bigpo.ru
добавить свой файл
1 2 ... 4 5
1 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ. ШКАЛЫ ТЕМПЕРАТУР. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ


Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела. Чем выше температура тела, тем больше скорость его молекул, тем больше их кинетическая энергия. С изменением кинетической энергии молекул тела изменяется его тепловое состояние, а вместе с этим изменяются и многие физические свойства: при нагревании тело расширяется, а при охлаждении сжимается.

Температура не поддается непосредственному измерению. Поэтому о температуре судят по изменению физических свойств, т.е. применяют косвенные методы измерения.

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой. Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, на этой основе можно построить температурную шкалу.

Существует несколько градуированных температурных шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра, в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а за 100 градусов - температура таяния льда. Деление шкалы составляет одну сотую этой разницы. Когда стали использовать термометры, оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0 °C по-прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении, которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99,975 °C, что не отражается на точности измерения практически всех термометров, кроме специальных прецизионных.

Известны также температурные шкалы Фаренгейта, Кельвина, Реомюра и другие.

Температурная шкала Фаренгейта, принятая в 1714 году, имеет три фиксированные точки: 0 градусов соответствовал температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96 градусов - температуре тела здорового человека. В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32 градусов для точки таяния льда. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе.

Обе шкалы - как Фаренгейта, так и Цельсия, - весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю - точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется абсолютной термодинамической шкалой. Температура по ней измеряется в кельвинах (К). Шкалы начинается при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100.

После введения международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К) - одна из основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна.

Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств применяемых в промышленности, при научных исследованиях, для специальных целей.

Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры – используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).

Жидкостный термометр состоит из стеклянных баллона, капиллярной трубки и запасного резервуара. Термометрическое вещество заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Запасной резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра о порчи при чрезмерном перегреве.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.

Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей: технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые; лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой; жидкостные термометры (не ртутные); повышенной точности и образцовые ртутные термометры; специальные термометры (в том числе максимальные (медицинские и другие), минимальные, метеорологические и другого назначения).

Также для измерения температуры применяют манометрические термометры. Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, рабочего элемента манометра, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Манометрические термометры часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики).

Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности: жидкостные, в которых вся измерительная система заполнены жидкостью; конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью; газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.

Достоинствами манометрических термометров являются сравнительная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры и возможность автоматической записи показаний. К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения, небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

Манометрические термометры не имеют большого применения на тепловых электрических станциях. В промышленной теплоэнергетике они встречаются чаще.

Поверка показаний манометрических термометров производится теми же методами и средствами, что и стеклянных жидкостных.

Для измерения температуры в металлургии наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до +2500 0C и выше. Данный тип устройств характеризует высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах. Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару, в цепи которой потечет ток.

ЭДС данной пары зависит только от температуры и не зависит от размеров электродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного сопротивления.

Термоэлектрический термометр – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту электродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. Арматура включает защитный чехол, гладкий или с неподвижным штуцером, и головку, внутри которой расположено контактное устройство с зажимами для соединения электродов с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Электроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками.

Защитные чехлы выполняются из газонепроницаемых материалов, выдерживающих высокие температуры и агрессивное воздействие среды.

Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые, поверхностные. Промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности.

В металлургической практике для измерения температур до 650 0С применяются термометры сопротивления, принцип действия которых основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью (до 0.02 0С), передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники.

Для решения различных задач термометры сопротивления делятся на эталонные, образцовые и рабочие, которые в свою очередь подразделяются на лабораторные и технические.

О температуре нагретого тела также можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.


2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЗАКОНАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ. АНАЛОГОВОЕ И ЦИФРОВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ. ВИДЫ ЗАКОНОВ. ПОЗИЦИОННОЕ (РЕЛЕЙНОЕ) РЕГУЛИРОВАНИЕ.


2.1 Основные понятия о законах регулирования. Виды законов


Закон регулирования - это вид зависимости между величиной регулирующего воздействия (выходная величина регулятора) и отклонением регулируемого параметра от заданного значения (входная величина регулятора).

Закон регулирования может быть выражен аналитически в виде определенного уравнения.

Законы регулирования бывают: линейные и нелинейные. 

Нелинейные законы регулирования классифицируются на функциональные, логические, параметрические, оптимизирующие.

Объект регулирования является главным звеном системы; его свойства (статические и динамические характеристики) влияют на характер регулирования. В промышленности объектами регулирования являются печи, резервуары, и другие подобные объекты. Объекты регулирования подразделяются на объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Объектами с сосредоточенными параметрами называются такие, в которых регулируемая величина в состоянии равновесия объекта имеет везде одинаковые значения. Динамические свойства объектов регулирования с сосредоточенными параметрами описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

Объектами с распределенными параметрами называются такие, в которых регулируемая величина в равновесном и переходном режимах имеет неодинаковые значения в различных точках объекта. Примерами таких объектов могут служить трубопроводы, по которым перекачивают жидкость или подают различные сыпучие материалы при помощи воздуха. Динамические свойства таких объектов описываются дифференциальными уравнениями в частных производных.

В технологических процессах большое число объектов регулирования представляют собой сложные объекты, которые нельзя описать дифференциальными уравнениями первого или второго порядка. Динамические свойства таких объектов описываются дифференциальными уравнениями выше второго порядка. Кроме того, при работе большинства объектов приходится регулировать не один, а несколько технологических параметров.

Часто объекты регулирования могут иметь различное число входных и выходных величин.

Большинство промышленных автоматических систем регулирования являются системами стабилизации, т. е. основаны на принципе отклонения, поэтому на их работу не влияет число входных воздействий, так как все они компенсируются одним регулирующим воздействием. В тех объектах, в которых регулированию подлежат не одна, а несколько выходных величин, возможно построение автоматических систем регулирования отдельно для каждого из регулируемых параметров. Высокое качество регулирования будет обеспечиваться в случае, если между регулируемыми параметрами объекта отсутствуют внутренние связи. Примером такого объекта может служить аппарат, в котором регулируются уровень жидкости и давление.

Если в объекте имеются связи между отдельными регулируемыми параметрами, например, концентрацией раствора и его температурой, количеством вещества и его плотностью, а регуляторы будут управлять отдельно каждым из взаимосвязанных параметров, то такая система приведет к ухудшению качества регулирования. В этих случаях необходимо применять системы связанного регулирования, которые позволяют поддерживать на заданном уровне связанные между собой параметры путем воздействия на один из регулируемых параметров.


2.2 Аналоговое регулирование


Аналоговым называется такое устройство, у которого все входные, выходные и промежуточные (внутренние) сигналы являются непрерывными, описываются непрерывными математическими функциями. Эти сигналы характеризуются бесконечным множеством значений по уровню (состояниям) и непрерывны во времени, хотя диапазон изменения значений непрерывного сигнала ограничен. Поэтому иногда такие устройства называют устройствами непрерывного действия.

Основные виды аналоговых устройств: усилительные устройства (усилители); функциональные преобразователи, выполняющие математические операции с аналоговыми сигналами (например, интегрирование, дифференцирование); измерительные преобразователи и датчики физических величин; модуляторы и демодуляторы, фильтры, смесители и генераторы гармонических колебаний; запоминающие устройства, стабилизаторы напряжений и токов, интегральные микросхемы специального назначения (например, для обработки видеосигналов, компараторы, коммутаторы).

Аналоговые устройства имеют ряд недостатков: методологические трудности в определении равенства аналоговых сигналов, обеспечении заданной погрешности преобразований и передачи сигналов; возможность появления неустойчивых режимов работы, которые характеризуются возникновением в устройстве или системе незатухающих колебаний и изменении некоторых сигналов; технические трудности в реализации запоминающих устройств и устройств временной задержки аналоговых сигналов; недостаточный уровень интеграции аналоговых элементов и их универсальности; сравнительно малая дальность передачи аналоговых сигналов, обусловленная рассеянием энергии в линиях связи; сравнительно большое потребление энергии.

Недостатком аналоговых устройств является также наличие дрейфа и шумов. Дрейф - это медленное изменение сигнала, обусловленное дискретной природой явлений, по отношению к заданному его значению. Шумы

следующая страница >>