Термоэлектрические термометры

Основаны на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разную температуру.

Цепь из двух разнородных проводников (рис. 2.7.) называется термопарой. Спай с температурой t называется горячим. Спай с температурой t₀ называется холодным или свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект обусловлен наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов.

Рис.2.7. Схема термоэлектрического термометра

Если в спае с температурой t электроны из металла А диффундирует в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении, то проводник А заряжается положительно, а В – отрицательно.

Эффект нагревания или охлаждения спая двух разных металлов, будучи пропорционален току, служит доказательством того, что спай является местом возникновения термо-ЭДС. Это явление в 1854 г. Кельвин подтвердил экспериментально.

Для замкнутой цепи из двух проводников А и В, спаи которых нагреты до температуры t и t₀ (рис. 2.7.), обходя цепь против часовой стрелки, для суммарной термо-ЭДС получим следующее выражение:

Е_АВ (t, t₀ )=е_АВ (t)+е_ВА (t₀). (2.8)

Если t= t₀ , то Е_АВ (t₀, t₀ )=е_АВ (t₀)+е_ВА (t₀)=0,

т.е е_ВА (t₀) = - е_АВ (t₀). (2.9)

Тогда уравнение (2.8) примет вид

Е_АВ (t, t₀ )= е_АВ (t) - е_АВ (t₀). (2.10)

Приняв температуру холодного спая t₀ =const, получим

Е_АВ (t, t₀ )=f(t). (2.11)

Для конкретной термопары измерение температуры сводится к определению термо-ЭДС термопары.

На практике цепь (рис. 2.7) разрывается в месте холодного спая для подключения измерительного прибора (проводник С на рис 2.8).

Рис.2.8. Схема термоэлектрического термометра с проводником С

(измерительным прибором).

При этом в процессе измерения температура свободных концов термопары t₀' может оказаться отличной от t₀ при градуировке термопары (обычно t₀ = 0 ⁰ С, реже 20 ⁰С), тогда необходимо вводить поправку:

Е_АВ (t, t₀) = Е_АВ (t, t₀') ± Е_АВ(t₀', t). (2.12)

Знак (+) соответствует, если t₀' > t₀ ,а (-) – если t₀' < t₀ . Для автоматического учета поправки на изменение температуры свободных концов термопары в измерительной схеме приборов применяют специальные термостатирующие мосты.

На предприятиях химической промышленности наиболее распространенны следующие стандартные термопары:

Хромель-копелевая (ХК); хромель-алюмелевая (ХА); платино-платинородиевая (ПП) и др. Широкое распространение термопар ХК и ХА обусловлено их хорошей чувствительностью (0,069 мВ/град и 0,04 мВ/град) и линейностью. Диапазон измеряемых температур для них доходит соответственно до 600 ⁰С и до 1100 ⁰С. Термопара ПП применяется для измерения более высоких температур, до 1300-1600 ⁰С.

Датчики температуры серии ''Метран''

В термопреобразователях серии ''Метран-200'' [44] обобщен метод проектирования и эксплуатации датчиков температуры аналогичного исполнения. Этот опыт, как отечественный, так и зарубежный, синтезирован в новых конструкциях датчиков, основанных на использовании технологий конверсионных предприятий, входящих в промышленную группу (ПГ) «Метран», а также ряда предприятий Уральского региона. В термопреобразователях серии «Метран-200» форма головки выполнена в стиле, согласующемся с конструктивным стилем датчиков давления серии «Метран». Размеры головки позволяют встраивать различные функциональные устройства, которые обеспечивают предварительную обработку измеряемого параметра и преобразовывают обработанный сигнал в форму, удобную для дальнейшей передачи информации, в том числе и на устройства верхнего уровня. Термопреобразователи «Метран-200» обладают следующими преимуществами по сравнению с аналогами: срок службы увеличен в 1,5-2 раза; основная погрешность термоэлектрических преобразователей снижена на 20-30%; рабочий диапазон окружающей температуры от –45 ⁰С до +85 ⁰С; степень защиты от пыли и влаги доведена до уровня 1Р65.

Термопреобразователи могут иметь изгибающийся кабель для установки в трудно доступные места, например в случае контроля температуры подшипников.

Термопреобразователи сопротивлениямедные и платиновые могут быть взрывозащищищенного исполнения.

2.3.2. Измерение давления

Приборы для измерения давления устанавливаются на магистралях, по которым подается технологический пар, сжатый воздух, жидкие вещества, на технологических объектах химического производства, в гидравлических линиях высокого давления для привода прессов.

Различают следующие виды давления: абсолютное Р_абс, барометрическое атмосферного воздуха Р_б., избыточное Р_и и вакуумметрическое Р_в.

Абсолютное давление Р_абс- полное давление, под воздействием которого находится жидкость, газ или пар: Р_абс=Р_б+Р_и.

Разность между абсолютным давлением и давлением окружающей атмосферы называется избыточным давлением: Р_и=Р_абс- Р_б. .

Приборы для измерения давления называются манометрами.

Если абсолютное давление меньше барометрического, то разность между ними называется вакуумметрическим давлением (разрежением или вакуумом) Р_в=Р_б-Р_абс .

Приборы для измерения вакуума называются вакуумметрами.

В международной системе единиц (СИ) в качестве основной единицы давления принят паскаль (Па), имеющий размерность ньютон на квадратный метр (Н/м²).

В качестве чувствительных элементов используются: манометрические трубки, мембраны, сильфоны (гофрированные стаканы). При этом измеряемое давление преобразуетсся в перемещение, которое тем или иным способом преобразуется в электрический сигнал, либо в перемещение показывающей стрелки.

Мембранные и сильфонные чувствительные элементы. Мембранные ЧЭ применяются для измерения небольших давлений (рис. 2.9).

В качестве материала мембран используются резина или кожа.

При давлении выше 10 000 Па применяют металлические (латунные, бронзовые и др.) мембраны или мембранные гофрированные коробки (а). При этом улучшается линейность характеристики и ход выходного штока с приводом стрелки. При более высоких давлениях используют сильфоны (чаще с пружиной) (б), которые обеспечивают больший ход h измерительного штока при хорошей линейности характеристики.

Рис. 2.9. Мембранный (а) и сильфонный (б) чувствительные элементы.

Широкое распространение получили сигнализирующие манометры типа ЭКМ, манометры с индуктивным съемом сигнала давления типа МЭД и самопишущие сигнализирующие манометры типа МСС и др.

Как уже отмечалось выше (в п. 2.2.1), все более распространенными и перспективными средствами измерения различных видов давления являются приборы на основе тензорезисторных чувствительных элементов.

Среди отечественных производителей датчиков давления, разрежения, разности давлений, расхода и уровня жидкостей для применения в различных отраслях промышленности Промышленная группа «Метран» прочно занимает лидирующее место [44].

Для нефтяной и газовой промышленности освоены в производстве коррозионностойкие датчики серии «Метран-49».

Датчики нового приборного комплекса «Метран-22» полностью взаимозаменяемы с датчиками комплекса «Сапфир-22». Поэтому датчики этого комплекса легко интегрируются в существующие системы автоматизации технологических процессов. При этом датчики «Метран-22» отличаются от аналогичных датчиков «Сапфир-22М» более высокой точностью, уменьшенной температурной погрешностью, простотой настройки и регулировки диапазона измерений, повышенной надежностью электронного преобразователя.

Принцип действия всех перечисленных выше датчиков основан на использовании пьезорезисторного эффекта в тонкой полупроводниковой пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической подложки из искусственного сапфира. Монокристаллическая структура кремния на сапфировой подложке в виде плоской мембраны, воспринимающей измеряемое давление, позволяет обеспечить высокую стабильность метрологических характеристик и отсутствие гистрезиса при преобразовании механического выходного параметра в электрический сигнал. Кроме того, благодаря высоким диэлектрическим свойствам сапфира, сравнительно просто и надежно решена проблема создания датчиков искробезопасного исполнения, а также датчиков, отвечающим требованиям грозозащиты и выдерживающих без пробоя высокое напряжение и всплески электрического тока.

Наличие жидкокристаллического дисплея позволяет производить точные настройки датчика на месте установки, контролировать текущее значение измеряемого параметра в выбранных физических единицах или в миллиамперах выходного сигнала или в процентах выходного сигнала, измеряющегося в одном из стандартных диапазонов 0-5 или 4-20 мА.

2.3.3.Измерение уровня

Измерение уровня жидких сред часто осуществляется с помощью поплавковых и буйковых ЧЭ, которые преобразуют измерение уровня в перемещение и далее в электрический сигнал (рис.2.10) с помощью потенциометрических, индуктивных, дифференциально трансформаторных тензорезисторных и др. датчиков перемещения.

Рис.2.10. Схема измерения жидкости с помощью поплавкового ЧЭ: 1- емкость с жидкостью; 2 – поплавковый чувствительный элемент; 3- РО на линии притока жидкости (Q_p); h – уровень жидкости; Q_h – расход жидкости из емкости; 4- дифференциальнотрансформаторный преобразователь для дистанционной передачи сигнала об уровне жидкости.

Значительные усилия, развиваемые поплавковыми ЧЭ, позволяют часто объединить их с помощью рычага или другой механической передачи с РО и таким образом получить регулятор прямого действия. Промышленными регуляторами уровня прямого действия является сантехнический регулятор уровня, регулятор уровня типа РУ-16, поплавковый уровнемер УДУ-5. Класс точности поплавковых уровнемеров 1÷1,5.

Большое распространение получили кондуктометрическиеи емкостные уровнемеры (табл.2.2). Кондуктометрические уровнемеры работают по принципу замыкания стержневых электродов электропроводящей жидкостью и применяются при работе с растворами кислот, щелочей, красителей и т.д. В качестве датчиков здесь могут применятся металлические или угольные (для агрессивных жидкостей) электроды, которые обычно включаются в одно из плеч моста переменного тока, питание которого осуществляется от стабилизированного по частоте высокочастотного генератора. Емкостные уровнемеры применяются преимущественно для неэлектропроводных однородных жидкостей и основаны на преобразовании электрической емкости, изменяющейся прямопропорционально изменению уровня жидкости, в унифицированный сигнал постоянного тока.

1.3.4. Анализаторы состава жидкостей

1.Измерение кислотности (щелочности) растворов.

Кислотность (щелочность) растворов является одной из важных характеристик технологических процессов в химических производствах. Обычно она оценивается с помощью водородного показателя рН. Установлено, что в интервале температур 20…25 ºС ионное произведение воды К_Н2О=1·10^-14. Это позволяет для любого водного раствора найти концентрацию ионов [ОН] при известной концентрации [Н] и наоборот

Таблица 2.2.

Датчики уровня для нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей

В любом нейтральном растворе и в воде концентрации ионов [Н] и [ОН] одинаков и равны 10 ^–7 г·ион/л. Если в водном растворе [Н] > [ОН] > 10^-7 г·ион/л, то раствор имеет кислую реакцию. Если [Н] < [ОН] < 10^-7 г·ион/л, то раствор имеет щелочную реакцию.

Для оценки концентрации водородных ионов введен показатель, представляющий значение отрицательного десятичного логарифма концентрации водородных ионов, который называется водородным показателем рН.

Для нейтральной среды рН = -lq·[10^-7] = 7. (2.14.)

Распространены два метода измерения рН: кондуктометрический и гальванометрический. Кондуктометрический метод основан на определении электропроводности раствора сильных кислот и щелочей со значительным содержанием солей. Гальванометрический (потенциометрический) метод является основным для технических измерений и использует два электрода, один из которых измерительный, потенциал которого меняется в зависимости от концентрации ионов в контролируемом растворе, а другой – сравнительный,потенциал которого от свойств контролируемого раствора не зависит.

Упрощенная схема автоматического рН-метра со вторичным прибором (автоматическим электронным потенциометром) показана на рис.2.11. Измеряемая ЭДС электронной пары практически полностью уравновешивается выходным напряжением усилителя преобразователя Пр.

Рис.2.11. Схема автоматического рН-метра: 1 – емкость с раствором ;2 – электродная пара, состоящая из измерительного стеклянного электрода (ЭС) и вспомогательного каломельного электрода (ЭК); Пр – преобразователь ЭДС электродной пары; ВП – вторичный прибор (автоматический потенциометр).

Сила тока в цепи выходного усилителя преобразователя, пропорциональная величине рН контролируемого раствора, показывается на приборе преобразователя, шкала которого градуирована в единицах рН. Показания преобразователя могут передаваться на вторичный прибор, который не только показывает и регистрирует значение рН, но и может регулировать.

Промышленностью выпускается, например, рН-метр типа ПМК-У2., предназначенный для непрерывного измерения и регистрации величины рН кристаллизующихся, пленкообразующих растворов и пульп. Он может применяться для контроля величины рН в загрязненных сточных и оборотных водах, в технических растворах, на предприятиях химической, металлургической и нефтеперерабатывающей промышленностей. В комплект поставки входят: датчик, генератор ультразвуковой типа УЗГ-П (для очистки электродов), преобразователь П-210; регистрирующий прибор типа ДИСК-250-1221; комплект запасных частей и принадлежностей.

Изготовитель: НПО «Измерительная техника», г. Москва.

2.Анализаторы автоматические типа «Флюорат-АЕ2», «Флюорат-АА2» применяются для непрерывного контроля содержания соответственно нефтепродуктов и алюминия в потоке воды или для анализа серий проб. Определение концентрации нефтепродуктов производится флюоресцентным методом.

3. Измеритель содержания воды в нефтепродуктах ИВО-43 предназначен для автоматического анализа сырой нефти, бензина, керосина, углеводородного топлива, масла, смазки, твердых продуктов органического синтеза; имеет встроенный дисплей, аналоговый выход и разъем RS-232, проточную ячейку.

4.Хроматограф промышленный типа «Микрохром-1121» предназначен для качественного и количественного определения на потоке состава смесей органических и неорганических веществ, отбираемых на анализ в виде жидких или газообразных и паровых проб. Применяется в качестве датчиков состава в системах контроля и регулирования технологических процессов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.

2.3.5. Влагомеры неводных жидкостей [ 40]

1. Влагомер сырой нефти типа ВСН-БОЗНА. Предназначен для непрерывного определения процентного содержания воды в добываемой нефти после предварительной сепарации свободного газа, вычисления средней по объему влажности нефти и объема чистой нефти при работе в комплекте со счетчиком жидкости на групповых замерных установках

2. Блок контроля качества нефти типа БКН. Предназначен для непрерывного определения, выдачи и регистрации параметров нефти (расхода, влагосодержания, давления, плотности, вязкости и температуры) в процессе учета и отбора объединенной пробы.

2.3.6. Измерение плотности и вязкости жидкостей [ 40]

1.Измерители плотности растворов типа ИПР-2 предназначены для применения в качестве стационарного промышленного средства измерения плотности и температуры агрессивных растворов кислот, солей, щелочей, органических растворителей и нефтепродуктов непосредственно в технологических процессах их получения или использования.

2.Индикатор вязкости поточный автоматический типа ИВП предназначен для непрерывного измерения вязкости нефтепродуктов и других жидкостей в технологических потоках. Определение динамической вязкости основано на зависимости от периода давления на капиллярной трубке при постоянном расходе и температуре жидкости.

2.3.7. Анализаторы газов [ 40]

1.Анализатор кислорода и оксида углерода типа АКВТ-02 предназначен для непрерывного измерения кислорода и оксида углерода в отходящих газах процессов сгорания различных видов топлива и выдачи унифицированного аналогового сигнала, а также для определения соотношения «воздух-топливо» в целях их оптимизации и минимизации выбросов вредных веществ в атмосферу.

2.Газоанализатор типа ГТВ-1101М предназначен для непрерывного измерения объемной доли водорода в кислороде, азоте, воздухе; кислорода в водороде, гелии, а также двуокиси углерода и азота в гелии.

3.Газоанализатор типа ГТМ-5101М предназначен для непрерывного измерения объемной доли кислорода в различных средах и применяется для работы на объектах нефте- и газопереработки, в химических и других отраслях промышленности. Принцип работы – термомагнитный. Выходные параметры аналогичны типу ГТВ-1101М.

4.Сигнализатор довзрывоопасных концентраций паров нефти с цифровой индикацией типа СТХ-18. Промышленный автоматический стационарный непрерывного действия двухпороговый одноканальный сигнализатор СХТ-18 предназначен для контроля довзрывоопасных концентраций совокупности паров нефти различных месторождений и суммы горючих газов и паров в воздухе производственных помещений и выдачи сигнализации о превышении установленных значений концентраций.

5. Газоанализатор типа «Меран-С» на сероводород находит широкое применение в химической и нефтехимической, газовой, текстильной, резино-перерабатывающей, нефтеперерабатывающей промышленностях и городском коммунальном хозяйстве.Газоанализатор представляет собой стационарный автоматический непрерывного действия показывающий сигнализирующий прибор. Количество каналов измерения – 3.

6.Газоанализатор многоканальный типа па АНКАТ-762. Предназначен для непрерывного контроля токсичных газов (СО, Н₂S, SO₂ , Cl₂ ) на уровне ПДК рабочей зоны. Применяется на нефтеперерабатывающих заводах. Изготовитель: ФГУП СПО «Аналитприбор», г. Смоленск.

2.3.8. Измерение количества и расхода жидкостей и газов

Приборы для измерения количества и расхода вещества широко применяются на производстве как для контроля за ходом технологического процесса, так и для учета расходования сырья, топлива, выработки продукции и т. д. Необходимо различать понятия «количество» и «расход». Под понятием «количество вещества» имеют ввиду количество вещества, прошедшее через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток времени (смену, сутки, месяц и т.д. ) , а под «расходом»- количество вещества, прошедшее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Количество вещества измеряется счетчиками количества. Приборы, применяемые для измерения расхода вещества, называются расходомерами. Количество вещества выражают в единицах массы (кг), либо объема (м³). Единицами измерения расхода вещества служат массовые единицы (кг/с, кг/ч) и объемные (м³/с, м³/ч).

Соотношение единиц объемного ( Q_об ) и массового ( Q_м ) расходов определяется формулой Q_М= Q_об · ρ ,

где ρ - плотность вещества, кг/м³. Наиболее распространенными являются расходомеры: по переменному перепаду давления, постоянного перепада давления и электромагнитные.

Расходомеры по переменному перепаду давления (рис.2.12) основаны на зависимости перепада давления в сужающем устройстве (диафрагме, сопле и т.д.) ΔР=(Р₁- Р₂) от скорости потока жидкости V_п.. Скорость потока жидкости при постоянном сечении трубопровода определяет расход жидкости Q_п. Таким образом статическая характеристика этого расходомера представляет собой зависимость Q_п=f (∆p).

Рис.2.12. схема расходомера по перепаду давления:

1 – труба; 2 – сужающее устройство (диафрагма);

3 – дифференциальный манометр (ДМ); 4 – вторичный прибор (ВП);

Р1 и Р2 – давление контролируемой среды до и после сужающего устройства.

Для измерения разности давления ∆p применяются приборы, называемые дифференциальными манометрами (дифманометрами). Рассмотрим мембранный дифманометр (рис 2.13).

Измеряемая разность давления ∆р = (Р₁-Р₂ ) вызывает соответствующий прогиб мембраны, вызывающий перемещение потока 3, связанного с сердечником преобразователя 4. В зависимости от положение сердечника на выходе преобразователя образуется сигнал U_вых, передаваемый на вторичный прибор дифференциально-трансформаторной системы типа КСД.

Рис 2.13. схематическое устройство мембранного дифманометра:

1 – мембранная коробка; 2 – жесткий центр; 3 – шток;

4 – дифференциально–трансформаторный (в частности) преобразователь для дистанционной передачи показаний.

за последние годы все больше распространение получают дифманометры из серии тензорезисторных приборов, например, типа «Сапфир –22», «Метран –22».

В измерение расхода по переменному перепадудавления наступила новая эра [30]. Датчики перепада давления покупают в 2 раза чаще, чем их ближайших конкурентов по способам измерения расхода. Несмотря на то, что внедряются новые способы измерения расхода, обладающие определенными достонствами, расходомеры по перепаду давления остаются наиболее популярными.

Сегодня многопараметрическая технология в сочетании с инженерным решением по измерению (EMS) расхода, используемые в датчике моде. 3095MV, еще более усовершенствовали этот всемирно распространенный стандарт измерения расхода.

Многометрический массовый расходомер «Maltivariable™» мод. 3095МV обеспечивает эффективные по затратам измерения расхода как жидкостей, так и газообразных веществ и паров. Это компактное устройство с высокой точностью измеряет перепад давления, статическое давление и температуры и температуру процесса. Он обеспечивает идеальный переход от существующих измерений нескомпенсированного объемного расхода по перепаду давления к скомпенсированным по давлению и температуре измерениям массового расхода. Это дает возможность провести оптимизацию установок без изменения существующих трубопроводов и предоставить информацию в масштабе реального времени для стабилизации массовых и тепловых потоков в технологическом узле или во всей установке. Датчик выдает сигнал 4…20 мА, который пропорционален массовому расходу и может быть использован для измерения, регулирования и управления. Значения расхода представлено также в цифровом формате.

Все большее применения находят массовые расходомеры Micro Motion [44] моделей basis, D, Elite, обеспечивающие прямое измерение массового расхода, что делает их самыми точными в мире, они не имеют ограничений на состав, вязкость и характер течения измеряемой среды (газ, пар, жидкость, в том числе агрессивные, эмульсии, суспензии, тяжелые и вязкие среды, такие как сырая нефть, мазут, битум, гудрон). Сенсор расходомера основан на эффекте Корполиса.

Для технологического и коммерческого учета расхода и объема воды и водных растворов в составе теплосчетчиков или счетчиков – расходомеров в заполненных трубопроводах систем водо- и теплоснабжения разработан преобразователь расхода вихреакустический Метран – 300 ПР.