Приборы для измерения температуры, давления, расхода, уровня жидкости. Устройство и принцип работы

Для измерения температуры в котельных установках применяют термометры: I) расширения (жидкостные, манометрические, дилатометрические, биметаллические); 2) измерительные электрические системы (термопары сопротивления с измерительными мостами и термопары с потенциометрами).

Жидкостные термометры. Действие этих термометров основано на различии коэффициентов объемного расширения жидкости и термометрического стекла. В качестве рабочей жидкости используется ртуть или спирт.

Жидкостный термометр в простейшем виде представляет собой тонкую стеклянную трубку, имеющую капиллярное отверстие, переходящее в нижней части в пустотелый стеклянный шарик — резервуар. Этот шарик, а также часть капиллярной трубки заполняются рабочей жидкостью под давлением. Заполнение производится со стороны верхней, открытой, части трубки. После заполнения из трубки удаляется воздух и она запаивается. Трубка термометра прикрепляется к пластинке с делениями через каждый градус. Такой тип термометра называется термометром с вложенной шкалой. Кроме них часто используют и, так называемые, палочные термометры, которые имеют стеклянный толстостенный капилляр с внешним диаметром, почти равным диаметру утолщения резервуара с рабочей жидкостью, в этом случае деления шкалы наносятся непосредственно на внешнюю сторону стекла.

Жидкостные термометры применяют как приборы местного действия, устанавливают на котле в специальную гильзу, вваренную или вкрученную в трубопровод, и заполненную машинным маслом, для обеспечения лучшей передачи теплоты к термометру.

В котельных используют термометры, относящиеся к классу «технических». Они изготавливаются прямыми и изогнутыми под углом 90, 120 и 135° с пределами шкал от 0 до 500 °С.

При обращении с термометрами их следует беречь от ударов и следить за тем, чтобы после временного использования они были осмотрены, протерты и уложены в предназначенное для них место.

Термометры манометрические. Действие манометрических термометров основано на увеличении давления жидкости, газа или пара с повышением температуры. Рабочее вещество в этих приборах заключено в замкнутой системе, состоящей из термобаллона, капиллярной трубки и манометра.

Манометрические термометры в зависимости от заполнителя подразделяют на три вида: жидкостные, газовые и паровые.

Жидкостные термометры заполняют различными жидкостями, газовые — инертным газом, например азотом, паровые — легкоки-пящими жидкостями, например спиртом, эфиром, хлорэтилом.

Термобаллон помещается в среду, температура которой измеряется. Длина соединительного капилляра достигает 60 м. Капилляр стараются размещать в тех помещениях, где температура окружающей среды не имеет больших колебаний.

Манометрические термометры могут применяться для измерения температуры воды, пара и уходящих газов до +550 °С.

Манометрические термометры могут быть показывающие и регистрирующие.

На рис. 10.3 приведен показывающий манометрический термометр, состоящий из термобаллона /, капилляра 2 и манометра 3, имеющего градуировку в градусах Цельсия.

Рис. 10.3. Манометрический термометр

/ — термобаллон; 2 — капиллярная трубка; 3 — манометр

Термометры дилатометрические. Устройство этих термометров основано на использовании разности удлинений стержней, выполненных из различных материалов. В качестве таких материалов применяют металлы, имеющие значительно отличающиеся друг от друга коэффициенты линейных удлинений. Чаще всего применяют пары металлов: сталь — латунь или латунь — инвар.

Принципиальная схема дилатометрического термометра приведена на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Дилатометрический термометр

Стержень из инвара 1 одним концом укреплен на дне закрытой трубки 2 из латуни, другой его конец может перемещаться в зависимости от удлинения латунной трубки и воздействовать на показывающий механизм 3.

Термометры биметаллические. Действие этих термометров основано на изгибе при нагревании биметаллической пластинки, вследствие разности коэффициента расширения металлов, из которых пластинка выполнена.

Биметаллическую пластинку изготавливают путем сварки двух полос из металлов, имеющих различные коэффициенты линейных удлинений.

Рис. 10.5. Биметаллический термометр

/ — биметаллическая пластина; 2 — поиодок; 3 — стрелка

Принципиальная схема такого термометра показана на рис.

10.5. Биметаллическая пластина / закрепляется одним концом, другой конец остается подвижным. При повышении температуры окружающей среды пластинка изгибается в сторону металла, имеющего меньший коэффициент линейного удлинения, и с помощью рычага 2 перемещает стрелку 3. Возможно воздействие биметаллической пластинки на индукционное или на омическое сопротивление, измеряемое электрическими приборами, которые могут иметь градуировку по температуре.

Термометры сопротивления. Действие этих приборов основано на свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Термометры сопротивления изготавливают из тонкой платиновой, а также медной или никелевой проволоки и применяют для измерения температуры для платины не более 500 °С, никеля — 200 °С, меди — 150 °С.

Активное электрическое сопротивление проводников, применяемых в качестве термометров сопротивления, возрастает с повышением температуры. Для меди и платины зависимость приращения сопротивления от температуры близка к прямолинейной.

Измерение температуры термометром сопротивления сводится к измерению его сопротивления.

Конструкция термометра сопротивления показана на рис. 10.6. В защитной оболочке 1 помещена спираль 2 (сопротивление которой изменяется с изменением температуры), намотанная на изолированном стержне 3, укрепленном в колодке 4. Концы спирали присоединены к зажимам 5, к которым подключаются через ввод 6 провода, соединяющие термометр сопротивления с измерительным прибором.

Рис. 10.6. Схема и конструкция термометра сопротивления

/ — защитная оболочка; 2 — спираль; 3 —изолированный стержень; 4 — колодка; 5 — зажимы; 6 — ввод соединительных проводов

Установка термометра сопротивления на трубопроводе показана на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Установка термометра сопротивления на трубопроводе

Наклонное положение термометра принимается из условий удобства монтажа в случае установки на трубопроводе небольшого диаметра.

Термоэлектрические пирометры. Термоэлектрическим пирометром называется прибор, состоящий из термоэлемента (термопары) и присоединенного к нему электроизмерительного прибора. Действие термопары основано на так называемом термоэлектрическом эффекте, то есть появлении термоэлектродвижущей силы в цепи, составленной из разнородных металлов в случае нагрева их места соединения (спая).

Простейшая схема термоэлектрического пирометра показана на рис. 10.8.

с

с

Рис. 10.8. Схема измерения температуры с помощью термопары

и милливольтметра

Термопара состоит из двух термоэлектродов А и В, концы которых соединены между собой при помощи сварки или скрутки и образуют так называемый рабочий спай 7, помещаемый в среду, температуру которой необходимо измерить. Ко вторым (свободным) концам электродов 2 и 3, выведенным за пределы контролируемой среды в пространство с известной (возможно постоянной) температурой, подключаются соединительные провода 4 и 5, идущие к милливольтметру.

При постоянстве температуры нерабочих спаев 2 и 3, выведенных за пределы измеряемой среды, термоэлектодвижущая сила, действующая в цепи термопара — милливольтметр, будет зависеть только от температуры рабочего спая.

Обычно при градуировке термоэлектрических пирометров нерабочие спаи помещают в сосуд с тающим снегом или льдом, температура которого практически постоянна и равна О °С.

При пользовании термоэлектрическим пирометром в эксплуатационных условиях температура нерабочих спаев должна также поддерживаться постоянной, причем в случае отличия ее от О °С в показания пирометра должна вноситься поправка на температуру нерабочих спаев (свободных (холодных) концов термопары).

Термоэлектрические пирометры обычно применяют для измерения средних и высоких температур, и они обладают рядом преимуществ: простотой конструкции, невысокой стоимостью, малыми габаритами чувствительного элемента, позволяющими измерять температуру практически в любой точке котельной установки.

Недостатком термоэлектрических пирометров является относительно небольшая точность при измерениях невысоких температур и необходимость поддержания постоянной температуры нерабочего спая.

Наиболее распространенными являются термопары, характеристики которых приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Характеристика термопар

Зависимость э.д.с., возникающей в термопаре, от разности температур достаточно близка к линейной.

Милливольтметры, входящие в комплект термоэлектрического пирометра, могут быть как показывающими, так и регистрирующими, на одну или несколько точек измерений.

При установке термопары следует учитывать следующее: горячий конец термопары должен находиться в середине контролируемого потока; при измерении температуры выше 700 °С следует предпринимать меры к предохранению термопары от изгиба под влиянием температуры и собственного веса (лучше всего монтировать термопару в вертикальном положении, при горизонтальном — необходимо следить за тем, чтобы свешивающийся конец термопары был возможно короче; в случае необходимости ввода термопары на большую длину, например в топочное пространство, ее монтируют в специальной керамической защитной трубке); во избежание излома и механических повреждений соединительных проводов подводка их к головке термопары должна осуществляться в гибком шланге.

Измерение давления в котельных установках производится с помощью пружинных, мембранных или жидкостных манометров.

В пружинных манометрах для измерения давления используют упругие свойства металлов. Эти манометры выполняют трубчатыми, мембранными и сильфоными.

Трубчатые пружины бывают одно- и многовитковыми. Манометр с трубчатой пружиной схематически показан на рис. 10.9. Закрытая с одного конца одновитковая трубчатая пружина / закреплена другим концом в штуцере, соединенным с сосудом, в котором измеряется давление. Под действием избыточного давления трубка разгибается и свободный конец ее через поводок 2 поворачивает зубчатый сектор 3 и вместе с ним стрелку 4. Спиральная пружина 5 служит для устранения влияния зазора в зубчатом зацеплении.

Мембранный манометр имеет в качестве измерительного элемента гофрированную упругую пластинку-мембрану, которая под влиянием избыточного давления прогибается.

Манометры этого типа применяют главным образом для измерения небольших давлений и разрежений. На рис. 10.10 показан манометр с пластинчатой мембраной. В этом манометре применена гофрированная стальная мембрана 6, зажатая между фланцами 3 и 7, при помощи стяжных винтов 5. Верхний фланец 3 конструктивно связан с корпусом манометра 4, а нижний — с ниппелем 2для присоединения прибора. Стрелка прибора У/ при помощи механической передачи, состоящей из стержня 7, тяги 8, зубчатого сектора 9, соединена с мембраной. Под действием давления измеряемой среды пластинчатая мембрана прогибается и стрелка поворачивается.

Рис. 10.9. Манометр с трубчатой пружиной и секторным

передаточным механизмом

• 1 — одновитковая трубчатая пружина; 2 — поводок; 3 — зубчатый сектор;
• 4 — стрелка; 5 — спиральная пружина

Рис. 10.10. Манометр мембранный

/ — нижний фланец; 2 — ниппель; 3 — верхний фланец; 4 — корпус; 5 — стягивающие винты; 6 — мембрана; 7 — стержень; 8 — тяга; 9 — сектор;

10 — спиральная пружина; 11 — стрелка

В сильфонных манометрах в качестве измерительного элемента используется гармониковый элемент—сильфон, жестко закрепленный с одного конца. Элемент выполняется из упругого материала (нержавеющая сталь, латунь, томпак и другие сплавы) путем получения волн на цилиндрической поверхности. Сильфон легко деформируется в осевом направлении (под действием давления).

Преимуществом мембранных и сильфонных манометров перед трубчатыми является их меньшая чувствительность к сотрясениям.

Манометр при установке на котел должен выбираться с такой шкалой, чтобы при рабочем давлении стрелка его находилась в средней трети шкалы, так как в этом положении трубчатая пружина манометра работает более устойчиво и обеспечивает наименьшую ошибку в показаниях. Кроме того, между предельным давлением, на которое рассчитан котел, и максимальным значением давления, нанесенным на шкалу манометра, должен быть некоторый запас по шкале.

На шкале манометра наносится красная черта, которой отмечается наивысшее допускаемое рабочее давление, разрешенное для данного котла. Выше этой черты подъем давления допускать при работе нельзя.

Манометр на котле должен быть установлен так, чтобы на него не могла влиять в значительной мере теплота лучеиспускания котла. Максимальная температура среды, окружающей прибор, не должна превышать 40 °С.

С паровым пространством котла манометр соединяется через сифонную трубку. Она может быть разной длины, но обязательно должна иметь изгибы. Форма изгибов бывает разной в зависимости от места установки манометра.

Так при креплении манометра непосредственно у котла изгибы сифонной трубки рекомендуется выполнять так, как изображено на рис. 10.11. При необходимости вынести манометр на большее расстояние для удобства наблюдения допускается соединение манометра с котлом с помощью более длинной трубки с изгибами. Изгибы сифонной трубки необходимо делать по двум причинам: во-первых, они удаляют манометр от среды, имеющую высокую температуру, и во-вторых способствуют лучшему заполнению ее конденсатом. Для увеличения срока службы пружина манометра не должна приходить в соприкосновение с паром, а только — с водой.

Между манометром и сифонной трубкой предусматривается трехходовой кран (рис. 10.12). При операциях с ним рукоятка его должна поворачиваться очень медленно и осторожно с расчетом, чтобы без необходимости не опорожнить сифонную трубку от находящегося в ней конденсата. При сообщении ма-

нометра с атмосферой с помощью трехходового крана стрелка манометра должна возвращаться на ноль шкалы, в противном случае налицо признак неправильных показаний манометра.

Рис. 10.11. Типы изгибов сифонных трубок

Рис. 10.12. Трехходовой кран

ниппель для манометра; 2 — риски, указывающие положение пробки;

3 — ниппель для сифонной трубки

/

С помощью трехходового крана можно производить продувку сифонной трубки от накопленной в ней воды, проверку манометра путем установки на ноль, сверку его показаний с показаниями контрольного манометра.

Жидкостные манометры в котельных установках применяют для измерения давления, незначительно превышающего атмосферное, или разрежений, например в топке, в газоходах и т.д.

В наиболее простом виде такой прибор состоит из изогнутой и-образной трубки, до половины заполненной подкрашенной водой или ртутью. Тягомерная трубка прикрепляется к специальной пластинке, на которой предусматривается шкала, градуированная в миллиметрах (рис. 10.13). Если обе ветви тягомерной трубки открыты, то уровень залитой в нее жидкости стоит на одной высоте. Если же одна ветвь этой трубки с помощью резинового шланга и стальной трубки соединена с действующим газоходом, то вода в этой ветви трубки поднимается, а во второй ветви опускается. Число миллиметров, отсчитанное по шкале между верхним и нижним уровнями жидкости, определит разрежение в месте замера в мм вод. ст. Рассмотренный прибор из-за его крайней простоты находит широкое применение. Для увеличения точности измерений прибор выполняют из наклонной стеклянной трубки с впаянной в нее колбочкой, которая заполняется спиртом или водой.

Рис. 10.13. 11-образный тяго мер

При эксплуатации котельных необходимо учитывать количество расхода воды и пара. Расход воды и пара измеряют специальными приборами — расходомерами.

Расходомеры бывают скоростные (рис. 10.14,а), представляющие собой крыльчатку 1, установленную в потоке жидкости или газа. Вал крыльчатки передает вращение при помощи шестеренчатой системы на счетный механизм.

Объемные расходомеры могут иметь различное конструктивное исполнение, например в виде шестеренчатого движителя (рис. 10.14,6), в котором овальные шестерни 2 при вращении за каждый оборот пропускают строго определенный объем жидкости. Также может быть использован поршневой движитель, в котором вода или газ приводят в движение поршень, соединенный со счетчиком, указывающим число заполнений за заданный промежуток времени объема цилиндра, и таким образом количество пропускаемой жидкости.

Расходомеры с элементом переменного перепада (рис. 10.14,в) работают по принципу разности давления до и после дросселя 3, которое регистрируется манометром 4.

Рис. 10.14. Воспринимающие элементы расходов жидкостей и газов

Расходомер постоянного перепада — ротаметр (рис. 10.14,г), имеет в коническом корпусе 6 поплавок 7с линейкой 5. Изменение расхода газа или жидкости вызывает изменение положения поплавка и, следовательно, проходного сечения между ним и корпусом. Равновесие поплавка наступает при выравнивании давления на входе и выходе среды из ротаметра.

Акустические расходомеры. Принцип их работы основан на измерении того или иного эффекта, возникающего при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа и зависящего от расхода. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

В большинстве промышленных ультразвуковых расходомеров используют эффекты, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, т.е. чем больше скорость потока, тем дальше от места излучения будет сноситься ультразвуковой сигнал.

Для ввода акустических колебаний в поток и для их приема на выходе из потока необходимы излучатели и приемники — главные элементы первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. В качестве датчиков используют пьезоэлементы, кристаллы которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях на их поверхности образуют электрические заряды. И наоборот, если к этим поверхностям приложить разность потенциалов, то кристалл растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет большее напряжение.

На этих эффектах основан метод преобразования переменной электрической разности потенциалов на гранях кристалла в акустические колебания той же частоты для излучателя колебаний и, наоборот, преобразования акустических колебаний в переменную электрическую разность потенциалов на гранях кристалла для приемника колебаний.

Достоинством ультразвуковых расходомеров является широкий диапазон измерения расхода, возможность измерений на любом трубопроводе без его вскрытия (излучатели и приемники устанавливают на наружной стороне трубы) и возможность применения микропроцессорной техники при обработке данных. Основным недостатком является чувствительность к содержанию твердых и газообразных включений.

Вихревые расходомеры. Принцип их действия основан на зависимости от расхода жидкости или газа частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи после препятствия определенной формы, установленного в трубопроводе.

Свое название вихревые расходомеры получили от явления срыва вихрей, возникающих при обтекании потоком жидкости или газа препятствия, обычно в виде усеченной трапецеидальной призмы (рис. 10.15). Позади тела обтекания располагают чувствительный элемент, воспринимающий вихревые колебания.

Рис. 10.15. Схема вихревого первичного преобразователя расхода

СИ — устройство счета импульсов

К достоинствам вихревых расходомеров следует отнести: отсутствие подвижных частей, независимость показаний от давления и температуры, большой диапазон измерений, сравнительно небольшую стоимость.

К недостаткам относятся значительные потери давления (до 30—50 кПа), непригодность при измерении малых скоростей потока, непригодность для измерения расхода загрязненных и агрессивных сред.

Уровень жидкости в барабанах котла или других технологических емкостях котельной можно непосредственно наблюдать через водомерное стекло. Если это затруднено, то могут быть использованы следующие приборы:

поплавковые или буйковые — чувствительным элементом является плавающий (рис. 10.16) или полностью погруженный в измеряемую жидкость поплавок (буек);

емкостные — использующие изменение электрической емкости датчика при изменении уровня измеряемой среды;

Рис. 10.16. Поплавковый датчик уровня

мембранные — чувствительным элементом является мембрана; давление столба измеряемой жидкости уравновешивается упругой деформацией мембраны или пружины.

Для контроля и учета работы котельного агрегата необходимо определение содержания в продуктах сгорания углекислого газа, оксида углерода, избытка воздуха (кислорода), содержание углеводов, оксидов азота, оксидов серы и т.д. Для этого служат приборы, называемые газоанализаторами.

Газоанализаторы разделяют по назначению: сигнализаторы загазованности, предназначенные для контроля состояния атмосферы в помещениях, где возможно образование взрывоопасных газовоздушных смесей либо превышение предельно допустимых концентраций оксида углерода. Приборы этой группы выдают световую/звуковую сигнализацию о превышении контролируемых параметров;

системы аварийного отключения газа, предназначенные для непрерывного контроля состояния атмосферы на газоиспользующих объектах. Кроме выдачи светового и звукового сигнала в случае превышения концентраций порога 1 («Тревога»), приборы этой группы в случае превышении порога 2 («Авария») автоматически приводят в действие исполнительные механизмы и устройства, прекращающие подачу газа потребителю;

измерители концентраций, предназначенные для измерения концентраций тех или иных газов в контролируемой среде;

течеискатели, предназначенные для определения мест утечек газа из газопроводов; по исполнению:

стационарные; переносные, с питанием от встроенных батарей-аккумуляторов;

по методу забора пробы.

диффузионные и с принудительным забором пробы при помощи ручного или встроенного микронасоса;

по количеству определяемых газов'. одно- и многокомпонентные; по режиму работы:

постоянного действия и периодического; по типу используемых датчиков: термохимические, электрохимические, оптические.

В настоящее время выпускается широкий спектр различных газоанализаторов.

При установке газоанализаторов необходимо учитывать, чтобы в месте забора газов не было вихревых потоков, подсоса наружного воздуха, плохого перемешивания газов, газовых мешков. Необходимо, чтобы газозаборная трубка доходила до середины газохода.