Средства контроля температуры. Термометры расширения, термоэлектрические и электрического сопротивления, Уравнения НСХ
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное учреждение
ВПО
«Иркутский государственный технический университет»
Факультет химико-металлургический
Кафедра Автоматизации производственных процессов
Приборы для контроля и управления технологическими процессами
Методические указания для аудиторных занятий
(методические указания по выполнению заданий практических занятий)
для магистрантов, обучающихся
по направлению подготовки:151000 "Технологические машины и оборудование"
профиль подготовки: «Пищевая инженерия" (ПИм)
Иркутск
2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение….…………………………………………………………………..3
1. Перечень и тематика аудиторных занятий…………………………… .3
2. Задания на аудиторную работу………………………………………….3
3. Общие требования к форме отчетности по работам и заданиям……..18
4. Общие рекомендации по выполнению практических работ………….18
Введение
Практические занятия предназначены для закрепления и углубления теоретического материала, приобретения навыков расчета измерительных схем и оценки показателей точности информационно-измерительных устройств. Каждый магистрант на практическом занятии должен:выполнить расчеты по заданной теме, применяя программное обеспечение кафедры. Результаты выполнения задания на практическое занятие должны содержать теоретическую часть, программу и результат расчета, оформляться в соответствии с требованиями стандарта СТО ИрГТУ.005-2007 и могут быть представлены на машинном носителе.
|
|
|
1. Перечень и тематика аудиторных занятий
Согласно учебной рабочей программе дисциплины «Приборы для контроля и управления технологическими процессами» рекомендованы следующие темы практических занятий:
Таблица 1. Перечень рекомендуемых практических занятий:
| Тема практических занятий | Кол-во часов |
| 1. Вводное. Значение приборов контроля и управления. Классификация средств контроля и управления по назначению, функциям, точности. ФЗ № 102 от 26.06. 2008 | 2 |
| 2. Средства контроля температуры. Термометры расширения, термоэлектрические и электрического сопротивления, Уравнения НСХ | 4 |
| 3. Средства контроля давления | 2 |
| 4. Средства контроля уровня | 2 |
| 5. Средства контроля расхода и количества | 3 |
| 6. Средства контроля плотности | 2 |
| 7. Средства контроля концентрации и состава растворов | 2 |
| 8. Хроматографы | 2 |
| 9. Потенциометрические анализаторы | 2 |
| 10. Кондуктометрические концентратомеры | 2 |
| 11. Оптические анализаторы | 2 |
| 12. Средства управления технологическими процессами. Микроконтроллеры. Исполнительные механизмы и регулирующие органы | 4 |
| 13. Средства визуализации данных | 4 |
| Итого | 33 |
|
|
|
Задания на аудиторную работу
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1
Вводное
Содержание занятия: Значение приборов контроля и управления. Классификация средств контроля и управления по назначению, функциям, точности. ФЗ № 102 от 26.06. 2008.
Основной материал:
Технологические измерения, информационное обеспечение в любом технологическом процессе являются необходимой предпосылкой и обязательной составной частью системы автоматизированного или автоматического управления этим процессом. Чтобы эффективно управлять технологическим процессом, получать продукцию с минимальными затратами и высокого качества, необходимо иметь своевременную достоверную информацию о процессе. В соответствии с федеральным законом №102-ФЗ «О техническом регулировании » при сертификации продукции должны измеряться и проверяться характеристики продукции, её состав и показатели качества. Для измерения этих параметров в ходе технологического процесса или в испытательных лабораториях необходимы информационно-измерительные системы на базе анализаторов состава и качества.
|
|
|
Цель изучения дисциплины заключается: предоставлении студентам сведений об информационно-измерительных системах на базе анализаторов состава и качества жидких, газообразных и твердых продуктов химической технологии и пищевых производств.
Основными задачами изучения дисциплины являются: изучение принципа действия, метрологических характеристик, устройства, области применения и методов поверки анализаторов количественного и качественного анализа.
Контрольные вопросы
- В чем причина температурной погрешности кондуктометров?
- Способы компенсации температурной погрешности кондуктометров
Литература:
1. ФЗ №102 от 26.06.2008 « Об обеспечении единства измерений»
2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 2008.-423 с.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2
Средства контроля температуры. Термометры расширения, термоэлектрические и электрического сопротивления, Уравнения НСХ
Содержание занятия:
Основной материал:
Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.
|
|
|
По принципу действия средства измерения температуры можно разбить на пять групп (рис. 2): термометры расширения, манометрические термометры, термопреобразователи сопротивления, термоэлектрические преобразователи, оптические термометры ( пирометры).
Термометры расширения по устройству делятся на термометры линейного расширения (биметаллические и дилатометрические) и термометры жидкостные стеклянные объемного расширения. Принцип действия их основан на зависимости линейного (уравнение 2-1) или объемного расширения (уравнение 2-2) от температуры. Уравнения НСХ термомометров:
lt =l0 (1+αt) (2-1)
Vt = V0 (1+ βt) , (2-2)
где l0 - начальная длина ЧЭ; V0 - начальный объём термометрической жидкости; α, β - коэффициенты линейного расширения ЧЭ и объемного расширения жидкости соответственно.
Жидкостные термометры могут быть заполнены ртутью, спиртом метиловым, пентаном и выпускаются таких конструкций, как палочные, со вложенной шкалой, угловые, контактные и имеют рабочий диапазон от (-200 до +800)◦С (табл.1). Основной недостаток – хрупкость, отсутствие возможности непрерывной передачи показаний на расстояние. Поверка жидкостных термометров выполняется методом сличения показаний с применением различных термостатов [3].
Термокомпенсаторы линейного расширения из-за низкой точности применяются как термореле в бытовых приборах (утюг, холодильник).
Термопреобразователь сопротивления( ТС)– средство измерения температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов сопротивления и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус, внешних клемм или выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору.
Принцип действия ТС основан на зависимости электрического сопротивления чистых металлов и полупроводников от температуры (на увеличении сопротивления R с повышением температуры Т у металлов и обратная зависимость R от Т у полупроводников).
ТС отличаются друг от друга своей номинальной статической характеристикой. НСХ– это зависимость сопротивления ТС от температуры: Rt = f(t). Типы ТС идентифицируются по сопротивлению при 0ºС (таб.2):
Таблица 2. Типы термометров сопротивления
| Тип ТС | Наименование | R0, Ом | Обозначение НСХ |
| ТСМ | Термометр сопротивления медный | 50 100 | 50М (Cu 50) 100М |
| ТСП | Термометр сопротивления платиновый | 1 5 10 50 100 500 | 1П 5П 10П 50П 100П (Pt100) 500П |
| ТСН | Термометр сопротивления никелевый | 60 100 1000 | 60Н 100Н 1000Н |
Термоэлектрические преобразователи температуры (термопары) – это контактные датчики температуры, состоящие из двух металлических проводников, сваренных одним концом (рис.1). Сварной конец называется рабочим (горячим, измерительным) концом термопары, противоположные концы – свободными (холодными, соединительными) концами.
Принцип действия термопары основан на явлении термоэффекта Зеебека и Пелтье [ 23]. НСХ термопары – это зависимость термоЭДС термопары от температуры измерительного и соединительного концов термо0пары, она равна разности термоЭДС, взятых для температуры измерительного (t) и соединительного (t0 ) концов:
Е (t, t0) = Е (t) - Е (t0) (4-1)
.
Таблица 5.-Типы стандартных термопар
|
Материал термоэлектродов | Тип ТЭП | Обозначение НСХ | Диапазон измерений
| |
| от | до | |||
| 1. Медь/копель | ТМК | М | -200 | +100 |
| 2. Медь/ константан | ТМКн | Т | -200 | +400 |
| 3. Железо/медноникель | ТЖКн | J | -200 | +700 |
| 4. Хромель-копель | ТХК | L | -200 | + 800 |
| 5. Хромель – алюмель | ТХА | К | -200 | +1000 |
| 6. Хромель – константан | ТХКн | Е | -200 | +1000 |
| 7. Нихросил / нисил | ТНН | N | -200 | +1300 |
| 8. Платина- родий (13%) - платина | ТПП 13 | R | 0 | +1700 |
| 9. Платиа- родий (10%) - платина | ТПП 10 | S | 0 | +1700 |
| 10. Платина –родий (30%)/ платина- родий(6%) | ТПР | В | 0 | +1800 |
| 11. (Вольфрам — рений/вольфрам — рений) | ТВР | А-1 А-2 А-3 | 0 0 0 | +2500 +1800 +1800 |
| t |
| t0 |
| 1 |
| Рис.6. Термоэлектрический преобразо- ватель температуры (термопара) 1 – разнородные по электропроводности термоэлектроды из металлов или сплавов В керамической или пластиковой электроизоляции |
| _ |
| + |
Контрольные вопросы
Литература
1. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 2008.-423 с.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3
Средства контроля давления
Содержание занятия:
Основной материал:
Давление – это величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности к площади этой поверхности:
Р = F/S, Па (8-1)
Производная единица давления в СИ – Паскаль. 1 Па = 1 н/м2 . Кратные Паскалю единицы – килоПаскаль (1кПа = 103 Па) и мегаПаскаль (1МПа = 106 Па). Кроме названных узаконенных единиц давления в быту и на производстве единицы давления устаревших иностранных систем измерения (табл. 8-1).
Различают давление атмосферное ( Рб – барометрическое), избыточное (Ри), вакуумметрическое (Рв или – Ри), абсолютное (Ра) и дифференциальное (ΔР=Р1-Р2 - перепад давления).
Таблица 8-1. Соотношение единиц давления различных систем измерения
|
Обозначение единиц измерения
| kPa | bar | Kgf/cm2 | mmH2O | mmHg | psi | atm | |
| Между- народное | русское | |||||||
| kPa | кПа | 1 | 10-2 | 1.01972∙102 | 1.01972 
| 7.50062 | 14.5038 
| 0.98692
|
| bar | бар | 102 | 1 | 1.01972 | 1.01972 
| 7.50062
| 14.5038 | 0.98692 |
| Kgf/cm2 | Кгс/см2 | 0.980665
| 0.980665 | 1 | 104 | 7.35559
| 14.2233 | 0.96784 |
| mmH2O | мм вод.ст. (при t=4  )
| 0.980665
| 0.980665 
| 
| 1 | 7.35559
| 14.2233 
| 9.67841 
|
| mmHg | мм рт. ст. | 0.133322 | 1.33322
| 1.35951
| 13.5951 | 1 | 1.93368
| 1.31579
|
| psi | фунт-сила кв.дюйм | 6.89476 | 6.89476
| 7.0307
| 7.0307
| 51.7149 | 1 | 6.8046
|
| atm | атм | 1.01325
| 1.01325 | 1.0332 | 1.03508
| 760 | 14.6959 | 1 |
| РБ |
| Рв |
| Р и2 |
| Ра |
| Р и1 |
| Δ Р |
Рис.11. Диаграмма соотношения величин давления
В соответствии с диаграммой (рис.10) приборы и ИПД по назначению классифицируются на:
- барометры ( предназначенные для измерения Рб);
- манометры (для измерения большого избыточного давления Ри);
- вакуумметры ( для измерения разрежения Рв);
- дифманометры ( для измерения разности давлений Ри1 – Ри2);
- манометры абсолютного давления (Ра);
- тягомеры (для измерения небольшого разрежения Рв);
- напоромеры (для измерения небольшого избыточного давления Ри)
По принципу действия приборы и измерительные преобразователи давления (ИПД) делятся на три четыре группы:
1. Жидкостные приборы давления;
2. Деформационные ПД и ИПД;
3. Грузопоршневые манометры
4. Электрофизические ИПД
В жидкостных приборах давления измеряемое давление уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости, в качестве которой используется ртуть, вода, минеральные масла. Уравнение измерения основано на зависимости высоты столба жидкости (Н) от величины измеряемого давления (Р):
Р = ρ▪g▪H, (8-2)
где ρ,g - плотность жидкости и ускорение свободного падения.
Конструктивно жидкостные приборы давления делятся на U – образные, чашечные, с наклонной трубкой [3]. Жидкостные приборы давления – это лабораторные приборы. Для систем автоматизации эти СТИ не пригодны, т.к. нет передачи показаний на расстояние. Их достоинством является высокая точность, простота устройства, возможность измерять микродавления.
Грузопоршневые манометры – это приборы прямого измерения давления. Они состоят из прессовой части и измерительной колонки. Применяются для поверки пружинных манометров.
Для технологических измерений в промышленных условиях в основном применяются деформационные измерительные преобразователи давления (ИПД). Принцип действия преобразователя давления основан на зависимости деформации чувствительного элемента от измеряемого давления и последующего преобразования этой деформации на основе тензоэффекта в полупроводниковом материале в электрический токовый сигнал. Чувствительный элемент (6) – титановая мембрана; выходной преобразователь- пластина монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами. Тенезорезисторы включены в мостовую измерительную схему.
Зависимость между выходным сигналом и измеряемым параметром определяется выражением:
, (9-1)
где: Ip - расчетное значение выходного сигнала, соответствующее измеряемому давлению Р;
Imax - наибольшее предельное значение выходного сигнала, мА;
Imin - наименьшее предельное значение выходного сигнала, мА;
Р - значение измеряемого давления или перепада давления в тех же единицах, что и Pmax;
Pmax - верхний предел измерений измеряемого избыточного давления.
Рис.12. Устройство измерительного преобразователя давления
МЕТРАН-55М
1-электронный блок; 2- гермовыводы; 3 – монокристалл сапфира, покрытый кремниевой пленкой тензопреобразователя; 4-канал; 5 –фланец; 6 -титановая мембрана (ЧЭ); 7-измерительная камера; 8-прокладка; 9-основание; 10 –корпус..
Контрольные вопросы
Литература
1. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 2008.-423 с.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4
Средства контроля уровня
Содержание занятия:
Основной материал:
В современных технологиях нефтепереработки средства измерения уровня необходимы для предотвращения переливов аппаратов, а также для правильного дозирования компонентов в соответствии с уравнениями материальных балансов. По принципу действия уровнемеры можно разбить на две категории и семь групп ( табл. 10-1, рис. 14).
Таблица 8. Классификация уровнемеров
| Контактные | Бесконтактные | ||
| №пп | Наименование | №пп | Наименование |
| 1 | Кондуктометрические | 1 | Радарные |
| 2 | Гидростатические пьезометрические | 2 | Ультразвуковые |
| 3 | Гидростатические дифманометрические | 3 | Акустические |
| 4 | У-мерные стекла | 4 | Радиоизотопные |
| 5 | Волноводные | 5 | Оптические |
| 6 | Емкостные | ||
Принцип действия гидростатических уровнемеров основан на зависимости гидростатического давления столба жидкости от уровня
по уравнению:
Р = ρg L, (10-1)
где ρ - плотность измеряемой среды, g - ускорение свободного падения в данной местности, L – измеряемая величина (уровень в мм или % ).
Основным измерителем в схеме гидростатического уровнемера является ИПД или дифманометр (рис.11). Гидростатический пьезометрический (барботажный) уровнемер содержит кроме манометра пьезотрубку, помещенную в аппарат, через которую непрерывно продувается воздух или азот. При минимальном уровне воздух легко барботирует и на манометр поступает минимальное давление. При увеличении уровня барботаж затрудняется и часть воздуха отводится на маномнетр, давление в котором растет. Барботажные уровнемеры применяются только для аппаратов открытого типа (под атмосферным давлением). Датчики гидростатического давления (уровня) Метран-100-ДГ и датчики разности давлений Метран-100-ДД, используемые для измерения уровня, измеряют гидростатическое давление столба жидкости и обеспечивают непрерывное преобразование значения этого давления в унифицированный токовый сигнал и/или цифровой сигнал по HART-протоколу.
Принцип действия электрических уровнемеров основан на зависимости электрических параметров схемы (сопротивления, емкости, индуктивности или диэлектрической проницаемости) от уровня среды. Принцип действия прибора САУ-М6 при работе в системе автоматического поддержания уровня основан на использовании токопроводящих свойств жидкости для замыкания или размыкания электрической цепи при изменении уровня этой жидкости относительно электродов, установленных на определенных высотах в резервуаре (рис.12).
Принцип действия волноводных радарных уровнемеров Rosemount 5300 основан на технологии рефлектометрии с временным разрешением (TDR = Time Domain Reflecto metry, см. рис.18). Микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении. Разница во времени между моментом передачи радарного импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела двух сред. Измеряемые среды: жидкие (нефть, темные и светлые нефтепродукты, вода, сжиженные газы, кислоты и др.), сыпучие (пластик, зольная пыль, цемент, песок, сахар,
злаки и т. д.).
Бесконтактные радарные, и ультразвуковые уровнемеры не контактируют с измеряемой средой, а с помощью электромагнитного излучения определенной длины волны зондируют измеряемое пространство. Принцип действия их основан на зависимости времени похождения сигнала
до границы раздела фаз от уровня ( рис.21).
Рис.21. Принцип действия радарного уровнемера
Уровнемер 5400 состоит из блока электроники, присоединения к резервуару и антенны. Присоединение к резервуару и антенна являются единственными деталями, которые контактируют с атмосферой резервуара.
Контрольные вопросы
1. Какими уровнемерами можно измерять уровень в аппаратах открытого типа?
2. Какими уровнемерами можно измерять уровень в аппаратах по давлением?
3. Какими уровнемерами можно измерять уровень вязких сред в аппаратах открытого типа?
4. Какими уровнемерами можно измерять уровень кристаллизующихся сред?
Литература
1. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 2008.-423 с.
2. Сажин С.Г. Средства автоматического контроля технологических параметров.-Скт.Птб.:Издательство «Лань», 2014.- 368 с.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5
Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 112; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!