Вы здесь

Измерения неэлектрических величин

В инкубаториях основными технологическими параметрами являются температура и относительная влажность воздуха.

Температуру в инкубаторах измеряют ртутными термометрами, относительную влажность — ртутными или спиртовыми психрометрами. В табл.3 приведены характеристики инкубаторных термометров и психрометров.



Важным параметром, характеризующим воздушную среду в инкубаториях наряду с температурой, является влажность.

Воздушная среда характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютной влажностью называется весовое количество пара в 1 м3 газа. Относительной влажностью, измеряемой в процентах, называют отношение массы пара в 1 м3 газовой смеси к максимально возможной массе водяного пара в 1 м3 при той же температуре, т. е. при насыщении. Относительная влажность воздуха повышается при понижении его температуры. Если содержание пара в воздухе незначительно и пар ненасыщающий, то при понижении температуры воздуха тот же пар может стать насыщающим.

Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщающим, называется точкой росы воздуха данной влажности. Понижение температуры ниже точки росы влечет за собой, конденсацию пара.

Обычно приборы и схемы автоматики предназначаются для контроля и регулирования относительной влажности. Из большого числа возможных методов измерения относительной влажности рассмотрим психрометрический, точки росы и гигрометрический.

Психрометрический метод измерения относительной влажности основан на определении разности показаний сухого и влажного термометров. Показания влажного постоянно увлажняемого термометра всегда ниже показаний сухого вследствие охлаждения поверхности чувствительной части термометра за счет испарения, которое тем больше, чем суше окружающий воздух: Ψ = Θс - Θв , где  Ψ - психометрическая разность, Θс - показание сухого термометра, Θв -  показание влажного термометра. 

Для определения относительной влажности пользуются психрометрическими таблицами, составленными для различных скоростей воздуха, обтекающего термометр. В табл. 4 приведена относительная влажность воздуха в зависимости от показаний сухого и влажного термометров.


На рис.79 представлен общий вид комнатного психрометра Августа. Как видно из рисунка, левый термометр 1- сухой, а термометр 2 - влажный, так как его баллончик  с ртутью обернут тканью, конец которой опущен в сосуд с водой. За счет испарения воды показания влажного термометра всегда будут ниже.

рис.79. Психрометр Августа

Более точное определение относительной влажности воздуха обеспечивает аспирационный психрометр Ассмана, который снабжен специальным вентилятором, вращающимся под действием предварительно заведенной пружины. Вентилятор обеспечивает постоянную скорость воздуха, обтекающего термометры. Для психрометров этого типа существуют свои психрометрические таблицы.

Метод точки росы заключается в определении температуры, при которой водяной пар, находящийся в воздухе, достигает состояния насыщения. Регулирование относительной влажности по температуре точки росы применяется в схемах автоматизации установок кондиционирования воздуха.

Гидрометрический метод основан на изменении физических свойств тела (например, длины), находящегося под воздействием влажного воздуха.

Примером прибора, работающего по гигрометрическому методу, может быть волосной гигрометр.

Инкубационные термометры и психрометры перед началом сезона инкубации должны быть проверены Комитетом стандартов, мер и измерительных приборов.

Перед началом эксплуатации термометров необходимо сделать внешний осмотр прибора и обратить при этом внимание на целостность капиллярной трубки, отсутствие разрывов термостатической жидкости, возможность смещения капиллярной трубки относительно шкалы.

Некоторые неисправности этих приборов в течение сезона инкубации могут быть устранены на месте.

При наладке и испытаниях инкубаторов возникает необходимость дистанционного измерения температуры и относительной влажности воздуха без нарушения инкубационного режима в большом количестве точек по объему камеры. В некоторых случаях измеряют температуру на поверхности и внутри инкубируемого яйца. Для этих целей применять обычные термометры невозможно из-за их громоздкости, больших габаритов, хрупкости и значительной инерционности и др. В связи с этим для указанных выше целей применяют электрические приборы для измерения температуры.

Для измерения электрическими приборами неэлектрических величин (температуры, влажности и др.) применяют устройства, предназначенные для преобразования измеряемой неэлектрической величины в функциально связанную с ней электрическую (ток, напряжение). Такие устройства называются преобразователями или датчиками.

В измерительных приборах неэлектрических величин используется свойство металлов и полупроводниковых материалов изменять сопротивление в зависимости от температуры — терморезисторы (рис.80)

рис.80. Устройство терморезистора.

и термисторы, влажности (гигристоры), освещенности (фоторезисторы) и т. п.

Для измерений температуры в инкубации широко используют термометры сопротивления.

Термометр сопротивления представляет собой датчик температуры, работа которого основана на свойстве металлов (в металлических термометрах сопротивления) или полупроводников (в термисторах) изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Чувствительные элементы таких проволочных термометров чаще всего изготовляют из платины и меди. В связи с этим термометры соответственно обозначают ТСП и ТСМ.

Изолированная платиновая или медная проволока наматывается на каркас. Диаметр каркаса в зависимости от типа термометра может быть от 60 до 100 мм. Каркас с чувствительным элементом  помещен в защитный кожух, выполняемый, как правило, из нержавеющей стали. Провода от чувствительного элемента заключены в керамические бусы и подсоединяются к зажимам головки термометра. К линии связи термометр подсоединяют через сальниковое уплотнение. На технологическом оборудовании термометр вставляют в гнездо и укрепляют штуцером.

Для снижения погрешности измерений, вызываемой изменением сопротивления проводов, соединяющих термометр сопротивления с измерительным прибором, начальное сопротивление термометра выбирают обычно не ниже 40 Ом; исключение составляют термометры градуировки 20, у которых начальное сопротивление принято 10 Ом. Однако значительное увеличение начального сопротивления нежелательно, так как при этом приходится резко уменьшать диаметр проволоки, что приводит к снижению механической прочности термометра сопротивления. Ввиду этого начальное сопротивление применяется не более 100 Ом.

Термометр сопротивления для непосредственного отсчета температуры или подачи соответствующего импульса сам по себе служить не может. Для преобразования изменения сопротивления термометра под влиянием изменения температуры используют специальные схемы уравновешенных и неуравновешенных мостов и логометров. В этих устройствах изменения сопротивления преобразуются в соответствующие изменения тока, используемые для выдачи команд в измерительную систему или в систему автоматического управления.

Агрофизическим институтом разработаны инкубаторные регистрирующие приборы — термометры ИРТ, предназначенные для измерения и регистрации температуры воздуха в инкубаторе, на поверхности и внутри яйца. Датчики температуры — полупроводниковые МТ-54. Их конструкция позволяет стерилизовать датчик перед введением его в яйцо.

Измерения выполняют с помощью базового прибора ЭПП со специальным добавочным измерительным мостом. Пределы измерения температуры 30—45° С. Точность измерения 0,2° С.

Дистанционные измерения температуры на поверхности яиц в процессе инкубации можно проводить с помощью показывающих приборов ЭТМ и ЭТРМ.

Для измерений с высокой точностью в указанных приборах применяют мостовые схемы. Электрическим мостом называется схема, изображенная на рис. 81.

рис.81. Схема элетрического моста.

Здесь резисторы R1 R2, R3 и R4 являются плечами моста. Измерительный прибор G включается в диагональ моста ab. Источник питания включается в другую диагональ cd.

Если в данной схеме выполнено условие R1•R3=R2•R4, т. е. если произведения сопротивлений противоположных плеч моста равны, то измерительный прибор G покажет 0. Такое состояние называется равновесием моста. При нарушении равенства произведений стрелка прибора G отклоняется от нулевого значения. Чтобы возвратить мост в равновесное состояние, нужно снова добиться выполнения равенства R1•R3 = R2•R4.

Работа уравновешенного моста основана на методе нулевых измерений, который заключается в том, что, изменяя сопротивление R3  (рис.82,а),

рис.82. Схема уравновешенного (а) и неуравновешенного (б) мостов.

можно добиться равенства потенциалов точек а и b и, следовательно, отсутствия тока в диагонали моста, измеряемого прибором G. В качестве прибора G обычно применяют миллиамперметр с нулем посередине шкалы.

При отсутствии тока в диагонали моста справедлива зависимость. Из этой зависимости следует Rt=R1R3/R2.

Из приведенного выражения видно, что изменение сопротивления терморезистора Rt компенсируется соответствующим изменением переменного сопротивления R3. При изменении сопротивления Rt необходимо перемещать ползунок переменного сопротивления R3 до тех пор, пока стрелка миллиамперметра (индикатора) не остановится на нуле. Следовательно, если у резистора расположить шкалу, отградуированную в градусах, то по положению ползунка можно непосредственно отсчитывать температуру. Основное достоинство такого метода измерения температуры — его высокая точность. Однако измерение представляет собой довольно трудоемкую операцию, так как при каждом измерении необходимо производить уравновешивание моста.

Наряду с уравновешенными мостами для измерения температуры широко применяют неуравновешенные мосты. Резисторы этого моста подбирают таким образом, чтобы при начальной температуре мост находился в равновесии, т. е. стрелка индикатора (миллиамперметра) стояла на нуле. При изменении температуры и соответствено сопротивления Rд равновесие моста нарушится и стрелка миллиамперметра отклонится. Если шкалу миллиамперметра проградуировать в градусах, то стрелка прибора будет показывать величину измеряемой температуры. Недостаток этого моста состоит в том, что показания миллиамперметра зависят от величины напряжения источника Е. Для проверки величины напряжения, которое должно быть постоянным, применяют эталонный резистор R1, который подключается вместо термометра сопротивления при помощи переключателя П. Так как при этом все сопротивления моста становятся постоянными, то, изменяя значение резистора R5, можно довести значение тока до первоначального значения, отмеченного на миллиамперметре специальной чертой. Необходимость такой подрегулировки создает неудобства в использовании этого моста.

Прибором, свободным от недостатков уравновешенного и неуравновешенного моста, является логометр. Принцип действия логометра основан на взаимодействии магнитных полей двух скрещенных рамок подвижной системы с полем постоянного магнита. Рамки располагаются таким образом, что их вращающие моменты M1 и М2 направлены навстречу друг другу. Подвижная система поворачивается в ту сторону, куда направлен больший момент. Такое устройство обеспечивает нормальную работу прибора при колебаниях напряжения до ±20%.

Измерительная схема с использованием логометра состоит из двух плеч — левого и правого. Левое плечо состоит из сопротивления рамки R1 и дополнительного резистора Rz, правое — из сопротивления рамки R2, сопротивлений дополнительного и термометра R с соединительными проводами 1 и 2. При равенстве сопротивлений в плечах токи в них равны, а следовательно, вращающие моменты M1 и М2 тоже равны, подвижная система находится в равновесии. Изменение сопротивления датчика Rn приводит к изменению тока в правом плече и, следовательно, момента М2. Так как вращающие моменты зависят не только от значений токов, протекающих через рамки, но и от взаимодействия поля постоянного магнита и поля, образованного током, то изменение положения рамки по отношению к постоянному магниту повлечет за собой и изменение момента Следовательно, при изменении тока, повлекшего за собой изменение момента М2, подвижная часть прибора будет поворачиваться до тех пор, пока моменты не уравняются и не наступит новое состояние равновесия. Отсюда следует, что угол поворота рамок пропорционален изменению сопротивления R, т. е. измеряемой температуре.

Для компенсации изменения сопротивления соединительных проводов при изменениях температуры окружающей среды прокладывается третий провод и источник питания подключается к точке В, как показано на рис. 83 штриховой линией.

рис.83. Схема логометра.

При такой схеме, называемой трехпроводной, сопротивления проводов 1 и 2 оказываются включенными в различные плечи измерительной схемы и изменения сопротивлений этих проводов, вызванные внешними условиями, взаимно компенсируются. Трехпроводная схема подключения термометра сопротивления к измерительному устройству применяется как для логометров, так и для мостов.

Поскольку показания приборов зависят от сопротивления соединительных проводов, то значение этого сопротивления должно быть строго определенным; оно всегда указывается на приборе. Для подгонки этой величины служат специальные катушки дополнительных резисторов, включаемых последовательно в цепь соединительных проводов при монтаже. При помощи мостов и логометров можно осуществлять дистанционные измерения температуры на значительных расстояниях.



Дистанционные измерения относительной влажности можно выполнять с помощью многоточечных автоматических приборов для измерения температуры, увлажняя один или несколько датчиков. Значения относительной влажности при этом определяют по психрометрической таблице.

Промышленность выпускает специальные приборы для дистанционного измерения относительной влажности воздуха (влагомеры) в одной или нескольких точках.

Для непрерывного измерения, записи и регулирования относительной влажности воздуха и других газов применяют электронные психрометры. Электронный психрометр типа ПЭ состоит из датчика, вытяжного устройства, бачка и электронного моста. Датчик представляет собой устройство, состоящее из двух платиновых термометров, на один из которых надет специальный чулок, смачиваемый водой из резервуара. Оба термометра размещаются в каналах, через которые с помощью вытяжного устройства протягивается газ, влажность которого измеряется. Вода в резервуаре пополняется из герметического бачка. В качестве вторичного прибора служит электронный автоматический мост.

Измерительная схема прибора имеет два моста I и II, в которых плечи R1 и R3 являются общими. В один мост включен сухой термометр RTC, в другой — влажный RTB. Разность потенциалов между точками Лий пропорциональна температуре сухого термометра, а между точками А и С — влажного. В диагональ первого моста включен реохорд Rv. Причем разность потенциалов точки С и ползунка реохорда зависит от психрометрической разности.

Разность потенциалов усиливает усилитель У, к выходу которого подключен реверсивный электродвигатель РД, управляющий движком реохорда Rv, с помощью которого восстанавливается равновесие моста. В зависимости от назначения вторичный прибор может быть записывающим или иметь специальное устройство для регулирования — электрическое или пневматическое.

Для непрерывного контроля относительной влажности в помещении инкубатория удобно использовать гигрографы волосные с суточным или недельным заводом типов МВ-11н или МВ-11с. Для ориентировочных замеров можно применять гигрометры волосные типа МВК или баротермогигрометры типа БМ-1.

Для измерения скорости воздушного потока применяют пневмометрические трубки, а также крыльчатые и электрические анемометры.

С помощью пневмометрических трубок измеряют динамический напор воздушного потока, а значение скорости V вычисляют по формуле:

  где g-ускорение свободного падения, g=9,81 м/с; γ -удельный вес воздуха, кг/м3 ; Pдин -динамичекий напор воздушной струи, кг/м2 .

При замерах динамического давления используют обычно микрометрические манометры с наклонной измерительной трубкой (типа Креля, ЦАГИ, ММН) с пределами измерений от 1 до 200 мм вод. ст.

В процессе обслуживания инкубаторов применяют приборы для газоанализа и определения запыленности.

Простейший способ химического анализа воздуха на содержание углекислого газа — индикаторный экспресс-метод, основанный на обесцвечивании фенолфталеина при пропускании едкого натра через водный раствор проб воздуха.

Концентрацию углекислого газа в исследуемом воздухе рассчитывают по отношению к концентрации его в наружном воздухе по формуле х=0,79 n1 / n2 , где х- содержание углекислого газа в исследуемом воздухе, мг/л. n1 - число сжатий груши при отборе проб наружного воздуха; n2 - число сжатий груши при отборе проб исследуемого воздуха.

Этот метод может быть использован для ориентировочного определения концентрации углекислого газа, так как ошибки, вызываемые разницей температуры воздуха в помещении и снаружи, могут достигать больших значений, особенно в зимнее время.

Химический анализ воздуха на содержание углекислого газа или кислорода может быть произведен химическим переносным газоанализатором ГХП-2. Одновременный анализ на содержание этих газов в воздухе выполняют газоанализаторами ГХП-3 и ГВВ-2.

Промышленность выпускает оптико-акустические газоанализаторы непрерывного действия серии OA, предназначенные для измерения объемной концентрации углекислого газа. Верхний предел измерений концентраций в приборах ОА2109, ОА2209м, ОА2309-- 1, 2, 5, 10, 30, 50 и 100%, а для прибора OA5501 — 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5%. Нормальный расход воздуха через прибор 0,5±0,2 л/мин. Погрешность показаний прибора +2,5% верхнего предела.

Прибор непрерывно записывает показания на диаграммную ленту; питается от сети переменного тока 127 В.

Оптико-акустический метод анализа газов основан на измерении степени поглощения газом инфракрасных лучей. Этот метод основывается на следующих физических явлениях. Если газ, способный поглощать инфракрасные лучи, заключить в замкнутый объем и подвергнуть воздействию потока инфракрасной радиации, то за некоторый промежуток времени газ нагреется до определенной температуры, определяемой условиями теплоотдачи. Одновременно соответственно повышается давление газа. Когда поток радиации прерывается с известной частотой при помощи обтюратора, газ в замкнутом объеме периодически нагревается и охлаждается — возникают колебания температуры и давления газа, которые могут быть восприняты чувствительным элементом газоанализатора.

Простейший оптико-акустический газоанализатор (рис.85)

рис.85. Схема простейшего оптико-акустического газоанализатора.

состоит из источника инфракрасной радиации , обтюратора  и двух камер и, расположенных одна под другой. Через верхнюю камеру  (рабочую) с окнами из материала, пропускающего инфракрасные лучи, непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, содержащая определяемый компонент.

Вторая камера (измерительная), вход которой также закрыт окном, пропускающим инфракрасные лучи, герметична и заполнена  газом, подлежащим определению, например СО2. В измерительной камере установлен микрофон, воспринимающий колебания давления, возникающие при поглощении газом прерывистого потока инфракрасных лучей.

Если через рабочую камеру проходит анализируемая газовая смесь, не содержащая определяемого компонента, то в измерительную камеру поступает полный не ослабленный поглощением поток прерывистой инфракрасной радиации. Если же анализируемая смесь содержит определяемый компонент, то в измерительную камеру поступает ослабленный поток радиации. В результате этого амплитуда колебаний давления газа в измерительной камере уменьшится пропорционально концентрации определяемого компонента. Колебания давления газа, воспринимаемые микрофоном, преобразуются в электрический сигнал, усиливающийся усилителем и подающийся на измерительный прибор газоанализатора, показания которого, таким образом, служат мерой концентрации определяемого компонента.

Однако описанная упрощенная схема не может быть принята в качестве рабочей схемы оптико-акустического анализатора, так как малый сигнал, вызванный изменением концентраций поглощающего газа, не может быть обнаружен с достаточной точностью на фоне большого неизмеряемрго (первоначального) сигнала.

Требуемая точность измерения достигается применением дифференциальной (двухканальной) схемы. В этой схеме два источника инфракрасных лучей излучают потоки радиации в два оптических канала: рабочий и сравнительный. Оба потока прерываются обтюратором с определенной частотой и одновременным перекрытием обоих каналов.

В первом канале поток прерывистой инфракрасной радиации проходит через рабочую камеру и поступает в правый лучеприем-ный цилиндр измерительной камеры — лучеприемник. В левом, сравнительном, канале поток прерывистой радиации проходит через сравнительную камеру, после чего поступает в левый лучеприемник той же измерительной камеры. Окна всех камер изготовляют из материала, пропускающего инфракрасные лучи в необходимом диапазоне длин волн.

При наличии определенного компонента в анализируемой газовой смеси, непрерывно протекающей через рабочую камеру, происходит ослабление потока радиации за счет поглощения соответствующей части спектра определяемым компонентом.

В герметичной сравнительной камере, заполненной нейтральным газом (азотом), поглощения радиации не происходит. Следовательно, при поступлении прерывистой радиации в правый и левый цилиндры лучеприемника возникают колебания температуры и давления. При этом амплитуда колебаний в правой части лучеприемника оказывается меньше, чем в левой, за счет поглощения части радиации, соответствующей концентрации и спектру поглощения определяемого компонента.

Лучеприемник заполнен газом, подлежащим определению, что обеспечивает селективность анализа, так как в объеме лучеприемника могут возникнуть колебания температуры и давления газа только за счет поглощения инфракрасной радиации, соответствующей спектру поглощения определяемого компонента.

В средней части лучеприемннка установлен конденсаторный микрофон, представляющий собой конденсатор, емкость которого может изменяться в соответствии с колебаниями мембраны. Мембрана микрофона воспринимает колебания давления как в правой, так и в левой частях лучеприемннка, а амплитуда колебаний мембраны определяется разностью давлений в правой и левой частях лучеприемника. Таким образом, амплитуда колебаний мембраны микрофона зависит от величины поглощения инфракрасной радиации определяемым компонентом в рабочей камере и служит мерой его концентрации.

В качестве измерительной схемы в большинстве оптико-акустических газоанализаторов используют дифференциальную схему с газовой компенсацией (рис.86).

рис.86. Дифференциальная схема оптико-акустического газоанализатора с газовой компенсацией.

Источниками инфракрасной радиации служат два нихромовых излучателя. Потоки радиации, одновременно прерываемые обтюратором с частотой 5Гц, отражаясь от металлически вогнутых зеркал, поступают в два оптических канала.

В правом канале прерывистый поток радиации проходит последовательно фильтровую и рабочую камеры и попадает на поверхность отражающей пластины, которая направляет поток радиации в правый лучеприемный цилиндр лучеприемника. В левом канале поток радиации проходит фильтровую и компенсирующую  камеры и поступает в левый лучеприемный цилиндр.

Фильтровые камеры обоих каналов уменьшают влияние изменения содержания неизмеряемых компонентов, присутствующих в анализируемой газовой смеси, на показания газоанализатора.

Фильтровые камеры заполняются неизмеряемыми компонентами, вследствие чего часть радиации, соответствующая полосам поглощения этих компонентов, поглощается, а часть радиации, соответствующая полосе поглощения измеряемого компонента(показанная на рис.86 стрелками)  проходит через фильтровую камеру без существенного поглощения.

Компенсирующая камера, установленная в сравнительном канале, служит для компенсации поглощения радиации в рабочем канале поглощением радиации определяемым компонентом, которым заполнена компенсирующая камера, а также для изменения направления потока радиации.

Разность переменных давлений, возникающих в лучеприемных цилиндрах под воздействием прерывистых потоков радиации, преобразуется конденсаторным микрофоном в переменное напряжение, усиливаемое усилителем и подаваемое на реверсивный двигатель. Реверсивный электродвигатель, перемещая отражающий поршень, автоматически изменяет длину компенсирующей камеры.

Таким образом, каждому значению концентрации определяемого компонента соответствует определенная длина слоя этого же компонента в компенсационной камере, вследствие чего поглощение радиации в обоих каналах газоанализатора имеет одинаковый спектрально-избирательный характер.

Для регистрации изменяемой концентрации используется реохорд, величина сопротивления которого однозначно связана с длиной компенсирующей камеры. Изменение сопротивления реохорда измеряется самопишущим прибором, шкала которого отградуирована непосредственно в объемных процентах концентрации определяемого компонента.



Дифференциальная измерительная схема с газовой компенсацией значительно снижает величину погрешности газоанализатора, вызываемую изменениями температуры окружающей среды и атмосферного давления, а также обеспечивает возможность получения практически равномерной шкалы прибора.

Некоторые оптико-акустические газоанализаторы работают по дифференциальной оптической схеме с непосредственным отсчетом (рис.87)

рис.87. Измерительная схема оптико-акустического газоанализатора с непосрественным отсчетом.

— без компенсации. Амплитуда колебаний мембраны конденсаторного микрофона зависит от концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси. Колебания мембраны преобразуются микрофоном в переменное напряжение, которое усиливается усилителем, выпрямляется детектором и подается на измерительный прибор.

Для определения запыленности воздуха используют весовой метод, при котором воздух со скоростью не выше 60 л/мин пропускают через пылевой фильтр — гигроскопическую вату, искусственную ткань или специальные фильтры АФИ. Продолжительность забора проб воздуха не менее 5 мин. Концентрацию пыли рассчитывают по формуле: , где n- концентрация пыли в исследуемом воздухе, мг/м3 ; q1 -масса чистого фильтра, мг; q2 -масса фильтра с пылью, мг; ω-скорость отбора пробы, л/мин; t-продолжительность отбора пробы, мин.

Для отбора воздуха применяют аспиратор типа 822, ротационную установку, воздушный насос ВН-2, воздуходувку типа ВЛ-Ц.

Расход воздуха определяют ротаметром, обычно со шкалой от 3 до 20 л/мин, реометром-индикатором Т-2-80 или газовым счетчиком ГК-6 с расходом до 100 л/мин.