Особенности эксплуатации и монтажа датчиков давления

1. Присоединение датчика к источнику давления осуществляется одним из трех способов: давление подводится ко входному штуцеру датчика по трубопроводу с внутренним диаметром 2...6 мм, причем длина трубопровода может доходить до нескольких метров; датчик вворачивается в гнездо или специальный штуцер непосредственно в месте отбора давления; датчик устанавливается в отверстие и приваривается к объекту.

2. В месте установки датчика температура внешней и рабочей среды, вибрация, линейные и ударные ускорения, акустические шумы и радиация не должны превышать указанных в технических характеристиках допустимых значений. Датчики давления могут устанавливаться на амортизаторы, снижающие виброускорения до допускаемых значений. При этом подсоединение датчиков к источнику давления производится с помощью трубопроводов, что снижает уровень температурных и радиационных воздействий.

3. Для измерения давления агрессивных сред должны использоваться датчики, ЧЭ которых и подсоединительные детали изготовлены из коррозионностойких материалов или имеют соответствующие покрытия. При измерении статических давлений агрессивных или вязких сред для защиты датчика применяются разделительные емкости.

4. При измерении давления кислорода должны использоваться только датчики, конструкция которых допускает обезжиривание объемов и деталей, контактирующих с рабочей средой.

5. К датчикам, имеющим динамическую и статическую полости и два штуцера Д – динамический и С – статический, измеряемое давление подводится к динамическому штуцеру, а статический штуцер соединяется с атмосферой или дренажной системой объекта.

6. Длина соединительного трубопровода должна выбираться с учетом вида заполняющей среды и допускаемых динамических характеристик и погрешностей системы: приемная полость датчика – трубопровод. Допускаемая длина трубопровода может быть найдена с помощью расчетных формул или специально полученных экспериментальных данных.

ГЛАВА 5. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

 

5.1. Физические основы температурных измерений

 

Температура - от латинского temperature (надлежащее смешение, нормальное состояние). Таким образом, сам термин исходит из рассмотрения равновесного состояния рабочего тела. По определению Максвелла «Температура тела - есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам».

Если в качестве «другого» тела рассматривать измеритель температуры, то именно эта способность - «сообщать теплоту другим телам» и есть физическая основа температурных измерений. Если при этом температура «первого тела» (измеряемого объекта) неизменна и «второе тело» (термометр), находящееся с ним в теплообмене, составляет с первым телом изолированную систему, то их температуры одинаковы, т.е. в этом случае термометр измеряет действительную температуру. Если термометр не изолирован от других тел, то он одновременно участвует в теплообмене с ними, что неизбежно приводит к погрешностям теплового происхождения, ибо в этом случае его температура определяется взаимодействием (теплообменом) не только с измеряемым объектом.

Если температура измеряемого тела меняется во времени, т. е. имеются внутренние или внешние источники или стоки тепла, то в процессе измерения в общем случае возникает еще и динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией термометра, тем большая, чем больше скорость изменения температуры.

Измерение температуры является тем более корректным, чем менее присутствие термометра воздействует на картину течения изучаемых тепловых процессов, не меняет температурное поле, не возмущает поток и т.д.

Измеряемый объект может иметь любое агрегатное состояние - твердое тело, газ, жидкость, плазма. Специфика теплового взаимодействия с измеряемым объектом в соответствующем агрегатном состоянии формирует специфические требования к конструкции датчика и реализованному в нем принципу преобразования (термометрическому свойству).

Теоретически из второго начала термодинамики следует, что приращение тепловой энергии

(5.1)

где T–абсолютная температура; S–энтропия.

Если провести аналогию с выражением для механической энергии, которое базируется на более очевидных величинах [1],

(5.2)

где F – механическая сила; x – перемещение, путь, то энтропия может интерпретироваться как тепловое перемещение, а температура как теплодвижущая сила. Такая аналогия является вполне содержательной, ибо температура является тем физическим параметром, который определяет направление и интенсивность передачи тепловой энергии. Таким образом, процесс теплообмена - это процесс выравнивания температуры взаимодействующих тел, направленный к термодинамическому равновесию системы.

Теплообмен осуществляется на основе трех взаимосвязанных и вместе с тем взаимодополняющих механизмов. Однако в каждом конкретном случае один из механизмов является превалирующим.

Первый механизм теплопередачи - теплопроводность, или кондуктивный теплообмен. В основе этого механизма - обмен кинетической энергией поступательного и колебательного движения молекул. Этот вид теплопередачи характерен для твердых тел. Теплопроводность жидкостей и газов мала. Наиболее выражена теплопроводность металлов, что объясняется наличием свободных электронов.

Направление теплового потока, обусловленного теплопроводностью, противоположно направлению вектора нормали к изотерме (рис. 5.1), т.е. направлению максимального изменения температуры:

(5.3)

Количество теплоты, проходящее за единицу времени через единицу изотермической поверхности в направлении нормали к ней - удельный тепловой поток (Вт/м²) (закон Фурье)

(5.4)

где L — коэффициент теплопроводности, Вт/м·К.

Коэффициент теплопроводности L характеризует интенсивность теплопередачи в твердом теле. Для чистых металлов, как правило, L убывает с ростом температуры, для большинства сплавов и отдельных металлов (Al, Be) - возрастает, для теплоизоляционных материалов L растет с температурой, для жидкостей - убывает (кроме воды) [56].

Некоторые материалы, в особенности кристаллические полупроводниковые, характеризуются явно выраженной анизотропией теплопроводности. Нестационарное уравнение теплопроводности имеет вид

(5.5)

где a=L/cg – коэффициент температуропроводности, м²/ч; c – удельная теплоемкость материала; g - удельный вес материала.

Коэффициент температуропроводности представляет собой меру быстроты выравнивания тепла в неравномерно нагретом теле, т.е. косвенно характеризует термическую инерцию тела. Вид решения уравнения теплопроводности определяется граничным и начальными условиями, т.е. условиями теплообмена на поверхности тела и начальным распределением температур.

Механизм теплопроводности играет определенную роль при контактных измерениях температуры твердых тел. Именно им обеспечивается в идеальном случае совпадение измеренной температуры и измеряемой.

Вместе с тем кондуктивная теплопередача по элементам конструкции датчика, предназначенного для измерений температуры газовой или жидкой среды, может приводить к искажениям показаний датчика, тем большим, чем более сопоставим вклад кондуктивной теплопередачи с вкладом конвективного теплообмена изучаемой среды с чувствительным элементом датчика.

Конвективный теплообмен является определяющим механизмом теплопередачи от среды к датчику при измерении температуры среды. Этот вид теплообмена присущ только газам и жидкостям и обусловлен переносом и перемешиванием частиц, происходящим либо под действием градиентов температур и плотностей (естественная конвекция), либо под действием градиентов давления, вызываемых внешними силами (вынужденная конвекция). Тепловые потоки, обусловленные конвективным теплообменом, могут находиться в широких пределах - от весьма малых при естественной конвекции (менее 10 Вт/м ²) до очень больших в скоростных потоках газов и в жидкостях (более 10⁸ Вт/м ²).

Конвективный теплообмен сопровождается кондуктивным теплообменом в пограничном слое обтекаемого тела, а также радиационным теплообменом обтекаемого прозрачным газовым потоком тела с окружающими телами, либо радиационным теплообменом с непрозрачным потоком (или полупрозрачным). Все эти эффекты должны учитываться при интерпретации результата измерений температуры.

Табли 3.1

В зависимости от характера напорных сил течение потока вблизи поверхности тела в пограничном слое может быть ламинарным или турбулентным.

Удельный тепловой поток при конвективном теплообмене описывается уравнением Ньютона:

5.6)

где Т_ср - статическая температура потока; Т_т - температура обтекаемого тела; a - коэффициент конвективного теплообмена.

Коэффициент aимеет размерность Вт/м²×К, и зависит от конфигурации тела и характера его поверхности, физических свойств среды (плотности, теплоемкости, вязкости, теплопроводности), скорости потока, угла атаки и т.д.

Так для датчика с цилиндрическим корпусом диаметром 8 мм коэффициент теплообмена (Вт/м²К) принимает следующие значения:

 

Спокойный воздух.....................................................................30

Воздушный поток со скоростью 15 м/с.................................140

Спокойная вода........................................................................300

Хорошо перемешиваемая вода………………….более 10 000

Закон Ньютона носит приближенный характер и, строго говоря, справедлив для малых перепадов температуры DT=T_ср–Т_Т£5°С.

При больших перепадах температуры пользуются другой приближенной зависимостью:

(5.7)

где n >1 - постоянная для фиксированных условий теплообмена. Так для плоской поверхности n = 1,25...1,33 при DT= плюс 100...плюс 200°С, для вольфрамовой ленты в аргоне n» 2 при Т_T » плюс1500°С.

При измерении температуры среды термометрами погружения измерения необходимо организовать так, чтобы чувствительный элемент датчика был максимально открыт для беспрепятственного конвективного теплообмена со средой, и вместе с тем должны быть приняты меры для предотвращения других механизмов теплообмена.

Радиационный, или лучистый теплообмен - третий механизм теплопереноса, присущий всем агрегатным состояниям вещества. На закономерностях этого вида теплопереноса основаны бесконтактные методы измерения температуры твердых тел или светящихся газов. Вместе с тем, как уже отмечалось, теплоперенос излучением может вносить свой дестабилизирующий вклад в результаты контактных измерений температуры твердых тел и газов.

Носителями энергии теплового излучения являются электромагнитные волны инфракрасного, видимого и даже ультрафиолетового и более коротковолнового спектра длин волн.

Законы переноса излучения сформулированы для идеальной модели излучающего тела - абсолютно черного (его коэффициент поглощения во всем диапазоне длин волн ранен единице). Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела соответствует его термодинамически равновесному состоянию и зависит только от его температуры.

Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела описывается уравнением Планка:

(5.8)

где λ - длина волны излучения; C₁ = 2π ħ с² - константа (ħ – постоянная Планка; с - скорость света); С ₁ = = 3,74 ·10^-12 Вт/см²; С₂ = ħ с / k – константа (k - постоянная Больцмана); С ₃= 1,44 см·К; T_s- температура абсолютно черного тела.

Полная интегральная светимость (поверхностная плотность излучения) абсолютно черного тела

(5.9)

– закон Стефана–Больцмана. Здесь σ= 5,7·10^-8 Вт/м²К⁴ - постоянная Стефана – Больцмана. Значения длин волн, соответствующих спектральному максимуму излучения и полная спектральная светимость для различных температур абсолютно черного тела приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1