Основы проектирования Систем Управления химико-технологическими процессами. Глава 5-6. - Беспалов А.В., Харитонов Н.И.

Author: Беспалов А.В. Харитонов Н.И.
Tags: химическая промышленность проектирование системы управления химическая технология
ISBN: 978-5-94628-311-3.
Year: 2007
Similar
Основы проектирования Систем Управления химико-технологическими процессами. Глава 6.
Основы проектирования Систем Управления химико-технологическими процессами. Глава 08
Основы проектирования Систем Управления химико-технологическими процессами. Глава 2.
Системы управления химико-технологическими-процессами
Text
                    ГЛАВА_______________________
ИЗМЕРЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Наука начинается с тех пор, как на-
чинают измерять, точная наука немысли-
ма без меры.
Д.И. Менделеев — основатель и
управляющий Главной палаты
мер и весов в России
5.1.	ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ
И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
Технической базой построения АСУ ТП и АСУП в различных
отраслях промышленности является Государственная система про-
мышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). В основу пост-
роения и развития ГСП положены следующие принципы:
•	выделение типовых функций автоматического контроля, регу-
лирования и управления;
•	минимизация номенклатуры технических средств;
•	построение технических устройств на основе типовых унифи-
цированных блоков и модулей;
•	агрегатное построение сложных систем управления на основе
унифицированных приборов и устройств;
•	совместимость приборов и устройств ГСП на основе:
а)	унификации сигналов связи, используемых для обмена ин-
формацией между изделиями ГСП в системах управления (инфор-
мационная совместимость);
б)	унификации конструкций (конструктивная совместимость);
в)	унификации эксплуатационных требований (эксплуатацион-
ная совместимость);
г)	унификации метрологических характеристик средств измере-
ний (обеспечение единства измерений или метрологическая совме-
стимость).
5.1.	I осударственная система промышленных приборов	291
По функциональному признаку технические средства ГСП разде-
ляются на средства:
•	получения информации о состоянии ХТП (к ним относят пер-
вичные измерительные преобразователи, нормирующие преобразо-
ватели, формирующие унифицированный сигнал, измерительные
приборы, устройства алфавитно-цифровой информации). Устрой-
ства этой группы предназначены для преобразования измеряемой
физической величины в удобный для восприятия, передачи и обра-
ботки сигнал измерительной информации;
•	приема, преобразования и передачи информации по каналам связи
(к ним относят различные преобразователи сигналов и кодов, комму-
таторы измерительных цепей, шифраторы и дешифраторы, согласую-
щие устройства, устройства для дистанционной передачи и т. д.).
Эти средства используют для приема, преобразования и передачи
сигналов, содержащих измерительную информацию и несущих ко-
манды управления;
•	преобразования, обработки, хранения информации и форми-
рования управляющих воздействий, представления информации
операторам (к ним относят функциональные и операционные пре-
образователи), а также логические устройства, анализаторы сигна-
лов, запоминающие устройства, регуляторы (контроллеры), задат-
чики, управляющие вычислительные устройства. Эти средства пред-
ставляют центральную часть ГСП;
•	использования командной информации для воздействия на тех-
нологический процесс (к ним относят исполнительные устройства,
состоящие из исполнительных механизмов и регулирующих орга-
нов, усилители мощности и вспомогательные устройства к ним).
По роду энергии, используемой в качестве носителя информации
при передаче сигналов, устройства ГСП делятся на:
•	электрические (обладают быстродействием, высокой точнос-
тью, способностью передачи информации на большие расстояния, а
также большой «емкостью» каналов передачи информации);
•	пневматические (способны работать во взрыво- и пожароопас-
ных производствах);
•	гидравлические (обеспечивают точные перемещения исполни-
тельных устройств и большие перестановочные усилия).
Для обеспечения информационного сопряжения в ГСП приме-
няют унифицированные сигналы. Унифицированный сигнал ГСП —
сигнал дистанционной передачи информации с унифицированны-
ми параметрами. Вид носителя информации и параметры унифици-
рованного сигнала не зависят от вида измеряемой величины, метода
измерения и диапазона изменения измеряемой величины. Обычно
унифицированные сигналы получаются в результате преобразова-
ю*
292
Глава 5. Измерение технологических параметров
ния и нормирования сигналов первичных измерительных преобра-
зователей при помощи встроенных в датчики или внешних нормиру-
ющих преобразователей. В зависимости от вида унифицированных
параметров в ГСП применяют унифицированные сигналы четырех
групп:
•	сигналы тока и напряжения электрические непрерывные;
•	сигналы частотные электрические непрерывные;
•	сигналы электрические кодированные;
•	пневматические сигналы.
Основные виды унифицированных сигналов ГСП приведены в
табл. 5.1.
Таблица 5.1. Основные виды унифицированных сигналов ГСП
Электрические сигналы					Пневмати- ческий сигнал
Постоянный ток	Напряжение постоянного тока		Напряжение переменного тока	Частота	
мА	мВ	В	в	кГц	кПа
0...5	0...10	0...10	0...2	4...8	20...100
0...20	0...20	0...1			
4...20	-10... 0...+ 10	-1...0...+1	-1...0...+1	2...4	
-5...0...+5					
5.2. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕТРОЛОГИИ
Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их един-
ства и способах достижения требуемой точности называется метро-
логией.
Примечание
Термин «метрология» происходит от греческих слов петров — мера и
Хоуо^ — учение, слово.
К основным направлениям метрологии относятся: общая теория
измерений, единицы физических величин и их системы, методы и
средства измерений, методы определения точности измерений, ос-
новы обеспечения единства измерений и единообразия средств из-
5.2. Основные термины и определения метрологии
293
мерений, методы передачи размеров единиц от эталонов и образцо-
вых средств измерений рабочим средствам измерений. Законода-
тельный характер метрологии обусловливает стандартизацию ее тер-
минов и определений.
Термины метрологии и их определения установлены ГОСТ и
стандартами ИСО (Международная организация по стандартиза-
ции, ISO — International Organization for Standardization), МЭК
(Международная электротехническая комиссия, IEC — International
Electrotechnical Commission) и другими международными организа-
циями по стандартизации.
Качество управления технологическим процессом в значитель-
ной мере определяется погрешностью измерений технологических
параметров. Важно поддерживать метрологические характеристики
измерительных систем (ИС) на определенном уровне, определяемом
требованиями к качеству управления. На погрешность измерений
оказывают влияние:
•	свойства объекта измерений, отражаемые характеристиками
сигналов, параметры которых подлежат измерению;
•	условия эксплуатации, отражаемые характеристиками влияю-
щих величин;
•	методы измерений и измерительных преобразований внутри
системы, порождающие методические погрешности измерений;
•	свойства ИС, отражаемые метрологическими характеристика-
ми ее компонентов;
•	алгоритм обработки результатов прямых измерений с помо-
щью встроенного процессора и его программная реализация.
Учитывая вышеперечисленные факторы, метрологическое обес-
печение ИС предусматривает наличие:
•	способов описания погрешностей измерений;
•	способов описания входных сигналов ИС и других характери-
стик объекта измерений, влияющих на погрешность измерений;
•	способов описания условий эксплуатации ИС (выбора способа
описания влияющих величин);
•	способов определения характеристик методической погрешно-
сти измерений, учитывающих методы измерений и преобразований
сигналов в ИС, включая алгоритм обработки измерений;
•	описания в технической документации свойств ИС, влияющих
на погрешность измерений, включая методы расчета метрологичес-
ких характеристик ИС;
•	методов испытаний (контроля) метрологических характерис-
тик ИС, гарантирующих ее свойства.
Измерительные системы используются не только как элементы
систем управления, но применяются и самостоятельно для текуще-
го контроля технологических параметров.
294
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.2.1.	Физические величины
Физическая величина — одно из свойств физического объекта
(физической системы, явления или процесса), общее в качествен-
ном отношении для многих физических объектов, но индивидуаль-
ное для каждого из них в количественном отношении.
Измеряемая физическая величина — физическая величина, подле-
жащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с
основной целью измерительной задачи.
Размер физической величины — количественная определенность
физической величины, присущая конкретному материальному объек-
ту, системе, явлению или процессу. Значение физической величины —
выражение размера физической величины в виде некоторого числа
принятых для нее единиц. Числовое значение физической величины -
отвлеченное число, входящее в значение величины.
Истинное значение физической величины — значение физической
величины, которое идеальным образом характеризует в качествен-
ном и количественном отношении соответствующую физическую
величину.
Действительное значение физической величины — значение физи-
ческой величины, полученное экспериментальным путем и настолько
близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной
задаче может быть использовано вместо него.
Влияющая физическая величина — физическая величина, оказы-
вающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат
измерений.
Система физических величин — совокупность физических вели-
чин вместе с набором непротиворечивых уравнений, связывающих
эти величины.
Основная физическая величина — физическая величина, входящая
в систему величин и условно принятая в качестве независимой от
других величин этой системы.
Производная физическая величина — физическая величина, входя-
щая в систему величин и определяемая через основные величины
этой системы.
Размерность физической величины — выражение в форме сте-
пенного одночлена, составленного из произведений символов ос-
новных физических величин в различных степенях, и отражающее
взаимосвязь данной физической величины с физическими вели-
чинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэф-
фициентом пропорциональности, равным 1.
Показатель размерности физической величины — показатель
степени, в которую возведена размерность основной физичес-
5.2. Основные термины и определения метрологии
295
кой величины, входящая в размерность производной физичес-
кой величины
Размерная физическая величина — физическая величина, в раз-
мерности которой хотя бы одна из основных физических величин
возведена в степень, не равную нулю.
Безразмерная физическая величина — физическая величина, в раз-
мерность которой основные физические величины входят в степе-
ни, равной нулю
Шкала физической величины — упорядоченная совокупность зна-
чений физической величины, служащая исходной основой для из-
мерений данной величины.
Международная температурная шкала, состоящая из ряда реперных
точек, значения которых приняты по соглашению между странами Метри-
ческой конвенции и установлены на основании точных измерений, явля-
ется исходной основой для измерений температуры
Условная шкала физической величины — шкала физической ве-
личины, исходные значения которой выражены в условных еди-
ницах.
Например, шкала твердости металлов Бринелля, шкала твердости ми-
нералов Мооса
Уравнение связи между величинами — уравнение, отражающее
взаимосвязь между величинами, обусловленную законами приро-
ды, в котором под буквенными символами понимают физические
величины.
5.2.2.	Единицы физических величин
Единица измерения физической величины — физическая величина
фиксированного размера, которой условно присвоено числовое зна-
чение, равное 1, и применяемая для количественного выражения
однородных с ней физических величин.
Система единиц физических величин — выбранная по соглашению
совокупность основных и производных единиц физических вели-
чин, а также кратных и дольных единиц физических величин, вмес-
те с набором правил их использования.
Основная единица системы единиц физических величин — единица
основной физической величины в данной системе единиц.
Основные единицы Международной системы единиц (СИ): метр (м), ки-
лограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль) и кандела (кд)
296
Глава 5 Измерение технологических параметров
Производная единица системы единиц физических величин — еди-
ница производной физической величины системы единиц, образо-
ванная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными
единицами или с основными и уже определенными производными
единицами.
1 м/с — единица скорости, образованная из основных единиц СИ -
метра и секунды.
Системная единица физической величины — единица физической
величины, входящая в принятую систему единиц.
Внесистемная единица физической величины — единица физичес-
кой величины, не входящая в принятую систему единиц
Кратная единица физической величины — единица физической
величины, в целое число раз большая системной или внесистемной
единицы.
Единица длины 1 км = 103 м, т. е. кратная метру; единица частоты
1 МГц (мегагерц) = 106 Гц, кратная герцу; единица активности радионук-
лидов 1 МБк (мегабеккерель) = 106 Бк, кратная беккерелю.
Дольная единица физической величины — единица физической ве-
личины, в целое число раз меньшая системной или внесистемной
единицы
Единица длины 1 нм (нанометр) = 10-9 м и единица времени 1 мкс
(микросекунда) = 10-6 с являются дольными соответственно от метра и
секунды.
5.2.3.	Измерения физических величин
Измерение физической величины — совокупность операций по при-
менению технического средства, хранящего единицу физической
величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или
в неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение
значения этой величины.
Измерения можно классифицировать по разным признакам.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени
измерения делятся на статические и динамические. Статическое
измерение — измерение физической величины, принимаемое в соот-
ветствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на
протяжении времени измерения. Динамическое измерение — измере-
ние изменяющейся по размеру физической величины.
5.2. Основные термины и определения метрологии
297
Примечание
Все физические величины подвержены тем или иным изменениям во
времени. Разработанные в последнее время высокочувствительные сред-
ства измерений позволяют обнаруживать изменения физических величин,
ранее считавшихся постоянными. Поэтому разделение измерений на ста-
тические и динамические измерения является условным
По способу получения результатов выделяют прямые, косвен-
ные, cobokj пные и совместные измерения.
Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение
физической величины получают непосредственно.
Например, измерение напряжения вольтметром, температуры термо-
метром, давления манометром.
Косвенное измерение — определение искомого значения физи-
ческой величины на основании прямых измерений других физи-
ческих величин, функционально связанных с искомой величиной.
Косвенные измерения широко применяются в тех случаях, когда
искомую физическую величину невозможно или сложно измерить
непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный
результат.
Примеры косвенных уравнений: определение плотности р тела цилин-
дрической формы по результатам прямых измерений массы т, высоты Л и
диаметра цилиндра d, связанных с плотностью уравнением:
р = щ/(о.25п^2й);
расчет давления р в грузопоршневом манометре, исходя из площади порш-
ня А, массы груза т и ускорения свободного падения g.
p=mg/A.
При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько
одноименных величин и искомые значения величин находят, решая
систему уравнений, получаемых при прямых измерениях различных
сочетаний этих величин.
Совместные измерения - производимые одновременно измере-
ния разноименных величин для определения зависимости между
ними.
Измерительный сигнал — сигнал, содержащий количественную
информацию об измеряемой величине
Измерительная информация — информация о значениях физи-
ческих величин.
298
Глава 5. Измерение технологических параметров
Объект измерений — тело (физическая система, процесс, явле-
ние), характеризуемое одной или несколькими измеряемыми физи-
ческими величинами.
Примечание
Измерение всегда рассматривается как сравнение величины с ее еди-
ниией. Однако не всегда такое сравнение производится непосредствен-
но. В большинстве случаев измеряется не сама интересующая нас вели-
чина, а другие величины, связанные с нею теми или иными соотноше-
ниями и закономернсстями. Обычно к прямым измерениям относят
такие, при которых значение измеряемой величины получается в ре-
зультате одного наблюдения или отсчета. Однако, по существу, в боль-
шинстве таких случаез в скрытом виде также имеет место не прямое
измерение, а косвенное. Действительно, аналоговые измерительные при-
боры, например, дают показания в делениях шкалы, так что мы непос-
редственно измеряем лишь линейные или угловые отклонения стрелки,
связанные с измеряемой величиной посредством ряда промежуточных
преобразований.
5.2.4.	Средства измерительной техники
Средства измерительной техники — обобщающее понятие, охва-
тывающее технические средства, специально предназначенные для
измерений К средствам измерительной техники относят средства
измерений и их совокупности (например, измерительные системы,
измерительные установки), измерительные принадлежности (напри-
мер, термостат), измерительные устройства
Средство измерений (СИ) — техническое средство, предназна-
ченное для измерений, имеющее нормированные метрологические
характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физи-
ческой величины, размер которой принимают неизменным (в пре-
делах установленной погрешности) в течение известного интервала
времени. «Умение» хранить (или воспроизводить) единицу физи-
ческой величины неизменного размера, необходимое для выполне-
ния измерений (т. е. для сопоставления с единицей) и превращает
техническое средство в средство измерений.
Основное средство измерений — средство измерении той физи-
ческой величины, значение которой необходимо получить в соот-
ветствии с измерительной задачей.
Вспомогательное средство измерений — средство измерений той
физической величины, влияние которой на основное средство из-
мерений или объект измерений необходимо учитывать для получе-
ния результатов измерений требуемой точности.
5.2. Основные термины и определения метрологии
299
Например, термометр для измерения температуры газа в процессе из-
мерений объемного расхода этого газа.
Мера физической величины — средство измерений, предназначенное
для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного
или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в
установленных единицах и известны с необходимой точностью.
Замечание
Различают следующие разновидности мер:
•	однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину
одного размера (например, гиря 1 кг);
•	многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину
разных размеров (например, штриховая мера длины);
•	набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физичес-
кой величины (например, набор концевых мер длины);
•	магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое
устройство, в котором имеется приспособление для их соединения в раз-
личных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное
для получения значений измеряемой физической величины в уста-
новленном диапазоне.
Примечание
По способу индикации значений измеряемой величины измеритель-
ные приборы принято разделять на показывающие и регистрирующие.
Измерительный преобразователь — техническое средство с нор-
мативными метрологическими характеристиками, служащее для
преобразования измеряемой величины в другую величину или изме-
рительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших
преобразований, индикации или передачи.
Замечание
Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо из-
мерительного прибора (или измерительной установки, или измерительной
системы и др.), или применяется совместно с каким-либо средством изме-
рений.
По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналого-
вые, аналого-цифровые преобразователи.
По расположению в измерительной цепи различают первичные и про-
межуточные преобразователи.
Выделяют также передающие и масштабные преобразователи. Переда-
ющим измерительным преобразователем называют элемент измерительного
устройства, предназначенный для дистанционной передачи сигнала изме-
рительной информации. Примером передающего измерительного преоб-
300	Глава 5. Измерение технологических параметров
разователя может служить токовый преобразователь, встраиваемый в мем-
бранный дифманометр. С его помощью деформация мембраны преобразу-
ется в унифицированный сигнал постоянного тока 0...5 мА. Масштабным
измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь,
предназначенный для изменения величины в заданное число раз, напри-
мер, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения и т. п.
Первичный измерительный преобразователь (ПИП) — измеритель-
ный преобразователь, на который непосредственно воздействует
измеряемая физическая величина, т. е. это первый преобразователь
в измерительной цепи измерительного прибора (или измерительной
установки, или измерительной системы и др.).
Например, термопара, pH-электрод, трубка Бурдона, биметаллическая
пластинка, поплавок ротаметра, терморезистор.
Активный измерительный преобразователь (генераторный преоб-
разователь) непосредственно преобразует одну форму энергии в дру-
гую, не нуждаясь во внешнем источнике энергии.
Например, термопара преобразующая тепловую энергию в электри-
ческую.
Пассивный измерительный преобразователь (параметрический пре-
образователь) не может непосредственно преобразовывать энер-
гию, но он управляет энергией, поступающей от внешнего источ-
ника.
Терморезистор не может непосредственно преобразовать тепловую
энергию в электрическую. Но изменение его сопротивления влияет на про-
текающий в цепи электрический ток, создаваемый внешним источником.
Датчик — конструктивно обособленный первичный преобразо-
ватель, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает»
информацию). Датчик может быть вынесен на значительное рассто-
яние от средства измерений, принимающего его сигналы.
При внешней простоте, малых габаритных размерах и массе дат-
чик представляет собой сложную конструкцию, чувствительный эле-
мент которой может работать в тяжелых эксплуатационных услови-
ях, в диапазоне температур от —253 °C до +3000 °C, давлений от
0,001 МПа до 300 МПа, при вибрациях до 105g и акустических шу-
мах до 194 дБ. Датчики являются важными элементами информаци-
онно-измерительных систем и систем автоматического управления
технологическими процессами.
5.2. Основные термины и определения метрологии
301
Средство сравнения (компаратор) — техническое средство, пред-
назначенное для сравнения друг с другом мер однородных величин
или показаний измерительных приборов.
Рычажные весы могут служить средством сравнения эталонной гири,
установленной на одну чашку весов, и поверяемой гири, установленной на
другую чашку.
Измерительная цепь — совокупность элементов средств измере-
ний, образующих непрерывный путь прохождения измерительного
сигнала одной физической величины от входа до выхода.
Примечание
Измерительную цепь измерительной системы называют измеритель-
ным каналом (см. ниже).
Измерительное устройство — часть измерительного прибора (ус-
тановки или системы), связанная с измерительным сигналом и име-
ющая обособленную конструкцию и назначение. Измерительным
устройством может быть названо регистрирующее устройство изме-
рительного прибора, включающее ленту для записи, лентопротяж-
ный механизм и пишущий элемент.
Чувствительный элемент средства измерений — часть измеритель-
ного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая вход-
ной измерительный сигнал.
Показывающее устройство средства измерений — совокупность
элементов средства измерений, обеспечивающая визуальное воспри-
ятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин.
Регистрирующее устройство средства измерений — совокупность
элементов средства измерений, регистрирующая значение измеряе-
мой величины или связанной с ней величины.
Шкала средства измерений — часть показывающего устройства
средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд
отметок (черточка, точка и др.) вместе со связанной с ними нуме-
рацией.
Начальное значение шкалы — наименьшее значение измеряемой
величины, которое может быть отсчитано по шкале средства изме-
рений.
Конечное значение шкалы — наибольшее значение измеряемой
величины, которое может быть отсчитано по шкале средства изме-
рений.
Табло цифрового измерительного прибора — показывающее уст-
ройство цифрового измерительного прибора
302
Глава 5. Измерение технологических параметров
По виду измеряемой величины или сигнала измерительной ин-
формации, а также по способу обработки сигнала средства измери-
тельной техники делятся на аналоговые и цифровые.
В аналоговых средствах измерительной техники выходная вели-
чина является непрерывной функцией размера измеряемой величи-
ны, т. е. может принимать, как и измеряемая величина, бесконеч-
ное множество значений.
Высота столбика ртути в ртутном термометре расширения или ТЭДС
термопары являются непрерывными функциями измеряемой темпера-
туры.
В цифровых средствах измерительной техники выходная величи-
на является дискретной (прерывистой) во времени и квантованной
по размеру, т. е. может принимать лишь конечное число значений.
В цифровом средстве измерительной техники непрерывная по раз-
меру и во времени измеряемая величина преобразуется в дискрет-
ный сигнал, квантуется и кодируется. Полученный цифровой код
может передаваться по каналам связи и отображаться на табло циф-
рового измерительного прибора. Структурная схема цифрового из-
мерительного прибора приведена на рис. 5.1, о. Аналоговый первич-
ный измерительный преобразователь преобразует измеряемую ве-
личину х(т) в величину, обеспечивающую нормальный режим работы
аналого-цифрового преобразователя (АЦП), входящего составной
..	d,(T)
б
Рис. 5.1. Структурные схемы:
а — цифрового измерительного устройства; б— информационного изме-
рительного канала И ИС
5.2. Основные термины и определения метрологии
303
частью в цифровой измерительный прибор. Это могут быть масш-
табные преобразования (усиление или ослабление) или преобразо-
вания рода физической величины (например, преобразование со-
противления в напряжение). С выхода АЦП цифровой код поступа-
ет на табло и цифровой выход измерительного прибора, позволяющий
подключать устройства цифровой регистрации показаний или циф-
ровые каналы связи. Использование измерительного сигнала в циф-
ровой форме позволяет свести к минимуму потерю содержащейся в
нем информации.
Измерительная система (ИС) — совокупность функционально
объединенных мер, измерительных приборов, измерительных пре-
образователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в
разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной
или нескольких физических величин, свойственных этому объекту,
и выработки измерительных сигналов. В зависимости от назначения
измерительные системы разделяют на измерительные информацион-
ные (ИИС), измерительные контролирующие, измерительные управля-
ющие системы и др.
ИИС производства азотной кислоты содержит сотни измерительных
каналов и позволяет получить измерительную информацию о ряде физи-
ческих величин в различных технологических аппаратах.
Измерительный канал измерительной системы — конструктивно
или функционально выделяемая часть ИС, выполняющая закончен-
ную функцию от восприятия измеряемой величины до получения
результата ее измерения, выражаемого числом или соответствую-
щим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из
параметров которого — функция измеряемой величины.
Типовой измерительный канал (ИК) включает в себя первичный
измерительный преобразователь, линии связи, промежуточный из-
мерительный преобразователь (нормирующий, либо выполняющий
иные функции), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процес-
сор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).
Примечание
В АСУ ТП имеется много ИК. Их обслуживание разделено во време-
ни. Каждый канал периодически (с периодом т0) подключается коммутато-
ром к входу микропроцессора, осуществляющего аналого-цифровое пре-
образование (рис. 5.1, б). В результате непрерывная функция ^т) подверга-
ется дискретизации по времени, т. е. преобразуется в последовательность
импульсов g(zi0), модулированных по амплитуде функцией #(т). Следую-
щий вид преобразования — квантование по уровню — выполняет аналого-
цифровой преобразователь (АЦП). При этом амплитуды импульсов g(h0)
304
Глава 5. Измерение технологических параметров
преобразуются в числа g*(rt0), представляющие текущее значение измеряе-
мой величины х(т).
Основными задачами первичной обработки информации в ИК, вы-
полняемой процессором, являются:
•	фильтрация сигнала измерительной информации от случайной поме-
хи л(т);
•	восстановление значения измеряемой величины х(т) по сигналу из-
мерительной информации у(т) (например, определение температуры по
ТЭДС гермопары).
Измерительно-вычислительный комплекс — функционально объе-
диненная совокупность средств измерения, ЭВМ и вспомогатель-
ных устройств, предназначенная для выполнения в составе измери-
тельной системы конкретной измерительной задачи.
Средства измерений прямого действия — средства измерений, в
которых измеряемая величина подвергается ряду последовательных
преобразований в одном направлении, т. е. без возвращения к ис-
ходной измеряемой величине. В структурной схеме (рис. 5.2, о) П[ и
П2 — преобразователи с коэффициентами преобразования К\ и К2.
Средства измерений прямого действия состоят из ряда блоков, пре-
образующих измеряемую величину в мощный сигнал, под влиянием
которого перемещаются подвижные органы отсчетных устройств,
предварительно прямо или косвенно проградуированных с помо-
щью мер. Энергия или мощность, необходимая для измерения СИ
прямого действия, часто отбирается от объекта измерения, что при-
водит к искажению измеряемой величины. К средствам измерений
прямого действия относят большинство манометров, термометров,
амперметров, вольтметров и т. д. (рис. 5.3).
Метрологическая характеристика средства измерений — характе-
ристика одного из свойств средства измерений, влияющая на ре-
зультат измерений и на его погрешность. Метрологические характе-
ристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами,
б
Рис. 5.2. Структурные схе-
мы измерительного уст-
ройства:
а — прямого действия (пре-
образования); П[, П2 — пре-
образователи с коэффициен-
тами усиления К, и Ку, б — с
уравновешивающим преобра-
зованием (компенсацион-
ным); П — преобразователь
5.2. Основные термины и определения метрологии
305
Рис. 5.3. Примеры измерительных устройств прямого действия:
а — весы; б — милливольтметр; в — мембранный манометр
называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а оп-
ределяемые экспериментально — действительными метрологически-
ми характеристиками
Показание средства измерений — значение величины или число
на показывающем устройстве средства измерений.
Диапазон показаний средства измерений — область значений
шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значения-
ми шкалы.
Диапазон измерений средства измерений — область значений ве-
личины, в пределах которой нормированы допускаемые погрешно-
сти средства измерений. Значения величины, ограничивающие диа-
пазон измерений снизу и сверху, называют соответственно нижним
пределом измерений и верхним пределом измерений.
Номинальное значение меры — значение величины, приписанное
мере (или партии мер) при изготовлении. Например, резистор с
номинальным значением 1 Ом.
Действительное значение меры — значение величины, приписан-
ное мере на основании ее калибровки или поверки.
Статическая характеристика преобразования средства измерений
(функция преобразования) — зависимость информативного пара-
метра у выходного сигнала средства измерений от информативного
параметра х входного сигнала в статическом режиме:
* = /(*)•	(5 1)
Номинальная статическая характеристика (НСХ) преобразования —
номинально приписываемая данному средству измерения статичес-
кая характеристика при номинальных значениях неинформативных
параметров входного сигнала, которая может быть задана в форме
уравнения, графика или таблицы.
306	Глава 5. Измерение технологических параметров
Для средств измерений с линейной статической характеристи-
кой, используемых для измерения не изменяющихся во времени
величин, передаточная функция является величиной постоянной. В
средствах измерений с нелинейной статической характеристикой
зависимость между выходной и входной величинами описывается
алгебраическим или трансцендентным уравнением.
Для средств измерений в большинстве случаев предпочтительна
линейная статическая характеристика (рис. 5.4, а) или близкая к
линейной на заданном интервале изменения входной величины х,
что обеспечивает постоянство чувствительности средства измерений.
При нелинейной зависимости у от х чувствительность зависит от
значения входного сигнала. Если нелинейность статической харак-
теристики невелика или диапазон изменения х ограничен, то можно
нелинейную статическую характеристику линеаризовать (рис. 5.4, б),
например, так, как описано в разд. 3.1.4.
Градуировочная характеристика средства измерений — зависимость
между значениями величин на входе и выходе средства измерений,
полученная экспериментально
^ = Л'(Я	(5 2)
Градуировочная характеристика ротаметра выражает зависимость рас-
хода от показаний ротаметра (положения поплавка) и может быть пред-
ставлена в виде таблицы, графика или формулы.
Рис. 5.4. Статические характеристики измерительных преобразователей
(х — измеряемая величина; у — выходная величина):
о — линейный преобразователь; б — нелинейный преобразователь (1 —
реальная нелинейная характеристика; 2 — линейная характеристика,
аппроксимирующая нелинейную характеристику в ограниченном диапа-
зоне 3 изменения входного сигнала)
5.2. Основные термины и определения метрологии
307
Чувствительность средства измерений S — отношение измене-
ния сигнала на выходе средства измерений &у к вызвавшему его
изменению измеряемой величины &х:
5 = Д^/Дх.	(5.3)
Пример
► ТЭДС термоэлектрического преобразователя типа L (хро-
мель/копель) изменяется от 40,299 мВ при температуре рабочего
спая 500 °C до 49,108 мВ, при температуре 600 °C. Чувствитель-
ность термоэлектрического преобразователя в указанном диапазо-
не температур равна:
5 = ^ = 49,299 - 40,108^ ^ mB „c4 .
Д/ 600 - 500
Порог чувствительности средства измерений — наименьшее зна-
чение изменения физической величины, начиная с которого может
осуществляться ее измерение данным средством.
Разрешающая способность (разрешение) средства измерений —
характеристика средства измерений, выражаемая или наимень-
шим интервалом времени между событиями, или наименьшим рас-
стоянием между объектами, которые фиксируются прибором раз-
дельно.
Примечание
В соответствии с данным определением различают временное разреше-
ние и пространственное разрешение. Под разрешающей способностью циф-
ровых показывающих приборов понимается обычно значение младшего
цифрового разряда.
Порог чувствительности и разрешающая способность СИ обычно оп-
ределяются уровнем его внутренних шумов и нестабильностью его эле-
ментов.
Дрейф показаний средства измерении — изменение показаний сред-
ства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих
величин или других факторов.
Зона нечувствительности средства измерений — диапазон значе-
ний измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не
вызывают выходного сигнала средства измерений.
308
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.2.5.	Принципы, методы и методики измерений
Процесс измерения, способы проведения его и средства измере-
ний, при помощи которых происходит измерение, зависят от изме-
ряемой физической величины, существующих методов и условий
измерений. При выполнение измерений технологических парамет-
ров применяются различные'методы.
Принцип измерений — фйзическое явление или эффект, поло-
женное в основу измерений.
Примеры: использование эффекта Доплера для измерения скорости,
использование эффекта Джозефсона для измерения электрического напря-
жения, использование термоэлектрических явлений для измерения темпе-
ратуры.
Термоэлектрические явления — совокупность физических явлений,
обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процес-
сами в твердых проводниках. К термоэлектрическим явлениям относятся
эффекты Зеебека, Пельтье, Томсона.
Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения
измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с
реализованным принципом измерений.
Классификация методов измерения технологических парамет-
ров разнообразна, поэтому выделим лишь некоторые отличитель-
ные признаки методов.
При контактном методе измерений чувствительный элемент сред-
ства измерений приводится в контакт с объектом измерений.
Например, измерение температуры тела термометром расширения.
Для бесконтактного метода измерении характерно отсутствие
контакта чувствительного элемента средства измерений с объектом
измерений.
Например, измерение температуры в стекловаренной печи пирометром.
Метод непосредственной оценки — метод измерений, в котором
значение измеряемой величины определяют непосредственно по
показывающему средству измерений, отградуированному в едини-
цах измеряемой величины
Например измерение температуры термометром, отградуированным в
градусах Цельсия; измерение давления манометром, отградуированным в
паскалях.
5.2. Основные термины и определения метрологии
309
Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором из-
меряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой
мерой.
Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием
гирями (мерами массы с известным значением) или измерение ТЭДС тер-
мопары на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального эле-
мента.
Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором
результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры
на прибор сравнения доводят до нуля
Примеры: измерения электрического сопротивления мостом с пол-
ным его уравновешиванием, измерение массы на равноплечих и нерав-
ноплечих весах (сравнение на рычаге силовых эффектов действия масс),
измерение давления грузопоршневыми манометрами (сравнение на пор-
шне силовых эффектов измеряемого давления и мер массы), измерение
напряжения постоянного тока электрическим компенсатором (сравнение
на сопротивлении падений напряжения от измеряемой ЭДС и ЭДС нор-
мального элемента или другого образцового источника), измерение тем-
пературы радиационным пирометром (сравнение наблюдателем яркостей
свечения объекта измерения и нити накаливания пирометрической лам-
пы током образцового элемента).
Сравнение осуществляется с помощью компенсационных или
мостовых схем (цепей). Компенсационные цепи применяются для
сравнения активных величин, т. е. несущих в себе некоторый запас
энергии (сил, давлений и моментов сил, электрических напряжений
и токов, яркости источников излучения).
При сравнении (компенсации) воспроизводимая мера исполь-
зуется для компенсации измеряемой величины во всем диапазоне
изменений, а также для показания значения. Поэтому для осуще-
ствления этого метода необходима изменяющаяся мера высокого
качества.
Структурная схема средства измерений сравнения представлена
на рис. 5.2, б. Сравнение осуществляется в устройстве сравнения, в
котором обычно одна величина вычитается из другой. Используя
выходной сигнал устройства сравнения, с помощью преобразовате-
ля П можно управлять мерой. Поскольку в средствах измерений,
основанных на методе сравнения, измеряемая величина уравнове-
шивается (компенсируется) величиной, воспроизводимой мерой, их
также называют средствами измерений с уравновешивающим (ком-
пенсационным) преобразованием
310
Глава 5. Измерение технологических параметров
Для сравнения пассивных величин (электрических, гидравличес-
ких, пневматических и других сопротивлений) применяются мосто-
вые цепи типа электрических уравновешенных или неуравновешен-
ных мостов.
Примечание
Пассивные величины могут быть вначале преобразованы в активные
или наоборот и сравниваться соответственно в компенсационных или мос-
товых цепях.
Примеры средств измерений сравнения приведены на рис. 5.5.
Особенности сравнения лучше всего показать, разобрав схему по-
тенциометра (рис. 5.5, б). Измеряемое напряжение Ux компенсиру-
ется (уравнивается) падением напряжения, создаваемым на извест-
ном сопротивлении /?аЬ рабочим током / от стабилизированного
источника питания (ИПС). Нуль-гальванометр (НГ) включается в
цепь сравниваемых напряжений. Когда напряжения скомпенсиро-
ваны, ток в гальванометре, а следовательно, в цепи измеряемого
напряжения, отсутствует. На результаты измерений компенсацион-
ным методом не влияет ни сопротивление соединительных прово-
дов, ни гальванометра.
В соответствии с компенсационным методом измерений изме-
ряемая величина х компенсируется величиной, воспроизводимой
мерой. Разность этих величин поддерживается малой независимо от
размера измеряемой величины. Точность измерения определяется
точностью меры и порогом чувствительности средства сравнения
(нуль-прибора, НП). Статическая характеристика НП может быть
нелинейной: при большой разности между мерой и измеряемой ве-
личиной чувствительность НП мала, а в области нуля — чувстви-
Рис. 5.5. Примеры измерительных устройств, основанных на методе срав-
нения с мерой:
a — рычажные весы; б — потенциометр
5.2. Основные термины и определения метрологии
311
тельность очень высока, а порог чувствительности мал. Благодаря
этому, достигается высокая точность измерения. В уравновешенном
состоянии НП не нагружен, благодаря чему исключается обратное
воздействие на процесс.
Метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в ко-
тором измеряемую величину замещают мерой с известным значени-
ем величины.
Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы
и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).
Метод измерений дополнением — метод сравнения с мерой, в ко-
тором значение измеряемой величины дополняется мерой этой ве-
личины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздейство-
вала их сумма, равная заранее заданному значению.
Дифференциальный метод измерений — метод измерений, при ко-
тором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной,
имеющей известное значение, незначительно отличающееся от зна-
чения измеряемой величины, и при котором измеряется разность
между двумя этими величинами.
Методика выполнения измерений — установленная совокупность
операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечи-
вает получение результатов с гарантированной точностью в соответ-
ствии с принятым методом.
5.2.6.	Условия измерений
Нормальные условия измерений — условия измерения, характери-
зуемые совокупностью значений или областей значений влияющих
величин, при которых изменением результата измерений пренебре-
гают вследствие малости.
Примечание
Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных до-
кументах на средства измерений конкретного типа или по их поверке (ка-
либровке).
Нормальное значение влияющей величины — значение влияющей
величины, установленное в качестве номинального.
Примечание
При измерении многих величин нормируется нормальное значение
температуры 20 °C или 293 К. На нормальное значение, к которому приво-
дятся результаты многих измерений, выполненные в разных условиях, обыч-
но рассчитана основная погрешность средств измерений.
312
Глава 5. Измерение технологических параметров
Нормальная область значений влияющей величины — область зна-
чений влияющей величину, в пределах которой изменением резуль-
тата измерений под ее воздействием можно пренебречь в соответ-
ствии с установленными нормами точности.
Нормальная область значений температуры при поверке нормальных
элементов класса точности 0,005 в термостате не должна изменяться более
чем на ±0,05 °C от установленной температуры 20 "С, т. е. быть в диапазоне
от 19,95 °C до 20,05 °C. В качестве нормальных значений или нормальной
области значений влияющих величин принимают, например, температуру
окружающего воздуха (20 ± 5) °C или (20 ± 2) °C; барометрическое давле-
ние (760 ± 25) мм рт. ст. или (101,325 ± 3,3) кПа; напряжение питания 220 В
с частотой 50 Гц и т. д
Рабочая область значений влияющей величины — область значе-
ний влияющей величины, в пределах которой нормируют допол-
нительную погрешность или изменение показаний средства изме-
рений.
Рабочие условия измерений — условия измерений, при кото-
рых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих
областей.
Для амперметра нормируют изменение показаний, вызванное откло-
нением частоты переменного тока от 50 Гц (принимают за нормальное
значение частоты).
Предельные условия измерений — условия измерения, характери-
зуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющей вели-
чин, которые средство измерений может выдержать без разрушений
и ухудшения его метрологических характеристик
5.2.7.	Результаты измерений физических величин
Результат измерения физической величины — значение величины,
полученное путем ее измерения.
Точность результата измерений — одна из характеристик каче-
ства измерения, отражающая близость к нулю погрешности резуль-
тата измерения.
Примечание
Считают, чем меньше погрешность измерения тем больше его точность.
Сходимость результатов измерений — близость друг к другу ре-
зультатов измерений одной и той же величины, выполненных по-
5.2. Основные термины и определения метрологии
313
вгорно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в
одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Примечание
Сходимость измерений двух групп многократных измерений может
характеризоваться размахом, средней квадратической или средней ариф-
метической погрешностью
Воспроизводимость результатов измерений — близость результа-
тов измерений одной и той же величины, полученных в разных ме-
стах, разными методами, разными средствами, разными оператора-
ми, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям
измерений (температуре, давлению, влажности и др.).
Примечание
Воспроизводимость измерений может характеризоваться средними квад-
ратическими погрешностями сравниваемых рядов измерений.
5.2.8.	Погрешности измерений
Погрешность результата измерения — отклонение результата из-
мерения от истинного (действительного) значения измеряемой ве-
личины.
Абсолютная погрешность измерения — погрешность измерения,
выраженная в единицах измеряемой величины.
Замечание
Необходимо различать термины «абсолютная погрешность» и «абсо-
лютное значение погрешности». Абсолютное значение погрешности — зна-
чение погрешности без учета ее знака (модуль погрешности).
Абсолютная погрешность средства измерений — разность между
показаниями средства измерений А и истинным значением измеря-
емой физической величины АИ:
Ь = А-АИ	(5.4)
Если истинное значение измеряемой величины неизвестно, вме-
сто него используют действительное значение измеряемой величи-
ны Лд:
А = Л-ЯД.	(5 5)
Абсолютная погрешность СИ (5 4) и (5.5) выражается в едини-
цах измеряемой физической величины и имеет знак.
314
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.6. Статические характе-
ристики измерительного пре-
образователя: действительная
уд(х) и номинальная ун(х)
Абсолютная погрешность измеритель-
ного преобразователя может быть выра-
жена в единицах входной и выходной
величины и характеризует отличие дей-
ствительной характеристики преобразо-
вания уд(х) от номинальной ун(х).
Абсолютная погрешность измери-
тельного преобразователя в единицах
входной величины (по входу) определяет-
ся как разность между значением вход-
ной величины хн, найденным по действи-
тельному значению выходной величины
уд и номинальной статической характе-
ристике, и действительным значением
входной величины хЛ (рис. 5.6):
^ВХ	-\д •
(5.6)
Абсолютная погрешность измерительного преобразователя в еди-
ницах выходной величины (по выходу) представляет собой разность
между значением выходной величины ун, определяемой по действи-
тельному значению входной величины хд при помощи номинальной
характеристики, и действительным значением величины на выходе
преобразователя уП (см. рис. 5.6):
А вых	Ун	У а •
(5-7)
Относительная погрешность измерения выражается отношением
абсолютной погрешности к результату измерений или к действи-
тельному значению измеренной физической величины;
б = - • 100 % или 8 = —  100 %.
Л	Лд
(5.8)
Аналогично выражается относительная погрешность средств из-
мерений и измерительных преобразователей.
Приведенная погрешность средства измерений — относительная
погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ
к условно принятому значению величины, постоянному во всем
диапазоне измерений или в части диапазона:
8Прив = -7^-  100 %,
'’норм
(5.9)
5.2. Основные термины и определения метрологии
315
Примечание
Условно принятое значение величины называют нормирующим значе-
нием Лнорм. В качестве нормирующего значения принимается значение, ха-
рактерное для данного вида средств измерений. Для средства измерений,
нижний предел диапазона измерения которых Лтп выше нуля, нормирую-
щее значение часто принимается равным верхнему пределу измерения Лпих,
если же нижний предел диапазона измерения равен нулю или ниже нуля,
то нормирующее значение может приниматься равным диапазону измере-
ния (Лпих - ^min)- Правила выбора нормирующего значения устанавлива-
ются стандартами.
Приведенную погрешность (5.9) обычно выражают в процентах.
Класс точности средств измерений — обобщенная характеристи-
ка СИ, определяемая пределами допускаемых основной и дополни-
тельных погрешностей, а также другими свойствами СИ, влияющи-
ми на их точность
Правила обозначения классов точности устанавливаются стан-
дартами. Одним из распространенных вариантов является обозначе-
ние класса точности числом, совпадающим со значением допускае-
мой основной приведенной погрешности:
кт = Алах.100%>	(5 10)
'Чюр.м
где КТ — число, обозначающее класс точности; Дтах — допускаемая
основная абсолютная погрешность.
Замечание
Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится
погрешность СИ одного типа, но не является непосредственным показате-
лем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств.
Это очень важно при выборе СИ в зависимости от заданной точности из-
мерений. Класс точности СИ конкретного типа устанавливают в стандар-
тах или других нормативных документах.
Классификация погрешностей измерений может быть осуществ-
лена по разным признакам.
Причинами возникновения погрешностей являются несовершен-
ство методов измерения, средств измерения и органов чувств на-
блюдателя (оператора).
Инструментальная погрешность измерения — составляющая по-
грешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого
средства измерений.
Замечание
Появление погрешностей СИ объясняется рядом причин: отличием
параметров элементов и узлов от требуемых расчетных значений, старени-
316
Глава 5. Измерение технологических параметров
ем элементов и узлов, внутренними шумами, изменениями влияющих ве-
личин и неинформативных параметров входного сигнала (например, при
измерении амплитуды напряжения переменного электрического тока ин-
формативным параметром является амплитуда сигнала, неинформативным —
его частота) и др.
Шумы. Любой сигнал, не несущий полезной информации, называется
шумом и является источником ошибок. Шумы могут быть механическими,
электрическими, магнитными. Их уменьшают, защищая СИ от вибрации,
электростатических, магнитных полей. Внутренние шумы — шумы, возни-
кающие в самом СИ. Уровень внутренних шумов уменьшают, тщательно
конструируя СИ
Погрешность метода измерения — составляющая систематичес-
кой погрешности измерений, обусловленная несовершенством при-
нятого метода измерений
Замечание
Примеры погрешностей контактного метода измерения температуры
приведены в разд. 5.7.2.
Субъективная погрешность измерения — составляющая система-
тической погрешности измерений, обусловленная индивидуальны-
ми особенностями оператора.
По статистическим характеристикам погрешности подразделя-
ются на случайные, систематические и грубые.
Систематическая погрешность измерения — составляющая погреш-
ности результата измерения, остающаяся постоянной или законо-
мерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же
физической величины.
Случайная погрешность измерения — составляющая погрешности
результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку
и значению) при повторных измерениях одной и той же величины,
проведенных с одинаковой тщательностью.
Одной из составляющих случайной погрешности измерения яв-
ляется погрешность средства измерительной техники от гистерези-
са, приводящая к вариации.
Вариация выходного сигнала измерительного преобразователя, ва-
риация показаний измерительного прибора — модуль разности между
выходными сигналами у, и у, измерительного преобразователя или
показаниями измерительного прибора в одной и той же точке х;-
диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны
меньших и больших значений измеряемой величины:
* =	(5.U)
5.2. Основные термины и определения метрологии
317
Вариация возникает из-за люфта,
сухого трения, явлений гистерезиса, про-
являющихся в неоднозначности хода
статической характеристики измеритель-
ного прибора (или измерительного пре-
образователя) при увеличении и умень-
шении измеряемой (входной) величины
(рис. 5.7). Так же как и погрешность
средства измерения, вариацию часто вы-
ражают в процентах нормирующего зна-
чения Лчорм и определяют по формуле
Рис. 5.7. Неоднозначность ста-
тической характеристики сред-
ства измерения
^3=7^-100%.
'’норм
(5.11а)
Замечание
В высокочувствительных (особенно в электронных) измерительных
приборах вариация может выражаться в том, что показание измеритель-
ного прибора колеблется около какого-то среднего значения (показание
«дышит»).
Промах — погрешность результата отдельного измерения, входя-
щего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличает-
ся от остальных результатов этого ряда.
Примечание
Иногда вместо термина «промах» применяют термин «грубая погреш-
ность измерений».
В зависимости от характера изменения измеряемой величины
во времени погрешности подразделяются на статические и дина-
мические.
Статическая погрешность измерений — погрешность результата
измерений физической величины, принимаемой за неизменную на
протяжении времени измерения. При этом предполагается, что все
переходные процессы в СИ завершены.
Динамическая погрешность измерений — погрешность, возникаю-
щая при измерении изменяющейся физической величины.
В зависимости от условий измерения погрешности подразделя-
ются на основные и дополнительные.
Основная погрешность средства измерений — погрешность сред-
ства измерений, применяемого в нормальных условиях.
Дополнительная погрешность средства измерений — погрешность
средства измерений, возникающая дополнительно к основной по-
грешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих вели-
318	Глава 5. Измерение технологических параметров
чин от нормального ее значения или из-за ее выхода за пределы
нормальной области значений.
Замечание
На первый взгляд кажется (см. рис. 5.1, б), что если возмущающие
воздействия </(т), вызванные изменением влияющих величин, равны нулю,
то это гарантирует точное преобразование входной величины х(т) в выход-
ную величину у(т). Однако преобразование текущего значения измеряемой
величины первичным измерительным преобразователем в сигнал измери-
тельной информации не выполняется строго в соответствии с номиналь-
ной статической характеристикой. Например, преобразование реальной тер-
мопарой температуры рабочего спая (входной величины) в ТЭДС (выход-
ную величину) отличается от номинальной статической характеристики
преобразования, даже если температура свободных концов термопары рав-
на О °C. То есть даже при выполнении условия </(т) = 0 любой реальный
первичный измерительный преобразователь вносит некоторую погрешность.
На рис. 5.1, б она представлена в виде случайной функции времени и(т),
которая накладывается на полезный сигнал у(т) измерительной информа-
ции. Случайная функция времени и(т) — помеха, и она моделирует не только
случайную погрешность первичного измерительного преобразователя, но
и электрические наводки в соединительных проводах, вызванные магнит-
ными полями электросилового оборудования.
5.2.9.	Государственная система обеспечения
единства измерений
Единство измерений — состояние измерении, характеризующее-
ся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, раз-
меры которых в установленных пределах равны размерам единиц,
воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результа-
тов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за
установленные пределы.
Обеспечение единства измерений — деятельность метрологичес-
ких служб, направленная на достижение и поддержание единства
измерений в соответствии с законодательными актами, а также пра-
вилами и нормами, установленными государственными стандарта-
ми и другими нормативными документами по обеспечению един-
ства измерений.
Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) —
комплекс нормативных документов межрегиональных и межотрас-
левых уровней, устанавливающих правила, нормы, требования, на-
правленные на достижения единства измерений в стране (при тре-
буемой точности), утверждаемых Госстандартом страны.
Поверка СИ — установление органом государственной метроло-
гической службы пригодности СИ к применению на основании эк-
спериментально определяемых метрологических характеристик и
подтверждения их соответствия обязательным требованиям.
5.3. Динамические свойства средств измерительной техники
319
5.3.	ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СРЕДСТВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
5.3.1.	Динамические характеристики
Динамические характеристики определяют свойства средств из-
мерений при измерении изменяющейся во времени величины.
Динамическую характеристику, полностью описывающую при-
нятую математическую модель динамических свойств средства из-
мерений и позволяющую определить реакцию средства измерений
на любое изменение входного сигнала, называют полной динамичес-
кой характеристикой.
К полным динамическим характеристикам линейных средств
измерений относят:
•	дифференциальное уравнение;
•	передаточную функцию W\s);
•	частотную передаточную функцию WX/id);
•	переходную характеристику Л(т);
•	импульсную переходную характеристику w(t);
•	совокупность амплитудной А(ы) и фазовой <р(ю) частотных ха-
рактеристик;
•	амплитудную частотную характеристику Л(ю) (только для ми-
нимально-фазовых средств измерений).
Примечание
Минимально-фазовое средство измерений — средство измерений, ФЧХ
и АЧХ которого однозначно функционально взаимосвязаны (см. разд. 3.2.3).
Способы определения динамических характеристик линейных
систем описаны в гл. 4.
К частным динамическим характеристикам аналоговых средств
измерений, рассматриваемых как линейные, относят любые функ-
ционалы или параметры полных динамических характеристик.
Примечание
Понятие «функционал» возникло в вариационном исчислении и озна-
чает переменную величину, зависящую от одной или нескольких функций
(откуда и название).
Примерами частных динамических характеристик являются:
•	время переходного процесса (время реакции) тпп;
•	коэффициент демпфирования С;
•	постоянная времени Т',
•	значение резонансной частоты юр;
320
Глава 5. Измерение технологических параметров
•	значение АЧХ на резонансной частоте Л(шр);
•	полоса пропускания (см. разд. 3.2.3);
•	максимальная частота измерений (для АПП и ПИП).
Примечание
Время переходного процесса тпп (называемое также временем реакции сред-
ства измерений) — время, прошедшее с момента скачкообразного изменения
входного сигнала до момента, начиная с которого выходной сигнал отличает-
ся от установившегося значения не более чем на заданную величину.
Большинство средств измерении (включая измерительные преоб-
разователи) приближенно соответствуют по своим динамическим свой-
ствам статическим звеньями нулевого, первого и второго порядка или
системе из последовательно соединенных звена запаздывания и ста-
тического звена. Например, потенциометрические преобразователи
со стеклянным измерительным электродом, термопары, термоэлект-
рические преобразователи сопротивления обладают заметной инер-
ционностью, и их динамические свойства определяются динамичес-
ким уравнением статического (инерционного) звена первого поряд-
ка. Динамические свойства поплавкового уровнемера, плотномера
определяются колебательным звеном второго порядка.
Динамические характеристики типовых динамических звеньев
подробно обсуждались в разд. 3.3. Отметим еще раз лишь некоторые
особенности поведения средств измерений в динамическом режиме.
Преобразователи с линейной характеристикой первого порядка
могут быть охарактеризованы одной величиной — постоянной вре-
мени Т, а преобразователи с линейной характеристикой второго
порядка — двумя величинами: коэффициентом демпфирования £ и
постоянной времени Т (или собственной угловой частотой ш0 = 1/7Э-
Какой из этих типов преобразователей использовать, зависит в боль-
шей степени от характера измеряемой величины.
В качестве примера полных динамических характеристик средств
измерений можно привести переходные характеристики измеритель-
ных преобразователей первого (рис. 5.8) и второго порядка (рис. 5.9).
Рис. 5.8. Переходная харак-
теристика (2) линейного пре-
образователя первого поряд-
ка на входное единичное сту-
пенчатое воздействие (/)
5.3. Динамические свойства средств измерительной техники
321
Рис. 5.9. Влияние демпфи-
рования (/ — слабое; 2 —
критическое; 3 — сильное)
на переходную характерис-
тику линейного преобразо-
вателя второго порядка
Замечание
Измерительные преобразователи должны иметь реакцию (и не очень
быструю, и не очень медленную), обеспечивающую наибольшую точность
измерений в условиях конкретного применения
Переходная характеристика на рис. 5.8 является экспонентой,
что означает: теоретически выходной сигнал преобразователя ни-
когда не достигнет своего конечного значения. Но по прошествии
времени, равного 4Г, текущее значение сигнала отличается от ко-
нечного менее чем на два процента. Поэтому практически можно
считать, после 4 Г выходной сигнал измерительного преобразовате-
ля достиг конечного значения, т. е. время переходного процесса (вре-
мя реакции) тпп = 4Т.
Промежуток времени, прошедший между моментами достиже-
ния выходным сигналом преобразователя, соответственно 10 % и 90 %
его конечного значения, называют временем нарастания.
На рис. 5.9 показано влияние демпфирования на переходную
характеристику линейного измерительного преобразователя второго
порядка. Можно выделить три типа демпфирования: слабое 1, кри-
тическое 2 и сильное 3. Для слабо демпфированных средств измере-
ний характерна колебательная переходная характеристика. При кри-
тическом демпфировании конечное значение выходного сигнала
достигается гораздо быстрее, чем при сильном демпфировании. Ес-
тественно, что переходная характеристика с критическим демпфи-
рованием 2 представляется идеальной переходной характеристикой
линейного измерительного преобразователя второго порядка. Вре-
мя реакции в этом случае наименьшее.
5.3.2.	Динамические погрешности
При измерении в динамических условиях возникают динами-
ческие погрешности, обусловленные инерционностью первичных из-
мерительных преобразователей
11 Беспалов А. В . Харитонов Н. И
322
Глава 5. Измерение технологических параметров
Результаты измерения (или преобразования) величины, меняю-
щейся во времени, могут оказаться искаженными, помимо стати-
ческих погрешностей и погрешностей метода, погрешностью еще
одного вида, возникающей только в динамическом режиме, — дина-
мической погрешностью. Под динамической погрешностью понима-
ют разность между погрешностью СИ в динамическом режиме и его
статической погрешностью, соответствующей значению величины в
данный момент времени.
Наиболее значительные динамические погрешности измерения —
динамические погрешности восприятия измеряемого параметра пер-
вичным измерительным преобразователем. Они определяются не
только конструкцией измерительного преобразователя, но также и
особенностями его установки, подключения и условиями измере-
ния. Например, при измерении температуры на величину динами-
ческой погрешности влияют условия теплообмена между первич-
ным измерительным преобразователем и измеряемой средой, кото-
рые, в свою очередь, зависят от рода измеряемой среды (газ, жидкость,
пар), ее параметров (температуры, давления, скорости движения),
расположения первичного измерительного преобразователя по от-
ношению к потоку и т. д.
Рассмотрим несколько вариантов измерения температуры в ре-
акторе, полагая, что в некоторый момент времени произошло ее
ступенчатое изменение.
Первый случай. На рис. 5.10, а показаны измерение темпе-
ратуры среды в реакторе стеклянным термометром расширения и
динамическая погрешность («недоход») термометра к моменту вре-
мени тР По своим динамическим свойствам рассматриваемое СИ
является статическим звеном первого порядка. Его динамическая
погрешность обусловлена инерционностью, характеризуемой посто-
янной времени. Для того чтобы изменилось показание термометра
при изменении измеряемой температуры, термометр должен при-
нять от измеряемой среды некоторое количество теплоты, а на это
требуется время.
Второй случай. По технологическим соображениям измере-
ние температуры выполняется не в самом реакторе, а в технологичес-
ком трубопроводе (рис. 5.10, б), по которому выводится продукт из
реактора. При таком варианте измерения температуры в измеритель-
ной системе возникает транспортное запаздывание, и рассматри-
ваемое СИ по своим динамическим свойствам представляет собой
последовательное соединение звена запаздывания (характеризуемо-
го временем запаздывания r^) и статического звена первого поряд-
ка Транспортное запаздывание связано с прохождением контроли-
руемой средой пути от точки отбора до приемника измерительного
прибора (рис. 5.10, б). Транспортное запаздывание пропорциональ-
5.3. Динамические свойства средств измерительной техники
323
II
Рис. 5.10. Переходные характеристики средства измерения (измеритель-
ного прибора):
а — средство измерения представлено статическим звеном первого по-
рядка; б — в средстве измерения присутствует транспортное запаздыва-
ние; в — средство измерения представлено апериодическим статичес-
ким звеном второго порядка; / — гильза; 2 — резервуар с термометри-
ческой жидкостью
324
Глава 5. Измерение технологических параметров
но длине пути «ав» и обратно пропорционально скорости потока в
трубопроводе. При отсутствии перемешивания в трубопроводе пе-
реходная характеристика рассматриваемого СИ будет иметь вид, по-
казанный на рис. 5.10, б. Динамическая погрешность, обусловлен-
ная транспортным запаздыванием, к моменту времени т( будет мак-
симальной. При т > т.^ динамическая погрешность обусловлена
инерционностью, характеризуемой постоянной времени. Итак, динами-
ческую погрешность в этом примере можно охарактеризовать с по-
мощью двух показателей: времени транспортного запаздывания т^,, и
постоянной времени Т.
Третий случай. Измерение температуры среды в реакторе
предусматривает защиту термометра, для чего термометр помещают в
толстостенную гильзу. Это означает, что СИ, воспринимающее теп-
лоту измеряемой среды, состоит из двух тепловых емкостей (гильзы 1
и резервуара с термометрической жидкостью 2) и сопротивления для
перехода теплоты из одной емкости в другую (воздух, отделяющий
резервуар с термометрической жидкостью от гильзы) (рис. 5.10, в)
На динамическую погрешность СИ влияют как величины этих ем-
костей, так и сопротивление передачи теплоты в гильзе и переход
теплоты от гильзы к ртути. При таком варианте измерения темпера-
туры рассматриваемое СИ по своим динамическим свойствам пред-
ставляет собой апериодическое звено второго порядка с коэффици-
ентом демпфирования £> 1. Переходная характеристика такого СИ
имеет вид S-образной кривой. Динамическая погрешность в момент
времени ть обусловленная инерционностью, показана на рис. 5.10, в.
Переходную характеристику (рис. 5.10, в) можно заменить ха-
рактеристикой более простой формы, как это выполнялось при рас-
смотрении свойств объектов (см. рис. 4.32, а). Для этого к S-образ-
ной кривой разгона в точке перегиба i проводят касательную. Это
позволяет количественно охарактеризовать динамическую погреш-
ность СИ с динамическими свойствами апериодического звена вто-
рого порядка двумя вышеназванными показателями: временем за-
паздывания и постоянной времени Т.
Из сравнения рис. 5.10, а, б и в можно заключить, что наиболь-
шая динамическая погрешность при измерении температуры в ре-
акторе характерна для СИ, в котором присутствует транспортное
запаздывание (рис. 5.10, б).
5.4.	ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Измерительное преобразование играет крайне важную роль в
процессах измерения и может осуществляться многочисленными
способами. Хотя входные сигналы измерительных преобразователей
5.4. Измерительные преобразователи
325
весьма разнообразны, число физических величин, применимых в
качестве выходных сигналов, ограничено.
Преобразование основано на физических и физико-химических
явлениях, определяющих зависимость между входными и выходны-
ми сигналами измерительных преобразователей. В настоящее время
применяется большое число измерительных преобразователей раз-
личных принципов действия: емкостный, пьезоэлектрический, тен-
зорезистивный, потенциометрический, термисторный, эффекты
Холла. Кориолиса и др.
Замечание
Наиболее широко используется около тридцати традиционных физи-
ческих явлений и эффектов, на основе которых сконструированы датчики.
В результате разработки новых методов усиления сигналов расширяется
выбор физических эффектов. Расширение номенклатуры материалов от-
крывает новые возможности преобразования физических величин. Извест-
но более 400 физических явлений, которые можно положить в основу со-
здания новых средств измерений. Быстрое развитие полупроводниковой
электроники часто изменяет подход к построению измерительных преоб-
разователей.
Измерительные преобразователи разделяются также по виду
энергии (механическая 1, электрическая 2, магнитная 3, тепловая 4,
энергия излучения 5, химическая 6). На рис. 5.11 представлены
возможные комбинации входного (или измеряемого) сигнала, вы-
ходного сигнала и сигнала возбуждения для различных типов пре-
образователей.
Классификация преобразователей может быть выполнена также
и по их практическому применению (рис. 5.12). Измерительные пре-
образователи, используемые в каждой конкретной области, напри-
мер для измерения давления, температуры, расхода и т. д., рассмат-
риваются в соответствующих разделах этой главы.
Измерительные преобразователи — основные элементы, опре-
деляющие качество и стоимость информационно-измерительных и,
1
2
3
4
5
6
Вход	Выход
Возбуждение
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6
Рис. 5.11. Схема к классификации измерительных преобразователей по
виду преобразованной энергии
326
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.12. Классификация первичных измерительных преобразователей
(датчиков) по виду измеряемой величины
следовательно, управляющих систем. Можно привести следующие
ориентировочные данные:
измерительные преобразователи (датчики) — 40 % общей стоимости;
устройства обработки данных	— 20 % общей стоимости;
устройства регистрации, отображения — 40 % общей стоимости.
Современный этап развития этой области техники характеризу-
ется разработкой многофункциональных интеллектуальных датчи-
ков, обеспечивающих высокую точность, надежность, длительный
срок службы.
Под интеллектуальным датчиком следует понимать датчик со
встроенным микроконтроллером (своего рода — «интеллектом»).
Интеллектуальный датчик имеет связь с системой управления, по-
сылает ей не только измерительную информацию, но и результаты
самодиагностики, информацию о сбоях, меняет свое метрологичес-
кое состояние по указанию «центра» и выполняет другие внешние и
внутренние функции.
Интеллектуальный датчик содержит следующие основные ком-
поненты: прецизионный усилитель с регулируемым коэффициен-
том усиления, высокоточный АЦП и микроконтроллер. Естествен-
но, что для подключения интеллектуального датчика к сети сбора
информации, в датчике должно быть предусмотрено средство, под-
держивающее протокол обмена данными согласно какому-либо се-
тевому стандарту. Для обеспечения малого энергопотребления, низ-
кой стоимости, высокой надежности интеллектуального датчика все
его компоненты должны быть интегрированы на одном кристалле.
5.4. Измерительные преобразователи
327
5.4.1.	Структура измерительного преобразователя
Структурная схема измерительного преобразователя, включаю-
щая в себя элементы, общие для всех типов преобразователей, пред-
ставлена на рис. 5.13, а. Элементы рисунка, обозначенные пунктир-
ными линиями (входное сопротивление Явх, необходимое для опре-
деления мощности внешнего источника питания в пассивных
измерительных преобразователях), в активных (или автогенерирую-
щих) измерительных преобразователях отсутствуют.
В таком представлении измерительный преобразователь можно
рассматривать как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и
преобразующего элемента (ПЭ).
Чувствительный элемент воспринимает измеряемую величину и
преобразует ее в другую физическую величину. Далее промежуточ-
ный измерительный преобразователь (преобразующий элемент) пре-
образует физическую величину в электрический сигнал, который
отражает значение измеряемой величины.
Замечание
Не всегда можно разделить чувствительный и преобразующий элемен-
ты измерительного преобразователя, как это сделано на рис. 5.13, а. Неко-
торые элементы преобразователей могут выполнять одновременно несколько
функций. Например, в интегральных датчиках, построенных на базе техно-
логий микроэлектроники и микромеханики, чувствительный элемент ин-
тегрирован с промежуточными устройствами преобразования и нормали-
зации сигналов, обеспечивая тем самым малые габаритные размеры и вы-
сокую надежность.
а
б
Рис. 5.13. Схема первичного измерительного преобразователя (а):
ЧЭ — чувствительный элемент, ПЭ — преобразующий элемент, —
входное сопротивление, Явых — выходное сопротивление, — сопро-
тивление источника питания, Ян — сопротивление нагрузки;
упрошенная схема измерительной системы (б):
1 — первичный измерительный преобразователь; 2— согласующее уст-
ройство; 3 — выходное устройство (индикатор)
328
Глава 5. Измерение технологических параметров
Другими возможными элементами измерительного преобразо-
вателя являются устройства формирования выходного сигнала и
питания (см. рис. 5.13, а). Преобразователь подключается к источни-
ку питания (может быть внутренним или отсутствовать) и нагрузке.
За исключением активных преобразователей, питание (или источник
напряжения, или источник тока) требуется преобразователю, чтобы
обеспечить его точную работу. Сопротивление преобразователя /?вх
по отношению к источнику питания с сопротивлением Лп выступает
в качестве входного сопротивления. Сопротивление проводов, со-
единяющих источник питания с преобразователем, всегда рассмат-
ривается как часть сопротивления источника питания Выходное
сопротивление преобразователя ЛВЬ1Х — это сопротивление на вы-
ходных клеммах преобразователя. Общее сопротивление цепи, под-
ключаемой к выходным клеммам преобразователя, является сопро-
тивлением нагрузки преобразователя RH. Сопротивление проводов,
соединяющих преобразователь с нагрузкой, рассматривается как часть
сопротивления нагрузки. Согласование преобразователя с измери-
тельной системой осуществляется с учетом рассмотренных сопро-
тивлений.
На рис. 5.13, б приведена упрощенная схема измерительной си-
стемы с использованием первичного преобразователя 1. Согласую-
щее устройство 2 изменяет сигнал преобразователя, например, уси-
ливает или формирует его в соответствии с требованиями выходно-
го устройства 3 (индикатора или устройства памяти).
5.4.2.	Надежность измерительных преобразователей
Точность измерений физической величины, выполняемых из-
мерительной системой, определяет, в первую очередь, качество уп-
равления. Как правило, измерительные преобразователи использу-
ются в химической технологии в условиях, далеких от идеальных.
При выборе измерительных преобразователей необходимо учиты-
вать их надежность и условия эксплуатации (изменение температу-
ры окружающей среды, ускорения, удары, вибрация, коррозия из-
меряемой среды и т. д.). Под надежностью понимают способность
измерительного преобразователя правильно работать в условиях эк-
сплуатации в течение определенного времени.
Внешние условия влияют как на измерительные преобразовате-
ли, так и на линии связи между измерительными преобразователя-
ми в ИИС
Измерительные преобразователи должны точно выполнять свои
функции не только в момент ввода их в эксплуатацию, но и в тече-
ние всего срока службы ИИС. Долговечность работы преобразова-
телей определяют временем до отказа.
5.4. Измерительные преобразователи
329
Рис. 5.14. Изменение частоты от-
казов компонентов измерительных
преобразователей во времени:
/ — период ранних отказов; II — пе-
риод полезной работы; III — период
износа
Причины отказов компонентов измерительных преобразовате-
лей могут быть самыми разнообразными: неспособность работать в
определенных условиях; внутренние недостатки измерительных пре-
образователей, приводящие к отказам в установленных условиях
жсплуатации.
Со временем все компоненты измерительного преобразователя
(как и любого другого средства измерений) отказывают, но точно
определить, когда и какой компонент измерительного преобразова-
теля откажет, невозможно. Поэтому разработчики и изготовители
пытаются установить вероятность отказов, вводя вероятностные по-
казатели надежности измерительных преобразователей.
Долговечность компонентов измерительного преобразователя
представляют иногда в виде «ваннообразной» кривой (рис. 5.14).
Можно выделить три периода изменения частоты отказов во време-
ни. Первый период — период выжигания, или приработки, характе-
ризуемый тем, что отказы в течение этого периода являются систе-
матическими отказами (конструктивными ошибками, «пороками»
материалов). Для их исключения на практике при изготовлении уже-
сточают контроль качества. Второй период — период полезной рабо-
ты, в течение которого частота отказов минимальна и постоянна:
отказы вследствие приработки устранены, явления износа еще от-
сутствуют, возникают только случайные отказы. Третий период ха-
рактерен для систематических отказов вследствие износа. Это озна-
чает, что нагрузка элементов в течение эксплуатации вызвала такой
износ, что интенсивность отказов вновь возросла. Период износа
является заключительным. В этот период заканчивается полезная
работа компонентов и частота отказов возрастает.
5.4.3.	Промежуточные преобразователи
Промежуточным измерительным преобразователем (или сокращен-
но промежуточным преобразователем) называют элемент, занимаю-
щий в измерительной цепи место после первичного измерительного
преобразователя. Основное назначение промежуточного преобразо-
вателя — преобразование выходного сигнала первичного измери-
330
Глава 5. Измерение технологических параметров
тельного преобразователя в форму, удобную для последующего пре-
образования в сигнал измерительной информации для дистанцион-
ной передачи. Наряду с преобразованием измерительной информа-
ции часто возникает необходимость усиления сигнала, например,
его мощности, преобразования выходного сопротивления и пр.
Примером промежуточного измерительного преобразователя мо-
жет служить мембранный блок дифманометра-расходомера. В изме-
рительной цепи измерения расхода он занимает место непосред-
ственно после сужающего устройства и преобразует перепад давле-
ния, образующийся на сужающем устройстве, в соответствующее
перемещение мембраны мембранного блока и связанной с ним си-
стемы (например, механической) измерительного прибора.
На рис. 5.15 приведена классификация промежуточных преоб-
разователей.
При измерении неэлектрических технологических параметров,
таких как расход, давление, перепад давления, уровень, многие пер-
вичные измерительные преобразователи преобразуют измеряемую
Рис. 5.15. Классификация промежуточных преобразователей (преобразу-
ющих устройств)
5.4 Измерительные преобразователи
331
величину в смещение Последующее преобразование смещения в
электрический параметр осуществляется с помощью промежуточ-
ных преобразователей смещения: тензометрических, емкостных,
пьезоэлектрических, индуктивных.
5.4.3.1.	Тензометрические преобразователи
Воздействуя на соответственно выполненный упругий элемент,
возможно измерить такие физические величины, как силу, давле-
ние, перемещение и т. д., и, таким образом, при построении преоб-
разователей различных величин использовать все преимущества,
присущие методу тензометрии, основанному на измерении дефор-
маций. Среди тензометров самое широкое применение нашли тен-
зорезисторы (тензодатчики).
Изменения формы какого-либо элемента, обусловленные воз-
действием внешних или внутренних сил, сопровождаются деформа-
цией его поверхности. Закрепленный на этой поверхности тензоре-
зистор воспринимает деформации объекта измерения и изменяет
при этом свое электрическое сопротивление. Изменение сопротив-
ления является мерой возникшей деформации и она может быть
измерена средством измерений, подключенным к тензорезистору.
Тензорезистор является пассивным преобразователем, поэтому на него
необходимо подавать питание от электрического источника напря-
жения (постоянного или переменного).
Чувствительный элемент тензорезистора представляет собой ре-
шетку, выполненную из тонкого электрического проводника. В обыч-
ном исполнении решетка заделана в тонкопленочную полимерную
основу, электрически изолирующую ее от объекта измерения, пре-
дающую ей деформацию и защищающую от повреждений.
Тензорезисторы имеют малые размеры, малую массу (около
10...500 мг) и малую жесткость. Поэтому динамическая и статичес-
кая характеристики даже небольших объектов измерения практи-
чески стабильны, что является особым преимуществом тензорезис-
тора по сравнению с другими тензометрами.
Различают металлические и полупроводниковые тензорезисторы.
Тензорезисторы с металлической решеткой. Если такой тензорезис-
тор подвергнуть растяжению (или сжатию) вдоль решетки, то его элек-
трическое сопротивление изменяется в соответствии с зависимостью
ДЛ/Ло = kM/L0 = кг,	(5 12)
где ДА = L — Lq — разница между длиной элемента L после приложе-
ния к нему силы, действующей в продольном направлении, и между
его начальной длиной Ьо. Положительное или отрицательное значение
относительной деформации е соответствует растяжению или сжатию.
332
Глава 5. Измерение технологических параметров
Относительное изменение сопротивления терморезистора про-
порционально относительной деформации, причем коэффициент
пропорциональности к характеризует чувствительность тензорезис-
тора, определяемую экспериментально изготовителем.
Из (5.12) следует:
Д£/£о ‘
(5.13)
Примечание
Коэффициент тензочувствительности к связан с выражением Пуас-
сона:
к = 1 + 2 ц,
где ц — модуль упругости Юнга.
Для большинства металлов значение ц лежит в диапазоне
0,25...0,35, при этом к изменяется в пределах от 1,5 до 1,7. Сплавы,
используемые для приготовления тензорезисторов, имеют к в пре-
делах от 2 до 5.
Решетки тензорезисторов изготовляют либо методом фототрав-
ления из тонкой фольги (толщиной 3...5 мкм), либо из проволоки и,
соответственно, выделяют металлические тензорезисторы — прово-
лочные и фольговые.
Проволочные тензорезисторы могут быть наклеиваемыми и не-
наклеиваемыми. Ненаклеиваемый проволочный тензорезистор состо-
ит из четырех проволочных секций, намотанных на рамки, ориен-
тируемых так, что давление, нормальное к их плоскости, вызывает
их деформацию, увеличивая напряжение в двух секциях, а в двух
других, наоборот, уменьшает (проволочные секции соединены, об-
разуя плечи моста). Ненаклеиваемые проволочные тензорезисторы менее
чувствительны и имеют большие габариты, чем наклеиваемые.
Наклеиваемые тензорезисторы изготовляют из проволоки диа-
метром 0,0025 см (или менее) и располагают на держателе (рамке)
зигзагообразно (рис 5.16). Такие тензорезисторы реагируют в ос-
новном на деформацию в одном направлении, а именно вдоль их
длины, однако концы петель чувствительны и к поперечной дефор-
мации. Деформацию в нескольких направлениях измеряют тензоре-
зистором в виде многослойной розетки (рис. 5.17). Наклеиваемые
тензорезисторы имеют небольшую площадь поверхности и сопро-
тивления, равные 120 Ом, 350 Ом и 600 Ом, что обеспечивает их
согласование со стандартными мостами, источниками питания и
измерительными системами.
Фольговые тензорезисторы. Тензорезисторы из металлической
фольги наклеиваются на держатель (рамку), или тензорезистор фор-
5.4. Измерительные преобразователи
333
Рис. 5.16. Проволочный тензодатчик
(вид сверху):
/ — проволока; 2 — рамка
Рис. 5.17. Многокомпонентный на-
клеиваемый проволочный тензодат-
чик, изготовленный в виде розетки
(угол 90”)
мируется нанесением слоя металла и фототравлением непосредствен-
но на держатель. Концы петель имеют увеличенное поперечное се-
чение, чтобы уменьшить их сопротивление и снизить нежелатель-
ный эффект поперечной деформации. Пример такого тензорезисто-
ра изображен на рис. 5.18. Фольговый тензорезистор обладает
линейной статической характеристикой, малым гистерезисом, хо-
рошо противостоит ударам, вибрациям, но имеет меньшую чувстви-
тельность, чем полупроводниковые тензорезисторы. Для уменьше-
ния влияния температуры на измерения обычно используют два оди-
наковых тензорезистора в соседних плечах измерительного моста,
причем оба тензорезистора находятся при одной температуре, но
только один из них подвергается растяжению или сжатию.
Полупроводниковые тензорезисторы расширяют возможности при-
менения металлических тензорезисторов: они приблизительно в 50 раз
более чувствительны. Принцип действия полупроводниковых тен-
зорезисторов основан на деформации кристаллической решетки (пье-
зоэлектрический эффект), при этом наблюдается значительно боль-
шее изменение сопротивления, чем в металлических преобразовате-
лях. Значение коэффициента тензочувствительности находится в
пределах 50...200.
Рис. 5.18. Тензодатчик однокомпо-
нентный, изготовленный из фольги
Рис. 5.19. Наклеиваемый кремниевый
тензодатчик:
1 — монокристалл кремния; 2 — контакт
334
Глава 5. Измерение технологических параметров
Устройство. Полупроводниковые тензодатчики изготавливаются
из кремниевых кристаллов, нарезанных в виде волокон. Применя-
ются и наклеиваемая, и диффузионная конструкции. Наклеивае-
мый полупроводниковый датчик по конструкции подобен наклеи-
ваемому металлическому тензорезистору. Диффузионный полупро-
водниковый тензорезистор изготовляется методом диффузионного
легирования. Диффузионный полупроводниковый тензорезистор име-
ет более высокую линейность и меньший гистерезис, чем наклеива-
емый кремниевый тензорезистор (рис. 5.19), но более низкий вы-
ходной сигнал.
5.4.3.2.	Емкостные преобразователи
Известно, что емкость конденсатора, образованного параллель-
ными пластинами, равна
еоел (п - 1)Л
h
(5 14)
где и — число пластин; А — площадь одной стороны пластины; h —
толщина диэлектрика; ег — относительная диэлектрическая про-
ницаемость; е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, равная
8,85- IO"11 Ф/м.
Рис 5.20. Емкостные преобразователи:
о — параллельные пластины с переменным расстоянием; б — парал-
лельные пластины с изменяемым перекрытием; в — параллельные пла-
стины с перемещаемым диэлектриком; г — концентрические трубки;
д — емкостный микрофон: 1 — положение недеформированной диа-
фрагмы; 2 — диафрагма деформированная; 3 — неподвижная пластина;
4 — диэлектрик; 5 — ограничивающая полость
5.4. Измерительные преобразователи
335
а — от расстояния между пластинами; б — от эффективной площади
перекрытия пластин; в — от диэлектрической постоянной
Действие емкостных преобразователей основано на зависимости
емкости конденсатора от расстояния между пластинами, или от эф-
фективной площади пластин, или от диэлектрической проницаемо-
сти, которые могут изменяться под действием измеряемой величи-
ны (рис. 5.20). На рис. 5.20, а входной величиной является расстоя-
ние между пластинами. Максимальная чувствительность емкостного
преобразователя соответствует минимальному расстоянию между
пластинами, поэтому предпочтительны большие пластины с малым
расстоянием между ними (рис. 5.21, а).
На рис. 5.20, б представлен преобразователь, в котором эффек-
тивная площадь пластин изменяется путем изменения их частично-
го перекрытия, а рис. 5.21, б показывает, что в этом случае емкость
зависит линейно от изменения эффективной площади пластин, т. е.
линейно зависит от перемещения пластин относительно друг друга.
Линейную зависимость емкости можно получить (рис. 5.21, в), ме-
няя диэлектрическую проницаемость перемещением диэлектрика
между пластинами (рис. 5.20, в). Емкость концентрических тру-
бок, изображенных на рис. 5.20, г, линейно зависит от перекрытия
(рис. 5.21, б). При измерениях переменного давления газа можно
использовать простой емкостный микрофон (рис. 5.20, д).
Емкостные преобразователи имеют отличную частотную характе-
ристику, т. е. их полоса пропускания очень широка. Они могут при-
меняться как для статических, так и для динамических измерений.
Замечание
Емкостные преобразователи чувствительны к температурным колеба-
ниям и могут выдать неправильный сигнал, когда соединительные провода
длинны и обладают заметной емкостью.
5.4.3.3.	Пьезоэлектрические преобразователи
Пьезоэффект (открыт в 1880 г. братьями Ж. и П. Кюри) связы-
вает механическую деформацию в кристалле с возникающим в нем
электрическим сигналом. Электрическое напряжение, приложенное
336
Глава 5. Измерение технологических параметров
к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механические де-
формации (обратный пьезоэффект) и, наоборот, механическое воз-
действие на кристалл порождает в нем электрическое напряжение
(прямой пьезоэффект). Пьезоэлектрические датчики, действие ко-
торых основано на прямом пьезоэффекте, преобразуют, например,
давление в пропорциональный электрический сигнал.
Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических
материалах, например кварце, так и в поликристаллических матери-
алах, например керамике. Монокристаллический кварц имеет более
высокую температурную стабильность, химическую стойкость и
прочность, чем пьезоэлектрическая керамика (пьезокерамика).
В отличие от естественных кристаллов, таких как кварц (или турма-
лин), пьезокерамика не обладает пьезоэлектрическими свойствами
сразу после их изготовления из-за хаотической ориентации элект-
рических диполей. Подвергая пьезокерамику воздействию электри-
ческого поля напряженностью 10...30 кВ/см при температуре ниже
температуры Кюри, можно ориентировать материал так, что он бу-
дет действовать, как монокристалл. Преимущество пьезокерамики:
из нее можно изготовить образцы сложной конфигурации, она хи-
мически стойка и может изготовляться по стандартным технологи-
ям для керамических материалов.
Примечание
Точка Кюри (температура Кюри) — температура фазового перехода,
характеризующегося непрерывным изменением состояния вещества с при-
ближением к точке фазового перехода и приобретением качественно ново-
го свойства в этой точке. Названа по имени П. Кюри, детально изучившего
этот переход у ферромагнетиков. Пьезокерамика по физическим свойствам
представляет собой поликристаллический сегнетоэлектрик. По химическо-
му составу — это сложный оксид, включающий ионы двухвалентного свинца
или бария, а также ионы четырехвалентного титана или циркония. Наибо-
лее распространена группа пьезокерамических материалов типа титаната-
цирконата свинца ЦТС (PZT), на основе титаната бария ТВ-1, титаната
бария кальция ТБК-3, титаната свинца и т. д.
Одним из основных типов пьезокерамических датчиков явля-
ется осевой (механическая сила действует вдоль оси поляризации).
В осевых датчиках пьезоэлемент может представлять собой диск,
кольцо, цилиндр или пластину.
5.4,3.4.	Индуктивные преобразователи
Действие индуктивных преобразователей основано на измене-
нии собственной или взаимной индуктивности катушек. Индуктив-
ный преобразователь, широко используемый, в особенности, для
измерения смещений (и тем самым давления или других техноло-
5.4. Измерительные преобразователи
337
Рис. 5.22. Индуктивный преобразователь:
а — электрическая схема; б — конструкция передающего дифференци-
ально-трансформаторного преобразователя (1 — односекционная пер-
вичная обмотка; 2 — секции вторичной (выходной) обмотки; 3 — под-
вижный сердечник; 4 — катушка преобразователя); в — статическая ха-
рактеристика (зависимость напряжения Uот положения сердечника Л);
&h<ral, — рабочий диапазон перемещения сердечника
гических параметров), — линейный дифференциальный трансфор-
матор (ЛДТ) — рис. 5.22.
В основе работы ЛДТ лежит принцип изменения взаимной ин-
дукции между магнитосвязанными катушками, причем именно это
изменение, а не изменение собственной индуктивности подлежит
измерению.
Конструкция (рис. 5.22, а, б). На катушке 4 из немагнитного ма-
териала (например, пластмассы) равномерно размещена первичная
обмотка 1. Вторичная обмотка, намотанная поверх первичной, вы-
полнена в виде двух секций 2 с одинаковым числом витков, причем
эти секции электрически включены навстречу друг другу, т. е. вы-
ходное напряжение есть разность ЭДС, индуцируемых в этих секци-
ях. Внутри катушки находится сердечник 3 из мягкого железа. Шток
сердечника связан с подвижным элементом измерительного преоб-
разователя или осью указателя прибора. Дифференциально-транс-
форматорный преобразователь размещается в цилиндрическом ме-
таллическом кожухе для защиты от внешних магнитных полей (на
рис. не показан).
На рис. 5.22, в изображена зависимость выходного напряжения
от положения сердечника. При малых смещениях напряжение на
выходе ЛДТ изменяется линейно с перемещением сердечника и пре-
терпевает изменение фазы на 180°, когда сердечник проходит через
центральное положение, указывая на направление смещения сер-
дечника.
Примечание
Начало координат — центральное положение сердечника
338
Глава 5. Измерение технологических параметров
Индуктивный преобразователь имеет преимущество, например,
перед потенциометрическим преобразователем, поскольку в нем
отсутствует трение и износ движущихся частей. Индуктивный пре-
образователь применяется для статических и динамических изме-
рений.
Преимущество дифференциального выхода в системах типа ЛДТ
состоит в том, что такие системы характеризуются большим выход-
ным сигналом при равных смещениях, а также и уменьшенными
вариациями выходного сигнала при изменениях температуры, маг-
нитного поля, напряжения и частоты питания.
ЛДТ конструируются для работы при перемещениях сердечника
от ±0,01 см до ±30 см.
5.4.3.5.	Преобразователи электрических сигналов
Преобразователи электрических сигналов — вспомогательные
устройства АСУ, осуществляющие эквивалентное преобразование
сигнала: модуляцию, демодуляцию, а также аналого-цифровое и
цифроаналоговое преобразования.
Преобразователи электрических сигналов как типовые элементы
САУ выполняют функции согласующих устройств без изменения ко-
личества информации, содержащегося в преобразуемом сигнале.
Основные технические требования, предъявляемые к преобразовате-
лям электрических сигналов: точность и стабильность преобразова-
ния, а также высокое быстродействие.
Модуляция — изменение по заданному закону во времени пара-
метров, характеризующих какой-либо стационарный физический
процесс, например, изменение по определенному закону амплиту-
ды, частоты или фазы гармонического колебания для внесения в
колебательный процесс требуемой информации.
На рис. 5.23 приведена блок-схема гармонических преобразова-
телей. Гармонический модулятор (рис. 5.23) выполняет следующее
Ц.(т) = t/mcos(<oor)	LL(t) = Umcos(<o0T)
Рис. 5.23. Схема передачи сигнала с использованием гармонических пре-
образователей: СЦт) — напряжение несущей, или опорной, ча-
стоты (0о
5.4. Измерительные преобразователи
339
нелинейное преобразование. Входной сигнал Цт) модулирует несу-
щую (или опорную) частоту 0)о, в результате выходное модулирован-
ное напряжение
имОД (*) = U (т) = и (т)ит cos(w0t), (5.15)
где Um — амплитуда модулирующего сигнала; tZ.(x) — модулирую-
щее напряжение.
Демодуляция — преобразование электрических колебаний, в ре-
зультате которого получаются колебания более низкой частоты. Ус-
тройство, выполняющее обратное преобразование модулированного
сигнала в инфранизкочастотный сигнал, называют демодулятором
(рис. 5.23).
Примечание
Подробнее о работе и характеристиках модуляторов и демодуляторов
можно узнать из [59].
5.4.4.	Нормирующие преобразователи
Для преобразования выходных сигналов первичных измеритель-
ных преобразователей в унифицированные сигналы для взаимного
согласования входящих в АСУ элементов, дистанционной передачи
сигналов по каналам связи служат промежуточные {нормирующие)
преобразователи с унифицированным выходным сигналом, представ-
ляющие собой конструктивно законченные изделия. Принципиаль-
ные схемы основных преобразователей, применяемых в СУ ХТП,
разбираются ниже.
5.4.4.1.	Токовые нормирующие преобразователи
для термопар и датчиков ЭДС
Действие токового нормирующего преобразователя для термо-
пар основано на статической автокомпенсации.
Рис. 5.24 иллюстрирует принцип работы токового измеритель-
ного (нормирующего) преобразователя, предназначенного для ли-
нейного преобразования ТЭДС в сигнал постоянного тока, напри-
мер, 0...5 мА.
Примечание
Термопара 1 в состав нормирующего преобразователя не входит.
Токовый нормирующий преобразователь состоит из усилителя 2
с большим коэффициентом усиления {К > 1) с токовым выходом /вых,
устройства обратной связи, состоящего из усилителя обратной свя-
340
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.24. Упрощенная схема токового измерительного (нормирующего)
преобразователя для термопары. Пояснения см. в тексте
зи 4 и постоянного сопротивления обратной связи /?оС. Резисторы
Я], Я2, Я3 корректирующего моста 5 изготовлены из манганина —
материала с очень низким температурным коэффициентом сопро-
тивления, a Ru — из меди. Выходной сигнал термопары 1 E(t, t0)
корректируется напряжением, снимаемым с диагонали ab моста 5, и
сравнивается с напряжением обратной связи Еос:
Е(г, 0) = Е(г, /0) + ЕаЬ.	(5.16)
Нескомпенсированный сигнал
ДЕ = Е(г, 0)-ЕОС	(5.17)
усиливается усилителем 2. Выходной ток /вых поступает во внешнюю
цепь с сопротивлением 3 внешней нагрузки Ян и также поступает в
усилитель 4 устройства обратной связи. Токи на выходе и входе уси-
лителя 4 строго пропорциональны между собой. Выходной ток /ос
усилителя обратной связи 4 создает на резисторе сигнал обрат-
ной связи:
Еос = 'осЛк = *ос*оЛых,	(5-18)
где Koz — коэффициент передачи усилителя обратной связи
Для усилителя 2 напряжение на выходе ДЕ^ определяется вы-
ражением:
ДЕВЫХ = ЯДЕ	(5.19)
Подставим в выражение (5.19) ДЕ из (5.17) и, учитывая (5.18),
получим:
ДЕВЫХ = ЯДЕ = Я[Е(Г, 0)- Я^/J (5.20)
5.4. Измерительные преобразователи
341
Разделив обе части уравнения (5 20) на коэффициент усиления К
и затем пренебрегая значением &иъых/К, поскольку АГ» 1, получим
итоговое выражение:
0),
(5.21)
где к — коэффициент передачи нормирующего преобразователя
Из (5.21) следует, что унифицированный токовый сигнал на выхо-
де нормирующего преобразователя практически пропорционален ТЭДС.
5.4.4.2.	Токовые нормирующие преобразователи
для термопреобразователей сопротивления
Действие токового нормирующего преобразователя для термо-
преобразователей сопротивления основано, как и в предыдущем
случае, на статической автокомпенсации.
Рис. 5.25 иллюстрирует принцип работы нормирующего преоб-
разователя, предназначенного для линейного преобразования изме-
ряемого сопротивления R, в сигнал постоянного тока, например,
0...5 мА.
Примечание
Термопреобразователь сопротивления 1 в состав нормирующего пре-
образователя не входит. Отличие рис. 5.25 от рис. 5.24 заключается только
лишь в том, что измеряемое сопротивление включено в неуравновешен-
ный мост, напряжение разбаланса которого подается на вход усилителя 2.
Нормирующий преобразователь для термопреобразователя со-
противления состоит из измерительного неуравновешенного моста
Рис. 5.25 Упрощенная схема токового измерительного (нормирующего)
преобразователя для термометра сопротивления. Пояснения см.
в тексте (ИПС — источник питания стабилизированный)
342	Глава 5. Измерение технологических параметров
с резисторами R2, R2, изготовленными из манганина, усилителя 2
с большим коэффициентом усиления (Л"» 1) с токовым выходом /вых,
усилителя обратной связи 4 и постоянного сопротивления обратной
связи R^. Термопреобразователь сопротивления подключен к изме-
рительному неуравновешенному мосту по трехпроводной схеме, что-
бы устранить влияние сопротивления соединительных линий Rn (под-
робнее об этом см. ниже). Напряжение разбаланса t/ab измеритель-
ного неуравновешенного моста пропорционально изменению
сопротивления терморезистора R, относительно некоторого мини-
мального значения, при котором мост находится в равновесии, т. е
1/аЬ=АГм(/?,-Л,гшп),	(5.22)
где Кы — коэффициент пропорциональности.
Перед входом в усилитель 2 напряжение разбаланса t/ab сравни-
вается с падением напряжения на резисторе R^. Выходной унифи-
цированный токовый сигнал fBblx практически пропорционален на-
пряжению разбаланса измерительного неуравновешенного моста ab
и, следовательно, измеряемому сопротивлению Л„ т. е.
.	_ (-fy ~ min)	(с пп»
1 ВЫХ —	П	•	t /
Таким образом, если R, = R, min, то значение выходного унифи-
цированного токового сигнала равно нулю, а при
Rt ^rmin = Д^тах
значение тока на выходе усилителя 2 за счет подбора соответствую-
щего значения R^ достигает значения 5 мА, причем значения полу-
ченного унифицированного токового сигнала не зависят от измене-
ния сопротивления нагрузки Rn.
5.4.4.3.	Электропневматический преобразователь
Электропневматический преобразователь (ЭПП) (рис. 5.26) пре-
образует непрерывный унифицированный сигнал постоянного тока
в унифицированный пневматический сигнал. Входной токовый сиг-
нал преобразователя, например, /вх = 0...5 мА, а выходной пневмати-
ческий сигнал преобразователя рвых = 0,02...0,1 МПа (0,2...! кгс/см2).
Принцип действия электропневматического преобра ювателя ос-
нован на преобразовании тока в пропорциональное усилие с помо-
щью магнитоэлектрического устройства 2—3. Это усилие компен-
сируется со стороны пневматической системы: переменного дрос-
селя типа сопло—заслонка 1, снабженного сильфонной жесткой
обратной связью 4.
5.4. Измерительные преобразователи
343
Рис. 5.26. Упрощенная схема электропневмопреобразователя:
/ — преобразователь типа сопло—заслонка (переменный дроссель),
2 — постоянный магнит; 3 — рычаг с рамкой; 4 — сильфон отрицатель-
ной обратной связи
5.4.4.4.	Токовый унифицированный преобразователь
Токовый преобразователь (рис. 5.27) непрерывно преобразует
давление (разрежение), перепад давления, расход, уровень и другие
параметры в унифицированный сигнал постоянного тока. В токо-
вом преобразователе использован принцип электрической силовой
компенсации. Токовый унифицированный измерительный преоб-
разователь состоит из измерительного преобразователя / (например,
дифманометра) и унифицированного токового электросилового пре-
образователя II, представляющих единую конструкцию. В измери-
тельной части I измеряемая величина преобразуется в пропорцио-
нальное усилие, компенсируемое усилием со стороны унифициро-
ванного токового электросилового преобразователя II.
Измеряемый параметр, например, перепад давления Др = рг — рх,
воздействуя на чувствительный элемент (вялую мембрану 1) изме-
рительного преобразователя, преобразуется в усилие /ь создающее
момент М\. Момент М{ через рычажную систему 3 приводит к пере-
мещению сердечника 4 индикатора рассогласования 5 дифференци-
ально-трансформаторного типа (выполняет функцию высокочувстви-
тельного нуль-прибора). Индикатор рассогласования 5 преобразует
перемещение сердечника 4 в напряжение переменного тока, посту-
пающее сначала на вход электронного усилителя 6, а затем на вып-
рямитель 7. Постоянный ток поступает в магнитоэлектрическое си-
ловое устройство 8, 9, где вырабатывается уравновешивающее уси-
344
Глава 5. Измерение технологических параметров
О .5 мА
(4 20 мА)
Рис. 5.27. Схема токового унифицированного измерительного преобразо-
вателя с силовой компенсацией:
/ — мембранный дифманометр; II — унифицированный токовый электро-
силовой преобразователь; / — вялая мембрана дифманометра; 2 — уплот-
няющий сильфон; 3 — основной рычаг; 4 — флажок индикатора; 5 —
(	индикатор рассогласования дифференциально-трансформаторного типа;
6— усилитель; 7 — выпрямитель; 8 — постоянный магнит; 9 — катуш-
ка; 10 — вспомогательный рычаг; //— подвижная опора; 12 — пружина
для установки начального значения выходного сигнала; R* — сопротив-
ление внешней нагрузки
лие /2, и в последовательно соединенную с ним линию дистанцион-
ной передачи. Уравновешивающее усилие/2 создает момент М2, ком-
пенсирующий Поскольку М\ пропорционален измеряемой ве-
личине Др, а М2 — току, то
1 = К&р
(5 24)
Рис. 5.28. Структурная схема токового унифицированного измерительно-
го преобразователя с силовой компенсацией;
I— преобразователь измеряемого параметра Ар в усилие II — унифи-
цированный токовый электросиловой преобразователь; 1, 2, 6— рычаг;
3 — дифференциальный трансформатор; 4 — усилитель и выпрямитель;
5 — устройство обратной связи, преобразующее выходной токовый сиг-
нал в усилие обратной связи
5.4. Измерительные преобразователи
345
Выходной токовый сигнал преобразователя /пых — 0 ..5 мА; 0...20 мА
или 4...20 мА.
Структурная схема токовых измерительных преобразователей
приведена на рис. 5.28.
5.4.4.5.	Пневматический унифицированный
преобразователь
Пневматические унифицированные измерительные преобразовате-
ли с силовой компенсацией (рис. 5.29) непрерывно преобразуют дав-
ление (разрежение), перепад давления, расход, уровень и другие
параметры в унифицированный пневматический сигнал дистанци-
онной передачи. В пневматическом преобразователе использован
принцип пневматической силовой компенсации. Пневматический
унифицированный измерительный преобразователь состоит из изме-
рительного преобразователя I (например, дифманометра) и унифи-
цированного пневматического силового преобразователя II, представ-
ляющих единую конструкцию. В измерительной части / измеряемая
величина преобразуется в пропорциональное усилие, компенсируе-
мое усилием со стороны унифицированного пневматического сило-
вого преобразователя //.
Измеряемый параметр, например, перепад давления Др = р2 — Р\,
воздействуя на чувствительный элемент (вялую мембрану 1) изме-
Рис. 5.29. Схема пневматического унифицированного измерительного
преобразователя с силовой компенсацией:
I — мембранный дифманометр; И — унифицированный пневмосило-
вой электросиловой преобразователь; / — вялая мембрана дифмано-
метра; 2— уплотняющий сильфон; 3 — основной рычаг; 4, 5— высо-
кочувствительный индикатор рассогласования типа сопло—заслонка,
6 — постоянный дроссель; 7 — усилитель мощности; 8 — сильфон
отрицательной обратной связи; 9 — пружина для установки начально-
го значения выходного сигнала
346
Глава 5. Измерение технологических параметров
рительного преобразователя, преобразуется в усилие /j, создающее
момент М\. Этот момент определяется как М\ = К^р Давление
воздуха рвых в сильфоне отрицательной обратной связи 8 создает
усилие и соответственно момент М2 = К2 рвых. Так как момент М\
пропорционален измеряемому параметру, в данном случае Др, а
— Рвых’ то
Рвых = К^р.	(5.25)
Из (5.25) следует, что давление на выходе преобразователя про-
порционально измеряемому параметру.
Настройка преобразователя на заданный предел измерений осу-
ществляется перемещением сильфона 8 вдоль рычага 3. Перестрой-
ка преобразователя с одного предела измерений на другой осуще-
ствляется заменой сильфона отрицательной обратной связи
Структурная схема пневматических преобразователей похожа
на схему на рис. 5.28. Отметим отличие: вместо индикатора рас-
согласования дифференциально-трансформаторного типа, элект-
рического усилителя напряжения и выпрямителя, создающих уни-
фицированный токовый сигнал, применяется пневматический
преобразователь типа сопло—заслонка, выполняющий функцию вы-
сокочувствительного индикатора рассогласования, с пневматичес-
ким усилителем мощности. Для создания уравновешивающего мо-
мента вместо магнитоэлектрического устройства используется
сильфон отрицательной обратной связи. Выходной пневматичес-
кий сигнал пневматического преобразователя находится в диапа-
зоне 0,02 МПа < />вых < 0,1 МПа.
5.4.5.	Аналоговые и цифровые преобразователи
Все первичные измерительные преобразователи по своей сути
являются аналоговыми устройствами. Однако в последнее время
наблюдается доминирование цифровых информационных измери-
тельных систем, в связи с чем аналоговый выходной сигнал первич-
ного измерительного преобразователя должен иметь форму, при-
годную для его использования в цифровых ИИС.
Существует три вида сигналов:
1)	аналоговый сигнал, являющийся электрическим представле-
нием или аналогом (это ток или напряжение) исходного измеряемо-
го сигнала (технологического параметра);
2)	цифровой сигнал, в котором функция (например, частота)
используется для представления исходного измеряемого сигнала;
3)	кодированный цифровой сигнал, в котором параллельный
цифровой сигнал, например, разрядностью в 8 бит, представляет
5.4. Измерительные преобразователи
347
значение исходного измеряемого сигнала (технологического па-
раметра).
Примечание
Бит (англ, bit, от binary — двоичный и digit — знак) — двоичная едини-
ца, в теории информации — единица количества информации. Бит в вы-
числительной технике — двоичная цифра, двоичный разряд.
Собственно, эти виды сигналов обычно определяют типы пер-
вичных измерительных преобразователей. Известны измерительные
преобразователи, выход которых является чисто электронным ана-
логом измеряемого сигнала (технологического параметра). Другие
измерительные преобразователи представляют измеряемую величи-
ну в цифровой форме, а третьи — в виде цифрового кода.
Устройства, преобразующие электрический или другой аналого-
вый сигнал в эквивалентный цифровой, называют аналого-цифровы-
ми преобразователями (АЦП). АЦП обычно является частью цифро-
вого измерительного прибора.
Устройства, предназначенные для обратного преобразования (пре-
образование цифрового сигнала в аналоговый), называют цифроана-
логовыми преобразователями (ЦАП).
В системах управления и регулирования с цифровыми ЭВМ при-
меняются самые разнообразные АЦП и ЦАП.
5.4.5.1. Цифроаналоговые преобразователи
Цифроаналоговые преобразователи применяются для формирова-
ния аналогового сигнала, пропорционального входному цифровому
сигналу. ЦАП могут входить составной частью в схемы АЦП.
Цифроаналоговые преобразователи часто применяются в АСУ с
ЭВМ в контуре управления (в частности, с персональными компью-
терами). Кроме того, ЦАП применяются в устройствах АЦП с об-
ратной связью (рис. 5.30), в которых их используют для формирова-
ния аналогового сигнала £41ап(т)’ пропорционального входному циф-
ровому сигналу. Этот сигнал сравнивается с преобразуемым
аналоговым напряжением (/вх(т). Выходной сигнал компаратора ис-
пользуют для управления процессом формирования выходного кода
После достижения равенства напряжений (/цАП(т) = Ц«(т) компара-
Рис. 530. Аналогово-цифровой
преобразователь с цифро-анало-
говым преобразователем (ЦАП)
в цепи обратной связи:
К — компаратор, ЦГ — цифровой ге-
нератор
348
Глава 5 Измерение технологических параметров
Рис. 5.31. Взаимосвязь входного и
выходного сигналов ЦАП:
1 — положительный цифровой входной сиг-
нал; 2 — отрицательный аналоговый выход-
ной сигнал; 3 — отрицательный цифровой
входной сигнал; 4 — положительный ана-
логовый выходной сигнал
тор обеспечивает фиксацию цифрового кода, значение которого пред-
ставляет цифровой эквивалент б(/Ткв) входного напряжения в соот-
ветствующий момент времени (Гкв — такт квантования).
Поскольку цифровой входной сигнал может изменяться только
дискретными шагами, аналоговый выходной сигнал также будет сту-
пенчатым (рис. 5.31). Величина каждой отдельной ступени является
функцией числа разрядов цифровой информации. Входной сигнал может
быть обеих полярностей, поэтому ЦАП должен быть биполярным.
Рассмотрим три варианта цифроаналогового преобразования
сигналов (рис. 5.32).
ЦАП со взвешенным суммированием токов
В этой схеме (рис. 5.32, а) цифровой сигнал в каждом двоичном
разряде вызывает переключение соответствующего ключа, при этом
на резистор подается опорное напряжение Uo. В результате в сум-
мирующем соединении возникает ток, который усиливается и дает
выходное напряжение, пропорциональное этому току, т. е. обратно
пропорциональное сопротивлению в подключенной ветви.
Недостаток такой схемы: ее точность зависит от абсолютной точ-
ности опорного напряжения Uo и резисторов. Поскольку значения
резисторов в соседних ветвях различаются в два раза (слева направо
47?, 2R, R соответственно), их сопротивление может достигать очень
высокого уровня, что затруднит их согласование в широком диапа-
зоне температур.
ЦАП с матрицей R-2R
В ЦАП с матрицей R—2R (рис. 5.32, б) ток в каждом узле делит-
ся пополам, следовательно, ток в суммирующем соединении 4 взве-
шен по закону двоичного кода в соответствии с числом пройденных
5.4. Измерительные преобразователи
349
Рис. 5.32. Схемы ЦАП со взвешенным суммированием токов (а); с мат-
рицей R-2R (б); с токовым выходом (в):
D|, D2, D3 — диоды; TRHTR2,TR3 — транзисторы; S(, S2, S3 — переклю-
чатели; Uo — опорное напряжение; 1 — младший двоичный разряд; 2 —
старший двоичный разряд; 3 — цифровой вход; 4 — суммирующее соеди-
нение; 5 — операционный усилитель; б — аналоговый выход
в
350	Глава 5. Измерение технологических параметров
ветвей. В ЦАП по схеме с матрицей R—2R используется в два раза
больше резисторов, чем в предыдущей схеме, и его точность зависит
от относительных значений сопротивлений, а не от их абсолютных
значений. В таком ЦАП используется два номинала резисторов, что
позволяет выбирать резисторы с необходимыми характеристиками
и согласовывать их температурные вариации
Примечание
У данной схемы имеется еще одно преимущество: ее полное сопротив-
ление по отношению к операционному усилителю не меняется с измене-
нием цифрового входного сигнала (поэтому можно избежать проблемы,
связанные с вариациями характеристик усилителей). И первый, и второй
варианты ЦАП имеют аналоговый выход по напряжению
ЦАП с токовым выходом
Для ЦАП с токовым выходом (рис. 5.32, в) характерно высокое
быстродействие, так как все его транзисторы TRb TR2, TR3 работа-
ют в ненасыщенном режиме. Диоды Db D2, D3 заземлены через
цифровые переключатели, поэтому при отсутствии цифрового сиг-
нала на входе выходное напряжение пренебрежимо мало. Цифровой
сигнал в любом двоичном разряде переводит катод соответствующе-
го диода в логическое состояние 1 подачей на него обратного сме-
щения. Теперь ток может течь через резистор и соответствующий
транзистор к выходному резистору /?ь на котором возникает анало-
говое выходное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит
от входного цифрового сигнала. Сопротивление резисторов меняется
по двоичному закону, следовательно, ЦАП работает в двоичном коде.
В таком ЦАП вырабатывается низковольтный выходной сигнал, для
получения более высоких напряжений необходим усилитель.
Примечание
Обычный ЦАП для работы в биполярном режиме или режиме умно-
жения модифицируют. Полярность выходного сигнала ЦАП зависит от
полярности опорного напряжения Uo и от того, на какой вход операцион-
ного усилителя подан сигнал, поэтому для работы в биполярном режиме
полярность опорного напряжения Uo должна меняться при детектировании
отрицательного входного сигнала Амплитуда выходного напряжения про-
порциональна произведению опорного напряжения Uo и входного цифро-
вого сигнала. Обычно опорное напряжение поддерживается на фиксиро-
ванном уровне, но если оно будет меняться пропорционально второму вход-
ному сигналу, то ЦАП будет выполнять операцию умножения.
Характеристики ЦАП
Разрешение ЦАП — это число ступеней, которое укладывается в
его максимальном выходном сигнале и прямо связано с его числом
разрядов. Например, 10-разрядный ЦАП имеет 1024 ступени и его
разрешение менее 0,1 %.
5.4. Измерительные преобразователи
351
Линейность ЦАП определяется двумя способами. Интегральная
линейность измеряется максимальным отклонением точек, соответ-
ствующих выходному сигналу, от прямой линии, проведенной через
эти точки «наилучшим образом». При хорошей линейности это от-
клонение должно быть меньше или равно половине амплитуды сиг-
нала в младшем двоичном разряде. Дифференциальная линейность
измеряется максимальным отклонением истинных значений от сред-
него значения, определяемого делением максимального аналогово-
го выходного сигнала на 2й, где и — число разрядов в ЦАП
Замечание
Погрешности, обусловленные нарушением линейности, возникают из-
за неточности номиналов сопротивлений, а также падения напряжения на
переключателях. Кроме того, эти параметры изменяются от температуры,
следовательно, линейность зависит также от температуры.
Монотонность. ЦАП может быть монотонным или немонотон-
ным. В монотонном ЦАП аналоговый выходной сигнал с ростом
цифрового входного сигнала всегда возрастает. В немонотонном ЦАП
аналоговый выходной сигнал может уменьшаться в некоторых точ-
ках, несмотря на увеличение цифрового входного сигнала. Это весь-
ма нежелательно, поскольку два различных цифровых входных сиг-
нала могут дать один и тот же аналоговый выходной сигнал.
Точность ЦАП определяется сдвигом аналогового выходного
напряжения от его идеального значения при любом цифровом сиг-
нале на входе. Точность зависит от ряда факторов, в частности от
точности опорного напряжения.
Время установления ЦАП можно определить, как в операцион-
ном усилителе: как время, необходимое для того, чтобы окончатель-
ное значение выходного напряжения оказалось в заданных преде-
лах. Это время зависит от типа используемых переключателей, ха-
рактеристик резисторов и выходного усилителя. Быстродействие ЦАП
ограничивается временем установления.
Глитчи. Аналоговый выходной сигнал ЦАП, конечно, не облада-
ет таким регулярным характером, как это наблюдается на графике
взаимосвязи входного и выходного сигналов цифроаналогового пре-
образователя ЦАП (см. рис. 5.31). Аналоговый выходной сигнал под-
вержен шумовым выбросам, глубоким провалам (или глитчам)
Примечание
Глитч от англ, glitch — пичок; выброс; шумовой всплеск.
На рис. 5.33 показаны примеры глитчей, возникающих в ЦАП.
Они вызваны тем, что переключатели имеют неодинаковые времена
замыкания и размыкания. Это означает, например, что при пере-
352
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.33. Глитчи, возникающие в ЦАП
ключении от цифрового сигнала 011 к 100 возможно что выходной
сигнал в течение короткого промежутка времени будет равен ООО,
если переключатели переходят от 1 до 0 быстрее, чем от 0 к 1. Дли-
тельность глитча можно уменьшить, применяя более быстродейству-
ющие переключатели. Влияние глитча можно также сгладить, сни-
жая максимальную скорость нарастания выходного напряжения уси-
лителя или фильтрацией. Однако это уменьшает время срабатывания.
Замечание
Для борьбы с глитчами можно также применять схему выборки и хра-
нения, которая может хранить напряжение на время глитча. Применение
такой схемы уменьшает быстродействие ЦАП в целом
Температурный коэффициент ЦАП зависит от стабильности
опорного напряжения, резисторов, переключателей и усилителя.
Изготовляют ЦАП с внутренними источниками питания и внешними.
В последнем случае стабильность ЦАП определяют в предположе-
нии, что температурные уходы опорного напряжения (или напряже-
ния смещения) усилителя пренебрежимо малы.
5.4.5.2. Различные способы
аналого-цифрового преобразования
В операциях цифрового преобразования есть чрезвычайно от-
ветственный момент: любой цифровой сигнал содержит дискретные
значения (или фиксированный шаг в некотором диапазоне значе-
ний или шагов). Аналоговый сигнал принимает любое значение в
этом же диапазоне. Отсюда следует, что для обеспечения точного
преобразования аналогового сигнала в цифровой, необходимо диа-
пазон изменений физической величины разбить на достаточно боль-
шое число интервалов
Дискретные значения в диапазоне изменения цифровой величи-
ны называются уровнями квантования и полностью зависят от числа
5.4. Измерительные преобразователи
353
двоичных разрядов в цифровом слове, используемом для представ-
ления некоторой величины. Например, имеется 24 — 1 = 15 уров-
ней квантования для цифрового представления 4-разрядного сло-
ва. В общем случае «-разрядное слово дает всего 2я уровней в про-
цессе аналого-цифрового преобразования (АЦ-преобразования).
Получается, что разрешающая способность цифровой системы ог-
раничивается в основном уровнями квантования, поскольку отдель-
ное цифровое слово может представить одно отдельное аналоговое
значение.
Большинство АЦ-преобразований основано на принципе гру-
бого превращения аналогового сигнала в цифровой с последую-
щим его преобразованием вновь в аналоговый и сравнением полу-
ченного значения с первоначальным. Если первоначальное значе-
ние аналогового сигнала больше, чем полученное в результате
двойного преобразования, то цифровое значение увеличивается,
если меньше — то уменьшается до тех пор, пока оба значения не
будут одинаковыми.
Параллельный АЦП
Наиболее распространенный и быстродействующий способ —
способ преобразования аналогового сигнала в цифровой, осуществ-
ляемый подачей аналогового сигнала на набор параллельных ком-
параторов 1 (рис. 5.34) с различными порогами срабатывания. В па-
раллельном преобразователе аналоговых сигналов в цифровые ис-
пользуются несколько отдельных элементарных компараторов,
сопоставляющих аналоговый сигнал с некоторым числом опорных
напряжений Uo. Каждое опорное напряжение
UQ соответствует уровню квантования, поэто-
му для 3-разрядного цифрового выхода, пока-
занного на рисунке, должно применяться семь
опорных напряжений (23 — 1 = 7), т. е. семь
компараторов. Опорные напряжения образу-
Цифровой
выход
Аналоговый
вход
12 Беспалов Л В.. ХдрнюновП II
Рис. 5.34. Схема параллельного
преобразователя аналоговых
сигналов в цифровые:
I — компараторы; 2 — шифратор;
— аналоговое входное напряже-
ние, Uo — опорное напряжение
354
Глава 5. Измерение технологических параметров
ются цепочкой резисторов, подключенных к источнику общего опор-
ного напряжения Uo. Точность преобразования зависит исключи-
тельно от точности опорных напряжений. Затем выходной сигнал
поступает в логическую схему (шифратор 2), где превращается не-
посредственно в цифровой двоичный выходной сигнал. Такой про-
цесс преобразования называется импульсным преобразованием.
Следящий АЦП
На рис. 5.35, а показана блок-схема АЦП, в цепи обратной свя-
зи которого применяется ЦАП. Генератор синхроимпульсов 5 пере-
ключает счетчик 3, и когда показание счетчика, поданное через ЦАП
4 по линии обратной связи в компаратор 7, становится равным ана-
логовому входному сигналу, генератор синхроимпульсов блокирует-
ся до следующего цикла и происходит считывание цифрового сиг-
нала на выходе (рис. 5.35, б). Поскольку такая схема начинает от-
счет от нуля, при каждом сбросе импульса ее быстродействие
увеличивают, применяя реверсивный счетчик, следящий за входным
напряжением (счетчик считает в том или ином направлении в зави-
симости от направления изменения аналогового сигнала на входе).
б
сигнала
Рис. 5.35. Схема следящего АЦП с использованием ЦАП для генерации
пилообразного напряжения:
а — блок-схема (1 — компаратор; 2 — вентиль электрический; 3 — N-раз-
рядный счетчик; 4 — ЦАП; 5 — блок синхронизации); б — форма выход-
ного сигнала (1\ — аналоговое входное напряжение)
5.4. Измерительные преобразователи
355
Интегрирующий двухтактный АЦП
Другой способ АЦ-преобразования, называемый интегрирующим
двухтактным, представлен в виде блок-схемы на рис. 5.36, а. Внача-
ле логический переключатель 4 замыкает переключатель S,, так что
неизвестное аналоговое входное напряжение U{ подается в интегра-
тор 6 с постоянной времени интегрирования Та, а импульсы син-
хронизации обеспечиваются вентилем 2(управляющая логика) После
фиксированного числа синхроимпульсов общей продолжительнос-
тью т1 (фиксированное время) логический переключатель 4 замыка-
ет S2 и размыкает S,. В этот момент времени максимальное значе-
ние выходного сигнала интегратора равно
S2 разомкнут S2 замкнут
Рис. 5.36 Схема интегрирующего двухтактного АЦП:
а — блок-схема ( / — компаратор, 2 — вентиль электрический, 3 — N-раз-
рядный счетчик, 4 — логический переключатель, 5 — блок синхрониза-
ции; U{ аналоговое входное напряжение, U„ — опорное напряжение;
б — интегратор); б — форма выходного сигнала (U— выходной сигнал
интегратора)
7*
356
Глава 5. Измерение технологических параметров
Опорный входной сигнал (опорное входное напряжение Uo) имеет
обратную полярность по отношению к аналоговому входному на-
пряжению, так что выходной сигнал интегратора 6 уменьшается от
t/max Д° нуля, и в этот момент вентиль 2 блокируется до начала
следующего цикла сброса. Напряжение на выходе интегратора те-
перь равно нулю, поэтому запишем:
0 = ^-^	(5.27)
Из выражений (5.26) и (5.27) получим:
Ц=Ц>т2Л1-	(5.28)
Поскольку Uo и постоянны, показание счетчика 3 (т2) дает
значение неизвестного аналогового входного сигнала. Форма вы-
ходного сигнала интегрирующего двухтактного АЦП представлена
на рис. 5.36, б.
Интегрирующие двухтактные преобразователи (АЦП) обладают
высокой точностью. Они исключают ошибки при распространении
сигналов в схеме и компенсируют изменения частоты синхроим-
пульсов и постоянной времени интегратора, поскольку эти измене-
ния воздействуют в равной степени на оба фронта пилообразного
импульса. Такой преобразователь также компенсирует токи и на-
пряжения смещения компаратора: для этого предусмотрены два пе-
рехода через нуль, обеспечивающие это.
АЦП последовательного приближения
Довольно часто применяют способ последовательных прибли-
жений для быстрого АЦ-преобразования (рис. 5.37). На младший
двоичный разряд регистра вначале ло1ический контроллер подает
логическую I, и если выходной сигнал ЦАП меньше неизвестного
аналогового входного сигнала, выбирается ветвь (1) древовидной
схемы (рис. 5.37, а), в противном случае выбирается ветвь (2). Та-
ким образом, в методе последовательных приближений диапазон
возможных значений входного сигнала сокращается каждый раз на-
половину. Полное число сравнений, необходимое для преобразова-
ния, равно числу разрядов, поэтому этот преобразователь обладает
высоким быстродействием, но зато требует сложных логических схем
для своей конструктивной реализации.
Действие данного АЦП основано на принципе последователь-
ного приближения. Структурная блок-схема показана на рис. 5.37, б.
Сигнал от компаратора 1 прикладывается к регистру (счетчика) 4 с
управляющей логикой (логический контроллер) 2. В выключенном
состоянии регистр устанавливается в 0 и поэтому на выходе ЦАП 4,
находящегося в цепи обратной связи, отсутствует напряжение. В этом
5.4. Измерительные преобразователи
357
(2) 010
^•001
0	1	2 3 4 5	Т
Синхронизирующие циклы
Рис. 5.37. АЦП последовательного приближения:
а — древовидная схема; б — блок-схема (1 — компаратор; 2 — логичес-
кий контроллер; 3 — блок синхронизации; 4 — N-разрядный регистр);
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь — напряжение обрат-
ной связи); в — временная диаграмма для четырехразрядного преобра-
зователя последовательного приближения ({/вх — аналоговое входное
напряжение)
случае любое аналоговое напряжение на входе компаратора вызыва-
ет на его выходе логическую единицу. Вначале тактовые импульсы
воздействуют на логический контроллер и вызывают изменение млад-
шего разряда регистра на 1, из-за чего сигнал на выходе ЦАП увели-
чивается. Если аналоговое входное напряжение все еще выше на-
пряжения на выходе устройства, то выход компаратора остается в
состоянии логической 1. Тогда очередной тактовый импульс логи-
ческого контроллера изменяет на 1 следующий разряд регистра и
таким образом происходит изменение каждого его разряда. Когда
аналоговое входное напряжение после какого-либо шага аппрокси-
мации станет меньше, чем выходное напряжение ЦАП, логический
контроллер устанавливает последний разряд в 0 прежде, чем про-
изойдет изменение следующего разряда на 1. Выходное напряжение
устройства в виде временной диаграммы показано на рис. 5.37, в для
четырехразрядного преобразователя последовательного приближе-
ния (рис. 5.37, б). Продолжительность преобразования любого вход-
ного аналогового сигнала в «-разрядном преобразователе равна дли-
тельности «-периодов тактовых импульсов.
358
Глава 5. Измерение технологических параметров
Примечание
Преобразование напряжения в частоту можно рассматривать как раз-
новидность АЦ-преобразования В этом случае цифровой выходной сигнал
состоит из последовательности импульсов строго определенной длитель-
ности, частота повторения которых определяется значением аналогового
напряжения на входе преобразователя.
Характеристики АЦП
Аналого-цифровой преобразователь — устройство, осуществля-
ющее квантование по времени и уровню аналогового входного сиг-
нала при выбранных такте квантования Гкв и числе двоичных разря-
дов разрядной сетки п. На АЦ-преобразование затрачивается конеч-
ный интервал времени. Как правило, цифровой сигнал на выходе
АЦП запаздывает по отношению к соответствующему мгновенному
значению аналогового сигнала. Сигналы с выходов различных АЦП,
входящих в состав АСУ, обрабатываются ЭВМ (персональными ком-
пьютерами). Работа АЦП характеризуется линейностью, тактом кван-
тования, апертурным временем и точностью преобразования.
Апертурное время - временной интервал, характеризующий нео-
пределенность момента преобразования выборочного значения сиг-
нала и вызывающий появление дополнительной динамической по-
грешности:
ЛТА =1/(2я/2л),	(5.28)
где f — частота сигнала (в Гц), который при прохождении через
нулевой уровень изменяется за апертурное время на единицу млад-
шего разряда; п — число разрядов двоичного числа.
Максимальная точность АЦ-преобразования ограничена погреш-
ностью (ошибкой) квантования, зависящей от разрядной сетки (числа
разрядов) и максимальной скорости изменения преобразуемого сиг-
нала. Погрешность преобразования
Де = ±0,5(1 + ЛД7'А)/2иЧ,	(5.29)
где к — скорость изменения входного сигнала, выраженная через
число единиц младшего по весу разряда за 1 с.
Примечание
Иногда дают такое определение: ошибка квантования — это наимень-
ший аналоговый входной сигнал, при котором появляется выходной циф-
ровой сигнал
Ошибка дискретизации определяется как разность между анало-
говым напряжением, соответствующим цифровому выходному сиг-
налу, и реальным аналоговым входным напряжением. Наиболее
5 4. Измерительные преобразователи
359
значительна ошибка дискретизации в АЦП с большим временем пре-
образования
В зависимости от вида промежуточного сигнала преобразования
различные АЦП делятся на следующие типы:
•	аналог — временной интервал — код;
•	аналог — частота — код.
АЦП могут входить в состав дистанционных подсистем много-
объектных АСУ.
В настоящее время разработаны прецизионные интеллектуаль-
ные АЦП, получившие название микроконверторы, сочетающие в
себе возможности высокоточного аналогового ввода/вывода, пред-
варительной обработки данных и организации сетей сбора инфор-
мации датчиков.
Более подробно работа АЦП и ЦАП разобрана в книге (29].
5.4.6. Линии связи
Линии связи — это линии между первичным измерительным преоб-
разователем и другой частью информационно-измерительной системы
(ИИС). Если первичный измерительный преобразователь располагает-
ся на каком-то расстоянии от системы, то необходимо предпринимать
шаги к тому, чтобы линии связи не влияли на эффективность систе-
мы. Для этого в систему встраивается один или более каскадов со-
пряжения сигналов, усиливающий, преобразующий и т. п. малый
выходной сигнал первичного измерительного преобразователя в ана-
лого-цифровой сигнал. Важно, чтобы информация, выдаваемая пер-
вичным измерительным преобразователем, не потерялась при пере-
даче ее к другим частям ИИС. При этом нужно учитывать взаимное
влияние преобразователей и других блоков системы друг на друга.
Примечание
В более широком понимании: линия связи — это среда распространения,
например, электромагнитных волн от источника сигнала к приемнику сигна-
ла. Среда распространения сигнала может быть воздушной, кабельной и т. д.
Источник сигнала, линия связи и приемник сигнала образуют канал связи.
По виду используемой энергии линии связи можно разделить на
пневматические, электрические, волоконно-оптические.
5.4.6.1.	Пневматические линии связи
Пневматические линии связи (пневмопроводы), изготавливае-
мые из пластмассовых или металлических трубок, обладают ограни-
ченным быстродействием, оказывая тем самым отрицательное влия-
360
Глава 5. Измерение технологических параметров
ние на качество регулирования. Инерционность пневматической
линии связи зависит от внутреннего диаметра и длины пневмопро-
вода, влияющих на его емкость и сопротивление (т. е. на постоян-
ную времени пневмопровода). Увеличение внутреннего диаметра
пневмопровода, с одной стороны, уменьшает его сопротивление и,
как следствие этого, инерционность линии связи, но, с другой сто-
роны, увеличивает его емкость, тем самым увеличивая инерцион-
ность линии связи. Экспериментально установлено, что оптималь-
ный по динамическим свойствам пневмопровод для пневматичес-
ких линий связи длиной до 300 метров имеет внутренний диаметр
4,8...5,0 мм. Для линий связи длиной до 150...200 метров использу-
ется пневмопровод внутренним диаметром 4,0 мм или 6,0 мм.
Динамику пневмопровода длиной £ можно приближенно пред-
ставить передаточной функцией вида
р“тзапЛ
= |----Г'	<5-30)
Гп5 + 1
В выражении (5.30) время запаздывания оценивается как
Ьап=(2-ЗЖ,	(5.31)
где v0 — скорость звука в воздухе: постоянная времени пневмопро-
вода Тп = (1 .15) с.
Для устранения запаздывания показаний пневматического из-
мерительного прибора к пневмодатчику добавляют усилитель мощ-
ности.
Оценку влияния параметров пневматических линий связи на
качество работы автоматических систем регулирования при про-
ектировании и наладке производят по величине соотношения по-
стоянных времени линий связи пневмопровода Тп и объекта уп-
равления То:
Тп/Т0 <0,05...0,1.
5.4.6.2.	Электрические линии связи
Характеристики параметров электрических линий связи, приме-
няемых довольно часто в химической технологии, например, при
измерении температуры, приведены в табл. 5.2.
Примечание
Для трехпроводной связи используются провода равной длины и сече-
ния. ТСП — термопреобразователь сопротивления платиновый; ТСМ —
термопреобразователь сопротивления медный; ТЭП — термоэлектричес-
кий преобразователь.
5.4. Измерительные преобразователи
361
Таблица 5.2. Параметры линии для соединения измерительного
прибора с датчиком температуры
Тип датчика	Длина линии	Сопротивление линии	Исполнение линии
тсп, тем	Не более 100 м	Не более 10,0 Ом	Трехпроводная
ТЭП (термопара)	Не более 20 м	Не более 100 Ом	Термоэлеюрод- ный кабель
Унифицирован- ный ток	Не более 100 м	Не более 100 Ом	Двухпроводная
Унифицирован- ное напряжение	Не более 100 м	Не более 5,0 Ом	Двухпроводная
При использовании измерительных преобразователей существу-
ет важная проблема: воздействие шумов на измерение и преобразо-
вание сигналов. В любой системе с чувствительными элементами на
вход И ИС поступает слабый измерительный сигнал, который потом
усиливается системой. Поэтому даже незначительный шум может
усиливаться до такой степени, что невозможно будет выполнить точ-
ные измерения. Уровень шумов можно уменьшить до приемлемого
уровня, применяя фильтрацию (см. ниже). Для гарантии хороших
характеристик ИИС необходимо учитывать всевозможные шумы и
проектировать ИИС так, чтобы уменьшить их до уровня, при кото-
ром с ними можно не считаться. Известны различные типы шумов,
действующих в ИИС. Шумы, наводимые первоначально, при под-
соединении проводов между преобразователем и схемой сопряже-
ния, называются взаимными помехами. Они обусловлены емкостной
связью, магнитной или индуктивной связью. Способы подавления
или устранения взаимных помех состоят в соединении измеритель-
ного преобразователя и схемы сопряжения экранированным или
коаксиальным кабелем и его заземлением. Еще один способ соеди-
нения источника сигнала и приемника состоит в применении скру-
ченной пары проводов. Взаимные помехи действуют на каждый про-
водник скрученной пары, но поскольку при скручивании проводов
они в каждой точке направлены навстречу друг другу, то общий
эффект от взаимных шумов равен нулю. Случайные шумы возникают
в самой измерительной системе и обусловлены основными физи-
ческими свойствами ее компонентов. Если взаимные помехи всегда
имеют особые формы или виды, то случайные шумы непредсказуе-
мы и поэтому трудно устранимы.
Все шумы в системе принято характеризовать отношением полез-
ного сигнала и нежелательных шумов, т. е. отношением сигнал/шум:
Мощность сигнала
Мощность шума
362
Глава 5. Измерение технологических параметров
Если система состоит из множества отдельных элементов (пре-
образователя, соединительного кабеля, схемы сопряжения и т. д.) и
каждый элемент имеет свое собственное отношение сигнал/шум
(5.32), то возникает проблема о способе вычисления общего для
системы в целом отношения сигнал/шум. Это возможно выполнить,
если охарактеризовать каждый элемент системы коэффициентом
шума (или показателем шума). Этот коэффициент в общем случае
определяется как
(Мощность сигнала/Мошность шума)вх
(Мощность сигнала/Мощность шума)вых
Когда известны коэффициенты шума каждого элемента системы
в отдельности, можно вычислить общее для системы отношение
сигнал/шум, вычисляя общий коэффициент шума. Примеры расче-
та приведены в )8].
5.4.6.3.	Волоконно-оптические линии связи
В современных сложных технологических процессах требуется
контролировать и управлять огромным числом параметров. При этом
для передачи информации и сигналов управления традиционными
методами требуется большое количество кабельно-проводниковой
продукции. Электрические трассы превращаются в технически слож-
ные дорогостоящие сооружения и являются источником неисправ-
ностей и помех.
В конце прошлого века для передачи информации в САУ стала
использоваться волоконная оптика. Поскольку этот вид связи сравни-
тельно новый, а в химической технологии только начинается активно
появляться (примеры: соединение АСУП и АСУ ТП с помощью воло-
конно-оптических кабелей; измерение температуры с помощью мик-
ропроцессорного двухцветного инфракрасного термометра, снабжен-
ного волоконно-оптическим соединительным кабелем, выдержива-
ющим температуру до 200 °C, и интерфейсом), остановимся на нем
несколько подробнее.
Примечание
Термин «волоконная оптика» появился в 50-х годах прошлого столе-
тия, когда в Англии и Голландии был создан гибкий эндоскоп — волокон-
но-оптическое устройство, позволяющее рассматривать внутренние орга-
ны человека.
Достоинства волоконно-оптических кабелей по сравнению с
обычными электрическими кабелями, изготовленными из медной и
алюминиевой проволоки:
5.4. Измерительные преобразователи
363
•	значительно меньшие размеры и вес;
•	нечувствительность к помехам от
электрических и магнитных полей, со-
здаваемых грозовыми разрядами, элект-
рическими машинами и т. д.;
•	неподверженность перекрестным
помехам (даже если свет выходит из по-
врежденного кабеля, он не попадает в
соседний кабель);
•	более значительная полоса пропус-
кания и меньшее поглощение по сравне-
нию с обычными кабелями (рис. 5.38),
что позволяет использовать в линиях свя-
зи большой протяженности меньшее ко-
Частота, МГц
Рис. 5.38. Зависимость погло-
щения сигнала от частоты ко-
аксиальным (1) и волоконно-
оптическим (2) кабелями
личество ретрансляторов.
К достоинствам волоконно-оптических кабелей по сравнению с
электрическими коаксиальными кабелями можно отнести и то, что
от первых трудно сделать ответвление, поэтому постороннее вмеша-
тельство легко выявляется.
Волоконно-оптические кабели применяются в системах связи
повышенной надежности. Волоконно-оптические линии связи
(ВОЛС) позволяют в одном волоконном световоде теоретически
организовать несколько тысяч каналов связи (передачи сигналов
информации, управления и т. д.). На ВОЛС можно реализовать как
аналоговые, так и цифровые системы передачи информации и сиг-
налов управления.
Схема волоконно-оптической системы технологического конт-
роля и управления представлена на рис. 5.39. В каналах передачи
информации сигнал (например, электрический) от традиционного
первичного измерительного преобразователя 1 поступает на элект-
ронно-оптический преобразователь 2, состоящий из модулятора 3 и
источника света 4, например, светодиода. Излучение светодиода через
устройство излучения 5 (например, типа «линзы») поступает в све-
товод 6. Аппаратура преобразователя 2 и устройства ввода излуче-
ния в световод 6 выполняют функцию электрооптического преобра-
зователя. Его называют также передающим оптическим модулем, кон-
структивно состоящим из оптической головки и электронной схемы,
Рис. 5.39. Схема волоконно-оптической системы передачи информации.
Пояснения см. в тексте
364
Глава 5. Измерение технологических параметров
основным назначением которой является модуляция излучаемого света.
В оптической головке со светоизлучающим диодом размещаются диод
и модулятор. Излучение выводится из оптической головки наружу
через отрезок оптического волокна, к которому, в свою очередь, при-
соединяется внешнее оптическое волокно. Модулятор смонтирован в
общем корпусе с оптической головкой и представляет собой микро-
электронную схему (преобразователь «напряжение—код»), управля-
ющую током в цепи питания светодиода В оптической головке с
лазерным диодом размещаются лазер, модулятор, фотодиод обратной
связи и электронная схема для стабилизации рабочего режима лазера.
По световоду 6 оптический сигнал, эквивалентный электричес-
кому сигналу первичного измерительного преобразователя 1, через
устройство вывода излучения 7 передается к приемнику информа-
ции (приемному оптическому модулю) 8, который состоит из уси-
лителя 9 и фотодетектора 10. В фотодетекторе оптический сигнал
преобразуется в эквивалентный электрический сигнал, который после
усиления поступает на устройство отображения информации 11 (дис-
плей, измерительный прибор и т. д.). Приемник 8 выполняет функ-
цию оптико-электронного преобразователя.
Аналогично работает канал передачи сигналов управления. В этом
случае устройство 1 является источником сигналов управления, а
устройство 11 является исполнительным устройством, воздействую-
щим на объект управления.
В качестве электрооптического преобразователя используются,
например, светодиоды. Пример конструкции светодиода-излучате-
ля для ВОЛС представлен на рис. 5.40, а.
Свет
\\\
I р । 1 I n ।
Свет
\\\
I n I Р I n I
э б к
Рис. 5.40. Схема светодиода-излучателя для волоконно-оптической связи (с)
1 — металлическая поверхность; 2— изолирующий слой из оксида крем-
ния; 3 — излучающая область (50 мкм); 4 — область рекомбинации элек-
тронов и дырок;
схемы приемников оптического излучения (6) и (в):
б — база; э — эмиттер; к — коллектор
5.4. Измерительные преобразователи
365
Источниками оптического излучения в настоящее время служат
планарные полупроводниковые источники — светоизлучающие и
лазерные диоды. Они формируют направленный световой луч в ди-
апазоне длин волн 0,8... 1,6 мкм, характеризуемом минимальными
потерями в оптическом волокне, и позволяют вводить в оптическое
волокно сигнал достаточно большой мощности (0,05...2 мВт).
В качестве оптико-электронного преобразователя применяются
фотодиоды (рис. 5.40, б) или фототранзисторы (рис. 5.40, в), кото-
рые преобразуют оптический сигнал в электрический и усиливают
его. Фотодетектор должен точно воспроизвести форму оптического
сигнала, не внося дополнительного шума. Фотодиоды, выполнен-
ные из германия, работают при длине волны до 1,8 мкм, из кремния —
до 1,2 мкм, из арсенида галлия — до 0,87 мкм. К основным характе-
ристикам фотодиодов относят: квантовую эффективность (выход),
постоянную времени и чувствительность. Квантовая эффективность
(выход) характеризует эффективность преобразования фотонов в
электрический ток. Постоянная времени фотодиода (фотоприемни-
ка) характеризует его быстродействие. Зная постоянную времени
фотоприемника Тпр, определяют ширину полосы пропускания фо-
топриемника по эмпирической зависимости:
Д/пр = 0,4/Тпр .	(5.34)
Из (5.34) следует, что, чем меньше Гпр, тем больше полоса про-
пускания. Чувствительность фотоприемника определяется как от-
ношение изменения фототока к изменению световой (оптической)
мощности:
S = I*/N, А/Вт.	(5.35)
В качестве световодов в ВОЛС используются волоконно-опти-
ческие кабели. Волоконно-оптический кабель состоит из оптичес-
кого волокна, силиконового покрытия, внутренней (буферной) обо-
лочки, упрочняющего элемента (например, упрочняющих нитей) и
внешней оболочки из полимера.
Типовая конструкция волоконно-оптического кабеля представ-
лена на рис. 5.41, а. Рабочей частью оптического кабеля является
сердцевина из кварцевой нити 6 диаметром 200 мкм, образующая с
оболочкой 5 оптическое волокно. Кварцевая нить 6 и оболочка 5
обладают различными коэффициентами преломления света. Опти-
ческое волокно покрывают пластиковой оболочкой с внешним за-
щитным покрытием. Наружный диаметр такого волоконно-оптичес-
кого кабеля 500 мкм. На рис. 5.41, б дан пример распространения
света в оптическом волокне, а рис. 5.42 демонстрирует простой со-
единитель оптических волокон.
366
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.41. Пример конструкции волоконно-оптического кабеля (с) и схе-
ма распространения света в оптических волокнах (б):
1 — внешняя оболочка кабеля из полимера; 2 — упрочняющий элемент;
3 — внутренняя (буферная) оболочка; 4 — силиконовое покрытие; 5 —
оболочка из пластика; 6 — кварцевая сердцевина
Рис. 5.42. Соединитель оптических волокон:
I — концентрическая муфта; 2 — соединитель; 3 — световод в оболочке;
4 — световод без оболочки
ВОЛС применяются в системах с большим объемом передачи и
переработки информации и управляющих воздействий, в которых
используются ПЭВМ и управляющие комплексы.
5.5.	ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН -
НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Измерение напряжения, тока и сопротивления как носителей
информации о состоянии ХТП основано на известном соотноше-
нии между силой тока I в проводнике и разностью потенциалов
5.5. Измерение электрических величин
367
(напряжением) U между двумя фиксированными точками (сечения-
ми) этого проводника, установленном Омом:
U = RI.	(5.36)
Измерение одного из параметров (5.36) позволяет определить
два других.
Простейшим типом измерительного прибора является магнитоэлек-
трический измерительный прибор с подвижной рамкой (см рис. 5.3, б),
пригодный для измерений постоянного или переменного тока.
5.5.1.	Уравновешенные и неуравновешенные мосты
Многие технологические параметры (температура, давление, уро-
вень, расход, состав газовых смесей, концентрация растворов) могут
быть преобразованы соответствующими преобразователями в элект-
рическое сопротивление.
Электрическое сопротивление измеряют с помощью уравнове-
шенных и неуравновешенных мостов.
Принципиальная схема простейшего уравновешенного моста
приведена на рис. 5.43, а. Термопреобразователь сопротивления
величина которого должна быть измерена, и расположенные после-
довательно с ним два сопротивления соединительных линий Rn
Рис. 5.43. Схемы измерительных мостов для измерения сопротивления:
а — уравновешенный мост (двухпроводное подключение термопреоб-
разователя сопротивления Л,); б — уравновешенный мост (трехпровод-
ное подключение Л,): в — неуравновешенный мост (трехпроводное под-
ключение Я,)
368
Глава 5. Измерение технологических параметров
включены в плечо cd уравновешенного моста. Другие плечи моста
состоят из постоянных резисторов R\ и /?3 и переменного калибро-
ванного резистора — реохорда Л2. Все три сопротивления изготов-
лены из манганина. В диагональ ас моста подают напряжение от
источника питания, а к другой диагонали bd моста подключают чув-
ствительный гальванометр, применяемый в качестве нулевого ин-
дикатора для определения нулевой разности потенциалов между точ-
ками bd. Изменяя величину сопротивления реохорда У?2, можно до-
биться равенства напряжения в точках bud, что определяется по
отсутствию тока в диагонали bd нуль-гальванометром (НГ). Такое
положение соответствует равному отношению падения напряжения
в плечах обеих ветвей моста.
Положим, что соединительные провода имеют одинаковое со-
противление Rn Тогда обшее сопротивление соединительных линий
будет 2Rn.
При равновесии моста удовлетворяется равенство:
Л, (/?, + 27?л) =/?2/?3,	(5.37)
откуда следует
Rt =(R3/Rl)R2-2R„	(5.38)
В этом случае разность потенциалов Ubd становится равной нулю,
ток не протекает через нуль-гальванометр, стрелка которого уста-
навливается на нулевой отметке. При изменении температуры ме-
няется сопротивление Rt, что приводит к разбалансу моста. Для
восстановления равновесия необходимо (при постоянных сопротивле-
ниях резисторов /?| и /?3 и сопротивлении соединительной линии Ял)
изменить величину сопротивления реохорда Я2, перемешал его под-
вижный контакт. Достаточно отградуировать реохорд R2 и по поло-
жению его подвижного контакта при равновесии моста можно су-
дить о величине сопротивления Rt и. следовательно, об измеряемой
температуре.
Мост, схема которого изображена на рис. 5.43, а, отличается
высокой точностью измерения. Его показания практически не за-
висят от напряжения источника питания. При нулевом отсчете по
нуль-гальванометру погрешности, обусловленные температурой ок-
ружающей среды и посторонними магнитными воздействиями,
практически ничтожны. Но некоторую неопределенность в измере-
ние вносит сопротивление подвижного контакта реохорда А2, а так-
же возможное изменение сопротивления соединительных прово-
дов /?л, поскольку изменяется их температура. Но это означает, что
будут внесены искажения в результаты измерения сопротивления R,
[см. равенство (5.37) и его следствие (5.38)].
5.5. Измерение электрических величин
369
Для устранения погрешности, обусловленной колебаниями со-
противления соединительной линии, термопреобразователь сопротив-
ления подключают к мосту по трехпроводной схеме (рис. 5.43, б).
При такой схеме подключения источник питания подключается к
термопреобразователю сопротивления таким образом, чтобы сопро-
тивления двух соединительных линий Rn оказались включенными в
соседние плечи моста. Условие равновесия моста при трехпровод-
ной схеме включения термометра сопротивления запишется как ра-
венство произведений сопротивлений противолежащих плеч моста:
(R, + RA)Rl = (Л2+Лл)Л3.	(5.39)
Но даже и при таком включении термопреобразователя сопро-
тивления в схему моста изменение сопротивления каждой из соеди-
нительных линий приводит к изменению сопротивления обоих про-
тивоположных плеч, что может привести к некоторой ошибке при
измерении температуры. Полностью влияние сопротивления каж-
дой из соединительных линий на показания моста при трехпровод-
ной схеме включения термопреобразователя сопротивления возможно
устранить только в том случае, если каждое сопротивление двух со-
единительных линий R]} будет одинаковым, а мост симметричным,
г. е. будет выполнено условие Л, = /?3.
На рис. 5.43, в показана схема неуравновешенного моста для
измерения сопротивления /?„ включенного по трехпроводной схеме.
В этом случае в диагональ моста вместо НГ включают милливольт-
метр. Напряжение питания моста в диагонали ас должно поддержи-
ваться постоянным (применяется источник стабилизированного
питания — И ПС). Для установочного (номинального) значения на-
пряжения при постоянных сопротивлениях плеч Я,, R2, Ry, RK сила
гока в диагонали моста bd будет иметь определенное значение, что
контролируется милливольтметром. После установки напряжения
Uoc в вершинах моста о и с переключатель переставляют в положе-
ние 1 и измеряют сопротивление R, по силе тока 1М в диагонали
моста bd.
5.5.2.	Логометры
Логометры являются приборами магнитоэлектрической системы
и применяются для измерения и записи температуры в комплекте с
термопреобразователями сопротивления по схеме неуравновешен-
ного моста (рис. 5.44). В межполюсном пространстве постоянного
магнита на общей оси укреплены две скрещенные и жестко связан-
ные между собой рамки (рис. 5.45), изготовленные из тонкой мед-
ной проволоки. Эти рамки могут свободно поворачиваться в зазоре,
370
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.44. Схема измерения сопротивле-
ния логометром
Рис. 5.45. Пример упрощен-
ной конструкции логометра
образованном полюсными наконечниками постоянного магнита и
стальным сердечником цилиндрической формы.
Выточка полюсных наконечников сделана так, что воздушный
зазор увеличивается от центра полюсных наконечников к их краям,
а магнитная индукция уменьшается от центра к краям полюсных
наконечников.
Рамки логометра включены в цепь таким образом, что их враща-
ющие моменты, образующиеся при протекании по ним тока, направ-
лены навстречу друг другу. Подвод тока к рамке производится с по-
мощью маломоментных спиральных волосков (пружины не обозна-
чены на рис. 5.45), которые одновременно служат и для возвращения
стрелки в исходное положение при выключенном напряжении.
Вращающий момент, действующий на рамку, пропорционален
силе тока через нее и магнитной индукции в зоне ее расположения.
Л/| = М2 = к212В2,	(5.40)
где к\ и к2 — постоянные коэффициенты, определяемые геометри-
ческими размерами рамок и числом витков проводов в них; В{ и —
магнитные индукции в местах расположения рамок.
Подвижная система прибора стремится к положению равнове-
сия, при котором
= М2; к{1 \ВХ = к212В2,
или

12 в,
(5-41)
5.5. Измерение электрических величин
371
При изменении сопротивления Л, (см. рис. 5.44) изменяется 7(
и, следовательно, отношение ЦЦг в (5.41). Равновесие моментов
нарушается, подвижная система начинает вращаться. Благодаря не-
равномерности магнитного поля одна рамка будет перемещаться в
направлении увеличивающейся, другая — в направлении уменьша-
ющейся напряженности поля. В новом положении подвижной сис-
темы (и стрелки) равновесие моментов наступит, когда выполняет-
ся равенство (5.41).
Очевидно, что угол поворота стрелки прибора определяется от-
ношением токов в обеих подвижных рамках l\Hi, т. е. сопротивле-
нием /?,.
Так как изменение напряжения питания измерительной схемы в
одинаковой степени влияет на 1Х и /2, то показания логометра не
должны зависеть от колебания напряжения источника питания. Но
поскольку спиральные волоски, служащие для подвода тока в рамки
и поворота стрелки, имеют небольшой противодействующий мо-
мент, колебания напряжения источника питания свыше 20 % вызы-
вают заметную погрешность в измерениях.
5.5.3.	Милливольтметры
Для измерения напряжения постоянного электрического тока и
электродвижущей силы (например, в качестве вторичных приборов
в термоэлектрических термометрах для измерения ТЭДС термопа-
ры) используются милливольтметры и автоматические электронные
потенциометры.
Милливольтметры — это приборы магнитно-электрической систе-
мы. Принципиальная схема милливольтметра изображена на рис. 5.3, б.
Принцип действия милливольтметра основан на взаимодействии тока,
протекающего по рамке под действием ТЭДС термопары, с магнит-
ным полем постоянного магнита, в которое эта рамка помещена.
Рамка прибора состоит из множества витков тонкой изолированной
медной проволоки и находится между полюсами постоянного маг-
нита. Витки рамки при отсутствии тока параллельны направлению
магнитных силовых линий. При протекании постоянного тока по
рамке, в ней создается магнитное поле. При взаимодействии этого
поля с полем постоянного магнита возникает сила, поворачиваю-
щая рамку в равномерном радиальном кольцевом зазоре между на-
конечниками постоянного магнита и железным сердечником. Это
создает вращающий момент
Ml=klI.	(5 42)
Рамка соединена со стрелкой. У опор рамки расположены две
противодействующие спиральные пружины (на рис. 5.3, б не пока-
372
Глава 5. Измерение технологических параметров
заны), каждый конец которых прикреплен к рамке и соединен с ее
обмоткой Через эти пружины поступает ток в рамку милливольт-
метра от термопары, и они создают обратный момент
М2 = к2а.	(5.43)
Рамка занимает положение, при котором прямой (5 42) и обрат-
ный моменты (5.43) равны, т. е.
b	к
а =-J-/или а = —f/x,	(5 44)
л
где Ux — напряжение на входе прибора и R — его внутреннее сопро-
тивление.
Таким образом, угол поворота рамки определяется силой тока,
проходящего через нее, или напряжением (5.44) на клеммах милли-
вольтметра при постоянстве его внутреннего сопротивления.
Выпускаются переносные и щитовые милливольтметры. Класс
точности — 1 и 1,5.
При использовании термопреобразователей следует иметь в виду
погрешность, обусловленную сопротивлением внешней цепи элект-
роизмерительного прибора (милливольтметра).
Измеряемое напряжение фактически меньше ТЭДС термопре-
образователя на величину падения напряжения во внешней цепи,
состоящей из термопреобразователя и соединительных проводов.
Принцип действия потенциометра описан в разд. 5.2.5. В от-
личие от милливольтметра (см. рис. 5.3, б) для потенциометра
(см. рис. 5.5, б) показания не зависят от сопротивления внешней
цепи, так как в момент компенсации напряжений ток во внешней
цепи отсутствует, и в ней нет падения напряжения.
5.5.4.	Цифровые измерительные приборы
В цифровом измерительном приборе (ЦИП) показания пред-
ставляются в виде дискретных чисел на отсчетном устройстве. Пре-
имущества такого представления заключаются в уменьшении субъек-
тивных ошибок, отсутствии ошибок из-за параллакса, ускорении
считывания. ЦИП содержат встроенные электронные схемы, обыч-
но микропроцессоры, позволяющие подсоединить дополнительные
устройства. Например, некоторые из них снабжены программой,
выполняющей основные вычисления, в частности, линеаризацию
показаний прибора с выводом последних на дисплей. Некоторые
ЦИП включают различные диагностические устройства, что умень-
шает время устранения отказов.
Большинство современных стендовых цифровых измерительных
приборов имеет внутренние приспособления для калибровки. Так-
5.5. Измерение электрических величин
373
же многие из них снабжены шиной интерфейса и благодаря этому
могут работать как части больших измерительных систем
Время выполнения операции обычно определяется используе-
мым аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и он же включа-
ет время восстановления ЦИП после перегрузки. Разрешение опре-
деляет минимальное напряжение, которое может быть зарегистри-
ровано (например, разрешение 10-6 означает, что в диапазоне входных
напряжений до 1 В можно зарегистрировать 1 мкВ). Разрешение
зависит от числа цифровых разрядов в ЦИП.
Во всех цифровых измерительных приборах используются ос-
новные схемы преобразователей ЦАП и АЦП.
В ЦИП предусмотрена также установка диапазона измерения при
использовании датчиков с унифицированным выходным сигналом
постоянного тока или напряжения (масштабирование). При работе с
датчиками, формирующими на выходе унифицированный сигнал тока
или напряжения, в ряде конструкций цифровых измерительных уст-
ройств предусмотрено масштабирование шкалы измерения по каж-
дому из каналов. Для этого в соответствующих параметрах програм-
мирования прибора устанавливаются нижняя и верхняя границы ди-
апазона измерения, а также положение десятичной точки.
В ЦИП входит блок обработки данных, который служит для:
•	коррекции измерений;
•	цифровой фильтрации измеренных значений;
•	вычисления дополнительных параметров (например, разности,
отношения и т. п.).
Коррекция измерений (компенсация погрешности датчиков)
Для устранений начальной погрешности преобразования пер-
вичных измерительных преобразователей (датчиков) и погрешнос-
тей, вносимых соединительными проводами, значение параметра
(например, температуры), измеренное прибором, может быть от-
корректировано. В измерительных приборах могут быть два типа
коррекции, позволяющие осуществить сдвиг или изменить наклон
измерительной характеристики на заданную величину.
Первый тип коррекции. На рис. 5.46, а в качестве приме-
ра, иллюстрирующего компенсацию погрешностей, вносимых сопро-
тивлениями соединительных проводов (А/?) при использовании двух-
проводной схемы подключения термопреобразователей сопротивления,
выполнен сдвиг характеристики для первичного измерительного пре-
образователя. К каждому измеренному значению параметра (темпера-
туры) /изм прибавляется заданное значение 5 («сдвиг характеристики»).
Так выглядит измеренное значение температуры с коррекцией:
' = 'изм+5-	(5 45)
374
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.46. Коррекция измерений:
а — первый тип коррекции — сдвиг статической характеристики; б — вто-
рой тип коррекции — изменение наклона статической характеристики.
Данные приведены для термопреобразователя сопротивления
ТСМ50, И^|О0 = 1,426 ( И^оо — отношение сопротивления дат-
чика при 100 °C к его сопротивлению при 0 °C):
1 — без коррекции; 2 - с коррекцией
Кроме первого типа коррекции (5.45) возможен второй гип
коррекции.
На рис. 5.46, б в качестве примера, иллюстрирующего компенса-
цию погрешностей первичных измерительных преобразователей при
отклонении значения от номинального, изменили наклон ха-
рактеристики для первичного измерительного преобразователя а («на-
клон характеристики»), находящийся в диапазоне от 0,900 до 1,100:
г = /изч • а.	(5.46)
Цифровая фильтрация измерений
Цифровая фильтрация входного сигнала уменьшает влияние слу-
чайных импульсных помех на показания измерительного прибора.
В современных измерительных приборах может быть предусмотре-
на двухступенчатая фильтрация: «полосовая», устраняющая значи-
тельные единичные помехи, и «сглаживающая», снижающая дей-
ствие небольших высокочастотных помех.
Первая ступень фильтрации характеризуется параметром «поло-
са фильтра» рис. 5.47. Этот параметр позволяет защитить измери-
тельный канал от сильных единичных помех. Полоса фильтра зада-
ется в единицах измеряемой величины. Если текущее значение от-
личается от предыдущего измеренного значения более чем на
5.5. Измерение электрических величин
375
Рис. 5.47. «Полосовая» фильтрация сигнала в измерительном приборе:
I — время опроса первичного измерительного преобразователя; 2 —
полоса фильтра; 3 — фильтрация единичной помехи; 4 — фильтрация
быстроизменяющегося измеряемого параметра
значение этого параметра, то оно не принимается во внимание, и
измерительным прибором производят повторное измерение. На циф-
ровом индикаторе остается значение предыдущего измерения. Ма-
лая ширина полосы фильтра замедляет реакцию измерительного
прибора на быстрое изменение входной величины. Поэтому при
низком уровне помех или при работе с быстроменяющимися про-
цессами рекомендуется увеличить значение параметра. В случае ра-
боты в условиях сильных помех для устранения их влияния на рабо-
ту измерительного прибора необходимо уменьшить значение изме-
ряемого параметра.
Примечание
При этом возможно ухудшение быстродействия измерительного при-
бора из-за повторных измерений
Вторая ступень фильтрации характеризуется порядком фильт-
ра Л' или постоянной времени фильтра. Порядок фильтра позво-
ляет добиться «сглаживания» изменений показаний измеритель-
ного прибора за счет их усреднения. Значение этого параметра
задает количество последних измерений, для которых измеритель-
ный прибор вычисляет среднее арифметическое. Полученная ве-
личина используется измерительным прибором в дальнейшей ра-
боте. Вид переходных характеристик фильтра для различных N
показан на рис. 5.48.
Замечание
Некоторые отечественные производители контрольно-измерительных
приборов и средств автоматизации вместо порядка фильтра используют
понятие глубина фильтра.
376
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.48. Переходные характеристики цифровых фильтров разного по-
рядка Д' (при разной «глубине фильтра»):
/ — время опроса первичного измерительного преобразователя
Уменьшение значения глубины фильтра приводит к более быст-
рой реакции измерительного прибора на скачкообразные измене-
ния контролируемой (диагностируемой) величины, но снижает по-
мехозащищенность измерительного прибора.
Увеличение значения глубины фильтра улучшает помехозащи-
щенность измерительного прибора, но одновременно с этим повы-
шает инерционность измерительного прибора.
Экспоненциальное сглаживание входного сигнала обеспечивает
фильтр, представляющий собой статическое звено первого порядка
с постоянной времени Т (см. рис. 5.49). На рис. 5.49, б, в показана
реакция фильтра при различных значениях Т на единичное ступен-
чатое изменение входной величины рис. 5.49, а. Малое значение Т
(например, 1 с) позволяет довольно точно отслеживать изменения
входной величины, но уровень помех практически не уменьшается
(рис. 5.49, 6). Большое значение Т (например, 5 с) замедляет реак-
Рис. 5.49. Переходные характеристики фильтров при различных значени-
ях постоянной времени:
б ~ Т= 1 с; в — Г“ 5 с на входное единичное ступенчатое изменение
сигнала (а)
5.6. Измерение давления
377
цию измерительного прибора на единичное ступенчатое изменение
входной величины (температуры, равной 100 °C), но зато помехи в
значительной мере подавлены (рис. 5.49, в).
Дополнительная информация
По существующим правилам рабочие измерения количеств продуктов
выполняются с относительной погрешностью канала измерения примерно
2,5...3,5 %, а нормативные невозвратные потери не должны превышать по-
грешность порядка 0,5...2,0 %. Значительные затруднения возникают при
расчете материального баланса химического производства, поскольку зна-
чения количества продуктов часто вычисляются по значениям приборов
расходов и уровней в резервуарах и т. д. Выйти из создавшегося положения
можно, применяя статистическую и нейросетевую обработку наблюдаемых
данных, что способствует интенсивному развитию и применению матема-
тических моделей для косвенной оценки показателей качества продуктов
(виртуальных или софтовых анализаторов количества).
Для масляных погонов вакуумной колонны установки первичной пе-
реработки нефти разработаны программные анализаторы вязкости. Наблю-
дается почти полное совпадение результатов лабораторных измерений вяз-
кости масляных погонов и вязкости, определяемой виртуальными анализа-
торами вязкости. Три виртуальных (программных) вискозиметра для одной
вакуумной колонны дают 30 % экономии от цены трех реальных самых
дешевых физических вискозиметров. Кроме того, оператор, вместо работы
вслепую, непрерывно получает информацию о качестве продукта в режиме
«оп line» и даже предупреждается о его возможных изменениях.
5.6.	ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
Давлением р называют физическую величину, характеризующую
интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил f
с которыми одно тело действует на поверхность другого, например,
жидкость на стенки технологического аппарата, т. е.
р = df/dA.	(5.47)
Если распределение сил f вдоль поверхности равномерно, то дав-
ление р на любую часть поверхности равно
P = f/A,	(5.48)
где А — площадь этой части поверхности;/— сумма приложенных
перпендикулярно к ней сил.
Под абсолютным давлением ра6с в технологическом аппарате
понимают полное давление газа или жидкости на его стенки. Раз-
ность между абсолютным давлением и атмосферным давлением ратм
ПРИ Рабе > Рты называется избыточным давлением риз6:
Ризб Рабе Ратм •
(5 49)
378
Глава 5. Измерение технологических параметров
Если значение абсолютного давления ниже значения атмосфер-
ного давления (ра6с < ратм), то их разница называется вакуумметри-
ческим давлением (или разрежением) рюк:
Рвак ~ Ратм ~ Рабе	(5.50)
За единицу измерения давления в СИ принят паскаль (Па), рав-
ный давлению, которое вызывает сила в один ньютон (1 Н), равномер-
но распределенная по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2.
Применяются также внесистемные единицы: кгс/см2; мм вод. ст.;
мм рт. ст. Кроме того, в настоящее время эксплуатируются изме-
рительные приборы, отградуированные в фунтах на квадратный
дюйм (psi) и в фунтах на квадратный фут (psf). Между паскалем и
другими единицами измерения давления существуют следующие
соотношения:
1 кгс/см2 = 98066,5 Па = 0,1 МПа;
1 мм рт. ст. = 133,322 Па;
1 бар = 105 Па;
1 psi = 6894,76 Па;
1 psf = 47,837 Па;
1 атм = 101,325 кПа = 760 мм рт. ст. (атмосфера физическая).
Приборы для измерения давления и разности давлений называ-
ют манометрами.
В зависимости от измеряемой величины различают следующие
средства измерения давления:
•	манометры — для измерения избыточных давлений;
•	вакуумметры — для измерения вакуума (разрежения);
•	мановакуумметры — для измерения избыточных давлений и
разрежений;
•	дифференциальные манометры (дифманометры) — для изме-
рения разности (перепада) давлений;
•	напоромеры — для измерения малых избыточных давлений
(до 40 кПа);
•	тягомеры — для измерения малых разрежений (до 40 кПа);
•	тягонапоромеры — для измерения малых избыточных давле-
ний и разрежений.
По принципу действия манометры подразделяют на жидкостные,
деформационные, электрические и т. д.
5.6.1.	Жидкостные манометры
В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность
давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В прибо-
рах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уров-
5.6. Измерение давления
379
ни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними,
а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное
давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим
давлением столба жидкости в другом
Дифманометры предназначены для измерения расхода неагрес-
сивных жидкостей, паров и газов путем определения величины пе-
репада давления на измерительной диафрагме или ином дроссель-
ном устройстве. Они могут быть использованы также в качестве
манометров и вакуумметров. Другие приборы предназначены для
измерения давлений, разрежений и разности давлений неагрессив-
ных газов.
В жидкостном двухтрубном манометре две вертикальные сооб-
щающиеся стеклянные трубки заполнены рабочей жидкостью до
нулевой отметки и закреплены на основании, к которому прикреп-
лена шкала. В одну трубку подается измеряемое давление, другая
трубка сообщается с атмосферой. При измерении разности давле-
ний к обеим трубкам подводятся измеряемые давления. Разновид-
ностью жидкостного двухтрубного манометра является жидкостный
двухтрубный манометр, стеклянные трубки которого заполнены двумя
несмешивающимися жидкостями, близкими по плотности (благода-
ря чему достигается высокая чувствительность). Для удобства отсче-
та разности уровней используются однотрубные (чашечные) мано-
метры. В таких манометрах одна трубка заменена широким сосу-
дом, в который подается измеряемое давление Уровень жидкости в
этом сосуде практически не меняется. Трубка, прикрепленная к
шкале, является измерительной и сообщается с атмосферой. При
измерении разности давлений к измерительной трубке подводится
меньшее из давлений. Для большей чувствительности измеритель-
ную стеклянную трубку устанавливают наклонно (манометр с на-
клонной трубкой).
5.6.2.	Деформационные преобразователи давления
Для измерения давления, разрежения, разности давлений в хи-
мической технологии наибольшее распространение получили дефор-
мационные измерительные преобразователи.
Принцип действия деформационных манометров основан на за-
висимости деформации чувствительного элемента или развиваемой
им силы от измеряемого давления. Деформация или сила, пропор-
циональная измеряемому давлению, преобразуется в показания или
соответствующие изменения выходного сигнала. В соответствии с
используемым чувствительным элементом деформационные мано-
метры подразделяют на трубчато-пружинные, сильфонные и мем-
бранные.
380
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.50. Деформационные измерительные преобразователи давления:
а — плоская диафрагма; б — гофрированная диафрагма; в — мембрана
(анероидная коробка); г — сильфон; д — одновитковая трубка Бурдона;
е — скрученная или спиральная трубка Бурдона; ж — многовитковая
трубка Бурдона
Принципиальные схемы деформационных измерительных пре-
образователей (силовых элементов) приведены на рис. 5.50.
Примечание
Термин «трубчатые пружины» часто означает то же. что и «трубка Бур-
дона».
Выбор деформационных измерительных преобразователей зави-
сит от величины измеряемого давления (разрежения) и характерис-
тик собственно самих преобразователей. Например, деформацион-
ные измерительные преобразователи (плоская мембрана, гофриро-
ванная мембрана, мембрана) можно использовать, чтобы привести в
действие емкостный или пьезоэлектрический преобразователь.
Примечание
Изготавливаются пьезорезистивные полупроводниковые датчики дав-
ления, в которых полупроводниковые, тензорезисторные мостовые схемы
сформированы непосредственно на кремниевой мембране. Наряду с малы-
ми размерами (диаметр около 1 мм) эти датчики обладают стабильной ха-
рактеристикой в течение длительного времени и малым гистерезисом.
5.6. Измерение давления
381
При необходимости передачи большого усилия или соверше-
ния большого смещения, лучше использовать преобразователи,
изображенные на рис. 5.50, б, в. Мембраны обладают значительной
жесткостью. Частоту резонанса мембраны можно определить по
формуле:
wp=V<7^,	(5-51)
где С — коэффициент упругости мембраны; т — масса мембраны.
Из формулы (5.51) следует вывод, что для достижения высокой
резонансной частоты (чтобы преобразователь был устойчив к уда-
рам и вибрациям) необходимо иметь высокое значение С и низкое
значение т. В этом случае рекомендуется деформационный преоб-
разователь типа, изображенного на рис. 5.50, а. Однако плоские
мембраны не применимы в качестве чувствительных элементов ма-
нометров, так как при малой толщине их характеристики нелиней-
ны. Прогиб же равномерно гофрированных мембран линейно воз-
растает с увеличением давления. Анероидная коробка — весьма
эффективный чувствительный преобразователь (рис. 5.50, в) Для
обеспечения достаточно больших усилий в регистрирующих мано-
метрах используют многовитковые трубки Бурдона (рис. 5.50, ж).
5.6.3.	Промышленные преобразователи давления
Преобразователи давления серии «Метран»
Принцип действия преобразователей давления серии «Метран»
основан на использовании пьезорезистивного эффекта в тонкой
полупроводниковой пленке кремния, выращенной на поверхности
монокристаллической подложки из искусственного сапфира. Мо-
нокристаллическая структура кремния на сапфировой подложке в
виде плоской миниатюрной мембраны воспринимает измеряемое
давление (или внешнее силовое воздействие) и преобразует его в
пропорциональный электрический сигнал, обеспечивая при этом
высокую стабильность метрологических характеристик и практичес-
кое отсутствие гистерезиса. Благодаря высоким диэлектрическим
свойствам сапфира сравнительно просто и надежно решается задача
создания датчиков в искробезопасном исполнении.
Микропроцессорные датчики серии «Метран» имеют существен-
ные преимущества перед аналоговыми датчиками по метрологичес-
ким, техническим, функциональным и эксплуатационным показа-
телям.
Высокие метрологические характеристики датчиков обеспечи-
ваются в процессе изготовления приборов. Для этого все элементы
сенсорного блока микропроцессорного датчика (рис. 5.51) проходят
382
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.51. Структурная схема микропроцессорного датчика (р — измеряе-
мое давление или перепад давлений; Т — контролируемая тем-
пература; / — выходной унифицированный сигнал постоянно-
го тока):
I — сенсорный модуль: 1 - преобразователь давления (сенсор); 2 -
преобразователь температуры (сенсор); 3 — АЦП; 4 — память сенсор-
ного блока; II — электронный модуль: 5 — микропроцессор электрон-
ного блока датчика; 6 — память электронного блока датчика; 7 — блок
настройки параметров; 8 — цифровой индикатор с жидкокристалличес
ким дисплеем; 9 — ЦАП; кн.1, кн.2, кн.З — кнопочные переключат'-и
предварительные испытания по специально разработанной программе
для стабилизации их характеристик в рабочих условиях. Затем сен-
сорные блоки подвергают воздействию температуры и давления во
всем рабочем диапазоне с измерением их выходных сигналов. Ре-
зультаты этих измерений используются для расчета коэффициентов
коррекции, которые хранятся в памяти сенсорного блока 4
Цифровой сигнал сенсорного блока вместе с коэффициентами
коррекции поступает на вход электронного преобразователя, мик-
ропроцессор 5 которого корректирует цифровой сигнал по темпера-
туре и линеаризует его. Скорректированный цифровой сигнал пре-
образуется ЦАП 9 электронного блока датчика в стандартный вы-
ходной сигнал постоянного тока 1.
Цифровые значения сигнала в установленных единицах измере-
ния или в % диапазона измерения выводятся на цифровой индика-
тор (ЦИ) 8.
Микропроцессорные датчики серии «Метран» при работе осу-
ществляют непрерывную самодиагностику. В случае возникновения
неисправности датчик формирует предупредительный аналоговый
сигнал постоянного тока.
Контроль установленных ранее параметров и настроек датчика,
выбор и установка новых параметров (настроек), а также калибров-
ка датчика выполняются оператором.
На рис. 5.52 показана структурная схема построения модельного
ряда датчиков.
Состав конкретной модели датчика зависит от вида выходного
сигнала: датчик с частотным неунифицированным выходным сиг-
налом состоит только из чувствительного элемента 2 и модуля ге-
5.6. Измерение давления
383
Рис. 5.52. Схема построения модель-
ного ряда датчиков:
/ — измеряемая физическая величина; 2 —
чувствительный элемент; 3 — модуль ге-
нераторов; 4— модуль преобразования ча-
стоты; 5 — модуль преобразования часто-
та-напряжение; б — модуль преобразова-
ния напряжение—ток; 7 — частотный
неунифицированный сигнал; Я — токовый
унифицированный сигнал; 9 — частотный
унифицированный сигнал
нераторов 3\ датчик с частотным унифицированным выходным сиг-
налом дополнен модулем преобразования 4; в датчик с токовым уни-
фицированным выходным сигналом включены также модули пре-
образования частота—напряжение 5 и напряжение—ток 6, причем
модуль преобразования 4 может отсутствовать. В качестве чувстви-
тельных элементов 2 используются пьезокварцевые резонаторы. От-
личительной особенностью данных элементов является то, что при
их использовании совместно с модулем генераторов 3, независимо
от диапазона и вида измеряемого параметра на выходе модуля генера-
торов, будет присутствовать частотный сигнал в диапазоне 0,3...3 кГц,
т. е. изменение диапазона или вида измеряемого сигнала требует
лишь смены чувствительного элемента. Таким образом, появляется
возможность осуществить унификацию модулей генераторов, пре-
образования и модулей преобразования частота—напряжение и час-
тота—ток и использовать единый подход при разработке датчиков
давления, температуры и влажности с различными выходными сиг-
налами и диапазонами измеряемого параметра (датчики отличаются
только чувствительными и конструктивными элементами). Унифи-
цированные модули выполняются в виде отдельных электронных
блоков, которые могут компоноваться в готовое устройство в раз-
личном сочетании. В простейшем случае датчик с частотным не-
унифицированным выходным сигналом состоит только из чувстви-
тельного элемента 2 и модуля генераторов 3.
Рассмотрим работу датчиков. С чувствительного элемента 2 час-
тотный сигнал поступает на 3, в состав которого входит смеситель
частоты. С выхода модуля генераторов 3 разностный частотный не-
унифицированный сигнал fp может поступать как непосредственно
на выход датчика 7, так и на модуль преобразования частоты 4, в
котором происходит математическая обработка сигнала fp. С выхо-
да модуля преобразования сигнала 4 частотный унифицированный
сигнал fnp может поступать как непосредственно на выход 9 датчи-
ка, так и далее на модули преобразования частота—напряжение 5 и
напряжение—ток 6 для датчиков с унифицированным выходным
сигналом 8.
384
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.6.4.	Защита манометров от действия агрессивных,
горячих, загрязненных, кристаллизующихся
и вязких сред
Для обеспечения безотказной работы приборов в тяжелых усло -
виях химических производств часто требуется соблюдение особых
мер.
Кислородные манометры во избежание воспламенения и взрыва
масла подвергаются обезжириванию. Ацетиленовые манометры, что-
бы исключить образование весьма взрывоопасной ацетиленистой
меди, изготовляют из материалов с пониженным содержанием меди
Во избежании коррозионного действия аммиака и водорода детали
аммиачных и водородных манометров изготовляют из специальных
марок стали. Манометры снабжаются соответствующей надписью
на циферблате и окрашиваются в следующие цвета: для измерения
давления кислорода — голубой, водорода — темно-зеленый, ацети -
лена — белый, аммиака — желтый и т. д.
При измерении давления агрессивных газов, а также агрессив-
ных, вязких и кристаллизующихся жидкостей манометр заполняет-
ся неагрессивной жидкостью, а передача импульса давления от объек-
та измерения к манометру производится через жидкостные (рис. 5.53),
сильфонные или мембранные (рис. 5.54) разделители.
Разделительные сосуды с разделительными жидкостями
Этот метол защиты манометров, соединительных трубок и диф-
манометров от агрессивных газов, а также от агрессивных и вязких
жидкостей наиболее распространен. Для его применения необходи-
ма разделительная жидкость, которая не должна смешиваться или
взаимодействовать химически с измеряемой средой и должна быть
нейтральной по отношению к материалам манометра, соединитель-
ных трубок, дифманометра и разделительного сосуда, из которых
I, изображенный на рис. 5.53, а,
1
Рис. 5.53. Разделительные
сосуды с разделительными
2	жидкостями:
а — разделительная жидкость
легче измеряемой; б — разде-
лительная жидкость тяжелее
измеряемой (/ — измеряемая
жидкость; 2 — разделительная
ЖИДКОСТЬ!
5.6. Измерение давления
385
Рис. 5.54. Разделительные сосуды с гибкими разделителями:
а — мембранные: (7 — измеряемая жидкость; 2 — нейтральная жид-
кость; 3 — гибкая мембрана); б — сильфонные; в — разделитель-пнев-
моповторитель
применяется в том случае когда разделительная жидкость имеет
меньшую плотность, чем измеряемая. На рис. 5.53, б показан разде-
лительный сосуд, применяемый в том случае, когда разделительная
жидкость имеет ббльшую плотность, чем измеряемая.
Разделительные сосуды с гибкими перегородками
Такие сосуды применяют, когда подбор разделительной жидко-
сти с необходимыми химическими и физическими свойствами зат-
руднен и когда измеряемое вещество образует осадок или содержит
механические примеси (к таким веществам относятся различные
пул ьпы и гидросмеси).
На рис. 5.54, а показан разделитель в виде гибкой мембраны 3.
Измеряемая жидкость 1 передает свое давление через мембрану 3
нейтральной жидкости 2. На рис. 5.54, б изображен разделитель-
сильфон, а на рис. 5.54, в — разделитель-пневмоповторитель с мем-
браной, защищающей от действия агрессивного газа при измерении
его давления.
Непрерывная продувка или промывка соединительных трубок
дифманометра
Способ защиты основан на непрерывной подаче в соединитель-
ные трубки воздуха (при продувке) или воды (при промывке) от
постороннего источника, давление которого выше, чем давление в
трубках.
На рис. 5.55 изображена схема устройства для защиты дифмано-
метра посредством непрерывной продувки трубок воздухом. По ли-
нии 1, на которой установлен манометр 3, воздух через фильтр 2 от
небольшого компрессора или от сети сжатого воздуха проходит че-
рез регулировочные игольчатые вентили 4 и указатели расхода воз-
духа 6, заполняет трубки 5 и 7, а затем выходит в производственный
трубопровод 9 в точках отбора давлений рх и р2 (точки а). Измери-
13 Бала юн А В.. X.ipinoiimi Н II
386
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.55. Защита дифманометра с использованием непрерывной продув-
ки соединительных трубок воздухом. Пояснения см. в тексте
тельный прибор (дифманометр) 10 следует устанавливать выше су-
жающего устройства (диафрагма) 8, также необходимо иметь на-
клон трубок 7 в сторону последнего для удаления влаги и конденса-
та из воздуха. Чтобы разность давлений в точках б, измеряемая диф-
манометром, равнялась разнице давлений р{ — р2, в обеих трубках на
участках б—а падение давлений должно быть одинаковым, а для
этого требуется равенство скоростей воздуха в них, что достигается
с помощью регулировочных вентилей 4 и указателей расхода 6.
Чем меньше расход воздуха на продувку, тем точнее разность
Рис. 5.56. Защита мано-
метров от действия го-
рячей среды:
а — сифонная кольцеобраз-
ная трубка; 6 — сифонная
U-образная трубка
давлений в точках б соответствует разности
давлений р} — р2, но при этом увеличивается
запаздывание показаний дифманометра с
уменьшением расхода измеряемого вещества.
Для снижения запаздывания желательно
иметь небольшие диаметры и длины как со-
единительных, так и воздушных трубок, но
не нужно уменьшать проходные сечения на
участках б—а.
Непрерывная продувка применяется на
небольших давлениях измеряемого вещества
и при возможности ввода в него воздуха.
Защита манометров
от действия горячей среды
В химической промышленности маномет-
ры часто устанавливают на теплообменниках,
экстракционных и дистилляционных аппара-
5.7. Измерение температуры
387
тах и т. д. Для предотвращения воздействия (например, пара или
газа с высокой температурой) манометр присоединяют к месту из-
мерения либо через сифонную кольцеобразную трубку с гидравли-
ческим затвором, которая и предохраняет манометр от перегрева
(рис. 5.56, а), либо через сифонную U-образную трубку (рис. 5.55, б),
заполненную водой.
5.7.	ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
5.7.1.	Общие сведения об измерении температуры
Одним из основных технологических параметров в химическом
производстве является температура. Температура — фундаменталь-
ная физическая величина, характеризующая состояние термодина-
мического равновесия макроскопической системы.
Измерение температуры предполагает построение шкалы темпе-
ратур на основе воспроизведения ряда равновесных состояний —
реперных точек, которым приписаны определенные значения тем-
ператур, и создания интерполяционных приборов, реализующих
шкалу между ними.
Чаще всего используются три температурные шкалы: эмпири-
ческие шкалы Цельсия и Фаренгейта и термодинамическая шкала
Кельвина. Наиболее употребляемая температурная шкала была пред-
ложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 г. Опорными точками этой
шкалы являются температура плавления льда (О °C) и температура
кипения воды (100 °C). Первая температурная шкала была введена
Г. Фаренгейтом (G. Fahrenheit) в 1715 г. Для нижней опорной точки
(0 °F) была использована температура замерзания солевого раство-
ра, а для верхней — температура под мышкой здорового англичани-
на (96 °F). В 1848 г. лорд Кельвин (У. Томсон) предложил термоди-
намическую температурную шкалу, основанную на втором законе
термодинамики. Термодинамическую температуру («абсолютную тем-
пературу») обозначают символом Т. Единицей ее измерения являет-
ся кельвин (К), определенный как 1/273,16 часть термодинамичес-
кой температуры тройной точки воды.
Перевод температуры из одной температурной шкалы в другую
осуществляется с помощью простых соотношений:
/(’C) = |[T(°F)-32];
Т(К) = г(С) +273,16.
388
Глава 5. Измерение технологических параметров
В результате О °C соответствует 32 °F и 273,16 К, а 100 °C соответ-
ствуют 212 °F и 373,15 К. Использование 100 равномерных шагов
температуры между точками кипения и замерзания воды (собствен-
но и сам выбор опорных точек), как и 180 равномерных шагов тем-
пературы по шкале Фаренгейта процедура совершенно произволь-
ная. В настоящее время в качестве стандарта принята международ-
ная практическая шкала МТШ-90 (ITS-90), использующая в качестве
опорных точек температуры изменения агрегатного состояния оп-
ределенных веществ, которые могут быть воспроизведены стандарт-
ными средствами измерения температуры. В интервалах между опор-
ными точками точность измерений сохраняется за счет применения
уравнений интерполяции. В табл. 5.3 приведены основные репер-
ные точки МТШ-90 и стандартные средства измерения температуры
в этих точках.
Таблица 5.3. Основные реперные точки МТШ-90
Название	Температура, К	Средства измерений
Точка затвердевания меди Точка затвердевания золота	1357,77 1337,33	Оптический пирометр (свыше 1234,93 К)
Точка затвердевания серебра Точка затвердевания алюминия Точка затвердевания цинка Точка затвердевания олова Точка затвердевания индия Точка плавления галлия Тройная точка воды Тройная точка ртути Тройная точка аргона Тройная точка кислорода Тройная точка неона Тройная точка равновесного водорода	1234,93 933,473 692,677 505.078 429,7485 302,9146 273,16 234,3156 83.8058 54,3584 24,5561 13,8033	Платиновый термометр сопротивления (от 13,8033 К до 1234,93 К)
Приборы для измерения температуры называют термометрами
Различают контактный и бесконтактный методы измерения темпе-
ратуры.
5.7. Измерение температуры
389
На рис. 5.57 выполнено ориентировочное сравнение областей
применения термометров наиболее распространенных типов. Есте-
ственно, что границы этих областей у различных изготовителей нео-
динаковы. В ближайшее время предельные температуры примене-
ния термометров, особенно электрических, могут быть смещены как
в сторону более высоких, так и в сторону низких температур. Штри-
ховыми линиями на рис. 5.57 показаны области температур, в кото-
рых термометры используются только кратковременно.
; Дилатометрические
X------------Х-Х Биметаллические
'	1	11 X1— X Стеклянные жидкостные
X .......—— / Манометрические жидкостные
X........ . 'X Манометрические газовые
X  	X Манометрические конденсационные
X---X Жидкие кристаллы
Термопары
Платиновые термометры сопротивления
Медные термометры сопротивления
NTC-термисторы
РТ С-термисторы
Кварцевые
С исчезающей нитью накала
Фотоэлектрические
Радиационные
Спектрального отношения
О
I
1000	1500	2000
-200 0	500	1000	1500	2000 Г, °C
Рис. 5.57. Сравнение температурных диапазонов контактных и бескон-
тактных термометров
390
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.7.2.	Измерение температуры контактным методом
Рис. 5.58. Область применения
контактных и бесконтактных
термометров:
I — термисторы; 2 — пьезоэлект-
рические; 3 — термопреобразовате-
ли сопротивления; 4 — термоэлек-
трические преобразователи (термо-
пары)
При использовании контактного
метода измерения температуры опреде-
ляют величину одного из параметров
первичного измерительного преобразо-
вателя (ПИП), зависящего от его тем-
пературы. При этом предполагают, что
температура ПИП равна температуре из-
меряемого объекта, которую хотели бы
измерить. Для выполнения этого усло-
вия необходимо обеспечить хороший
тепловой контакт между ПИП и изме-
ряемым объектом, что и дало название
методу измерения.
К контактному методу относится
измерение температуры термометрами
расширения, манометрическими термо-
метрами, термометрами сопротивления,
термоэлектрическими термометрами.
Температурные диапазоны приме-
нения наиболее распространенных кон-
тактных термометров представлены на
рис 5.58.
5.7.2.1.	Термометры расширения
Принцип действия термометров расширения основан на различ-
ном тепловом расширении двух разных веществ. К термометрам
расширения относят стеклянные жидкостные, дилатометрические,
биметаллические, манометрические.
Термометры стеклянные жидкостные
Принцип действия стеклянных жидкостных термометров осно-
ван на различии теплового расширения термометрической жидко-
сти (ртути, амальгамы таллия, спирта, других органических жидко-
стей) и материала оболочки, в которой они находятся (термометри-
ческого стекла или кварца). В небольшом интервале температур
расширение можно рассчитать по формулам:
ДИ = ₽ГДг	(5.52)
или
И,=И0(1 + ₽г).
(5.53)
5.7. Измерение температуры
391
В выражениях (5.52) и (5.53) Ио и Vt — объемы термометри-
ческой жидкости (м3) при температуре О °C и при температуре t °C;
Р — температурный коэффициент объемного расширения,°C-1.
Замечание
Коэффициент Р не является постоянной величиной, а зависит от тем-
пературы.
Для изготовления термометров рас-
ширения используют стекла специальных
сортов (термометрические) с малым зна-
чением температурного коэффициента
расширения. Термометры расширения
используются для измерения температу-
ры в пределах от —200 °C до 1200 °C с
высокой точностью (цена деления образ-
цовых стеклянных термометров составляет
0,01 °C). Наибольшее распространение по-
лучили ртутные стеклянные термометры.
Основными элементами конструкции
являются резервуар с припаянным к нему
капилляром, частично заполненные
термометрической жидкостью (ртутью),
и шкала. Конструктивно различают палоч-
ные термометры и термометры со шка-
лой, вложенной внутрь стеклянной оболочки
(рис. 5.59, а). У палочных термометров
шкала наносится непосредственно на по-
верхности толстостенного капилляра. У
термометров с вложенной шкалой капил-
Рис. 5.59. Стеклянные жидко-
стные термометры:
а — обыкновенный с вложенной
шкалой; б — электроконтактный
с подвижным контактом для ус-
тановки задания
ляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой заключены в защит-
ную оболочку, припаянную к резервуару. Разновидностью ртутных
стеклянных термометров являются ртутные электроконтактные тер-
мометры (рис. 5.59, 6), предназначенные для сигнализации или ре-
лейного регулирования температуры.
Термометры дилатометрические и биметаллические
Принцип действия дилатометрических и биметаллических тер-
мометров основан на различии линейного расширения твердых тел,
из которых изготовлены чувствительные элементы этих термомет-
ров. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины
твердого тела от температуры выражается линейным уравнением вида
= £Q(1 +at),
(5.54)
392	Глава 5. Измерение технологических параметров
где £, — длина твердого тела при температуре / °C, м; £0 — длина того
же тела при температуре О °C; а — температурный коэффициент
линейного расширения твердого тела,°C-1.
Схема дилатометрического термометра представлена на рис. 5.60.
Термометр состоит из трубки 1, изготовленной из металла с боль-
шим коэффициентом линейного расширения (меди, латуни, алю-
миния), и стержня 2 из материала с малым коэффициентом линей-
ного расширения (инвара, фарфора). Один конец трубки крепится
неподвижно к корпусу прибора, а к другому жестко прикреплен стер-
жень. Сама трубка помещается в среду, температуру которой изме-
ряют. Изменение температуры среды приводит к изменению длины
трубки, адлина стержня остается практически постоянной. Это при-
водит к перемещению стержня, который с помощью рычага 3 пере-
мещает стрелку по шкале прибора.
Принцип действия биметаллических термометров основан на раз-
личии температурных коэффициентов линейного расширения ме-
таллических пластин (например, из инвара и латуни, из инвара и
стали), сваренных (спаянных, склепанных) между собой по всей
плоскости соприкосновения. Нагревание приводит к деформации
такой термобиметаллической пластины; последняя изгибается в сто-
рону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения
(инвара) (рис. 5.61). Биметаллические термометры используются в
качестве чувствительного элемента в температурных реле, а также
для компенсации влияния температуры окружающей среды в изме-
рительных приборах. Дилатометрические и биметаллические термо-
метры для непосредственных измерений температуры применяются
сравнительно редко.
Рис. 5.60. Схема дилатометрического
термометра. Пояснения см. в тексте
Рис. 5.61. Схема биметаллического
термометра
5.7. Измерение температуры
393
5.7.2.2.	Манометрические термометры
Рис. 5.62. Схема
манометрического
термометра. Пояс-
нения см. в тексте
Принцип действия манометрических термометров основан на
взаимосвязи между температурой и давлением рабочего вещества в
замкнутой системе (термосистеме). Основные ча-
сти термосистемы (рис. 5.62): термобаллон 1, ка-
пиллярная трубка 2 и деформационный маномет-
рический преобразователь 3 (например, трубка
Бурдона). Преобразователь связан со стрелкой
прибора (манометра) через передаточный меха-
низм, который на рис. 5.62 не показан. Компен-
сация погрешности, возникающей из-за влияния
температуры окружающей среды на показания
манометра, осуществляется биметаллическим ком-
пенсатором 4.
Первичным измерительным преобразователем
манометрического термометра является термобал-
лон — элемент термосистемы, воспринимающий
температуру измеряемой среды и преобразующий
ее в давление рабочего вещества.
В зависимости от вида рабочего вещества ма-
нометрические термометры подразделяют на газо-
вые, жидкостные и конденсационные (паро-жидко-
стные). Газовые и жидкостные манометрические
термометры имеют линейную шкалу, а конденса-
ционные — нелинейную.
Принцип действия газовых манометрических термометров осно-
ван на зависимости давления газа от температуры при постоянном
объеме:
^=Po(1 + Yz)-	(5 55)
Здесь р0 — давление газа при температуре О °C, Па; у — температур-
ный коэффициент расширения газа, °C-1.
В газовых манометрических термометрах термосистема запол-
нена газом под избыточным давлением. В качестве рабочего веще-
ства используется обычно азот, аргон, гелий. Газовые манометри-
ческие термометры позволяют измерять температуру в диапазоне от
-150 °C до +600 °C
Принцип действия жидкостных манометрических термометров
основан на зависимости объема термометрической жидкости (рту-
ти, силиконовых масел, толуола) от ее температуры. Изменение объе-
ма жидкости преобразуется с помощью манометрической пружины
(трубки Бурдона) в перемещение. Жидкостные манометрические
термометры позволяют передавать показания на ограниченное рас-
394
Глава 5. Измерение технологических параметров
стояние (до 60 м), а развиваемое ими усилие настолько велико, что
к ним могут быть подключены не только показывающие приборы,
но и передающие преобразователи или механические регуляторы
прямого действия.
Жидкостные манометрические термометры позволяют измерять
температуру в диапазоне от —150 °C до +300 °C.
В конденсационных манометрических термометрах термобаллон
частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное его про-
странство — ее парами. Эти термометры имеют преимущество пе-
ред газовыми и жидкостными. Давление насыщенного пара в тер-
мосистеме зависит только от температуры на границе раздела фаз
пар—жидкость, поэтому изменение объема термосистемы и темпе-
ратуры рабочего вещества в капиллярной трубке и манометре не
изменяют показаний термометра. Объем термобаллона конденсаци-
онных манометрических термометров может быть меньше, чем объем
термобаллона газовых и жидкостных манометрических термомет-
ров, что благоприятно сказывается на динамических характеристи-
ках термометра.
В качестве рабочего вещества в конденсационных манометри-
ческих термометрах используют фреон, пропан, хлористый метил,
этиловый эфир, ксилол, ацетон и др. Пределы измерения от —50 °C
до +300 °C.
Динамические свойства манометрических термометров всех ви-
дов могут быть представлены статическим звеном первого порядка.
Постоянная времени газовых манометрических термометров,
называемая также показателем тепловой инерции, равна:
•	500 с, если термобаллон окружает спокойная газовая среда (воз-
дух или газ);
•	15 с, если термобаллон окружает спокойная жидкая среда (вода
или жидкости с близкими к ней коэффициентами теплопередачи);
•	60 с, если термобаллон окружает газовая среда (воздух или
газ), движущаяся со скоростью не более 7 м/с;
•	3 с, если термобаллон окружает жидкая среда (вода или жидко-
сти с близкими к ней коэффициентами теплопередачи), движущая-
ся со скоростью не более 7 м/с.
Показатель тепловой инерции для жидкостных и конденсацион-
ных манометрических термометров:
•	в спокойной газовой среде (воздухе или газе), окружающей
термобаллон, равен 800 с;
•	в спокойной жидкой среде (воде или жидкости с близкими к
ней коэффициентами теплопередачи), окружающей термобаллон,
равен 30 с;
•	в движущейся газовой среде (воздухе или газе) со скоростью не
более 7 м/с, окружающей термобаллон, равен 120 с;
5.7. Измерение температуры
395
•	в движущейся жидкой среде (воде или жидкости с близкими к
ней коэффициентами теплопередачи) со скоростью не более 7 м/с,
окружающей термобаллон, равен 6 с.
При измерении температуры агрессивных сред и при измерении
температуры в аппаратах, работающих при высоких давлениях, тер-
мобаллоны манометрических термометров устанавливают в защит-
ную гильзу.
Манометрические термометры могут применяться в пожаро- и
взрывоопасных условиях любых категорий. Большинство маномет-
рических термометров обладает хорошей виброустойчивостью
Для устранения погрешности, которую может вызвать гидроста-
тической напор столба жидкости в жидкостных и конденсационных
манометрических термометрах, термобаллон и манометр устанавли-
вают на одном уровне.
Для снижения температурной погрешности в газовых и жидко-
стных манометрических термометрах применяют термобаллоны с
объемом рабочего вещества, превышающим в несколько раз объем
вещества, находящегося в капиллярной трубке и трубчатой пружине
Бурдона. В результате чувствительные элементы оказываются дос-
таточно большими (длина от 80 мм до 600 мм, диаметр 16 мм и 20 мм)
и инерционными. Используют также компенсационное устройство
в виде биметаллической пластины, встроенной в передаточный ме-
ханизм манометра, которая при изменении температуры манометра
действует в обратном направлении относительно трубчатой пружи-
ны Бурдона.
Чтобы снизить влияние барометрического давления на показа-
ния манометрических термометров, газовые и жидкостные мано-
метрические термометры заполняются рабочим веществом под не-
которым начальным давлением (до 2...3 МПа).
5.7.2.3. Термоэлектрические преобразователи
Термоэлектрический термометр — прибор для измерения темпе-
ратуры, состоящий из термопары в качестве чувствительного эле-
мента и электроизмерительного прибора (милливольтметра, авто-
матического потенциометра и др.).
Термоэлектрическим преобразователем, или термопарой, называ-
ют два разнородных электропроводящих элемента (обычно метал-
лические проводники, реже полупроводниковые), соединенных на
одном конце и образующих часть устройства, использующего тер-
моэлектрический эффект для измерения температуры.
Измерение температуры с помощью термоэлектрического пре-
образователя основано на термоэлектрическом эффекте Зеебека: в
замкнутой термоэлектрической цепи, составленной из двух разно-
396
Глава 5. Измерение технологических параметров
родных проводников, возникает электрический ток, если два спая
(места соединения) проводников имеют разную температуру.
Термоэлектрический эффект объясняется наличием в провод-
нике (металле) свободных электронов, число которых в единице
объема различно для разных проводников (металлов). Допустим, что
в спае с температурой t электроны из проводника А диффундируют
в проводник В в заведомо большем количестве, чем обратно. Про-
водник А заряжается положительно, а проводник В — отрицательно.
Появившийся электрический ток генерирует разность потенциалов
на двух спаях, известную как контактная разность потенциалов. Она
зависит от температуры спаев и ее можно измерить или милливольт-
метром, или потенциометром.
Спай, помещенный в измеряемую среду с температурой г, назы-
вают измерительным (горячим или рабочим) или рабочим концом тер-
мопары. Второй спай, находящийся при постоянной температуре г0
называют соединительным (опорным, холодным, свободным) или сво-
бодным концом термопары. Опорный спай подвержен действию тем-
пературы в месте присоединения к измерительному прибору. Опор-
ная температура должна выдерживаться с определенной точностью.
Если существует зависимость термоэлектродвижущей силы
(ТЭДС) термоэлектрического преобразователя от температуры ра-
бочего конца и при постоянно заданной температуре свободных
концов, то измерение температуры сводится к измерению ТЭДС
термоэлектрического преобразователя (предполагая, что температу-
ра свободных концов термоэлектрического преобразователя посто-
янна: ее стандартное значение г0 = О °C). Чтобы подключить измери-
тельный прибор (милливольтметр, либо потенциометр) в термоэлек-
трическую цепь, ее разрывают (либо в спае с температурой г0, либо
в одном из термоэлектродов, например В, — рис. 5.63, б, в).
Рис. 5.63. Принцип действия термоэлектрического преобразователя:
а — термоэлектрическая цепь из двух проводников (термоэлектродов)
А и В; б - термоэлектрическая цепь с третьим проводником С, вклю-
ченным между термоэлектродами; в — термоэлектрическая цепь с тре-
тьим проводником С, включенным в термоэлектрод В термоэлектри-
ческого преобразователя (I — температура рабочего спая; ta — темпера-
тура опорного спая)
5.7. Измерение температуры
397
ТЭДС термоэлектрического преобразователя не изменяется от
введения в его цепь третьего проводника, если концы этого провод-
ника имеют одинаковые температуры. На этом основании в цепь
термоэлектрического преобразователя подключают соединительные
провода, измерительные устройства (приборы) и подгоночные со-
противления. Желательно в цепи термоэлектрического преобразо-
вателя применять проводники, термоэлектрические свойства кото-
рых незначительно отличаются от свойств термоэлектродов.
Основные типы стандартных промышленных термоэлектричес-
ких преобразователей приведены в табл. 5.4, а технические характе-
ристики некоторых из них — в табл. 5.5.
Таблица 5.4. Стандартные промышленные термоэлектрические
преобразователи
Тип	Обозначение промышленного термо п реобра зо - вателя	Материалы термоэлектродов	
		Положительный электрод	Отрицательный электрод
R	ТПП	Платина 87 %, родий 13 %	Платина
S	ТПП	Платина 90%, родий 10%	Платина
В	ТПР	Платина 70 %, родий 30%	Платина 94 %, родий 6 %
J	тжк	Железо	Константан (57 % меди, 43 % никеля)
Т	тмк	Медь	Константан
Е	ТХКн	Никель—хром (хромёль)	Константан
К	ТХА	Никель—хром (хромель)	Никель—алюминий (алюмель)
N	тнн	Никель—хром— кремний (нихросйл)	Никель—кремний (нисил)
А	ТВР	Вольфрам—рений	Вольфрам—рений
L	тхк	Хромель	Копель
М	тмк	Медь	Копель
398
Глава 5. Измерение технологических параметров
Таблица 5.5. Технические характеристики термоэлектрических
преобразователей типа К и L
Тип	Класс допуска	Диапазон измерений. С	Погрешность измерения температуры	
			Температурный диапазон, "С	Допускаемое отклонение. °C
К	2	-40... 1300	-40...375 375...1300	±1,5 ±0,0075/
L	2	-40... 800	-40...300 300... 800	±2,5 ±(0,7 + 0,005 /)
Примечание, t — температура измеряемой среды, С.				
Номинально приписываемая термопаре данного типа зависимость
ТЭДС от температуры рабочего конца при постоянно заданной тем-
пературе свободных концов называется номинальной статической
характеристикой (НСХ) преобразования термопары (рис. 5.64).
Рис. 5.64. Номинальные статические характеристики термоэлектрических
преобразователей
5.7. Измерение температуры
399
НСХ термоэлектрических преобразователей не линейны и могут
быть аппроксимированы полиномами:
п
£(г,О)=£Л/,	(5.56)
/-о
где £(/, 0), мВ — ТЭДС термопары при температуре рабочего конца
t °C и температуре свободного конца г0 = 0 °C; А-, — коэффициенты
полинома. В зависимости от природы термоэлектродов и диапазона
температур степень полинома п может изменяться от 3 до 14.
В реальных производственных условиях температура свободных
концов термопары обычно отличается от температуры t0 = 0 °C, для
которой составлены таблицы номинальных статических характерис-
тик, поэтому в показания измерительных приборов необходимо вво-
дить поправку.
Способы устранения погрешности, обусловленной температурой
свободных концов термоэлектрического преобразователя
1.	Расчетная поправка. К измеренному значению ТЭДС £(/, t0)
прибавляют величину ТЭДС £(г0, 0), найденную по НСХ преобра-
зования термопары и соответствующую действительной температуре г0
свободного конца термопары при измерении:
£(/, 0)=£(/, Г0) + £(г0, 0).	(5 57)
По полученному суммарному значению ТЭДС £(г, 0) с помо-
щью НСХ преобразования термопары находят измеряемую темпе-
ратуру.
Если НСХ преобразования термопары близка к линейной, то к
значению температуры, найденному по значению измеренной
ТЭДС, добавляют действительную температуру свободных концов
термопары
2.	Перестановка указателя аналогового измерительного прибора.
Если температура свободных концов термопары постоянна, а НСХ
преобразования термопары близка к линейной, поправку к показа-
ниям вводят предварительной установкой стрелки прибора на деле-
ние шкалы, соответствующей этой температуре.
3.	Перенос свободных концов термопары в зону постоянной тем-
пературы с помощью удлиняющих проводов. Термопары из деше-
вых материалов удлиняют с помощью термоэлектродных проводов,
изготовленных из тех же материалов, что и основная термопара. Для
термопар из дорогих материалов в качестве удлиняющих проводов
используют более дешевые термоэлектродные провода, которые в
заданном диапазоне температур (обычно от 0 °C до 100 °C) образуют
термопару с такой же НСХ, что и основная термопара.
400
Глава 5 Измерение технологических параметров
Рис. 5.65. Подключение термоэлектричес-
кого преобразователя к измерительному
прибору:
I — головка термоэлектрического преобразова-
теля; 2 — рабочий (горячий) спай термоэлект-
рического преобразователя; 3 — термоэлектрод-
ный кабель; 4 — датчик температуры свободно-
го (холодного) спая; 5 — экран
4.	Термостатирование свободных концов термопары с помощью
термостата. Стрелку аналогового измерительного прибора устанавли-
вают на деление шкалы, соответствующей температуре термостата.
5.	Автоматическое введение поправочного напряжения. К ТЭДС
E(t, t0), развиваемой термопарой, добавляют поправочное напряже-
ние E(t0, 0), соответствующее температуре свободных концов термо-
пары, с помощью корректирующего устройства, представляющего
собой мост сопротивлений, в одно из плеч которого включено сопро-
тивление. зависящее от температуры (медный резистор, полупровод-
никовый диод и т. п.). Это сопротивление является датчиком темпе-
ратуры свободных концов термопары и должно иметь с ними одина-
ковую температуру, поэтому располагается рядом с тем местом, где
термопара подключается к измерительному прибору (рис. 5.65).
Примечание
При соединении термоэлектродных проводов с термоэлектрическим
преобразователем и измерительным прибором необходимо соблюдать по-
лярность. Чтобы избежать влияния помех на измерительную часть прибо-
ра, линию связи прибора с термоэлектрическим преобразователем экрани-
руют (см. рис. 5.65). Например, в качестве экрана может быть использова-
на заземленная стальная трубка. Для зашиты от наводок рекомендуются:
применение емкостей, фильтрующих помехи; заземление одного из термо-
электродов термоэлектрического преобразователя (рис. 5.66, а); заземле-
ние измерительной цепи через резисторы (рис. 5.66, б). Схема (рис. 5.66, 6)
используется в том случае, если появляются технические трудности зазем-
ления термоэлектрода термоэлектрического преобразователя
Конструктивное оформление термоэлектрического преобразова-
теля разнообразно и зависит в основном от условий их применения.
Термоэлектроды обычно делают из проволоки, реже из полосок не
очень тонкой фольги. Формы рабочего спая термопар из проволоч-
ных термоэлектродов представлены на рис. 5.67. Рабочий спай поме-
щают в зонд или непосредственно в среду, температуру которой изме-
ряют. Изготавливают открытые или закрытые рабочие спаи (рис. 5.68).
Термоэлектроды, выполненные в виде фольги, наклеивают на под-
ложку, как тензометрические датчики (рис. 5.69).
5.7. Измерение температуры
401
Рис. 5.66. Зашита от помех измерительной цепи с термоэлектрическим
преобразователем: при наличии возможности заземления од-
ного из термоэлектродов термоэлектрического преобразовате-
ля (а); при наличии технических трудностей заземления тер-
моэлектрода термоэлектрического преобразователя (б):
1 — первичный измерительный преобразователь (термоэлектрический
преобразователь); 2 — термоэлектродные провода; 3 — колодка зажимов;
4 — медные провода; ИП — измерительный прибор; Я, = Я2 = 1 кОм —
резисторы цепи заземления; Я3 ~ Л, = 2 кОм, С = 50 пФ — соответствен-
но резисторы и конденсатор фильтра низких частот;	— 100 МОм —
резисторы цепи заземления на входе измерительного прибора (усили-
теля преобразования сигнала)
Как правило, рабочий спай промышленных термоэлектричес-
ких преобразователей изготовляют в пламени вольтовой дуги. Тер-
моэлектрические преобразователи из неблагородных металлов свари-
вают под слоем флюса, а преобразователи из платиновой группы —
без флюса. Пайку применяют при изготовлении термоэлектричес-
ких преобразователей из тонкой проволоки.
Рис. 5.67. Типовая форма спаев термоэлектрических преобразователей:
а — сваренные внахлест; б — развальцованные; в — сваренные встык;
г — витые провода
402
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.68. Типы термопарных зондов:
а — открытый и незазем ленный; б — открытый и заземленный; в — за-
крытый и заземленный; г — закрытый и незаземленный
Рис. 5.69. Конструкция пленочной
термопары:
I — спай; 2 — цветные соединительные
провода; 3 — пластиковая пленка
В настоящее время широкое
распространение получили ка-
бельные термоэлектрические
преобразователи, изготовляемые
из термопарного кабеля. Такой
кабель представляет собой пару
термоэлектродов, помещаемую внутрь металлической трубки и изо-
лированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO
Из специальных термопар можно выделить многозонный тер-
моэлектрический преобразователь, применяемый для измерения тем-
пературы в вертикальных аппаратах (колонны синтеза аммиака, ме-
танола и др.). Чехол такого устройства представляет собой трубу, в
которую помещен пучок изолированных один от другого преобразо-
вателей различной длины.
Динамические свойства серийно выпускаемых промышленных
термопар характеризуются постоянными времени (показателями теп-
ловой инерции), величина которых колеблется от нескольких се-
кунд до сотен секунд.
Термоэлектрические преобразователи выпускают со следующи-
ми значениями постоянных времени’
•	до 5 с — малоинерционные;
•	до 60 с — средней инерционности;
•	до 180 с — большой инерционности;
•	10 с — рабочий спай не изолирован от корпуса датчика;
•	20(60) с — рабочий спай изолирован от корпуса датчика.
Для термоэлектрического преобразователя с постоянными вре-
мени более 180 с инерционность не нормируется
5.7. Измерение температуры
403
5.7.2.4. Термопреобразователи сопротивления
Принцип действия термометров сопротивления основан на зави-
. р^мости электрического сопротивления материалов от температуры.
 •> Термометр сопротивления представляет собой комплект, в ко-
торый входят:
•	первичный измерительный преобразователь, воспринимающий
тепловую энергию и преобразующий изменение температуры в из-
менение электрического сопротивления;
•	прибор, измеряющий электрическое сопротивление и отграду-
ированный в единицах измерения температуры.
Первичный измерительный преобразователь термометров сопро-
тивления называют термопреобразователем сопротивления (ТС).
В отличие от термопар, являющихся активными преобразователями
(преобразователями генераторного типа), термопреобразователи сопро-
тивления являются пассивными преобразователями (преобразователя-
ми параметрического типа). Для них необходим вспомогательный ис-
точник энергии, тогда как для термопар он обычно не требуется.
Различают металлические и полупроводниковые термопреобра-
зователи сопротивления Полупроводниковые термопреобразовате-
ли сопротивления называют также термисторами.
Металлические термопреобразователи сопротивления
В качестве материала для металлических ТС используют чаще
всего платину, медь и никель, из которых изготовляются техничес-
кие ТС д ля измерения температуры в интервале от —200 °C до +750 °C
(платиновые) и от -50 °C до +180 °C (медные).
Термопреобразователи сопротивления могут быть охарактеризо-
ваны двумя параметрами: Rq — сопротивлением термопреобразова-
теля при температуре 0 °C и lVi0Q = Rmi/R^ — отношением сопротивле-
ния термопреобразователя при 100 °C к его сопротивлению при 0 °C.
Величина 1¥ю() зависит от чистоты материала.
Зависимость сопротивления металлических проводников от тем-
пературы может быть с весьма высокой точностью описана уравне-
ниями третьей степени.
Зависимость сопротивления платинового ТС с Wl00 = 1,3910 от
температуры выражается интерполяционным уравнением:
R, = «о [1 + At + Bt2 + Ct3 (t - 100)],	(5.58)
где R, — электрическое сопротивление металла при температуре /
(°C), Ом; Rq — электрическое сопротивление металла при темпера-
туре 0 °C, Ом; А, В, С — постоянные коэффициенты, значения кото-
рых равны:
404
Глава 5. Измерение технологических параметров
•	в интервале от —200 °C до 0 °C
А = 3,9692  10'3 °C-1; В = -5,8290 • I0'7 °C’2; С = -4,3303 • ИГ12 °C-4;
•	в интервале от 0 °C до 600 °C
А = 3,9692  10 3 “С-1; В = -5,8290 -10"7 °C’2; С = 0;
•	в интервале от 600 °C до 1100 °C
А = 3,9692 10~3 ’С4; В = -5,8621 • 10’7 °C’2; С = 0.
Зависимость сопротивления медного ТС с = 1,4260 от тем-
пературы в интервале от —50 °C до +180 °C выражается уравнением
(5.60), где а — температурный коэффициент сопротивления меди
(а = 4,26 - 10~3 °C1).
Зависимость сопротивления никелевого ТС с = 1,6170 от
температуры в интервале температур от —60 °C до +100 °C выражает-
ся интерполяционным уравнением вида
R, = Яо(1 + Лг + &2),	(5.59)
а в интервале температур от +100 °C до +180 °C выражается интер-
поляционным уравнением вида
R, = Ro [1 + At + Bt2 + Ct2 (f - 100)],	(5.59a)
где A = 5,4963 • 10’3 °C"1; В = 6,7556 - IO-6 °C 2; C = 9,2004  10"9 °C’3.
Замечание
Достоинствами никелевых ТС являются высокий температурный ко-
эффициент электрического сопротивления (а = 6,6 • 10-3 ’С-1) и большое
удельное сопротивление (12,8 •10'8 Ом • м). Недостатки: нелинейная НСХ;
значительная окисляемость при высоких температурах.
При обычных требованиях к точности зависимость сопротивле-
ния ТС от температуры можно выразить линейной функцией
Л = Ло(1+аг),	(5.60)
где Ro — сопротивление датчика при температуре 0 °C, Ом; t —
температура,°C, а — температурный коэффициент сопротивления, °C-’.
Типовые зависимости сопротивления некоторых металлов от тем-
пературы приведены на рис. 5.70. Они свидетельствуют о достаточ-
но высокой линейной взаимосвязи между сопротивлением и темпе-
ратурой (за исключением никеля).
В соответствии с ГОСТ выпускаются термопреобразователи со-
противления следующих номинальных статических характеристик
5.7. Измерение температуры
405
Рис. 5.70. Зависимость отношения Я,//^ для некоторых металлов от тем-
пературы:
Я, — сопротивление термометра при температуре t, Ом; Д, — сопротив-
ление термометра при температуре 0”С (273,15 К). Ом
(НСХ) преобразования: платиновые (ТСП) — 1П, 5П, 10П, 50П.
100П, 500П; медные (ТСМ) — ЮМ, 50М, 100М; никелевые (ТСН) —
100Н. Число в условном обозначении НСХ показывает сопротивле-
ние термопреобразователя (Ом) при температуре 0 °C.
Конструктивно термопреобразователи сопротивления представля-
ют собой тонкую платиновую или медную проволоку, намотанную
бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассо-
вый каркас, или свернутую в спираль и вложенную в каналы защит-
ного корпуса. Вариант конструкции термопреобразователя сопротив-
ления изображен на рис. 5.71. Чувствительный элемент на керами-
ческом каркасе состоит из двух последовательно соединенных
платиновых спиралей 1 К двум концам этих спиралей припаяны ко-
роткие платиновые выводы 3, к которым затем привариваются необ-
ходимой длины выводные проводники. Платиновые спирали разме-
щаются в каналах керамического каркаса 2. Крепление платиновых
спиралей и выводов в каркасе осуществляется глазурью 4, изготовля-
емой на основе оксидов алюминия и кремния: коэффициент линей-
ного расширения глазури близок к коэффициентам линейного рас-
ширения материала выводов и каркаса. Подгонка номинального со-
противления чувствительного элемента Rq при 0 °C осуществляется
постепенным уменьшением длины противоположных концов плати-
новых спиралей с последующей пайкой в точке 5. Пространство меж-
Рис. 5.71. Схема платино-
вого термопреобразовате-
ля сопротивления. Пояс -
нения см. в тексте
406
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.72. Варианты схем подключения термопреобразователей сопротив-
ления к измерительным приборам:
а — двухпроводная; б — трехпроводная; в — четырехпроводная
ду платиновыми спиралями заполняют порошком оксида для улуч-
шения теплового контакта между витками спиралей и каркасом.
Схемы подключения термопреобразователей сопротивления по-
казаны на рис. 5.72. Четырехпроводная схема подключения ТС
(рис. 5.72, в) обеспечивает измерения с максимальной точностью.
Однако дополнительные расходы на соединения такого рода не оп-
равдываются их улучшенными характеристиками. Поэтому наиболь-
шее распространение при подключении термопреобразователей со-
противления к измерительным приборам в реальных условиях полу-
чила трехпроводная схема (рис. 5.72, 6), так как такое подключение
уменьшает погрешность измерения, возникающую при изменении
сопротивления проводов (например, при изменении их температу-
ры). К одному из выводов терморезистора Rt подсоединяют два про-
вода, а третий подключают к другому выводу R, (рис. 5.73). Необходи-
мо соблюдать условие равенства всех характеристик трех проводов.
Термопреобразователи сопротивления можно подключать к изме-
рительному прибору, используя двухпроводную линию (рис. 5.72, а),
Рис. 5.73. Практическая ре-
ализация подключения ТС
по трехпроводной схеме к
измерительному прибору
но тогда отсутствует компенсация сопро-
тивления соединительных проводов, и по-
казания измерительного прибора зависят
от колебаний температуры соединительных
проводов (подробнее см. разд. 5.5).
К числу достоинств термопреобразова-
телей сопротивления следует отнести высо-
кую точность (меньшую, чем у стеклянных
термометров расширения, но большую, чем
у термоэлектрических преобразователей
(термопар) и всех остальных контактных
термопреобразователей и термометров), ста-
бильность характеристики преобразования
и возможность измерения криогенных тем-
ператур (от -260 °C).
5.7. Измерение температуры
407
Термометр сопротивления — наиболее точный датчик, позво-
ляющий измерять температуру с точностью до 10~4 °C (для этого
необходимо измерять электрическое сопротивление с точностью
до 3  10 6 Ом).
Некоторые метрологические характеристики наиболее широко
применяемых термопреобразователей сопротивления приведены в
табл. 5.6.
Таблица 5.6. Метрологические характеристики термопреобразова-
телей сопротивления типа ТСП, ТСМ
Тип	нсх	Класс допуска	Диапазон нзмерений,°С	Допускаемые отклонения,°€
	50П	А	-50...250 (500)	±(0,15 + 0,002 Г)
ТСП	100П	В	-50...250 (500)	±(0,30 + 0,005t)
	PtlOO	С	-5O...25O (500)	±(0,60 + 0,008 /)
	50М	В	-50.-150(180)	(0,25 + 0,0035 /)
ТСМ	100М	с	-50.-150(180)	(0,50 + 0,0065t)
Примечание, t — температура измеряемой среды, °C. Значение показателя тепловой
инерции ТС не превышает 30 с. Рабочий ток в измерительной цепи ТС не более 5 мА.
(500), (180) — для единичного производства.
К недостаткам можно отнести большие размеры термопреобра-
зователей сопротивления (диаметр чехла для термопреобразователя
сопротивления 6...20 мм, длина 50 ..180 мм) и. как следствие, их
высокую инерционность (постоянная времени ТС может составлять
несколько секунд при измерении температуры жидкостей и несколько
минут при измерении температуры газов).
Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления
Другая основная группа чувствительных к температуре преобра-
зователей температуры известна под названием термисторы.
Зависимость сопротивления термистора от температуры можно
приближенно выразить экспоненциальной функцией:
/?(Т2) = A(7j)exp
TiJ.
(5.61)
{Т2
где RIT^) и /?(Г|) — сопротивление термистора (Ом) при абсолют-
ной температуре 72 (К) и эталонной температуре 7\ (К); В — коэф-
фициент, зависящий от материала.
Термисторы имеют сложную и плохо воспроизводимую от об-
разца к образцу зависимость термометрического параметра от тем-
408	Глава 5. Измерение технологических параметров
пературы, что не позволяет создать для них стандартные градуиро-
вочные характеристики.
Типичные статические характеристики преобразования термис-
торов представлены на рис. 5.74. Сопоставление характеристик пре-
образователей сопротивления с характеристиками термисторов по-
зволяет прийти к следующим выводам: последние существенно не
линейны (это недостаток, сюда же можно отнести низкую стабиль-
ность), но зато они обладают более высоким температурным коэф-
фициентом сопротивления по сравнению с металлами (термисторы
имеют температурный коэффициент сопротивления между 3 % и 6 %
на 1 °C, а платиновые термометры сопротивления 0,4 % на 1 °C);
температурный коэффициент сопротивления у термисторов, как пра-
вило, отрицательный.
Примечание
Разработаны различные способы линеаризации статической темпера-
турной характеристики термистора: шунтирование термистора линейным
резистором; последовательное подключение с термистором линейного ре-
зистора или преобразователя, имеющего зеркальную проходную характе-
ристику по отношению к температурной характеристике термистора; ис-
пользование специального процессора и т. д.
Чувствительный элемент термистора изготовляют из медномар-
ганцевых, кобальтомарганцевых и других соединений. Форма и раз-
меры чувствительного элемента термистора разнообразны: пластин-
ка, стержень или диск, шайба (диаметр менее 0,2 мм), спеченный
шарик (диаметр 0,2...0,5 мм). Вариант конструкции термистора по-
казан на рис. 5.74. Термисторы существенно меньше по размерам,
Рис. 5.74. Схема термистора (полупроводникового термометра сопротив-
ления) и его температурные характеристики:
/ — термистор; 2 — защитный чехол (коррозионностойкая сталь); 3 —
внутренняя изоляция (кварцевый песок); I — термистор с отрицатель-
ным температурным коэффициентом сопротивления; II — высокотем-
пературный термистор; III — термистор с положительным температур-
ным коэффициентом сопротивления
5.7. Измерение температуры
409
чем металлические гермопреобразователи сопротивления, и поэто-
му быстрее реагируют на изменение температуры.
Диапазон измеряемых термисторами температур сравнительно
небольшой: от —60 ’С до +180 °C. Термисторы обладают удовлетво-
рительной точностью, высокой чувствительностью, а также малой
инерционностью — наименьшей постоянной времени (по сравне-
нию с другими типами термометров)
Термисторы изготавливают с большим начальным сопротивле-
нием, что позволяет снизить до незначительных величин погреш-
ности. вызываемые изменением температуры соединительных про-
водов
Замечание
Термисторные преобразователи с отрицательным температурным ко-
эффициентом сопротивления известны больше под термином NTC-терми-
сторы (negative temperature coefficient). Существуют и термисторы с поло-
жительным коэффициентом сопротивления, известные как РТС-термисто-
ры (positive temperature coefficient). Последние чаще применяются не для
измерения температуры, а для предупреждения перегрева.
В табл. 5.7 приведены сравнительные характеристики преобра-
зователей температуры.
Таблица 5 7 Сравнительные характеристики преобразователей
температуры
Параметр	Термопреобразователь		
	Термопара	Термометр сопротивления	Термистор
Чувствительность	10...50 мкВ/'С	0,1...100м/°С	0,1... 1,0 кОм/°С
Стабильность (дрейф за год)	0,5 °C	0,01 %	1 %
Воспроизводимость	5 °C	0.05 °C	0,5 °C
Диапазон температур	-200...+2200 °C	—2ОО...+85О°С	— 100...+350 °C
Линейность	Средняя	Высокая	Нелинейный
Минимальные габариты	Диаметр 0,4 мм	Диаметр 5 мм	Диаметр 0,4 мм. длина 5 мм
Точность	Хорошая	Высокая	Удовлетвори- тельная
Стоимость	Высокая	Низкая	Средняя
410
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.7.2.5. Пьезоэлектрические термопреобразователи
К этой группе можно отнести кварцевые датчики, измеряющие
изменение резонансной частоты кварцевого кристалла, зависящей
от изменения температуры. Кварцевый измерительный преобразова-
тель работает в рабочем диапазоне от —80 °C до +250 °C, имеет линей-
ную характеристику от —50 °C до +250 °C с точностью 0,04 °C и выда-
ет сигналы, удобные для регистрирующих устройств или последую-
щей цифровой обработки.
5.7.2.6. Погрешности измерения температуры
контактным методом
При измерении температуры контактным методом необходим
тепловой контакт чувствительного элемента термопреобразователя
с объектом измерения, в результате чего возникает искажение тем-
пературного поля в месте измерения. Кроме того, на температуру
чувствительного элемента влияет не только его теплообмен с изме-
ряемой средой, но также лучистый теплообмен с окружающими
поверхностями и передача теплоты вдоль конструктивных элемен-
тов теплоприемника за счет теплопроводности. В результате даже в
стационарном режиме возникает разность между температурой чув-
ствительного элемента и температурой измеряемой среды, которую
называют погрешностью контактного метода измерения температу-
ры, приближенно рассчитываемую по выражению:
где t, tj, tc — температуры измеряемой среды, термопреобразователя и
внутренней стенки трубопровода (или части технологического обору-
дования), °C; Гт, 7°с — абсолютные температуры термопреобразователя
и внутренней стенки трубопровода (или части технологического обо-
рудования), К; £, p,s — длина, периметр и площадь сечения термопре-
образователя; — коэффициент конвективной теплоотдачи от изме-
ряемой среды к термопреобразователю, Вт/(м2 К); Л — теплопровод-
ность материала термопреобразователя; ст0 = 5,67 10~8 Вт/(м2 • К4) —
константа изучения абсолютно черного тела (постоянная Стефана-
Больцмана); е|1р — приведенный коэффициент излучения системы
термопреобразователь—стенка, который в случае Ат < Ас можно
приближенно принять равным коэффициенту излучения термопре-
образователя Епр = г,; Лт и - площади поверхностей термопреоб-
разователя и стенки трубопровода (или части технологического обо-
рудования); е7 — коэффициент излучения термопреобразователя;
th — гиперболический тангенс.
5.7. Измерение температуры
411
Полностью избавиться от методических погрешностей невозмож-
но, их можно лишь свести к минимуму К сожалению, общих пра-
вил установки термопреобразователя не существует Можно дать лишь
некоторые советы, следуя которым, можно уменьшить погрешность
контактного метода измерения температуры.
1.	Уменьшение лучистого теплообмена с окружающими поверхно-
стями с помощью экранирующих устройств (тепловых экранов). На-
пример, термоэлектрический преобразователь помещают в трубку (она
вставлена в стенку аппарата, где измеряют температуру). Трубка явля-
ется экраном, отделяющим преобразователь от теплового излучения.
2.	Уменьшение передачи теплоты вдоль конструктивных эле-
ментов термопреобразователя за счет теплопроводности путем
уменьшения диаметра и длины выступающей наружу части термо-
преобразователя. Выступающую часть и место соединения термо-
преобразователя со стенкой аппарата необходимо покрывать тепло-
вой изоляцией.
3.	Увеличение коэффициента теплоотдачи от измеряемой среды
к термопреобразователю. При измерении температуры газов или
паров, движущихся по трубопроводу, термоприемники всех видов
(стеклянные жидкостные термометры, манометрические термомет-
ры, термоэлектрические преобразователи, термометры сопротивле-
ния) следует располагать против направления потока в его центре,
где скорости максимальны В этом случае коэффициент теплоотда-
чи в месте соприкосновения потока с термоприемником возрастает
вследствие разрушения пограничного слоя. При измерении темпе-
ратуры неподвижного газа для увеличения коэффициента теплоот-
дачи термоэлектрический преобразователь помещают в трубку (она
вставлена в стенку аппарата, где измеряют температуру), через ко-
торую водоструйным насосом с большой скоростью просасывается
нагретый газ. Большая скорость газового потока увеличивает тепло-
перенос к спаю преобразователя.
Примечание
Разработаны новые технологии, позволяющие изготовить чувствитель-
ные элементы контактных электрических термометров с чрезвычайно ма-
лыми размерами (оболочечные элементы), что положительно влияет на
уменьшение помех — искажений температурного поля вокруг самого дат-
чика и на динамику процесса измерения.
5.7.3.	Измерение температуры бесконтактным методом
Бесконтактный способ измерения температуры основан на вос-
приятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и вос-
принимаемой на расстоянии от исследуемого объекта. Верхний пре-
412
Глава 5 Измерение технологических параметров
дел измерения температуры таким способом теоретически неогра-
ничен. Часто традиционный контактный способ измерения темпе-
ратуры невозможно применить в силу ряда причин: недоступные
для прямого контакта поверхности (промышленное оборудование,
высокая температура в производстве кирпича, керамики, стекла и т. д.,
агрессивные вещества); материалы, плохо проводящие теплоту; не-
большие размеры объектов (при измерении контактным методом
энергия между датчиком и объектом измерения перераспределяет-
ся, в результате чего температура объекта может существенно из-
мениться).
Известно, что любая поверхность, температура которой выше
абсолютного нуля, испускает тепловую энергию в виде электромаг-
нитного излучения. При поглощении электромагнитного излучения
от излучающего тела другими телами электромагнитное излучение
вновь превращается в тепловую энергию. Излучение нагретых тел
называют тепловым. Температуру тела можно измерить на расстоя-
нии по тепловому излучению, при этом температурное поле объекта
измерения не искажается. Следовательно, бесконтактный метод из-
мерений температуры основан на том, что чувствительный элемент
средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения.
Измерение температуры тел по их тепловому излучению называют
пирометрией. Средства измерений температуры тел по тепловому излу-
чению называют пирометрами излучения или просто пирометрами.
Бесконтактные методы измерения температуры теоретически не
имеют верхнего температурного предела своего применения. Так,
температура источника со сплошным спектром излучения, близкая
к 6000 °C, измеряется теми же методами, что и температура, напри-
мер, и в 1000 °C, и в 2000 °C.
5.7.3.1.	Теоретические основы измерения температуры
по тепловому излучению
Методы измерения температур, использующие различные свой-
ства теплового излучения тел, основаны на физических законах из-
лучения абсолютно черного тела. Под абсолютно черным телом по-
нимают тело, поглощающее всю падающую на него лучистую энер-
гию. Моделью абсолютно черного тела может служить отверстие в
стенке непрозрачной полости, намного меньше самой полости, все
участки поверхности которой имеют одну и ту же температуру. Для
такой модели коэффициент поглощения принимают равным едини-
це, поскольку энергия луча, попадающего в малое отверстие полос-
ти, практически полностью поглощается внутри полости вследствие
многократных отражений от ее внутренней поверхности. При рав-
номерном нагреве такой полости тепловое излучение из отверстия
5.7. Измерение температуры
413
соответствует излучению абсолютно черного тела. Определяя такую
модель как идеальный излучатель, можно отметить, что при данной
температуре абсолютно черное тело излучает (поглощает) макси-
мально возможное количество энергии. Величины, относящиеся к
абсолютно черному телу, отметим ниже индексом «О».
В пирометрии в качестве величин, характеризующих тепловое
излучение тел, используют энергетическую светимость (излучатель-
ность) и энергетическую яркость (лучистость). Следует различать
полную и спектральную излучательность и полную и спектральную
яркость.
Закон Планка устанавливает зависимость спектральной энерге-
тической яркости абсолютно черного тела от длины волны и тем-
пературы:
^охт - 1
А
= —ехр ——
а5 1ат
--1
1
(5.63)
где А — длина волны, м; Т — температура тела, К; С, = 1,191 х
х 1016 Вт • м2/ср; С2 = 1,438  10~2 м  К
Для видимого участка спектра и Т< 3000 К вместо закона План-
ка (5.71) используют формулу Вина:
Вохт = С1А-5ехр^-^|.
(5.64)
На рис. 5.75 представлено семейство кривых спектральной све-
тимости черного тела в зависимости от длины волны при различных
температурах. С увеличением температуры черного тела спектраль-
ная яркость быстро возрастает. В видимой области спектра, напри-
мер, при А = 0,65 мкм и Т = 1000 К и 2000 К спектральная яркость
черного тела возрастает соответственно в 20 и 16 раз быстрее, чем
температура. Это позволяет осуществить измерение температуры в
видимой области спектра по изменению яркости тела при данной
длине волны. Условную температуру реального тела, измеренную
этим методом, называют яркостной температурой. Приборы, изме-
ряющие яркостную температуру в видимой области спектра, назы-
ваются оптическими, или фотоэлектрическими, пирометрами.
Из кривых рис. 5.75 видно, что с уменьшением температуры чер-
ного тела максимум распределения энергии его излучения смещает-
ся в сторону длинноволновой области спектра, что явилось основа-
нием использовать для измерения яркостной температуры инфра-
красную область спектра, выделяя из нее сравнительно неширокий
спектральный участок.
По мере повышения температуры черного тела максимум рас-
пределения энергии его излучения смещается в сторону коротких
414
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.75. Зависимость энергетической светимости абсолютно черного тела
от длины волны и температуры
волн На графике это четко просматривается (см. пунктирную ли-
нию). Эта закономерность была замечена Вином, поэтому она и
носит название закона смещения Вина. Если продифференцировать
уравнение Планка (5.63) и приравнять полученную производную
нулю, то после таких операций и преобразований можно получить
закон смещения Вина:
ЛтахГ = 2896 мкм  К,
где Лтах — длина волны, соответствующая максимуму кривой рас-
пределения энергии в спектре излучения черного тела; Т - абсо-
лютная температура.
Зная длину волны, соответствующую максимуму спектральной
энергетической яркости, можно определить температуру излучателя.
В видимой части спектра смещение Лтах и, следовательно, пере-
распределение энергии, вызываемое изменением температуры тела,
приводит к изменению его цвета, что позволило методы измерения
температур тел, основанные на изменении с температурой распре-
деления энергии внутри данного участка спектра излучения, назы-
вать цветовыми методами. Условная температура тела, измеренная
такими методами, называется цветовой температурой. Наибольшее
распространение из цветовых методов получил метод измерения
цветовой температуры в видимой области спектра по отношению
энергетических яркостей в двух спектральных интервалах. Прибо-
ры, измеряющие цветовую температуру по отношению энергетичес-
5.7. Измерение температуры
415
ких спектральных яркостей, называют пирометрами спектрального
отношения, или цветовыми пирометрами.
Интегрирование уравнения Планка приводит к закону Стефана-
Больцмана, определяющему интегральную энергетическую яркость:
50г=стГ4,	(5.65)
где ст — постоянная, равная 1,805 I0-8 Вт/(ср м2 • К4).
Закон Стефана—Больцмана положен в основу метода измерения
температур тел по их полному излучению. Условную температуру
реального тела, измеренную таким методом, называют радиационной
температурой, или температурой полного излучения. Пирометры,
предназначенные для измерения радиационной температуры, назы-
вают пирометрами полного излучения, или радиационными.
Энергетическая яркость реальных физических тел меньше ярко-
сти абсолютно черного тела. Спектральная энергетическая яркость
В/Т реального тела связана с энергетической яркостью абсолютно
черного тела Д|)г соотношением:
В).Т ~ ЕХ7^0/.Т’	(5.66)
где ехг— спектральный коэффициент излучения (или интегральный
коэффициент черноты) реального тела при температуре Т.
Отметим, что согласно закону Кирхгофа спектральный коэффи-
циент излучения любого тела равен его спектральному коэффици-
енту поглощения: = а)Г.
Для измерения действительной температуры реальных тел по их
излучению необходимо точно измерить условную температуру (яр-
костную, цветовую, радиационную), а затем к полученной темпера-
туре ввести поправку, величина которой зависит от интегрального
коэффициента черноты реального тела ехг. Для большинства реаль-
ных тел эти коэффициенты известны.
Из кратко изложенных законов излучения можно судить об ос-
новных положениях пирометрии:
•	по мере снижения температуры тепловое излучение уменьша-
ется пропорционально четвертой степени абсолютной температуры;
•	при низких температурах максимум спектральной энергети-
ческой яркости смещается в область больших длин волн;
•	коэффициент излучения нечерных тел зависит от их темпера-
туры и длины волны, а также от материала излучателя и состояния
структуры его поверхности;
•	наряду с собственным излучением, происходящим из внутрен-
ней тепловой энерши тела, при некоторых условиях в пирометр
могут попадать также и отраженные лучистые тепловые потоки от
постороннего источника излучения.
416
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.7.3.2.	Яркостные пирометры
Наиболее известными из них являются пирометры с «исчезаю-
щей» нитью накаливания (рис. 5.76), применяемые для измерения
яркостной температуры в видимой области спектра. Принцип дей-
ствия: сравнение яркости измеряемого излучения и контрольного
излучателя, например, накаленной нити вольфрама.
Сравнить обе яркости можно, например, изменением яркости
контрольного излучателя, изменяя мощность нагревания нити в
широких пределах. Благоприятная для чувствительности глаза дли-
на волны (0,65 мкм) в области видимой части спектра обеспечивает-
ся красным светофильтром. Если в результате уравнивания достига-
ется равенство обеих яркостей, то верхняя часть нити накаливания
исчезнет (перестанет быть видимой) на фоне изображения источни-
ка измеряемого излучения. Мощность нагревания нити накалива-
ния на пути потока излучения является показателем яркостной тем-
пературы измеряемого объекта. Ее считывают по температурной
шкале измерительного прибора.
Диапазон измерений температуры для пирометров с «исчезаю-
щей» нитью накаливания: 400...5000 °C (в особых случаях до 10000 °C).
Погрешность промышленных пирометров составляет ±1 % от верх-
него предела диапазона измерений.
Рис. 5.76. Яркостный пирометр с «исчезающей» нитью накаливания:
/ — объектив; 2,1— диафрагмы; 3, б — фильтры; 4 — пирометрическая
лампа; 5 — окуляр; 8 — реостат; 9 — измерительный прибор
5.7. Измерение температуры
417
5.7.3.3.	Пирометры спектрального отношения
Действие цветовых пирометров, или пирометров спектрального
отношения, основано на перераспределении энергетических ярко-
стей внутри данного участка спектра при изменении температуры.
Они определяют яркость излучения измеряемого объекта на двух
различных длинах волн и Х2. Если соответствующие значения спек-
тральных коэффициентов излучения е; л и гКТ2 достаточно близки
между собой (излучатель — серое тело), то определение температу-
ры практически не зависит от абсолютной величины коэффициента
излучения, поскольку искомая температура непосредственно опре-
деляется отношением яркостей. Для этого в пирометрах с помощью
двух светофильтров выделяют два излучения с различными длинами
волн и каждое подают на два отдельных фотоэлектрических чув-
ствительных элемента. Затем по выходным сигналам фотоэлектри-
ческих элементов формируется их отношение.
Примечание
Тело, коэффициент излучения е)Т которого не зависит от температуры Т
и длины волны А., называют серым.
Диапазон измерения температуры (расплавов металлов) для пи-
рометров спектрального отношения составляет 800...3000 °C, погреш-
ность равна 1 .2 % от верхнего предела диапазона измерений.
Замечание
Пирометры спектрального отношения работают более точно, чем ра-
диационные пирометры, поскольку недостоверность определения коэффи-
циента излучения не влияет на результаты измерений.
5.7.3.4.	Пирометры полного излучения
Принцип действия основан на зависимости интегральной энер-
гетической яркости тела в широком спектральном интервале от тем-
пературы.
Принято считать пирометр радиационным (полного излучения),
если в нем используется не менее 90 % всего излучения, поступаю-
щего от измеряемого объекта.
Радиационный пирометр (рис. 5.77) — это бесконтактный измери-
тельный первичный преобразователь, реагирующий на излучение на-
гретого тела преимущественно в инфракрасной области спектра с
динами волн от 0,75 до 1000 мкм. Оптические линзы и зеркальная
система, чувствительные в инфракрасной области спектра, использу-
ются, чтобы сфокусировать излучение на миниатюрную термобата-
рею, состоящую из нескольких последовательно соединенных термо-
14 ГкЧЛКЫОН А. В.. Хирн юной II II
418
Глава 5. Измерение технологических параметров
1	2	3	4	5
6
Рис. 5.77. Радиационный пирометр:
Z — объектив; 2, 5 — диафрагмы; 3 — термобатарея; 4 — окуляр; 6 — изме-
рительный прибор
электрических преобразователей, или резистивный преобразователь.
Радиационные пирометры применяются для измерения не только
высоких температур (вплоть до 3500 ”С), но и для низких (до -50 °C).
5.7.3.5.	Погрешности измерения температуры
бесконтактным методом
Установка и монтаж пирометров в значительной мере влияют на
успешность измерения. С одной стороны, необходимо добиться,
чтобы измерительное устройство действительно регистрировало ин-
тересующее излучение в неискаженном виде, а с другой стороны,
пирометры должны быть защищены от воздействия окружающей
среды, как правило, неблагоприятного. Измеряемое излучение во
многих случаях содержит не только составляющую, обусловленную
температурой поверхности и коэффициентом излучения, но и со-
ставляющие постороннего излучения, отраженные измеряемым
объектом или пропущенные (если объект прозрачен). Если измеря-
емый объект меньше поля визирования пирометра (например, при
измерении температуры движущейся нити или проволоки), то пи-
рометр воспринимает также излучение фона. Такими дополнитель-
ными составляющими можно пренебречь, если температура объекта
измерения значительно выше температуры посторонних излучате-
лей. Во многих случаях влияние посторонних излучений устраняют
правильной установкой пирометров.
Закрытые топки и печи по характеру излучения близки к черно-
му телу. Результат измерения будет представительным, если в поле
5.8. Измерение расхода	419
визирования не попадут светящееся пламя, пары, пыль и дым. Че-
рез отверстие для визирования в стенке печи можно контролировать
температуру печной атмосферы, элементы конструкции печи, на-
пример свода. Если нет уверенности в том, что воспринимаемое
пирометром излучение является излучением тела, приближающееся
к черному телу, или если температуру поверхности металлического
расплава нельзя измерить из-за того, что поверхность покрыта сло-
ем шлака, то внутрь печи через стенку вводят огнеупорную трубку
(закрытую с одной стороны), изготовленную из специальной стали
или керамики. В этом случае полем визирования становится раска-
ленное дно этой трубки.
5.8. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Расход — количество вещества (жидкости, пара, газа), проходя-
щее через данное сечение (например, трубопровода) в единицу вре-
мени. Различают объемный расход, измеряемый в единицах объема в
единицу времени (м’/ч, м3/с), и массовый расход, измеряемый в еди-
ницах массы в единицу времени (кг/с, кг/ч, т/ч).
Массовый расход можно измерить косвенно по объемному расхо-
ду, учитывая плотность измеряемой среды и влияние на плотность
температуры и давления. Действительно, для установившегося пото-
ка объемный расход и массовый расход определяются выражениями:
Fo = vA; Fv = pF0,
где A — площадь поперечного сечения потока; р — плотность изме-
ряемой среды; v — средняя скорость в сечении.
Примечание
Дня получения сравнимых результатов измерений объемный расход
газа или пара приводят к стандартным условиям
Приборы, измеряющие расход вещества, называют расходомера-
ми. Приборы, измеряющие количество вещества, протекающее че-
рез данное сечение трубопровода за некоторый промежуток време-
ни, называют счетчиками количества При этом количество веще-
ства определяется как разность двух последовательных показаний
счетчика в начале и конце этого промежутка времени. Показания
счетчика выражаются в единицах объема, реже — в единицах массы.
Прибор, одновременно измеряющий расход и количество вещества,
называют расходомером со счетчиком. Расходомер измеряет теку-
щее значение расхода, а счетчик выполняет интегрирование теку-
щих значений расхода.
420
Глава 5. Измерение технологических параметров
Примечание
В последнее время граница между счетчиками и расходомерами прак-
тически исчезает. Расходомеры оснащают средствами для определения ко-
личества жидкости или газа, а счетчики — средствами для определения
расхода, что позволяет объединить счетчики и расходомеры в одну группу
приборов — расходомеры.
Устройство (диафрагма, сопло, напорная трубка), непосредствен-
но воспринимающее измеряемый расход и преобразующее его в дру-
гую величину, удобную для измерения (например, в перепад давле-
ния), называют преобразователем расхода.
5.8.1.	Расходомеры переменного перепада давления
Принцип действия расходомеров этой группы основан на зави-
симости перепада давления, создаваемого неподвижным устройством,
устанавливаемым в трубопроводе, от расхода вещества.
5.8.1.1.	Измерение расхода по перепаду давления
на сужающем устройстве
При измерении расхода методом переменного перепада давле-
ния в трубопроводе, по которому протекает среда, устанавливают
сужающее устройство (СУ), создающее местное сужение потока. Из-
за перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую
средняя скорость потока в суженном сечении повышается. В ре-
зультате статическое давление в этом сечении становится меньше
статического давления перед СУ. Разность этих давлений тем боль-
ше, чем больше расход протекающей среды, и, следовательно, она
может служить мерой расхода. Перепад давления на СУ (рис. 5.78, а)
равен
ДР = А - Р2»	(5.67)
где р{ — давление на входе в сужающее устройство; р2 — давление на
выходе из него
Измерение расхода вещества методом переменного перепада дав-
ления возможно при соблюдении условий:
I)	поток вещества заполняет все поперечное сечение трубопро-
вода;
2)	поток вещества в трубопроводе является практически устано-
вившимся,
3)	фазовое состояние вещества, протекающего через СУ, не из-
меняется (жидкость не испаряется; газы, растворенные в жидкости,
не десорбируются; пар не конденсируется).
5.8. Измерение расхода
421
Рис. 5.78. Расходомеры переменного перепада давления:
а — структура потока проходящего через диафрагму; б — распределение
статического давления р вблизи диафрагмы по длине трубопровода С;
1 — сужающее устройство (диафрагма); 2 — импульсные трубки; 3 —
(J-образный дифманометр; А—А — сечение потока вещества, в котором не
сказывается возмущающее воздействие диафрагмы; В—В — сечение пото-
ка вещества в месте его наибольшего сжатия; в — сопло; г — сопло Вентури
422	Глава 5. Измерение технологических параметров
В качес гве сужающих устройств для измерения расхода жидко-
стей, газов, пара широко применяются стандартные сужающие уст-
ройства. К ним относят стандартную диафрагму, соплб ИСА 1932,
трубу Вентури и сопло Вентури.
Стандартная диафрагма (далее — диафрагма) — диск с круглым
отверстием, имеющий острую прямоугольную входную кромку.
Сопло ИСА 1932 (далее — соплб) — СУ с круглым отверстием,
имеющее на входе плавно сужающийся участок с профилем, обра-
зованным двумя сопрягающимися дугами, переходящий в цилинд-
рический участок на выходе, называемый горловиной (рис. 5.78, в).
Расходомерная труба Вентури (далее — труба Вентури) — СУ с круг-
лым отверстием, имеющее на входе конический сужающийся участок,
переходящий в цилиндрический участок, соединенный на выходе с
расширяющейся конической частью, называемой диффузором.
Сопло Вентури — труба Вентури с сужающимся входным участ-
ком в виде сопла ИСА 1932 (рис. 5.78, г).
Эти наиболее изученные средства измерения расхода и количе-
ства жидкостей, газа и пара могут применяться при любых давлени-
ях и температурах измеряемой среды.
Установим диафрагму в трубопроводе так, чтобы центр ее отвер-
стия находился на оси трубопровода (рис. 5.78, а). Сужение потока
вещества начинается до диафрагмы, на некотором расстоянии ja
диафрагмой поток достигает своего минимального сечения. Затем
поток постепенно расширяется до полного сечения. На рис. 5.78, б
изображено распределение давлений вдоль стенки трубопровода
(сплошная линия), а также распределение давлений по оси трубо-
провода (штрихпунктирная линия). Давление потока около стенок
трубопровода после СУ не достигает своего прежнего значения на
величину рп — безвозвратной потери, обусловленной завихрениями,
ударом и трением (затрачивается значительная часть энергии).
Отбор статических давлений р, и р2 возможен с помощью соеди-
нительных импульсных трубок 2, вставленных в отверстия, распо-
ложенные до и после диафрагмы 1 (рис. 5.78, а), а измерение пере-
пада давления возможно с помощью какого-нибудь измерителя пе-
репада давления (в данном случае U-образного дифманометра 3).
Соплб (рис. 5.78, в) конструктивно изготовляется в виде насадки
с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавно сужаю-
щуюся часть на входе и развитую часть на выходе. Профиль сопла
обеспечивает практически полное сжатие потока вещества и поэто-
му площадь цилиндрического отверстия сопла может быть принята
равной минимальному сечению потока, т. е. Aq = А2. Характер рас-
пределения статического давления р в соплб по длине трубопровода £
такой же, как и у диафрагмы. Такой же и отбор давлений р{ и р2 до
и после сопла, как и у диафрагмы.
5.8. Измерение расхода
423
Соплб Вентури (рис. 5.78, г) конструктивно состоит из цилиндри-
ческого входного участка; плавно сужающейся части, переходящей в
короткий цилиндрический участок; из расширяющейся конической
части — диффузора. Соплб Вентури благодаря диффузору обладает
меньшей потерей давления, чем диафрагма и соплб. Характер рас-
пределения статического давления р в сопле Вентури по длине
трубопровода ( такой же, как и у диафрагмы и сопла. Отбор давлений
р} и осуществляется с помощью двух кольцевых камер, каждая из
которых соединяется с внутренней полостью сопла Вентури группой
равномерно расположенных по окружности отверстий.
Отметим, что принцип измерения расхода вещества по перемен-
ному перепаду давления, создаваемому СУ, а также основные урав-
нения расхода одинаковы для всех типов сужающих устройств. На-
блюдается различие только некоторых коэффициентов в уравнени-
ях расхода, определяемых экспериментально.
Для установления зависимости расхода вещества от перепада
давления, появившегося на сужающемся устройстве, воспользуемся
законом сохранения энергии для случая несжимаемой среды — жид-
кости (уравнением Бернулли) и уравнением сплошности (неразрыв-
ности струи). Для сечений А—А и В—В горизонтального потока не-
сжимаемой среды — жидкости с постоянной плотностью р (кг/м3)
при равномерном распределении статических давлений в сечениях
(скорости по всему сечению трубопровода равны средней скорости
и направлены параллельно оси трубопровода), в отсутствие потерь
на трение и обмена с окружающей средой:
^4=-4’	<5-б8>
Р 2 р 2
- ’’гЛ’	(5.69)
где р{ и р2 — абсолютные статические давления в сечениях А—А и
В—В, Па; г;, и v2 — средние скорости потока в сечениях А—А и
В—В, м/с; и А2 — площади сечений А—А и В—В потока, м2.
Введем новые безразмерные величины: р — коэффициент суже-
ния струи и т — относительная площадь сужающего устройства,
или коэффициент сужающего устройства:
И = А2/Ас .	(5 70)
где Aq — площадь отверстия СУ, м2; du D — диаметры отверстия СУ
и трубопровода соответственно при рабочей температуре среды, м
424
Глава 5. Измерение технологических параметров
Замечание
Относительный диаметр отверстия (или горловины) трубы Вентури — от-
ношение диаметра горловины к диаметру входного цилиндрического участка в
сечении, проходящем через оси отверстий для отбора давления перед СУ.
Решая совместно уравнения (5.68) и (5.69) и используя введен-
ные безразмерные величины (5.70) и (5.71), определим среднюю
скорость и2 в сечении В—В:
«2 = I , J~(P{ - Р?)-	(5 72)
y]l-m2p.2 VP
В полученном уравнении (5.72) абсолютные статические давле-
ния р[ и р2 относятся к сечениям А—А и В—В, но на практике в
большинстве случаев перепад давления измеряют непосредственно
у торцов СУ около стенок трубопровода, а не в сечениях А—А и В—В
или в центре трубопровода. Кроме того, в уравнении (5.72) не учте-
ны: неравномерное распределение скоростей в сечениях А—А и В—В,
вызванное влиянием вязкости; потери энергии на трение о стенки
трубопровода и вихреобразование. Поэтому, чтобы перейти к дей-
ствительным условиям, учитывая замену давлений р{ и р2 давлени-
ями рх и р2, в уравнение (5.72) вводят поправочный коэффициент £
и уравнение для средней скорости v2 в наиболее узком сечении по-
тока принимает такой вид:
₽ Гэ
^=~гЛтГ\п^-^')’	(573)
Vl-w2p YP
где (р| — р2) — перепад давления непосредственно у торцов СУ око-
ло стенок трубопровода, Па.
Объемный расход Fo (м3/с) для несжимаемой жидкости равен
произведению средней скорости потока на площадь его сечения:
Fo = v2A2 = г2рЛд	(5.74)
или
Fo = r^-7A>fi(P,-P2)-	(5.75)
Поскольку коэффициенты ц, в (5.75) не определяются незави-
симо друг от друга с достаточной точностью, их объединяют в один
общий коэффициент, называемый коэффициентом расхода:
а= /	(5-76)
71 -т2ц2
5.8. Измерение расхода
425
Коэффициент расхода а (5.76) учитывает расхождение теорети-
ческого и действительного расходов вещества, протекающего по тру-
бопроводу.
Теперь уравнение объемного расхода для несжимаемой жидко-
сти принимает вид:
/э
fo = <b4(d-(pi - р2).	(5.77)
V н
С учетом введения поправочного коэффициента е, учитывающе-
го расширение измеряемой среды, окончательно перепишем урав-
нение (5.77)-
п
Fo =оеЛ0/-(р1 -р2).	(5.78)
Для несжимаемой жидкости поправочный коэффициент е равен
единице, при измерении расхода сжимаемых сред (газа, пара) по-
правочный коэффициент е < 1 и определяется по специальным но-
мограммам.
Примечание
Полученные уравнения применяются при значении скорости потока в
СУ меньше критического, т. е. скорость потока должна быть меньше ско-
рости звука в измеряемой среде.
Расход измеряемой среды является однозначной функцией пе-
репада давления в том случае, когда все остальные величины, входя-
щие в уравнение (5.78), будут постоянными.
Площадь отверстия СУ Ао является величиной постоянной. Ко-
эффициент расхода СУ а зависит от физических свойств измеряемой
среды (плотности, вязкости), скорости потока измеряемой среды, от
геометрической формы и размеров СУ, а также от шероховатости
стенок трубопровода. Он связан функциональной зависимостью с
числом Рейнольдса (Re) и коэффициентом сужающего устройства т:
a = /(Re, т).	(5.79)
С увеличением числа Рейнольдса зависимость от него а стано-
вится слабее, а достигнув граничного значения числа Рейнольдса
Rerp для различных значений т, он далее практически не изменяет-
ся (рис. 5.79). При Re > Rerp а зависит только от т и типа СУ.
Постоянное значение коэффициента расхода СУ, установленное при
Re > Rerp, называют исходным коэффициентом расхода и обозначают
a„cx (в этом случае трубопровод должен обладать достаточно глад-
кой внутренней поверхностью, а входное отверстие диафрагмы иметь
426
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.79. Зависимость коэффици-
ента расхода а стандартных диаф-
рагм от числа Рейнольдса при раз-
личных значениях коэффициента
сужающего устройства т
острую кромку). Значения аисх для диафрагм, сопл и сопл Вентури в
зависимости от т приведены на рис. 5.80.
При Re < Rerp а является величиной переменной, что вызывает
дополнительную погрешность при измерении расхода. Кроме того,
на практике внутренняя поверхность трубопровода шероховата, и
нужно учитывать неостроту входной кромки диафрагмы.
При измерении расхода промышленными дифманометрами ко-
эффициент расхода определяют по формулам:
•	для диафрагм
® ~ ^ИСХ^Ш^Н’	(5.80)
•	для сопл и сопл Вентури
а=аисх^ш>	<5-81)
где кш — поправочный множитель на шероховатость трубопровода
для диафрагм, сопл и сопл Вентури, учитываемый при диаметрах
Рис. 5.80. Зависимость исходного коэффициента расхода аисх от т для
стандартной диафрагмы (а); для стандартных сопл и сопл Вен-
тури (6)
5.8. Измерение расхода	427
трубопровода от 50 до 300 мм; к„ — поправочный множитель на
неостроту входной кромки диафрагмы.
Примечание
С увеличением диаметра трубопровода D от 50 мм до 300 мм и умень-
шением т от 0,7 до 0,1 кш для диафрагмы уменьшается от 1,020 до 1,000,
для сопл и сопл Вентури уменьшается от 1,018 до 1,000; с увеличением ди-
аметра трубопровода D от 50 мм до 300 мм и уменьшением т от 0,7 до 0,1
к„ уменьшается от 1,022 до 1,002.
Для удобства практического использования формулы (5.78) плот-
ность вещества выражают в кг/м3, вместо секундного расхода ис-
пользуют часовой, а площадь отверстия СУ выражают через внут-
ренний диаметр трубопровода D (мм) при рабочей температуре ве-
щества t. При соблюдении этих условий основная рабочая формула
для расчета объемного расхода выглядит так:
Fo =0,01252aemD2K^y/Kp/p,	(5.82)
где Fo — объемный расход вещества, м3/ч; Ьр — перепад давления на
сужающем устройстве, кгс/м2; К, - поправочный множитель на из-
менение внутреннего диаметра трубопровода D при отклонении
температуры от 20 °C (в интервале температур от —20 °C до +60 °C
равен единице).
Замечание
Расчет расходомеров переменного перепада давления и стандартных
сужающих устройств, а также методика выполнения измерений с помошыо
СУ регламентированы нормативными документами [20, 21].
Если известны свойства вещества, диаметр трубопровода D, ди-
аметр отверстия СУ d, перепад давления Др на СУ, то можно рас-
считать расход протекающего вещества по вышеприведенным ос-
новным формулам с использованием соответствующих графиков и
таблиц.
Если известны свойства вещества, материал и диаметр трубо-
провода D и заданы минимальный и максимальный ожидаемые рас-
ходы этого вещества, то можно найти диаметр отверстия СУ, при-
держиваясь следующей процедуры.
Предварительно выбирают расчетный перепад давления (напри-
мер, целесообразно, чтобы при максимальном перепаде давления
ДДтах значение т было бы приблизительно равным 0,2).
Диаметр отверстия СУ (при температуре 20 °C) рассчитывают по
выражению:
rf20=y-^-	(5-83)
428
Глава 5. Измерение технологических параметров
Величину т определяют в зависимости от произведения та.
Для данного диаметра трубопровода D по данным табл. 5.8 строят
график зависимости та = f(m). По уравнению (5.82) вычисляют
значение та и по построенному графику определяют т. Значение
коэффициента расхода а выбирают из табл. 5 8. Далее проверяют
соответствие найденных значений по уравнению (5.82). Получен-
ное значение расхода должно находиться от значения Fo, поло-
женного в основу расчета, в пределах ±0,2 %. Если расхождение
больше, тогда, применяя метод последовательных приближений,
корректируют значения коэффициента т, повторяя вычисления.
И, наконец, рассчитывают диаметр отверстия СУ по выражению
(5.83).
Таблица 5.8. Расчетные значения коэффициента расхода а
для диафрагм
D, MM	Коэффициент сужающего устройства m								
	0,05	0,1	од	0,3	од	0,5	0,6	0,65	0,7
50	0,613	0,616	0,629	0,649	0,676	0,713	0,761	0,791	0,827
100	0,609	0,612	0,624	0,643	0.6695	0,706	0,752	0,7815	0,817
200	0,604	0,607	0,618	0,637	0,663	0,699	0,7445	0,773	0,808
300	0,601	0,604	0,615	0,634	0,660	0,695	0,740	0,768	0,802
г400	0,598	0,602	0,615	0,634	0,660	0,695	0,740	0,768	0,802
Достоинства измерения расхода по методу переменного перепа-
да давления: простота, надежность, большая база эксперименталь-
ных данных.
Недостатки измерения расхода по методу переменного перепада
давления: значительные потери давления; износ входной кромки
диафрагмы; большие длины прямых участков трубопроводов перед СУ
К основным недостаткам расходомеров с сужающими устройствами
относят узкий диапазон измеряемых расходов (1 : 8).
Основные погрешности, %: 1 .3.
Ниже приведены практические рекомендации по применению су-
жающих устройств.
Диафрагмы: диаметр отверстия d не менее 12,5 мм; внутренний
диаметр измерительного трубопровода D — 50... 1000 мм; относи-
тельный диаметр d/D — 0,2...0,75; диапазон чисел Рейнольдса для
диафрагм с различным типом отбора давления — 5000... 108.
Сопла ИСА 1932 50 мм < D < 500 мм; 0,3 < d/D < 0,8; 7 • 104 < Re < 107
(при 0,30 < d/D < 0,44) или 2  104 < Re < 107 (при 0,44 < d/D < 0,80).
5.8. Измерение расхода
429
Трубы Вентури: 100 мм < D < 800 мм; 0,30 < d/D < 0,75.
Сопла Вентури: 65 мм < D < 500 мм; d> 50 мм: 0,316 < d/Л <0,775;
1,5 • 105 < Re < 2  10б.
Примечание
Трубы Вентури рекомендуется применять на магистральных трубопро-
водах (при небольших диапазонах изменения расхода).
Сужающее устройство (или другой преобразователь расходомера
переменного перепада давления) соединяется с дифференциальным
манометром двумя импульсными (соединительными) трубками.
В большинстве случаев диаметр трубок выбирают 10... 12 мм.
Меньшие диаметры нежелательны из-за опасности засорения тру-
бок и образования в них воздушных пузырей или водяных пробок.
С увеличением же диаметров возрастает расход материала и провод-
ка становится громоздкой, а при измерении расхода газа происхо-
дит и запаздывание показаний.
Способ защиты СУ аналогичен защите манометров от агрессив-
ных и вязких измеряемых сред (разд. 5.6.4).
5.8.1.2.	Измерение расхода с помощью напорных трубок
Напорными трубками называют устройства для измерения вели-
чины и направления скорости, а также расхода жидкости или газа,
действие которых основано на измерении давления в потоке.
При измерении расхода с помощью напорных трубок, как и при
измерении расхода с помощью сужающих устройств, используется
метод переменного перепада давлений.
Из напорных трубок наибольшее распространение получили крат-
ко рассмотренные ниже трубки Пито, Прандтля, аннубар. Для из-
мерения скорости потока существует большое количество модифика-
ций трубки Прандтля (трубки Брабе, Лосиевского, Престона и др.).
Для исследования полей скоростей в пограничном слое потока вяз-
кой жидкости или газа вблизи твердой стенки применяется трубка
Стэнтона, измеряющая скоростной напор в потоке с большим гра-
диентом скорости.
Трубка Питб
Трубка Питб — Г-образная трубка для измерения динамическо-
го напора текущих жидкости или газа. Трубка датчика вводится че-
рез стенку основного трубопровода и направляется своим отверсти-
ем непосредственно навстречу потоку жидкости или газа (рис. 5.81).
Этот датчик по своей сути играет роль ударного зонда, измеряюще-
го полное давление в лобовой точке напорной трубки рполн, а второй
430
Глава 5 Измерение технологических параметров
Рис. 5.81. Схема трубки Пито
зонд (статический датчик), измеря-
ющий статическое давление (или
гидродинамическое давление в не-
возмущенном потоке) рстат, ра вме-
щается непосредственно в стенке тру-
бопровода. Динамическое давление
Рдин (скоростной напор) определяет-
ся по разности ударного (полного)
и статического давлений и связано
со скоростью соотношением, полу-
ченным из уравнения Бернулли:
Рдии = Рполн - Рстат =	(5.84)
где v — скорость движения газа или жидкости в трубопроводе, м/с;
р — плотное гь газа или жидкости в рабочих условиях, кг/м3; рполн и
Рстат’ Па.
Из (5.84) скорость не возмущенно го потока в точке измерения
определяется как
v V^Aihh/P-
(5.85)
Какой бы не была удачной конструкция напорной трубки, дина-
мическое давление измеряется не вполне точно, поэтому в (5.85)
вводится поправочный коэффициент:
^т^Рдин/Р.
(5.86)
где /с, — коэффициент напорной трубки (для правильно изготовлен-
ных трубок близок к единице).
Напорная трубка Прандтля
Напорная трубка Прандтля (называемая также трубкой Питб—
Прандтля, а иногда — трубкой Пито) позволяет одновременно из-
мерять как полное, так и статическое давление в контролируемом
потоке. Она представляет собой цилиндрическую трубку с полусфе-
рическим носиком, ось которой устанавливается вдоль потока. Че-
рез центральное отверстие на полусфере (критическая точка) изме-
ряется полное давление рполн; другое отверстие (или ряд отверстий)
располагается на боковой поверхности трубки на расстоянии не-
скольких диаметров трубки от носика и служит для измерения ста-
тического давления рстат. Геометрическая форма трубки Прандтля,
форма отверстий и расстояние от них до носика трубки выбираются
так, чтобы давление в боковых отверстиях по возможности мало
отличалось от статического давления в исследуемой точке потока.
5.8. Измерение расхода
431
Напорные трубки аннубар (аппиоаг)
Данные напорные трубки вставляются по диаметру трубы в про-
текающий поток. Отверстия расположены на двух сторонах трубки
аннубар, как против течения, так и по нему. Эти отверстия соедине-
ны со сдвоенными усредняющими камерами. Число отверстий про-
порционально диаметру трубы. Давление в камере, соединенной с
отверстиями, направленными против течения, соответствует сред-
нему значению скоростного напора. Давление в камере, соединен-
ной с отверстиями, направленными по течению, соответствует сред-
нему опорному давлению. Их разность дает точный и стабильный
сигнал перепада давления, который пропорционален расходу.
5.8.2.	Расходомеры постоянного перепада давления
Расходомеры постоянного перепада давления относят к сред-
ствам измерения, называемым расходомерами обтекания. Принцип
их действия основан на зависимости перемещения тела, восприни-
мающего динамическое давление обтекающего его потока, от рас-
хода вещества. Предназначены для измерения плавно меняющегося
объемного расхода однородных потоков чистых и слабо загрязнен-
ных жидкостей и газов.
Простейшим и наиболее распространенным прибором посто-
янного перепада давления является ротаметр, предназначенный для
измерения плавно меняющегося объем-
ного расхода однородных потоков чис-
тых и слабо загрязненных жидкостей и
газов. Его действие основано на измере-
нии вертикального перемещения чувстви-
тельного элемента (тела), зависящего от
расхода среды и приводящего одновре-
менно к изменению площади проходно-
го сечения отверстия таким образом, что-
бы перепад давления на чувствительном
элементе остался постоянным. Противо-
действующая сила в расходомерах дан-
ного типа — сила тяжести чувствитель-
ного элемента, изготавливаемого в виде
поплавка (или поршня).
Ротаметр (рис. 5.82) состоит из верти-
кальной конусной стеклянной трубки /,
внутри которой находится чувствительный
элемент 2 — поплавок. Верхний его обод
снабжен каналами с крутым наклоном. Под
Рис. 5.82. Схема ротаметра.
Пояснения см. в тексте
432
Глава 5. Измерение технологических параметров
действием потока жидкости или газа поплавок вертикально переме-
щается и одновременно приходит во вращательное движение и цен-
трируется в центре потока. При этом изменяется площадь кольце-
вого зазора между поплавком и внутренними стенками трубки. Пе-
репад давления на поплавке определяется его массой При постоянной
массе поплавка площадь кольцевого зазора между поплавком и внут-
ренними стенками трубки пропорциональна расходу вещества, про-
текающего по трубке. По перемещению поплавка ротаметра вдоль
его шкалы, нанесенной на конусной стеклянной трубке, судят об
объемном расходе в единицу времени (л/ч, м3/ч).
Итак, представим, что поплавок под действием потока вещества
поднялся на некоторую высоту в ротаметре и остановился во взве-
шенном состоянии в измеряемой среде. Рассмотрим силы, действу-
ющие на поплавок ротаметра. В положении равновесия сила, созда-
ваемая измеряемой средой, протекающей через ротаметр и действу-
ющей снизу, уравновешивается силой, создаваемой массой поплавка,
и силой, действующей сверху. Масса поплавка т (в кг) при полном
погружении его в измеряемую среду определяется как
w = Kn(Pn -Рс),	(5-87)
где Ип — объем поплавка, м3; рп и рс — плотности материала, из
которого изготовлен поплавок, и среды, протекающей через рота-
метр, соответственно, кг/м3.
Пренебрегая силами трения, запишем равновесие сил:
Кп(Рп -Рс)я = Лп(Р1 ~Р1)>	(5.88)
где Ап — наибольшая площадь поперечного сечения поплавка, м2;
pt и р2 — давления измеряемой среды до (снизу) и после (сверху)
поплавка соответственно, Па; g — ускорение свободного паде-
ния. м/с2.
Теперь определим из (5.88) перепад давления на поплавке Ад (Па):
Ал — п л _Кп(РП-Рс)^	{с QQ\
Др = Pt “ Pi =----т-----•	(5.89)
Из полученного уравнения (5.89) следует, что независимо от
положения поплавка перепад давления на нем постоянен и не
зависит от расхода измеряемой среды. Это объясняется постоян-
ством скорости измеряемой среды при изменении ее расхода, что
обусловлено изменением площади кольцевого зазора, между по-
плавком и трубкой. Зависимость положения поплавка от величи-
ны измеряемого расхода линейна, поэтому шкала ротаметра рав-
номерна.
5.8. Измерение расхода
433
Объемный расход жидкости и конструктивные параметры рота-
метра связаны уравнением

(5.90)
где Лк — площадь кольцевого зазора между
ротаметра.
Ротаметр, снабженный передающим
преобразователем с электрическим выход-
ным сигналом, показан на рис. 5.83 Ро-
таметр имеет металлический корпус, ко-
нический поплавок /, перемещаемый внут-
ри кольцевой диафрагмы с коническим
отверстием 2 под действием потока жид-
кости, проходящего снизу вверх. При
подъеме поплавка проходное отверстие
между рабочей поверхностью поплавка и
внутренней кромкой диафрагмы увеличи-
вается пропорционально измеряемому рас-
ходу среды. Поплавок ротаметра жестко
связан с сердечником 3 передающего диф-
ференциально-трансформаторного преоб-
разователя 4, надетого на разделительную
трубку 5, изготовленную из немагнитной
стали.
Ротаметр с пневматическим выходным
сигналом 0,02...0,1 МПа (0,2...1,0 кгс/см2)
отличается от ротаметра на рис. 5.84 нали-
чием пневматического преобразователя
поплавком и стенками
Рис. 5.83. Схема ротаметра
с дифференциально-транс-
форматорным датчиком
Пояснения см. в тексте
компенсационного типа.
5.8.3.	Объемные расходомеры и счетчики
Принцип действия объемных счетчиков основан на отсчете ко-
личества определенных объемов, вытесняемых из измерительной
камеры прибора под действием разности давлений на счетчике. По
характеру движения измерительных элементов объемные счетчики
подразделяются на счетчики с возвратно-поступательным движени-
ем (поршневые) и счетчики с вращательным движением (счетчики с
овальными шестернями, ротационные и др.).
434
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.8.3.1.	Счетчики с овальными шестернями
Счетчики с овальными шестернями отсчитывают строго опреде-
ленные объемы жидкости, проходящей через измерительную каме-
ру, в которой вращаются овальные шестерни. Поток измеряемой
жидкости, поступая в счетчик (рис. 5.84) через входной патрубок и
проходя через измерительную камеру 1 теряет часть напора на со-
здание крутящего момента, приводящего овальные шестерни 2 и 3
во вращение. В зависимости от положения шестерен 2 и 3 каждая из
них попеременно является то ведущей, то ведомой. Измерение ко-
личества жидкости происходит за счет периодического отсечения
определенных ее объемов 4, заключенных в полостях между поверх-
ностью корпуса измерительной камеры и овальными шестернями.
За один полный оборот шестерен отсекается четыре таких объема.
По числу оборотов счетчик определяет суммарный объем прошедшей
через прибор жидкости.
Рис. 5.84. Перемеще-
ние овальных шестерен
объемного жидкостно-
го счетчика. Пояснения
см. в тексте
Хотя овальные шестерни вращаются не вполне равномерно, сред-
няя угловая скорость их вращения пропорциональна расходу т. е.
счетчики с овальными шестернями можно использовать также для
измерения объемного расхода.
5.8.3.2.	Ротационные счетчики
Действие ротационных счетчиков основано на том, что гладкие
роторы лемнискатной формы под давлением измеряемого газа при-
ходят в движение и при этом отмеривают определенные объемы газа
(рис. 5.85)
Роторные преобразователи в основном устанавливают на газо-
проводах.
Выпускаются счетчики с электронным корректором, позволяющим
получить результат измерений объема газа, приведенный к стандарт-
ным условиям. Ротационные счетчики монтируют как на горизонталь-
ных, так и на вертикальных измерительных трубопроводах. Предпоч-
5.8. Измерение расхода
435
Рис. 5.85. Схема ротационного газового счетчика:
1, 2 — роторы лемнискатной формы: 3 — корпус
тителен монтаж на вертикальных измери-
тельных трубопроводах, особенно, для из-
мерения количества загрязненного газа
Примечание
При наличии в газе взвешенных липких
частиц, например, парафина, необходимо пери-
одически промывать роторы растворителем. Ра-
бота ротационного счетчика при эксплуатации контролируется по показани-
ям дифманометра, измеряющего разность давлений до и после счетчика.
5.8.3.3.	Скоростные счетчики
Принцип действия скоростных расходомеров-счетчиков основан
на измерении скорости вращения потоком (газа или жидкости) изме-
рительной турбинки. Для бесперебойной работы счетчиков необхо-
димо отсутствие завихрений в потоке, поступающем на турбинку.
При использовании таких расходомеров-счетчиков число обо-
ротов турбинки п пропорционально объему протекающей жидкости
n = KV.
В скоростных аксиальных расходомерах-счетчиках ось вращения
турбинки совпадает с направлением потока (рис. 5.86).
В скоростных тангенциальных расходомерах-счетчиках поток,
вращающий турбинку, направлен по касательной к окружности,
описываемой средним радиусом турбинки (рис 5 87).
Рис. 5.86. Схема объемного счетчика
с винтовой турбинкой, расположенной
аксиально к потоку:
1 — винтовая турбинка; 2 — корпус; 3 —
счетчик
Рис. 5.87. Счетчик с турбинкой, рас-
положенной тангенциально к потоку:
/ — турбинка; 2 — корпус; 3 — счетчик
436
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.8.4.	Измерение расхода на основе тепловых явлений
Тепловыми расходомерами называют расходомеры, действие
которых основано на измерении эффекта теплового воздействия
на поток (или на тело, контактирующее с потоком), зависящего
от расхода. Чаще применяются для измерения расхода газа и реже
для измерения расхода жидкости. Тепловые расходомеры отлича-
ются способом нагревания, расположением нагревателя (снаружи
технологического трубопровода или внутри), а также характером
функциональной связи между расходом и измеряемым сигналом.
Основной способ нагревания — электрический омический. По ха-
рактеру теплового взаимодействия тепловые расходомеры подраз-
деляют на калориметрические, термоконвективные, термоанемо-
метрические.
У калориметрических и термоконвективных расходомеров из-
меряется разность температур Д/ газа или жидкости (при постоян-
ной мощности И7нагревания) или же мощность И'Хпри Л/ = const).
У термоанемометров измеряется сопротивление R нагреваемого тела
(при постоянной силе тока /) или же сила тока I (при R = const).
Калориметрические и термоконвективные расходомеры измеряют
массовый расход при условии неизменности теплоемкости измеряе-
мого вещества, что является их достоинством. Другое достоинство
термоконвективных расходомеров — отсутствие контакта с измеря-
емым веществом. Недостаток тех и других — инерционность.
5.8.4.1.	Калориметрические расходомеры
Принцип работы калориметрических расходомеров основан на
зависимости среднемассовой разности температур потока от мощ-
ности нагревания. Калориметрический расходомер (рис. 5.88, а) со-
стоит из нагревателя 3, расположенного внутри трубопровода 4, и
двух термопреобразователей 1 и 2 для измерения температур Т\ до
нагревателя и Т2 после нагревателя. Термопреобразователи распола-
гаются обычно на равных расстояниях (fi = f2) от нагревателя. Рас-
пределение температур по обе стороны от источника нагревания
зависит от расхода вещества.
Так как теплоемкость у жидкостей намного больше, чем у газов,
то калориметрические расходомеры находят применение лишь для
измерения очень малых расходов жидкостей. Основное назначение
этих приборов — измерение расхода газа. Из-за малой надежности
работы в эксплуатационных условиях нагревателей и термопреобра-
зователей, располагаемых внутри трубопровода, калориметрические
расходомеры применяют как образцовые приборы для поверки и
градуировки расходомеров других типов.
5.8. Измерение расхода
437
Рис. 5.88. Расходомеры:
а — калориметрический; б — термоконвективный (/, 2 — термопреоб-
разователи; 3 — нагреватель; 4 — трубопровод); в — термоконвектив-
ный с совмещенными нагревателем и термопреобразователями (/ — двух-
секционный нагреватель; 2 — трубопровод; 3 — измерительный при-
бор; Rt, R], Я, и «j — терморезисторы); г — распределение температур
в стенке трубопровода в отсутствие (/) и при наличии расхода (2) среды
Б.8.4.2. Термоконвективные расходомеры
Термоконвективными называются тепловые расходомеры, у кото-
рых и нагреватель, и термопреобразователь (термопара) располагают-
ся снаружи трубопровода (рис. 5.88, б). Это существенно повышает
эксплуатационную надежность расходомеров и делает их удобными
для применения. Передача теплоты от нагревателя к измеряемому
веществу осуществляется через стенку трубы за счет конвекции.
Термоконвективные расходомеры, у которых нагреватель совме-
щен с термопреобразователями, обладают меньшей инерционностью.
В схеме (рис. 5.88, в) нагреватель состоит из двух секций, явля-
ющихся одновременно терморезисторами и /?2, включенными в
мостовую схему с терморезисторами Л3 и R4 Они нагреваются то-
ком от стабилизированного источника напряжения ИПС. При от-
сутствии расхода среды распределение температур в стенке трубо-
провода представляет симметричная кривая 1 (рис. 5.88, г) При этом
А| и R2 равны и мост находится в равновесии. С появлением расхода
среды температура Т{ и сопротивление Rt становятся меньше тем-
пературы Г2 и сопротивления R2, а распределение температур соот-
438
Глава 5 Измерение технологических параметров
ветствует кривой 2. С ростом расхода среды возрастает разность тем-
ператур Т2 — Тх, увеличивается разность потенциалов в точках bad,
измеряемая прибором 5, шкала которого отградуирована в единицах
расхода.
Примечание
В термоконвективных микрорасходомерах обычно применяют термо-
метры сопротивления (медные, никелевые). В остальных типах термокон-
вективных расходомеров применяют термобатареи (последовательно соеди-
ненные медь-константановые или хромель-копелевые термопары) с числом
спаев 8...30. Спаи термобатареи располагают в местах измерения температур
Т\ и Т2, и таким образом получаемая ТЭДС (1...10 мВ) соответствует разно-
сти температур ДГ= Г, — 7\ Спаи должны быть электрически изолированы
от стенки трубы и в то же время их температура должна соответствовать
температурам стенки. Для изоляции служат синтетические смолы и цемент.
Сами же спаи и термоэлектроны должны иметь минимальные размеры.
5.8.4.3.	Термоанемометры
Действие термоанемометров (рис. 5.89) основано на зависимос-
ти между потерей теплоты непрерывно нагреваемого тела (элемен-
та), погруженного в поток, и скоростью газа (или жидкости). Поток
газа или жидкости, обтекающий электрически обогреваемый чув-
ствительный элемент, охлаждает его. При постоянной мощности
нагревания температура чувствительного элемента (а при постоян-
ной температуре — потребляемая им мощность) является мерой ско-
рости потока.
Достоинства: большой диапазон скоростей, высокое быстродей-
ствие, позволяющее измерять скорости, изменяющиеся с частотой в
несколько тысяч герц.
Недостатки: хрупкость первичных преобразователей вследствие
динамических нагрузок и высокой температуры нагревания.
Первичные преобразователи термоанемометров делятся на полу-
проводниковые (термисторы) и металлические, которые в свою оче-
редь подразделяются на проволочные и пленочные.
Чувствительный элемент проволочного преобразователя — тонкая
и обычно короткая проволочка (термонить) из платины, вольфра-
ма, никеля. Наибольшую температуру нагревания /„ проволочки
(до 1000 °C) допускает платина, а вольфрамовая проволочка допус-
кает нагревание до 600 °C
Q 1 9	2
Рис. 5.89. Термоанемометр:
7 — проволочный нагревательный
элемент; 2 — трубопровод
5.8. Измерение расхода
439
Тепловая мощность W, теряемая проволочкой диаметром d и
длиною t при обтекании ее перпендикулярным потоком воздуха,
имеющего скорость v, определяется уравнением:
W =('п ~tc)t(a + bvn),	(5.91)
где а = X; b = (2лрс</)0,5; п = 0,5. Здесь X, р, с — коэффициент тепло-
проводности, плотность и теплоемкость газа соответственно; /с —
температура среды.
Обычно диаметр термонити равен d— 0,005...0,3 мм, а ее длина —
£ = 0,5... 10 мм и, как правило, проволочные термоанемометры ма-
лоинерционны.
Пленочный преобразователь термоанемометра состоит из кругло-
го стеклянного полого стержня диаметром в несколько миллимет-
ров с клинообразным или конусообразным концом, на который
распылена пленка толщиной 50... 100 А в виде небольшой полоски
(1 х 0,2 мм).
Замечание
Пленочные преобразователи значительно прочнее проволочных и мо-
гут служить для измерения скоростей газа от 1,5 м/с вплоть до 400...500 м/с
при температуре до 500°С и скоростей жидкости до 18 м/с при температуре
до 60 °C.
Чувствительным элементом полупроводникового преобразователя
служит миниатюрный полупроводниковый терморезистор (термис-
тор), обычно в виде шарика или бусинки. Достоинства - простота
конструкции, механическая прочность и высокая чувствительность.
Постоянная времени у термистора несколько больше, чем у метал-
лических проволочных и пленочных термоанемометров, и в зависи-
мости от его размера составляет 0,5...2,5 с.
Подставляя в уравнение (5.91) значение W= RI2, где R — сопро-
тивление термонити, I — сила тока в ней, получим уравнение, свя-
зывающее сопротивление нити с расходом:
RI2 =(tn-tc}£(a + bvn\	(5.92)
Полагая в (5.92) / = const и дифференцируя его по скорости,
найдем, что dR/dv, т. е. чувствительность измерения уменьшается
с ростом v. Точно так же, полагая R = const и дифференцируя
(5.92) по скорости, получим, что df/dv тоже падает с ростом v.
Таким образом, проволочные термоанемометры обладают наиболь-
шей чувствительностью при измерении небольших скоростей.
Увеличение температуры нагревания tn повышает чувствительность
прибора.
440	Глава 5. Измерение технологических параметров
В термокондуктивных анемометрах для измерения R и I обычно
применяют мостовые схемы Термонить или термистор образуют одно
из плеч моста. В другое плечо, если предусмотрена компенсация
температуры потока, включается термонить или термистор, воспри-
нимающий температуру потока, но не реагирующий на его скорость.
Остальные плечи моста образуют постоянные резисторы. Мост урав-
новешен при скорости потока, равной нулю. По схеме I = const
разность потенциалов на вершине моста будет мерой скорости по-
тока. По схеме tn = const (R - const) мост уравновешивается вруч-
ную или автоматически изменением напряжения питания. Скорость
среды измеряется по силе тока нагревания /.
5.8.5.	Электромагнитные расходомеры
Среди известных и широко применяемых методов измерения
расхода жидкостей в химической промышленности большое внима-
ние заслуживает электромагнитный метод измерения.
Принцип работы прибора с электромагнитным преобразовате-
лем расхода основан на взаимодействии движущейся электропро-
водной жидкости с магнитным полем. Согласно закону Фарадея, в
движущемся проводнике (например, жидкости) перпендикулярно
силовым линиям магнитного поля наводится электродвижущая сила
(ЭДС), пропорциональная скорости движения проводника:
Е = Btv,	(5.93)
где Е — индуцируемая (наводимая) в проводнике ЭДС, В; В — маг-
нитная индукция, Т; £ — длина проводника, м; v — скорость движе-
ния проводника, м/с.
В случае измерения расхода жидкости запишем
Е = BDvcp,	(5.94)
где D — внутренний диаметр трубопровода (расстояние между элек-
тродами), м; vcp — средняя скорость протекания жидкости через
поперечное сечение трубопровода в зоне наводимой ЭДС, м/с.
Объемный расход жидкости Fo определяем по формуле:
Fo = Av^,	(5 95)
где А — поперечное сечение трубопровода, м2.
Подставив значение иср из (5.95) в уравнение (5.94), получим:
Е = BDFO/A
или
E = kFo,	(5.96)
где к = BD/A.
5.8. Измерение расхода
441
Полученное выражение (5.96) пока 1ывает, что значение выход-
ной ЭДС прямо пропорционально значению объемного расхода
жидкости.
Итак, электромагнитный расходомер является по существу гене-
ратором, в котором проводником, перемещающимся в магнитном
поле, служит электропроводная жидкость (коэффициент проводи-
мости жидкости должен быть не менее 1О-5...1О-6 См/м).
Принципиальная схема электромагнитного расходомера с посто-
янным магнитным полем приведена на рис. 5.90. Трубопровод 1 с
перемещающейся в нем жидкостью помещают в магнитное поле.
Трубопровод изготовляют из изоляционного материала (фторопласт,
эбонит и т. п в зависимости от свойств измеряемой жидкости). При
необходимости трубопровод изготавливают из немагнитного метал-
ла (например, из немагнитной нержавеющей стали с большим удель-
ным сопротивлением). В этом случае внутреннюю поверхность ме-
таллической трубы изолируют от жидкости специальным изоляци-
онным материалом.
В стенки трубопровода диаметрально противоположно в одном
поперечном сечении вводят электроды 2, 3 («заподлицо» с внутрен-
ним диаметром трубопровода), изготовленные из нержавеющей ста-
ли. Электроды для съема выходной ЭДС тоже должны быть элект-
рически изолированы от металлической трубы. К электродам под-
ключают высокочувствительный измерительный прибор 6 (например,
потенциометр).
Основным недостатком первичных электромагнитных преобра-
зователей расхода с постоянным магнитным полем является поля-
ризация электродов, характеризуемая появлением двойного слоя
зарядов на 1ранице электрод—жидкость. По мере накопления этих
зарядов возникает ЭДС, направленная против основной измеряе-
мой выходной ЭДС. Появление двойного электрического слоя, а
следовательно, и противоэлектродвижущей силы нарушает стабиль-
ную работу измерительного блока. Чтобы уменьшить вредное воз-
действие поляризации электродов на полезный сигнал преобразова-
теля расхода, постоянное магнитное поле заменяют на переменное.
Рис. 5.90. Схема электромагнит-
ного расходомера с постоянным
магнитным полем
I — трубопровод: 2,3— электроды;
4 — постоянный электромагнит;
5— усилитель, 6 — измерительный
прибор
442
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.91. Схема электромагнит-
ного расходомера с переменным
магнитным полем:
1 — трубопровод; 2, 3 — электроды;
4 — переменный электромагнит;
5— промежуточный измерительный
усилитель-преобразователь с унифи-
цированным выходным сигналом
постоянного тока 0...5 мА; 6 — из-
мерительный прибор
Принципиальная схема электромагнитного расходомера с пере-
менным магнитным полем приведена на рис. 5.91 Требования,
предъявляемые к материалам для изготовления трубы 1 и электро-
дов 2 и 3 преобразователя расхода с переменным магнитным полем,
аналогичны перечисленным выше требованиям к преобразователям
расхода с постоянным магнитным полем.
Примечание
Переменное магнитное поле должно быть однородным в осевом и по-
перечном направлениях, чтобы избежать появления в жидкости циркуля-
ционных токов, искажающих измерения.
Запишем выражение для магнитной индукции для преобразова-
теля расхода с переменным магнитным полем:
В = #maxsin(,)T-	(5-97)
Тогда выражение (5.94) с учетом (5.97) принимает вид:
Е = VcpDB™* sin шт	(5.98)
или с учетом уравнения (5 95)
4F
£ =-К *max «п он.	(5.99)
71V
Комплект общепромышленного электромагнитного расходоме-
ра состоит из электромагнитного преобразователя расхода (конст-
руктивно преобразователь состоит из трубы и постоянного или пе-
ременного электромагнита) и измерительного блока (например, по-
тенциометра или милливольтметра)
Достоинства электромагнитных преобразователей расхода: они
не имеют движущихся частей, имеют минимальные потери давле-
ния. Практически безынерционны (по динамическим свойствам они
могут быть представлены статическим звеном нулевого порядка),
что очень важно при измерении быстроизменяющихся расходов, а
также при их использовании в АСУ. Показания расходомера не за-
5.8. Измерение расхода
443
висят от свойств измеряемой жидкости (вязкости, плотности) и от
характера потока (ламинарный, турбулентный). Поскольку зависи-
мость наводимой ЭДС от расхода линейна, шкала измерительного
прибора линейна.
Электромагнитные расходомеры обеспечивают измерение рас-
хода в диапазоне от 1 м3/ч до 2500 м3/ч и более в трубопроводах с
внутренним диаметром от 10 мм до 300 мм при средней линейной
скорости движения жидкости иср от 0,6 м/с до 10 м/с и рассчитаны
на максимальное избыточное давление до 1 ..2,5 МПа
В зависимости от типа покрытия внутренней поверхности трубы
преобразователя расхода электромагнитные расходомеры могут при-
меняться для измерения расхода различных электропроводных жид-
костей (абразивных жидкостей, суспензий, кислот, пульп и т д.),
имеющих температуру от —40 °C до +150 °C
Примечание
Пульпа представляет собой двухфазный поток, одна фаза которого яв-
ляется жидкостью, а другая состоит из твердых частиц; содержание послед-
них по массе может составлять 50...90 %.
5.8.6.	Вихревые расходомеры
Любое препятствие, помещенное в поток, создает завихрение в
нем вещества, пропорциональное его объемному расходу. В такого
рода преобразователях используются два способа генерирования за-
вихрений: естественные колебания (рис. 5.92), при которых стабиль-
ные структуры (известные как вихревая дорожка Кармана) перио-
дических вращающихся в разные стороны вихрей возникают в пото-
ке за препя гствием, и вынужденные колебания (рис. 5 93), при которых
поток вещества вращается или прецессирует (движение оси враще-
ния потока) вдоль оси трубопровода в виде некоторой спирали.
Вихревые расходомеры с обтекаемым телом
Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление дви-
жения обтекающих его струй и увеличивает их скорость за счет со-
ответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением тела
начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения
давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается
повышенное, а на задней стороне — пониженное давление. Погра-
ничный слой, обтекающий тело, пройдя его миделевое сечение, от-
рывается от тела и под влиянием пониженного давления изменяет
направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верх-
них, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но так как развитие
вихря с одной стороны препятствует развитию вихря с другой сто-
444
Глава 5 Измерение технологических параметров
Рис. 5.92. Схема вихревого расхо-
домера с генерированием вихревой
дорожки Кармана на цилиндричес-
ком препятствии:
I — трубопровод; 2 — цилиндрическое
препятствие; 3 — измерительный пре-
образователь
роны, то образование вихрей с той и с другой стороны происходит
поочередно (см. рис. 5.92). При этом за обтекаемым телом образует-
ся вихревая дорожка Кармана.
Примечание
Миделевое сечение (мидель) (от голл. middel — средний) — наиболь-
шее по площади сечение тела плоскостью, перпендикулярной направле-
нию движения.
Частота срыва вихрей /, согласно критерию Струхаля Sh, равна
/ = 4Sh>	(5.100)
d
т. е. пропорциональна отношению v/d, а следовательно, при посто-
янном характерном размере d тела пропорциональна скорости v а
значит и объемному расходу Fo. Зависимое гь между Fo и f дается
уравнением
Ad
Fo=^f,	(5.101)
an
где А — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокруг
обтекаемого тела.
Чтобы обеспечить пропорциональность между Fo и/, число Стру-
халя Sh должно оставаться неизменным в возможно большей облас-
ти значений числа Re Для обтекаемого цилиндра число Sh остается
постоянным в области KP.-.IO4 < Re < 2 - 105.
Замечание
Преимущественное применение в вихревых расходомерах нашли при-
зматические тела прямоугольной, треугольной или трапецеидальной (дель-
тообразной) форм. Отсюда идет название вихревого измерителя расхода —
дельтаметр.
Имеется много способов преобразования вихревых колебаний в
выходной сигнал. Они основаны на использовании периодических
колебаний давления или скорости струй с обеих сторон обтекаемого
тела. В качестве чувствительного элемента преобразователя приме-
няются один или два полупроводниковых термоанемометра, тензо-
метрические преобразователи силы или ультразвуковые средства для
5.8. Измерение расхода	445
определения периодических изменений силы, происходящих при
вихревом движении вещества.
Снаружи трубопровода размещен излучатель, а с другой сторо-
ны — приемник ультразвуковых колебаний, реагирующие на вихре-
вые колебания потока. Этот метод имеет свои достоинства, но при-
сутствие в жидкости твердых частиц или газовых пузырьков будет
сказываться на выходном сигнале.
Замечание
Вихревые расходомеры с телом обтекания треугольного трапецеидаль-
ного и квадратного типов предназначены для труб диаметром D от 50 мм
до 300 мм.
Вихревые расходомеры с прецессией воронкообразного вихря
(с закрученным потоком)
В корпусе 1 преобразователя этих расходомеров (см. рис. 5.93)
установлено устройство 2 (направляющие пластинки), закручиваю-
щее поток, направляемый затем через короткую цилиндрическую
насадку или участок трубы в расширенную часть. В последней вра-
щающийся поток принимает воронкообразную форму, а его ось,
вокруг которой вращается ядро вихря, сама вращается вокруг оси
трубопровода. При этом давление на внешней поверхности вихре-
вого потока пульсирует синхронно с угловой скоростью вращения
ядра вихря, пропорциональной линейной скорости потока или объем-
ному расходу. Для преобразования частоты пульсаций давления или
скорости в измерительный сигнал (для определения числа прецес-
сий, проходящих через определенную точку трубопровода) приме-
няются пьезоэлементы, термисторы 3 или полупроводниковые тер-
моанемометры. На выходе расходомера установлен механический
струевыпрямитель 4, устраняющий вращение потока. Таким обра-
зом, этот преобразователь можно условно представить состоящим
из двух ступеней — в первой происходит преобразование объемного
расхода потока в частоту прецессии воронкообразного вихря, а во
второй — преобразование этой частоты в измерительный сигнал.
Погрешности вихревых расходомеров при измерении расхода газа
значительно выше, чем при измерении расхода жидкости. Чтобы
уменьшить эту разницу целесообразно ввести в формулу (для оп-
Рис. 5.93. Схема вихревого расхо-
домера с закрученным потоком.
Пояснения см. в тексте
446
Глава 5 Измерение технологических параметров
ределения расхода или количества) поправочный коэффициент, учи-
тывающий расширение-сжатие газа в зависимости от его свойств и
условий течения. При использовании вихревых расходомеров не ре-
комендуется, чтобы частота пульсаций измеряемого потока была
близка к частоте срыва вихрей, иначе возрастает погрешность изме-
рений.
Достоинства: наличие конденсата, твердых частиц в измеряемой
среде не влияет на условия применения. Широкий диапазон изме-
рения (0,4...40000 м3/ч).
Недостатки: ограничения по числу Рейнольдса (Re > 104).
Основные погрешности, %: 0,5...2,5.
Рекомендуется применять при малой производительности и боль-
шом диапазоне изменения расхода газа.
5.8.7.	Ультразвуковые расходомеры
Действие ультразвуковых расходомеров основано на зависимос-
ти от расхода вещества разности времен прохождения ультразвуко-
вых сигналов по потоку вещества и против него. Измеряется время
прохождения ультразвукового сигнала от одного излучателя до при-
емника по направлению течения вещества (например, жидкости),
так и против его течения. Разница во времени прохождения ультра-
звукового сигнала будет прямо пропорциональна скорости потока
вещества, а знак этой разности покажет направление потока.
В трубопроводе на его внешней поверхности устанавливаются
два первичных измерительных преобразователя-излучателя ультра-
звуковых колебаний и два их приемника (частота ультразвуковых
колебаний составляет 1...3 МГц). При скорости ультразвука с дли-
тельность прохождения импульса в неподвижной жидкости, находя-
щейся в трубопроводе, составит
т = £/с,	(5.102)
где £ — расстояние между излучателями и приемниками ультразву-
ковых колебаний.
При перемещении жидкости со скоростью v время прохождения
ультразвука по направлению потока т, и навстречу ему т2 равно:
откуда разность времен прохождения импульсов по потоку и против
потока, учитывая, что с » v
Ат = Xi -т2 = -llv/c2.	(5 104)
5.8. Измерение расхода
447
Рис. 5.94. Двухканальная схе-
ма ультразвукового преобразо-
вателя:
/ — излучающий пьезоэлемент;
2 — приемные пьезоэлементы
Основными элементами преобразователей являются пьезоэле-
менты, преобразующие переменное электрическое напряжение в
ультразвуковые колебания среды. Часто применяются кольцевые
пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое
излучение. Может быть реализована одноканальная схема ультра-
звукового преобразователя, в которой каждый из двух пьезоэлемен-
тов по очереди излучает и принимает акустические колебания. На
рис. 5.94 представлена двухканальная схема ультразвукового преоб-
разователя, на которой средний пьезоэлемент является излучающим,
а два крайних — приемными.
Замечание
Существуют различные способы измерения очень малого значения раз-
ности времен, например фазовый, при котором измеряется разность фазо-
вых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него
{фазовые расходомеры), или частотный, при котором измеряется разность
частот повторения коротких импульсов (или пакетов) акустических колеба-
ний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры).
Ультразвуковые расходомеры обычно измеряют среднюю по
диаметру, а не среднюю по сечению трубопровода скорость потока
(в силу чего предъявляются высокие требования к длинам прямых
участков перед расходомерами).
Как правило, ультразвуковые расходомеры измеряют объемный
расход.
Достоинства: ультразвуковые расходомеры не создают препятствий
для потока, и, как следствие этого, падения давления в трубопроводе
малы (минимальные потери давления); не имеют движущихся час-
тей; обладают возможностью достижения высокой точности измере-
ний и высоким быстродействием. Важное преимущество преобразо-
вателей с внешними пьезоэлементами — это отсутствие контакта с
измеряемым веществом и сохранение целостности трубопровода.
Недостатки, методические ограничения (влияние пузырьков,
механических частиц, приводящих к возможности засора излучате-
ля и приемника, находящихся внутри трубопровода). Для преобра-
зователей с внешними пьезоэлементами трубопровод создает повы-
шенный уровень паразитных сигналов и помех, вызванных прохож-
дением акустических колебаний по стенке трубопровода, что снижает
чувствительность преобразователей
448
Глава 5. Измерение технологических параметров
Основные источники погрешностей: неправильный учет влия-
ния профиля скорости; изменение скорости ультразвука в измеряе-
мой среде; паразитные акустические сигналы; асимметрия элект-
ронно-акустических каналов.
Основные погрешности, %: 1...5.
Применение: для больших диапазонов измерения расхода неза-
грязненного газа.
Замечание
В процессе эксплуатации ультразвуковых расходомеров необходимо
систематически проверять электрическое сопротивление изоляции цепи
питания преобразователя и соотношение «сигнал/шум» входного сигнала.
Снижение этого сигнала свидетельствует либо об ухудшении характерис-
тик расходомера, либо о загрязнении отверстий излучателя и приемника.
5.8.8.	Кориолисовы расходомеры
Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях
которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисо-
во ускорение, зависящее от расхода. Для образования этого ускоре-
ния непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают
конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном
направлении по отношению к оси вращения, совпадающей с осью
трубопровода.
Кориолисовы массовые расходомеры непосредственно измеряют
массовый расход жидкостей, газов и взвесей без предварительного
определения плотности и объема. Схема первичного преобразовате-
ля изображена на рис. 5.95. Труба, имеющая U-образную форму,
после приведения ее с помощью электромагнитной катушки в коле-
бательное движение, колеблется с собственной частотой (амплитуда
f
Рис. 5.95. Силы, действующие на первичный преобразователь кориоли-
сова расходомера:
/ — силы воздействия; Л — перемешеиие; а — угол закручивания
5.9. Измерение уровня жидкости и сыпучих тел
449
менее 1 мм. частота — десятки герц). При движении трубы вверх
газ, втекающий в трубу, давит на трубу вниз. На выходе из нее тот
же газ дополнительно способствует движению трубы вверх, что, соб-
ственно, приводит к закручиванию U-образной трубы. Во время вто-
рого периода колебаний, когда U-образная труба движется вниз, она
закручивается в противоположную сторону. Это закручивание на-
зывают эффектом Кориолиса. И что очень важно знать: угол закручи-
вания трубы прямо пропорционален расходу газа. Электромагнитные
датчики, расположенные с каждой стороны трубы, измеряют ско-
рость колебания трубы. Массовый расход газа определяют, измеряя
разницу во времени поступления двух сигналов по скорости, эта
разница прямо пропорциональна массовому расходу газа.
Замечание
Трубу первичного преобразователя располагают изгибом вверх, чтобы
предотвратить накопление конденсата в ней. Выпускаются и другие преоб-
разователи, действие которых основано на эффекте Кориолиса, представ-
ляющие собой отрезок прямой трубы, закрепленный с обоих концов и виб-
рирующей с максимальным прогибом в своей средней части.
Достоинства: наличие конденсата, твердых частиц не влияет на
условия применения кориолисова расходомера. Широкий диапазон
измерения, малые потери давления. Высокая точность. Этот прин-
цип измерения позволяет получить информацию не только об объем-
ном, но и о массовом расходе и плотности среды, проходящей через
измерительный преобразователь.
Примечание
Кориолисовы расходомеры относят к «интеллектуальным» изделиям,
так как они могут иметь встроенные микроконтроллеры для вычисления
комплекса показателей.
5.9.	ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
И СЫПУЧИХ ТЕЛ
Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел относится к числу
вспомогательных контрольных операций, позволяющих определить
количества жидкостей и сыпучих тел в резервуарах для учета про-
дукта и сигнализации о переполнении расходных баков и бункеров.
Эти измерения также важны, когда поддержание некоторого
постоянного уровня, например, жидкости в аппаратах, резервуарах,
баках связано как с поддержанием технологического режима, так и
с условиями безопасной работы оборудования. Технические сред-
ства, применяемые для измерения уровня жидкости, называются
450	Глава 5. Измерение технологических параметров
уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации пре-
дельных уровней жидкости, называются сигнализаторами уровня.
В химической промышленности применяют различные методы
измерения уровня жидкости: измерение уровня жидкости указатель-
ными стеклами, механические (с помощью поплавка или буйка),
электромеханические (например, уровнемеры с индуктивными дат-
чиками), гидростатические, пневматические, по измерению прово-
димости, емкостные, фотоэлектрические, ультразвуковые, акусти-
ческие, радиоизотопные
При выборе уровнемера необходимо учитывать температуру, аб-
разивные свойства, вязкость, электрическую проводимость, радио-
активность, химическую агрессивность измеряемой среды. Кроме
того, следует принимать во внимание рабочие условия в объекте
измерения или около него: давление, нагревание или охлаждение,
способ заполнения или опорожнения резервуара, наличие мешалки,
огнеопасность и взрывоопасность.
Основными требованиями, предъявляемыми к современным уров-
немерам, являются: высокая степень надежности при эксплуатации
в химически агрессивной среде для широкого температурного ин-
тервала (от —40 °C до +80 °C); малая погрешность измерений (по-
рядка ±1 мм при изменении уровня жидкости до 20 м); относитель-
но невысокая стоимость; простота установки и технического обслу-
живания; пожаро- и взрывобезопасность; возможность интеграции
в АСУ.
5.9.1.	Механические уровнемеры
Рис. 5.96. Схема поплавкового
уровнемера. Пояснения см в
тексте
Поплавковые уровнемеры (рис. 5.96)
применяются в основном для непрерыв-
ного измерения уровня жидкости, ког-
да положение поплавка, выступающего
в роли чувствительного элемента и по-
мещенного в жидкость, вызывает изме-
нение какого-либо параметра преобра-
зующего элемента. Принцип действия
поплавкового уровнемера основан на
следящем действии поплавка, находя-
щегося на поверхности жидкости и
перемещающегося вместе с уровнем
жидкости. С поплавком 1 с помощью
троса 2 соединен указатель вместе с про-
тивовесом 4, обеспечивающим натяже-
ние троса. Когда уровень жидкости по-
5.9. Измерение уровня жидкости и сыпучих тел
451
Рис. 5.97. Схема уровнемера с диф-
ференциально-трансформаторным
датчиком
Рис. 5.98. Схема буйкового уровне-
мера:
1 — буек; 2 — преобразователь силы (/) в
токовый (Г) сигнал
вышается, поплавок перемещается вверх, противовес с указателем
движутся вниз вдоль шкалы 3. В большинстве случаев перемещение
поплавка, вызванное изменением уровня жидкости, передается на
плунжер соленоидного дифференциально-трансформаторного (ин-
дуктивного) датчика (рис. 5.97). Уровнемеры с индуктивными дат-
чиками применяются для измерения уровня жидкости в резервуарах
высокого давления.
Буйковые уровнемеры (рис. 5.98' Чувствительным элементом уров-
немера является металлический цилиндрический буек, частично
погруженный в измеряемую среду. На буек действуют сила его веса
и выталкивающая сила. При изменении уровня жидкости меняется
выталкивающая сила и положение буйка, подвешенного на пружи-
не (на рис. 5.98 не показана). За счет разности глубины погружения
буйка меняется выталкивающая сила, действующая на буек, и он
перемещается либо вверх (при повышении уровня) или вниз (при
понижении уровня).
Для дистанционного измерения уровня жидкости, находящейся
под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением,
применяются буйковые уровнемеры с унифицированным выходным
сигналом постоянного тока 0...5 мА; 0...20 мА типа «УБ-Э» или
пневматические с давлением 0,02—0,1 МПа (0,2...1,0 кгс/см2) типа
«УБ-П». Действие данных уровнемеров основано на электросиловой
или пневмосиловой, соответственно, компенсации усилия, развива-
емого буйком измерительного блока уровнемера, погруженным в
жидкость, уровень которой измеряется.
452
Глава 5. Измерение технологических параметров
5.9.2.	Гидростатические и пьезометрические
уровнемеры
Оба уровнемера пригодны для измерения уровня любых жидко-
стей. При выборе материала трубки, используемой для измерения
давления, необходимо учитывать химические свойства жидкостей.
Гидростатический и пневматический методы индикации уровня от-
личаются друг от друга тем, что при гидростатическом методе ис-
пользуется непосредственно давление, оказываемое жидкостью на
дно резервуара, тогда как при пневматическом методе в резервуар
принудительно подают воздух или защитный газ.
Гидростатические уровнемеры. Измерение уровня основано на
измерении оказываемого жидкостью на дно резервуара гидростати-
ческого давления, которое измеряется в открытых резервуарах при
помощи обычного или дифференциального манометра. В резервуа-
рах, находящихся под давлением и, следовательно, представляющих
собой замкнутую емкость, уровень жидкости можно измерить толь-
ко дифференциальным манометром (рис 5 99).
Величина гидростатического давления на дно резервуара зави-
сит от высоты h столба жидкости над измерительным прибором и от
плотности р жидкости. Таким образом, справедливо уравнение:
P = Pgh
или
Р = Р1А -p2g/»2-
Если манометр установить не на одинаковой с днищем резерву-
ара высоте, то произойдет смещение точки начала измерения, про-
порциональное разности высот. При использовании дифференци-
альных манометров место установки измерительного прибора не
5.9. Измерение уровня жидкости и сыпучих тел
453
Рис. 5.100. Схема пьезометрического
уровнемера
влияет на правильность индикации, если оно находится ниже уров-
ня днища резервуара, а измерение давления осуществляется относи-
тельно давления постоянного уровня жидкости.
Пьезометрические уровнемеры. Высоту уровня жидкости измеряют
по давлению воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости.
На рис. 5.100 показана схема подобного устройства для открытых
резервуаров. В жидкость, уровень которой предстоит измерить, по-
гружают трубку и в нее через дроссель непрерывно нагнетается сжа-
тый воздух или защитный газ, например азот Пневматическое дав-
ление, устанавливающееся в погружной трубке за дросселем, сооз -
ветствует гидростатическому давлению над концом трубки и является
тем самым мерой уровня заполнения резервуара. Материал погруж-
ной трубки выбирается в соответствии с химическими и физически-
ми свойствами измеряемой жидкости.
Преимущество гидростатического и пневматического способов
измерения уровня заключается в том, что они обладают весьма вы-
сокой эксплуатационной надежностью. Гидростатический метод
можно использовать в частности, для измерения уровня в резерву-
арах высокого давления Преимущество пневматического метода
состоит в том, что измерительное устройство не находится в кон-
такте с измеряемым веществом, поэтому его очень удобно приме-
нять, измеряя уровень агрессивных, сильно загрязненных, вязких и
склонных к кристаллизации жидкостей, включая пульпы, в откры-
тых резервуарах. Указанные методы применяют в промышленности
для измерения уровня жидкости также в перегонных кубах, реакто-
рах и т. д.
5.9.3.	Кондуктометрические уровнемеры
Кондуктометрические уровнемеры применяются для измерения уров-
ня электропроводящих жидкостей в резервуарах, цистернах. Принцип
измерения основан на изменении силы тока от изменения контроли-
руемого уровня жидкости в резервуаре. В пустом резервуаре сопротив-
454
Глава 5. Измерение технологических параметров
ление между двумя электродами бесконечно велико. Если опустить
электроды в электропроводящую жидкость в резервуаре, уровень кото-
рой измеряется, то изменение проводимости отражает ее уровень.
Примечание
Ток, проходящий через жидкость, должен быть мал для исключения
электролиза (или взрыва).
5.9.4.	Емкостные уровнемеры
Рис. 5.101. Схема емкост-
ного уровнемера:
1 — трубчатый (наружный)
электрод; 2 — внутренний
электрод; 3 — преобразова-
тель емкости (С) в токовый
(Г) сигнал
Их действие основано на измерении элек-
трической емкости преобразователя, изменя-
ющейся пропорционально изменению конт-
ролируемого уровня жидкости в резервуаре.
Преобразователь, преобразующий изменение
уровня жидкости в пропорциональное изме-
нение емкости, представляет собой цилинд-
рический конденсатор, электроды которого
расположены коаксиально (рис 5.101). Для
каждого значения уровня жидкости в резер-
вуаре емкость первичного преобразователя
определяется как емкость двух параллельно
соединенных конденсаторов, один из которых
образован частью электродов преобразователя
и жидкостью, уровень которой измеряется, а
второй — остальной частью электродов емко-
стного преобразователя и воздухом (или па-
рами жидкости). Измерение емкости осуще-
ствляют уравновешенными мостами пере-
менного тока.
Замечание
Если жидкость находится в металлической емкости, то ее можно ис-
пользовать в качестве одного из электродов емкостного преобразователя.
Емкостный метод применяют для измерения уровня песка, це-
мента, извести, угольной пыли в бункерах и хранилищах, а также
мазута, топлива, воды, кислот, щелочей и вязких материалов.
5.9.5.	Фотоэлектрические уровнемеры
Фотоэлектрические уровнемеры применяются только для измере-
ния дискретных уровней жидкости. Первый вариант измерения уровня
жидкости фотоэлектрическими преобразователями (рис. 5.102, о):
5.9. Измерение уровня жидкости и сыпучих тел
455
Рис. 5.102. Схемы фотоэлектрического уровнемера с разделенным (о) и
совмещенным (б) расположением фотоэлектрического источ-
ника света 1 и светодетектора 2
фотоэлектрические источник света 1 и детектор 2 разделены, поэто-
му луч света (а также излучение ультрафиолетовое, инфракрасное)
между ними прерывается, если уровень жидкости превышает высо-
ту установки этих преобразователей. Практически луч света полно-
стью не прерывается, а лишь ослабляется.
Второй вариант измерения уровня жидкости фотоэлектрически-
ми преобразователями: фотоэлектрические источник света, детек -
тор и призма размещаются в одном корпусе (рис. 5.102, б). Свет от
фотоэлектрического источника отражается от внутренней поверх-
ности призмы и попадает на светодетектор в том случае, когда фо-
тоэлектрический преобразователь находится в газовой среде. Если
жидкость покрыла корпус фотоэлектрического преобразователя,
индекс отражения между призмой и окружающей средой изменит-
ся, и луч света не будет отражаться от призмы к светодетектору.
Примечание
Свет представляет собой электромагнитное излучение Видимый свет —
это излучение в диапазоне длин волн, воспринимаемых человеческим гла-
зом (от 380 до 780 нм). Излучение в диапазоне длин волн 10...380 нм назы-
вают ультрафиолетовым излучением (или просто ультрафиолетовым све-
том); излучение в диапазоне длин волн 780...3000 нм инфракрасным
излучением (или просто инфракрасным светом).
5.9.6.	Ультразвуковые уровнемеры
Ультразвук можно использовать для измерения уровня как жид-
костей, так и сыпучих материалов. Способ непригоден лишь для
измерения уровня жидкости, содержащей твердые частицы, кото-
рые могут образовать отложения на вибраторах и тем самым приве-
сти к погрешностям измерения Такие химические и физические
свойства жидкости, как агрессивность, плотность и вязкость, игра-
ют при этом второстепенную роль. Ультразвуковой метод измере-
456	Глава 5. Измерение технологических параметров
ния уровня позволяет осуществлять сигнализацию уровня сыпучих
материалов, а также легких хлопьевидных и содержащих воздух ма-
териалов, например, целлюлозы, мелкозернистых или порошкооб-
разных синтетических материалов.
Область применения этого метода распространяется также и на
измерение уровня жидкости в емкостях из дерева и пластика, где
сам по себе точный и надежный емкостный метод измерения не
всегда пригоден.
Для измерения уровня при помощи ультразвука необходимо на-
личие излучателя и приемника. Излучатель посылает ультразвуко-
вые импульсы, представляющие собой механические колебания в
диапазоне частот от 20 кГц до нескольких мегагерц. Чем выше час-
тота, тем прямолинейнее распространяются ультразвуковые колеба-
ния, поведение которых напоминает поведение световых лучей. В свя-
зи с этим к ним применим известный из оптики закон отражения и
преломления.
Замечание
В ультразвуковой измерительной технике все шире применяют пьезо-
электрический эффект, так как он позволяет достичь высоких частот, на-
ходящихся в диапазоне мегагерц.
Время прохождения или поглощения луча ультразвука может
служить мерой уровня. В воздухе и газах скорость распростране-
ния ультразвука минимальна. С ростом частоты звукопроводность
уменьшается.
Различают три режима работы ультразвуковых преобразователей
уровня (рис. 5.103). В первом режиме при измерении уровня мето-
дом поглощения мерой уровня служит ослабление луча ультразвука.
Рис. 5.103. Схемы ультразвуковых уровнемеров, в которых осуществляет-
ся первый (а) второй (б) и третий (в) режимы работы:
1 — излучатель; 2 — приемник
5.9. Измерение уровня жидкости и сыпучих тел
457
Первый режим весьма похож на работу фотоэлектрического преоб-
разователя: ультразвуковой излучатель и приемник (детектор) мон-
тируются внутри резервуара и располагаются строго друг против друга
так, что между ними образуется прямой путь прохождения ультра-
звуковой волны в газе (рис. 5.103, а). При заполнении пространства
между двумя вибраторами жидкостью или сыпучим материалом уль-
тразвуковой излучатель посылает сигнал, и ультразвуковые волны
весьма существенно поглощаются жидкостью или сыпучим материа-
лом. Если сыпучий материал или жидкость освобождает траекторию
луча ультразвука, сигнал гаснет. Этот режим работы ультразвуковых
преобразователей используется только для определения дискретных
уровней жидкости, т. е. для сигнализации предельных величин. Та-
кой способ подачи ультразвуковых сигналов пригоден для измере-
ния уровня сыпучих материалов.
Для измерения уровня жидкостей более удобен второй режим
работы ультразвуковых преобразователей, основанный на измере-
нии времени прохождения сигнала с использованием принципа эхо-
лота (рис. 5.103, б). Электрический импульс пьезоэлектрическим
вибратором преобразуется в ультразвуковой импульс, который из-
лучается в жидкость и отражается пограничным слоем жидкость—
воздух. Эхо поступает на аналогичный пьезоэлектрический вибра-
тор и преобразуется в электрический импульс. Оба импульса, по-
сланный и отраженный, попадают с определенным интервалом на
вход усилителя.
Тогда уровню жидкости соответствует время между излучением
(моментом посылки импульса) и приемом отраженного ультразву-
кового импульса от поверхности жидкость—воздух до ультразвуко-
вого преобразователя:
т = 2£/vc ,	(5.105)
где С — расстояние от излучателя до поверхностного раздела фаз;
vc — скорость распространения ультразвука в измеряемой среде.
Скорость распространения ультразвука при любой температуре
жидкости (воды) можно рассчитать по эмпирической формуле:
vc = 1557 - 0,0245(74 -if ,	(5.106)
где t — температура жидкости (воды),°C.
Пауза между двумя последовательно посылаемыми импульсами
определяется выражением
тп > Ют = 20£/г>с	(5.107)
Принципиальная схема ультразвукового уровнемера, работаю-
щего во втором режиме ультразвуковых преобразователей приведе-
на на рис. 5.104.
458
Глава 5 Измерение технологических параметров
X
Рис. 5.104. Принципиальная схе-
ма ультразвукового уровнемера.
Пояснения см. в тексте
Уровнемер состоит из пьезоэлектри-
ческого преобразователя (вибратора) 2,
установленного в резервуаре 7, элект-
ронного блока 3 и вторичного изме-
рительного прибора 8 (на рисунке —
автоматический потенциометр). Элек-
тронный блок включает в себя генера-
тор 7, задающий частоту повторения
импульсов; генератор импульсов 4,
посылаемых в жидкость, уровень ко-
торой измеряется; приемного устрой-
ства-усилителя 5; измерителя време-
ни 6. Генератор 7, задающий частоту
повторения импульсов, управляет рабо-
той генератора импульсов 4 и измери-
телем времени 6. Генератор импульсов 4
вырабатывает электрические импульсы
с определенной частотой повторения,
которые преобразуются в ультразвуко-
вые с помощью пьезоэлектрического преобразователя 2, установ-
ленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жид-
кой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от поверхности
жидкости (от границы раздела жидкость—газ) и поступают на тот же
пьезометрический преобразователь. Отраженные импульсы после
обратного преобразования в электрические усиливаются и форми-
руются усилителем 5, а затем подаются на измеритель времени.
Выходным сигналом измерительной схемы является постоянное на-
пряжение, поступающее на вход вторичного прибора 8 (например,
автоматического потенциометра)
Замечание
При вычислении уровня жидкости необходимо принимать во внима-
ние скорость звука в среде между преобразователем и поверхностью жид-
кости. Конструктивно ультразвуковой излучатель и детектор могут распо-
лагаться раздельно (см. рис. 5.103, б) или в одном корпусе (см. рис. 5.104).
Третий режим работы ультразвуковых преобразователей показан
на рис. 5.103, в. Внутри резервуара размещают эмиттер, излучаю-
щий ультразвуковые волны в пространстве над поверхностью жид-
кости. В этом случае ультразвуковые колебания оказываются в резо-
нансе с колебаниями полости над поверхностью жидкости или в
резонансе с гармониками собственных колебаний этой полости.
Уровень жидкости определяется измерением частоты новых колеба-
ний, поскольку при разном уровне жидкости резонансная частота
оказывается различной.
5.9. Измерение уровня жидкости и сыпучих тел	459
Примечание
Ультразвуковые волны похожи на звуковые, они создают в воздухе
движущиеся волны давления и отличаются от звука частотой (частота уль-
тразвука выше 20 кГц). Ультразвуковые преобразователи излучают и при-
нимают ультразвуковые волны целого ряда частот. Как правило, ультра-
звуковые преобразователи представляют собой пьезоэлектрические конст-
рукции, имеющие резонансную частоту в диапазоне ультразвука. Подача
на излучающий преобразователь колебаний от генератора на некоторой
частоте вызывает излучение ультразвуковых волн (излучатель и детектор
подбираются для работы на одной и той же резонансной частоте).
Применение ультразвуковых уровнемеров: для измерения уров-
ня только однородных жидкостей, находящихся под высоким избы-
точным давлением
Преимущество измерения уровня с использованием ультразвука
заключается в том, что этот метод удобен для измерения уровня
заполнения даже в труднодоступных резервуарах, где часто по кон-
структивным причинам бывает невозможно воспользоваться другим
способом измерения. Разумеется, метод требует больших затрат, так
как, кроме пьезоэлектрических вибраторов, необходимы частотные
генераторы.
Замечание
Разработан новый датчик-сигнализатор уровня в металлических ре-
зервуарах, работа которого основана на ультразвуковой технологии. Он
позволяет сигнализировать о значениях уровня в металлическом резервуа-
ре не нарушая его целостности, что особенно важно, когда в резервуаре
содержится агрессивная или летучая среда (щелочь, легкие углеводороды и
т. д.) при высоком давлении или температуре.
5.9.7.	Измерение уровня
с помощью радиоактивных изотопов
Измерение уровня при помощи радиоактивных изотопов целе-
сообразно прежде всего при наличии специфических условий, а
именно: высокого давления или разреженности, агрессивности сре-
ды, когда нельзя использовать обычные средства измерения. Этот
способ используют для измерения уровня заполнения резервуаров,
силосных башен и бункеров, где нельзя установить измерительные
щупы или необходимо применение дорогостоящей системы изме-
рительных щупов, вызванное конструктивными особенностями. Но
и в тех случаях, когда правила техники безопасности запрещают ус-
тановку уровнемеров в резервуарах или когда установка обычных
средств измерения потребует больших затрат, для измерений часто
460
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.105. Схема радиоактив-
ного сигнализатора уровня:
I — излучатель; 2 — приемник
выгодно оказывается использовать радио-
активные изотопы. Особенно целесообраз-
но применять радиоактивные изотопы для
измерений уровня агрессивных материа-
лов, веществ с повышенной адгезионной
способностью, в резервуарах с очень вы-
сокими температурами, в резервуарах (ре-
акторах) со встроенными мешалками, в
бункерах с такими крупнокусковыми ма-
териалами, как уголь или руда, в шахтных
печах.
В основе измерения при помощи ис-
кусственных радиоактивных изотопов ле-
жит принцип поглощения радиоактивного излучения соответствую-
щим материалом, содержащимся в резервуаре. Пучок у-лучей, излу-
чаемый радиоактивным источником, проникает через резервуар по
прямой линии (рис. 5.105). На стенке резервуара, лежащей против
излучателя, расположен приемник, преобразующий принятые лучи
в электрические импульсы. Интенсивность принятого излучения
зависит от высоты уровня. Возникающие на выходе приемника им-
пульсы, частота которых пропорциональна интенсивности излуче-
ния, подводятся к переключающему устройству, реле которого сра-
батывает, как только число импульсов в единицу времени достигнет
минимальной величины. Ввиду того, что в большинстве случаев
измеряют толстые слои материала, используют преимущественно
у-лучи. Большое влияние на измерение уровня оказывает толщина
стенок резервуара. Интенсивность излучения, проникающего через
заполненный резервуар, можно рассчитать по формуле
А = 1о ехр[-Х(2рД +рД)].	(5.108)
Интенсивность излучения, проникающего через пустой резерву-
ар, равна
А = 10 ехр(-12рД).	(5.109)
Отношение величин интенсивности излучения через заполнен-
ный резервуар (5.108) и пустой резервуар (5.109):
А/А = ехР(“А>,Ч)>	(5.110)
где /0 — исходная интенсивность излучения; Ьс — толщина стенки
резервуара; рс и р, — плотности материала стенки и содержимого
в резервуаре соответственно; — внутренний диаметр резервуара;
X — массовый коэффициент поглощения.
5.9. Измерение уровня жидкости и сыпучих тел
461
5.9.8.	Акустические уровнемеры
Акустический метод определения уровня жидкости основан на
формировании акустического импульса на границе раздела жид-
кость—воздух в вертикальном звукопроводе, выполненном в виде
тонкого металлического стержня. Уровень жидкости рассчитывает-
ся исходя из времени распространения ультразвукового сигнала от
излучателя, расположенного внутри поплавка на поверхности жид-
кости, до приемника, установленного в верхнем конце стержня.
Для подачи питания и синхронизации формирователя ультра-
звукового импульса используется непосредственно звукопровод, яв
ляющийся одновременно частью витка первичной обмотки транс-
форматора, вторичная обмотка которого расположена в поплавке.
Формирование акустического импульса осуществляется излучателем,
представляющим собой пьезокерамическое кольцо, коаксиально
охватывающее стержень
На рис. 5.106 рассмотрена схема акустического уровнемера. Элек-
трический ток подается на металлический стержень-звукопровод 1
с формирователя импульсов синхронизации 2 и формирователя ча-
стоты питания 3 через смеситель 4. В катушке индуктивности L,
расположенной в корпусе поплавка 5, возникает соответствующий
индукционный ток. Катушка подключена к входу блока формирова-
ния импульсов излучателя 6. Электрический импульс, вырабатывае-
мый этим блоком, подается на пьезокерамическое кольцо 7 излуча-
теля. При этом формируется акустический сигнал, который через
стенки корпуса поплавка и жидкость достигает звукопровода. В ме-
таллическом стержне возбуждается продольная волна. Ультразвуко-
вые импульсы принимаются пьезокерамическим преобразователем
8, закрепленным на верхнем торце стержня. Электрический сигнал
с приемника через усилитель 9 поступает на вход счетчика времени
10, определяющего время распространения ультразвукового импульса
Рис. 5.106. Принципиальная схема акустического уровнемера. Пояснения
см в тексте
462
Глава 5. Измерение технологических параметров
по стержню. При работе системы по металлическому стержню про-
текает переменный электрический ток в несколько миллиампер и
частотой 10 кГц, которого достаточно для индукционного питания
и генерации электрического импульса амплитудой 20...30 В, подава-
емого непосредственно на излучатель. Синхронный запуск излуча-
теля осуществляется высокочастотным импульсом тока. Таким об-
разом, схема синхронизации и формирования ультразвуковых им-
пульсов работает автономно без внутреннего источника питания и
независимо от положения поплавка. Все элементы излучателя рас-
положены внутри герметичного корпуса поплавка, изготовленного
из нержавеющей стали.
Уровнемер представляет собой единый электронный блок, уста-
навливаемый на крышке стандартного технологического отверстия
резервуара, в которое опускается металлический стержень. Сигнал,
поступающий с уровнемера на вход ЭВМ, подвергается обработке с
помощью программного пакета, позволяющего рассчитывать уро-
вень и расход жидкости в нескольких (до 10) резервуарах.
5.10.	ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА
И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ
Физические методы анализа основаны на использовании зави-
симости какого-либо физического эффекта или физического свой-
ства вещества от его состава. Для газового анализа используют плот-
ность, вязкость, теплопроводность, магнитную восприимчивость,
тепловой эффект реакции и т. д По изменению специфических
физических эффектов или физических свойств возможно опреде-
лить концентрацию измеряемого компонента в многокомпонентной
газовой смеси.
5.10.1.	Физические газоанализаторы
В физических газоанализаторах для анализа компонента в газо-
вой смеси чаще всего используют такие свойства газовой смеси, как
теплопроводность, магнитная восприимчивость, тепловой эффект
химической реакции и др. Условие выбора физического свойства:
аддитивность свойств выбранной физической величины в данной
газовой смеси.
Газоанализаторы обычно имеют блочно-модульную конструкцию
и состоят из нескольких блоков:
•	выносного первичного измерительного преобразователя (датчика);
•	блока питания;
5.10. Измерение состава и физико-химических свойств веществ
463
•	блока подготовки газа, включающего фильтр, побудитель рас-
хода, индикатор расхода и т. п.;
•	измерительного прибора общепромышленного исполнения (рас-
стояние между блоками не более 200 м).
Промышленные автоматические газоанализаторы предназначе-
ны для определения содержания контролируемых компонентов в
газовых смесях технологических процессов, в окружающей воздуш-
ной среде, в производственных помещениях. Термокондуктометри-
ческие, термомагнитные, термохимические, оптические абсорбци-
онные в ИК- и УФ-области спектра газоанализаторы предназначе-
ны в основном для анализа одного компонента в газовой смеси.
Хроматографические газоанализаторы предназначены для анализа
многокомпонентных смесей. Принцип их действия основан на ис-
пользовании для разделения смесей способности в различной сте-
пени адсорбироваться на выбранном адсорбенте при пропускании
газовой смеси через неподвижный слой адсорбента и выделении
соответствующих компонентов газов и жидкостей в хроматографи-
ческой колонке.
5.10.1.1.	Термокондуктометрические газоанализаторы
Принцип действия термокондуктометрических газоанализаторов
основан на зависимости теплопроводности газовой смеси от кон-
центрации определяемого компонента. Можно считать, что тепло-
проводность является аддитивным свойством; для бинарной газовой
смеси для данной температуры (в первом приближении)
^см = ХА1 х2^-2>	(5 Hl)
где X], х2 — молярные доли компонентов; X, и — теплопроводности
этих компонентов, Вт/(м  К).
Измерив теплопроводность бинарной смеси и зная теплопро-
водность чистых компонентов, можно вычислить концентрации ком-
понентов в смеси. Применимость метода теплопроводности ограни-
чивается определенной областью концентраций.
Принципиальная схема термокондуктометрического газоанали-
затора показана на рис. 5.107 В плечи измерительного неуравнове-
шенного моста включены одинаковые сопротивления, например, в
виде платиновых нитей (или полупроводниковых терморезисторов) 1,
нагреваемых током. По сути, эти сопротивления — нагревательные
элементы. Через сопротивления протекает одинаковый постоянный
ток и нагревает их. Два сопротивления, включенные в противопо-
ложные плечи моста, помещаются в камеры, через которые пропус-
кается измеряемый газ, а два других — в камеры 2, наполненные
воздухом (сравнительный газ). До тех пор, пока отвод теплоты от
464
Глава 5 Измерение технологических параметров
Рис. 5.107. Измерительная мосто-
вая схема термокондуктометри-
ческого газоанализатора. Поясне-
ния см в тексте
нагревательных элементов в измерительных и сравнительных каме-
рах одинаков, мост находится в равновесии.
Если теплопроводность измеряемой газовой смеси, подаваемой
в измерительные камеры, отличается от теплопроводности воздуха
(выбран как сравнительный газ), то теплоотдача от нагреваемых нитей
к стенкам камеры изменяется, что приводит к изменению темпера-
туры нитей и, соответственно, к изменению их сопротивления. Рав-
новесие моста нарушится и в диагонали моста cd появляется напря-
жение разбаланса, пропорциональное содержанию определяемого
компонента. Наблюдается такая схема преобразования концентра-
ции анализируемого газа в разбаланс напряжения:
с -» Хсм -» Г -» А -» hUcd
Напряжение разбаланса измеряется, например, потенциометром 3.
Чтобы избежать проявления дополнительных приборных погреш-
ностей за счет влияния температуры окружающей среды на резуль-
тат измерения, блок измерительных камер газоанализатора термо-
статируют, помещая их, например, в один металлический блок.
Недостатки: большая погрешность измерения (основная погреш-
ность составляет 2,5... 10 % в зависимости от интервала измерения),
отсутствие селективности.
Область применения: непрерывный контроль содержания водо-
рода в азотоводородной смеси в производстве синтетического ам-
миака; водорода в газе карбидных печей и в производстве электро-
литического водорода; аммиака в аммиачно-воздушной смеси в про-
изводстве азотной кислоты; диоксида серы в печном газе в
производстве серной кислоты и т. д.
5.10.1.2.	Термохимические газоанализаторы
Принцип действия термокаталитических (термохимических) га-
зоанализаторов основан на беспламенном сжигании (окислении) уг-
леводородов на поверхности каталитического активного элемента и
5.10. Измерение состава и физико-химических свойств веществ
465
измерении количества выделившейся при этом теплоты, которое про-
порционально концентрации углеводородов и паров горючих жидко-
стей. Выпускаются две основные модификации термокаталитических
газоанализаторов. В первой (рис. 5.108, а), наиболее распространен-
ной конструкции, реакция сжигания осуществляется на активиро-
ванной поверхности нагретой платиновой нити (измерительный эле-
мент), помещаемой в измерительную проточную камеру и служащей
одновременно чувствительным элементом для измерения температу-
ры. Нить R, нагревается постоянным током и на ней происходит ка-
талитическое окисление пропускаемой горючей смеси. Сравнитель-
ный элемент (точно такая же платиновая нить сопротивлением Л3)
находится в закрытой сравнительной камере, заполненной воздухом.
Оба платиновых сопротивления вместе с двумя другими сопротивле-
ниями образуют неуравновешенный измерительный мост. Выделяю-
щаяся в результате каталитического окисления горючих компонентов
теплота приводит к повышению температуры измерительного эле-
мента. Его сопротивление изменяется, и возникает разбаланс изме-
рительного моста — мера концентрации горючих компонентов
Во второй модификации (рис. 5.108, б) применяется насыпной твер-
дый катализатор /, помещаемый в проточную термостатируемую ка-
меру сжигания. Повышение температуры, вследствие теплового эф-
фекта реакции сгорания, измеряется термометром сопротивления 2.
В результате беспламенного горения появляется следующая схе-
ма преобразования концентрации анализируемого (горючего) газа в
разбаланс напряжения:
С -> <?сг	Л -» ^Ued
где Ссг — теплота сгорания.
Рис. 5.108. Измерительные мостовые схемы термохимического газоана-
зизатора:
а — с проволочным платиновым каталитическим чувствительным эле-
ментом Я/ б — с проточной термостатируемой камерой (/ — твердый
насыпной катализатор; 2 — термопреобразователь сопротивления)
466
Глава 5 Измерение технологических параметров
Напряжение разбаланса (рис. 5.108, а, б) можно измерить потен-
циометром.
Недостатки: ограниченный диапазон измерений; отсутствие се-
лективности; низкие быстродействие и чувствительность; отравляе-
мость чувствительного элемента: обязательное присутствие кисло-
рода в контролируемой среде.
Область применения: чаще всего для измерения довзрывных
концентраций углеводородов и паров горючих жидкостей.
5.10.1.3.	Термомагнитные газоанализаторы
Принцип действия основан на использовании температурной за-
висимости парамагнитной восприимчивости кислорода, выражен-
ной уравнением Кюри:
X* = с,
(5.112)
Рис. 5.109. Схема термомаг-
нитного газоанализатора с
кольцевой камерой. Поясне-
ния см. в тексте
где х — удельная магнитная восприимчивость; с — постоянная Кюри.
При повышении температуры магнитная восприимчивость сни-
жается.
Принципиальная схема термомагнитного газоанализатора с коль-
цевой камерой показана на рис. 5.109. Поток анализируемого газа
на входе в кольцевую камеру разделяется на два потока, которые
протекают по двум половинам кольцевой металлической камеры 1.
Камера имеет поперечное сечение в виде тонкостенной стеклянной
трубки 5, образующей собственно анализатор. На трубку снаружи
намотаны две одинаковые нагревательные проволочные секции из
металла с высоким температурным коэф-
фициентом сопротивления (Pt; Ni), пред-
ставляющие собой два сопротивления
и R2 измерительного моста. Двумя други-
ми плечами моста служат постоянные
манганиновые сопротивления R3 и R4.
Сопротивления R{ и Я2 нагреваются до
200...300 °C электрическим током от ста-
билизированного источника питания
(ИПС). Половина трубки с сопротивле-
нием Д, находится между полюсами силь-
ного магнита 2. При отсутствии кислоро-
да в анализируемой смеси поток разделя-
ется на две равные части, омывающие
сопротивления R} и R2, не нарушая рав-
новесие моста. Если холодный анализи-
руемый газ содержит кислород, то он
сильнее втягивается в трубку со стороны
магнита. Согласно уравнению (5.112), при
5.10. Измерение состава и физико-химических свойств веществ
467
нагревании газовой смеси, содержащей кислород, магнитная вос-
приимчивость смеси снижается. Более холодные свежие порции
смеси вытесняют нагретые, что приводит к образованию постоян-
ного газового потока («магнитного ветра») через поперечную труб-
ку. Сопротивление /?,, расположенное вблизи магнитных полюсов,
несколько охлаждается, а другое сопротивление Я2 на столько же
нагревается. Возникающая между сопротивлениями разность тем-
ператур и соответственно разность сопротивлений является мерой
содержания кислорода в анализируемом газе. Напряжение разба-
ланса измерительного моста можно измерить потенциометром 4.
5.10.1.4.	Оптические абсорбционные
в ИК-области спектра газоанализаторы
Действие оптико-акустических газоанализаторов основано на
способности определяемого газа поглощать инфракрасное излуче-
ние. Этой способностью обладают все газы, за исключением одно-
атомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора. Каждый газ
поглощает инфракрасное излучение только в своих, характерных для
него участках спектра. Интенсивность монохроматического излуче-
ния, прошедшего слой поглощающего газа, определяется законом
Бугера—Ламберта— Бера-
Л = A»xexPH^)>	(5.113)
где /ОЛ, 4 ~ интенсивность монохроматического излучения до и после
прохождения слоя поглощающего газа; к — коэффициент поглоще-
ния, характерный для данного газа и определенной длины волны Л;
с — объемная концентрация газа, поглощающего излучение; h —
толщина слоя поглощающего газа.
Для измерения интенсивности излучения, прошедшего слои ана-
лизируемого газа, используют оптико-акустический эффект: газ, спо-
собный поглощать ИК-лучи, в замкнутом объеме подвергается пре-
рывистому воздействию инфракрасного излучения, при этом смесь
периодически нагревается (в результате поглощения излучения) и
охлаждается (при прекращении излучения). Колебания температу-
ры вызывают колебания давления газа, воспринимаемые звуковым
приемником.
Принципиальная схема двухканального оптико-акустического га-
зоанализатора показана на рис. 5.110. От двух источников (излуча-
телей) 3 с отражателями 2 потоки инфракрасного излучения, прак-
тически одновременно прерываемые обтюратором 4 (вращается элект-
родвигателем 1) с определенной частотой, проходят две камеры 5 и 6,
затем фильтровые камеры 7 и попадают в лучеприемник 8. Сравни-
тельная непроточная камера 6 заполнена азотом, а в рабочую каме-
468
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.110- Схема оптико-акус-
тического газоанализатора. По-
яснения см в тексте
ру 5 поступает анализируемый газ.
Окна рабочей, сравнительной и филь-
тровых камер, а также лучеприемника
выполнены из материала, пропускаю-
щего ИК-излучение. Фильтровые ка-
меры заполняются неопределяемыми
мешающими газами, спектры погло-
щения которых могут частично пере-
крывать спектр поглощения определя-
емого компонента. Таким образом
присутствие в анализируемой смеси
мешающих газов не будет приводить к
увеличению погрешности измерения,
так как они будут поглощать ИК-из-
лучение в характерных для них участ-
ках спектра в обоих каналах — как из-
мерительном, так и сравнительном, и
разность интенсивности потоков ИК-
излучения, поступающего в левую и
правую камеры лучеприемника, будет
зависеть от концентрацией в анализи-
руемой смеси только определяемого
компонента. Лучеприемник 8 состоит из двух камер, разделенных
конденсаторным микрофоном 9 и заполненных смесью азота с оп-
ределяемым компонентом. Периодически газ в лучеприемнике 8
нагревается (за счет поглощения энергии) и охлаждается, что при-
водит к возникновению в замкнутом объеме лучеприемника перио-
дических колебаний температуры, вызывающих периодические ко-
лебания давления газа. При равенстве интенсивностей инфракрас-
ного излучения в правой и левой частях лучеприемника 8 мембрана
конденсаторного микрофона неподвижна. Если интенсивность по-
ступающего инфракрасного излучения в левую лучеприемную каме-
ру будет меньше, чем в правую, то и амплитуда периодического ко-
лебания давлений в левой лучеприемной камере будет меньше, чем
в правой. При этом разность давлений, действующая на мембрану
конденсаторного микрофона, будет тем больше, чем больше будет
концентрация определяемого компонента в анализируемой газовой
смеси. Амплитуда колебаний мембраны и связанное с ней измене-
ние выходного сигнала пропорциональны разности давлений в лу-
чеприемных камерах, а следовательно, и концентрации определяе-
мого компонента в газовой смеси. Колебания давления могут быть
преобразованы конденсаторным микрофоном 9 в электрический
выходной сигнал, который можно измерить. Описанное оптико-аку-
стическое явление известно как явление Тиндаля—Рентгена, кото-
5.10. Измерение состава и физико-химических свойств веществ
469
рое наблюдалось этими учеными при звуковых частотах модуляции
излучения Выходной сигнал конденсаторного микрофона после
преобразования в напряжение и прохождения усилителя 10 подает-
ся на реверсивный двигатель 11, перемещающий одновременно стрел-
ку прибора и компенсирующую заслонку 12. Собственно перемеще-
ние компенсирующей заслонки 12 и уравнивает потоки инфракрас-
ного излучения на выходе из камер 5 и 6.
Селективность оптико-акустических анализаторов повышают,
применяя набор светофильтров с узким диапазоном длин волн про-
пускаемых лучей.
Достоинствами оптико-акустических газоанализаторов являют-
ся высокая чувствительность, хорошая избирательность, высокое
быстродействие, широкий диапазон измерений, высокая точность и
долговечность.
Примечание
Для измерения интенсивности ИК-излучения в оптических абсорб-
ционных газоанализаторах применяются также светодиоды. Ослаблен-
ный поток излучения, прошедшего слой поглощающего газа, попадает
на фотоприемник. Отношение сигналов от рабочего и опорного свето-
диодов зависит от концентрации анализируемого газа. Это отношение
устанавливается при калибровке и записывается в память микроконт-
роллера. Полученные сигналы пересчитываются микропроцессором в
объемную концентрацию анализируемого газа с учетом температурной
коррекции.
5.10.1.5.	Оптические абсорбционные
в УФ-области спектра газоанализаторы
Принцип действия основан на оптико-абсорбционном методе
измерения ультрафиолетовой энергии излучения анализируемым
компонентом газовой смеси. Газоанализаторы этого типа имеют
большую чувствительность к парам ртути, ацетона, к хлору, озону и
ряду других газов, наличие которых удается обнаружить с точнос-
тью тысячных долей процента.
5.10.2.	Измерение концентрации растворов
Автоматический непрерывный контроль жидкостей осуществ-
ляется измерительными устройствами, монтируемыми непосред-
ственно в технологическом аппарате или в трубопроводе, при со-
блюдении следующих условий: измерительное устройство должно
иметь термокомпенсацию или контролируемая среда должна нахо-
диться в изотермических условиях и не менять своего физического
состояния; первичный измерительный преобразователь, погружен-
470	Глава 5. Измерение технологических параметров
ный в измеряемую среду, не должен создавать в ней застойные
зоны. В противном случае датчик анализатора следует установить
вне технологического аппарата, применяя специальные пробоот-
борные устройства.
Широко применяются традиционные автоматические анализа-
торы состава технологических жидкостей, использующие кондукто-
метрический, потенциометрический, денсиметрический и ультра-
звуковой методы.
Примечание
Разработка автоматических систем отбора и подготовки проб с микро-
процессорным управлением получения и обработки информации позволи-
ла значительно развить вискозиметрический, ультразвуковой, титрометри-
ческий и другие методы.
5.10.2.1.	Кондуктометрические анализаторы
Принцип действия кондуктометрического анализатора основан
на зависимости удельной электрической проводимости раствора от
количества и природы содержащихся в растворе веществ. Широкое
распространение получили контактные кондуктометрические ана-
лизаторы. Их чувствительный элемент представляет собой электродную
ячейку, погруженную в измеряемый раствор, с помощью которой
измеряется его электрическая проводимость, зависящая от состава
и количества находящихся в нем веществ.
Двухэлектродные ячейки применяют для анализа чистых раз-
бавленных растворов с удельной электрической проводимостью до
10-5 См/м и в сигнализаторах, когда не требуется достижения высо-
кой точности измерения. В трехэлектродной ячейке внешние элек-
троды соединены между собой и вместе с внутренним электродом
образуют две параллельно включенные двухэлектродные ячейки. В та-
кой ячейке незначительны внешние наводки. В четырехэлектрод-
ной ячейке переменное напряжение подводится к двум крайним
электродам, между которыми в растворе протекает ток. Два внут-
ренних электрода служат для измерения падения напряжения, кото-
рое создает ток на участке раствора между ними. Четырехэлектрод-
ные ячейки применяют для анализа чистых растворов с удельной
электрической проводимостью до 10-2..,10 См/м
Этот способ используют при измерения концентрации элект-
ролитов.
Электропроводность гомогенных многокомпонентных жидких
смесей в первом приближении подчиняется правилу аддитивности:

(5.114)
5.10. Измерение состава и физико-химических свойств веществ 471
где ож — удельная электропроводность жидкой смеси, См/м; х, —
молярная доля /-го компонента =	— Удельная электро-
проводность /-го компонента в жидкой смеси; п — число компонен-
тов-электролитов в растворе.
Электропроводность дисперсных систем, составленных из элек-
тропроводной сплошной фазы и неэлектропроводной дисперсной
фазы, зависит от концентрации неэлектропроводных диспергиро-
ванных частиц.
Электропроводность неоднородной гетерогенной среды не под-
чиняется правилу аддитивности, и ее определяют экспериментально.
Проводя измерение электропроводности жидких растворов (из-
меняется только концентрация определяемого компонента), изме-
рение электропроводности гетерогенных систем (суспензии, эмуль-
сии и т. д.), у которых изменяется только содержание дисперсной
фазы, возможно непрерывно контролировать изменение концент-
рации определяемого компонента.
Кондуктометрические датчики, как правило, устанавливают в
технологических аппаратах и трубопроводах, при этом специальная
подготовка пробы к измерениям не нужна.
5.10.2.2.	Потенциометрические анализаторы
Потенциометрический метод основан на измерении электродных
потенциалов, функционально связанных с концентрацией (актив-
ностью) определяемого вещества в растворе. Электроды представ-
ляют собой окислительно-восстановительные системы. Измеряемый
потенциал отвечает равновесному состоянию, установившемуся на
электроде между окисленной и восстановленной формой определя-
емого вещества, и в общем виде может быть определен по уравне-
нию Нернста:
£=£°+тг|пИ’	<5115)
где Е— электродный потенциал, В; Е° — стандартный электродный
потенциал — потенциал электрода, измеренный в стандартных ус-
ловиях (25 °C, 101,325 кПа, аок = aB = 1 моль/л), В; и — число элект-
ронов, обменивающихся между окисленной и восстановленной фор-
мами вещества; R = 8,314 Дж/(моль  К) — универсальная газовая по-
стоянная; Т — абсолютная температура, К; F= 9,648  104 Кл/моль —
постоянная Фарадея; аок, ав — активность окисленной и восстанов-
ленной форм вещества соответственно, моль/л.
472	Глава 5. Измерение технологических параметров
Абсолютное значение электродного потенциала (5.115) непосред-
ственно измерить нельзя, для его измерения применяют гальваничес-
кий элемент, в котором один электрод является индикаторным (из-
мерительным), а другой — электродом сравнения. Индикаторный
электрод помещают в контролируемую жидкую среду. Потенциал
индикаторного электрода Еи определяется концентрацией (актив-
ностью) ионов в растворе. В качестве электрода сравнения исполь-
зуют стандартные электроды (например, металлический электрод,
помещенный в насыщенный водный раствор соли), имеющие по-
стоянный потенциал £с. Потенциал электрода сравнения зависит
от температуры, поэтому его располагают в контролируемой среде в
непосредственной близости от индикаторного электрода (или в спе-
циальном неметаллическом сосуде с раствором электролита). Элек-
трический контакт электрода сравнения с контролируемой средой в
последнем случае реализуется через практически непроточный ключ.
ЭДС гальванической цепи, составленной из индикаторного элек-
трода и электрода сравнения, помещенных в контролируемую жид-
кую среду, составит
Д£ = Ек - Ес.
Потенциометрический метод применяется для измерения кон-
центраций кислот, оснований, солей в водных и неводных средах, а
также для контроля pH водных растворов прямым потенциометри-
ческим измерением. Возможности потенциометрического метода
расширились с появлением ионоселективных электродов (рис. 5.111).
В конструкцию такого электрода входит мембрана, проницаемая
только для определяемого иона, тем самым обеспечивается избира-
тельный анализ одних ионов в присутствии других. В стеклянном
Рис. 5.111. Ионоселективные электроды:
а — стеклянный мембранный электрод; металлические электроды с
напыленным слоем металла (б), проволочный (в), точечный (г); д —
электрод с твердой мембраной
5.10. Измерение состава и физико-химических свойств веществ 473
жит шарик из стекла определенного сорта, припаянного к стеклян-
ной трубке. Трубка заполнена стандартным (внутренним) раствором
с постоянной активностью ионов водорода, и в нее опущен провод-
ник — серебряная проволока. Разность потенциалов между стеклян-
ной ионообменной мембраной и внутренним полуэлементом (сис-
тема проводник—внутренний раствор) составляет потенциал стек-
лянного электрода. В состав стеклянной ионообменной мембраны
входят атомы натрия, способные к активному электрохимическому
обмену с контролируемой средой при pH > 10. При pH > 12, вслед-
ствие интенсивного электрохимического обмена, электрод «выще-
лачивается».
Металлические индикаторные электроды с напыленным слоем
металла на нейтральную поверхность (рис. 5.111, б), проволочный
(рис. 5.111, в) или припаянный одним концом к нейтральной повер-
хности в виде капли — точечный (рис. 5.111, г) в контролируемой
среде вступают в электрохимическое взаимодействие с ионами, при-
сутствующими в этой среде. Электродный потенциал, устанавливаю-
щийся на индикаторном электроде, обусловлен совокупностью про-
цессов, протекающих при этом, в том числе коррозией металла в
контролируемой среде. Поэтому наибольшей селективностью при
потенциометрическом контроле многокомпонентных технологичес-
ких сред обладают индикаторные электроды, изготовленные из бла-
городных металлов (платина, золото, иридий и т. д.). На рис. 5.111, д
представлен индикаторный ионоселективный электрод с раздели-
тельной твердой мембраной (кристалл, пленка, таблетка), выполня-
ющий ту же функцию, что и стеклянный шарик в стеклянном мем-
бранном электроде.
Замечание
В настоящее время большое внимание уделяется разработке химичес-
ких сенсоров на основе ионоселективных полевых транзисторов.
Автоматический потенциометрический контроль технологичес-
ких водных низкоконцентрированных растворов и суспензий ис-
пользуется для управления процессами нейтрализации и для авто-
матического поддержания заданного интервала значений pH и рХ
(X — ион) в технологических средах.
5.10.2.3.	Денсиметрические анализаторы
Для непрерывного автоматического контроля плотности прак-
тически любых жидких растворов, суспензий применяются пьезо-
компенсационные плотномеры; для контроля плотности низковяз-
ких технологических растворов — пневматические поплавковые плот-
номеры. Для бесконтактного контроля технологических растворов,
474
Глава 5. Измерение технологических параметров
а	б	в
Рис. 5.112. Расположение источника (7) и приемника (2) у-излучения
плотномера относительно трубопровода диаметром d < 0,2 м (а),
d = 0,2...0,3 м (б) и d > 0,3 м (в)
суспензий, эмульсий, протекающих по технологическим трубопро-
водам, используются бесконтактные радиоизотопные у-плотноме-
ры.
Принцип действия радиоизотопного плотномера основан на из-
мерении ослабления интенсивности у-излучения, проходящего че-
рез слой вещества толщиной h, которое описывается основным оп-
тическим законом (5.113):
/ = /<<**,
где /0, I — интенсивность у-излучения на входе в слой вещества
толщиной А и на его выходе соответственно; к — коэффициент по-
глощения.
Радиоизотопные у-плотномеры измеряют плотность технологи-
ческих жидких сред в интервале 500...3500 кг/м3. Плотномер уста-
навливают вблизи технологического аппарата или трубопровода,
обычно диаметром 0,1...0,3 м и более (рис. 5.112).
Погрешности денсиметрического контроля связаны с появлени-
ем в контролируемой среде дисперсной фазы (твердой, жидкой, га-
зообразной), способной не только поглощать, но и рассеивать по-
ток у-излучения, а также колебаниями температуры контролируе-
мой среды.
5.10.2.4.	Ультразвуковые анализаторы
Ультразвуковой метод анализа жидкостей основан на измерении
скорости распространения и поглощения ультразвуковой волны в
контролируемой среде. Эта скорость определяется химической при-
родой жидкости и при постоянной частоте ультразвуковой волны
зависит от концентрации составляющих компонентов, плотности,
вязкости, сжимаемости и температуры анализируемой среды.
Ультразвуковым методом можно определять состав различных
жидких сред, в том числе суспензий и эмульсий.
5.10. Измерение состава и физико-химических свойств веществ
475
а 4	б
Рис. 5.113. Схемы датчиков ультразвуковых приборов с излучателем и
приемником (а) и с совмещенным излучательно-приемным
элементом и отражателем (б):
1 — пьезоэлектрический резонатор, излучающий и (или) восприни-
мающий энергию ультразвуковых волн; 2 — камера; 3 — разделитель-
ная мембрана; 4 — фиксатор размещения элементов датчика; 5 —
отражатель
Достоинства ультразвукового метода: анализируется весь объем
пространства, заполненный контролируемой средой; измерения
можно проводить при различных частотах, что позволяет осуществ-
лять регулирование чувствительности измерительного прибора к
параметрам контролируемой среды.
Чувствительные элементы ультразвуковых приборов (пьезоэлек-
трические излучатели и приемники) погружаются в контролируе-
мую среду в защитных металлических корпусах во взрывобезопас-
ном исполнении. В качестве излучающего и воспринимающего чув-
ствительных пьезоэлементов применяют кристаллы ниобата лития.
Точка Кюри ниобата лития близка к 500°С. Это позволяет использо-
вать ультразвуковые приборы для контроля состава жидкости в лю-
бых ХТП. На рис. 5.113 приведены схемы двух вариантов датчиков
ультразвуковых приборов. Пьезоэлектрические излучатель и прием-
ник 1 помещают каждый в закрытую камеру 2 и прикрепляют через
звукопроводящий слой к мембране 3. Датчик погружается в жидкую
контролируемую среду таким образом, чтобы на его элементах не
могли оседать твердые частицы. Контакт мембраны 3 или отражате-
ля 5 в датчиках первого и второго вариантов с контролируемой сре-
дой возникает сразу при погружении в нее датчиков.
5.10.3.	Химические газовые сенсоры
Химические газовые сенсоры можно рассматривать как сред-
ство диагностики окружающей среды. Именно в охране окружаю-
щей среды в будущем химическим сенсорам будет принадлежать
ведущая роль В СУ ХТП химические газовые сенсоры, подобно
476
Глава 5. Измерение технологических параметров
Рис. 5.114. Принципиальная схе-
ма химического газового сенсо-
ра. Пояснения см. в тексте
компьютерам, представляют собой элементы глобальной информа-
ционной сети.
Под химическим газовым сенсором (ХГС) понимают датчик кон-
центрации компонентов в газе. Он обладает следующими свойства-
ми: работа в реальном масштабе времени, обратимость показаний,
высокая чувствительность, миниатюрность. ХГС является своеоб-
разным хроматографом размером с небольшую монету, «настроен-
ным» на один или несколько компонентов.
Основными функциональными элементами химического газо-
вого сенсора, представленного на рис. 5.114, являются рецептор,
преобразователь, электронное устройство. Рецептор 1 — элемент
(материал), какие-либо свойства которого изменяются под действи-
ем анализируемого газового вещества. Такими свойствами могут быть
масса, размеры, электропроводность, диэлектрическая проницаемость
и др. Конструктивно рецептор представляет или тонкую газосорби-
рующую пленку, или оболочку оптического волокна, или миниатюр-
ную электрохимическую ячейку. Преобразователь 2 преобразует ре-
акцию рецептора в электрический (реже оптический) сигнал. Как
правило, преобразователи представляют собой миниатюрные уст-
ройства, например, полевые транзисторы, оптические волокна, раз-
нообразные акустические электронные устройства и др. Электрон-
ное устройство 3 считывает сигнал, поступающий с преобразовате-
ля, обрабатывает его либо в цифровой сигнал, либо пороговый
«тревожный» сигнал и посылает на регистрирующее устройство 4.
В основу классификации химических газовых сенсоров положен
механизм работы преобразователя, и в соответствии с этим выделя-
ют электрохимические, электрические, оптические, акустические,
магнитные, термические сенсоры.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Что такое физическая величина и что понимают под ее измерением?
2.	Что понимают под нормальными и рабочими условиями примене-
ния средств измерения?
3.	Назовите статические погрешности средств измерения. Что такое
динамическая погрешность и чем она обусловлена?
Контрольные вопросы
477
4.	Охарактеризуйте основные методы измерения технологических па-
раметров.
5.	Каково назначение первичного измерительного преобразователя,
каковы его характеристики, какими показателями можно охарактеризовать
его динамические свойства?
6.	Каково назначение промежуточных преобразователей, ЦАП, АЦП,
нормирующих преобразователей? Каков принцип их действия?
7.	Как происходит сопряжение преобразователей с ИИС? Охаракте-
ризуйте и сравните пневматические, электрические и волоконно-оптичес-
кие линии связи.
8.	Как измеряются электрические величины — носители информации
о состоянии ХТП? Сравните действие уравновешенного и неуравновешен-
ного мостов.
9.	Как измеряется ТЭДС?
10.	Каков принцип действия деформационных, емкостных, пьезомет-
рических, индуктивных преобразователей давления?
11	Как защищают манометры от действия агрессивных, горячих, за-
грязненных, кристаллизующихся и вязких сред?
12.	Назовите основные виды манометрических термометров и их ха-
рактерные свойства
13.	Объясните принцип действия термоэлектрического преобразовате-
ля. Какие существуют способы устранения погрешности, обусловленной
температурой свободных концов термоэлектрического преобразователя?
14.	Перечислите достоинства и недостатки термометров сопротивления.
15.	Как уменьшить погрешности измерения температуры контактным
и бесконтактным методами?
16.	Каков принцип действия расходомеров переменного и постоянно-
го перепада давления?
17.	Как защищают расходомеры переменного перепада давления при
измерении расхода агрессивных и вязких жидкостей?
18.	Каков принцип действия электромагнитных преобразователей
расхода9
19.	Сравните различные способы измерения уровня
20.	Какова структура интеллектуальных преобразователей давления,
температуры, расхода и уровня?
21.	Объясните принцип действия физических газоанализаторов и ана-
лизаторов жидкости.