Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

201

автокомпенсационной схеме. Однако благодаря большому коэффициенту

усиления системы статическая ошибка уравновешивания мала.

Таким образом, ток лампы, однозначно связанный с ее спектральной

яркостью, может служить мерой яркостной температуры объекта.

Следовательно, измеряя автоматическим потенциометром падение напряжения,

вызванное током лампы на резисторе 10 с сопротивлением R, шкалу

потенциометра градуируют в значениях яркостной температуры.

В фотоэлектрических пирометрах с нижним пределом измерения 800°С и

выше применяют вакуумные сурьмяно-цезиевые фотоэлементы, имеющие

спектральную характеристику, схожую со спектральной характеристикой глаза

человека. Поэтому в фотоэлектрических пирометрах указанный фотоэлемент в

сочетании с красным светофильтром позволяет (для диапазона измерений

800—4000°С) получать показания прибора, совпадающие с показаниями

оптических визуальных пирометров. Фотоэлектрические пирометры имеют

основную погрешность ± 1 % при верхнем пределе измерений до 2000°С и

±1,5% при верхнем цределе более 2000°С.

Использование в фотоэлектрических пирометрах других чувствительных

к световому потоку элементов позволяет снизить нижний предел измерения, в

частности при использовании в качестве приемника излучения сернисто-

свинцового фотосопротивления нижний предел измерения пирометра равен

200°С.

Пирометры спектрального отношения, или цветовые пирометры, как

указывалось, предназначены для определения цветовой температуры путем

измерения отношения спектральных энергетических яркостей,

соответствующих двум длинам волн.

Подставляя в уравнение (6.75) вместо

B , и

B их выражения через

формулу (6.71) и произведя некоторые преобразования, получим

ln5

111

λλ













−= с

(6.83)

Отсюда следует, что обратное значение цветовой температуры из-

меряемого объекта прямо пропорционально логарифму отношения

Существует несколько модификаций двух- и одноканальных цветовых

пирометров. В двухканальных пирометрах измерительные сигналы,

соответствующие каждой длине волны излучения, передаются одновременно

по двум независимым каналам, и из соотношения величин данных сигналов

определяется мгновенная цветовая температура объекта.

В пирометрах с одноканальной схемой измерения два различных

монохрометрических потока с помощью оптического коммутатора поочередно

подаются на один фотоэлектрический приемник.

202

Двухканальиые пирометры используются в основном в лабораторной

практике, когда требуется измерять температуру с большой скоростью.

Одноканальные пирометры нашли широкое применение благодаря

большой стабильности их работы, так как в этих пирометрах одновременно с

изменением характеристик схемы (изменение чувствительности

фотоприемника, напряжения питания и др.) происходит изменение значений

обоих сигналов, соответствующих различным длинам волн, и поэтому

показание пирометра не изменяется.

Рассмотрим одну из распространенных схем (рис. 6.28) одно-канального

цветового пирометра с использованием электронной счетной схемы. Конст-

руктивно прибор выполнен в виде блоков: телескопа Т и преобразователя

сигналов БП. Излучение от объекта 1 через оптическую систему 2 и обтюратор

3 попадает на фотоэлемент 4. Обтюратор представляет собой диск с двумя

отверстиями, в одно из которых

вставлен красный светофильтр, а в

другое— синий. При вращении

обтюратора синхронным двигателем 13

на фотоэлемент попеременно попадает

излучение красной и синей

спектральных яркостей, в результате

чего в цепи фотоэлемента формируются

импульсы фототока, пропорциональные

соответствующим спектральным

яркостям. Импульсы фототока, усиленные в предварительном усилителе 5, в

виде импульсов напряжения, имеющих трапецеидальную форму,

преобразуются в короткие острые импульсы U

и U

с помощью

дифференцирующей цепочки 6 и пик-детектора 7. Эти импульсы подаются на

логарифмирующее звено 8, содержащее цепочку RC. Конденсатор, заряженный

импульсами напряжений U

и U

, разряжается затем на сопротивление, и

изменение напряжения U на нем идет по экспоненциальному закону с

постоянной времени T=RC, т. е.

eUUeUU

ττ −−

(6.84)

Эти выражения можно представить в виде

)/ln( и )/ln(

UUTUUT == ττ

(6.85)

Далее установлен амплитудный ограничитель напряжения 9,

пропускающий сигналы постоянного уровня U

с момента возникновения

импульса до тех пор, пока напряжение U не снизится до

203

уровня ограничения f/o. Таким образом, на выходе ограничителя 9

формируются прямоугольные импульсы, длительности которых TI и т

оказываются пропорциональными логарифмам U

и U

, т. е.

)/ln( и )/ln(

022011

UUTUUT == ττ

(6.86)

где U

и U

— напряжения, пропорциональные соответственно красной и синей

спектральным яркостям.

С выхода ограничителя прямоугольные импульсы, соответствующие

красному и синему световым потокам, с помощью синхронного переключателя

12, установленного на валу диска обтюратора, подаются в противофазе на

фильтр 10. Постоянная составляющая тока I

ср

на выходе фильтра, определяемая

разностью длительности прямоугольных импульсов, измеряется

автоматическим потенциометром 11:

ττ

−

= II

ср

(6.87)

где I

— амплитуда тока на выходе ограничителя;

— период вращения

обтюратора.

Подставляя в (6.87) значения

τ и

τ из (6.86), получим

UTI

ср

или

ср

(6.88)

где А — постоянный коэффициент.

Таким образом, показания цветового пирометра однозначно связаны с

логарифмом отношения спектральных яркостей и, следовательно, с цветовой

температурой объекта.

Диапазон измерений описываемого пирометра 1400—2800°С. Он

подразделяется на пять-шесть поддиапазонов по 250—300°С. Меняя диск со

светофильтрами, переходят от одного диапазона измерений к другому. Класс

точности пирометра 1.

Радиационные пирометры, или пирометры полного излучения,— это

приборы, воспринимающие излучение от объекта во всем спектральном

диапазоне. Строго говоря, приемники излучения имеют ограниченный рабочий

диапазон длин волн и поэтому в пирометре используется не полный спектр

излучения, а лишь определенная полоса спектра. И все же принято считать, что

пирометр является радиационным, если в нем используется не менее 90%

излучения от объекта измерения. Радиационные пирометры имеют самый ши-

рокий диапазон измерения, он лежит в интервале 50—2000°С и выше. Для

радиационных пирометров могут быть использованы только тепловые

приемники излучения — термоэлектрические преобразователи или

термопреобразователи сопротивления.

204

Измерение температуры радиационными пирометрами основано на

улавливании теплового излучения и концентрировании его на

термочувствительном элементе с помощью собирательной линзы

(рефракторные приборы) или вогнутых зеркал (рефлекторные приборы). На

рис. 6.29 приведена схема радиационного пирометра рефракторного типа.

Излучение от объекта 1 концентрируется линзой 2 объектива через

диафрагму 3 на рабочих концах термобатареи 4, собранной из ряда

последовательно соединенных термоэлектрических преоб разователей.

Фокусировка телескопа пирометра на объект измерения производится окуляром

7. При высокой температуре объекта для защиты глаза перед окуляром в поле

зрения вводят красное стекло 6.

В качестве вторичного прибора используют милливольтметр или

потенциометр, шкалы которых градуируются в значениях радиационной

температуры.

Существуют различные конструкции термобатарей. На рис. 6.30

приведена звездообразная термобатарея, выполненная из десяти

последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей, в

качестве которых обычно используются хромель-копелевые термоэлектроды

диаметром 60—70 мкм. Плоские рабочие концы 3 преобразователей,

зачерненные платиновой чернью, образуют венчик. Свободные концы

термоэлектрических преобразователей закреплены с помощью металлических

пластин 2 на слюдяном кольце 1. Температура свободных концов

преобразователя при градуировке равна (20±2)°С.

Для компенсации влияния изменения температуры свободных концов

термобатареи параллельно последней подсоединяют катушку 5 (см. рис. 6.29)

из медной или никелевой проволоки. Этот метод компенсации заключается в

том, что, например, при увеличении температуры свободных концов термоЭДС

термобатареи уменьшается, а сопротивление меди увеличивается и ток,

205

ответвляющийся в измерительный прибор 8, сохраняется практически постоян-

ным.

Классы точности радиационных пирометров 1,0 и 1,5. Постоянная

времени этих приборов составляет 0,3—1,5 с. При установке телескопа между

ним и объектом не должно быть паров влаги, дыма, пыли и т. д., так как

последние поглощают лучистую энергию, что может привести к

дополнительной погрешности измерения. Кроме того, следует оберегать корпус

прибора от нагрева выше 100—200°С. Если это невозможно, то телескоп

устанавливают в кожух с водяным охлаждением.

206

ГЛАВА 7

ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА И РАСХОДА ЖИДКОСТИ, ГАЗА И ПАРА

§ 7.1. Общие сведения

Одним из важнейших параметров технологических процессов является

расход протекающих по трубопроводам веществ.

Необходимость повышения качества выпускаемой продукции и

эффективности автоматизированных систем управления технологическими

процессами (АСУ ТП) придает вопросам точного измерения количества и

расхода различных веществ исключительно важное значение. К средствам,

измеряющим количество и расход веществ при товароучетных операциях,

предъявляются высокие точностные требования.

Многообразие измеряемых сред, характеризующихся различными физико-

химическими свойствами, а также различные требования, предъявляемые

промышленностью к метрологическим характеристикам и надежности

измерителей расхода, привели к созданию средств измерения расхода,

основанных на различных принципах и методах измерения.

Количество вещества определяют его массой или объемом и измеряют

соответственно в единицах массы (кг, т) или в единицах объема (м

, л).

Средства измерений количества вещества за некоторый промежуток времени

(сутки, месяц и т. д.) называют счетчиками. Количество вещества V в единицах

объема, прошедшее через счетчик за выбранный промежуток времени

−

∆

определяется по разности показаний счетчика N

и N

взятых во

время τ

и τ

, т. е.

(

)

NNqV

−

(

7.1)

где q

— постоянная счетчика, определяющая количество вещества,

приходящегося на единицу показания счетчика.

Расходом вещества называют количество вещества, протекающее через

данное сечение канала в единицу времени.

Различают объемный расход, измеряемый в м

/с, м

/ч, л/мин и т. д., и

массовый расход, измеряемый в кг/с, кг/ч, т/ч и т. д. Необходимо различать

понятия «средний расход» и «истинный (мгновенный) расход». Например,

средний объемный расход равен

ττ −

Qcp

(

7.2)

где V—объем вещества, измеренный счетчиком за время

ττ − .

207

Истинным, или мгновенным, расходом называют производную от

количества (объема V или массы т) по времени.

Так, для объемного и массового истинного расходов соответственно имеем

Q = dV/dτ; (7.3)

G = dm/dx. (7.4)

Средства измерений расхода называют расходомерами. Интегрируя сигнал

расходомера по времени, можно определить количество вещества, прошедшее

через расходомер за интервал времени

ττ − т. е.

∫

τQdV

(7.5)

или

∫

τGdm

(7.6)

Приборы, работающие в комплекте с расходомерами и реализующие

операцию интегрирования его сигнала, называют интеграторами расходомеров.

При измерении расходов газа с целью получения результата измерения, не

зависящего от давлений и температуры потока, его выражают в объемных

единицах, приведенных к нормальным условиям. В качестве нормальных

условий в технике приняты: температура t

= 20°С, давление Р

= 101 325 Па

(760 мм рт. ст.) и относительная влажность φ = 0.

§ 7.2. Объемные счетчики

Принцип действия объемных счетчиков основан на непосредственном

отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мерных камер известного

объема и подсчета числа порций, прошедших через счетчик.

Объемные счетчики подразделяют на опорожняющиеся и вытесняющие.

Опорожняющиеся объемные счетчики имеют жесткие камеры, из которых

измеряемая среда свободно вытекает. Счетчики этого типа непригодны для

измерения количества газа.

Простейшим объемным счетчиком с жесткой камерой является мерный бак

или мерник. К этому же типу объемных счетчиков относятся барабанные и

опрокидывающиеся счетчики.

Вытесняющие объемные счетчики имеют мерные камеры с пе-

ремещающимися стенками, которые вытесняют измеряемую фазу, освобождая

камеру для следующей порции.

К объемным счетчикам указанного типа относятся: однопоршневые,

многопоршневые, кольцевые, с овальными шестернями, ротационные, сухие

газовые, мокрые газовые и дисковые.

208

Наиболее распространенным объемным счетчиком жидких веществ

является счетчик с овальными шестернями (рис. 7.1). Внутри корпуса 3

размещены две находящиеся в зацеплении овальные шестерни 1 я 2.

Набегающий на шестерни измеряемый поток создает на них перепад давления

и Р

. Под действием этого перепада поток в положении, показанном на рис.

7.1, а, создает на овальной шестерне 1 крутящий момент и заставляет

вращаться эту шестерню, которая ведет шестерню 2.

Рис. 7.1. Схема счетчика с овальными шестернями

В положении, показанном на рис. 7.1,6, крутящий момент возникает на

обеих шестернях, а в положении на рис. 7.1,s крутящий момент действует на

шестерню 2, которая теперь ведет шестерню 1.

Вращение шестерни происходит в направлении стрелок. В положении,

представленном на рис. 6.1, а, происходит заполнение объема между корпусом

и левой частью шестерни 2, а объем правее этой шестерни вытесняется. В том

же положении (рис. 7.1, а) между шестерней 1 и корпусом отсекается

измеряемый объем жидкости V

, которая будет затем вытесняться в

положениях, представленных на рис. 7.1, б, в. За один оборот шестерен

измерительные полости V

и V

дважды наполняются и дважды опорожняются.

В итоге за один оборот через счетчик проходит объем жидкости, равный че-

тырем объемам V

(или V

). Ось одной из шестерен вращает счетный механизм,

расположенный вне корпуса прибора.

Для уменьшения трения между торцевыми поверхностями шестерен и

стенками корпуса шестерни устанавливают на горизонтальных осях. Благодаря

высокой точности измерения (погрешность ± (0,5—1) % от измеряемого

значения), малой потере давления, независимости показания от вязкости,

значительному вращающему моменту счетчики с овальными шестернями

используются для измерения различных жидкостей, в том числе нефти и

нефтепродуктов.

Существенным недостатком этих счетчиков является необходимость

хорошей фильтрации измеряемой среды от механических примесей, а также

высокий уровень акустического шума. Калибр D выпускаемых счетчиков 12—

250 мм, а предел измерений 0,01— 250 м

/ч.

Для измерения газовых потоков применяют ротационные газовые

счетчики, принцип действия которых аналогичен принципу

209

действия счетчиков с овальными шестернями. Они имеют калибр 50—1200

мм и служат для измерения номинальных расходов от 40 до 40 000 м

/ч и

классы точности 2 и 3.

К числу объемных счетчиков, используемых для измерения количества

нефтепродуктов, минеральных масел, а также ряда агрессивных жидкостей,

относятся лопастные счетчики.

Имеется ряд конструктивных вариантов лопастных счетчиков, основными

элементами которых являются вращающийся барабан и

пластичные лопасти. Одним из перспективных

счетчиков с точки зрения кинематических и

метрологических качеств является лопастный счетчик

с кулачковым управлением движения лопастей (рис.

7.2).

Счетчик представляет собой цилиндрический

корпус 2 с подвижным барабаном 3, внутри которого

расположен неподвижный кулачок 5. На кулачок

опираются четыре ролика 6 с закрепленными на них

лопастями /, 4, 7 и 8. В пространстве между внутренней

поверхностью корпуса 2 и поверхностью барабана 3

движется измеряемая жидкость. Барабан вращается за

счет давления поступающей жидкости, действующей на лопасть 4. При

вращении барабана ролики 6 катятся по кулачку 5 и при этом поочередно

занимают место снаружи и внутри барабана. Вращение барабана передается на

счетный механизм. За один оборот барабана через счетчик проходит объем

жидкости, соответствующий кольцевому пространству между корпусом и

барабаном. Перетеканию жидкости из входа на выход препятствует вкладыш 9.

Лопастные счетчики успешно работают как в стационарных условиях на

нефтехимических заводах, так и на передвижных агрегатах— в

автозаправщиках. Выпускаются счетчики с диаметрами условного прохода

100—150 мм, с верхними пределами измерений 100—300 м

/ч и классами

точности 0,25—0,5.

§ 7.3. Скоростные счетчики

Скоростные, как и объемные, счетчики применяют для определения

объемного количества измеряемой среды. Однако в отличие от объемных

скоростные счетчики не имеют измерительных камер и производят косвенное

измерение количества веществ в объемных единицах.

Чувствительным элементом скоростных счетчиков является аксиальная

или тангенциальная турбинка, приводимая во вращение потоком жидкости,

протекающим через счетчик.

Рис. 7.2. Схема

лопастного счетчика

210

Принцип действия скоростных счетчиков основан на том, что число

оборотов турбинки в единицу времени п пропорционально скорости потока,

омывающего турбинку:

n = kW, (7.7)

где k — коэффициент пропорциональности; W — скорость потока в

некотором сечении счетчика F.

Объемный расход через счетчик равен

Q = WF. (7.8)

Решая совместно (7.8) и (7.7), получим

n =

(7.9)

Отсюда следует, что шкала тахометра, измеряющего мгновенное число

оборотов турбинки п, может быть проградуирована в единицах объемного

расхода измеряемого потока жидкости. Выражение (7.9) с учетом (7.3) примет

вид

( )

V −=

(7.10)

Интегрируя (7.10) в интервале времени

ττ − , получим

( )

V −=

(7.11)

где

∫

=−

τndNN

— разность показаний счетного механизма в

интервале времени

ττ −

или число оборотов турбинки в этом интервале.

Таким образом, измеряя суммарное число оборотов турбинки с помощью

счетного механизма оборотов, можно получать информацию об объемном

количестве вещества. Если же скоростной счетчик снабжен тахометром, то он

может измерять объемный расход потока.

При использовании скоростного счетчика в качестве измерителя

объемного расхода вещества обычно применяют электрический тахогенератор.

Ротор этого генератора получает вращение от оси турбинки скоростного

счетчика, а индуцированная в статоре ЭДС измеряется вторичным прибором —

вольтметром.

Схема скоростного счетчика с аксиальной турбинкой показана на рис. 7.3.

Внутри корпуса размещена горизонтально вдоль направления измеряемого

потока жидкости турбинка 6, выполненная в виде многозаходного винта. Перед

турбинкой установлен струевыпрямитель 1, предназначенный для сглаживания

возмущений потока на входе и исключения завихрения. Вращение турбинки

через червячную пару 5 и передаточный механизм 2, расположенный в камере

4, передается через сальник счетному устройству 3.