Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

ратурных измерений, наоборот, температура определяется по результатам измерения давления).

Диаграмма состояний дает наглядное представление о выборе того или иного фазового перехода в зависимости от определяемого давления. Кривая плавления ВС немного отклоняется от вертикали к оси абсцисс, т. е. температура плавления имеет небольшую чувствительность к давлению. Так, температура плавления льда изменяется на 1 К при изменении давления на 13 МПа (следует отметить, что в отличие от большинства веществ температура плавления льда понижается при повышении давления — штриховая линия СВ на рис. 4.38), поэтому кривые плавления используются в косвенных методах определения высоких и сверхвысоких давлений. Процесс сублимации (кривая АС) происходит, как правило, при низких температурах и давлениях, что позволяет его использовать при определении давления в области вакуумных измерений. И, наконец, фазовый переход «жидкость — пар» (кривая СК) наиболее удобен для области средних давлений помимо указанного, при выборе того или иного фазового перехода необходимо учитывать физические свойства применяемого вещества.

Вобласти измерения высоких и сверхвысоких давлений его значение воспроизводится по кривой плавления ртути, полуэмпирическое уравнение которой получают по результатам исследований сравнением с эталонным поршневым манометром. Это позволяет построить непрерывную шкалу давлений, по которой градуируются средства измерений высоких и сверхвысоких давлений низшей точности.

Вобласти средних давлений, где успешно применяются высокоточные средства измерений, основанные на прямых методах, использование косвенных методов нецелесообразно. Однако представляет интерес, получивший распространение в первой половине двадцатого века простой способ измерения атмосферного давления, основанный на фазовых переходах «жидкость — пар» (кривая СК на рис. 4.38), который легко может быть продемонстрирован в любой, даже школьной лаборатории.

Косвенные методы, основанные на изменении физических свойств измеряемой среды. Для определения давления находят также применение методы, основанные на зависимости от давления различных физических свойств жидкостей и газов и протекающих в них процессах. При этом были использованы результаты исследований

влияния давления на плотность и вязкость, диэлектрическую проницаемость, скорость распространения ультразвука, теплопроводность

идругие свойства измеряемой среды.

Вобласти высоких и средних давлений указанные методы широкого распространения не получили в связи с их относительной сложностью и трудоемкостью по сравнению с другими методами (применение манганинового манометра сопротивления в области высоких давлений, прямые методы измерений в области средних давлений).

Вобласти вакуумных измерений указанные методы применяются практически повсеместно. Зависимость теплопроводности разреженного газа от давления используется в тепловых и термопарных манометрах; зависимость тока положительных ионов от измеряемого давления — в ионизационных манометрах. Используется также зависимость от давления вязкости газа, кинетической энергии молекул, концентрации молекул и пр.

Наибольшее распространение в вакуумной технике (около 70%) получили термопарные и ионизационные манометры.

Термопарный манометр (рис. 4.39, а) так же, как и тепловой, основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Манометр содержит стеклянную или металлическую колбу 3, в которой размещены нагреватель 1 и впаянная в него термопара 2. Нагреватель питается от источника переменного тока, и его температура вместе с температурой термопары определяются теплоотдачей в окружающий разреженный газ. Чем меньше давление газа, тем меньше его теплопроводность и тем больше температура и ЭДС на выходе термопары, которая и является мерой измеряемого давления. Шкала прибора 4 для измерения ЭДС градуируется, как правило, в единицах давления. Данный принцип наиболее эффективен при давлениях от 0,1 до 100 Па. При давлениях, меньших 0,1 Па, все большая доля тепла передается излучением, а при давлениях, больших 100 Па, увеличение теплопроводности газа резко замедляется. В обоих случаях существенно уменьшается чувствительность прибора. Погрешность измерений составляет 10–30%. На градуировочную характеристику существенно влияет состав газа. Поэтому для уточнения показаний термопарного манометра необходима индивидуальная градуировка.

Принцип действия ионизационного манометра основан на зависимости от давления тока положительных ионов, образованных в результате ионизации разреженного газа. Ионизация газа осуществ-

ляется электронами, ускоряемыми электрическим или магнитным полями, а также посредством излучения радиоизотопов. При одном и том же количестве электронов, пролетающих через газ, или постоянной мощности излучения степень ионизации газа пропорциональна концентрации его молекул, т. е. измеряемому давлению.

Рис. 4.39 — Термопарный манометр ПМТ-2

В простейшем случае наиболее употребим ионизационный манометр с горячим катодом (рис. 4.39, б), содержащий стеклянную колбу 2, в которую впаяны анод 1 и катод 3. Благодаря разогреву катода источником постоянного тока 4 его поверхность испускает электроны, которые разгоняются напряжением Uа между катодом и анодом и ионизируют находящийся между ними газ.

Для увеличения степени ионизации между катодом и анодом помещена сетка, на которую подается напряжение, сообщающее дополнительное ускорение потоку электронов. Манометры этого типа охватывают диапазон от 10–7 до 1 Па, дополняя диапазон измерений термопарного манометра. Погрешности измерений составляют также

10–30% [36].

4.5. Методы и средства измерения расхода

Расход — это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени. Количество можно измерять в единицах массы (кг, т) или единицах объема (м3). Следовательно, расход можно измерять в единицах массы, деленных на единицу времени (кг/с,

кг/мин, кг/ч, т/ч), или в единицах объема, также деленных на единицу времени (м3/с, м3/мин, м3/ч). В первом случае имеем массовый расход, во втором — объемный расход.

Приборы для измерения расхода называют расходомерами, а приборы для измерения количества — счетчиками количества (счетчиками).

Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение сред в потоке и т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры и давления. Если условия эксплуатации отличаются от условий, при которых производилась их градуировка, то ошибка в показаниях прибора может значительно превысить допустимые значения. Поэтому для серийно выпускаемых приборов установлены ограничения области их применения: по свойствам измеряемого потока, максимальной температуре и давлению, содержанию твердых частиц или газов в жидкости и т. п.

Классификация приборов для измерения расхода. В зависимости от принятого метода измерения приборы для измерения расхода и количества подразделяются на:

1.Расходомеры переменного перепада давления;

2.Расходомеры постоянного перепада давления (расходомеры обтекания);

3.Электромагнитные расходомеры;

4.Ультразвуковые расходомеры;

5.Расходомеры переменного уровня;

6. Тепловые расходомеры;

7. Вихревые расходомеры.

8. Тахометрические расходомеры — основаны на преобразовании скорости потока в угловую скорость вращения обтекаемого элемента. Подразделяются на турбинные, шариковые и камерные.

Рассмотрим особенности наиболее распространенных расходо-

метров (20, 25, 31, 42, 55, 56).

4.5.1. Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления, работающие по методу дросселирования потока, предназначены для измерения коли-