Измерение расхода газов и жидкостей

Расход вещества определяется его количеством, про­ходящим в единицу времени через данное сечение канала (напри­мер, трубопровода). Различают массовый расход (2_М и объемный расход, обозначаемый через Q (или Q_у).

Массовый расходопределяют как массу вещества, проходя­щего через поперечное сечение потока в единицу времени. В сис­теме СИ единицей массового расхода является килограмм в се­кунду (кг/с), равный массовому расходу, при котором через опре­деленное сечение за время 1 с равномерно перемещается вещество массой 1 кг.

Объемный расходопределяют как объемное количество ве­щества в м³, проходящее через сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей объемного расхода является кубический метр в секунду (м³/с), равный объемному расходу, при котором через определенное сечение за время 1 с равномерно перемеща­ется вещество объемом 1 м³. Внесистемными единицами, широко распространенными на практике, для массового расхода служат килограмм в час (кг/ч) и тонна в час (т/ч), а для объемного — кубический метр в минуту (м³/мин), кубический метр в час (м³/ч), литр в секунду (л/с), литр в минуту (л/мин) и литр в час (л/ч).

Соотношения между единицами расхода следующие:

массовый — 1 кг/с = 3,60 • 10³ кг/ч = 3,60 т/ч;

объемный — 1 м³/с = 60 м³/мин = 3,60 • 10³ м³/ч = 10³ л/с = = 3,60 • 10³ л/ч.

Для получения сравнимых результатов измерений объемный расход газа приводят к нормальным условиям, которыми при про­мышленных измерениях считаются: температура T_ном = 293,15 К (или t_НОМ = 20 °С); давление p_ном = 101 325 Па (1,0332 кгс/см²); от­носительная влажность ф = 0.

Объемный расход газа, приведенный к нормальному состо­янию, обозначают через Q_Н0М и выражают в м³/ч. Недопустимо выражать расход вещества в кг/с, Н/с, дин/с (т.е. единицах силы в единицу времени), в нм³/ч (т.е. в так называемых нормальных кубических метрах в единицу времени). Указание на вид измеря­емой величины — объемный расход газа при нормальных усло­виях — должно входить в наименование этой величины (например, Qном), а не в обозначение единицы величины. Для перевода массового расхода в объемный и объемного в массовый используют Iвыражения

Q₀ = Qм/p и Q_м = Qp, (3.7)

где р — плотность вещества, кг/м³.

Устройство для измерения количества вещества, протекающего через сечение трубопровода за некоторый промежуток времени (смену, сутки и т.д), называют счетчиком количества.При этом количество вещества определяется как разность двух показаний счетчика — в начале и в конце этого промежутка. По­казания счетчика выражаются в единицах объема, а иногда — в единицах массы.

Устройство для измерения расхода, т.е. количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода в единицу вре­мени — час (ч), называют расходомером,а для измерения расхода и количества вещества одновременно — расходомером со счетчи­ком.Счетчики (интегрирующие устройства) могут быть встроены практически во все приборы, измеряющие расход.

Для измерения расхода и количества жидкостей и воздуха применяют расходомеры, которые можно разделить на следу­ющие группы: переменного перепада давления в сужающем устройстве; постоянного перепада давления (обтекания); элект­ромагнитные и переменного уровня. При напорном движении из­меряемой среды, когда поток со всех сторон ограничен жесткими стенками, применяют первые две группы расходомеров.

Работа расходомеров переменного перепада давленияоснована на зависимости перепада давления, создаваемого установленным в трубопроводе неподвижным сужающим устройством, от расхода вещества. Принцип измерения по методу переменного перепада давления основан на известном в физике принципе неразрыв­ности установившегося движения жидкости и уравнении Бернулли для жидкости:

(у²/2я) + [(р/у) + *] = соп81, (3.8)

где [(р/у) + г] — удельная потенциальная энергия (давление) жид­кости; уУ2# — удельная кинетическая (скоростная) энергия.

Согласно принципу неразрывности поток протекающего в трубопроводе вещества во всех сечениях одинаков, следовательно, в один и тот же момент протекают одинаковые количества этого вещества. Если на каком-то участке сечение сужается, то в этом месте скорость потока должна возрасти.

Согласно уравнению Бернулли устанавливается постоянство суммы удельных кинетической (скорость) и потенциальной (давле­ние) энергии в любом сечении потока. Следовательно, увеличение скорости вызывает уменьшение статического давления. Сужа­ющее устройство выполняет функции первичного преобразова­теля и создает в трубопроводе местное сужение, вследствие чего при протекании через него вещества скорость в суженном сече­нии у₂ повышается по сравнению со скоростью потока до сужения Ур. Увеличение скорости, а следовательно и кинетической энергии, вызывает уменьшение потенциальной энергии потока в сужен­ном сечении. Соответственно, статическое давление в суженном сечении будет меньше, чем в сечении до сужающего устройства.

Таким образом, при протекании вещества через сужающее устройство создается перепад давления Ар =р_х- р₂ (рис. 14, а), зависящий от скорости потока и, значит, расхода среды. Следовательно, перепад давления, создаваемый сужающим устройством,, может служить мерой расхода вещества, а численное значение этого расхода может быть определено по перепаду давления Ар, измеренному дифманометром. В качестве сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара применяют стандартные и нестандартные устройства.

 

К стандартным (нормализованным сужающим устройствам) относятся диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури,удовлетворя­ющие требованиям «Правил измерения расходов газов и жидкос­тей стандартными сужающими устройствами РД 50-213-80» и применяющиеся для измерения расхода веществ без их индивиду­альной градуировки. К нестандартным сужающим устройствам относятся сегментные диафрагмы, диафрагмы с коническим входом, сопла с профилем «четверть круга»и другие, применяемые в особых 3 случаях (например, для загрязненных сточных вод и их осадков) и требующие индивидуальной градуировки, так как на их использо­вание нет утвержденных норм.

Диафрагма (рис. 14, а) представляет собой тонкий плоский диск 1 с круглым отверстием, центр которого лежит на оси трубы. Отверстие имеет цилиндрическую и конусную части. Диафрагма всегда устанавливается цилиндрической частью (острой кромкой) против потока измеряемой среды. Сужение потока начинается до диафрагмы, и на некотором расстоянии за ней поток достигает минимального сечения. Затем поток посте­пенно расширяется до полного сечения трубопровода. Кривая, характеризующая распределение давлений вдоль стенки трубопровода, представлена сплошной линией (рис. 14, а), а кривая | распределения давлений по оси трубопровода — штрихпунктирной линией. Как видно, давление за диафрагмой полностью не восстанавливается.

При протекании вещества через диафрагму за ней в углах об­разуется «мертвая зона», в которой вследствие разности давлений возникает обратное движение жидкости, называемое вторичным потоком. Двигаясь в противоположных направлениях, струйки основного и вторичного потоков вследствие вязкости среды свер­тываются в виде вихрей. На вихреобразование за диафрагмой за­трачивается значительная часть энергии, а следовательно, имеет место и значительная потеря давления. Измерение направления струек перед диафрагмой и сжатие струи после нее на величину давления оказывают незначительное влияние. Отбор давлений р_х и р₂ производится через расположенные непосредственно до и после диска диафрагмы два отдельных отверстия 2 (или специальные камеры), к которым подключают импульсные соединитель­ные линии, идущие к измерительному прибору.

Сопло (рис. 14, б) представляет собой насадку с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Профиль сопла обеспечивает достаточно полное сжатие струи, поэтому площадь (сечение) цилиндрической части сопла может быть при­нята равной наименьшему сечению струи (F₁= F₂). Вихреобразо­вание за соплом вызывает меньшую потерю энергии, чем у диа­фрагмы. Отбор давлений р₁ и р₂ осуществляется так же, как и у диафрагмы.

Сопло Вентури (рис. 14, в) конструктивно состоит из цилинд­рического входного участка, плавно сужающейся части, перехо­дящей в короткий цилиндрический участок, и из расширяющейся конической части — диффузора. При такой форме сужающего устройства в основном благодаря наличию выходного диффузора потеря давления значительно меньше, чем у диафрагмы и сопла. Отбор давлений р₁ и р₂ осуществляется с помощью двух кольце­вых камер, каждая из которых соединена с внутренней полостью сопла Вентури группой равномерно расположенных по окруж­ности отверстий. Труба Вентури отличается от сопла Вентури тем, что входной цилиндрический участок переходит во входной ко­нус, затем идут короткий участок (горловина) и диффузор.

Принцип измерения расхода вещества по перепаду давления, создаваемому сужающим устройством, и основные уравнения одинаковы для всех типов сужающих устройств, различны лишь некоторые коэффициенты в этих уравнениях, определяемые экс­периментальным путем. В общем виде массовый (кг/с) и объем­ный (м³/ч) расходы газов и жидкостей вычисляют по формулам:

 

 

где Ар=р₁-р₂ — перепад давления в сужающем устройстве, Па; d — диаметр отверстия сужающего устройства при темпера­туре измеряемой среды, мм; р — плотность среды в рабочих условиях, кг/м³; а— коэффициент расхода, определяемый в зависимости от типа сужающего устройства (величина без­размерная); е — безразмерный поправочный множитель на расширение измеряемой среды, определяемый эксперимен­тально (для несжимаемой жидкости E = 1).

Для контроля за расходом жидкостей в открытых каналах по методу переменного уровняприменяется нормализованный лоток Вентури (рис. 15), в котором расход, как и в других случаях, изме­ряется дифманометрами.

В расходомерах постоянного перепада давления, называемых расходомерами обтекания,чувствительным элементом (рис. 16) является поплавок 1, воспринимающий динамическое давление обтекающего его потока. Принцип действия таких расходомеров заключается в том, что при движении измеряемой среды снизу вверх чувствительный элемент (поплавок) перемещается, изменяя площадь проходного отверстия, до тех

пор, пока вертикаль­ная составляющая силы, действующей на поплавок, не уравнове­сится его весом. При этом разность давлений на чувствительный элемент (перепад давления по обе стороны поплавка) останется постоянной. Таким образом, противодействующей силой в расхо­домерах этого вида является сила тяжести чувствительного эле­мента, выполняемого в виде поплавка. Сила любого сопроти­вления чувствительного элемента определяется зависимостью

 

где С ""■ коэффициент лобового сопротивления; 5" — площадь гидродинамического сечения чувствительного элемента; V — скорость движения среды относительно чувствительного элемента; р — плотность измеряемой среды.

Расходомер постоянного перепада дав­ления с поплавком 1 (см. рис. 16), переме­щающимся вдоль длинной коническойтрубки 2, называется ротаметром. Трубка ро­таметров для местного измерения расход выполняется из стекла или металла, а значе­ние расхода отсчитывается непосредственно
по шкале, нанесенной на ее стенке (соответ­ственно ротаметры стеклянные типа РС и металлические типа РМ). У ротаметров с дистанционной передачей поплавок связан с передающим преобразователем (пневматическим или электрическим). Например в электрических ротаметрах типа РЭ и РЭВ широко используются дифференциально
трансформаторные преобразователи. " ^

Для измерения расхода загрязненных жидкостей (в частности, природных и сточных вод) применяются электромагнитные и ще­левые расходомеры. Принцип действия электромагнитных расхо­домеров основан на законе электромагнитной индукции, по кото­рому проведенная в проводнике электродвижущая сила (ЭДС) пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Та­ким движущимся в магнитном поле проводником является элект­ропроводная жидкость, протекающая через первичный электро­магнитный преобразователь расхода, установленный в трубопро­воде. Измеряя ЭДС, наведенную в электропроводной жидкости, которая при своем движении пересекает магнитное поле первичного преобразователя, можно определить среднюю скорость текущей жидкости, а вместе с ней и объемный расход. При круглом сечении трубопровода величина этой ЭДС равна

 

 

где V — средняя скорость потока жидкости; В — индукция магнитного поля; й — внутренний диаметр трубопровода.

Магнитное поле электромагнитного расходомера типа ИР| (рис.17, а) внутри участка трубы 1, выполненной из немагнитного материала и покрытой изнутри электроизоляционным слоем, создается электромагнитом 2. В пересекающей магнитное поле жидкости наводится ЭДС. В одном поперечном сечении трубопро­вода диаметрально противоположно установлены два электрода 3. Снимаемая с них разность потенциалов подается на вход промежуточного преобразователя Пр, где преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный расходу. Электромагнитные расходомеры могут применяться на жидкостях с удельной электрической проводимостью не менее 10 -3см/м. Отсутствие в измерительном 1 канале каких-либо сужающих устройств и движущихся деталей позволяет измерять расходы как однородных жидкостей, так и суспензий и пульп, твердая фаза которых не содержит ферромагнитных частиц.

Принцип действия щелевых расходомеров переменного уровня со сливом типа ЩРП (рис. 17, б) основан на зависимости уровня жидкости над сливной стенкой 5 от ее объемного расхода Q_о. Для прямоугольного слива с тонкой

стенкой справедливо соотношение

 

 

 

где а— коэффициент расхода, учитывающий потерю напора и эффект бокового сжатия струи; b — ширина сливной стенки; q — ускорение силы тяжести; h — уровень жидкости над сливной стенкой.

Расходомер состоит из расходомерной емкости 6 и уровнемера Пр, являющегося измерительным преобразователем расхода. К расходомерной емкости 6 суспензия подводится по патрубку 4, а отводится в сливную коробку 7 через отверстие 8. Для измерения высоты суспензии h используются поплавковые, пьезометрические и электроконтактные уровнемеры.

Для измерения количества вещества в СВВ применяют тахометрические счетчики количества,состоящие из тахометрического преобразователя расхода и счетного суммирующего механизма.

Тахометрическим преобразователем расходаназывают первич­ный преобразователь, в котором скорость движения чувствитель­ного элемента, взаимодействующего с потоком вещества, про­порциональна объемному расходу. По принципу действия тахометрические счетчики разделяют на скоростные и объемные.

В скоростных счетчиках(типа УВК, ВК, МС) в качестве рабо­чего элемента применяют вертушки (крыльчатки, турбинки или другие тела) с вертикальной (рис. 18) или горизонтальной осью вращения. Под действием потока вещества вертушка 4 на опорном шипе совершает непрерывное вращательное движение с угловой скоростью, пропорциональной скорости потока, а следовательно, и расходу. Число оборотов вращающегося элемента суммируется счетным механизмом 7, с которым вертушка соединяется с по­мощью передаточного механизма (редуктора) 5. Редуктор и счет­ный механизм соединены между собой осью с сальниковым уплотнением 6. Счетный механизм отделен от проточной части прибора герметичной перегородкой, в которой установлен сальник передаточной оси 8. На входном патрубке счетчика устанавлива­ются металлическая сетка 1, предохраняющая прибор от попадания в него посторонних тел, и струевыпрямитель 2.

В объемных счетчиках вещество измеряется отдельными рав­ными по объему дозами. В поршневом счетчике (рис. 19, а) жид­кость из трубы 1 через распределительный четырехходовой кла­пан 2 поступает под поршень 3 и поднимает его. Поршень, пере­мещаясь вверх, вытесняет жидкость, находящуюся в верхней полости цилиндра, через распределительный клапан в трубу 4. Когда поршень ходовой кран, связанный специальным

механизмом 5 со штоком поршня, перемещается в положение, показанное на рис. 19, б пунктиром. Вследствие этого жидкость из трубы 1 будет поступать _в верхнюю полость цилиндра, поршень начинает перемещаться вниз и из нижней полости жидкость вытесняется через четырехходовой кран и трубу 4. С момента достижения поршнем край­него положения цикл повторяется.

Число доз за определенный промежуток времени суммируется счетным механизмом, связанным со штоком поршня с помощью передаточного механизма, а количество жидкости, равное сумме объемов протекших доз, показывается счётным указателем (на рис. 19 счетный механизм и указатель не показаны). В СВВ при­меняются счетчики типа СМ для измерения объемного количе­ства жидкостей. Для измерения объемного расхода и учета объем­ного количества газа используются счетчики типа «Тургас», со­стоящие из турбинного преобразователя (датчика) объемного расхода ПРГ и электронного блока измерения.

3.3. Измерение уровня жидкостей

При автоматизации СВВ широко применяются тех­нические средства длянепрерывного измерения уровня (уровнемеры) и устройства для сигнализации предельных уровней (сигнализаторы уровня, реле уровня).Уровень измеряется в метрах (м) и милли­метрах (мм).

Для измерения и регулирования уровня применяются при­боры, основанные на разных принципах действия: дифманометры-уровнемеры, пьезометрические, поплавковые и емкостные уровнемеры. Если дистанционная передача показаний не требу­ется, то уровень жидкости с достаточной точностью и надеж­ностью можно измерять или показывающими дифманометрами, принцип действия которых описан выше, или с помощью указа­тельных стекол. Измерение уровня жидкости указательными стеклами основано на принципе действия сообщающихся сосу­дов.

Принцип действия поплавковых (буйковых) уровнемеровосно­ван на использовании выталкивающей силы, действующей на поплавок (буек), погруженный в жидкость. Чувствительным эле­ментом таких уровнемеров (рис. 20, а) является поплавок 1, пла­вающий на поверхности жидкости. Перемещение поплавка, вы­званное изменением уровня, воспринимается предающим преобразователем Пр. Следует иметь в виду, что при использовании | поплавковых уровнемеров на средах, склонных к налипанию, по-} является дополнительная погрешность, связанная с изменением массыпоплавков, что приводит к изменению глубины погруже­ния и ограничивает их применение.

Емкостные уровнемерышироко применяют для сигнализации и дистанционного измерения уровня жидких и сыпучих сред. Прин цип действия этих приборов основан на измерении элект­рической емкости, величина которой зависит от уровня контро­лируемой среды.

Для электропроводных сред используют первичные преобра­зователи с одним электродом 2 (рис. 20, б), покрытым слоем изо­ляции 3. Вторым электродом является измеряемая среда. При из­менении уровня меняется величина поверхности обкладки кон­денсатора, образованного электродом и измеряемой средой, что приводит к изменению его емкости пропорционально изменению контролируемого уровня. Измерение емкости и преобразование ; ее в пропорциональный изменению уровня выходной сигнал осу­ществляется промежуточным преобразователем Пр, содержащим индуктивно-емкостный мост. Электрический контакт контроли­руемой среды с измерительной схемой достигается путем заземле­ния одного из входов измерительной схемы и стенок резервуара 4, в котором находится контролируемая среда.

Для измерения уровня неэлектропроводных сред (рис. 20, в) применяют первичный преобразователь с двумя неизолирован­ными электродами 2 (одним из электродов могут быть стенки резервуара). Для каждого значения уровня среды в резервуаре ем­кость первичного преобразователя определяется как емкость из двух параллельно соединенных конденсаторов: один образован частью электродов преобразователя и средой, уровень которой измеряется, а второй — остальной частью электродов преобразо­вателя и воздухом. При повышении уровня, например, происходит замещение воздуха в пространстве между электродами и измеря­емой средой, обладающей существенно отличной диэлектрической проницаемостью. В результате этого меняется емкость преобразо­вателя между электродами.

В СВВ широко распространены сигнализаторы уровня(электро­контактные и емкостные устройства для сигнализации уровня среды). Принцип действия электроконтактных сигнализаторов уровня основан на замыкании электрической цепи между электро­дами датчика или электродом и стенкой емкости при их соприкос­новении с поверхностью электропроводящей среды. Электроды необходимой длины устанавливают вертикально или горизон­тально на емкостях, в которых необходимо контролировать уро­вень среды.

 

3.4. Измерение температуры

Температура— физическая величина, характеризу­ющая состояние термодинамического равновесия системы и явля­ющаяся одним из основных параметров в инженерных системах. Она характеризуется рядом принципиальных особенностей, обу­словивших необходимость применения разнообразных методов и технических средств для ее измерения.

Для измерения температуры были предложены различные температурные шкалы, но наибольшее распространение полу­чила стоградусная температурная шкала Цельсия. По этой шкале за основные (реперные) точки, ограничивающие основной тем­пературный интервал, были приняты точка плавления льда (0 °С) и точка кипения воды (100 °С) при нормальном атмосферном дав­лении. Единица температуры, равная одной сотой части основ­ного температурного интервала, получила название градус (от лат. gradus — шаг, ступень). По шкале Цельсия градус обозначается прибавлением к числовому значению температуры в градусах символов "С, например 94 °С. За рубежом наряду с условной тем­пературной шкалой Цельсия используют шкалу Фаренгейта в гра­дусах Фаренгейта — °F и шкалу Реомюра в градусах Реомюра — °R:1С=1,8, F = 0,8°К.

Температурные шкалы строятся на допущении о линейной за­висимости между термометрическими (физическими) свойствами тела и температурой. В действительности нет ни одного такого свойства, которое в полной мере могло бы удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.

Независимой от свойств термометрического вещества явля­ется термодинамическая температурная шкала, предложенная в середине XIX в. Кельвином. В этой шкале нижней границей ос­новного температурного интервала служит точка абсолютного нуля (О °К), а в качестве верхней границы принята «тройная точка воды», лежащая выше точки таяния льда на 0,1 °С . Этой точке было присвоено числовое значение 273,16 °К. Тройной точкой воды называется температура равновесия между тремя фазами воды: твердой (лед), жидкой и газообразной (пар воды).

Единицей термодинамической температуры является кельвин(К) вместо прежнего наименования — градус Кельвина (°К). Кельвин равен 1/273,16 части интервала от абсолютного нуля тем­пературы до температуры тройной точки воды. Теоретическая термодинамическая шкала не получила широкого практического применения из-за больших трудностей ее реализации. Более удоб­ной оказалась международная практическая температурная шкала (МПТШ).

Согласно МПТШ и ГОСТ 8.157-75 предусматривается приме­нение двух температурных шкал: термодинамической и практиче­ской. Температура по этим шкалам выражаться двояко: в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С). Градус Цельсия равен Кельвину (1 К = 1 °С). Между температурой Т, выраженной в Кельвинах, и температурой T, выраженной в градусах Цельсия, установлено соотношение

t=Т-Т₀, (3.14)

где Т_о = 273,16 К (температура тройной точки воды 273,16 К со­ответствует, как указывалось выше, 0,01 °С; следовательно, 273,16 К — температурный промежуток, на который смещено начало отсчета). Наименование «градус Цельсия» дано в честь шведского астронома и физика А. Цельсия, наименование «кельвин» — в честь английского физика Уильяма Томсона-Кельвина.

Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температуры. В первом случае необходимо обеспечить надежный тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом измерения. Если отсутствует возможность такого контакта, при­меняют различные бесконтактные методы измерения.

Средство для контактного измерения температуры называется термометром.По принципу действия термометры разделены на три группы — термометры расширения, сопротивленияи термо­электрические.

Действие термометров расширения основано на тепловом расширении (изменении объема) термометрического вещества (жидкостные, газовые) или линейных размеров твердых тел (ди­латометрические, биметаллические) в зависимости от темпера­туры. Предел измерения этими термометрами составляет от -190 до +600 "С.

Жидкостный стеклянный технический термометр(рис. 21, а) имеет заполненный жидкостью (обычно ртутью) резервуар 1, тон­костенную капиллярную трубку 2, пластину 3 с нанесенной на ней шкалой, наружную стеклянную оболочку 4. Такие термо­метры применяют для измерения температуры от —90 до +30 °С и от -60 до +200 °С. Их изготавливают прямыми (типа П и А) и уг­ловыми — изогнутыми под углом 90 или 135 град, (типа У и Б). Нижняя часть Б выполняется различной длины (от 66 до 2000 мм).

Для предохранения стеклянной оболочки от повреждения термометры помещают в защитные стальные оправы, которые, как и термометры, по форме выполняют прямыми и угловыми. Для сигнализации и измерения температуры применяют термо­метры ртутные электроконтактные. Их изготавливают с электро­контактами, впаянными в капиллярную трубку термометра. За­мыкание или размыкание электрической цепи происходит вслед­ствие расширения или сжатия ртути при нагревании или охлаждении нижней части термометра.

Принцип действия манометрических термометровоснован на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме (рис. 21, б), которая со­стоит из термобаллона 6, погружаемого в среду, температура ко­торой измеряется, гибкого соединительного капилляра 7 и мано­метрической трубчатой пружины 8. Один конец пружины впаян в Держатель 9, канал которого соединяет внутреннюю полость пру­жины, герметизирован и через тягу 10, зубчатый сектор 11 и шес­терню 12 связан с показывающей стрелкой прибора 13.

Термосистема термометра заполнена рабочим веществом вещества в

замкнутом объеме герметичной термосистемы, вслед­ствие чего пружина 8 деформируется (раскручивается) и ее сво­бодный конец перемещается. Движение свободного конца пру­жины передаточными механизмами 10, 11, 12 преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора, по кото­рой производят отсчет температуры.

Принцип действия термометра сопротивления(рис. 22) основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. Чувствительным элементом 1 термо­метра сопротивления является тонкая платиновая или медная проволока, намотанная на каркас, заключенный в защитную ар­матуру 2. Концы проволоки в колпачке 4 приварены к выводам, которые соединяются с кабелем для передачи показаний. Штуцер 3 служит для монтажа термометра. Платиновые термометры сопротивления (ТСП) используются для измерений от -200 до +650 "С, медные термометры сопротивления (ТСМ) — для изме­рений от -50 до +180 °С. Наиболее благоприятные для надежной работы этих термометров верхние пределы измерения составляют: 600 °С для ТСП и 100 для ТСМ.

Передача информации от термометров сопротивления осуще­ствляется с помощью логометров и мостов, измеряющих измене­ние электрического сопротивления термометра при изменении температуры контролируемой среды. Логометры сегодня почти не употребляются в связи с широким распространением автомати­ческих электронных мостов.

Принципиальная схема уравновешенного моста с включен­ным термометром сопротивления Я₍ изображена на рис. 23 (R_г и R₃ — резисторы с постоянными известными сопротивлениями, R₂ — реохорд, который является регулируемым плечом моста). Сопротивление двух соединительных линий 2R_Л прибавляется к сопротивлению термометра R_t. К одной из диагоналей моста (ВD) подключен внешний источник постоянного тока, к измерительной диагонали АС — чувствительный измерительный прибор (нуль-прибор НП). Для равновесия моста необходимо, что­бы произведения параллельных плеч моста были равны, т.е. R^ + 2R_Л) = Л₂ R₃, отсюда R₍ = (R₃/R₁)R₂ – 2R_Л. Изменяя со­противление R₂ путем перемещения движка реохорда, всегда можно добиться такого состояния схемы, при котором при опре­деленном соотношении между сопротивлениями плеч моста потенциалы точек А и С, а следовательно, и ток в нуль-приборе НП равны нулю. Такое состояние обычно называют состоянием рав­новесия схемы.

При изменении сопротивления термометра R± нарушается равновесие моста. Поскольку мостовая схема приходит в равнове­сие при равенстве произведений сопротивлений противополож­ных плеч, то, перемещая движок реохорда Я₂, можно найти поло­жение равновесия схемы по отсутствию отклонения стрелки нуль-прибора. Таким образом, по положению движка реохорда можно определить значение измеряемого сопротивления термометра, а следовательно, и его температуру.

Описанный выше способ измерения температуры применяют в лабораторных условиях. В промышленных условиях для этих целей используют автоматические электронные мосты типа КСМ-4 и др. (рис. 24),

в измерительную диагональ которых вместо нуль-прибора включается электронный фазочувствительный усилитель ЭУ, а движок реохорда и каретка с указателем и пером перемеща­ются реверсивным электродвигателем РД, подключенным к вы­ходу этого усилителя. Если температура среды не меняется, то со­противление термометра R, также не изменяется и мостовая изме­рительная схема находится в равновесии, т. е. разность потенциалов между точками А и С равна нулю, сигнал на ЭУ не поступает, дви­жок реохорда R_р неподвижен, стрелка показывает измеряемое значение температуры.

При изменении температуры изменяется сопротивление тер­мометра R_t. Равновесие мостовой схемы нарушается, и в диагонали моста между точками А и С появляется напряжение небаланса, амплитуда и фаза которого зависят от величины и направления отклонения температуры от прежнего значения точек. Это напря­жение усиливается усилителем ЭУ до значения, недостаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал РД кинетически связан с движком реохорда и кареткой, пере­двигает их до тех пор, пока напряжение небаланса, уменьшаясь, не станет равным нулю. При достижении измерительным мостом состояния равновесия ротор РД останавливается, а движок рео­хорда и каретка с указателем и пером занимают положение, соот­ветствующее новому значению сопротивления термометра, т.е. новому значению измеряемой температуры.

Термоэлектрические термометры (термопары) применяют для измерения очень высоких температур, и поэтому в схемах автома­тизации СВВ они практически не используются.

 

3.5. Измерение качественных параметров питьевых и сточных вод

Эффективное управления современными СВВ невоз­можно без оперативного контроля качественных параметров при­родных и сточных вод на всех переделах их обработки, подачи потребителям и сброса в водоемы.

В системах водоснабжения такими параметрами являются мут­ность, прозрачность, цветность воды, ее солесодержание, рН, ко­личество остаточного хлора. В системах водоотведения — это рН, содержание растворенного кислорода, влажность осадков и др. Для автоматического контроля этих параметров используются приборы как общепромышленного, так и специального назначения.

Для определения этих параметров различают прямой и кос­венный методы.

Прямой методоснован на непосредственном выделении количе­ства X определяемого компонента (например, химическим путем) и нахождении его содержания в общей пробе вещества А в виде от­ношения С_х = Х/А. Однако прямые методы измерения мало при­годны для построения автоматических измерительных приборов. В практике автоматизации контроля чаще всего используют кос­венные методыизмерения, основанные на существовании строго определенных зависимостей между составом анализируемого ве­щества и его физико-химическими свойствами, которые могут быть непрерывно и автоматически измерены. Соответственно, существуют различные способы определения состава вещества: электрохимические, кондуктометрические, термохимические, термомагнитные, спектральные, фотоколориметрические, хроматографические, масспектрометрические, рентгеновские и др. Из­мерительные устройства для анализа состава и свойств жидких сред называют анализаторами жидкости.

Массовой концентрацией компонентаназывается отношение массы компонента, содержащейся в веществе, к общему объему вещества. В Международной системе единиц СИ за единицу мас­совой концентрации принято число килограммов компонента, содержащегося в 1 м³ жидкой фазы, — кг/м³. На практике измере­ние концентрации осуществляют в граммах на литр (г/л) и мил­лиграммах на литр (мг/л). Соотношение между этими единицами следующее: 1 кг/м³ = 1 г/л = 10~³ мг/л.

В СВВ чаще других применяют автоматические электрохими­ческие, иономерные и кондуктометрические анализаторы жид­кости.

Принцип действия иономерных анализаторов жидкостиоснован на измерении электродвижущей силы электродной системы, селективно (выборочно) зависящей от активности определенного I иона. Активность водородных ионов Н⁺ характеризуется величиной рН (по-русски произносится «пэ-аш»). Символом рН обозначается взятый с обратным знаком десятичный логарифм концентрации водородных ионов водных растворов кислот, солей и щелочей: рН = lg [Н⁺]. Для нейтральной среды рН = 7; при рН < 7 1 среда будет кислой, а при рН > 7 — щелочной. Приборы, измеря­ющие величину рН, называются рН-метрами.

Измерение величины рН