стемы при необходимости анализируют вибрацию и в установивших-
ся, и в переходных режимах работы оборудования, в том числе во
время его пуска и выбега. Использование многомерных видов ана-
лиза вибрации позволяет повысить эффективность экспертных си-
стем диагностики и осуществлять прогноз вибрационного состояния
оборудования. Единственным ограничивающим диагностические
возможности фактором в стационарных системах мониторинга стано-
вится конечное количество точек контроля вибрации, в каждой из
которых стационарно устанавливается измерительный преобразова-
тель. Поэтому для расширения диагностических возможностей мони-
торинга стационарные системы часто комплектуются дополнительным
переносным каналом измерения вибрации в любой точке оборудова-
ния, где на время измерения может быть установлен измерительный
преобразователь.
7.6. Измерение частоты вращения
Под скоростью вращения U (об/ мин) обычно понимают число
оборотов п твердого тела за единицу времени t = 1 мин:
где t — время, мин.
В числе производных единиц Международной системы единиц
(СИ) отсутствует термин «скорость вращения» и имеются только
следующие термины:
1) угловая скорость ω (рад/с) как отношение угла φ (рад) пово-
рота тела к времени вращения t (с):
2) частота вращения f (Гц), обозначающая число полных оборотов
за единицу времени t =1с:
где t — время, с.
Тем не менее в технической литературе, паспортах на приборы
единица «об/ мин» используется достаточно часто.
Устройства для измерения частоты вращения называются тахо-
метрами. По принципу действия они делятся на механические и
электрические. Наиболее простой конструкцией отличаются механи-
ческие тахометры. Они делятся на стационарные, т. е. монтируемые
неподвижно, и портативные. Стационарные механические тахометры
по принципу своего действия представляют собой приборы с инди-
кацией в непосредственной близости от объекта измерения. Они
соединяются с ним либо непосредственно, либо при помощи гибко-
го вала, ременной или цепной передачи. Поэтому измеренная вели-
чина может быть передана только на близкое расстояние.
По физическому принципу, положенному в основу измерения,
имеется два типа механических тахометров: тахометр на вихревых
токах и центробежный тахометр. Тахометр на вихревых токах име-
ет вращающийся постоянный магнит, поле которого возбуждает вих-
ревые токи в алюминиевом диске, соединенном с указателем. Воз-
никающий при этом вращающий момент пропорционален частоте
вращения магнита и перемещает указатель до тех пор, пока момент,
создаваемый вихревыми токами, не уравновесится моментом, создан-
ным возвратной пружиной. Тахометры этого типа применяют преиму-
щественно в тех случаях, когда показания должны начинаться с нуля,
соответствовать определенному направлению вращения и охватывать
широкий диапазон измерения. Силы, создающие перемещение, срав-
нительно невелики, что ограничивает возможности использования
этого типа тахометров для других целей, кроме индикации. Погреш-
ности составляют около ± 1 % и в простейших приборах достигают
± 3 % от конечного значения. Тахометры на вихревых токах выпуска-
ются серийно и рассчитаны на скорости до 5 ООО об/мин.
В центробежных тахометрах вращающийся маятник отклоня-
ется под действием центробежной силы и через рычажную передачу
приводит в движение стрелочный механизм. Отклонения стрелки
являются мерой частоты вращения. Центробежные тахометры по-
казывают частоту вращения не от нулевого, а от некоторого мини-
мального и до максимального значения, соотношение которых может
находиться в пределах от 1:3 до 1:10. Показания не зависят от на-
правления вращения. Достаточные по величине силы, сообщающие
движение стрелочному механизму, допускают приведение в действие
дополнительных управляющих и регулирующих устройств. Погреш-
ность измерения не превышает 1 %, в специальных исполнениях
составляет 0,3 %. Так как центробежный тахометр представляет собой
колебательную систему, он снабжен демпфирующим устройством.
Максимальная частота вращения, измеряемая серийно выпускаемы-
ми центробежными тахометрами, составляет 10 000 об/мин.
Объект измерения должен обеспечивать возможность установки
тахометра или подключения его вручную. Механические тахометры
могут быть снабжены электрическими или пневматическими преоб-
разователями, позволяющими использовать их для целей управления
и контроля.
Электрические тахометры (под ними понимаются все тахометры,
дающие на выходе электрический сигнал) значительно удобнее меха-
нических как по возможности использования для измерения различ-
ных физических эффектов, так и по возможности дальнейшей обра-
ботки измерительных сигналов. Они могут быть разделены на две
основные группы: аналоговые и дискретные. Различие этих двух ме-
тодов обусловлено в основном применяемыми датчиками. Достоин-
ством как аналогового, так и дискретного способа является возмож-
ность размещения показывающего прибора на расстоянии от места
измерения, т. е. дистанционное измерение частоты вращения.
При а н а л о г о в о м методе с датчика скорости снимается вы-
ходной сигнал в виде напряжения или тока, пропорционального
измеряемой скорости вращения. Такие датчики называются тахоге-
нераторами. Любой тахогенератор должен быть жестко связан с
объектом измерения и, как и механические тахометры, приводится
во вращение энергией, потребляемой от объекта измерения. Тахоге-
нераторы вырабатывают непрерывный сигнал, пропорциональный
частоте вращения объекта измерений. Их особое достоинство за-
ключается в том, что в них нет подвижных токонесущих деталей, и
поэтому они работают практически без износа.
При д и с к р е т н о м методе измерения частота вращения опреде-
ляется подсчетом числа импульсов, создаваемых при каждом обо-
роте за единицу времени, или числа единиц времени между двумя
импульсами. Съем данных измерения может осуществляться механи-
чески (в результате срабатывания контактов), но основное преиму-
щество дискретного метода заключается в возможности бесконтакт-
ной передачи данных. Электрические тахометры, взаимодействующие
с объектом измерения без непосредственного контакта с вращаю-
щимся телом, потребляют от объекта незначительное количество
энергии либо работают совсем без затраты энергии объекта. Связь
такого тахометра с объектом измерения осуществляется индукцион-
ным, магнитным или фотоэлектрическим путем. Такие тахометры
пригодны для измерения очень высоких скоростей и на очень малых
объектах. Частота импульсов, снимаемых с этих тахометров, менее
восприимчива к помехам, чем напряжение, пропорциональное ча-
стоте вращения. Тахометры этого типа, как правило, требуют источ-
ник вспомогательной электрической энергии. Между чувствительным
элементом прибора, воспринимающим измеряемую величину, и его
выходным устройством находятся элементы согласования, преобра-
зующие измерительный сигнал в форму, пригодную для дистанцион-
ной передачи измеренной величины. Так как в основу этого метода
измерения положен цифровой принцип, то, как правило, использу-
ются цифровая индикация и обработка данных измерения.
Общим для всех электрических тахометров является возможность
дистанционной передачи результатов измерений и их контроля и
протоколирования совместно с результатами измерения других па-
раметров. Возможно преобразование выходного сигнала в цифровой
код, допускающий дальнейшую обработку в микропроцессорах.
Существует также возможность стробоскопического измерения
частоты вращения. Хотя стробоскопический эффект используется
преимущественно для исследования характера движения вращаю-
щихся тел, однако он может быть использован и для измерения ча-
стоты вращения. В этом случае съем сигнала осуществляется опти-
ческим методом, для чего на вращающуюся деталь наносят светлую
метку. Это мобильный, лишенный обратной реакции на объект спо-
соб измерения.
Точное определение частоты вращения различных механизмов
необходимо во многих областях техники. Так, частота вращения валов
газотурбинных установок является основным параметром при пусках
и остановах газоперекачивающих агрегатов. Рассмотрим несколько
таких устройств более подробно.
В устройстве, показанном на рис. 7.4, а, использован магнитоин-
дукционный преобразователь. Постоянный магнит 2, закрепленный
на валу агрегата 1, и неподвижная катушка 3 образуют датчик часто-
ты вращения 4. Он соединяется с усилителем-формирователем 5
коротким (до 10 м) отрезком термостойкого экранированного про-
вода с наружной изоляцией экрана, а усилитель-формирователь со
вторичным прибором 6 — бронированным многожильным контроль-
ным кабелем. Выходные частотные реле 8, 9 И 10 обеспечивают
формирование дискретных сигналов в систему защиты и управле-
ния при достижении частотой вращения заданных значений уста-
вок. Выносной прибор 7 обеспечивает необходимой информацией
оператора. При вращении вала 1 с магнитом 2 в неподвижной ка-
тушке 3 датчика 4 индуцируется напряжение переменного тока
Uвых1, амплитуда и частота ƒвых которого пропорциональны частоте
вращения вала ω. Форма этого напряжения зависит от формы торце-
вых поверхностей магнита 2, от зазора и параметров катушки 3 и
представляет собой гармонически изменяющееся напряжение с обя-
зательным переходом через 0. При изменении частоты вращения
валов от минимально измеряемой (для ГТУ это 12 об/мин, или 0,2 Гц)
до максимальной амплитуда выходного напряжения может изменяться
от 0,1 до 300 В.
При малых значениях выходною сигнала, изменяющегося в пределах
от 0,1 до 2...3 В и соответствующего небольшим частотам вращения
ГТУ в зоне «0-обороты» и до 400 об/мин, большое влияние на показа-
ния приборов оказывают внешние электростатические наводки, дей-
ствующие на входе прибора 6. Эти наводки, напряжения которых
сравнимы с напряжениями информативного сигнала, могут вызывать
искажения показаний и ложные срабатывания выходных реле, что
приводит к ложным остановкам газоперекачивающего агрегата. Имен-
но для исключения этих явлений в непосредственной близости от дат-
чика 4 устанавливается усилитель-формирователь импульсов 5, который
формирует прямоугольные двухполярные импульсы с постоянной ам-
плитудой (не менее 10 В), не зависящей от амплитуды выходного сиг-
нала датчика 4, и частотой, равной частоте этого сигнала. Промежуточ-
ное преобразование сигнала в прямоугольные импульсы исключает
влияние помех на показания вторичного прибора. Измерение частоты
входных импульсов, соответствующей измеряемой частоте вращения
вала 7, производится по четырех- или пятиразрядному индикатору
вторичного прибора 6. Этот прибор обеспечивает также контроль ис-
правности датчика и линий связи (световая сигнализация неисправ-
ности), ручную регулировку уставок срабатывания частотных реле
8... 10, визуальный контроль настройки уставок, питание постоянным
напряжением усилителя-формирователя импульсов 5 и выход элек-
трического сигнала, пропорционального измеряемой величине, для
дистанционного измерения частоты вращения вала на выносном при-
боре 7.
Поскольку на одном агрегате обычно происходит измерение и
сигнализация не менее двух частот вращения, рассмотренные устрой-
ства выполняются двухканальными и обеспечивают одновременное
измерение двух частот вращения валов ГТУ (на рис. 7.4, а показан
один канал измерения). Питание устройства осуществляется напря-
жением переменного тока 220 В. Погрешность измерения частоты
вращения и срабатывания уставок не превышает 0,2 %.
При использовании магнитоиндукционного преобразователя с
постоянным магнитом за один оборот вала ГТУ формируется только
два разнополярных импульса, частота следования которых пропор-
циональна частоте вращения вала. Это приводит к тому, что при
малых частотах вращения надежное измерение затруднено.
Более достоверные измерения обеспечивают устройства с индук-
тивным преобразователем и зубчатым диском, устанавливаемым на
валу. При использовании зубчатого диска (рис. 7.4, б) за один оборот
вала на выходе преобразователя формируется не два импульса, а
20...40 и более импульсов (в зависимости от числа зубцов диска),
амплитуда которых практически не зависит от частоты вращения вала
с зубчатым диском.
Существуют также устройства для контроля частоты вращения на
базе тахогенератора переменного тока, который представляет собой
двухфазную асинхронную электромашину с полым немагнитным
ротором. На статоре тахогенератора размещаются две сдвинутые на
90° обмотки (возбуждения и генераторная). Обмотка возбуждения
подключается к источнику переменного тока. В генераторной обмот-
ке, являющейся выходной, при вращении ротора наводится ЭДС
вращения, под действием которой на выходе тахогенератора возни-
кает напряжение, амплитуда и частота которого пропорциональны
частоте вращения ротора, а следовательно, и вала: Uвых = ƒ(ω). Эта
функция нелинейная. При изменении направления вращения рото-
ра фаза выходного напряжения изменяется на 180°.
Контрольные вопросы
1. Для чего необходимо контролировать вибрацию различных механиз-
мов?
2. На какие группы подразделяются датчики вибрации в зависимости от
измеряемого параметра?
3. Какие устройства называются проксиметрами?
4. На каком физическом эффекте основана работа оптического преобразо-
вателя виброскорости?
5. Поясните принцип действия пьезоакселерометра.
6. Как называются устройства для измерения частоты вращения?
7. В чем заключается разница между аналоговыми и дискретными электри-
ческими тахометрами?
Гл а в а 8
ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
И СОСТАВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
Управление различными технологическими процессами, в том числе
и трубопроводного транспорта, только по таким параметрам, как давле-
ние, уровень, расход и температура, не гарантирует требуемую эффектив-
ность. Во многих случаях необходим автоматический контроль состава
и физико-химических свойств (плотности, вязкости) перекачиваемых
продуктов. Например, при коммерческом учете необходимо учитывать
влагосодержание и солесодержание нефтепродуктов, для чего узлы учета
имеют в своем составе специальные блоки контроля качества.
Для контроля состава и физико-химических свойств жидкостей и
газов используются автоматические устройства аналитической техники,
являющейся отдельной отраслью измерительной техники. Это связано
со специфической особенностью этих измерений — сильным влияни-
ем на их результаты побочных факторов (температуры, давления, ско-
рости движения вещества, места его отбора на анализ и т. п.). Поэтому
автоматические анализаторы обычно оснащены сложным дополнитель-
ным оборудованием для отбора пробы, подготовки ее к анализу, стаби-
лизации условий измерений или автоматического введения поправки
и т. п. Многообразие анализируемых веществ и широкий диапазон их
составов и свойств обусловили производство автоматических приборов
с чрезвычайно разнообразными методами анализа — плотномеров,
вискозиметров, газоанализаторов, влагомеров, хроматографов и т.д.
Если для измерения таких общетехнических параметров, как давление,
уровень, расход и температура, практически во всех производствах
применяются одни и те же приборы, то анализаторы часто создаются
для специфических задач конкретного производства.
8.1. Контроль состава газа
8.1.1. Виды анализа и анализируемых смесей. Понятие
концентрации
Анализируемые вещества обычно представляют собой смеси различ-
ных компонентов. Эти смеси делятся на бинарные, многокомпонентные
и псевдобинарные. Бинарной называют газовую смесь, состоящую из
двух газов, или жидкость, содержащую один растворенный компонент.
Анализ бинарной смеси возможен при условии, что составляющие ее
компоненты отличаются друг от друга какими-либо физическими или
физико-химическими свойствами. Многокомпонентной называют смесь
из трех и более компонентов. Ее анализ проводят только после предва-
рительного разделения на отдельные компоненты. Псевдобинарной
называют многокомпонентную смесь, в которой неопределяемые ком-
поненты резко отличаются по физическим или физико-химическим
свойствам от определяемого компонента. Анализ такой смеси аналогичен
анализу бинарной смеси. Большинство выпускаемых промышленностью
автоматических анализаторов предназначено для определения состава и
свойств бинарных и псевдобинарных смесей.
Анализ состава бывает качественный и количественный. Целью
качественного анализа является получение информации о том, какие
компоненты входят в смесь, а количественного, кроме того, — инфор-
мации о количественном содержании каждого компонента, т. е. о его
концентрации. Концентрация — доля какого-либо компонента в сме-
си. Для характеристики концентрации используется отношение коли-
чества определяемого компонента к количеству всей взятой для анали-
за пробы. Она может быть выражена в массовых, объемных долях
(процентах) и молярных долях или единицах массовой (кг/м3, г/м3,
г/см3, г/мл) и молярной концентрации (моль/м3, моль/см3, моль/мл),
т. е. в этом случае концентрация характеризуется содержанием компо-
нента в единице объема. При измерении малых концентраций исполь-
зуются единица млн-1 (ррт), составляющая одну часть на миллион
частей анализируемого газа, или 0,0001 %, и млрд-1 (ppb) — одну часть
на миллиард.
Приборы, используемые для измерения состава, являются факти-
чески средствами измерений значений не концентрации как таковой,
а тех свойств анализируемых сред, которые положены в основу реа-
лизованного в приборе метода измерения. Промышленность выпу-
скает эти приборы либо с условными шкалами (например, разделен-
ными на 100 делений), либо со шкалами, отградуированными в
единицах измеряемой величины. Например, кондуктометрические
анализаторы, в которых в зависимости от концентрации определяе-
мого компонента меняется электропроводность чувствительного
элемента, градуируются в единицах электрического сопротивления
(Ом) или проводимости (См). Для получения информации о составе
анализируемой среды производят их градуировку, т. е. опытным путем
устанавливают зависимость измеряемого прибором параметра от
концентрации.
8.1.2. Общие сведения о газоаналитических приборах
Газоаналитические приборы являются устройствами массового
применения на объектах транспорта нефти и газа. Они используются
для контроля токсичных и взрывоопасных веществ в воздухе произ-
водственных помещений. Прежде чем перейти к рассмотрению кон-
кретных приборов, введем несколько базовых для этой области тер-
минов. Газоанализатор (ГА) — это прибор, предназначенный для
получения информации о значении концентрации измеряемого ком-
понента или суммы компонентов в анализируемой газовой смеси.
ГА, применяемые при контроле и регулировании технологических
процессов, обычно градуируют в единицах объемной доли (для высо-
коточных измерений — в единицах молярной доли). Для контроля
воздушной среды используют ГА, градуированные в единицах массо-
вой концентрации. Нулевой газ — газ, который при прохождении
через ГА не вызывает отклонение указателя показывающего устрой-
ства. Поверочная газовая смесь (ПГС) — смесь нулевого газа с из-
вестным количеством измеряемого компонента, применяемая для
градуировки и поверки ГА. Нижний (верхний) концентрационный
предел взрыва или воспламенения (НКПВ, ВКПВ) — наименьшая
(наибольшая) концентрация горючих и взрывоопасных веществ в воз-
духе, в интервале которых могут произойти воспламенение или взрыв
данной смеси от ее соприкосновения с источником воспламенения.
По исполнению ГА делятся на стационарные и переносные. Ста-
ционарные ГА, являющиеся измерительными приборами, служат для
постоянного контроля опасных концентраций в окружающем воз-
духе или потоке газа. Переносные ГА чаще всего представляют собой
индикаторы, сигнализаторы, детекторы утечки газа и используются
для выявления мест утечек и скоплений газа в колодцах, в месте про-
ведения сварочных работ при ремонте трубопроводов, при обследо-
вании различных установок. По принципу действия ГА могут быть
тепловые, магнитные, оптические, комбинированные и др. Наиболь-
шее распространение на объектах трубопроводного транспорта по-
лучили тепловые и оптические ГА
8.1.3. Тепловые газоанализаторы
В тепловых ГА концентрация определяемого компонента опреде-
ляется по изменению теплопроводности λсм анализируемой газовой
смеси (АГС). Теплопроводность является аддитивным свойством,
поэтому для смеси n компонентов
где λi, Сi — соответственно теплопроводность и объемная концен-
трация каждого компонента.
Если АГС является бинарной или псевдобинарной, то, учитывая,
что сумма концентраций определяемого и неопределяемого компо-
нента равна 1, можно записать
где λок, Сок — теплопроводность и объемная концентрация опреде-
ляемого компонента; λнк — теплопроводность неопределяемого ком-
понента.
Из последнего выражения можно найти искомую концентрацию
Существует два типа тепловых газоанализаторов: термокондукто-
метрические и термохимические.
Принцип действия термокондуктометрического ГА основан на
процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур.
При прохождении АГС через измерительную камеру, в которой на-
ходится нагретый до определенной температуры терморезистор, про-
исходит передача тепловой энергии от этого терморезистора через
слой АГС постоянной толщины к стенкам камеры, температура ко-
торых постоянна. Если количество теплоты, отдаваемой терморези-
стором, постоянно, а теплопередача происходит только за счет тепло-
проводности через слой газа, температура терморезистора, а следователь-
но, его сопротивление будут определяться только теплопроводностью
АГС или, как следует из выражения (8.2), концентрацией определяе-
мого компонента.
ГА представляет собой неуравновешенный мост (рис. 8.1, а), два
плеча которого образованы терморезисторами R2 и R4, помещенны-
ми в измерительные камеры, а два — сравнительными R1 и R3. Из-
мерительная камера (рис. 8.1, 6) представляет собой полый цилиндр,
внутри которого коаксиально расположена платиновая нить (чувстви-
тельный элемент). Диаметр платиновой нити 0,02... 0,05 мм; она на-
тягивается с помощью платиноиридиевых пружинок и закрепляется
в измерительной камере изоляционными втулками. Температура
газовой смеси должна быть постоянной, поэтому датчики термоста-
тируются. Для уменьшения влияния конвекции диаметр измеритель-
ной камеры выполняется как можно меньшим. Сравнительные ка-
меры бывают двух типов: герметизированные и проточные. В качестве
сравнительных смесей в герметизированных камерах используются
газовые смеси либо постоянного состава, либо с добавлением опреде-
ляемого компонента с концентрацией, соответствующей нижнему,
среднему или верхнему пределу измерения анализатора. В проточных
камерах обычно используется АГС, очищенная от определяемого
компонента специальным поглотителем.
Теплота Q, отдаваемая терморезистором в АГС, определяется вы-
Ражением
где I — длина платиновой нити, образующей терморезистор; λсм —
теплопроводность АГС; tH, tc — температура платиновой нити и
стенки камеры соответственно; D,d — диаметры камеры и платино-
вой нити соответственно.
Нагрев платиновой нити до температуры 50... 200 "С осуществля-
ется стабилизированным током I, что обеспечивает постоянство
значения Q. Искомая температура нити tH будет в этом случае равна
где R — сопротивление платиновой нити.
Для градуировки анализатора через него пропускается градуиро-
вочная смесь с известным содержанием определяемого компонента.
Поскольку количество теплоты, отдаваемое чувствительным элемен-
том к стенкам камеры, не меняется, температура нити при анализе
смеси неизвестного состава находится по формуле
где А,гс, Хас — теплопроводности градуировочной и анализируемой
смеси соответственно; tн1, t2 — соответствующие этим смесям тем-
пературы платиновой нити.
Теплопроводность смеси n компонентов находится по формуле
(8.1). Если анализируемая газовая смесь содержит водяные пары,
то при расчетах необходимо учитывать, что водяные пары практиче-
ски полностью конденсируются, изменяя процентное содержание
других компонентов. Теплопроводность смеси в этом случае опреде-
ляется выражением
где п — число компонентов в смеси; λ, С, — теплопроводность и кон-
центрация i-го компонента; CHj0 — концентрация водяных паров.
Если теплопроводности АГС А,см в измерительных камерах и вспо-
могательного газа λв в сравнительных камерах одинаковы; напряжение
на измерительной диагонали мостовой схемы отсутствует. При из-
менении концентрации определяемого компонента, а значит, и тепло-
проводности АГС условия теплопередачи в измерительных камерах
изменяются, в результате чего на измерительной диагонали появля-
ется напряжение разбаланса U:
где Кх — коэффициент преобразования термокондуктометрического ГА.
Термокондуктометрические ГА используются для измерения кон-
центрации негорючих газов (С02, S02 и др.) в бинарных и псевдоби-
нарных смесях. Их диапазон измерений от 0... 1 до 0... 100 %, класс
точности 2,5... 10 (увеличивается с уменьшением диапазона измере-
ния), время реакции 60... 120 с.
В термохимических ГА, используемых для измерения концентра-
ций горючих газов, используется тепловой эффект химической реак-
ции окисления определяемого компонента АГС на каталитически
активной поверхности платиновой нити, нагретой до температуры