Индукционный термометр

Индукционный термометр (используется при прокатке стального листа) Индукционный термометр, работающий на принципе детектирования вихревых (индукционных) токов, реализует бесконтактный способ измерения температуры. Вихревые токи возникают, когда силовые линии высокочастотного магнитного поля пересекают поверхность стальной пластины и вызывают появление электродвижущей силы в стали. Эти вихревые токи создают новое магнитное поле, которое в свою очередь вызывает изменение импеданса детектирующей катушки. Величина вихревого тока изменяется с изменением температуры стальной пластины. А величина наводимого им сигнала зависит еще и от расстояния между детектирующей катушкой и поверхностью стальной пластины. Такой термометр применяется в металлургии для измерения температуры движущегося стального листа в диапазоне от 25 до 300 ⁰С с погрешностью, не превышающей ±3 ⁰С.

Вопросы для самопроверки

1. Сравните характеристики полупроводниковых датчиков температуры с резистивними датчиками температуры и термопарами. Определите области применения всех этих датчиков.

2. Какой из типов датчиков температуры предпочтителен для измерения на удаленных объектах – с выходом по току или по напряжению и почему.

3. Как влияет на статическую и динамическую ошибки измерения температуры плохой тепловой контакт датчика с контролируемым объектом?

4. Расположите датчики температуры, приведенные в (кроме термопар), по шкале робочих температур в диапазоне от –273 ⁰С до 3000 ⁰С.

5. Расположите датчики температуры по времени реакции, исходя из конструктивных особенностей и материала датчика, в диапазоне от 0 s до 30 min.

6. Расположите датчики температуры по точности преобразования от 0,001 ⁰С до 50 ⁰С.

7. Выбрать тип датчика температуры для использования в автоматических стиральных машинах.

Измерение давлений и расходов газов и жидкостей

Измерение давлений

Давление газов и жидкостей (Р) определяется как отношение силы (F) оказывающей действие на некоторую площадь к величине этой площади (S), т.е.

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль [Па].

= 0,0075 мм рт. ст.

В системе СГС единицей измерения давления является

1 бар = 10⁶ дин/см² = 10⁵ Па = 750 мм рт. ст.

Кроме того, существует еще несколько единиц измерения давления:

· нормальная физическая атмосфера

1 атм. = 1,01325·10⁵ Па = 760 мм рт. ст.

· техническая атмосфера

1 ат. = 1 кг/см² =735 мм рт. ст.

· пьеза

1 пз = 10³ Па = 7,5 мм рт. ст.

· мм ртутного столба

1 мм рт. ст. = 1 тор = 133,3 Па

Манометры служат для измерения давления жидкостей, газов и паров. Различают манометры для определения абсолютного давления, отсчитываемого от нуля (полного вакуума); избыточного давления, то есть превышения давления над атмосферным; разности двух давлений, отличающихся от атмосферного (дифференциальные манометры, или дифманометры). Приборы для измерения давления, соответствующего атмосферному, называют барометрами, давления ниже атмосферного – вакуумметрами. Шкалы манометра могут быть градуированы в килопаскалях (kPа) или мегапаскалях (MPа), а также в kgs/m², kgs/sm², барах, мм вод. ст., мм рт. ст. и др.

По принципу действия манометры могут быть жидкостными, грузопоршневыми, деформационными, тепловыми и другими, по способу представления информации о величине измеряемого давления – показывающими, регистрирующими и сигнализирующими. Кроме манометров с непосредственным отсчетом показаний применяют так называемые бесшкальные датчики (измерительные преобразователи) давления с унифицированными (стандартизованными) пневматическими или электрическими выходными сигналами. Такие датчики широко используют в системах автоматического контроля, регулирования и управления химико-технологическими процессами, в частности при автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств. Датчики давления должны надежно работать при наличии интенсивной вибрации, нестационарных температурных и электромагнитных полей, а также в агрессивных средах, в условиях высокой влажности, запыленности и загазованности окружающей среды. Дифманометры применяют в приборах для измерения уровня и плотности жидкости по величине гидростатического давления, а также в приборах для измерения расхода жидкости, пара или газа по перепаду давлений на сужающих поток устройствах (диафрагмах, соплах Вентури и других).

Рисунок 10.1 – Основные типы манометров

Основные типы манометров: жидкостные (а – U-образный, б, – чашечный); грузопоршневые (ж); деформационные (з – показывающий с трубчатой пружиной,).

Жидкостные манометры. В таких приборах измеряемое давление (разрежение) либо разность давлений уравновешивается давлением столба манометрической жидкости, заполняющей прибор. Диапазон измерения – 10 – 10⁵ Pa. Жидкостные манометры применяют в основном при определении давления в лабораторных условиях и при поверке других манометры Погрешность измерения U-образных и чашечных манометры (0,5 – 1,0 %) определяется погрешностью самого прибора, ошибкой отсчета показаний и несоответствием действительного и расчетного значений плотности манометрической жидкости. Двухчашечные (компенсационные) микроманометры с верхними пределами измерения до 2,5 – 10³ Pа имеют погрешность 0,02 – 0,05 %. При малых пределах измерения (до 10⁴ Pа) манометры заполняют легкими жидкостями (водой, спиртом, толуолом, силиконовым маслом), при увеличении пределов измерения до 10⁵ Pа – ртутью.

В поплавковых, колокольных и кольцевых дифманометрах мера измеряемого давления (перепада) – не высота столба жидкости, а определяемое им положение подвижного элемента прибора. Манометрической жидкостью в поплавковых дифманометрах обычно служит ртуть или силиконовое масло. Пределы измерения серийных приборов (от 4 – 10³ Pа до 0,16 MPа) обеспечиваются изменением высоты и диаметра одного из сосудов дифманометра. Погрешность не более 2,5 % от верхнего предела измерения. Колокольные дифманометры (манометрическая жидкость – вода или масло) используют для измерения малых давлений и перепадов давлений от 25 до 400 Pа. Погрешность 1,5 и 2,5 % от диапазона измерения.

В кольцевых дифманометрах (кольцевых весах) замкнутый сосуд с непроницаемой перегородкой в верхней части установлен на призматическую опору, которая расположена в центре тяжести сосуда.

Под действием разности давлений по обе стороны перегородки манометрическая жидкость перемещается внутри кольца в сторону полости с меньшим давлением. Кольцо поворачивается в обратном направлении, пока момент силы, действующей на перегородку, не станет равным моменту силы тяжести противодействующего груза. Мера измеряемой разности давлений – угол поворота кольца. Основные достоинства кольцевых манометры: высокая чувствительность, независимость угла поворота от плотности манометрической жидкости, независимость показаний от температуры окружающего воздуха. Верхние пределы измерения от 400 до 2,5·10⁴ Pа, погрешность 1,0 и 1,5 % от предела шкалы. Поплавковые, колокольные и кольцевые дифманометры – показывающие или записывающие приборы, некоторые манометры снабжены счетчиками расхода, регуляторами, сигнализаторами, а также устройствами для получения унифицированных пневматических или электрических сигналов дистанционной передачи.

Грузопоршневые манометры. В этих приборах измеряемое давление, действующее через манометрическую жидкость на поршень манометра, уравновешивается весом поршня и набором калиброванных грузов. Приборы отличаются высокой точностью и стабильностью показаний; погрешность от 0,02 до 0,2 % от верхнего предела измерения. Для определения небольших избыточных давлений, разрежения, абсолютного и атмосферного давлений применяют манометры специальных конструкций. Грузопоршневые манометры используют, как правило, для поверки манометров других типов и при лабораторных измерениях.

Деформационные манометры. Измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругих чувствительных элементов: трубчатых манометрических пружин – одно- и двухвитковых, S-образных, винтовых, геликоидальных, спиральных; плоских и гофрированных мембран; мембранных коробок; сильфонов; цилиндрических трубок и стаканов. Пределы измерения от 10 до 2,5·10⁹ Pа. Простота преобразования давления в упругую деформацию чувствительного элемента и большое разнообразие удобных в эксплуатации конструкций обусловили широкое применение деформационных манометров. Принцип работы таких манометров заключается в том, что под действием давления деформируется сечение пружины и происходит перемещение ее свободного конца, преобразуемое передаточным механизмом в перемещение стрелки, которая показывает давление по шкале. Диапазон измерения обычно от 0,1 до 2500 MPа, погрешность 0,16 – 4,0 %.

В химии и химической технологии для защиты пружинных манометры от контакта с агрессивными и высокотемпературными средами часто используют т.н. мембранные разделители давления с закрытой камерой. Внутренняя полость манометрической пружины заполняется минеральным или силиконовым маслом, через которое передается измеряемое давление рабочей среды, непосредственно соприкасающейся с разделительной мембраной. Последнюю изготовляют из нержавеющих сталей и сплавов, в том числе с высоким содержанием Ni и Мо, а также из титановых сплавов. При измерении давления вязких, полимеризующихся и кристаллизующихся сред применяют так называемые бескамерные манометры с открытым чувствительным или разделительным элементом – сильфоном либо мембраной.

Для измерения небольших давлений (разрежений) и разности давлений применяют манометры с чувствительными элементами в виде сильфонов, гофрированных мембран и мембранных коробок. В зависимости от диаметра, толщины и свойств материала, формы и глубины гофрировки чувствительных элементов можно измерять давление от 100 до 10⁷ Pа и более. Погрешность 0,5 – 2,5 %.

Перспективны приборы, действие которых основано на так называемом тензорезистивном эффекте – изменении электрического сопротивления твердого проводника (чувствительного элемента) в результате его деформации, пропорциональной измеряемому давлению. Эти датчики отличаются простотой конструкции, небольшими габаритами и массой, повышенной виброустойчивостью, высокими динамическими характеристиками и небольшой погрешностью (0,25 – 0,50 %). Отечественный комплекс тензорезисторных преобразователей давления (избыточного и абсолютного, а также разрежения) и разности давлений с упругими чувствительными элементами на основе монокристаллических подложек из искусственного сапфира с кремниевыми тензорезисторами позволяют контролировать гидростатическое давление агрессивных, вязких и кристаллизующихся сред при 200 – 300 ⁰С. Диапазон измерения от 60 до 10⁸ Pа, погрешность обычно не превышает 0,1, 0,25 или 0,5 %. В комплекс входят также преобразователи гидростатического давления, предназначенные для получения информации о плотности или уровне жидкостей.

В манометре типа «Сапфир» осуществляется непосредственное преобразование упругой деформации мембраны под действием давления в электрический сигнал с помощью тонкопленочных кремневых тензорезисторов, расположенных на поверхности мембраны. Сигналы тензорезисторов преобразуются в электрический сигнал гостированного диапазона (в частности, для «Сапфира» это диапазоны: от 0¸5 mА до 0¸20 mА; либо 4 – 20 mА).

Аналогичные манометры западных фирм могут содержать в составе прибора преобразователь аналог-код, цифровые индикаторы и контроллер последовательного интерфейса RS-232, RS-485 для связи с микропроцессорным устройством сбора информации.

Электрические манометры. Электрические манометры, используют, в основном, два метода измерения: термокондуктометрический и ионизационный.

В манометрах использующих первый метод, давление газа определяется по его теплопроводности (могут классифицироваться как тепловые манометры) Для этого стабилизированным током нагревается металлическая нить, которая находится в контролируемой среде. Температура нити определяется термопарой. Чем больше давление газа, тем больше его теплопроводность, тем меньше температура нити. С помощью такого манометра определяется давление в диапазоне от 0,1 до 150 Pа.

В манометрах использующих ионизационный метод давление определяется по значению ионного тока через разреженный газ. Газ ионизируется под действием термоэлектронной эмиссии или под действием ядерных излучений.