Курс лекций по ОП.09 Основы автоматизации технологических процессов
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Югорский государственный университет»
НИЖНЕВАРТОВСКИЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИКУМ (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования
«Югорский государственный университет»
ОП. 09
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Курс лекций
для студентов образовательных учреждений
среднего профессионального образования
по специальности 18.02.09
Переработка нефти и газа
Нижневартовск 2016
Рассмотрено
На заседании ПЦК ЭТД
Протокол № _ от __________г.
Председатель
____________М.Б. Тен
УТВЕРЖДАЮ
Председатель методического совета ННТ (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ»
_____________ Р.И. Хайбулина
«____»__________ 2016г.
Курс лекций для студентов по ОП.09 Основы автоматизации технологических процессов разработаны в соответствии:
1. Федерального государственного образовательного стандарта (далее – ФГОС) по специальности среднего профессионального образования (далее – СПО) 18.02.09 Переработка нефти и газа; утвержденного 23 апреля 2014 г;
2. Программы учебной дисциплины ОП.09 Основы автоматизации технологических процессов, утвержденной 13.09.2016 г.
Разработчик:
Хакимова Ирина Викторовна, преподаватель Нижневартовского нефтяного техникума (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ».
Рецензенты:
1.Тен М.Б., высшая квалификационная категория, преподаватель Нижневартовский нефтяной техникум (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ».
2.Соколова О.Н., высшая квалификационная категория, преподаватель БОУ «Нижневартовский политехнический колледж».
Замечания, предложения и пожелания направлять в Нижневартовский нефтяной техникум (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Югорский государственный университет» по адресу: 628615, Тюменская обл., Ханты-Мансийский автономный округ, г. Нижневартовск, ул. Мира, 37.
©Нижневартовский нефтяной техникум (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ», 2016
РАЗДЕЛ 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
Тема 1.1. Технологические объекты управления
НПЗ представляет собой совокупность основных нефтетехнологи-ческих процессов (установок, цехов, блоков), а также вспомогательных и обслуживающих служб, обеспечивающих нормальное функционирование промышленного предприятия (товарно-сырьевые, ремонт-но-механические цеха, цеха КИПиА, паро-, водо- и электроснабжения, цеховые и заводские лаборатории, транспортные, пожаро- и газоспасательные подразделения, медпункты, столовые, диспетчерская, дирекция, отделы кадров, финансов, снабжения, бухгалтерия и т. д.). Целевое назначение НПЗ производство в требуемых объеме и ассортименте высококачественных нефтепродуктов и сырья для нефтехимии (в последние годы и товаров народного потребления).
Современные нефтеперерабатывающие предприятия характеризуются большой мощностью как НПЗ (исчисляемой миллионами тонн в год), так и составляющих их технологических процессов. В этой связи на НПЗ исключительно высоки требования к уровню автоматизации технологических процессов, надежности и безопасности оборудования
и технологии, квалификации обслуживающего персонала. Мощность НПЗ зависит от многих факторов, прежде всего от потребности в тех или иных нефтепродуктах экономического района их потребления, наличия ресурсов сырья и энергии, дальности транспортных перевозок и близости соседних аналогичных предприятий.
Общеизвестно, что крупные предприятия экономически эффективнее, чем мелкие. На крупных НПЗ имеются благоприятные предпосылки для сооружения мощных высокоавтоматизированных технологических установок и комбинированных производств на базе крупнотоннажных аппаратов и оборудования для более эффективного использования сырьевых, водных и земельных ресурсов и значительного снижения удельных капитальных и эксплуатационных расходов. Но при чрезмерной концентрации нефтеперерабатывающих (и нефтехимических) предприятий пропорционально росту мощности возрастает радиус перевозок, увеличивается продолжительность строительства и, что особенно недопустимо, ухудшается экологическая ситуация внутри и вокруг НПЗ.
Отличительной особенностью НПЗ является получение разнообразной продукции из одного исходного нефтяного сырья. Ассортимент нефтепродуктов НПЗ исчисляется обычно сотнями наименований. Характерно, что в большинстве технологических процессов производят
преимущественно только компоненты или полупродукты.
Конечные товарные нефтепродукты получают, как правило, путем компаундирования нескольких компонентов, производимых на данном НПЗ, а также добавок и присадок. Это обусловливает необходимость иметь в составе НПЗ разнообразный набор технологических процессов с исключительно сложной взаимосвязью по сырьевым, продуктовым и энергетическим потокам.
По ассортименту выпускаемых нефтепродуктов нефтеперерабаты-вающие предприятия принято классифицировать на следующие группы (профили):
1) НПЗ топливного профиля;
2) НПЗ топливно-масляного профиля;
3) НПЗ топливно-нефтехимического профиля (нефтехимкомбинаты);
4) НПЗ (нефтехимкомбинаты) топливно-масляно-нефтехимического
профиля.
Среди перечисленных выше нефтеперерабатывающих предприятий наибольшее распространение имеют НПЗ топливного профиля, поскольку по объемам потребления и производства моторные топлива значительно превосходят как смазочные масла, так и продукцию нефте-химическогосинтеза. Естественно, комплексная переработка нефтяного сырья (т. е. топливно-масляно-нефтехимическая) экономически более эффективна по сравнению с узкоспециализированной переработкой, например чисто топливной.
Наряду с мощностью и ассортиментом нефтепродуктов, важным по-казателем НПЗ является глубина переработки нефти. Глубина переработки нефти (ГПН) показатель, характеризующий эффективность использования сырья. По величине ГПН можно косвенно судить о насыщенности НПЗ вторичными процессами и структуре выпуска нефтепродуктов. Разумеется, что НПЗ с высокой долей вторичных процессов располагает большей возможностью для производства из каждой тонны сырья большего количества более ценных, чем нефтяной остаток, нефтепродуктов и, следовательно, для более углубленной переработки нефти.
По способу углубления переработки нефти нефтеперерабатывающему заводу можно дать следующее определение: НПЗ совокупность технологических процессов, в которых осуществляется последовательное (ступенчатое) извлечение, облагораживание и физико-химическая переработка дистиллятных фракций нефти и, соответственно, концен-трирование остатков (до мазута, гудрона, тяжелого гудрона глубоковакуумной перегонки, асфальта, кокса и т. д.).
Связь между типом НПЗ и эффективностью использования нефти
Качество перерабатываемого нефтяного сырья оказывает существенное влияние на технологическую структуру и технико-экономические показатели НПЗ. Легче и выгоднее перерабатывать малосернистые и легкие нефти с высоким потенциальным содержанием светлых, чем сернистые и высокосернистые, особенно с высоким содержанием смолисто-асфальтеновых веществ, переработка которых требует большей насыщенности НПЗ процессами облагораживания. Завышенные затраты на переработку низкосортных нефтей должны компенсироваться заниженными ценами на них.
Одним из важных показателей НПЗ является также соотношение дизельное топливо : бензины (ДТ : Б). На НПЗ неглубокой переработки это соотношение не поддается регулированию и обусловливается по-тенциальным содержанием таких фракций в перерабатываемой нефти. На НПЗ углубленной или глубокой переработки нефти потребное соотношение ДТ : Б регулируется включением в состав завода вторичных процессов, обеспечивающих выпуск компонентов автобензинов и дизельных топлив в соответствующих пропорциях. Так, НПЗ преимущественно бензинопроизводящего профиля комплектуется, как правило,процессами каталитического крекинга и алкилирования. Для преобладающего выпуска дизельных топлив в состав НПЗ обычно включают процесс гидрокрекинга.
Тема 1 .2 Управляющая система и ее разработка
Под управлением технологическим процессом понимается совокупность операций, необходимых для осуществления таких це лей, как пуск и остановка технологического процесса, поддержание какого-либо параметра процесса на заданном уровне, изменение па раметра по заданной программе и т. п.
Установку, машину, агрегат, в котором протекает исследуемый технологический процесс, называют объектом управления.
Рис. 1.1. К понятию системы автоматического управления
Управление может быть ручным или автоматическим. В пер вом случае операции управления осуществляет человек, а во вто ром управляющее устройство. Сочетание объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ).
На работу системы автоматического управления влияют различ ные воздействия. Будем называть их входными воздействия ми, входными величинами или просто входами (xвx) (рис. 1.1).
Параметры процесса, которые в той или иной степени характери зуют его качество и изменяются под действием входных величин, будем называть выходными величинами или просто выхо дами (хвых). Входные воздействия, которые нарушают заданный закон изменения выходных величин, будем называть возмущаю щими воздействиями или просто возмущениями. Возму щения можно подразделить на два вида: нагрузку (Н) и помехи (П). Изменение нагрузки обычно обусловлено технологическим про цессом, а помехи вызываются изменениями внешних условий (на пример, температуры окружающей среды) или свойств отдельных элементов системы.
Воздействие управляющего устройства на объект управления на зывается управляющим воздействием (У). Оно также от носится к входным воздействиям.
Обратные связи
При построении системы автоматического управления широко применяют обратные связи. Такие связи можно обнаружить везде, где проявляется свойство «саморегулирования» в природе. Без обратной связи само существование живых организмов было бы невозможным. Так, в человеческом организме правильное положе ние тела в пространстве обеспечивается целой системой; вестибу лярный аппарат обнаруживает отклонение от вертикали и посылает поток нервных импульсов, несущих информацию об отклонении, к нервным центрам мозга; в результате переработки мозгом получен ной информации посылается поток импульсов к мышцам, изменяю щим положение тела и восстанавливающим нарушенное равновесие.
Точно так же в технических системах автоматического управле ния обратная связь осуществляется путем подачи выходной величи ны на вход, что позволяет при изменениях выгодной величины вно сить необходимые коррективы на входе.
Обратную связь называют внешней, если она соединяет выход системы с ее входом, и внутренней или местной, если она соединяет выход одного или группы элементов системы с их вхо дом.
Если подача выходной величины элемента системы на его вход усиливает действие входной величины на выход, то такая обрат ная связь называется положительной.
Обратная связь называется отрицательной, если подача вы ходной величины элемента системы на его вход ослабляет действие входной величины на выходную.
По характеру передачи воздействий обратные связи делятся на жесткие и гибкие. Жесткая связь действует как в установившем ся, так и в переходном режиме, гибкая действует только в пере ходном режиме, а в установившемся режиме ее действие прекраща ется.
Разомкнутые и замкнутые САУ
Системы автоматического управления делятся на разомкнутые и' замкнутые.
Разомкнутыми называются такие системы автоматического управления, в которых отсутствует внешняя обратная связь и, сле довательно, отсутствует контроль результата управления. Их можно подразделить на системы с жесткой программой и системы управ ления по возмущению.
Рис. 1.2. Разомкнутые системы автоматического управления (САУ)
К таким системам относятся, например, системы автоматического пуска и остановки насосов, вентиляторов, компрессоров и т. п. В разомкнутой САУ по возмущению (рис. 1.2,6) управляющее воздействие У формируется в зависимости от величины возмущаю щего воздействия хвн. Такую систему можно использовать только в том случае, когда известны и контролируются все возмущающие воз действия, а также известны свойства объекта управления. При на личии неконтролируемых возмущений (помех) САУ по возмущению оказывается не в состоянии исправить возникающие при этом ошиб ки управления, так как она не контролирует изменение выходной величины хвых.
Замкнутыми называют системы автоматического управления, в которых имеется обратная связь, обеспечивающая контроль вы ходной величины (рис. 1.3,а).
При этом управляющее устройство формирует управляющее воз действие У в зависимости от отклонения выходной величины хвых и от задания 3.
Рис. 11.3. Замкнутая по отклонению (а) и комбнированная (б) САУ
Такие системы называются замкнутыми САУ по откло нению или системами автоматического регулирования. Иногда для повышения точности систем автоматического управ ления применяют комбинированные системы, сочетающие принципы управления по отклонению и по возмущению (рис. 1.3,6). При этом управляющее устройство формирует управляющее воз действие У в зависимости от нагрузки хвх (Н) и корректирует его при отклонении выходной величины хеых под действием неконтроли руемых возмущений.
Принцип действия системы автоматического регулирования
В дальнейшем рассмотрим только замкнутые САУ по отклонению (системы автоматического регулирования САР), наиболее распро страненные при решении практических задач управления в нефтя ной и газовой промышленности.
Рис. 1.4. К принципу действия системы автоматического регулирования. Регулирование: а ручное; 6 автоматическое
Рассмотрим более подробно принцип действия системы автома тического регулирования на примере системы поддержания постоян ного давления в сепараторе (рис. 11.4).
На вход сепаратора посту пает газожидкостная смесь в количестве QCM, которая разделяется на жидкую часть, отбираемую снизу в количестве Qx, и газовую, ухо дящую сверху сепаратора в количестве Qr. В состоянии равновесия при определенном давлении р в сепараторе расходы уравновешены, т. е. Qсм=Qг+Qж. Основным параметром, определяющим характер технологического процесса в сепараторе, является давление р. При изменении расходов потоков на входе или выходе сепаратора дав ление в нем будет изменяться.
Пусть задача заключается в том, чтобы поддерживать давление в сепараторе на определенном значении. Установим на сепараторе измерительный прибор 1 (манометр) с целью контроля давления и орган управления 2 расходом (задвижку) на газовой линии (рис. 1.4,а). Тогда, в случае уменьшения или увеличения давления, можно, наблюдая за показаниями манометра и изменяя проходное сечение органа управления, восстанавливать желаемое значение дав ления в сепараторе. Получим систему регулирования давления. Однако, так как наблюдение за давлением и изменение проходного сечения органа управления проводится человеком, такое регулирова ние называется ручным.
Для получения системы автоматического регулирования функции человека должны быть переданы автоматическому устройст ву, называемому в этом случае автоматическим регулятором или про сто регулятором. Приведем основные понятия и определения, используемые при изучении систем регулирования. Параметр, который необходимо регулировать в ходе технологи ческого процесса, называется регулируемым. Значение регули руемого параметра в любой момент времени называется текущим, а то его значение, которое не обходимо поддерживать в про цессе, заданным. Раз ность между текущим и задан ным значением регулируемого параметра называется рассо гласованием или откло нением.
Рис. 1.5. Функциональная схема системы регулированияя давления
Основные элементы регуля тора чувствительный элемент, который реагирует на изменение регулируемого параметра, элемент сравнения, который сравнивает текущее значение регулируемого пара метра с заданным, устанавливаемым с помощью специального устрой ства, и регулирующий орган, который оказывает непосред ственное воздействие на процесс.
В нашем примере система автоматического регулирования будет действовать следующим образом. В случае появления возмущающего воздействия, например при увеличении расхода потока смеси на входе (Qсм), давление в сепараторе (регулируемый параметр) по высится. Автоматический регулятор, сравнивая воздействия на мем брану 1 (элемент сравнения) со стороны давления газа (текущее значение) и со стороны пружины 2 (заданное значение), будет осу ществлять регулирующее воздействие, увеличивая проходное сечение регулирующего органа 3 и тем самым уменьшая рассогласование. В этой системе мембрана 1 выполняет также функцию чувствитель ного элемента. При изучении системы автоматического регулирования принято представлять реально существующие системы в виде так называе мых функциональных схем. Функциональной схемой САР называется такая, в ко торой каждому функциональному элементу реальной системы соот ветствует определенное изображение. Функциональная схема САР давления в сепараторе показана на рис. 1.5. Выходной величиной системы (хвых) является основной регулируемый параметр - давление в сепараторе. Параметры, которые могут вызвать отклонение регулируемого параметра от задан ного значения, показаны как входные. Основные элементы системы объект регулирования ОР, чувст вительный элемент ЧЭ, измеряющий текущее значение регулируе мого параметра, элемент сравнения ЭС, сравнивающий текущее значение регулируемого параметра с его заданным значением 3, и регулирующий орган РО, осуществляющий регулирующее воздейст вие.
Последнее осуществляется изменением расхода газа (Qг), при чем в таком направлении, чтобы уменьшить рассогласование. Следо вательно, рассмотренная САР замкнутая система с отрицательной обратной связью. Чувствительный элемент, элемент сравнения и ре гулирующий орган образуют в этой системе автоматический регуля тор АР.
Классификация систем автоматического регулирования
Применяемые в нефтяной и газовой промышленности системы автоматического регулирования весьма разнообразны, поэтому при нято их классифицировать по различным признакам. Принято различать системы прямого и непрямого действия.
Рассмотренная в предыдущем параграфе САР давления в сепара торе является системой прямого действия, так как чувствительный элемент этой системы непосредственно воздействует на регулирующий ор ган (см. рис. 1.4 и 1.5). Такие си стемы просты в конструктивном отношении, однако находят ограни ченное применение в промышленно сти, так как мощность чувствитель ного элемента не всегда достаточна для обеспечения перемещения регу лирующего органа.
Рис. 1.6. Функциональная схема САР непрямого действия
Значительно чаще применяют си стемы непрямого действия, в ко торых для перемещения регулирую щего органа используют дополни тельные источники энергии. Функ циональная схема такой системы показана на рис. 1.6. В такой си стеме воспринимаемое чувствительным элементом ЧЭ текущее значение регулируемого параметра пре образуется с помощью преобразователя ПР и источника энергии ИЭ в какой-либо сигнал и затем сравнивается с аналогичным по своей природе сигналом задатчика 3. Формирующее устройство ФУ усиливает рассогласование и обеспечивает определенный закон ре гулирования. Исполнительный механизм ИМ преобразует выходной сигнал формирующего устройства в перемещение регулирующего органа РО. В зависимости от рода источника энергии ИЭ системы непрямого действия подразделяются на пневматические, электриче- ские и гидравлические. В таких системах чувствительный элемент вместе с преобразователем образуют датчик Д, элемент сравнения; с формирующим устройством регулирующее устройство РУ, а ис полнительный механизм с регулирующим органом исполнительное устройство ИУ.
Таким образом, автоматический регулятор включает в себя датчик, регулирующее и исполнительное устройство.
В зависимости от того, по какому закону должно изменяться за данное значение регулируемого параметра, системы автоматическо го регулирования можно разделить на три основные группы. Системы, в которых заданное значение регулируемого параметра является постоянной величиной, называют системами автома тической стабилизации или часто собственно системами авто матического регулирования. Так, в нашем примере (см. рис. 1.4) за данное значение давления в сепараторе остается постоянным.
Системы, в которых заданное значение регулируемого парамет ра изменяется по заранее установленной программе, называют си стемами программного регулирования, например по вышение температуры в печи для нагрева образцов по известному закону.
Системы, в которых заданное значение регулируемого параметра изменяется в зависимости от какого-либо другого параметра, изме няющегося по произвольному закону, называют следящими с и-стенами. Например, поворот антенны радиолокатора должен со ответствовать маневру самолета (следить за ним). Во всех трех случаях осуществляется регулирование по откло нению.
В последнее время значительно распространены экстремаль ные системы, которые отыскивают и поддерживают регулирую щие воздействия, обеспечивающие экстремальное (максимальное или: минимальное) значение выходной величины (например, максималь ная производительность, минимальные затраты и т. п.). В дальнейшем под, системами автоматического регулирования (САР) будем иметь в виду системы автоматической стабилизации (САС).
Требования, предъявляемые к САР
Если текущее значение регулируемого параметра равно заданно му, то считается, что система находится в состоянии равнове сия.
Если под действием какого-либо возмущения в системе возникло отклонение регулируемого параметра, то ей необходимо некоторое время, чтобы снова прийти в состояние равновесия. Считается, что в течение этого времени система находится в переходном ре жиме.
Рис. 1.7. Графики переходных процессов в САР
Поведение системы в переходном режиме принято изображать в виде графика переходного процесса зависимости изме нения во времени выходной величины (регулируемого параметра) системы (рис. 1.7,а). Текущее значение регулируемого параметра на графике обозначено через xвых, и его изменение показано сплошной линией. Так как мы рассматриваем систему стабилизации, то заданное значение хвых0 остается постоянным, чему соответствует пунк тирная линия, параллельная оси времени. Совпадение кривых теку щего и заданного значений на отрезке времени свидетельствует о том, что в этот период система находится в состоянии равновесия. В момент времени t1 под действием возмущения система отклоняется: от состояния равновесия и вновь к нему возвращается под дейст вием регулятора к моменту времени t2.
В период времени t1t2 система находится в переходном режи ме, а после t2 снова в состоянии равновесия.
При исследовании систем принято их рассматривать начиная от момента появления отклонения регулируемого параметра. В этом случае начало координат соответствует заданному значению регули руемого параметра (рис. 1.7,6).
Однако переходный процесс может иметь другой характер (рис. 1.7,в). Сравнивая два графика переходного процесса (рис. 1.7,6, в), можно увидеть, что в одном случае система возвра щается к состоянию равновесия, а в другом этого не происходит. Считают, что в первом случае система устойчива, а во втором неустойчива. Так как назначением САР является поддержание регулируемого параметра на заданном значении, то естественно по требовать, чтобы она обеспечивала переходный процесс в соответст вии с графиком, приведенным на рис. 1.7,6, т. е. была бы устойчи вой.
Вместе с тем и в устойчивых САР переходный процесс может протекать различно (рис. 1.7,г). При этом вводится понятие каче ства переходного процесса, которое характеризуется рядом пока зателей. Одним из них является, например, время переходного про цесса tр. Естественно, чем меньше это время, тем выше качество-САР. Численное значение показателя качества, которое должна обес печить САР, выбирается исходя из технологических соображений. Таким образом, к системе автоматического регулирования предъяв ляются два требования: система обязательно должна быть устой чивой и обладать определенными заданным качеством.
С целью определения, удовлетворяет ли выбранная САР предъяв ляемым к ней требованиям со стороны технологии процесса, она за ранее рассчитывается. При этом используют ряд характеристик и понятий, которые рассмотрены ниже.
Раздел 2 Классификация, виды, назначение и основные характеристики типовых контрольно-измерительных приборов, автоматических и сигнальных устройств по месту их установки, устройству и принципу действия
Тема 2.1. Системы и средства измерений
Измерение температуры
Температурой называется степень нагретости вещества. Это представление о температуре основано на теплообмене между двумя телами, находящимися в тепло вом контакте. Тело, более нагретое, отдающее тепло, имеет и более высокую температуру, чем тело, восприни мающее тепло. При отсутствии передачи тепла от одного тела к другому, т. е. в состоянии теплового равновесия, температуры тел равны.
Методы измерения температуры
Переход тепла от одного тела к другому указывает на зависимость температуры от количества внутренней энер гии, носителями которой являются молекулы вещества. Согласно молекулярно-кинетической теории сообщаемая телу тепловая энергия, вызывающая повышение его тем пературы, преобразуется в энергию движения молекул.
Измерить температуру какого-либо тела непосредст венно, т. е. так, как измеряют другие физические величи ны, например длину, массу, объем или время, не представ ляется возможным, ибо в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Поэтому определе ние температуры вещества производят посредством наблю дения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) вещества, ко торое, будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие. Такой метод измерения дает не абсолютное значение температуры нагретой среды, а лишь разность относительно исходной температуры рабочего вещества, условно принятой за нуль.
Вследствие изменения при нагреве внутренней энергии вещества практически все физические свойства последнего в большей или меньшей степени зависят от температуры, но для ее измерения выбираются по возможности те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравни тельно легко поддаются измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротив ления, возникновение термоэлектродвижущей силы и ин тенсивность излучения положенные в основу устройства приборов для измерения температуры.
Температурные шкалы
Изменение агрегатного состояния химически чистого вещества (плавление или затвердевание, кипение или кон денсация), как известно, протекает при постоянной температуре, значение которой определяется составом ве щества, характером его агрегатного изменения и давле нием. Значения этих воспроизводимых температур равновесия между твердой и жидкой или жидкой и газообраз ной фазами различных веществ при нормальном атмос ферном давлении, на зываются реперными точками.
Если принять в качестве основного интервал темпера тур между реперными точками плавления льда и кипения воды, обозначив их соответственно 0 и 100, в пределах этих температур измерить объемное расширение какого-либо рабочего вещества, например ртути, находящейся в узком цилиндрическом стеклянном сосуде, и разделить на 100 равных частей изменение высоты ее столба, то в результате будет построена так называемая температур ная шкала.
Для измерения температуры, лежащей выше или ниже выбранных значений реперных точек, полученные деле ния наносят на шкале и за пределами отметок 0 и 100. Деления температурной шкалы называются градусами.
При построении указанной температурной шкалы была произвольно принята пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры, что, однако, не соответствует действительности, особенно при темпера турах выше 100 градусов. Поэтому при помощи такой шка лы можно точно измерить температуру только в двух исходных точках 0 и 100 градусов, тогда как результаты измерения во всем остальном диапазоне шкалы будут неточны. То же явление наблюдалось бы и при построении температурной шкалы с использованием других физичес ких свойств рабочего вещества, таких, как изменение электрического сопротивления проводника, возбуждение термоэлектродвижущей силы и т. п.
Пользуясь вторым законом термодинамики, англий ский физик Кельвин в 1848 г. предложил совершенно точную и равномерную, не зависящую от свойств рабо чего вещества шкалу, получившую название термодина мической температурной шкалы (шкалы Кельвина).
Позднее было установлено, что термодинамическая температура совпадает с показанием газового термометра, заполненного идеальным (воображаемым) газом, обладаю щим пропорциональным изменением давления от темпера туры. Близкими по своим свойствам к идеальному газу являются водород, гелий и азот, которые и применяются для измерения термодинамической температуры с введе нием небольших поправок на отклонение их свойств от свойств идеального газа. Точность показаний газового термометра очень высока, но пользование им сложно, а диапазон измерения незначителен.
Термодинамическая температур ная шкала начинается с абсолютного нуля и в настоящее время является основной. Единицы термодина мической температуры обозначаются знаком К (кельвин), а условное значение ее - буквой Т.
Классификация приборов для измерения темпе ратуры
Приборы для измерения температуры разделяются в зависимости от используемых ими физических свойств веществ на следующие группы с диапазоном показа ний:
Термометры расширения основаны на свойстве тел изменять под действием температуры свой объем.
Манометрические термометры рабо тают по принципу изменения давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме при нагревании или охлаждении этих веществ .
Термометры сопротивления основаны на свойстве металлических проводников изменять в за висимости от нагрева их электрическое сопротивление.
Термоэлектрические термометры по строены на свойстве разнородных металлов и сплавов обра зовывать в паре (спае) термоэлектродвижущую силу, зависящую от температуры спая.
Пирометры работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, зависящей от тем пературы этих тел.
Термометры расширения
Физическое свойство тел изменять свой объем в зависи мости от нагрева широко используется для измерения температуры. На этом принципе основано устройство [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и дилатометрических термомет ров, которые появились очень давно и послужили для создания первых температурных шкал.
Основные свойства жидкостных термометров
В жидкостных термометрах, построенных на принципе теплового расширения жидкости в стеклянном резервуаре, в качестве рабочих веществ используются ртуть и органи ческие жидкости - этиловый спирт, толуол и др. Наибо лее широкое применение получили ртутные термометры, имеющие по сравнению с термометрами, заполненными органическими жидкостями, существенные преимущества: большой диапазон измерения температуры, при котором ртуть остается жидкой, несмачиваемость стекла ртутью, возможность заполнения термометра химически чистой ртутью из-за легкости ее получения и пр.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], изготовляемые из стекла, являются местными показывающими приборами. Они состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, присоединенной к резервуару и закрытой с противополож ного конца, шкалы и защитной оболочки.
Устройство ртутных термометров
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] благодаря своей про стоте, сравнительно высокой точности измерения, неслож ности обращения и дешевизне имеют весьма большое распространение и применяются для измерения температур в пределах от -35 °С до +650 °С.
Конечный предел измерения, ограничиваемый темпе ратурой размягчения стеклянной оболочки термометра, достигается при помощи искусственного повышения точки кипения ртути С этой целью у термометров для измерения высоких температур пространство капилляра над ртутью, из которого предварительно удален воздух, заполняется инертным газом при давлении свыше 2 МПа. Термометры с верхним пределом шкалы до 100 °С иногда газом не запол няются, и капилляр их находится под вакуумметрическим давлением.
Для изготовления термометров применяется специаль ное термометрическое стекло, обладающее небольшим тем пературным коэффициентом, примерно равным 0,02 · 10-3K-1 , что дает коэффициент видимого расширения ртути в стекле около 0.18·10-3K-1 .
Основная погрешность ртутных термометров зависит от диапазона показаний и цены деления шкалы, с увеличе нием которых она возрастает.
Вследствие небольшого отклонения видимого коэффи циента расширения ртути в стекле при изменении темпе ратуры ртутные термометры имеют почти равномерную шкалу.
Ртутные термометры изготовляются двух видов: с вло женной шкалой и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] . Термометр с вложенной шкалой имеет заполненный ртутью резервуар 1, капиллярную трубку 2, циферблат 3 из молочного стекла со шкалой и наружную цилиндрическую оболочку 4, в которой укреплены капил ляр и циферблат. Наружная оболочка с одного конца плотно закрыта, а с другого - припаяна к резервуару.
Рисунок 2.1 – Ртутные термометры: а) с вложенной шкалой; б) палочный
Палочный термометр состоит из резерву ара 1, соединенного с толстостенным капилляром 2 наружным диаметром 6-8 мм. Шкала термометра нанесена непосредственно на поверхности капилляра в виде насечки по стеклу. Палочные термометры являются более точными по сравнению с термометрами с вложенной шкалой.
В обоих видах термометров капилляр за верхней отмет кой шкалы имеет запасный объем, предохраняющий при бор от повреждения при перегреве.
По назначению ртутные термометры разделяются на промышленные (технические), лабораторные и образ цовые.
Действие [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]основано на зависимости давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры.
В зависимости от заключенного в термосистеме рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсационные. Выбор рабочего вещества производится исходя из заданного диапазона показаний и условий измерения.
Схема показывающего манометрического термометра приведена на рисунке 2.2
Рисунок 2.2- Схема показывающего манометрического термометра
Термосистема прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 1, погру жаемого в измеряемую среду, манометрической трубчатой пружины 2, воздействующей посредством тяги 3 на указательную стрелку 4, и капилляра 5, соединяющего пружину с термобаллоном.
Термобаллон представляет собой металличес кую трубку, закрытую с одного конца, а с другого соеди ненную с капилляром. Посредством съемного штуцера 6 с резьбой и сальником термобаллон устанавливается в тру бопроводах, баках и т. п. Возможна установка его и в за щитной гильзе. При нагреве термобаллона увеличение давления рабочего вещества передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает раскручивание последней до тех пор, пока действующее на нее усилие, пропорцио нальное разности давлений в системе и окружающем воздухе, не уравновесится силой ее упругой деформации.
По сравнению с ртутными термометрами существенными преимуществами манометрических термометров являются: автоматическая запись показаний, возможность установки прибора на некотором расстоянии от места измерения бла годаря капилляру и большая механическая прочность. К недостаткам их относятся: невысокая точность измере ния, большая инерционность вследствие значительных размеров термобаллона, а также трудность ремонта при нарушении плотности термосистемы.
Газовые манометрические термометры
Газовые манометрические термоме тры заполняются азотом. Термометры имеют равномер ную шкалу, так как изменение давления газа при постоян ном объеме пропорционально изменению его температуры, т. е.
Жидкостные и конденсационные манометрические термометры
Жидкостные манометрические тер мометры заполняются органическими полиметилси-локеановыми жидкостями. Изменение давления при нагре вании этих жидкостей в замкнутой термосистеме находится в прямой зависимости от температуры и выражается ра венством.
Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо - э. д. с), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных провод ников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра - термопару. Располагая законом изменения термо - э. д. с. термометра от температуры и оп ределяя значение термо - э. д. с. электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения.
Термоэлектрический термометр, состоящий из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии, является первичным измеритель ным преобразователем.
В качестве вторичных приборов, работающих с термо электрическими термометрами, применяются магнитоэлек трические милливольтметры и потенциометры.
Термоэлектрические термометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов, металла труб котлоагрегатов и т. п. Положительными свойствами их являются: большой диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и легкость осуществления дистанционной передачи показаний.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], получившие практи ческое применение, разделяются по материалу термо электродов на две группы: из благородных и неблагород ных металлов или сплавов.
На рис. 2.3показано устройство термометра типа ТПП-0555.
Рисунок 2.3- Термоэлектрический термометр типа ТПП-0555
Термоэлектроды, образующие рабочий конец 1, изолированы по
Для измерения температуры жидкости, газа и пара применяются одинарные и двойные виброустойчивые тер моэлектрические термометры типов ТХА-0515 и ТХК-0515, выпускаемые в трех исполнениях - без штуцера (рис. 2.4, а), с подвижным штуцером (рис. 2.4, б) и с неподвижным штуцером (рис. 2.4, в).
Рисунок 2.4 – Термоэлектрический термометр типа ТХА-0515
Измерение температуры газовых сред в лабораторных условиях при атмосферном давлении, поверка промышлен ных термоэлектрических термометров и пр. производятся лабораторными термометрами типов ТПП-1378 и ТПР-1378 (рис. 2.5, а).
Для стационарного измерения температуры наружных металлических поверхностей служит поверхностный термоэлектрический термометр типа ТХКП-XVIII (рис. 2.4, б).
Измерение разности температур между двумя точками осуществляется дифференциальным термоэлектрическим термометром ( рис. 2-18 а) у которого свободный конец является вторым рабочим концом.
Рисунок 2.4 – Схема лабораторного и стационарного термометров
Термометр сопротивления, чувствительный элемент которого состоит из тонкой спиральной проволоки (обмотки), изолированной и помещенной в металлический защитный чехол с головкой для подключения соединительных проводов, является первичным измерительным преобразователем, питаемым от постороннего источника тока. В качестве вторичных приборов, работающих с термометрами сопротивления, применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты и магнитоэлектрические логометры.
На рис. 2.5 показано устройство платинового термометра сопротивления типа ТСП-5071, предназначенного для измерения температуры жидкости, газа и пара в диапазоне 260 - 750° С. Термометр виброустойчивый, выпускается одинарным или двойным, градуировочных характеристик гр.21 и гр.22, класса точности К-II.
Рисунок 2.5- Платиновый термометр сопротивления типа ТСП-5071: а) чевствительный элемент; б) защитная арматура
Платиновый термометр сопротивления типа ТСП-I (рис. 2.6) градуировочной характеристики гр.21 и класса точности К-II служит для измерения температуры жидкости, газа и пара в диапазоне 0 - 500° С.
Медный термометр сопротивления типа ТСМ-5071, устройство которого дано на рис. 2.7, является виброустойчивым термометром градуировочных характеристик гр.23 и гр.24, класса точности K-III. Термометр предназначен для измерения температуры жидкости, газа и пара в диапазоне 50 - 150° С; имеет чувствительный элемент 1 в виде бескаркасной бифилярной обмотки.
Рисунок 2.5 – Платиновый термометр сопротивления типа ТСП-1
Рисунок 2.6 – Медный термометр сопротивления типа ТСМ-5071
Измерение давления
Измерение давления необходимо для управления технологическими процессами и обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д. В системе СИ за единицу давления принят [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
В большинстве случаев первичные преобразователи давления имеют неэлектрический выходной сигнал в виде силы или перемещения и объединены в один блок с измерительным прибором. Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то применяют промежуточное преобразование этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический или пневматический. При этом первичный и промежуточный преобразователи объединяют в один [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Для измерения давления используют [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Жидкостные приборы давления
В жидкостных приборах давления измеряемая величина компенсируется столбом жидкости, отнесенным к единице его поперечного сечения. В основу действия таких приборов положен метод сообщающихся сосудов. Жидкостные приборы давления используют в качестве манометров для измерения давления неагрессивных газов вплоть до 0,1 МПа, тягомеров для измерения разрежения Рв до 7000 Па, вакуумметров для измерения вакуума Рвдо 0,1 МПа и дифференциальных манометров для измерения раз ности давлений неагрессивных жидкостей, паров и газов до 0,07 МПа. Их применяют в качестве приборов, устанавливаемых по месту эксплуатации отдельных узлов оборудования или на площадках об служивания, а также в качестве образцовых при поверке рабочих приборов, рассчитанных на те же диапазоны измерения давления, разрежения или разности давлений.
Рисунок 2.7- U-образный жидкостный манометр
Результат измерения давления обычно выражается в миллиметрах водяного или ртутного столба. Для получения давления в Паскалях используют формулу Р=hgr, где g местное ускорение свободного падения; r плотность рабочей жидкости.
При измерении давления U-образным манометром возможны погрешности: из-за отклонения значений ускорения g и плотности р от расчетных; ошибок в считывании показаний h1и h2 вследствие неправильного нанесения шкалы; неравномерности температурного расширения шкалы, стекла и рабочей жидкости.
Чашечные манометры (однотрубные) являются разновидностью U-образных манометров, у которых одна из трубок заменена сосудом большего диаметра (чашкой).
Рисунок 2.8 –Чашечный манометр
Приборы для измерения давления и разности давлений с упругой деформацией чувствительных элементов
Приборы для измерения давления, основанные на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемой величины, широко применяют в диапазоне от 50 Па до 1000 МПа. Деформация или сила, пропорциональная давлению, преобразуется в показания прибора или в изменения выходного сигнала. Такие приборы изготовляют в виде [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
В качестве упругих чувствительных элементов приборов для измерения давления применяют мембраны (рис. 2.9, а, б), мембранные коробки (рис. 2.9, в), сильфоны (рис. 2.9, г), трубчатые пружины (рис. 2.9, д). Мембраны, мембранные коробки и сильфоны используют также и в дифманометрах.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рисунок 2.9.- Упругие чувствительные элементы приборов для изменения давления (а, б мембраны, в мембранная коробка, г сильфон, д трубчатая пружина) и их статические характеристики (е)
Пружинные манометры предназначены для измерения среднего и высокого давления (свыше 40 кПа). Пружинный манометр деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является трубчатая пружина. Принцип действия пружинного манометра основан на уравновешении избыточного давления силами упругой деформации трубчатой пружины.
Устройство пружинного манометра:
1 основание манометра,
2 трубка,
3 трубчатая пружина,
4 стрелка,
5 зубчатый сектор,
6 тяга,
7 корпус манометра,
8 ниппель.
Рисунок 2.10 –Устройство пружинного манометра
Мембранные манометры, т.е. напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры предназначены для измерения малых давлений и разрежений, в том числе напоромеры для измерения избыточного давления до 40 кПа. Мембранный манометр это деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является мембранная коробка.
Рисунок 2.11 - Устройство мембранного напоромера : 1 мембранная коробка; 2 штифт; 3 стрелка; 4- шкала; 5, 13 пружины;
6 кронштейн; 7, 9, 12 рычаги; 8 тяга; 10 ось; 11 регулирующий винт;
Электроконтактные манометры (ЭКМ) пружинный манометр с электроконтактами, который применяется в системах автоматического контроля, регулирования и сигнализации.
Такие манометры преднязначены для измерения избыточного давления некристализующихся, неагрессивных сред (например природного газа) и дискретного управления электрическими цепями регулирующих и вспомогательных устройств.
Рисунок 2.12 –Устройство электроконтактного манометра
Контактная часть располагается над передаточным механизмом и состоит из двух передвижных контактов. Контакты замыкаются и размыкаются непосредственно самой рабочей стрелкой манометра при достижении измеряемым манометром установленных пределов. Замыкание одного из контактов рабочей стрелкой вызывает соответствующее действие системы автоматики. Одновременно эти приборы обеспечивают визуальную индикацию контролируемого параметра. Класс точности (электроконтактных манометров ЭКМ) прибора 2,5 %.
Сильфонные манометры предназначены для измерения разрежения и небольших избыточных давлений до 40 кПа. Сильфонный манометр это деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является сильфон, представляющий собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, изготовленную из высокопрочного сплава.
Принцип действия сильфонного манометра основан на уравнивании избыточного давления силами упругой деформации сильфона. Избыточное давление подводят внутрь сильфона, при этом длина сильфона увеличивается, вследствие чего стрелка прибора через систему рычагов движется по шкале.
Сильфонные манометры выпускаются как показывающие, так и самопишущие (МСС) с часовым механизмом или электроприводом.
В настоящее время выпускаются мембранные бесшкальные манометры типа САПФИР. Они предназначены для работы в системах автоматизации в качестве измерительных преобразователей давления со вторичной регистрирующей аппаратурой. Чувствительным элементом преобразователя является пластина из монокристаллического сапфира (разновидность корунда Al2O3). Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство. Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления. Основное свойство тензорезисторов способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразователя.
Устройство сильфонного манометра:
1 прокладка,
2 основание,
3 полость,
4 измерительный блок,
5 электронное устройство,
6 гермовывод,
7 мембранный тензопреобразователь,
8 полость тензопреобразователя,
9 фланец,
10 мембрана,
11 камера.
Рисунок 2.13 – Устройство сильфонного манометра
Дифференциальные манометры предназначены для измерения перепада (разности) давления в газопроводе, создаваемого каким-либо сопротивлением, например кассетой фильтра, сужающим устройством для определения расхода газа (жидкости, пара).
Компенсационные дифманометры предназначены для непрерывного преобразования контролируемого или регулируемого перепада давления в пропорциональный пневматический или электрический сигнал дистанционной передачи и используются в комплекте с вторичными приборами.
Устройство дифманометра:
1 блок сильфонов, 2 ломающийся рычаг, 3 тяга, 4 ось, 5, 7 поводки, 6 шатун, 8 перо.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рисунок 2.14 – Устройство дифманометра
Измерение расхода
Измерение расхода играет жизненно важную роль в промышленности. Несмотря на большую потребность в качественных датчиках расхода, точность этих устройств до сих пор оставляет желать лучшего.
Измерение объемного расхода. Объемный расход можно определить на основе скорости истечения потока. Связь между этими величинами однозначно определяется геометрией сечения трубы, где производится измерение, поэтому их взаимный пересчет легко выполняется с помощью калибровочной таблицы, поставляемой производителем датчика. Для измерения объемного расхода можно использовать следующие принципы:
- разность давлений;
- скорость вращения турбины;
- распространение ультразвука в жидкости;
- магнитную индукцию;
- интенсивность образования вихрей.
Датчики расхода, основанные на измерении разности давлений, работают в соответствии с законом Бернулли. Движущаяся в трубопроводе жидкость имеет постоянный объемный расход во всех сечениях. Даже если трубопровод имеет сужение, то массовый и объемный расход должны оставаться одинаковыми. Чтобы удовлетворить законы сохранения энергии и количества движения, в месте сужения скорость и статическое давление жидкости должны отличаться от остальных сечений трубопровода. В соответствии с законом Бернулли в месте сужения скорость движения жидкости увеличивается, а давление падает. По величине перепада давления
·p = p1 - p2 можно рассчитать скорость жидкости. Расход пропорционален
·
·p коэффициент пропорциональности зависит от геометрии сужения. Для измерения можно использовать смещение мембраны, возникающее из-за увеличения давления. Если мембрана соединена с магнитным сердечником дифференциального трансформатора, то выходное напряжение также будет пропорционально разности давлений и, следовательно, расходу жидкости (рис.2.15а).
Рисунок 2.15 - Измерение расхода по разности давлений: а - общий подход с использованием сужения трубопровода; б - принцип трубки Вентури.
В месте сужения всегда присутствуют потери на трение, которые можно уменьшать за счет выбора гидродинамически обтекаемой формы. Примером такого устройства является трубка Вентури (рис. 15 б), которая состоит из сужающегося и расширяющегося сопел.
Расход можно измерить турбиной со счетчиком частоты вращения, поскольку он пропорционален скорости вращения. Обычно этот принцип применяется в расходомерах, которые выдают импульс при п
·рохождении через турбину определенного количества жидкости. Такой измеритель можно использовать только для чистых жидкостей, так как любые твердые частицы будут мешать вращению турбины.
Простой способ измерения объемного расхода основан на свойствах распространения ультразвука в жидкости. В результате ультразвукового измерения можно получить среднюю скорость жидкости, которая определяется по скорости распространения ультразвуковых волн.
Ультразвуковое измерение выполняется с помощью двух пьезоэлектрических преобразователей, помещенных по разные сторонам трубы на расстоянии (вдоль оси трубы) по крайней мере, 100 мм друг от друга; они могут работать как в режиме излучения (прямо), так и в режиме отражения.
Измерение массового расхода. Во многих случаях вместо объемного расхода или скорости жидкости необходимо знать массовый расход. Если известна плотность несжимаемой жидкости, то массовой расход рассчитывается непосредственно по объемному с учетом, если необходимо, температуры, давления.
Многие попытки определить массовый расход на основе измерения сил и ускорений потерпели неудачу. Один принцип, однако, получил промышленное применение – это измерение массового расхода на основе гидростатического метода и влияния ускорения силы Кориолиса.
Во вращающейся системе на массу, движущуюся вдоль радиуса, действует сила, называемая силой Кориолиса. Направление этой силы перпендикулярно оси вращения и направлению движения массы, а ее величина пропорциональна скорости вращения и радикальной скорости массы. Эти расходомеры дают хорошие результаты, не требуя компенсации давления температуры.
В прямолинейном участке трубопровода с помощью электромагнита возбуждаются колебания, резонансные собственной частоте трубы или частоте какой-либо ее гармоники. На входе и выходе трубопровода симметрично по отношению к электромагниту размещены приемники для определения фазы колебаний трубы. На любой элемент жидкости, текущей по трубе, будет действовать боковое ускорение. Из-за инерции этого элемента колебания на входе будут затухать. По мере прохождения элемента жидкости по трубе, он передает ей накопленную энергию, и ее колебания на выходном конце усиливаются. Фазы сигналов, измеренных на входе и выходе участка трубопровода, будут различаться; разность фаз прямо пропорциональна массовому расходу. Датчики расхода, построенные в соответствии с принципом Кориолиса, очень мало влияют на потери давления в трубопроводах.
Расходомер Кориолиса можно также использовать для измерения плотности жидкости. Для этого определяется собственная частота колебаний заполненного участка трубопровода, которая обратно пропорциональна плотности жидкости.
Расходомеры Кориолиса – непростые устройства и требуют сложных согласующих и обрабатывающих схем. Одно и то же устройство может применяться для измерения и расхода, и плотности. Кроме того, массовые расходомеры Кориолиса не требуют сглаживающих участков труб и обладают высокой точностью (0,5% от измеряемой величины).
Измерение уровня
Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета.
Измерение уровня довольно распространенный измерительный процесс в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и дру гих отраслях промышленности. Иногда по результатам измерения уров ня судят об объемном количестве вещества, содержащегося в резерву арах (баках, цистернах, танках и т. п.). Для этого используют либо мер ные емкости постоянного (по высоте) поперечного сечения (например, мерные баки объемных расходомерных установок), либо специальные тарировочные таблицы, ставящие в соответствие каждому текущему зна чению уровня значение объема резервуара.
Средства измерений уровня называются уровнемерами. Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измеритель ных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерений (устройств для линеаризации функ ций преобразования, отсчетных устройств и т. д.).
Первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую ве личину уровень и преобразует ее в выходной сигнал (электрический, пневматический, частотный), поступающий на последующие преобразова тели, или в показания, отсчитываемые по шкале уровнемера.
Принцип действия первичных преобразователей уровнемеров осно ван на различии физических свойств веществ, образующих границу раз дела.
В зависимости от того, различие каких физических свойств веществ воспринимает первичный преобразователь, уровнемеры подразделяют на механические, акустические, электрические, оптические и тепловые.
Контактные методы измерения уровня
При поплавковом методе индикатором уровня служит поплавок. Для передачи информации от чувствительного элемента используются различные виды связи. Как правило, поплавок снабжен магнитом и заключен в измерительную трубу либо скользит по направляющему стержню. Магнит может влечь за собой ползунок реостата. Изменение сопротивления преобразуется в электрический выходной сигнал, что дает помимо визуального контроля возможность дистанционной передачи показаний и включения в систему автоматизации. Ряд поплавковых уровнемеров используют магнитострикционный эффект. При этом направляющий поплавок стержень содержит волновод, заключенный в катушку, по которой подаются импульсы тока. Под действием магнитных полей тока и двигающегося магнита в волноводе возникают импульсы продольной деформации, распространяющиеся по волноводу и принимаемые пьезоэлементом вверху стержня. Прибор анализирует время распространения импульсов и преобразует его в выходные сигналы.
Поплавковый метод может с успехом применяться в случае пенящихся жидкостей. Типичным применением поплавковых уровнемеров является измерение уровня топлива, масел, легких нефтепродуктов в относительно небольших емкостях и цистернах в процессе коммерческого учета. Температура рабочей среды: - 40...120 °С, избыточное давление: до 2 МПа, для преобразователей с гибким чувствительным элементом - до 0,16 МПа. Плотность среды: 0,5...1,5 г/см3. Диапазон измерений – до 25 м. Важной характерной особенностью поплавковых уровнемеров, является высокая точность измерений (± 1...5 мм). Метод явно неприменим только в средах, образующих налипание, отложение осадка на поплавок, а также коррозию поплавка и конструкции чувствительного элемента.
Емкостной метод – более простой и дешевый. Он обеспечивает хорошую точность порядка 1,5 %, имеет те же ограничения, что и поплавковый - среда не должна налипать и образовывать отложения на чувствительном элементе. Вместе с тем, в отличие от поплавкового, он применим как для жидких, так и для сыпучих сред с размером гранул до 5 мм. Характерным принципиальным ограничением для емкостного метода является неоднородность среды - измеряемая среда должна быть однородной, по крайней мере, в зоне расположения чувствительного элемента уровнемера.
Чувствительный элемент емкостного уровнемера представляет собой конденсатор, обкладки которого погружены в среду. Он может быть выполнен в виде двух концентрических труб, пространство между которыми заполняется средой, либо в виде стержня, при этом роль второй обкладки играет металлическая стенка емкости. В случае измерения уровня проводящей жидкости чувствительный элемент емкостного уровнемера покрывается изолирующим материалом, обычно фторопластом. Изменение уровня жидкости приводит к изменению емкости чувствительного элемента, преобразуемой в выходной электрический сигнал.
Условия применения емкостных датчиков по характеристикам рабочей среды: температура -40...+200 °С, давление – до 2,5 МПа, диапазон измерения – до 3м (30 м – для тросовых емкостных уровнемеров).
Гидростатические уровнемеры измеряют давление столба жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от величины уровня и плотности жидкости и не зависит от формы и объема резервуара. Они представляют собой дифференциальные [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. На один из входов, подсоединяемый к емкости подается давление среды. Другой вход датчика соединяется с атмосферой - в случае открытой емкости без избыточного давления или соединяется с областью избыточного давления в случае закрытой емкости под давлением. Расположение чувствительного элемента (мембраны) датчика соответствует минимальному измеряемому уровню среды в резервуаре.
Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они позволяют производить измерения в диапазоне до 250 кПа, что соответствует (для воды) 25 метрам, с точностью до 0,1% при избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды: – 40...+120 °С. Гидростатические уровнемеры могут использоваться для вязких жидкостей и паст. Важным достоинством гидростатических уровнемеров является высокая точность при относительной дешевизне и простоте конструкции.
Буйковые уровнемеры. Метод определения уровня по выталкивающей силе действующей на погруженный в рабочую жидкость буек используют буйковые уровнемеры . На тонущий буек действует в соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, пропорциональная степени погружения и, соответственно, уровню жидкости. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь, либо индуктивный преобразователь, либо заслонка, перекрывающая сопло.
Буйковые уровнемеры предназначены для измерения уровня в диапазоне – до 10 м при температурах – 50...+120 °С (в диапазоне +60..120 °С при наличии теплоотводящего патрубка, при температурах 120...400 °С приборы работают как индикаторы уровня) и давлении до 20 МПа, обеспечивая точность 0,25...1,5%. Плотность контролируемой жидкости 0,4...2 г/см3.
Буйковые уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела фаз двух жидкостей. Возможно, также, их использование для определения плотности рабочей среды при неизменном уровне.
Бесконтактные методы измерения уровня
Ультразвуковые уровнемеры обеспечивают бесконтактное измерение уровня. Точность показателей не зависит от свойств измеряемого продукта (например, от диэлектрической постоянной, проводимости, плотности или влажности). Ульразвуковые уровнемеры в некоторой степени нечувствительны к налипанию продукта за счет эффекта самоочистки, вызванного вибрацией диафрагмы сенсора.
По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные. В локационных ультразвуковых уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость газ, в связи с чем они получили название ультразвуковых. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа. В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня.
Ультразвуковой метод характерен очень малым подводом теплоты в контролируемую среду, поэтому может быть использован в криогенной технике. Однако метод применим только на жидкостях со спокойной поверхностью, т.е. исключаются кипящие жидкости и криостаты с загруженным внутренним объемом.
Ультразвуковые уровнемеры предназначенны для измерения уровня жидкостей (в том числе агрессивных), а также сыпучих и кусковых материалов при температуре от -50 до 170 °С при давлении до 4 МПа. Пределы измерения уровня от 0,4 до 30 м, основная погрешность равна ±0,5% и более.
Микроволновые радарные уровнемеры – наиболее сложные и высокотехнологичные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта контроля здесь используется электромагнитное излучение СВЧ диапазона. В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: импульсные и FMCW (frequency modulated continuous wave).
Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал в импульсном режиме, при этом прием отраженного сигнала происходит в промежутках между импульсами исходного излучения. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до контролируемой поверхности.
В уровнемерах FMCW происходит постоянное непрерывное излучение линейно частотно модулированного сигнала и, одновременно, прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны. В результате на выходе получается смесь сигналов, которая анализируется с применением специального математического и программного обеспечения для выделения и максимально точного определения частоты полезного эхо-сигнала. Для каждого момента времени разность частот прямого и обратного сигналов прямопропорциональна расстоянию до контролируемого объекта.
Обычно, рабочая частота радарных уровнемеров независимо от типа варьирует от 5,8 до 26 ГГц. Чем более высокая частота, тем более узкий "луч" и тем выше энергия излучения, а, следовательно, сильнее отражение. Поэтому высокочастотные уровнемеры позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью. Они, также, удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара. Вместе с тем, высокочастотные уровнемеры более чувствительны к таким явлениям как запыленность, испарения, волнение поверхности рабочей среды, налипание частиц среды на поверхность антенны вследствие более интенсивного рассеивания сигнала. В подобных условиях лучше работают [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Радарные уровнемеры - наиболее универсальные средства измерения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, к их изменениям, а также большая устойчивость к таким явлениям как запыленность, испарения с контролируемой поверхности, пенообразование. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность измерения уровня, что позволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем существенным лимитирующим фактором применения радарных уровнемеров остается высокая стоимость данных приборов.
Для любого метода измерения уровня характерен набор технических реализаций, расширяющийся с развитием технологий и измерительной техники.
Измерение плотности
Плотность –физическая величина, определяемая для однородного в-ва его массой в единице объема; плотность неоднородного вещества – это соотношение массы и объема, когда последний стягивается к точке, в которой измеряется плотность. Отношение плотностей двух веществ при определенных стандартных физизических условиях называется относительной плотностью; для жидких и твердых веществ ее измеряют при температуре t, как правило, по отношению к плотности дистиллированной воды при 40C ( ), для газов -по отношению к плотности сухого воздуха или водорода при нормальных условиях (T= 273,15 К, p = 1,01 · 105 Па).
Для сыпучих и пористых твердых веществ различают плотности истинную (масса единицы объема плотного материала, не содержащего пор), кажущуюся (масса единицы объема пористого материала из зерен или гранул) и насыпную (масса единицы объема слоя материала). Одной из важных характеристик кристаллических веществ служит рентгеновская плотность (определяют рентгенографически). Она представляет собой отношение массы атомов, находящихся в элементарной ячейке кристалла к.-л. вещества, к ее объему; выражается в обычных единицах плотности.
Плотность веществ обычно уменьшается с ростом температуры (из-за теплового расширения тел) и увеличивается с повышением давления. При переходе из одного агрегатного состояния в другое плотность изменяется скачкообразно. Единицей плотности в Международной системе единиц служит кг/м3· на практике применяют также след. единицы: г/см3, г/л, т/м3 и т.д.
Диапазон значений плотности разных веществ и материалов (кг/м3) исключительно широк: для жидкостей -от 43,2 (водород при -2400C) до 13595 (ртуть), газов -от 0,0899 (водород) до 9,81 (радон), твердых тел -от 240 (пробка) до 22610 (осмий) и т.д.
Совокупность методов измерения относит, плотности жидкостей и твердых тел называется денсиметрией (от лат. densus-плотный, густой и греч. metreo- измеряю). Некоторые методы денсиметрии применимы также к газам. Иные методы определения их плотности основаны на связи ее с параметрами состояния веществв (напр., плотность идеальных газов м. б. вычислена по Клапейрона-Менделеева уравнению) и с зависимостью от плотности протекающих в них процессов.
При расчетах используют т. наз. среднюю плотность тела, определяемую отношением его массы т к объему V, т.е. а также др. соотношениями.
Выбор, классификация и применение плотномеров. Основные метрологические и эксплуатационные характеристики, определяющие выбор плотномеров: точность, воспроизводимость, пределы, диапазоны и погрешности измерений, рабочие температуры и давления, характер и степень воздействия анализируемых веществ на конструкционные материалы и т. п. Стандартная температура, при которой посредством плотномеров измеряют плотность веществ, равна 200C.
Относительная плотность разных веществ при 20 0C и соответствующие температурные поправки находят в справочной литературе по таблицам или номограммам.
Наиболее распространены ручные и автоматические плотномеры для жидкостей. По принципу действия они делятся на следующие основные группы: поплавковые, массовые, гидростатические, радиоизотопные, вибрационные, ультразвуковые.
Действие поплавковых, или ареометрических, плотномеров основано на законе Архимеда; погрешность приборов этой группы 0,2-2% от диапазона значений плотности, охватываемого шкалой прибора. Массовые плотномеры основаны на непрерывном взвешивании определенных объемов жидкости (пикнометрические, приборы для гидростатич. взвешивания, автоматические приборы) и имеют погрешность 0,5-1%. С помощью гидростатических плотномеров измеряют давление столба жидкости постоянной высоты; погрешность 2-4%. Действие радиоизотопных плотномеров основано на определении ослабления пучка g-излучения в результате его поглощения или рассеяния слоем жидкости; погрешность ок. 2%. Вибрационные плотномеры основаны на зависимости резонансной частоты колебаний, возбуждаемых в жидкости, от ее плотности; погрешность (1-2)· 10-4 г/см3. В ультразвуковых плотномерах используют зависимость скорости звука в среде от ее плотности; погрешность 2-5%. Существуют плотномеры, действие которых основано и на других принципах.
Относительная плотность постоянна для всех химически однородных веществв и растворов при данной температуре. Поэтому по значениям плотности, измеренной посредством плотномеров, можно судить о наличии примесей в веществах и о концентрации растворов. Это позволяет широко применять плотномеры в научных исследованиях и в разных отраслях народного хозяйства как средство для проведения различных анализов, для контроля технологических процессов и автоматизации управления ими, для правильной организации системы количественного учета материалов при их приемке, хранении и выдаче и т. д.
Лабораторные плотномеры
Эти приборы предназначены для ручного периодич. измерения относит. плотности веществ главным образом ареометрами, пикнометрами и гидростатическими весами.
Ареометры. В соответствии с законом Архимеда масса жидкости, вытесненная плавающим ареометром, равна его массе. Различают ареометры постоянной массы (наиб. распространены) и постоянного объема.
К ареометрам постоянной массы относятся денсиметры (рис. 1,а), шкалы к-рых градуируются в единицах плотности, и приборы для определения концентраций р-ров (шкалы градуируются в % по объему или по массе), имеющие спец. названия: лактомеры - измеряют жирность молока, спиртомеры - содержание спирта в воде, сахаромеры - содержание сахара в сиропах и т.д.
При определении плотности ареометрами постоянного объема (рис. 1,5) путем изменения массы поплавка достигают его погружения до соответствующей метки. Плотность находят по массе гирь (размещают на тарелке) и ареометра и по объему вытесненной им жидкости. Такие приборы м. б. использованы также для измерения плотности твердых тел.
Пикнометры. Плотность находят по отношению массы жидкости к ее объему. Последний измеряют по шкале или меткам на сосуде, массу - взвешиванием на аналитических весах. Плотность твердых тел (порошков) измеряют, погружая их в сосуды, наываются волюмометрами, заполненные жидкостью, в которой исследуемое вещество не растворяется. Пикнометры специальные формы (шаровидные и др.) применяют также для определения плотности газов.
Приборы для гидростатического взвешивания. Данный метод определения плотности жидкостей и твердых тел также основан на законе Архимеда. Плотность жидкости измеряют, взвешивая в ней к.-л. тело (обычно стеклянный поплавок), масса и объем которого известны. Плотность твердого тела определяют его двукратным взвешиванием -сначала в воздухе, а затем в жидкости с известной плотностью (как правило, в дистиллированной воде); при первом взвешивании находят массу тела, по разности результатов обоих взвешиваний - его объем. В зависимости от требуемой точности гидростатическое взвешивание проводят на техн., аналит. или образцовых весах. При массовых измерениях широко используют менее точные, но более быстродействующие спец. гидростатические весы, например весы Мора, Вестфаля либо их комбинацию.
Плотность вязких жидкостей лучше всего измерять ареометрами или с помощью гидростатических весов, маловязких - пикнометрами.
Наряду с плотномерами традиционных типов в лабораторной практике все чаще применяют приборы, которые до последнего времени были распространены только в промышленности.
Технологические плотномеры. Эти приборы представляют собой автоматические плотномеры обычно для непрерывного определения и регулирования плотности веществ в процессах их производства или переработки. Такие плотномеры размещают непосредственно на "потоках", т.е. в контрольных точках на технологических линиях, а также на аппаратах промышленных установок.
Автоматические плотномеры выпускают в виде самостоятельных приборов или измерительных комплектов (датчик, блок подготовки пробы, вторичный прибор и т.д.).
Поплавковые приборы. Различают плотномеры с плавающим и погруженным в жидкость поплавком. В одном случае глубина его погружения обратно пропорциональна плотности испытуемой жидкости, в другом эта плотность прямо пропорциональна массе поплавка.
Поплавковые плотномеры служат также для определения плотности газов. Оно сводится к непрерывному взвешиванию шара с азотом в камере, заполненной исследуемым газом. Мера его плотности - угол наклона коромысла, перемещение которого с помощью магнита передается стрелке прибора.
Массовые приборы. Действие их основано на том, что масса жидкости при неизменном ее объеме прямо пропорциональна плотности. В таком плотномере с пневматическим преобразователем непрерывно взвешивается протекающая по трубопроводу жидкость определенного объема, U-образная трубка с проходящей через нее контролируемой жидкостью связана рычажной системой с заслонкой. Давление воздуха в сильфоне, изменяющееся пропорционально плотности жидкости, определяется по вторичному прибору. Массовые плотномеры применяют обычно для измерения плотности суспензий, а также вязких и содержащих твердые включения жидкостей.
Гидростатические приборы. В этих плотномерах используют линейную зависимость гидростатического давления от высоты уровня и плотности жидкости. Давление столба жидкости измеряют непосредственно, например мембранным манометром, или косвенно-продуванием через жидкость воздуха, давление которого пропорционально столбу жидкости (пьезометрический плотномер). Чтобы исключить влияние колебаний температуры и уровня жидкости, часто применяют дифференц. метод: продувают воздух одновременно через испытуемую и сравнительную жидкости, имеющие одинаковую температуру (термостатированные), и измеряют возникшую при этом разность давлений дифманометром. Последний снабжен пневмопреобразователем, передающим соответствующий сигнал на вторичный прибор.
Измерение вязкости
Вязкость один из основных показателей качества горючесмазочных материалов, красок, синтетических смол и т. п. Например, в производстве полимеров и различных продуктов на их основе вязкость служит важнейшим технологическим параметром, так как по ее величине можно оценить молекулярную массу и концентрацию вещества, а также его структуру в расплаве или растворе.
Вязкость это способность вещества оказывать сопротивление перемещению в нем какого-либо тела. Если вещество само движется относительно тела, то возникает сопротивление его движению (этим объясняется гидравлическое сопротивление трубопроводов).
К настоящему времени наибольшее распространение получили следующие методы измерения вязкости:
апиллярный (метод Пуазейля);
метод падающего тела (метод Стокса);
метод взаимодействия между вращающимися телами;
вибрационнй метод и др.
Вязкость часто определяют путем отсчета времени истечения определенного количества вещества при постоянном перепаде уровней.
Действие ротационных вискозиметров основано на использовании сил взаимного трения между двумя вращающимися телами.
Причины возникновения погрешностей:
влияние температуры,
влияние осадков;
влияние металлических включений;
за счет саморазогрева среды;
турбулентность среды;
тепловые эффекты;
эффект эластичной турбулентности и др.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рисунок 2.16 - Капиллярные вискозиметры
(лабораторный и промышленный): 1 – дозирующий насос, 2 – капилляр, 3 – импульсные трубки, 4 – преобразователь разности давлений, 5 – вторичный прибор, 6 – трубопровод.
Для измерения вязкости наиболее широко применяют вибрационные и ротационные вискозиметры.
Действие вибрационных вискозиметров основано на том, что жидкость стремится затормозить колебания опущенной в нее плоской пластины, причем сила торможения зависит от вязкости жидкости.
В датчике вискозиметра пластина закреплена в эластичной мембране. Нижняя часть пластины погружена в жидкость, а верхняя находится в катушке, соединенной с генератором импульсов. При включении катушки в пластине возникают продольные колебания. Затем катушка отключается от генератора и колебания пластины затухают. В процессе свободных колебаний пластины в катушке наводится ЭДС, имеющая частоту ее свободных колебаний. Она обеспечивает запирание генератора до момента полного прекращения колебаний, после чего генератор снова включает катушку и цикл повторяется. Чем больше вязкость жидкости, тем быстрее затухают колебания пластины и тем меньше интервалы между включениями генератора. Измеряют величину этих интервалов. Вибрационный вискозиметр выпускается для работы как в узком, так и в широком диапазоне изменения вязкости.
Принцип действия ротационных вискозиметров основан на измерении сопротивления, которое оказывает жидкость вращению погруженного в нее тела. Это сопротивление растет с увеличением вязкости жидкости.
Ротационный вискозиметр состоит из привода, измерительного устройства и рабочего тела. В одних приборах поддерживают постоянную скорость вращения тела и измеряют мощность, которую затрачивает на эту работу привод. В других используют привод постоянной мощности, а измеряют скорость вращения тела. Очевидно, что в первом случае с увеличением вязкости жидкости потребуется большая мощность привода, во втором это приведет к уменьшению скорости вращения тела.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рисунок 2.17- Ротационный вискозиметр:
1 – электропривод, 2 – магнитная муфта, 3 - вращающийся цилиндр, 4 – неподвижный цилиндр, 5 – ввод контролируемой среды, 6 – термометр, 7 – устройство измерения крутящего момента, 8 – термостат.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рисунок 2.18- Ротационный вискозиметр погружного типа:
1 - вращающийся внутренний цилиндр;2 – наружный цилиндр с прорезями; 3 – магнитная муфта; 4 – разделительная перегородка; 5 – приводной и измерительный вал; 6 – крышка.
Рисунок 2.19 - Ротационный вискозиметр проточного типа.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рисунок 2.20 - Вискозиметр с падающим шариком. 1 – измерительная трубка, 2 – шарик, 3 – измерительный канал, 4 – корпус, 5 – поворотный кронштейн, 6 – термометр, 7 – штуцер для присоединения к термостату.
Измерение влажности
Влага – один из обязательных компонентов твердых неметаллических материалов. Влажность часто служит показателем качества материалов, характеризует их частоту, теплофизический свойства, влияет на технологические свойства материала. В технологических процессах важное место занимает автоматический контроль и регулирование влажности.
Содержание влаги в любом теле характеризуется его абсолютной или относительной влажностью; единицей измерения абсолютной влажности является кг/м3.
Для количественной характеристики содержание влаги в материале применяют две величины – влагосодержание U и влажность W.
Обычно в производственной практике используют влажность W.
Методы и приборы (гигрометры) для измерения влажности газов
К методам измерения влажности газов относятся следующие методы.
Психрометрический метод основан па психрометрическом эффекте, т. е. на зависимости скорости испарения влаги в окружающую среду от влажности этой среды. Скорость (интенсивность) испарения возрастает с уменьшением влажности газа.
Для измерения психрометрического эффекта психрометр имеет два одинаковых термометра, у одного из которых (мокрого) тепловоспринимающая часть все время остается влажной, так как соприкасается с гигроскопическим телом, всасывающим воду из сосуда. При испарении влаги с увлажненной поверхности мокрого термометра его температура понижается. В результате между сухим и мокрым термометрами создается разность температур, называемая психрометрической разностью.
Преимущества психрометрического метода – достаточная точность при положительных температурах и незначительная инерционность; недостатки – зависимость результатов измерения от скорости движения газов и колебаний атмосферного давления, уменьшение чувствительности и рост погрешности с понижением температуры.
Метод точки росы заключается в определении температуры, до которой необходимо охладить (при неизменном давлении) насыщенный газ для того, чтобы привести его к состоянию насыщения. Зная температуру точки росы, можно определить абсолютную влажность газа по таблицам насыщенного водяного пара.
Сорбционный метод основан на поглощении влаги из анализируемой среды каким-либо гигроскопическим веществом. Количество поглощенной влаги определяют по изменению массы или других параметров влагосорбирующих материалов. В зависимости от этого различают следующие разновидности сорбционного метода:
– сорбционно-электролитический – о влажности судят по изменению электрической проводимости пленки с нанесенным на нее поглотителем влаги (сорбентом
– сорбционно-кулонометрический метод – влажность определяют по количеству электричества, затрачиваемого на электролиз влаги, которая поглощена пленкой частично гидратированной пятиокиси фосфора;
– пьезосорбционный метод – используют зависимость собственной частоты колебаний кварцевого резонатора от массы вещества, нанесенного на поверхность кварцевой пластины;
– сорбционно-деформационный метод – используют зависимость размеров некоторых влагосорбирующих материалов от влажности окружающей среды;
– сорбционно-массовый метод – основан на свойстве некоторых веществ (силикагель, хлористый кальций, хлористый литий, фосфорный ангидрид и др.) поглощать влагу;
– сорбционно-термический метод – основан на измерении количества теплоты, выделяющейся при сорбции влаги гигроскопическим материалом.
Электролитические гигрометры можно применять для любых газов, не воздействующих на раствор хлористого лития. Градуировка преобразователей устойчива во времени; преобразователи взаимозаменяемы. Показания приборов не зависят от давления. Основной недостаток влагомеров с подогревными преобразователями – узкие пределы их применения.
Конденсационный метод основан на охлаждении исследуемого газа в холодильнике до полной конденсации содержащейся в нем влаги; количество влаги в газе определяют по объему воды, выделившейся в холодильнике.
Спектрометрический метод использует зависимость поглощения излучений от влажности исследуемого газа (применяют инфракрасное, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения).
Электрохимический метод основан на измерении электрического потенциала, возникающего в растворе (раствор Фишера) подвергнутого возгонке металлического йода, безводного пиридина и сухого сернистого ангидрида в метаноле при попадании в него воды.
Метод теплопроводности основан на различии теплопроводности сухого и влажного газа.
Методы и приборы для измерения влажности твердых тел
Для определения влажности твердых и сыпучих тел применяют прямые методы, позволяющие определить непосредственно массу влаги или массу сухого вещества в навеске, и косвенные методы определения влажности измерением функционально связанной с ней величины. Характерная особенность прямых методов – высокая точность. Однако прямые методы длительны. Так, время высушивания навески до постоянной массы 515 ч.
Из прямых методов наибольшее распространение получили методы высушивания, экстракционные и химические.
Метод высушивания состоит в воздушно-тепловой сушке небольшой специально подготовленной навески материала до достижения равновесия с окружающей средой, что условно считают равноценным полному удалению влаги. Метод высушивания наиболее точный и его используют для поверки других методов. Влажность образца определяют по разности масс влажной и сухой навесок. Основная погрешность определения связана с неполным удалением влаги, потерей летучих компонентов и окислением вещества при сушке. Преимущество метода – простота и универсальность.
Экстракционный метод заключается в извлечении влаги из исследуемого образца водопоглощающей жидкостью (спирт, диоксан) с последующим определением характеристик жидкого экстракта (плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т. п.), зависящих от его влагосодержания. Преимущество экстракционного метода – малое влияние на результаты определения влажности других физических характеристик материала (плотности, гранулометрического состава и др.). Недостатки метода – зависимость результатов от чистоты и дозировки водопоглощающей жидкости, большая длительность.
Химический метод предусматривает извлечение воды с помощью реагента, вступающего в химическую реакцию с влагой образца материала (например, СаС2 + 2Н2O [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]Са(ОН)2 + С2Н2). В качестве реагента применяют реактив Фишера, карбид кальция, обезвоженный метанол. Количество влаги в материале определяют по объему выделившегося ацетилена или повышению давления в сосуде постоянного объема.
Общие недостатки прямых методов – необходимость отбора и специальной подготовки проб материала, периодичность и большая длительность процесса контроля; поэтому прямые методы используют главным образом в лабораторных исследованиях, а также при градуировке и поверке промышленных влагомеров.
Косвенные методы характеризуются быстрым определением влажности, но по точности значительно уступают прямым методам. В производственных условиях, когда требуется выполнять много анализов в короткое время, отдают предпочтение косвенным методам. Только эти методы позволяют автоматизировать контроль влажности.
К косвенным относятся следующие основные методы: кондуктометрический, диэлькометрический, сверхвысокочастотный, оптический, ядерного магнитного резонанса, термовакуумный, теплофизический.
Кондуктометрический метод
Зависимость электрического сопротивления от влажности для капиллярно-пористых материалов.
Диэлькометрический метод основан на том, что диэлектрическая проницаемость e и тангенс угла диэлектрических потерь tgj твёрдых капиллярно-пористых материалов, относящихся к макроскопически неоднородным диэлектрикам, в большой степени зависит от их влажности. Присутствие влаги в твердом материале в значительной степени изменяет комплексную диэлектрическую проницаемость. Диэлектрическая проницаемость большей части веществ зависит от температуры, поэтому при измерении влажности в лабораторных условиях преобразователи с целью поддержания постоянной температуры термостатируют, а в промышленных влагомерах должна быть предусмотрена автоматическая температурная компенсация.
Диэлькометрические влагомеры применяют, в основном, для лабораторного контроля разнообразных материалов.
Метод ядерного магнитного резонанса основан на поглощении энергии радиочастотного магнитного поля ядрами атомов водорода (протонами) из состава воды, содержащейся в материале. По величине поглощения можно оценить влагосодержание.
Термовакуумный и теплофизический методы измерения влажности твёрдых материалов основаны на измерении параметров температурной кривой материала в процессе десорбции влаги в вакууме.
Теплофизический метод основан на использовании зависимости температуры образца материала в процессе или после нагрева от влажности, т.е. на оценке влажности материала по энергии, затраченной на испарение воды из него при интенсивной контактной сушке постоянным потоком теплоты.
Оптический метод анализа состава материалов основан на измерении потока излучения после взаимодействия его с контролируемым материалом.
Анализ состава материалов оптическими методами основан на измерении потока излучения после взаимодействия его с контролируемыми материалами. Преимуществом оптического метода является бесконтактность измерения, возможность установки непосредственно в технологических потоках, возможность измерения влажности в больших диапазонах. Недостатком оптического метода измерения влажности по отражению является то, что информацию можно получить лишь с верхнего слоя толщиной 530 мм.
Сверхвысокочастотный метод измерения влажности основан на том, что проходящие через влажный образец радиоволны ослабляются и замедляются. Это в свою очередь приводит к изменению амплитуды E0 и сдвигу фаз Dj. Зависимости E0 и Dj от влажности получают в процессе градуировки прибора.
Измерение состава веществ
Условно анализ химического состава сред можно разделить на: 1.Измерение влажности. Влажность газов, жидких сред и твердых тел является одним из важных параметров, подлежащих контролю, технологических процессов в различных отраслях промышленности.
2.Анализ состава жидкостей. Анализ состава жидкостей производится при технологических процессах в различных отраслях промышленности и, прежде всего, в химико-технологических процессах. Кроме задач, контроля промышленных жидкостей существует важная задача по охране окружающей среды - контроль за состоянием естественных и искусственных водоемов, анализ сбросных вод промышленных предприятий. Для этих целей также необходимы измерительные приборы.
3.Анализ состава газов. Задачи анализа состава газов возникают в научных исследованиях, в различных отраслях промышленности, воздушной среды при контроле окружающей среды. Средства измерения состава газов, называют газоанализаторами.
Анализаторы жидкостей
Кондуктометрический метод анализа основан на измерении электропроводности растворов электролитов, в которых перенос тока происходит за счет движения ионов. Электропроводность характеризует суммарную концентрацию ионов в растворе. Зависимость электропроводности от концентрации носит сложный характер: с увеличением концентрации электропроводность раствора сначала увеличивается, а затем уменьшается. Поэтому для каждого кондуктометрического концентратомера установлены свои пределы измерений в единицах электропроводности (См/см) или концентрации (г/л).
Для измерения концентрации растворов по их электропроводности используют электродные и безэлектродные приборы. Электродный датчик концентратомера представляет собой четырехэлектродную ячейку, через которую непрерывно протекает анализируемый раствор. Через внешние электроды ячейка подключена к источнику питания, который поддерживает в ней постоянную силу тока. В этом случае напряжение между внутренними электродами будет зависеть от электропроводности анализируемого раствора, т. е. от его концентрации. Это напряжение измеряют автоматическим потенциометром.
Для измерения растворов, способных загрязнять электроды, применяют безэлектродные датчики. В таком датчике анализируемый раствор протекает по кольцевой пластмассовой трубе. Эта труба является одновременно вторичной обмоткой трансформатора, к первичной обмотке которого подведено напряжение и первичной обмоткой трансформатора. Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки этого трансформатора, является выходным сигналом датчика. Это напряжение будет тем больше, чем больше концентрация анализируемого раствора.
Потенциометрический метод анализа основан на зависимости между э. д. с, развиваемой датчиком, и концентрацией водородных ионов в анализируемой жидкости. Концентрацию водородных ионов, характеризующую кислотность и щелочность раствора, принято измерять в единицах водородного показателя рН: при рН = 7 раствор нейтральный, при рН > 7 щелочной, при рН < 7 кислотный. Поэтому потенциометрические анализаторы называют также рН-метрами.
Датчик рН-метра состоит из двух электродов: измерительного 1 и сравнительного 2. Измерительный электрод представляет собой стеклянную трубку, к нижней части которой приварен шарик из специального стекла, содержащего металл (литий или натрий). Ионы водорода из раствора проникают в стекло шарика, а ионы металла переходят из стекла в раствор, в результате на поверхности шарика возникает потенциал, величина которого зависит от концентрации водородных ионов в растворе. Сравнительный электрод, в отличие от измерительного, не меняет свой потенциал относительно раствора. Поэтому э. д. с. датчика Ех зависит только от потенциала измерительного электрода и, следовательно, рН раствора.
Стеклянный электрод датчика имеет очень высокое, сопротивление. Поэтому для измерения э. д. с. датчика применяют специальный потенциометр, имеющий высокоомный вход, или используют промежуточный преобразователь также с высокоомным входом, выходной сигнал которого позволяет применить прибор типа.
В оптических анализаторах используется связь между составом анализируемой жидкости и законами распространения через нее света. Наиболее распространенными оптическими анализаторами являются рефрактометры и колориметры.
В рефрактометрах для анализа используется способность света изменять свое направление при переходе из одной среды в другую вследствие различия их оптических свойств. Если оптические свойства одной среды остаются неизменными (эталонная среда), а другой зависят от концентрации одного из компонентов жидкости, то по отклонению луча света можно измерять концентрацию этого компонента.
Рефрактометры применяют для анализа бензина, керосина, соляной и азотной кислот, спиртов и других жидкостей. Конструкция кювет некоторых рефрактометров позволяет использовать их для агрессивных, токсичных, полимеризующихся и высокотемпературных сред.
Действие колориметрических анализаторов основано на поглощении или рассеивании светового потока, проходящего через жидкость, например суспензию, образованную частицами определяемого вещества в жидкой фазе. Анализаторы, измеряющие концентрацию по интенсивности света, прошедшего через слой дисперсной системы, называются турбидиметрами, а по интенсивности рассеянного дисперсной системой света нефелометрами.
Колориметрические анализаторы применяют для измерения концентрации твердых частиц в технологических растворах (пульпы, эмульсии, взвеси), а также для анализа качества воды в системах водоподготовки и водоочистки (мутномеры).
Анализаторы газов
Термокондуктометрический газоанализатор. Действие термокондуктометрических газоанализаторов основано на зависимости между теплопроводностью газовой смеси и концентрацией в ней анализируемого компонента. Теплопроводность смеси измеряют с помощью терморезистора 1, помещенного в камеру 2. Через терморезистор пропускают ток i , который его нагревает. Температура терморезистора определяется теплопроводностью газовой смеси, пропускаемой через камеру. Чем больше ее теплопроводность, тем лучше отводится тепло от терморезистора и тем меньше его температура и, следовательно, сопротивление. Таким образом, работа термокондуктометрического газоанализатора подчиняется следующей закономерности: изменение концентрации анализируемого компонента приводит к изменению теплопроводности газовой смеси и вслед за этим температуры и сопротивления терморезистора 1. Сопротивление терморезистора измеряют мостовой схемой 3.
Термокондуктометрические газоанализаторы применяют для определения водорода, аргона, гелия, азота, хлороводорода и других газов в технологических смесях различного состава.
В термохимических газоанализаторах концентрация определяемого компонента газовой смеси измеряется по количеству тепла, выделившегося при химической реакции каталитическом окислении. В качестве катализаторов обычно используют нагретую платиновую нить, помещенную в камеру, через которую пропускают газовую смесь. Температура и, следовательно, сопротивление нити будут изменяться при изменении количества тепла, которое, в свою очередь, будет зависеть от концентрации определяемого компонента. Чем она больше, тем больше выделяется тепла в ходе реакции, тем выше температура нити.
Датчик термохимического газоанализатора аналогичен по устройству датчику термокондуктометрического газоанализатора. Температуру нити измеряют также мостовой схемой по ее сопротивлению.
Термохимические газоанализаторы, как правило, используют для определения и сигнализации наличия в воздухе закрытых производственных помещений довзрывоопасных концентраций горючих газов, паров и их смесей: ацетона, бензина, спиртов, эфиров и т. п. Обычно сигнализатор автоматически включает аварийный сигнал, когда концентрация газа в контролируемом воздухе достигает 20 % нижнего концентрационного предела воспламенения.
Из всех газов только кислород обладает магнитными свойствами, т. е. способностью намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. При нагревании кислорода эта способность существенно уменьшается. Эти две особенности кислорода использованы в термомагнитных газоанализаторах.
В таких газоанализаторах газовую смесь подают в камеру 1, которая расположена между полюсными наконечниками магнитной системы 2, создающими в камере неоднородное магнитное поле. В месте его максимального значения (под серединами полюсных наконечников) помещен терморезистор 3, разогреваемый током. Если в газовой смеси содержится кислород, его молекулы под действием магнитного поля движутся к середине полюсных наконечников. Там они нагреваются терморезистором и теряют свои магнитные свойства. Холодные молекулы кислорода, непрерывно поступающие в камеру 1 с газовой смесью, вытесняют нагретые молекулы из магнитного поля.
Таким образом, в камере 1 образуются два газовых потока: кислорода, обдувающего терморезистор, и остальных газов, не реагирующих на наличие магнитного поля. При увеличении концентрации кислорода увеличивается интенсивность обдува терморезистора. Это приведет к уменьшению его температуры и сопротивления, которое измеряется мостовой схемой.
Термомагнитные газоанализаторы применяют только для измерения содержания кислорода в бинарных и многокомпонентных смесях.
Действие абсорбционных газоанализаторов основано на способности газов избирательно поглощать часть проходящего через них электромагнитного излучения. Такие газы, как водород, оксид и диоксид углерода, аммиак, метан поглощают инфракрасное излучение, а хлор, озон, пары ртути ультрафиолетовое. Поэтому, и зависимости от вида анализируемого компонента, в таких газоанализаторах используют инфракрасное или ультрафиолетовое излучение.
Принципиальная схема абсорбционного газоанализатора аналогична для абсорбционного влагомера жидкости.
В газоанализаторах, работающих в инфракрасной области спектра, в качестве излучателей используют проволочные спирали, нагретые до 700-800°С. Приемником в таких газоанализаторах служит герметичная камера, в которой давление газа (обычно это определяемый компонент газовой смеси) зависит от энергии потока и измеряется манометром.
В газоанализаторах, работающих в ультрафиолетовой области спектра, источником излучения служит газоразрядная лампа, а приемником фоторезистор.
Абсорбционные газоанализаторы применяют для измерения концентрации перечисленных выше газов в производстве метана, аммиака, бутадиена и др.
Все рассмотренные типы газоанализаторов позволяют определять концентрацию только одного компонента газовой смеси.
В отличие от них хроматографические газоанализаторы (хроматографы) способны производить полный анализ газовой смеси, т. е. определять концентрации всех газов, составляющих эту смесь.
Процесс измерения в хроматографе происходит в две стадии: сначала смесь разделяется на отдельные компоненты, а затем измеряется содержание каждого компонента смеси. Разделение газовой смеси происходит в разделительной колонке 2. Колонка представляет собой тонкую трубку, заполненную сорбентом- веществом, способным захватывать и удерживать на своей поверхности газы. Отмеренную дозатором 1порцию анализируемой газовой смеси периодически подают в непрерывный поток вспомогательного газа, называемого газом-носителем. При продувании через колонку порция смеси разделяется на составляющие ее компоненты. Разделение происходит из-за различной сорбируемости газов. Чем она выше, тем труднее газу-носителю отрывать молекулы газа от поверхности сорбента. Поэтому газ-носитель, непрерывно поступая в колонку, вытесняет из нее компоненты поочередно: сначала наиболее слабо сорбируемый компонент смеси, затем остальные. Таким образом, из колонки выходит фактически бинарная смесь, один из компонентов которой газ-носитель, другой компонент анализируемой смеси.
Бинарные смеси анализируются детектором 3. Один из наиболее распространенных типов детекторов термокондуктометрический газоанализатор. Выходной сигнал детектора подают на регистрирующий прибор 4. Промышленные хроматографы снабжены устройствами для автоматической обработки выходного сигнала детектора с целью определения концентрации одного или суммы нескольких компонентов смеси.
Измерение показателей качества веществ
Основные показатели качества нефтепродуктов:
определение фракционного состава - фракцию ди зельного топлива с температурой кипения 170-370 °С;
определение температуры помутнения - дизельное топливо с температурой помутнения -6 °С;
определение температуры застывания - базовое масло с температурами застывания 15 °С или -50 °С;
определение температуры закупорки холодного фильтра - дизельное топливо с температурами закупорки -18 °С или -25 °С;
определение температуры кристаллизации авиа ционных топлив - керосин с температурой кристаллизации -52°С;
определение температуры вспышки в закрытом тигле - дизельное топливо с температурой вспышки +65 °С или базовое масло с температурой вспышки в закрытом тигле +225 °С;
определение кинематической вязкости - дизельное топливо и базовое масло с нормированными значениями плотно сти при 20 °С; кинематической вязкости при 20, 40, 50 и 100 °С;
определение температуры вспышки в открытом тигле - базовое масло с температурой вспышки в открытом тиг ле +225 °С.
Анализаторы температуры вспышки. Температурой вспышки называется температура, при которой загорается смесь паров нефтепродукта с воздухом при наличии источника пламени и происходит взрыв паровоздушной смеси без воспламенения жидкости. Этот параметр характеризует содержание в нефтепродукте легколетучих компонентов.
Анализаторы типа АВН обеспечивают регистрацию температуры вспышки и преобразование ее в унифицированный электрический или пневматический сигнал.
В комплект анализатора входят первичный преобразователь, блок подготовки пробы, нормирующий преобразователь, потенциометр и стабилизатор напряжения.
Анализируемый продукт, предварительно очищенный от механических примесей, поступает на вход блока подготовки пробы. Блок подготовки пробы, предназначен для охлаждения.
13PAGE 14615
13PAGE 145115
Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 315