Оснач О.Ф. Товарознавство. Промислове обладнання, прилади, інструменти
Подождите немного. Документ загружается.
261
Розділ 7. Засоби промислової автоматики
7.4.3. Методи вимірювань
Сукупність фізичних явищ, на яких засновані вимірюван
ня, утворює принцип вимірювань. Методом вимірювання нази
вається сукупність прийомів використання принципів і засобів
вимірювань. Особливості методу вимірювань пов’язані з прин
ципом використання міри в процесі вимірювань. Вимірюван
ня можуть виконуватися різними способами, що відносяться до
двох основних методів вимірювань: методу безпосередньої оц
інки і методу порівняння з мірою.
Метод безпосередньої оцінки характеризується тим, що зна
чення вимірюваної величини, визначають безпосередньо по
відліковому пристрою вимірювального приладу прямої дії, на
приклад вимір тиску манометром. Міра в даному випадку бере
участь у процесі вимірювання побічно, як основа при попе
редній градуіровці і перевірці приладу. Точність методу безпо
середньої оцінки зазвичай невисока, але простота методу виз
начила його широке застосування на практиці.
Метод порівняння з мірою (метод порівняння) полягає в
порівнянні вимірюваної величини із величиною, відтвореною
мірою. Він відрізняється постійною участю міри в процесі вим
ірювань, причому за показниками вимірювального приладу
оцінюється лише частина вимірюваної величини.
Точність методу порівняння зазвичай значно вище точності
методу безпосередньої оцінки, але складність застосовуваної
апаратури і самого вимірювального процесу обмежує його зас
тосування.
Розрізняють різновиди методів порівняння: диференціаль
ний (різницевий) метод, нульовий, методи протиставлення,
заміщення і збігів.
7.4.4. Прилади для вимірювання температури
Температура характеризує тепловий стан речовини. Вона
впливає на багато процесів, що відбуваються на виробництві, у
лабораторіях і в природі. На відміну від інших параметрів, що
характеризують стан речовини, температуру не можна виміря
«Товарознавство»
262
ти безпосередньо. Значення температури залежить від умовно
прийнятих точок відліку й одиниць, нанесених на температур
ну шкалу. Температурна шкала являє собою систему послідов
них значень температури, зв’язаних лінійно зі значеннями ви
мірюваної фізичної величини. Такою фізичною величиною
може бути об’єм речовини, тиск, електричний опір або інший
параметр, що залежить від температури.
В даний час температуру визначають за Міжнародною прак
тичною температурною шкалою (скорочено МПТШ68), вста
новленою в 1968 р. Міжнародним комітетом мір і ваг. Вона
містить у собі шкалу Цельсія і шкалу Кельвіна. За шкалою Цель
сія, або стоградусною шкалою, температуру вимірюють у граду
сах (°С). Ця шкала починається з точки танення льоду, прийнятої
за 0 °С. За 100 °С прийнята точка кипіння води. Один градус – це
сота частина даного інтервалу. За шкалою Кельвіна, або термо
динамічною шкалою, температуру вимірюють у Кельвінах (ТК),
починаючи від абсолютного нуля, рівного – 273,15°С.
Одиниці температури за шкалою Цельсія і Кельвіна рівні
між собою, тобто 1°С=1 К, тому якщо відома температура в С,
то можна визначити температуру в Кельвинах (або навпаки)
за співвідношенням: ТК=t+273,15. Шкалою Кельвіна практич
но користуються, наприклад, у техніці низьких температур,
коли негативні градуси стають позитивними Кельвінами. Так,
температура рідкого кисню складає 183 °С, або 90 К; рідкого
азоту 196 °С, або 77 К.
Усі методи вимірювання температури можна розділити на
дві великі групи – контактні і безконтактні. Залежно від мето
ду прилади для вимірювання температури підрозділяють також
на контактні (термометри) і безконтактні (пірометри).
Контактні термометри
При вимірюванні температури вони безпосередньо контак
тують з об’єктом. Вимірювання засноване на визначеній залеж
ності від температури фізичної властивості об’єкта, а саме: теп
лового розширення рідини, електричного опору. Термометри
263
Розділ 7. Засоби промислової автоматики
масового виробництва засновані саме на цих фізичних власти
востях і за принципом дії їх класифікують на рідинні, маномет
ричні, термоелектричні і термометри опору. Вибір того або іншо
го термометра залежить від цілей вимірювання, об’єкта,
діапазону вимірюваних температур, необхідної точності вимі
рювань й інших чинників.
Рідинні термометри засновані на зміні об’єму спеціальної
термометричної рідини залежно від температури. Рідина зна
ходиться в скляному резервуарі, з’єднаному з капіляром, із яким
зв’язана температурна шкала. Унаслідок різниці теплового роз
ширення рідини і скла при зміні температури змінюється ви
сота стовпчика рідини, що знаходиться в капілярі. Оскільки
скляний резервуар і капіляр безпосередньо впливають на по
казання рідинних термометрів, їх називають за цією конструк
тивною особливістю скляними. Залежно від виду термометрич
ної рідини скляні термометри випускають ртутними і
нертутними. Ртутні термометри мають діапазон вимірювань від
35 до 650 °С , нертутні — від 200 до 200 °С. Точність цих тер
мометрів залежить від інтервалу вимірюваних температур і ціни
ділення шкали. Наприклад, при ціні ділення шкали 1 °С для
температур від 35 до 0 °С допускається максимальна
погрішність ±1 °С, а для температур 300 ... 400 °С – ±4 °С.
Рідинні термометри завдяки простоті конструкції й обігу, не
високій вартості широко застосовують для технічних і лабора
торних вимірювань. Термометри різного призначення мають
окремі конструктивні особливості.
Залежно від розташування шкали термометри бувають па@
личні,, у яких шкала нанесена безпосередньо на поверхню кап
іляра у вигляді насічки по склу, і з вкладеною шкалою, нанесе
ною на прямокутну пластинку за капіляром. Паличні прилади
більш точні, але менш зручні для спостереження показань. За
формою хвостової частини термометри поділяють на прямі і
кутові, нижня частина яких вигнута під кутом 90°. Для фіксу
вання досягнутих за визначений час максимальних значень
температури служать максимальні термометри, а мінімальних
«Товарознавство»
264
значень – мінімальні. При вимірюванні максимальним термо
метром меніск стовпчика рідини показує максимальну темпе
ратуру, не спадаючи навіть після її зниження. Це досягається
за допомогою вставленого в капіляр штифта або звуження по
перечного перетину капіляра. Для нового вимірювання необх
ідно легким струшуванням повернути стовпчик у вихідне по
ложення. Таким термометром є, наприклад, медичний. У
мінімальних термометрів (вони зазвичай спиртові) у капілярі
знаходиться рухомий штифтпокажчик, що переміщається ра
зом із спиртом при зниженні температури. Положення кінця
штифта, найближчого до меніска спирту, указує мінімальну
температуру. Щоб повернути штифт у вихідне положення, тер
мометр перевертають. Для сигналізації і регулювання темпера
тури в капіляр запаюють тонкий металевий дріт, при контакті
з яким стовпчик ртуті замикає електричний ланцюг. Замикан
ня і розмикання електричного ланцюга обумовлюють регулю
вання нагріву і сигналізацію. Такі прилади називаються термо@
контакторами, вони можуть мати один, два або більше контактів
постійних або змінних. Недолік рідинних термометрів – не
можливість дистанційних вимірювань температури.
Манометричні термометри передають показання темпера
тури на відстань. Принцип їх дії такий же, як і рідинних, тобто
зміна об’єму термометричної речовини залежить від темпера
тури. При цьому змінюється тиск, що здійснює ця речовина на
чутливий пружний елемент (пружину) 1 (рис. 7.1, а), зв’язаний
із вказівною стрілкою або пером самописа. Шкала приладу гра
дуйована безпосередньо в градусах Цельсія. Термометричною
речовиною такого термометра може бути не тільки рідина, але
і газ (азот) або конденсат. Речовина заповнює термосистему
приладу, що складається із сталевого термобаллона 3, що зна
ходиться при вимірі в середині середовища, і капіляра (стале
вого або мідного) 2 (рис. 7.1., б), через який тиск цієї речовини
передається на пружний елемент. Від заповнювача термосис
теми залежить область вимірів температури, довжина сполуч
ного капіляра, клас точності приладу.
265
Розділ 7. Засоби промислової автоматики
Рис.7.1. Манометричні термометри
Манометричні термометри порівнянно з рідинними мають
ряд переваг: можливість одержання показань на визначеній
відстані від місця вимірювання температури і їх автоматично
го запису. Крім того, ці прилади більш міцні. Однак точність їх
невелика.
Більш точними є термометри, що містять термоперетворювачі,
які перетворюють температуру, величину неелектричну, в елек
тричну. Найбільш поширеними є термометри опору з термопе
ретворювачем опору і термоелектричні термометри з термоелек
тричним перетворювачем. Зміна електричних властивостей при
зміні температури фіксується вторинними приладами, що про
градуйовані або в одиницях електричної величини, або безпосе
редньо в одиницях температури. Такі термометри, хоча і дорожчі
рідинних і манометричних, зате мають вищу точність, ширший
діапазон вимірювання, великі можливості автоматизації вимірю
вання і регулювання температури, а також значно більшу
відстань, на яку здійснюється передача показань. Вторинними
приладами, що уловлюють зміни електричних розмірів, є потен
ціометри, логометри, мости, мілівольтметри й ін.
Термометри опору застосовуються для виміру температури
різних середовищ у діапазоні 50...750°С. Принцип їх дії засно
ваний на збільшенні електричного опору металу зі збільшенням
температури (і навпаки), причому залежність електричного
«Товарознавство»
266
опору від температури для різних металів неоднакова. Промис
ловість випускає термометри опору, у яких термочутливим
елементом є спіраль 1 із тонкого платинового або мідного дро
ту (рис. 7.2, а).
Рис. 7.2. Термометр опору
Температурний діапазон виміру платиновими. термометра
ми –260...750 °С, мідними – 50...+180 °С. Для вимірювання елек
тричного опору використовують вимірювальні мости і логомет
ри. Термометри опору мають досить значну довжину
термочутливого елемента 2 (30 ... 120 мм), тому вони вимірю
ють середню температуру середовища.
Термоелектричні термометри (термопари). Вимірюють
температуру в обмеженому (точковому) об’ємі. У них широ
кий діапазон вимірів –200...1600 °С. Принцип дії таких термо
метрів заснований на явищі термоелектрики – електричний
струм з’являється в провіднику через різницю температур на
його кінцях або окремих ділянках, у результаті чого виникає
певна різниця потенціалів, називана термоелектрорушійною
силою (термое.р.с.). Вона вимірюється мілівольтметрами або
потенціометрами. В одиночному провіднику ця сила надзви
чайно мала, тому використовують замкнутий контур із двох
різнорідних провідників (термоелектродів А і В), місця спаїв
яких знаходяться при різній температурі (мал. 7.2., б). Чим
більше різниця температур, тим вище значення термо е.р.с.
Для виміру температури один спай поміщають у середовище
, що вимірюється, інший знаходиться при постійній темпера
267
Розділ 7. Засоби промислової автоматики
турі (0 С або 20° С). Термоелектроди підбирають таким спо
собом, щоб розвивалася досить висока термое. р.с., що реагує
на зміну температури.
Термоелектричні перетворювачі (термопари), так само як і
термоперетворювачі опору, поступають споживачу попередньо
проградуйованими, тобто з указаними значеннями термое. р. с.
або опорів і відповідних їм значень температури. Градуіровка
кожного приладу строго індивідуальна і вказується в паспорті.
Бесконтактні пірометри
Принципова відмінність їх від контактних термометрів по
лягає в тому, що первинний перетворювач пірометра знахо
диться поза вимірюваним середовищем. Пірометри поділяють
на оптичні (візуальні) і радіаційні.
Вимір температури оптичним пірометром заснований на
збільшенні яскравості тіла з підвищенням температури. При
цьому яскравість світіння нагрітого тіла порівнюється з яскра
вістю нитки контрольного випромінювача (електричної лампи
накалювання), що регулюється реостатом. При вимірюванні
температури спостерігач направляє об’єктив на об’єкт; в окулярі
він бачить нитку лампи на тлі об’єкта і плавним регулювання
реостата збільшує розжарення нитки до її уявного зникнення
на фоні об’єкта. Такими приладами визначають температуру
тільки об’єктів, що світяться, в інтервалі 800...4000 °С.
Температуру тіл, що не світяться, визначають радіаційни
ми пірометрами, дія яких заснована на залежності теплового
випромінювання об’єкта від температури. Теплові промені кон
центруються збиральною лінзою на робочих кінцях термобата
реї, що складається з декількох термопар. За виникаючою тер
мое. р. с. судять про температуру об’єкта. Такими пірометрами
вимірюють температуру 400...2500 °С.
Кожний із методів виміру температури специфічний і не
володіє універсальністю. Вибір оптимального для даних умов
методу визначається необхідною точністю і тривалістю
вимірів, необхідністю автоматичної реєстрації і регулювання
температури.
«Товарознавство»
268
7.4.5. Прилади для вимірювання тиску
Тиск характеризується силою, що діє на поверхню тіла. Це
важлива характеристика, що впливає як і температура, на бага
то технологічних і інших процесів. В даний час застосовують
декілька одиниць тиску. У Міжнародній системі одиниць (СІ)
одиницею тиску є паскаль (Па), рівний тиску сили в 1 Н (нью
тон) на площу 1 м
2
, де Н – сила, що надає масі 1 кг прискорен
ня 1 м/с. Для високих тисків іноді використовують кгс/м
2
і бар,
який дорівнює 10
5
Н/м
2
; для низьких – міліметр ртутного або
водяного стовпа (мм рт. ст. і мм вод. ст.). На практиці також
часто використовують в якості одиниці тиску технічну атмос
феру 1 ат – тиск в 1 кгс/см
2
.
Розрізняють тиск атмосферний, надлишковий, вакууммет
ричний, абсолютний. Так як гази стискаються і їх питома вага
змінюється зі збільшенням висоти стовпа, вони непридатні для
виміру тиску, тому для цієї мети використовуються рідини (які
практично не стискаються), питома вага яких за звичайної тем
ператури добре відома. Абсолютний тиск вимірюється від аб
солютного нуля тиску. Так як прилади для вимірювання тиску
зазвичай влаштовані так, що вимірюють тиск, починаючи від ат
мосферного, то вони вказують результат вимірювання або в
одиницях надлишкового тиску, якщо абсолютний тиск вище
атмосферного, або в одиницях розрідження, якщо вимірюваний
абсолютний тиск менше атмосферного. Якщо абсолютний тиск
дуже малий, тобто розрідження велике (високий вакуум), то
таке розрідження часто називають “практичним вакуумом”.
Для точних вимірювань абсолютного тиску в діапазоні від
абсолютного нуля до атмосферного тиску застосовують пере
важно прилади з рідинним стовпом, зазвичай – ртутним. Якщо
ці прилади мають шкалу ділення, починаючи від абсолютного
нуля тиску, то вони низиваються вакууметрами; якщо цими
приладами вимірюється абсолютний тиск в межах, що відпові
дають коливанням атмосферного тиску, то ці прилади мають
шкалу з діленнями лише від 600 до 800 мм. рт. ст. і називають
ся барометрами; прилади для вимірювання надлишкового тис
269
Розділ 7. Засоби промислової автоматики
ку називаються манометрами; прилади для вимірювання до
сить малих розріджень називаються тягомірами.
Манометри для вимірювання надлишкового тиску розділя@
ють на рідинні і деформаційні.
У рідинних манометрах тиск вимірюється за висотою стовпа
рідини, що врівноважує цей тиск. Вони зазвичай виконуються у
вигляді двох сполучених скляних посудин, залитих робочою
рідиною (ртуттю, дистильованою водою, етиловим спиртом та
ін.). Один кінець посудини з’єднується із середовищем, де вимі
рюється тиск, другий – залишається відкритим. Під дією тиску
вимірюваного середовища, рідина починає переміщатися з одно
го коліна в інше доти, поки тиски середовища і стовпа рідини в
коліні не зрівноважаться. Різниця рівнів, що відраховується по
шкалі, пропорційна вимірюваному надлишковому тиску.
На рис. 7.3 а показаний двохтрубний манометр, яким можна
вимірювати атмосферний, надлишковий і вакуумметричний тиск.
Його недоліком є велика погрішність при вимірі пульсуючих
тисків. У цьому випадку використовується однотрубний мано@
метр (рис. 7.3, б), у якого одне коліно сполученої посудини має
набагато більший діаметр у порівнянні з іншим. Широке коліно
(чашка) з’єднується із вимірюваним середовищем, тиск якого пе
реміщає рідину у вузьке коліно. При вимірюванні враховується
тільки висота стовпа вузького коліна, тому що зміна рівня рідини
в чашці настільки незначна, що нею можна зневажити.
Рис. 7.3. Види манометрів
«Товарознавство»
270
Для вимірювання невеликих надлишкових тисків засто
совують однотрубні мікроманометри, із похилою трубкою
(рис. 7.3. в). Зменшення кута нахилу трубки дозволяє підви
щити точність відліку, тому що при цьому збільшується дов
жина стовпа рідини.
Окрему групу представляють рідинні манометри, у яких
переміщення рідини в посудині передається чутливому елемен
тупоплавцю, зв’язаному зі стрілкоюпокажчиком тиску. Пере
ваги цих приладів – можливість реєстрації показань на діаграмі
і їх дистанційна передача.
В рідинних манометрах надлишковий тиск діє в одному
плечі (коліні) манометра, в той час як інше залишається з’єдна
ним з атмосферою; якщо ж плечі манометра приєднані до місць
з двома різними тисками, то висота стовпа буде вказувати
різницю (перепад) цих тисків; такий манометр називається
диференційним або дифманометром. Показання цього маномет
ра не залежать від абсолютних розмірів обох тисків. Умови
правильності показань: прилад повинен витримувати наванта
ження абсолютним тиском, не деформуючись, а різниця тисків
повинна бути не більше діапазона шкали манометра.
Кільцеві манометри. Кільцевий рідинний манометр скла
дається із кільцевидної трубки, що має опору в центрі. Якщо
тиски в обох плечах такого манометра не рівні, рідини пере
міститься в напрямку, протилежному переміщенню рідини; кут
повороту трубки є безпосередньою мірою різниці тисків. Це
дає можливість застосовувати і непрозорі (металеві) трубки, у
зв’язку з чим кільцеві манометри можуть застосовуватись і для
виміру великих абсолютних тисків.
Дзвонові манометри. Основною деталлю його є посудина,
перевернута доверху дном та занурений у рідину, що знаходить
ся в посудині. Простір під дзвоном з’єднаний трубкою із сере
довищем, тиск якого вимірюється. Якщо тиски поза дзвоном і
під ним однакові, то дзвін плаває на рідині і ступінь його зану
рення можна відрахувати за шкалою. Це нульове положення
дзвона. Якщо ж тиск під дзвоном вищий за тиск навколишнь