Засоби контролю основних параметрів

У ході теплоенергетичних процесів потрібно одержувати інформацію про різні параметри, що характеризують функціонування тих чи інших об'єктів. Розглянемо основні датчики для виміру таких параметрів, як температура, вологість, тиск, витрата, кількість теплоти.

Датчики температури.

Датчики з механічними вихідними величинами. Широко розповсюджені скляні рідинні термометри, в основному, використовують як прилади місцевої дії в інтервалі температур від -200 до +750°С. Термометричними рідинами є ртуть, толуол, етиловий спирт, керосин, ефір, ацетон, пентан і т.д. Як датчики застосовують, головним чином, ртутні термометри з перетворенням механічного переміщення в електричний сигнал - електроконтактні термометри, ртуть використовують як рухливий контакт. Другим контактом може бути вольфрамова нитка, впаяна чи опущена в капіляр термометра (рис. 18.4, а і 18.4, б). Сила електричного струму, що проходить через контакти, не повинна перевищувати 0,5мА при напрузі не більше 0,3 В.

У манометричних термометрах використовується об'ємне розширення робочої речовини в герметичній термосистемі, яка складається з термобалона (жезла) 3, капіляра 2, манометричного перетворювача 1 - трубчастої пружини, сильфону і т.п. (рис. 18.5). У залежності від властивостей заповнювача ці термометри розділяються на газові (азот), конденсаційні чи парорідинні (ацетон, хладон-22, хлорметил) і рідинні (метанксилол, гас, силіконові рідини і т.п.). Межі виміру приладів складають: - 150...+600°С; -50...+300°С; -150...+300°С при відповідній довжині капілярів 60, 25, 10 м. До цієї групи можна віднести датчики з твердим і пружним заповнювачами - пастами на основі воску, церезином та інших спеціальних матеріалів. Наприклад, сильфонні датчики з такими заповнювачами широко використовуються в кімнатних терморегуляторах .

Принцип дії біметалічних і дилатометричних датчиків засновано на ефекті спільного лінійного розширення двох різнорідних з'єднаних разом металів. У якості одного (пасивного) металу звичайно використовують інвар (36 % Ni + 64 % Fе), іншого (активного) - латунь, мідь, сталь, хромомолибден. Їх коефіцієнти лінійного розширення відрізняються приблизно в 20 разів. Шари термобиметалевої тонколистової двошарової стрічки з'єднуються контактним зварюванням. Зі стрічки роблять пластини (рис.18.6,а), плоскі і просторові спіралі (рис.18.6, б), які при збільшенні температури деформуються або загинаються, закручуються убік матеріалу з меншим коефіцієнтом лінійного розширення .

Дилатометричні термометри являють собою термосистему - стрижень (пасивний матеріал) і трубку (активний) з подовжнім лінійним переміщенням відносно один одного (рис.18.6,в). Обидва види термометрів застосовуються дуже широко, особливо біметалічні, у діапазоні температур 0...400°С, а деякі і до 1000⁰С (наприклад, дилатометри інвар - латунь Л62).

Датчики з електричними вихідними величинами. В основі принципу дії термоелектричних термометрів (термопар) лежить ефект Зебека, який відкрив механізм виникнення термоЕДС у ланцюзі, складеному з двох різних провідників, наприклад, міді і платини, місця з'єднань яких (зварюванням, пайкою чи скручуванням) мають різну температуру Т₀ та Т₁. Чим більше різниця (Т₁-Т₀), тим більше термоЕДС, але функціональна залежність (Т₀, Т₁) = f (Т₁) – f (Т₀) є невизначеною. Тому одну температуру приймають постійною, термостатируя один зі спаїв, наприклад при Т₀ = сonst. Термостатируємий спай називають вільним чи холодним , а той, що поміщається у вимірюване середовище - робочим чи гарячим. Позитивним вважають електрод, по якому струм тече від робочого спаю до вільного. Діаметр дроту електродів з дорогоцінних металів і сплавів складає 0,5 мм, інших - 1,2...3,2 мм.

Рис.18.6 - Біметалічні та дилатометричні датчики температур

Конструкція стандартного термоелектричного термометра складається з електродів з ізоляцією з порцелянових трубок або намиста, які поміщаються у захисний трубчастий чохол (сталевий, керамічний, кварцовий) з голівкою, що має електрозажими. Робочий спай може бути приварений чи припаяний до чохла для кращого теплового контакту і зменшення інерційності. Електровимірювальний прилад може бути приєднаний до вільного кінця термопари чи до термоелектроду . Включення сполучного провідника (показаний пунктиром) не позначається на термоЕДС, якщо точки з'єднання мають однакову температуру. Звичайно термоЕДС порівняно невелика і навіть при вимірі високих температур не перевищує 70 мВ.

Рис.18.7- Схема приєднання термоелектричного прибору

У терморезисторах (термометрах опору) використовується відоме явище зміни електричного опору провідника чи напівпровідника зі зміною температури. При цьому характер зміни опору в дротових терморезисторах підкоряється закономірності для платини і для чистої міді, де R₀ - опір при 20°С; - постійні,°C^-1. Звичайно R₀ стандартизовано: для міді - 53 і 100 Ом, для платини - 10, 46 і 100 Ом.

Напівпровідникові терморезистори або термістори (суміші окислів деяких металів, наприклад MnO₂, Cu²O₃, Fe₂O³, NiO, VO₂ , спресовані при високій температурі), зменшують свій опір при підвищенні температури. По зовнішньому вигляді вони нічим не відрізняються від звичайних стандартних резисторів, застосованих у електрорадіотехниці. В якості датчиків температури використовують також напівпровідникові термодіоди Д7А-Д7Ж, термотранзистори МП40, П14, Д237Г, варистори, тиристори, семисторы, у яких електронно – дирочна провідність залежить від температури. Конструктивно дротові терморезистори являють собою біфілярне (подвійне) намотування відповідного дроту на каркас - ізолятор різних поперечних перерізів (круглих, плоских, Х - образних), які поміщають у захисний трубчастий чохол, схожий на чохол термопари.

Датчики температури безконтактні. Їх дія заснована на використанні залежності інтенсивності і спектрального складу випромінювання від температури випромінюючого тіла. Прикладами застосування можуть служити вимір високої температури в топках теплогенераторів, печей, вимір температури поверхонь нагрівальних приладів, огороджень, визначення результуючої температури в приміщенні.

Рис.18.8 - Схема радіаційного пірометра

Базові методи засновані на вимірі яскравістної, радіаційної і колірної характеристик температур. Датчики (пірометри) включають оптичну систему і приймач випромінювання, тип якого визначається діапазоном вимірюваних температур (довжиною хвилі випромінювання).

На рис. 18.8 показана схема радіаційного пірометра. Променистий потік від тіла через об'єктив 2 фокусується на термобатареї 3, з пелюсткових термопар, що працює в комплекті з мілівольтметром 4, градуйованим по температурі. Для визначення сумарного ефекту впливу температури повітря і радіаційної температури навколишніх поверхонь застосовують кульовий термометр, який складається з термодатчика (термометра, терморезистора чи термопари), поміщеного усередині тонкостінної порожньої мідної кулі діаметром 152 мм, пофарбованого зсередини і зовні чорною матовою фарбою.

Останнім часом широко використовуються прилади дистанційного теплового контролю (тепловізори), які дозволяють оперативно визначати поля температур на поверхнях нагрітих предметів. Близькі за принципом дії до розглянутих актинометрів, що служать для виміру інтенсивності теплової радіації.

Датчики вологості газів (повітря). Датчики і прилади для виміру вологості повітря і газів називають гігрометрами чи гумидостатами, для виміру вологості тіл в інших агрегатних станах - вологомірами. Основні утруднення при вимірі і регулюванні вологості зв'язані з її функціональною залежністю від температури і парціального тиску водяних пар. Це особливо позначається при зв'язаному регулюванні найважливіших технологічних параметрів у вентиляційних, сушильних і холодильних установках - найбільших споживачах теплової й електричної енергії.

Серед численних методів виміру вологості практичне застосування одержали: психрометричні - по різниці температур; крапки роси - по початку конденсації водяної пари; електролітичний; сорбційний , заснований на перемінних властивостях гігроскопічних тіл; методи повного поглинання, конденсаційний, дифузійний; диелькометричний (з використанням випромінювань надвисоких частот (НВЧ)); поглинання інфрачервоних, ультрафіолетових, радіоактивних випромінювань.

Перші два методи зв'язані з використанням датчиків температури для виміру вологості. Найбільший інтерес представляють електричні психрометри, схеми яких визначаються видом вимірюваної величини (відносна чи абсолютна вологість) і типом застосованого датчика (термоконтактори, терморезістори і т.п.).

Рис.18.9 - Схема гігрометру деформаційного типу

Дія сорбційних гігрометрів деформаційного типу заснована на зміні пружності і геометричних розмірів деяких тел. До найбільш розповсюджених датчиків відноситься волосний, чуттєвим елементом якого служить пасмо знежиреного людського волосся, розтягнутого пружиною 4. У залежності від вологості повітря положення покажчика 3 і зв'язаного з ним перетворювача 2 буде мінятися, формуючи сигнал про зміну вологості (рис.18.9). Останнім часом замість волосяних почали застосовуватися вологочутливі елементи з пластику у виді ниток, мембран, смуг.

Датчики тиску (розрідження). У більшості датчиків тиску використовується принцип перетворення тиску в механічне переміщення або зусилля. Для виміру дуже великих тисків застосовуються електричні датчики, а для контролю за малими тисками використовуються датчики непрямих вимірів в'язкості, теплопровідності, ступеня іонізації.

Рідинні, чи гравітаційні, прилади з гідростатичним принципом дії широко поширені завдяки простоті і високої точності. Наповнювачами рідинних манометрів є дистильована вода, підфарбований етиловий спирт, ртуть, гас, діхлоретан, толуол та інші рідини, які не змінюють своїх фізико-хімічних властивостей. Для використання дифманометрів в якості датчиків необхідні перетворювачі сигналу - переміщення рівня заповнювача, наприклад поплавці.

Механічні ( мембранні) датчики - круглі пластини постійної товщини, які знаходяться між двома тарілками, що утворюють герметичні пружні камери. У перетині мембрани - плоскої, гофрованої і опуклої форми. Особливо широко в автоматиці застосовуються сильфони - гармоникові мембрани, що мають велику здатність до деформування. Трубчасті пружини Бурдона плоскої і спіральної форми широко застосовуються в пристрої традиційних пружинних манометрів. Матеріалом служать метали - сталі і бронзи (пружні) і неметали - капрон, просочені тканини, гума, пластики (мляві мембрани). У датчиках з електричним виходом використовується п’єзоефект у кристалах сегнетової солі, кварцу і тензоефект, коли тензоелементи наклеюють, наприклад, на мембрану чи сильфон.

Датчики витрат. Маса чи обсяг речовини, що проходить через перетин каналу за визначений проміжок часу, називається витратою речовини, а прилади, які вимірюють його - витратомірами. Витратомір, постачений інтегратором для підсумовування показань за будь-який проміжок часу, називають лічильником.

Рис.18.10 - Схема дросельного датчику виміру витрати рідини

Для виміру витрати рідини при її плині по трубопроводах постійного перетину застосовуються дросельні датчики. Звуження перетину за допомогою такого датчика, наприклад, діафрагми, досягається шляхом установки в

трубопроводі тонкого диска діаметром D з концентричним отвором визначеного діаметра d₀ і профілю (рис. 18.10, а). У звуженому перетині відбувається збільшення швидкості і падіння статичного тиску потоку. По обмірюваному дифманометром перепаду тиску визначають швидкість рідини і її витрата (рис. 18.10, б). В якості інших пристроїв використовуються сегментні діафрагми (рис. 18.10, в), сопла (рис. 18.10, г), труби Вентури і Фостера (рис. 18.10, д та е).

З витратомірів з постійним перепадом тиску найбільше поширення одержали ротаметри . Основний елемент приладу - конічний поплавець, що вертикально переміщається під дією динамічного тиску потоку усередині кільцевої діафрагми. Переміщення поплавця припиняється при зрівноважуванні сил ваги поплавця і тиску потоку. При цьому кожному значенню витрати відповідає визначене положення поплавця. Звичайне переміщення поплавця передається в електровимірювальну схему вторинного приладу.

В основу швидкісного методу покладений вимір за допомогою стаціонарних напірних трубок середньої швидкості потоку v_m, зв'язаної з витратою: (F - площа поперечного переріза потоку). Для непрямих вимірів швидкості потоку використовуються лічильники з лопатевими колісьми - вертушками," взаємодіючими з потоком, середня швидкість руху якого впливає на частоту обертання датчика, наприклад, в анемометрах і водомірах . В електротермоанемометрі ступінь охолодження термопар чи терморезисторів якого пропорційна швидкості потоку, формується електричний сигнал про зміну витрати.

Широке поширення для виміру нестаціонарних витрат одержали безконтактні методи - індукційні, ультразвукові, СВЧ, іонізаційні, радіоізотопні. Їх сутність полягає в тім, що під впливом випромінювання від якого-небудь джерела в потоці відбувається відповідна флуктуація, яка рухається разом з потоком . Знаючи момент подачі частотного імпульсу генератором, відстань і момент проходження хмариною чуттєвого елемента приймача-реєстратора, визначають витрату речовини. Так, у газопостачанні виміряється витрата газу за допомогою радіоактивних міток - порцій криптону чи ксенону, які надходять зі спеціального балончика-дозатора.

Вимір кількості теплоти. Необхідність оперативного визначення витрати теплоти і тепловтрат з особливою гостротою виявилася останнім часом в зв'язку з вимогою економії паливно-енергетичних ресурсів. Теплова потужність потоку визначається як q=Mh, де М - масова витрата теплоносія; h - питома ентальпія теплоносія. Відпустка теплоти Q знаходиться інтегруванням q за часом. При цьому відповідно до виду теплоносія ентальпія залежить від температури і тиску. Процес виміру зводиться до комплексного виміру тисків, перепадів тисків (витрат) і температур з наступними розрахунковими операціями.

Вимірювальна система теплолічильника (рис.18.11) складається з електромагнітного (індукційного) витратоміра (ІВ), платинових терморезисторів - датчиків температури прямого і зворотного потоків і автоматичного обчислювального приладу (АОП). Трубопровід розташований між полюсами електромагніта М , під дією якого іони рідини віддають заряди вимірювальним електродам E, створюючи струм, пропорційний витраті V. Вимірювальний блок (ВБ) трансформує сигнал про витрату і передає на АОП, куди також надходять сигнали від терморезисторів RК1 і RК2. АОП робить рахункові операції з виходом на прилад, що реєструє (РП) і АСУ.

Рис. 18.11 - Вимірювальна система теплолічильника

Індивідуальні тепломіри, які широко розповсюджені в ряді європейських країн, оцінюють витрату теплоти індивідуальними споживачами, наприклад радіаторами центрального опалення.