Раздел 3. Измерение основных технологических параметров

3-1. Возможно ли питание автоматического потенциометра от нестабилизированного источника напряжения (например, от батареи или аккумулятора)?

3-2. Автоматический потенциометр предназначен для работы в комплекте с термопарой ТХА и имеет диапазон измерения 0 – 300 ⁰С. Как нужно изменить сопротивление R_ш (см. рисунок) при увеличении предела измерения до 600 ⁰С?

 

3-3. Изменится ли работа автоматического потенциометра при изменении полярности подключения термопары? Если да, то как?

3-4. Нормирующий преобразователь термоЭДС в ток может работать с любым типом термопар. С помощью какого элемента схемы обеспечивается одинаковый диапазон изменения выходного сигнала, не зависящий от чувствительности термопары?

3-5. Оцените изменение показаний уравновешенного моста (см. рисунок), вызванное изменением переходного сопротивления движка реохорда на 0,2 Ом. Шкала моста 0 – 150 °С, терморезистор типа ТСМ, сопротивление R₀ = 53 Ом, R₂ = R₃ = 100 Ом.

3-6. Компенсационный резистор, используемый в автоматическом потенциометре для автоматического введения поправки на температуры свободных концов термопары, рассчитывается для возможного диапазона их изменения 0 – 50 ⁰С. При всех ли температурах свободных концов из этого диапазона будет происходить полная компенсация изменения термоЭДС?

3-7. При какой температуре будет полностью отсутствовать влияние линии связи на показания трехпроводного моста, если диапазон измерения составляет 200 ⁰С, сопротивление реохорда равно сопротивлению 0,8R₃, а сопротивление R₁ = 0,4R₃?

3-8. Чувствительный элемент термопреобразователя, с помощью которого контролируется тепловое состояние движущегося по трубопроводу вещества, имеет температуру t_т = 600 °С. Температура стенки трубопровода t_ст = 18 °С. Термопреобразователь крепится к стенке трубопровода и погружается в него на глубину l = 30 мм, его защитный чехол изготовлен из стальной трубки с коэффициентом теплопроводности λ = 13,5 Вт/(м·К), наружный и внутренний диаметры чехла соответственно равны d_н = 10 мм и d_в = 8 мм, коэффициент теплоотдачи от термопреобразователя к объекту контроля равен α_к = 400 Вт/(м²·К). Чувствительный элемент расположен в нижней торцевой части чехла. Рассчитайте абсолютную ∆ и относительную δ погрешности измерения, обусловленные теплоотводом от термочувствительного элемента к стенке трубопровода, и определите температуру объекта контроля t_с.

Примечание: Погрешность Δt измерения температуры за счет теплоотвода по чехлу определяется по формуле

где α — коэффициент теплоотдачи между термопреобразователем и измеряемой средой, Вт/(м² *К);

Р и S — периметр, м, и площадь, м², поперечного сечения чехла термопреобразователя;

λ — коэффициент теплопроводности материала термопреобразователя, Вт/(м*К);

l — глубина погружения чехла в измеряемую среду, м.

3-9. На рисунке показана схема неуравновешенного моста для измерения температуры терморезистором с положительным ТКС. В какое плечо должен быть включен второй терморезистор, имеющий отрицательный ТКС, для увеличения чувствительности?

3-10. Температура измеряется уравновешенным мостом, схема которого приведена на рисунке. Будут ли зависеть показания моста от соотношения сопротивлений R₂ и R₃ (например, R₂/R₃=0,1 и R₂/R₃=10)? Какое из приведенных соотношений обеспечит большую чувствительность?

3-11. Будет ли линейной градуировочная характеристика уравновешенной мостовой схемы, показанной на рисунке?

3-12. Будет ли линейной градуировочная характеристика уравновешенной мостовой схемы, показанной на рисунке?

3-13. Что будут показывать автоматические потенциометры (см. рисунок к задаче 3-2) с диапазонами измерения 0…400 ⁰С градуировки ХК и 0…50 мВ при закорачивании их входных зажимов?

3-14. Термометр сопротивления R_t подключен к уравновешенному двухпроводному мосту (см. рисунок) с помощью соединительных проводов, сопротивление каждого из которых при градуировке было 2,5 Ом. Оцените изменение показаний моста, вызванное увеличением сопротивления каждого из соединительных проводов на 0,5 Ом. Сопротивления резисторов схемы имеют следующие значения: R₁ = R₂ = 80 Ом; R₃ = R_р = 40 Ом; R_t = 15 Ом.

3-15. Какого типа должны быть терморезисторы в схеме на рисунке, чтобы чувствительность мостовой схемы была максимальной?

3-16. Будут ли одинаковыми значения сопротивления реохорда R_эр (см. рисунок к задаче 3-2) у потенциометров с диапазонами измерения –50…+150 ⁰С, 0…200 ⁰С одной и той же градуировки ХК?

3-17. Автоматический потенциометр (см. рисунок к задаче 3-2) рассчитан на работу в комплекте с термопарой ТХА и имеет диапазон измерения 0...200 ⁰С. Нужно ли изменить значения резисторов R_к и R_п при увеличении предела измерений до 400 ⁰С?

3-18. Имеются два потенциометра (см. рисунок к задаче 3-2) градуировок ХА и ХК со шкалой 0…600 ⁰С. У какого из них значение резистора R_п больше? Токи в ветвях схемы у обоих потенциометров одинаковы. Чувствительность термопар ХА и ХК - соответственно 41 и 65 мкВ/град.

3-19. Термометр сопротивления R_t подключен к уравновешенному трехпроводному мосту (см. рисунок) с помощью соединительных проводов, сопротивление каждого из которых при градуировке было 2,5 Ом. Оцените изменение показаний моста, вызванное увеличением сопротивления каждого из соединительных проводов на 0,5 Ом. Сопротивления резисторов схемы имеют следующие значения: R₁ = R₂ = 80 Ом; R₃ = R_р = 40 Ом; R_t = 20 Ом.

 

3-20. Одинаковы ли значения сопротивления медного компенсационного резистора у потенциометров КСП-4 с диапазоном измерения –50…+100 ⁰С градуировки ХК, 0…600 ⁰С градуировки ХК, 0…600 ⁰С градуировки ХА? Токи схемы для всех потенциометров одинаковы.

3-21. Имеются два потенциометра (см. рисунок к задаче 3-2) градуировок ХА и ХК со шкалой 0…600 ⁰С. У какого из них значение резистора R_к больше? Токи в ветвях схемы у обоих потенциометров одинаковы. Чувствительность термопар ХА и ХК равна соответственно 41 и 65 мкВ/град.

3-22. Чувствительный элемент термопреобразователя, с помощью которого контролируется тепловое состояние движущегося по трубопроводу вещества, имеет температуру t_т = 280 °С. Температура стенки трубопровода t_ст = 40 °С. Термопреобразователь крепится к стенке трубопровода и погружается в него на глубину l = 100 мм, его защитный чехол изготовлен из латунной трубки с коэффициентом теплопроводности λ = 80 Вт/(м·К), наружный и внутренний диаметры чехла соответственно равны d_н = 32 мм и d_в = 28 мм, коэффициент теплоотдачи от термопреобразователя к объекту контроля равен α_к = 280 Вт/(м²·К). Чувствительный элемент расположен в нижней торцевой части чехла. Рассчитайте абсолютную ∆ и относительную δ погрешности измерения, обусловленные теплоотводом от термочувствительного элемента к стенке трубопровода, и определите температуру объекта контроля t_с.

Примечание: Погрешность Δt измерения температуры за счет теплоотвода по чехлу определяется по формуле

где α — коэффициент теплоотдачи между термопреобразователем и измеряемой средой, Вт/(м² *К);

Р и S — периметр, м, и площадь, м², поперечного сечения чехла термопреобразователя;

λ — коэффициент теплопроводности материала термопреобразователя, Вт/(м*К);

l — глубина погружения чехла в измеряемую среду, м.

3-23. Равномерна ли шкала неуравновешенного моста (см. рисунок) при условии, что R_t – термометр сопротивления ТСМ?

3-24. На рисунке приведена схема измерительного моста. Определите, уравновешенный это мост или нет, и какой тип терморезистора в нем использован, если верхнему пределу измерения соответствует положение движка реохорда в точке «а».

3-25. На рисунке приведена схема уравновешенного моста. Определите, какое положение движка реохорда (в точке «а» или в точке «б») соответствует: а) нижнему пределу измерения для датчика ММТ; б) верхнему пределу измерения для датчика ТСМ.

 

 

3-26. У жидкостного манометрического термометра, заполненного ртутью, после монтажа термобаллон оказался расположен на 7,37 метра выше показывающего прибора (при градуировке они располагались на одном уровне). Как изменятся его показания, если шкала термометра 0…500 ⁰С, давление в системе при таком изменении температуры изменяется от 4,47 до 14,28 МПа, а плотность ртути 13595 кг/м³?

3-27. Определите, какое начальное давление должно быть создано в системе манометрического газового термометра при 0 ºС, чтобы при изменении температуры от 0 до 500 ºС давление в системе увеличилось на 10 МПа. Определите, какую относительную погрешность вызовет изменение барометрического давления на 38 мм рт. ст. в начале и в конце шкалы.

3-28. Определите, на какой высоте может находиться после монтажа термобаллон жидкостного ртутного манометрического термометра относительно показывающего прибора, чтобы возникшая в результате этого погрешность не превысила класс точности. Шкала термометра 0…500 ºС, изменение давления в термобаллоне от 4,48 до 14,28 МПа, класс точности 2,0.

3-29. Газовый манометрический термометр имеет шкалу 0…200 ºС, что соответствует изменению давления от 0,6825 до 1,1925 МПа. При измерении температуры, равной 85 ºС, из-за изменения барометрического давления возникла относительная погрешность 2%. Каково отклонение барометрического давления от нормальных условий (760 мм рт. ст.)?

3-30. Как изменятся показания жидкостного манометрического термометра при увеличении барометрического давления на 40 мм рт.ст?

3-31. Определите абсолютное и относительное изменение показаний газового манометрического термометра, вызванное изменением барометрического давления от 760 до 720 мм рт. ст. Шкала прибора 0…200 ⁰С, что соответствует изменению давления от 0,6825 до 1,1925 МПа. Прибор показывает температуру 180 ⁰С. Шкала прибора равномерная.

3-32. У жидкостного манометрического термометра, заполненного ртутью, после монтажа термобаллон оказался расположен выше показывающего прибора (при градуировке они располагались на одном уровне). При этом его показания изменились на 40 ⁰С. На сколько метров был поднят термобаллон, если шкала термометра 0…500 ⁰С, давление в системе при таком изменении температуры изменяется от 4,47 до 14,28 МПа, а плотность ртути 13595 кг/м³?

3-33. Определите, как изменится чувствительность эластичной мембраны диаметром 180 мм, если ее снабдить жестким центром с диаметром 50 мм.

3-34. Чувствительным элементом манометра является сильфон. Уравновешивание давления осуществляется за счёт упругого противодействия сильфона и пружины, площадь сильфона S = 63 мм², жёсткость пружины К_п= 0,96 кгс/мм, жёсткость одного гофра сильфона к воздействию осевого усилия К_с = 2,5 кгс/мм, число гофр 8. При перемещении стрелки манометра от начала до конца шкалы донышко сильфона перемещается на h = 6,5 мм. Определите пределы измерения манометра.

3-35. Чувствительным элементом тягомеров является мембранная коробка, составленная из двух гофрированных мембран. В одном случае коробка прикреплена к корпусу штуцером (рисунок «а»), а во втором – в месте соединения мембран (рисунок «б»). Одинаковы ли в этих случаях коэффициенты преобразования мембранных коробок?

3-36. В колокольном дифманометре (см. рисунок) с тонкими стенками уравновешивание колокола осуществляется за счет деформации пружины (выталкивающей силой жидкости можно пренебречь). Изменится ли коэффициент преобразования дифманометра, если утяжелить колокол при неизменной линейной характеристике пружины?

3-37. Какой должна быть жесткость пружины в колокольном дифманометре с пружинным уравновешиванием (см. рисунок к задаче 3-36), чтобы изменение перепада давления от 0 до 0,16 кгс/см² вызывало перемещение колокола на 4 мм? Диаметр колокола 50 мм.

3-38. Влияет ли плотность жидкости, заполняющей колокольный дифманометр, на его диапазон измерения?

3-39. На трубопроводе с водой, имеющей давление 8 кгс/см², установлены 3 манометра (см. рисунок). Манометр М1 поднят над трубопроводом на 1,5 м, манометр М2 находится на 1,8 м ниже трубопровода, а М3 – на одном уровне с ним. Определите показания всех манометров (собственными погрешностями манометров можно пренебречь).

3-40. В колокольном дифманометре с пружинным уравновешиванием (см. рисунок к задаче 3-36) жесткость пружины К = 7500 Н/м, изменение измеряемого перепада давления на 0,12 кгс/см² вызывает перемещение колокола на 3,5 мм. Определите диаметр колокола.

3-41. Изменяется ли чувствительность чашечного микроманометра с наклонной трубкой (см. рисунок) при изменении угла α наклона измерительной трубки?

 

 

3-42. Имеется два манометра, чувствительным элементом у которых является сильфон. Уравновешивание давления осуществляется за счёт упругого противодействия сильфона и пружины. Эффективная площадь, жёсткость пружины и жёсткость одного гофра сильфона к воздействию осевого усилия одинаковы, число гофр первого сильфона 10, а второго - 15. Определите, у какого манометра предел измерения будет больше.

3-43. Как нужно изменить в сильфоне жесткость манометрической пружины, чтобы диапазон измерения увеличился в два раза?

3-44. Имеется два манометра с чувствительным элементом в виде трубки Бурдона. Параметры трубок b и a равны соответственно: b₁ = 12 мм, a₁ = 220⁰; b₂ = 16 мм, a₂ = 230⁰. Какой из них будет иметь больший диапазон измерения? Можно ли использовать для измерения разрежения трубку Бурдона с круглым сечением?

3-45. Манометр, измеряющий давление пара, установлен на 5 м ниже точки отбора. Он показывает значение давления Р = 50 кгс/см², среднее значение температуры конденсата в импульсной линии t = 60 °С. Определите действительное значение давления в паропроводе.

3-46. Чувствительным элементом манометра, имеющего предел измерения 25 кгс/см² , является сильфон. Параметры сильфона: жёсткость пружины К_п= 0,96 кгс/мм, жёсткость одного гофра сильфона к воздействию осевого усилия К_с = 2,5 кгс/мм, число гофр 10. При перемещении стрелки манометра от начала до конца шкалы донышко сильфона перемещается на h = 6,5 мм. Определите площадь сильфона.

3-47. Определите погрешность манометра с пределами измерения 0—4 МПа и с унифицированным токовым выходным сигналом (0—5 мА), если при измерении давления 3,2 МПа выходной сигнал составил 3,93 мА.

3-48. В мембранном дифференциальном манометре для уменьшения температурной погрешности одна из коробок делается меньшей жесткости, чем другая (см. рисунок). В какой камере (минусовой или плюсовой) должна располагаться эта коробка?

3-49. В преобразователе давления «Метран» использованы 4 тензорезистора. Под действием давления у двух из них сопротивление возрастает, а у двух других – уменьшается. Каким образом они должны быть включены в плечи мостовой схемы для обеспечения максимальной чувствительности?

3-50. Сколько тензорезисторов с одинаковым по знаку коэффициентом тензочувствительности может быть использовано в четырехплечей мостовой схеме?

3-51. Оцените влияние температуры на показания ультразвукового фазового расходомера, если известно, что изменение температуры воды от 8 до 25 ⁰С вызывает изменение скорости звука от 1435 до 1475 м/с. Частота ультразвуковых колебаний 25 кГц, скорость потока 10 м/с, расстояние между пьезоэлементами расходомера 250 мм.

3-52. Через один и тот же электромагнитный расходомер пропускали вначале раствор № 1 проводимостью 80 См/м со средней скоростью 10 м/с, а затем раствор № 2 проводимостью 40 См/м со скоростью 20 м/с. Одинаковая ли ЭДС будет наводиться между электродами расходомера в обоих случаях?

3-53. Кондуктометрический сигнализатор уровня используется для контроля нижнего предельного уровня электропроводной жидкости (см. рисунок). Если уровень выше, горит зеленая лампочка; при снижении уровня до минимального загорается красная лампочка. Обозначьте цвет ламп EL 1 и EL 2 для этого условия. Реле К1 включено в цепь сигнализатора.

 

 

3-54. Предположим, что для измерения расхода воды один дифманометр – расходомер располагается ниже диафрагмы, а другой – выше (см. рисунок). Будут ли показания расходомеров одинаковы при одном и том же расходе или будут различаться за счёт гидростатического давления столбов жидкости в импульсных трубках?

3-55. Как влияет повышение температуры контролируемой среды на показания ротаметра, при условии, что расход остается прежним?

3-56. Определите угол конусности φ трубки ротаметра (см. рисунок), который применяется для измерения расхода воды в диапазоне от 10 до 500 л/час. Плотность воды r_в = 998,2 кг/м³, длина шкалы Н = 160 мм, сечение поплавка f = 78,6 мм², объем поплавка V = 600 мм³, плотность материала поплавка r_п = 7870 кг/м³, коэффициент расхода α = 0,98.

3-57. В трубопроводе диаметром 100 мм протекает вода, расход которой меняется от 0 до 300 м³/час. Для измерения расхода используется ультразвуковый расходомер. Расстояние между излучателем и приемником 300 мм. Скорость распространения звуковых колебаний в воде с = 1500 м/с. Определите разность времени прохождения звука по потоку и против потока и разность фазовых углов ультразвуковых колебаний, вызванных разностью скоростей прохождения звука. Частота ультразвука 20 кГц.

3-58. Измерительный преобразователь емкостного уровнемера, показанный на рисунке, состоит из измерительной и компенсационной частей. Диапазон изменения уровня h от 0 до 2 м, длина измерительной части преобразователя l_и = 2 м, а компенсационной – l_к = 10 см. Погонная емкость измерительной части уровнемера С_ип = 240 пФ, компенсационной части – С_кп = 860 пФ. Емкость конструктивных элементов компенсационной части С_к0 = 30 пФ. Показания вторичного прибора пропорциональны отношению емкостей измерительной и компенсационной частей С_и/С_к. Диэлектрическая проницаемость изменяется с изменением температуры на 0,2%/К.

Оцените относительное изменение показаний уровнемера, вызванное увеличением температуры жидкости на 25 ⁰С при максимальном уровне.

3-59. В какую сторону (завышения или занижения действительного значения уровня) изменятся показания магнитоакустического уровнемера при переходе на среду с меньшей плотностью, если значение уровня не меняется?

3-60. Рассчитайте емкость и коэффициент преобразования измерительного преобразователя емкостного уровнемера, предназначенного для измерения уровня в баках – хранилищах керосина от нулевого до максимального значения Н_макс = 8 м.

Преобразователь (см. рисунок) состоит из полого металлического цилиндра диаметром D = 60 мм (внешний электрод), внутри которого коаксиально расположен металлический тросик диаметром d = 1,5 мм, покрытый слоем изоляции толщиной b = 1 мм (внутренний электрод). Длина преобразователя l = 8 м, емкость конструктивных элементов С₀ = 75 пФ. Относительная диэлектрическая проницаемость паров керосина e_п = 1, керосина e_ж = 2,1, изоляционного покрытия тросика e_и = 4,2.

 

3-61. Какая дополнительная погрешность возникнет в ротаметре, если он градуировался для среды с плотностью 800 кг/м³, а используется для измерения расхода среды с плотностью 835 кг/м³ ? Плотность поплавка 7700 кг/м³. Какое значение расхода – завышенное или заниженное – будет показывать ротаметр в этом случае?

3-62. Градуировка емкостного уровнемера проводилась для жидкости с диэлектрической проницаемостью ε_ж=18. Определите погрешность уровнемера при измерении уровня жидкости с ε_ж=20 без переградуировки, если текущее значение уровня h = 1,2 м; длина измерительного преобразователя Н = 2 м.

3-63. Кондуктометрический сигнализатор уровня используется для контроля верхнего предельного уровня электропроводной жидкости (см. рисунок). Если уровень ниже, горит зеленая лампочка; при повышении уровня до максимального загорается красная лампочка. Обозначьте цвет ламп EL 1 и EL 2 для этого условия. Реле К1 включено в цепь сигнализатора.

3-64. Калориметрический расходомер состоит из нагревателя мощностью 200 Вт, выполненного из проволоки диаметром 0,5 мм. Диаметр трубопровода 100 мм. Определите разность температур измеряемой среды до и после нагревания при расходе Q₀ = 50 м³/ч. Измеряемая среда – вода и воздух. Исходная температура измеряемой среды 20 ⁰С. Плотности воды и воздуха при этой температуре r_в = 998,2 кг/м³; r_возд = 1,205 кг/м³. Теплоемкости измеряемых сред с_в = 4,183 кДж/(кг*К); с_возд = 1,005 кДж/(кг*К).

3-65. В цилиндрическом вертикальном стальном резервуаре находится керосин. При температуре 30 ^оС высота уровня керосина составляет h м. Изменятся ли показания гидростатического уровнемера и действительный уровень керосина, если температура окружающего воздуха и резервуара вместе с керосином будет 0 ^оС? Изменением размеров резервуара пренебречь.

3-66. Для какой среды перепад давления на сужающем устройстве будет больше при измерении одного и того же расхода – сжимаемой (газ или пар) или несжимаемой (жидкости)? Почему?

3-67. Как влияет увеличение вязкости на показания турбинного расходомера?

3-68. В какую сторону изменятся показания ротаметра (завышения или занижения действительного значения расхода) при увеличении плотности контролируемой среды, если сам расход не меняется?

3-69. Как влияет на работу турбинного расходомера увеличение числа лопастей?

3-70. В трубопроводе диаметром 100 мм протекает вода, расход которой меняется от 0 до 300 м³/час. Для измерения расхода используется ультразвуковый расходомер. Расстояние между излучателем и приемником 300 мм. Скорость распространения звуковых колебаний в воде с = 1500 м/с. Определите изменение выходного сигнала в диапазоне изменения расхода.

3-71. Зависят ли показания магнитоакустического уровнемера от давления паровоздушной смеси?

3-72. Изменение уровня в открытом резервуаре Н_макс = 3 м (см. рисунок). Можно ли использовать для его измерения гидростатический метод с использованием мембранного дифманометра с пределом измерения ΔР = 0,4 кгс/см² при условии, что дифманометр будет расположен ниже минимального уровня на h = 3 м? Минусовая камера дифманометра соединена с атмосферой.

3-73. В трубопроводе диаметром 100 мм протекает вода, расход которой меняется от 0 до 300 м³/час. Для измерения расхода используется ультразвуковый расходомер. Расстояние между излучателем и приемником 300 мм. Скорость распространения звуковых колебаний в воде с = 1500 м/с. Разность фазовых углов ультразвуковых колебаний, вызванных разностью скоростей прохождения звука, составляет 0,355 рад. Определите частоту ультразвука.

3-74. В трубопроводе диаметром 100 мм протекает вода, расход которой меняется от 0 до 300 м³/час. Для измерения расхода используется ультразвуковый расходомер. Скорость распространения звуковых колебаний в воде с = 1500 м/с. Частота ультразвука 20 кГц. Разность фазовых углов ультразвуковых колебаний, вызванных разностью скоростей прохождения звука по потоку и против потока, составляет 0,355 рад. Определите расстояние между излучателем и приемником.

3-75. В какую сторону (завышения или занижения действительного значения уровня) изменятся показания радарного волноводного уровнемера при переходе на среду с меньшей плотностью, если значение уровня не меняется?