Измерение общетехнических параметров

Вопросы к экзамену

по курсу «Технологические измерения в пищевой промышленности»

Гр. 13-ИУ-2

Измерение общетехнических параметров

1. Понятие температуры. Температурная шкала, требования к температурной шкале. Формирование температурной шкалы. Абсолютная термодинамическая температурная шкала. Международная практическая шкала.

Температура — физическая величина, количественно ха­рактеризующая меру средней кинетической энергии теп­лового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Температурная шкала —это ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными или опорными) точками.

Абсолютная термодинамическая температурная шкала - Кельвин

Международная температурная шкала является практическим осуществлением термодинамической стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура ки­пения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°. Эта температурная шкала основана на использовании в качестве опорных (реперных) точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены, и которым присвоены точные значения температур, а также эталонных приборов, градуированных при этих температурах. В интервалах между температурами реперных точек температура определяется по соответствующим формулам.

2. Дилатометрическиетермометры. Принцип действия, конструкция, область применения, основные свойства.Электроконтактные дилатометрические термометры.

Действие термометров основано на тепловом расширении твёрдых тел. Принцип действия стержневого дилатометрического термометра (рис.2) основан на использовании разности удлинений трубки 1 и стержня 2 при нагреве вследствие различия их коэффициентов линейного расширения. Трубка изготовляется из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварц, инвар), а стержень — с большим (латунь, медь, алюминий, сталь). Движение стержня передается стрелке прибора с помощью передачи 3. Пределы измеряемых температур лимитируются стабильностью коэффициентов линейного расширения, химической устойчивостью и тепловой прочностью рабочего тела.

Область применения: используются и как шкальные показывающие приборы, устанавливаемые на технологическом оборудовании, и в качестве датчиков-реле температуры (электроконтакных термомертов).

К основным элементам конструкции у биметаллических термометров относят подвижный и неподвижный термочувствительные элементы, упругие пружинные элементы, электрические контакты, элементы, передающие перемещение заданной точки рабочего тела подвижного термочувствительного элемента электроконтактной группе, элементы настройки. В датчиках-реле температуры при изменении температуры среды изменяется длина трубки; связанный с ней стержень перемещается, в результате чего замыкаются (размыкаются) контакты или перемещается чувствительный элемент преобразователя (рис.2)

3. Биметаллические. Принцип действия, конструкция, область применения, основные свойства. Электроконтактные биметаллические термометры.

Действие биметаллических термометров основано на использовании теплового расширения твердых тел – металлов.

Биметаллические термометры (рис.3) имеют чувствительный элемент в виде спиральной или плоской пружины, состоящей из двух пластин 1 и 2 из разных металлов, сваренных по всей длине. Внутренняя пластина 2 имеет больший коэффициент линейного расширения, чем внешняя 1, поэтому при нагреве такая пружина раскручивается, при этом стрелка 3 перемещается. Чаще всего применяют медноцинковый сплав — латунь и сплав железа с никелем —инвар, с существенно различными коэф­фициентами теплового расширения.

Они широко применяются в холодильных установках, водогрейных установках, бытовых холодильниках, кондиционерах и т. п.

4. Манометрические термометры. Принцип действия, конструкция,область применения, достоинства и недостатки.

Принцип действия этих термометров основан на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры.

Прибор (рис.4) состоит из термобаллона 1,капиллярной трубки 2, защищенной металлическим рукавом, и манометрической части, заключенной в специальном корпусе. Вся внутренняя полость системы прибора заполняется рабочим веществом. При нагреве термобаллона увеличивается объем жидкости или повышается давление рабочего вещества внутри замкнутой термосистемы. Эти изменения воспринимаются манометрической трубкой 5, которая через передаточный механизм, состоящий из тяги 7 и сектора 6, воздействует через зубчатое колесо (трибку) 4 на стрелку прибора 3. Термобаллон имеет цилиндрическую форму, его диаметр и длина зависят от рода термометрического вещества и диапазона измеряемых температур. Манометрическая пружина имеет сечение овальной формы или в виде восьмерки.

Используются они практически во всех отраслях пищевой промышленности как для технологического контроля, так и для автоматического регулирования жидких и газообразных сред в промышленных охлаждающих, замораживающих, вентиляционных и подогревающих установках.

Достоинствами манометрических термометров являются: сравни тельная простота конструкции и применения, возможность дистан­ционного измерения температуры (передачи показаний на расстоя­ние) и возможность автоматической записи показаний.

К недостаткам манометрических термометров относятся: относи­тельно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м) и трудность ремонта при разгерметиза­ции измерительной системы. Основным манометрических термометров является большая тепловая инерционность, достигающая 1,5 мин и более.

5. Термопреобразователи сопротивления (принцип действия, требования к материалам чувствительных элементов, диапазоны измерения, типы НСХ, конструктивные особенности, основные характеристики, область применения).

Принцип действия ТПС основывается на зависимости сопротив­ления чувствительного элемента преобразователя от температуры.

Mатериалы для ТПС должны обладать следующими свойствами

- Нейтральность к измеряемой среде, (химической инерт­ностью).

- Высокий и неизменный температурный коэффициент электрического сопоставления и удельное сопротивление.

- Монотонная и однозначная зависимость сопротивления от температуры.

- Дешевизна.

- Легкая технологическая воспроизводимость

Платиновые предназначены для измерения температуры от —260 до +650 °С, медные от —50 до +180 °С.

Типы НСХ: для медных:10М, 50М, 100М; для платиновых: 50П, 100П

Термопреобразователя сопротивления (ТПС) представляет собой медную или платиновую проволоку (чувствительный элемент), электрическое сопротивление которой зависит от температуры

Чувствительные элементы широко распространенных платиновых ТС представляют собой двух- пли четырехканальнын керамический каркас, в каналы которого укладываются платиновые спирали из проволоки (0,1 мм), закрепляемые в них глазурью. Для увеличения механической прочности и уменьшения тепловой инерции ТС пространство между стенками каналов и спиралями засыпается специальным порошком из алюминия. Для защиты от повреждений элементы ТС помещают в защитные чехлы (трубки).

Элементы медных ТС изготовляются из эмалированной проволоки диаметром 0,08—0,1 мм, многослойно безындукционно намотанной на цилиндрический пластмассовый стержень. Выводы делаются из медной проволоки диаметром 1,0—1,5 мм. Элемент помещается в защитную стальную трубку.

6. Термопары(принцип действия, типы НСХ термопар, область применения).Измерительная система для измерениятермоЭДС.

Типы НСХ: ТМК(до 350), ТХК(600-800), ТХА(1100-1300), ТПП(1300-1600), TBP(до 2300)

измерения температуры с помощью термопары положен термоэлектрический эффект (эффект Зеебека), который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если места соединения (спаи) нагреты до различной температуры. Цепь (рис. 1) состоит из термоэлектродов А и В. Места их соединения имеют различную температуру. При этом спай t, принимающий температуру измеряемой среды или тела, называется рабочим, а спай t0— свободным.

7. Понятие давления. Виды измеряемых давлений, единицы измерения давления. Классификация средств измерения давления по принципу действия и виду измеряемого давления.

Давлением жидкости, газа или твердого тела, т.е. среды, называют силу, равномерно действующую на площадь поверхности

Абсолют­ное давление (ДА) -давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением

Барометрическое давление (ДБ) - это абсолютное давление зем­ной атмосферы. Оно зависит от кон­кретных условий измерения: темпера­туры воздуха и высоты над уровнем мо­ря.

Избыточное давление (ДИ) – давление, которое больше атмосферного и измеряется относительно атмосферного.

Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ

Вакуумом (или вакуумметрическим давлением) называется состояние, когда абсолютное давление ниже атмосферного, т.е.

ДА=ДБ—ДВ

Дифференци­альное давление (ДД) – раз­ность давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного про­цесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным.

1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м² = 0,97 атм = 0,98 бар =

= 10⁴ мм вод.ст. = 735 мм рт.ст. = 0,98х10⁵ Па =

По принципу: жидкостные, деформационные, грузопоршневые, электрические

По виду измеряемого давления: манометры, вакууметры, мановакууметры, барометры, дифференциальные манометры

8. Деформационные манометры. Чувствительные элементы, диапазоны измерения, особенности использования в технологических измерениях.

Принцип действия основан на деформации упругого элемента под действием измеряемого давления

Чувствительный элементы: мембраны(до 0.25 МПа), сильфоны(от 0.25 до 6 МПа), трубчатые пружины(от 0.6 до 10^4 МПа)

Их применяют в широком диапазоне измерения давления: от нескольких десятков миллиметров водяного столба до давления в несколько тысяч MПa как в лабораторных, так и в промышленных условиях.

9. Классификация электрических датчиков давления. Тензорезистивные датчики давления. Чувствительные элементы, электрическая схема преобразования, конструкция, недостатки, перспективы использования тензорезистивных датчиков.

Чувствительные элементы: металлическая или диэлектрическая измерительная мембрана, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для проводного подклю­чения к внутренней или внешней элек­троизмерительной схеме — электрон­ному блоку обработки.

К мембране из титанового сплава по всей поверхности присоединена сапфировая мембрана с помощью специального диффузионного процесса. На сапфировой монокристаллической мембране А1₂Оз из гетероэпитаксиального кремния сформирована тензочувствительная схема в виде моста Уитстона. Тензочувствительная схема состоит из четырех тензорезисторов, одна пара из которых ориентирована параллельно радиусу мембраны, а другая - перпендикулярно. Каждый тензорезистор имеет резистивные матрицы для коррекции сопротивления и начального разбаланса мосто­вой схемы. Суммарная тол­щина двухслойной сапфирово-титановой мембра­ны не более 2,2 мм. Диаметр мембраны 7,8 мм.

Недостатки: сущест­венно влияние температуры на упругие и электрические характеристики ТР, что требует применения специальных схем температурной компенсации по­грешностей

10. Емкостные датчики давления. Принцип действия, конструкция и принцип работы емкостной керамической ячейки, преимущества емкостных датчиков, перспективы использования.

Емкостный метод измерения основан на зависимости электри­ческой емкости конденсатора при постоянной площади электро­дов от расстояния между ними и электрофизических свойств сре­ды, находящейся в межэлектродном пространстве.

Преимуществом емкостного метода является относительная простота конструкций первичных преобразователей. К недостат­кам относятся повышенные требования к электрической изоляции, необходимость экранирования соединительных линий, влияние на результат измерения краевых эффектов преобразователя.

11. Классификация электрических датчиков давления.Пьезорезонансные датчики давления. Принцип действия, структурная схема, перспективы использования.

Пьезорезонансные, базирующиеся на измерении сопротивления пьезоэлемента или параметра с ним связанного, которые значительно изменяются при резонансных явлениях.

Достаточно перспективные модели измерительных преобразо­вателей давления и разрежения на основе пьезорезонансных мето­дов разработаны в последние годы.

12. Классификация электрических датчиков давления.Пьезоэлектрические датчики давления. Принцип действия, области применения.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается у от­дельных видов кристаллов. При механическом воздействии на эти кристаллы на их поверхности генерируются электрические заря­ды. Такой пьезоэффект называется прямым. Деформация кристал­ла или текстуры под воздействием электрического поля называет­ся обратным пьезоэффектом(Физическая суть пьезоэлектрического эффекта заключается в совпадении положительных и отрицательных электрических за­рядов кристалла в уравновешенном механическом состоянии и по­явлении поляризации, т.е. расхождении таких центров относитель­но друг друга при появлении механических напряжений.

).

Существуют различные способы применения пьезоэффекта в измерительных системах. В устройствах измерения переменного или пульсирующего давления наиболее часто используются мето­ды снятия статического напряжения, генерируемого при воздейст­вии на пьезоэлемент механического усилия, и пьезорезонансные, базирующиеся на измерении сопротивления пьезоэлемента или параметра с ним связанного, которые значительно изменяются при резонансных явлениях.

13. Понятие расхода,виды расходов.Тахометрические расходомеры. Принцип действия, виды чувствительных элементов,области применения, достоинства и недостатки.

Расход вещества - это масса или объем вещества, проходящего через средство измерения в единицу времени. Различают объёмный расход, который выражается в «м3/с» и массовый – «кг/с».

Тахометрические расходомеры основаны на измерении частоты вращения чувствительного элемента помещенного в поток жидкости

В камерных расходмеров, чувствительные элементы: 2 одиноковые овальные шестерни, или ротор (ротационный расходомер), или турбиника (в турбинных расходомерах)

Тахометрические расходомеры применяются для измерения мгновенного и суммарного расхода жидкости или газа

Достоинства: высокое быстродействие, низкая стоймость, относительно высокая точность частоты

Недостатки: наличие подвижных частей, необходимость регулярной калибровки, наличие ограничения при перегрузках, использование для жидкостей не содержащих твердых частиц и имеющих малую вязкость

14. Расходомер переменного перепада давления. Физические основы метода измерения, конструктивные особенности, достоинства и недостатки.

Измерение расхода этим методом основано на изменении потенциальной энергии (статического давления) жидкости или газа, протекающего через местное сужение в трубопроводе

Диафрагма представляет собой тонкий диск установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие диаметром было концентрично внутренним стенкам трубопровода (рис. 4.5). Сужение потока начинается до диафрагмы, затем на некотором расстоянии за ней, благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального сечения, а потом постепенно расширяется до полного сечения трубопровода (внутренний диаметр ). Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причём, зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.

Давление струи около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и понижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении струи. Далее, по мере расширения струи, давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Остаточная потеря давления Р_пот объясняется главным образом потерями энергии на трение и завихрения. Разность давлений зависит от расхода среды, протекающей в трубопроводе.

К достоинствам систем по переменному перепаду давления относятся простота конструкции, высокая механическая прочность, наличие подробных инструкций по установке и применению, что может обеспечить высокую точность измерения.

К недостаткам следует отнести многокомпонентность системы, снижение точности из-за износа первичного преобразователя

15. Электромагнитные расходомеры. Принцип действия, область применения, достоинства и недостатки.

Если проводник длиной L движется со скоростью v под прямым углом к магнитному полю с индукцией B, то между концами э.д.с. E, равная:

E=BLv

Таким образом, если проводящая жидкость движется со средней скоростью v через трубу, которая расположена под прямым углом к магнитному полю с индукцией, то между двумя электродами, расположенными на противоположных стенках трубы, возникает э.д.с. E. Длиной L проводника здесь является диаметр трубы D. Следовательно,

Так как величина расхода Q = v, то:

E=

-Основные достоинства:

отсутствие подвижных деталей;

отсутствие ограничений на геометрию трубопровода;

высокие точность измерения и сходимость результатов;

может измеряться расход жидкостей, имеющих высокую вязкость и содержащих твердые частицы (например, фруктовая пульпа), для грязных жидкостей и суспензий

значение ЭДС не зависит от плотности и вязкости жидкости, давления и температуры,

-Основные недостатки:

требуется источник питания;

удельная электропроводность жидкости должна быть больше 1 мкСм/см.

Электромагнитные расходомеры широко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности, в строи­тельстве и руднообогатительном производстве, в медицине,

16. Вихревые расходомеры. Принцип действия, область и особенности применения, чувствительные элементы для определения частоты вихреобразования. Достоинства и недостатки.

Принцип:поток жидкости обтекает тело (рис.1,а). возникают два параллельных ряда вихрей, движущихся вниз по потоку с одинаковым расстоянием между вихрями в каждом ряду..

для любого обтекаемого тела частота генерируемых вихрей прямо пропорциональна расходу жидкости

Количество вихрей, генерируемое в секунду f от каждой стороны поверхности плохо обтекаемого тела, можно определить как:

f =

где – средняя скорость жидкости вблизи плохо обтекаемого тела,

S – фактически постоянная величина, называемая числом Струхаля.

d, - ширина поперечного сечения тела

Объемный расход Q может быть определен как:

Q=

Вихревые счетчики применяются для измерения объемного расхода горячей и холодной воды в трубах основная погрешность - 1%, для измерения расхода газа

В термоанемометрическом преобразователе чувствительным элементом является термистор

В ультразвуковом преобразователе чувствительным элементом является луч ультразвуковой волны.

В пьезоэлектрическом преобразователе чувствительным элементом является пьезоэлектрический кристалл, смонтированный в тело обтекания

Достоинства:-

- используется для агрессивных и загрязненных сред

хорошая работа при контроле загрязненных и агрессивных газов;

- надежная работа где не требуется высокая точность

- невосприимчивость к скачкам давления, расхода, пневмоударам;

Недостатки: для измерения расхода газа: необходимость больших прямых участков до и после прибора, не возможность проведения точных измерений при малых расходах, более высокие потери давления при измерениях;

17. Кориолисовые расходомеры. Принцип действия, область применения, достоинства и недостатки.

На тело массой М, движущееся с постоянной линейной скоростью и одновременно вращающееся с угловой скоростью , действует сила инерции, известная как сила Кориолиса, т.е измеряя эту силу, действующую на поток жидкости можно определить массовый расход

Кориолисовские расходомеры могут применяться как для жидкостей, так и для газов, выдавая измерение с точностью +/-0.5%.

Основные достоинства:

непосредственое измерение массового расхода;

возможность измерения температуры и плотности;

отсутствие ограничений по месту установки;

измерения можно проводить для вязких жидкостей и жидкостей содержащих твердые частицы;

высокие точность измерения и воспроизводимость;

отсутствие подвижных деталей.

Основные недостатки:

более высокая стоимость;

имеют место небольшие потери давления

18. Измерение расхода сыпучего продукта с помощью конвейерных весов. Функциональная схема, область применения, достоитнства и недостатки.

ролика:con lăn тензодатчика Дозаторы системой натяжных шкивов

После калибровки система реагирует на любое увеличение нагрузки на ленту, что происходит при перемещении сыпучих материалов по конвейеру

Применение: для сыпучих малодисперсных сред

Основные достоинства: возможность использования практически со всеми конвейерными системами, простота установки и наладки, большое количество конструкций, обеспечивающих точность измерения от 0,25% до 2%.

Основные недостатки: при повреждении ленты конвейера результаты измерений будут ошибочными; высокоточная модификация будет иметь очень большую стоимость; необходимо регулярно проводить калибровку.

19. Измерение расхода сыпучего продукта с помощью дозаторов дискретного действия. Функциональная схема, область применения, достоитнства и недостатки.

В дозаторе дискретного действия продукт поступает в дозирующую емкость, установленную на тензорезисторных датчиках и имеющую входную и выходную заслонки. При достижении установленной дозы поступление прекращается и происходит выгрузка продукта, после чего дозирование возобновляется. На весовом терминале производится суммирование всех доз. Дискретные дозаторы используются для фасования сыпучих или жидких материалов равными порциями в тару, для измерения суммарного расхода потока продукта и обеспечивают высокую точность (класс точности до 0,1) взвешивания и дозирования.

Достоинства: сокращение количества технологического оборудования, повышение точности

20. Цели измерения уровня, виды средств измерения уровня. Поплавковые, контактно-механические и вибрационные сигнализаторы уровня. Функциональная схема. Принцип действия, область применения, достоинства и недостатки.

Цели: для определения количества продукта в емкости, для стабилизации уровня в аппаратах, для получения информации о достижении уровня предельно установленных значениях

Виды средств измерения уровня: механические, гидростатические, электрические, акустические, волновые, радиоизотопные

Поплавковые. Принцип действия: движение поплавка, плавающего на поверхности жидкости передается измерительной части прибора. Эти приборы широко используются в качестве сигнализаторов предельных уровней неагрессивных, слабо кристаллизующихся, неналипающих жидкостей

Koнтактно-механические уровнемepы. Использовались для измерения уровня сыпучего материала в широком диапазоне. С помощью электромеханической лебедки на поверхность материала опускается специальный щуп. Когда щуп опустится на поверхность сыпучего материала, натяжение троса ослабнет, электролебедка остановится. В этот момент отсчитываются показания на отсчетном устройстве (по длине троса). Затем лебедка включается и щип поднимается.

Вибрационные уровнемepы. Обычно вибрационные датчики имеют форму камертона, который в воздухе колеблется на собственной резонансной частоте. Когда пластины камертона покрываются продуктом, в варианте датчика для жидкостей изменяется частота колебаний, а в варианте датчика для сыпучих материалов – амплитуда. Параметры колебаний воспринимаются приемником и подаются на усилитель.

В вибрационных датчиках отсутствуют подвижные детали, и они не требуют технического обслуживания, В пищевой промышленности вибрационные переключатели заменяют поплавковые уровнемеры (для жидкостей) и рычажковые переключатели (для сыпучих материалов)

Основные достоинства:

Погружаемые в анализируемую среду детали вибрационных датчиков изготовлены из хорошо отполированного металла и соответствуют гигиеническим стандартам;

вибрационные датчики могут использоваться при температурах до 150ºС и давлениях до 40 бар или 16 бар;

действие переключателей не зависит от электрических характеристик продукта, плотности пены, турбулентности и посторонних вибраций. Датчики могут использоваться в высоковязких продуктах;

не требуют калибровки. Арматура позволяет без труда провести регулировку точки срабатывания.

Основные недостатки:

плотность среды должна быть больше 30 г/л (для жидкостей) и 0,5 г/см³ (для сыпучих веществ);

при размере частиц больше 10 мм эти датчики применять нельзя.

21. Цели измерения уровня, виды средств измерения уровня. Барботажные уровнемеры. Уровнемеры – манометры.Функциональная схема. Принцип действия, достоинства и недостатки.

Эти уровнемepы основаны на измерении давления столба жидкости или выталкивающей сипы, действующей на тело, погруженное в жидкость

Основные достоинства:

выпускается большое количество различных типов чувствительных диафрагм, устанавливаемых с помощью устройств, отвечающих санитарно-гигиеническим нормам;

характеризуются высокой надежностью в работе, не требуют технического обслуживания. Могут использоваться в вязких, пастообразных и пенообразных средах;

обеспечивают стабильные измерения в процессе перемешивания (в турбулентной среде);

идеальны при измерении уровня продуктов с меняющимися электрическими параметрами;

применение преобразователя перепада давлений и второго датчика давления и пересчетного устройства позволяет проводить измерения уровня в емкости высокого давления и резервуарах, находящихся под вакуумом;

значение уровня измеряется с высокой точностью.

Недостатки:

могут использоваться только для измерения уровня жидкости;

не пригодны для измерения уровня жидкостей, имеющих температуру выше 100ºС.

22. Цели измерения уровня, виды средств измерения уровня. Виды электрических уровнемеров. Кондуктометрические сигнализаторы уровня.Емкостные уровнемеры. Принцип действия, область применения.

Виды электрических уровнемеров: кондуктометрические сигнализаторы, емкостные уровнемеры,

Кондуктометрические уровнемеpы. Принцип действия основан на измерении электрического сопротивления жидкости или сыпучего материала с помощью электродов. Уровнемер используется в качестве сигнализаторов уровня пенящихся продуктов (молока, пива, карбонизированных напитков) и, чаще всего в тех случаях, когда датчики монтируются на боковых стенках резервуаров.

Eмкостныe уровнемepы. Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора, погруженного в среду. Область применения: водные растворы, жидкие продукты