящей из двух или

нескольких разнородных проводников,

возникает электрический ток, если места

соединения (спая) нагреты до разной

температуры. Цепь, состоящая из двух

Рис. 3.4. Термопара

разнородных проводников, образующих

ТПТ (рис. 3.4), состоит из

термоэлектродов А и В, места соединения которых – спаи –

имеют разную температуру. При нагревании рабочего спая t

возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), которая

является функцией двух переменных величин: t и t0 –

температуры свободного спая. Чувствительные

электроизмерительные приборы, работающие в комплекте с

ТПТ, градуируются как правило при температуре свободного

спая t0, равной 0 °С.

Рис. 3.5. Защитная арматура термоэлектрического

преобразователя температуры

Для защиты от механических повреждений и воздействия

измеряемой среды электроды ТПТ помещают в специальную

арматуру (рис. 3.5), которая представляет собой защитную

гильзу 1 с головкой 2, служащей для присоединения

термоэлектродов 3 и проводов, соединяющих их с

электроизмерительным прибором. Электроды

термоэлектрических преобразователей должны быть хорошо

изолированы во избежание соприкосновения между собой и

защитной арматурой. Это осуществляется с помощью бус или

трубок 4 из специального фарфора.

Для измерения термоЭДС, развиваемой ТПТ, в

термоэлектрических термометрах используются различные

электроизмерительные приборы, предназначенные для

измерения небольших значений напряжения постоянного тока.

Наиболее часто и широко в настоящее время в качестве

измерительных приборов в комплектах термоэлектрических

термометров применяются милливольтметры и потенциометры.

Милливольтметры. Принцип действия милливольтметров

(рис. 3.6) основан на взаимодействии между проводником

(рамкой), по которому протекает электрический ток, и

магнитным полем постоянного магнита. Рамка 1, выполненная

из нескольких сотен последовательных витков тонкой

изолированной проволоки

(медной, алюминиевой),

помещается в магнитное поле

постоянного магнита 3. При

этом рамка имеет

возможность поворачиваться

на некоторый угол, для чего

она крепится с помощью

специальных кернов и

подпятников или

подвешивается на растяжках

или подвесах (на рисунке не

показаны).

Рис. 3.6. Милливольтметр для

измерения термоЭДС

Для формирования

равномерного радиального

магнитного потока служит цилиндрический сердечник 4. При

прохождении тока по рамке возникают силы F1 и F2,

направленные в разные стороны и стремящиеся повернуть рамку

вокруг ее оси. Противодействующий момент создается

спиральными пружинами 2 (нижняя не показана), которые также

служат для подвода термоЭДС к рамке.

Потенциометры. В основу работы потенциометров

положен нулевой метод измерения электродвижущей силы,

развиваемой ТПТ. При этом измеряемая ЭДС уравновешивается

(компенсируется) с помощью известного падения напряжения, а

результирующий эффект доводится до нуля.

В принципиальной упрощенной схеме потенциометра для

измерения термоЭДС (рис. 3.7) ток от вспомогательного

источника контрольного напряжения Е проходит по цепи, в

которую между точками В и С включено переменное

сопротивление Rр (реохорд). Реохорд представляет собой

калиброванную проволоку длиной L Разность потенциалов

между точкой В и любой промежуточной точкой Д, где

находится скользящий

контакт – движок реохорда,

будет пропорциональна

сопротивлению RВД.

Последовательно с ТПТ при

помощи переключателя П

включается чувствительный

милливольтметр НП – нуль-

прибор, который является

индикатором наличия тока в

цепи.

Термоэлектрический

преобразователь

Рис. 3.7. Принципиальная схема подключается таким

потенциометра для измерения образом, что его ток на

термоЭДС участке RВД идет в том же

направлении, что и от вспо-

могательного источника тока. Для измерения термоЭДС движок

реохорда перемещается до тех пор, пока стрелка нуль-прибора

не перестанет отклоняться от нуля. Очевидно, в этот момент

падение напряжения на сопротивлении RВД будет равно изме-

ряемой термоЭДС.

Поскольку реохорд является калиброванным

сопротивлением, т. е. каждый его участок одинаковой длины

имеет одинаковое сопротивление. Таким образом, термоЭДС

E(tto) определяется величиной падения напряжения на участке

сопротивления реохорда RВС и не зависит от других

сопротивлений. Реохорд RВД может быть снабжен шкалой,

отградуированной в милливольтах или градусах температурной

шкалы

Очень широко применяются автоматические электронные

потенциометры, предназначенные для измерения температуры и

других параметров, преобразованных в напряжение постоянного

тока. Структурная схема электронного автоматического

потенциометра приведена на рис. 3.8.

Измерение термоЭДС Ех от ТПТ производится путем

сравнения ее с падением напряжения на калиброванном

реохорде Rр.

Компенсационная схема потенциометра состоит из

реохорда Rр с ползунком К, электронного усилителя 1 с

преобразователем, преобразующим постоянное напряжение Ех в

переменное, реверсивного электродвигателя РД и источника

питания Еа. Электродвигатель через редуктор 2 связан с

ползунком К и реверсивного электродвигателя РД и источника

питания Еа.

Рис. 3.8. Структурная схема электронного

автоматического потенциометра

Электродвигатель через редуктор 2 связан с ползунком К и

стрелкой показывающей части прибора 3.

Действие компенсационной схемы сводится к

автоматическому перемещению ползунка К по реохорду в

сторону уменьшения напряжения рассогласования, т. е.

разности термоЭДС от ТПТ и падения напряжения на реохорде,

подаваемой на электронный усилитель. Это перемещение,

производимое с помощью реверсивного электродвигателя РД,

происходит до тех пор, пока напряжение рассогласования не

станет равным нулю. Таким образом, положение ползунка К на

реохорде и связанной с ним стрелки прибора определяет

величину термоЭДС и, следовательно, величину измеряемой

температуры. Сопротивление R служит для настройки рабочего

тока в компенсационной цепи.

Конструкция современных электронных автоматических по-

тенциометров основана на блочно-модульном принципе построе-

ния: прибор состоит из отдельных унифицированных блоков и уз-

лов, соединенных между собой проводами через штепсельные

разъемы.

Термометры сопротивления. Термометр сопротивления

представляет собой измерительное устройство, состоящее из

термопреобразователя сопротивления (ТС),

электроизмерительного прибора и соединительных проводов.

Термометры сопротивления широко применяются во всех

отраслях промышленности для измерения температуры в

достаточно широком диапазоне (от –260 и до +1100 °С).

Измерение температуры с помощью термопреобразователей

сопротивления основано на использовании зависимости

электрического сопротивления чувствительного элемента от

температуры:

R = f(t).

Вид этой функции зависит от природы материала

термопреобразователя сопротивления. В настоящее время

выпускаются три большие группы стандартных

термопреобразователей сопротивления: платиновые, медные и

никелевые. Платиновые предназначены для измерения

температуры от –260 до +1100 °С, медные – от –200 до +200 °С,

никелевые – от –60 до +180 °С. Наружная арматура ТС так же,

как и термоэлектрических преобразователей температуры,

состоит из защитной гильзы, подвижного или неподвижного

штуцера для крепления головки, в которой помещается

контактная колодка с зажимами для проводов, соединяющих ТС

с измерительным устройством термометра сопротивления.

В качестве

измерительных приборов,

применяемых в комплекте с

ТС, широко используются

логометры и

уравновешенные мосты.

Принципиальная

электрическая схема

уравновешенного моста

приведена на рис. 3.9. Она

состоит из постоянных

Рис. 3.9. Принципиальная схема

уравновешенного моста

резисторов R1 и R2, реохорда Rр, термопреобразователя

сопротивления Rt и сопротивления соединительных проводов

Rпр. В одну диагональ моста включен источник постоянного

тока Е, в другую – нуль-прибор НП. При равновесии моста,

которое достигается перемещением движка по реохорду Rp, сила

тока в диагонали моста равна нулю, т. е.

I0 = 0. В этот момент потенциалы в вершинах моста bud равны,

ток от источника

I разветвляется в вершине моста а на две ветви I1, и I2.

Следовательно, падения напряжения на резисторах R1 и R2

одинаковые.

Таким образом, при изменении Rt мост можно уравновесить

изменением сопротивления реохорда Rp.

Структурная схема электронного автоматического моста

аналогична схеме автоматического потенциометра.

Логометры являются

измерительными приборами,

показания которых

пропорциональны отношению

двух электрических величин

(обычно сил токов). Подвижная

система логометра (рис. 3.10)

состоит из двух жестко

скрепленных между собой рамок,

имеющих сопротивления R1 и R2,

расположенных под некоторым

углом одна к другой и

помещенных в переменный

воздушный зазор между

полюсными наконечниками

постоянного магнита и

Рис. 3.10. Принципиальная сердечником. Магнитная

электрическая схема

логометра

индукция между магнитными

наконечниками и сердечником

неравномерная и имеет зазор

между полюсными наконечниками постоянного магнита и

сердечником. Магнитная индукция между магнитными

наконечниками и сердечником неравномерная и имеет

наибольшую величину в середине, а наименьшую – у краев на-

конечников. Рамки закрепляют с помощью кернов и

подпятников, на растяжках или подвесах, что обеспечивает

возможность их поворота на некоторый угол. Ток к рамкам

подводится по спиральным безмоментным пружинкам, а также

через подвесы или растяжки. При изменении сопротивления Rt

вследствие изменения температуры через одну из рамок потечет

ток большей силы, равенство моментов нарушается и

подвижная система поворачивается на угол, пропорциональный

изменению температуры.

3.1.2. Измерение давления

Давление, как параметр, характеризующий состояние

различных веществ, определяется отношением силы,

равномерно распределенной по нормальной к ней

поверхности, к площади этой поверхности. Под абсолютным

давлением Рабс подразумевается полное давление, которое

отсчитывается от абсолютного нуля:

Рабс = Ризб + Ратм.

Абсолютное давление газа меньшее атмосферного

называется вакуумом (или вакуумметрическим давлением), т. е.:

Рвак = Ратм – Рабс.

Средства измерений, предназначенные для получения

измерительной информации обо всех видах давлений,

называются манометрами, а манометры для измерения давления

разреженного газа – вакуумметрами. Средства для измерения

разности двух давлений называются дифференциальными

манометрами, или дифманометрами.

Жидкостные манометры. Приборы этой группы основаны

на уравновешивании измеряемого давления или разности

давлений давлением столба рабочей жидкости. Они отличаются

простотой устройства и эксплуатации, а также высокой

точностью измерения, широко применяются в качестве

лабораторных и поверочных приборов. Диапазон измерения их

невелик.

Деформационные

манометры. Принцип действия

деформационных манометров

основан на использовании

деформации чувствительных

элементов (мембран, сильфонов,

пружин) или развиваемой ими

силы под действием измеряемого

давления среды и преобразовании

ее в пропорциональное

перемещение или усилие. На рис.

3.11 приведена схема устройства

мембранного де-формационного

Рис. 3.11. Мембранный дифманометра с индукционной

деформационный дифманометр дистанционной передачей

с датчиком индукционной измерительной информации на

дистанционной передачи

расстояние. Давление измеряемой

среды подводится к прибору по

импульсным трубкам. В плюсовой и минусовой камерах

дифманометра (т. е. в камерах, к которым подводятся большее и

меньшее давления) размещены две одинаковые мембранные

коробки 1 и 2, образованные из сваренных между собой

гофрированных мембран. Коробки укреплены в разделительной

перегородке, которая зажата между крышками корпуса 5.

Внутренние полости мембранных коробок заполнены жидкостью

и сообщаются через отверстие. С центром верхней мембраны

связан сердечник 3 индукционного преобразователя 4,

преобразующего перемещение в электрический сигнал,

подаваемый на измерительный прибор. При изменении перепада

давлений мембранные коробки деформируются, подвижные

центры коробок перемещаются и

жидкость перетекает из одной

коробки в другую.

Величина перемещения

подвижного центра верхней коробки

и соединенного с ним сердечника

зависит от параметров коробки и

разности давления снаружи и внутри

Рис. 3.12. Трубчато-

пружинный манометр

коробки. Деформация мембран продолжается до тех пор, пока

силы, вызванные перепадом давлений, не уравновесятся

упругими силами мембранных коробок.

Подобные мембранные дифмано-метры (типа ДМ)

изготовляются на перепады давлений от 1,6 до 630 кПа и

рабочее давление среды до 25 МПа. Класс точности приборов 1

– 1,5.

В сильфонных манометрах в качестве чувствительных

элементов используются сильфоны, представляющие собой

тонкостенную металлическую трубку с поперечной гофрировкой.

Некоторые типы сильфонов изготовляются с винтовой пружиной,

вставляемой внутрь, что несколько расширяет диапазон их

применения.

На рис. 3.12 приведена кинематическая схема

общепромышленного манометра с одновитковой пружиной

(трубка Бурдона). При изменении давления Рвх перемещение

конца трубки 3 через тягу 5 передается к сектору 1, который

вращается на оси 6. Угловое перемещение сектора с помощью

зубчатого зацепления вызывает вращение зубчатого колеса

(трубки) 2, на оси которого укреплена стрелка отсчетного

устройства 4.

Электрические

манометры. Эти приборы

основаны на использовании

зависимостей электрических

параметров преобразователей

давления от измеряемого

давления среды, и в

последние годы получили

широкое распространение.

Действие электрических

манометров сопротивления

основано на зависимости

электрического

сопротивления

Рис. 3.13. Измерительный блок чувствительного элемента от

электрического манометра

измеряемого давления.

Принцип действия комплекса

измерительных преобразователей типа «Сапфир» основан на

тензорезистивном эффекте тензорезисторов, наносимых в виде

монокристаллической пленки кремния на чувствительные

элементы приборов – тензомодули.

Измерительный блок, показанный на рис. 3.13, представляет

собой тензомодуль рычажно-мембранного типа 6, помещенный в

замкнутую полость основания 8. Последняя заполнена

полиметилси-локсановой жидкостью. Тензомодуль отделен от

измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами

1, соединенными между собой штоком 7, который связан с концом

рычага тензомодуля. Под действием разности давлений

происходит перемещение штока 7, которое вызывает прогиб

измерительной мембраны 2 тензомодуля, что ведет к изменению

сопротивления тензорезисторов 5, нанесенных на измерительную

мембрану. Электрический сигнал через выводы 3 передается во

встроенное электронное устройство 4, с которого он далее

передается в линию связи.

3.1.3. Измерение расхода и массы веществ

Расходомеры переменного перепада давления. Для

измерения расхода (дебита) жидкостей, газов и паров,

протекающих по трубопроводам, широко используются

расходомеры переменного перепада давления. Перепад

давления создается с помощью нормализованных сужающих

устройств. Наиболее

распространенными из них

являются диафрагмы.

Диафрагма представляет

собой тонкий диск,

установленный так, что

центр его лежит на оси

трубы в трубопроводе (рис.

3.14). При протекании

потока жидкости или газа в

трубопроводе с диафрагмой

Рис. 3.14. Схема измерения расхода сужение его начинается до

жидкостей и газов с помощью диафрагмы. На некотором

сужащего устройства

расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается

до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до

полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее

образуются зоны завихрения. Давление струи около стенки

перед диафрагмой возрастает из-за подпора перед ней. За

диафрагмой оно снижается до минимума, затем снова

повышается, но не достигает прежнего значения, так как

происходит потеря давления Рпот вследствие трения и

завихрений. Таким образом, часть потенциальной энергии

давления потока переходит в кинетическую. В результате этого

средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а

статическое давление Р2 в этом сечении становится меньше

статического давления перед сужающим устройством Р1.

Разность этих давлений (перепад давления ∆Р = Р1 – Р2) служит

мерой расхода протекающей через сужающее устройство

жидкости, газа или пара. Подключение к сужающему

устройству измерительного прибора – дифманометра осу-

ществляется с помощью импульсных трубок 1, 2, подводящих

давления Р1и Р2 к соответствующим полостям прибора.

Расходомеры обтекания. Эти устройства основаны на

зависимости перемещения тела, находящегося в потоке и

воспринимающего динамическое давление струи, от расхода

вещества. Наиболее широко применяемыми расходомерами

обтекания являются расходомеры постоянного перепада

давления – ротаметры. Последние применяются для измерения

рас-ходов однородных потоков чистых и слабозагрязненных

жидкостей и газов, протекающих по трубопроводам. Ротаметр

(рис. 3.15) представляет собой длинную

коническую трубку 1, располагаемую

вертикально, вдоль которой

перемещается поплавок 2 под действием

движущегося снизу вверх потока.

Поплавок перемещается до тех пор,

пока площадь кольцевого отверстия

между поплавком и внутренней

поверхностью конусной трубки не

достигнет такого размера, при котором

перепад давления по обе стороны

Рис. 3.15. Ротаметр

поплавка не станет равным расчетному. При этом действующие

на поплавок силы уравновешиваются, а поплавок

устанавливается на высоте, соответствующей определенному

значению расхода.

Тахометрические расходомеры. Принцип действия этих

устройств основан на использовании зависимости скорости

движения тел – чувствительных элементов, помещенных в

поток, от расхода вещества, протекающего через расходомеры.

В турбинных тахометрических расходомерах чувствительными

элементами являются вращающиеся под действием потока

жидкости или газа турбины-крыльчатки, располагаемые

горизонтально или вертикально. Камерные тахометрические

расходомеры представляют собой один или несколько

подвижных элементов, отмеривающих или отсекающих при

своем движении определенные объемы

жидкости или газа.

Электромагнитные

(индукционные) расходомеры. Эти

устройства предназначены для

измерения расхода различных жидких

сред, в том числе пульп с

мелкодисперсными неферромагнитными

частицами удельной

электропроводностью не ниже 5·10-2

См/м, протекающих в закрытых и

Рис. 3.16. Измерительный полностью заполненных трубопроводах.

преобразователь Широко применяются в разных отраслях

электромагнитного расходомера промышленности. Измерительный

преобразователь расхода

электромагнитного расходомера (рис. 3.16) состоит из

немагнитного участка трубопровода 3 с токосъемными

электродами 4 и электромагнита 2 с обмоткой возбуждения 1,

охватывающего трубопровод. При протекании

электропроводных жидкостей по немагнитному участку

трубопровода 3 через однородное магнитное поле, создаваемое

электромагнитом 2, в жидкости, которую можно представить

как движущийся проводник, возникает электродвижущая сила,

снимаемая электродами 4. Эта ЭДС прямо пропорциональна

средней скорости потока. Эта ЭДС представляет собой сигнал,

пропорциональный расходу, который поступает на

измерительный блок (на рисунке не показан), где он

преобразуется в стандартизированный вид и затем подается к

измерительному или управляющему устройству.

3.1.4. Измерение уровня

Поплавковые уровнемеры. Существует большое

разнообразие типов и модификаций поплавковых уровнемеров и

сигнализаторов, различающихся по конструкции, характеру

измерения (непрерывное или дискретное), пределам измерения,

условиям применения, системе дистанционной передачи и т. п.

Принцип их действия основан на использовании перемещения

поплавка на поверхности жидкости. Это перемещение

механически или с помощью системы дистанционной передачи

передается к измерительной части прибора.

В поплавковом уровнемере (рис. 3.17) изменение уровня

жидкости определяется по положению поплавка 1. Движение

поплавка передается с помощью троса или мерной ленты 2,

перекинутой через ролики 3 и 4, на мерный шкив 6, на оси

которого укреплена стрелка 5, показывающая по шкале уровень

жидкости в резервуаре. Поплавок и трос уравновешиваются

контргрузом 7 или пружиной.

Гидростатические уровнемеры. Принцип их действия

основан на измерении давления столба жидкости или

выталкивающей силы, действующей на тело, погруженное в

жидкость. В промышленности находят широкое применение

буйковые и пьезометрические (барботажные) гидростатические

уровнемеры.

Принцип действия буйковых

уровнемеров основан на измерении

выталкивающей силы, действующей на

буек, который погружен в жидкость и

удерживается в ней в заданном

положении с помощью какой-либо

внешней силы. В качестве этой силы

используется упругая сила пружины

Рис. 3.17. Поплавковый

уровнемер

или скручивающейся торсионной трубки.

Пьезометрические гидростатические уровнемеры

представляют собой открытую с одного конца измерительную

трубку, опускаемую в резервуар с жидкостью, уровень которой

измеряется. Через эту трубку продувается воздух, который

барботирует через жидкость в виде пузырьков. Давление воздуха в

трубке Р является мерой уровня жидкости. При этом следует

учитывать влияние плотности жидкости ρ, так как Р = ρgH.

Электрические уровнемеры. Изменение уровня в них с

помощью чувствительного элемента датчика преобразуется в

электрический сигнал, который измеряется каким-либо

электроизмерительным прибором. При этом используются

электрические свойства среды: электропроводность,

диэлектрическая проницаемость и др.

Акустические (ультразвуковые) уровнемеры. Эти приборы

основаны на свойстве звуковых колебаний отражаться от

границы раздела сред с различным акустическим

сопротивлением. К достоинствам ультразвуковых уровнемеров

следует отнести нечувствительность их к изменению свойств

измеряемой среды, большой температурный диапазон, высокую

надежность.

Радиоизотопные уровнемеры. В этих приборах

используется зависимость интенсивности потока

ионизирующего излучения, падающего на приемник (детектор)

излучения, от положения уровня измеряемой среды.

3.2. Измерительные преобразователи и приборы

для измерения состава и свойств сред

В ходе переработки исходных продуктов и сырья и

превращения их в готовую продукцию происходит

многократное изменение их физико-химических свойств и

состава. Измерение параметров, характеризующих состав и

свойства продуктов, позволяет судить о режиме этих процессов

непосредственно, так как именно они характеризуют качество

продукции. Поэтому контроль этих параметров является

обязательным, а иногда и главным элементом многих систем

управления технологическими процессами производств.

Средства измерений для получения измерительной информации

о составе или свойствах анализируемых веществ называются

анализаторами.

3.2.1. Измерение плотности жидкостей

Измерения, связанные с анализом состава и свойств

веществ, основаны на использовании зависимостей между

составом анализируемого вещества (или концентрациями

его компонентов) и величинами, характеризующими его

физические или физико-химические параметры. Плотность

жидкости является одним из показателей (параметров),

характеризующих ее свойства. Плотность – это масса

вещ ества, заключенная в единице о бъема.

Весовые плотномеры. Эти приборы основаны на

измерении массы анализируемой жидкости определенного

объема, которая является функцией ее плотности.

Конструктивно они выполняются в виде мерной камеры

определенного объема, масса которой измеряется.

Весовой плотномер (рис. 3.19) с U-образной трубкой 2 в

качестве чувствительного элемента снабжен пневматическим

преобразователем. По сообразной трубке непрерывно протекает

анализируемая жидкость, подводимая к ней через специальные

безмоментные подводы — гибкие рукава 1 (резиновые трубки,

сильфоны и т. п.). Изменение массы чувствительного элемента,

пропорциональное изменению плотности жидкости, передается

с помощью тяги 3 на левое плечо рычага 4. На правое плечо

того же рычага действуют противовес 5 и усилие сильфона об-

ратной связи 6. Перемещение рычага 4 преобразуется в пневма-

тический сигнал с помощью пневмопреобразователя типа сопло

– заслонка 7. Этот сигнал поступает к измерительному пне-

вматическому прибору и в сильфон обратной связи 6.При

равновесии рычага 4 выходной пневматический сигнал пропор-

ционален плотности анализируемой жидкости. Настройка при-

бора на необходимый диапазон измерения осуществляется пере-

мещением груза 5.

Рис. 3.19. Весовой плотномер жидкости

Поплавковые плотномеры. Приборы основаны на

изменении степени погружения поплавка, являющейся

функцией плотности анализируемой жидкости. При погружении

в жидкость полупогруженного тела (поплавка) согласно закону

Архимеда на него будет действовать

выталкивающая сила, равная массе

вытесненной им жидкости.

В лабораторной и

производственной практике широко

используются поплавковые приборы,

предназначенные для эпизодических

измерений, так называемые

ареометры. Они могут быть

стеклянными или металлическими и

самой разнообразной формы. В

промышленности применяется

большая группа плотномеров

автоматических, использующих

поплавковый (ареометрический)

принцип измерения. В поплавковом

плотномере (рис. 3.20)

Рис. 3.20. Автоматический анализируемая жидкость подводится

поплавковый плотномер в измерительную камеру 1 через

входной патрубок и отводится через

выходной сливной. Поплавок 2, полностью погруженный в

жидкость, с помощью штока 3 соединен с торсионной трубкой

(пружиной) 4. Усилие, создаваемое на ней, уравновешивает

выталкивающую силу поплавка. Торсионная трубка соединена

также с сердечником электрического преобразователя 5, к

которому подключается измерительный прибор.

Гидростатические плотномеры. Принцип их действия

основан на измерении давления столба однородной

анализируемой жидкости определенной высоты,

пропорционального ее плотности.

При неизменной высоте столба жидкости Н давление Р

является мерой ее плотности. Известны гидростатические

плотномеры с чувствительными элементами в виде мембран или

сильфонов и с продувкой воздухом, называемые

пневмометрическими.

Рис. 3.21. Схема Рис. 3.22. Радиоизотопный

пневмометрического измерения плотномер

плотности жидкости

Гидростатические пневмометрические плотномеры с

продувкой воздухом основаны на принципе, суть которого ясна

из схемы, приведенной на рис. 3.21. Через трубку, погруженную

открытым концом в анализируемую жидкость на постоянную

глубину Н, продувают (барботируют) воздух. К трубке

подключен измерительный прибор – чувствительный манометр,

давление в котором прямо пропорционально плотности

контролируемой жидкости.

Радиоизотопные плотномеры. Измерение плотности раз-

личных сред этими плотномерами основано на зависимости сте-

пени ослабления ионизирующего излучения, прошедшего через

анализируемую среду, от плотности этой среды.

В радиоизотопном плотномере (рис. 3.22) пучок γ −

излучения от источника 1 проходит через анализируемую

жидкость 2, протекающую по трубопроводу или находящуюся в

сосуде, и попадает на приемник излучения (детектор) 3. При

изменении плотности жидкости изменяется интенсивность

излучения, попадающего на приемник 3. Полученный сигнал

далее подается на усилитель 4, а затем и на измерительный

прибор 5.

3.2.2. Измерение вязкости жидкостей

Вязкость жидкостей характеризуется динамическим

коэффициентом вязкости — величиной, равной отношению

силы внутреннего трения, которая действует на поверхности

слоя жидкости при градиенте скорости, равном единице, к

площади этого слоя. Для измерения вязкости служат

вискозиметры.

Рис. 3.23. Капиллярный вискозиметр Рис. 3.24. Ротационный

вискозиметр с

коаксиальными цилиндрами

Капиллярные вискозиметры. Их действие основано на

использовании закона Пуазейля для истечения жидкости из

капиллярных трубок. В капиллярном вискозиметре (рис. 3.23)

постоянство значения расхода обеспечивается шестеренным

насосом 1. Анализируемая жидкость проходит через

капиллярную трубку 3 диаметром d и длиной L. Перепад

давления между входом и выходом трубки измеряется

чувствительным дифманометром 2, отградуированным в

единицах вязкости.

Шариковые вискозиметры. В основе принципа их

действия лежит теория Стокса, справедливая в применении к

движению шариков малого диаметра в жидкостях и

заключающаяся в том, что шар, падающий в достаточно вязкой

среде, приобретает постоянную скорость движения за

сравнительно короткий промежуток времени.

Ротационные вискозиметры. Принцип их действия

основан на измерении моментов сопротивления или крутящих

моментов, передаваемых анализируемой жидкостью

чувствительному элементу, которые являются функцией

вязкости жидкости. Чаще других применяются приборы с

коаксиальными цилиндрами, вращающимися телами и

вращающимися параллельными дисками, погружаемыми в

анализируемую жидкость.

Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами (рис. 3.24)

представляет собой два цилиндра, между которыми помещается

анализируемая жидкость. При вращении внешнего цилиндра 2 с

постоянной скоростью от электродвигателя 1 жидкость

приходит в стационарное вращательное движение и передает

момент вращения внутреннему цилиндру 3. Для сохранения

этого цилиндра в покое к нему должен быть приложен

противоположный по знаку и равный по величине момент силы,

создаваемый, как показано на рисунке, грузом 4.

3.2.3. Измерение содержания веществ,

растворенных в жидкостях

Анализаторы состава жидкостей

представляют собой средства измерений,

предназначенные для получения измерительной

информации о количестве вещества или его

концентрации, а в некоторых случаях – о сумме

компонентов веществ в анализируемой

жидкости.

Кондуктометрические приборы. Принцип

их действия основан на измерении

Рис. 3.25.

Схема

измерительно

й ячейки

кондуктомет

электропроводности анализируемых растворов. Удельная

электропроводность (удельная электрическая проводимость)

жидкостей в зависимости от концентрации и природы

растворенных в них веществ может изменяться на несколько

порядков, от 10–4 (чистая вода) до 100 См/м (сильные

электролиты), что позволяет в ряде случаев просто и с высокой

степенью точности контролировать концентрацию компонентов

в растворах.

Чувствительный элемент этих приборов – измерительная

ячейка – состоит из двух электродов, помещаемых в

анализируемый раствор на определенном расстоянии один от

другого (рис. 3.25).

Сопротивление ячейки определяется электропроводностью

раствора. При площади электродов S, расстоянии между

электродами L и удельной теплопроводности раствора σ,

сопротивление измерительной ячейки (в Ом):

R = L / σS = К / σ.

Измерение электропроводности может производиться как

на постоянном, так и на переменном токе. В настоящее время

широкое распространение получают бесконтактные методы

измерения электропроводности растворов, которые

обеспечивают измерение концентрации сильно загрязненных

агрессивных жидкостей, суспензий и коллоидных растворов

непосредственно в технологических потоках.

Оптические анализаторы. Эти приборы относятся к

классу спектральных анализаторов, в которых значение

выходного сигнала

измерительной

информации зависит от

взаимодействия потока

излучения с

анализируемой жидкостью

или от свойств излучения

анализируемой жидкости.

Рис. 3.26. Автоматический В оптических приборах,

рефрактомер

как правило, в качестве

измерительных

преобразователей оптических величин в электрические

применяются различные фотоэлектрические преобразователи.

Рефрактометрический метод анализа жидких сред основан

на использовании зависимости показателя преломления света

при переходе его из одной среды в другую. В проточном

рефрактометре (рис. 3.26) использована дифференциальная

измерительная кювета.

Световой поток от источника 1 проходит через коллиматор

2 и направляется на измерительную кювету 3, состоящую из

двух частей: одна заполнена эталонной жидкостью, а через

другую протекает анализируемый раствор. Пройдя через

измерительную кювету, световой поток попадает на блок

дифференциального фотоприемника 4, состоящего из двух

одинаковых фоторезисторов. Если коэффициенты преломления

контролируемой и образцовой жидкостей одинаковы, то и обе

половины фотоприемника освещены одинаково. При этом сигнал

разбаланса, подаваемый на электронный усилитель 5, равен

нулю. При изменении концентрации анализируемой жидкости

меняется коэффициент ее преломления, и луч света отклоняется

вверх или вниз, что поведет к изменению освещенности частей

фотоприемника. В результате на входе усилителя 5 появляется

сигнал разбаланса, который после усиления будет подан к

реверсивному электродвигателю 6, изменяющему положение

блока фотоприемника до наступления нового состояния

равновесия. Одновременно производится перестановка стрелки

показывающего или пера записывающего устройства 7.

3.3. Специальные методы измерения и контроля

В промышленности очень часто возникает необходимость в

измерении влажности газов, твердых и сыпучих материалов и

продуктов, состава газовых сред и других параметров, которые

не рассматриваются в предыдущих пунктах.

3.3.1. Измерение влажности газов,

твердых и сыпучих материалов

Содержание влаги (воды) в воздухе и других газовых

средах, а также в твердых, вязкопластичных и сыпучих

материалах является весьма важной характеристикой,

определяющей как протекание многих технологических

процессов, так и качество исходного сырья и готовой

продукции.

Методы измерения влажности газов. Влажность воздуха

(газа) – это содержание в нем водяного пара; абсолютная

влажность – масса водяного пара, содержащаяся в единице

объема влажного или сухого газа; влагосодержание – отношение

массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме.

1. Психрометрический метод измерения влажности основан

на использовании зависимости между упругостью водяного

пара в газовой среде и показаниями сухого и влажного

термометров, помещенных в эту среду.

Простейший психрометр состоит из двух одинаковых

жидкостных стеклянных палочных термометров,

расположенных рядом. Баллончик с ртутью одного из

термометров покрывается тканью, конец которой опускается в

резервуар с водой. На основании показаний обоих термометров

по соответствующим таблицам определяют влажность воздуха

или газа. Психрометрический метод положен в основу

построения ряда автоматических промышленных приборов,

предназначенных для непрерывного измерения влажности

воздуха и газов.

2. Конденсационный метод измерения влажности газов, или

метод точки росы, основан на использовании следующей

зависимости:

φ = Еτ / Е t ,

где Еτ – упругость насыщенного пара при температуре точки

росы τ, Па; Еt упругость насыщенного пара при температуре t,

Па.

Зная температуру точки росы τ и температуру исследуемого

газа t, можно определить его относительную влажность.

3. В основе сорбционного метода измерения влажности

лежит способность некоторых веществ, имеющих пористую

структуру, адсорбировать влагу на своей поверхности. В

сорбционных электролитических влагомерах

влагочувствительный элемент представляет собой жидкую или

сухую пленку электролита, наносимую на неэлектропроводную

основу (подложку), которая обладает свойством поглощать

влагу из окружающей среды до тех пор, пока не установится

динамическое равновесие между давлением водяного пара

непосредственно над поверхностью электролита и давлением

пара окружающей среды. Сопротивление электролитической

пленки чувствительного элемента влагомера изменяется в

зависимости от концентрации растворенного вещества и

температуры. В качестве электролитов, применяемых в электро-

литических датчиках, используются водные растворы хлорита

лития (LiCl), смесь поваренной и сегнетовой солей и др.

3.3.2. Измерение состава газов

В промышленности газоанализаторы используются для

анализа топочных газов при сжигании разных видов топлива, а

также для контроля концентрации предельных значений в

пожаро- и взрывоопасных производствах и помещениях, где

возможно скопление газов, вредных для здоровья

обслуживающего персонала.

В комплект газоаналитических приборов наряду с датчиком

и измерителем выходных сигналов входит, как правило, ряд

вспомогательных узлов, обеспечивающих нормальную работу

устройства в целом. Основными вспомогательными узлами

являются приспособления для отбора, очистки,

транспортирования и подготовки к анализу проб газовой смеси.

Механические газоанализаторы. К этой группе относятся

приборы, основанные на использовании различных химических

реакций и связанных с ними изменений объема или давления

анализируемой газовой смеси после удаления из нее

анализируемого компонента с помощью специальных

поглотителей.

Тепловые газоанализаторы. В газоанализаторах этого типа

(рис. 3.27) осуществляется измерение относительного изменения

теплопроводности анализируемой газовой смеси, сравниваемой

с теплопроводностью эталонной смеси известного состава.

Такое сравнение осуществляется с помощью измерительного

преобразователя – мостовой электрической схемы.

Измерительный мост образован двумя одинаковыми

чувствительными элементами (резисторами)Rа и Rэ,

выполняющими роль нагревателей и термопреобразователей

сопротивления одновременно, и двумя одинаковыми

постоянными резистора-ми R1 и R2. Один из чувствительных

элементов Rа помещен в рабочую

камеру, через которую непрерывно

протекает анализируемая газовая

смесь, а второй Rэ – в закрытую

сравнительную камеру, заполненную

эталонным газом известного состава.

Обычно температура нагрева

чувствительных элементов Ra и Rэ в

тер-мокондуктометрических

газоанализа-торах составляет 100—

120 °С.

Если теплопроводность

Рис. 3.27. Газоанализатор анализируемого и эталонного газов

по теплопроводности одинакова, нагреваемые в одинаковых

условиях резисторы Rа и Rэ будут

иметь одинаковую температуру и электрические сопротивления,

а следовательно, мост будет находиться в равновесии. При

отклонении теплопроводности анализируемой газовой смеси от

этого значения мост выйдет из равновесия и в диагонали его

появится напряжение разбаланса ∆U, которое служит мерой

концентрации определяемого компонента.

3.3.3. Измерение состава газов

и жидкостей методом хроматографии

Хроматография представляет собой физико-химический

метод разделения сложных газовых или жидкостных смесей,

при котором разделяемые компоненты распределяются между

двумя фазами, одной из которых является движущийся поток

анализируемого газа или жидкости – подвижная фаза, а второй –

неподвижный сорбент с развитой поверхностью – неподвижная

фаза, через которую движется анализируемый поток.

Проявительный метод хроматографического разделения по-

лучил наибольшее распространение. Он состоит в том, что через

неподвижный сорбент непрерывно протекает несорбирующийся

поток подвижной среды, в которую периодически вводится ана-

лизируемое вещество. Это вещество представляет собой смесь

сорбирующихся компонентов, подлежащих определению.

Процесс разделения компонентов при проявительной

хроматографии может быть представлен в виде схемы,

приведенной на рис. 3.28. Порция исследуемой смеси, состоящая,

например, из компонентов А, Б и В, вводится в разделительную

колонку, заполненную сорбентом – неподвижной фазой, и

перемещается вдоль нее с помощью потока инертного (по

отношению к сорбенту и компонентам смеси) носителя. При этом

будем считать, что сорбируемость компонентов смеси

характеризуется рядом А > Б > В. Так как компоненты смеси

имеют разную сорбируемость или растворимость, то движение их

в колонке замедляется по-разному. Через некоторое время вперед

уйдет компонент В, как менее сорбирующийся, за ним будет

располагаться компонент Б и, наконец, А, более сорбирующийся

и потому движущийся медленнее других компонентов. Затем

компоненты разделяются полностью, а при дальнейшем

движении между их слоями оказывается слой чистого носителя.

Таким образом, разделительную колонку покидают последова-

тельно чистый носитель и бинарная смесь (носитель + ана-

лизируемый компонент). Бинарная смесь поступает в спе-

циальный анализатор-детектор, выходной сигнал которого прямо

пропорционален концентрации анализируемого компонента.

Рис. 3.28. Схема хроматографического разделения смеси

Хроматографическая разделительная колонка представляет

собой трубку, в которую помещают неподвижную фазу,

прохождения газового потока. Важнейшей частью любого хро-

матографа является детектор, предназначенный для преобразо-

вания концентрации компонентов газа, выходящего из

хроматографической разделительной колонки, в

соответствующий электрический или другого вида сигнал,

удобный для дальнейшего использования в системе

автоматического контроля или регулирования. От совершенства

детектора во многом зависят чувствительность и точность

хроматографической установки в целом. Наибольшее

практическое применение в газовой хроматографии получили

детекторы по теплопроводности (термокондуктометрические

детекторы, или катарометры), ионизационные и пламенные.

Детекторы по теплопроводности по принципу действия

аналогичны соответствующим газоанализаторам,

рассмотренным в п. 3.3.2.