Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

140

же давление среды увеличится до верхнего заданного значения, то

стрелка с помощью контакта 3 замкнет контакт 2 и при этом загорится

сигнальная лампа Л

(красного цвета).

3.4 Электрические манометры

Электрические манометры имеют свою область измерения давле-

ния, в которой невозможно применить жидкостные и пружинные при-

боры. При измерении сверхвысоких давлений, глубокого вакуума и

давления, изменяющегося с высокой частотой, применяются только

электрические манометры, действие которых основано на преобразова-

нии давления в какую-либо электрическую величину. Различают сле-

дующие типы электрических манометров: электрического сопротивле-

ния, пьезоэлектрические, термопарные, ионизационные, емкостные.

Принцип действия маномет-

ров сопротивления основан на из-

менении электрического сопро-

тивления проводника в зависимо-

сти от внешнего давления. Для

целей измерения давления, как

показали экспериментальные ис-

следования, в наибольшей степени

подходит манганин, который име-

ет линейную зависимость сопро-

тивления от давления. Кроме того,

он обладает очень малым коэффи-

циентом температурного расши-

рения, что дает возможность не

учитывать влияние температуры

окружающей среды на электриче-

ское сопротивление манганина.

Конструкция (схема) мано-

метра с преобразователем из ман-

ганина показана на рисунке 3.8.

Чувствительный элемент мано-

метра представляет собой бифи-

лярную катушку 1 с сопротивле-

нием 180–200 Ом из проволоки

диаметром 0,05 мм. Для измерения

сопротивления манганиновой ка-

1 – корпус прибора; 2 – манга-

ниновый резистор; 3 – медный

токоотвод

Рисунок 3.8 – Схема манометра

сопротивления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

141

тушки применяют автоматические мосты или потенциометры, если

требуются более точные измерения. Пределы допускаемой основной

погрешности прибора не превышают ± 1%. Манометры сопротивле-

ния предназначены для измерения сверхвысоких давлений вплоть до

3000 МПа и применяются как в исследовательской практике, так и в

промышленности, особенно при контроле процесса гидроэкструзии

(обработка металлов при сверхвысоком давлении).

Пьезометрические манометры. Принцип действия манометров

этого типа основан на использовании пьезоэлектрического эффекта,

наблюдаемого у ряда кристаллов. Под действием давления на гранях

некоторых кристаллических веществ (кварц, турмалин, титанат бария,

двуокись кремния и др.) возникают электрические заряды. Если выре-

зать из пьезоэлектрического кристалла прямоугольную пластину и

подвергнуть ее сжатию в направлении, перпендикулярном оптической

и электрической осям кристалла, то на гранях, перпендикулярных

этим осям, появятся электрические заряды, равные по значению и

противоположные по знаку. Величина заряда прямо пропорциональна

действующему давлению.

Наиболее широко ис-

пользуются кристаллы квар-

ца, у которых пьезометриче-

ский эффект практически не

зависит от температуры

вплоть до 500°С. Кроме того,

кристаллы кварца по сравне-

нию с другими кристаллами

обладают высокой механиче-

ской прочностью. Схема пье-

зоэлектрического манометра

приведена на рисунке 3.9.

Измеряемое давление Р через

мембрану 2 действует на два

пьезоэлемента 5, располо-

женных так, что на их внут-

ренних гранях, соприкасаю-

щихся с металлической про-

кладкой 4, возникают одно-

именные заряды. Вторые

стороны кварцевых пластин

(пьезоэлементов) прилегают

+ + + +

– – – –

+ + + +

– – – –

–

1 – корпус прибора; 2 – мембрана;

3 – металлическая опора; 4 – кон

тактная пластина; 5 – пьезоэлемент;

6 шарик

Рисунок 3.9 – Схема пьезоэлектриче

ского манометра

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

142

к металлическим опорам 3 и через них электрически замыкаются на

корпус манометра. Шарик, находящийся между крышкой и верхней

опорой, способствует равномерному распределению давления на по-

верхности кварцевых пластин. Нижняя часть корпуса имеет штуцер

для соединения прибора с объектом измерения.

Положительный заряд при измерении давления отводится на

корпус, а отрицательный заряд снимается контактной пластиной 4 и с

помощью провода через изолирующую втулку подается на измери-

тельное устройство. В качестве вторичного прибора для измерения

возникающего потенциала Е используется осциллограф. Общая по-

грешность измерения не превышает 1,5…2,0 % при верхнем пределе

измеряемого давления, составляющем 100 МПа.

Достоинством пьезоэлектрического манометра является почти

полная безинерционность, так как электрические заряды в кристаллах

возникают сразу в момент возникновения давления. Пьезоэлектриче-

ские манометры применяются при измерении быстроизменяющихся

давлений (взрывные процессы, диагностика двигателей внутреннего

сгорания, обработка металлов давлением и др.).

Тензометрические манометры. Тензометрический метод измере-

ния давления заключается в непосредственном преобразовании де-

формации упругого чувствительного элемента (мембраны) под воз-

действием давления в изменение электрического сопротивления рези-

сторов, закрепленных на этом элементе. Это изменение сопротивле-

ния преобразуется электрической измерительной схемой в электриче-

ский выходной сигнал, пропорциональный величине измеряемого

давления.

Резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от

его деформации, называется тензорезистором. Схема тензометриче-

ского манометра приведена на рисунке 3.10. Манометр состоит из ци-

линдрического корпуса 2, верхняя часть которого образует упругую

мембрану 3, а в нижней части имеется штуцер 1 для подвода измеряе-

мого давления Р. К мембране припаяна круглая сапфировая пластина

4, на поверхность которой нанесены методом напыления тонкопле-

ночные полупроводниковые тензорезисторы R

, R

из монокри-

сталлического кремния.

Тензорезисторы с помощью припаянных к ним выводных прово-

дов соединены с электрическим преобразователем, расположенным

конструктивно в корпусе тензометрического манометра.

Давление в манометре измеряется с использованием схемы не-

уравновешенного моста, плечами которого являются тензорезисторы

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

143

, R

. Под действием

измеряемого давления мем-

брана 3 с сапфировой пла-

стинкой 4 и тензорезистора-

ми подвергается деформа-

ции. Тензорезисторы R

и R

расположены в радиальном

направлении, что приводит

при деформации к уменьше-

нию их сопротивления, а

тензорезисторы R

и R

- в

окружном направлении, что

вызывает увеличение их со-

противления. Такое распо-

ложение тензорезисторов на

сапфировой пластине при

соответствующем их соеди-

нении в электрической цепи

мостовой схемы значительно

повышает чувствительность

тензометрического маномет-

ра. В результате при дефор-

мации возникает разбаланс

моста в виде напряжения,

которое усиливается с помо-

щью встроенного в корпус манометра микроэлектронного усилителя.

Усилитель выдает стандартный сигнал 0 – 5 мА (пропорциональный

измеряемому давлению) для дистанционной передачи на вторичный

измерительный прибор, который имеет градуировку в единицах дав-

ления.

Верхний предел показаний манометра 0,1 – 40 МПа при классе

точности различных модификаций приборов 0,6; 1,0 и 1,5. Тензомет-

рические манометры имеют малые габариты, простое устройство, вы-

сокую точность и надежность в работе, что позволяет использовать их

для измерения давления в сложных производственных условиях.

Тепловые ваккумметры. Принцип действия тепловых вакууммет-

ров основан на зависимости теплопроводности газовой среды от сте-

пени ее разряжения. Они предназначены для измерения абсолютного

давления газовой среды в интервале 1,1 – 10

Па, т.е. в области сред-

него значения вакуума. Для измерения абсолютного давления в ука-

1 – штуцер; 2 – корпус прибора;

3 – упругая мембрана; 4 – сапфиро

вая пластина; 5 – кремниевые

резисторы

Рисунок 3.10 – Схема тензометриче

ского манометра

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

144

занном интервале применяются два конструктивных варианта тепло-

вых вакуумметров: термопарный и сопротивления. В обеих конст-

рукциях чувствительным элементом является нагретая путем пропус-

кания электрического тока платиновая нить, расположенная в вакуум-

ном баллоне. При увеличении разрежения газовой среды ее теплопро-

водность будет уменьшаться, следовательно, нагретая платиновая или

вольфрамовая нить будет хуже отдавать тепло стенкам баллона, в ре-

зультате чего ее температура будет возрастать. Измеряя температуру

нити или ее сопротивление, можно измерять величину вакуумметри-

ческого давления в объекте.

На рисунке 3.11 показана

схема термопарного вакуум-

метра. Внутри стеклянного

баллона 3, вакуумно плотно

подсоединенного верхней ча-

стью к объекту измерения дав-

ления, находится платиновый

нагреватель. Чтобы значи-

тельно уменьшить теплопере-

дачу от нити к стенкам балло-

на за счет излучения, макси-

мальная температура нити

должна быть примерно 100°С.

Перед началом измерения

температура нити, равная

100°С, устанавливается при

помощи регулировочного рео-

стата R

и контрольного мил-

лиамперметра.

Температура платиновой

нити измеряется в ее центре

хромель – копелевой термопа-

рой, которая связанна с изме-

рительным милливольтмет-

ром, отградуированным в еди-

ницах давления.

В тепловых вакуумметрах сопротивления, в которых чувстви-

тельным элементом является нагретая до температуры 200°С вольф-

рамовая нить, используется неуравновешенный мост. На рисунке 3.12

приведена электрическая схема теплового вакуумметра. Три плеча

мА

1 – платиновая нить; 2 – термопара;

3 – вакуумный баллон; 4 – измери

тельный прибор

Рисунок 3.11 – Схема термопарного

вакуумметра

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

145

моста состоят из постоянных со-

противлений R

, R

, а четвертое

представляет собой тонкую

вольфрамовую нить, находящуюся

в камере, к которой подсоединяет-

ся объект измерения давления.

При низких давлениях снижается

концентрация молекул в газовой

среде и длина свободного пробега

молекул становится соизмеримой с

размерами газовой камеры. Это

приводит к резкому уменьшению

передачи тепла теплопроводно-

стью от нагретой нити к стенкам

камеры через газовую среду. Тем-

пература вольфрамовой нити, а

значит, и ее электрическое сопро-

тивление, увеличивается пропор-

ционально снижению давления.

Напряжение в измерительной диагонали мостовой схемы между точ-

ками а – б (разбаланс моста) также будет определяться величиной из-

меряемого давления. Измерительный прибор (милливольтметр), от-

градуированный в единицах абсолютного давления, покажет величину

вакуумметрического давления в объекте.

Теплоотдача от вольфрамовой нити зависит как от числа моле-

кул, участвующих в переносе тепла, так и от температуры стенок ка-

меры. Для снижения влияния на показания прибора колебаний темпе-

ратуры окружающей среды, газовая камера с вольфрамовой нитью

помещается в вакуумную камеру, образуя термос с хорошей тепловой

изоляцией.

Нижний предел измерения прибора ограничивается возрастанием

по мере снижения теплопроводности роли лучистого теплообмена,

который становится главным при давлении ниже 10

–1

Па.

Ионизационный вакуумметр. Для измерения сверхнизкого абсо-

лютного давления в диапазоне 10

-1

– 10

-8

Па используются ионизаци-

онные вакуумметры. Принцип действия таких приборов основан на

ионизации молекул газа потоком электронов с последующим измере-

нием ионизационного тока, который зависит от величины абсолютно-

го давления газовой среды.

Рисунок 3.12 – Схема теплового

вакуумметра сопротивления

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

146

Основным элементом ионизационного вакуумметра является

стеклянная вакуумметрическая лампа (рисунок 3.13), содержащая ка-

тод 1, который находится внутри анодной сетки 2, окруженной ци-

линдрическим ионным коллектором 3. Катод 1, нагретый до высокой

температуры, испускает электроны, которые ускоряются положитель-

ным напряжением, приложенным между сеточным анодом 2 и като-

дом 1. При движении электроны сталкиваются с молекулами газа, ио-

низируя их. Положительные ионы попадают на отрицательно заря-

женный коллектор 3. При постоянстве анодного напряжения величина

коллекторного тока и I

зависит от измеряемого давления, так как ко-

личество образующихся ионов непосредственно зависит от количест-

ва молекул в газовом объеме лампы. Теоретически, в пределе, коллек-

торный ток будет равен нулю при абсолютном вакууме. Однако, прак-

тически нижний предел измерения давления ионизационными ваку-

умметрами ограничен фоновым током, вызванным мягким рентгенов-

ским излучением и фотоэлектронной эмиссией коллектора.

Величина измеряемого давления

определяется по показаниям микро-

амперметра (мкА) с использованием

градуировочной характеристики для

данного типа ионизационного ваку-

умметра.

Относительная погрешность

большинства типов рабочих вакуум-

метрическим манометров не превы-

шает ±30%. Приборы для измерения

среднего и глубокого вакуума, ис-

пользующие электрические и тепло-

вые эффекты, применяются для кон-

троля технологических процессов свя-

занных с применением среднего и

глубокого вакуума: вакуумирование

жидкого металла и веществ, система

водоподготовки и конденсаторные

установки на тепловых электростан-

циях; вакуумная обработка пищевых

продуктов и др.

1 – катод; 2 – анодная сетка;

3 – ионный коллектор

Рисунок 3.13 – Схема иони

зационного вак

умметра

–50В

мкА

+150В

мА

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

147

4 ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ГАЗА, ЖИДКОСТИ И ПАРА

4.1 Общие сведения

Во всех отраслях промышленности для оперативного контроля,

регулирования и управления технологическими процессами необхо-

димо вести постоянный учет расхода газообразных сред (горючих га-

зов, кислорода, воздуха и др.), жидкостей (воды, жидкого топлива,

жидких химических веществ и др.), энергетического и теплофикаци-

онного пара. Точное измерение расхода этих сред позволяет опреде-

лять и сравнивать экономическую эффективность работы однотипо-

вых агрегатов, совершенствовать и выбирать прогрессивные техноло-

гические процессы, приводящие к экономии энергоресурсов и повы-

шению конкурентоспособности выпускаемой продукции.

При измерениях, связанных с учетом количества вещества не-

обходимо различать понятия расход и количество вещества.

Расход есть количество вещества, протекающего через сечение

трубопровода (или канала другого сечения) в единицу времени, т.е.

мгновенное значение расхода. В соответствии с выбранными едини-

цами может производиться измерение либо массового расхода (кг/с,

кг/ч, т/ч), либо объемного расхода (м

/с, м

/ч, л/с). Единицы массы

дают более полные сведения о расходе вещества, чем единицы объе-

ма, т.к. объем вещества, особенно газов, зависит от давления и темпе-

ратуры. При измерении объемных расходов газов для получения со-

поставимых значений результаты измерения приводят к нормальным

условиям (температура t

=20°С, давление Р

=101325 Па, относитель-

ная влажность ϕ=0).

Количество – это общий объем или масса вещества, протекаю-

щего через трубопровод за конкретный интервал времени (т.е. за весь

промежуток времени) за час, сутки, месяц, год и т.д.

Измерительный прибор, служащий для измерения расхода ве-

щества, называется расходомером, а прибор для измерения количества

вещества – счетчиком количества (счетчиком). В каждом конкретном

случае к этим терминам следует добавлять наименование контроли-

руемой среды, например, расходомер природного газа или водяной

счетчик.

Для измерения расхода и количества газообразных и жидких

сред, а также пара используются различные методы и средства, что

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

148

связано как с различием физических и теплофизических свойств этих

веществ, так и с различными требованиями к точности измерения ра-

бочих, образцовых и эталонных приборов.

В данном разделе рассмотрены наиболее распространенные, а

также перспективные методы измерения расхода пара, газа и жидкости.

4.2 Расходомеры по перепаду давления в сужающем устройстве

Одним из наиболее распространенных и широко применяемых

непрерывных методов измерения расхода в промышленности и в ла-

бораторной практике является метод переменного перепада давления.

Он позволяет измерять расход любых газовых, жидких сред, а также

пара в широком диапазоне температур, давлений, влажности, состава.

Аппаратурное исполнение используемое в расходомерах переменного

перепада, отличается простотой конструкции, надежностью, низкими

эксплуатационными затратами и достаточной точностью измерения

расхода.

Метод измерения расхода по перепаду давления основан на за-

висимости перепада давления в сужающем устройстве, установленном

в трубопроводе (или в канале другой формы), от расхода измеряемой

среды. При протекании потока через отверстие сужающего устройства

повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения.

Увеличение скорости потока приведет к увеличению динамического

давления и снижению статического давления согласно закона сохра-

нения энергии, т.е. произойдет перераспределение кинетической и

потенциальной энергии движущейся среды. Соответственно статиче-

ское давление в суженном сечении будет меньше, чем в сечении до

сужающего устройства.

Таким образом, при протекании вещества через сужающее уст-

ройство создается перепад статического давления ∆Р=Р

-Р

, завися-

щей от скорости потока и, следовательно, расхода среды. Перепад

давления, создаваемый сужающим устройством может служить мерой

расхода вещества, протекающего в трубопроводе.

Использование рассматриваемого метода измерения требует

выполнения следующих условий:

- характер движения потока до и после сужающего устройст-

ва должен быть турбулентным и стационарным;

- поток должен полностью заполнять все сечение трубопро-

вода;

- фазовое состояние потока не должно изменяться при его те-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

149

чении через сужающее устройство;

- во внутренней полости трубопровода до и после сужающего

устройства не образуются осадки и другие виды загрязнений;

- на поверхностях сужающего устройства не образуются от-

ложения, изменяющие его геометрию;

- пар должен быть перегретым для исключения конденсации и

приближения его свойств к свойствам газообразных сред.

В качестве сужающих устройств для измерения расхода жидкостей,

газов и пара широко применяют стандартные диафрагмы, сопла и сопла

Вентури. Стандартными называются сужающие устройства, которые

изготовлены и установлены в соответствие с руководящими норматив-

ными документами, разработанными государственной метрологической

службой. Градуировочная характеристика стандартных сужающих уст-

ройств, т.е. зависимость перепада давления от расхода, может быть оп-

ределена расчетным путем без индивидуальной градуировки. Градуиро-

вочные характеристики нестандартных сужающих устройств определя-

ются в результате индивидуальной градуировки.

Диафрагма, показанная на рисунке 4.1, представляет собой тонкий

диск с отверстием круглого сечения, центр которого лежит на оси тру-

бы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму,

а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка должна

быть острой без закругления и заусениц. Стандартные диафрагмы ус-

танавливают на трубопроводах диаметром не менее 50 мм.

Сужение потока начинается до диафрагмы и на некотором рас-

стоянии за диафрагмой в плоскости В–В поток достигаем минималь-

ного сечения F

вследствие инерции струи. В этом сечении средняя

скорость потока возрастает до максимально значения, при этом, уве-

личивается кинетическая энергия потока и уменьшается потенциаль-

ная, а значит, уменьшается соответственно и статическое давление до

значения Р'

Распределение статического давления вдоль стенки трубопровода

показано на рисунке 4.1. Перед диафрагмой статическое давление не-

сколько возрастает от Р'

до Р

из-за внезапного торможения, за диа-

фрагмой скорость возрастает и происходит падение статического дав-

ления до Р'

. После сечения В–В начинается расширение струи, кото-

рое заканчивается в сечении С–С. Этот процесс сопровождается

уменьшением скорости и увеличением статического давления. В сече-

нии С–С скорость принимает первоначальное значение (как в сечении

А–А), но давление будет меньше первоначального на величину ∆Р

пот

называемое потерей давления в сужающем устройстве. Необратимая