Методы и приборы измерения основных параметров химико-технологических процессов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
Р. Н. Гайнуллин, А. Р. Герке, А. В. Лира 
МЕТОДЫ  
И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ  
ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ  
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ 
Учебно-методическое пособие
Казань 
Издательство КНИТУ 
2023 

УДК 66.012.1(075) 
ББК 35.11-7я7 
Г14 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доц. В. В. Плотников 
канд. техн. наук, доц. Б. А. Старостин 
Г14 
Гайнуллин Р. Н. 
Методы и приборы измерения основных параметров химико-технологических процессов : учебно-методическое пособие / Р. Н. Гайнуллин, А. Р. Герке, А. В. Лира; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2023. – 120 с. 
ISBN 978-5-7882-3312-3 
Рассмотрены основные теоретические сведения в области измерения 
основных параметров химико-технологических процессов, включая методы 
проведения поверок средств измерений. Приведены описания экспериментальных установок, изложен порядок проведения лабораторных работ.  
Предназначено для студентов всех форм обучения специальности 18.05.01 
и направлений бакалавриата 09.03.01, 13.03.01, 14.03.01, 15.03.02, 16.03.03, 18.03.01, 
18.03.02, 19.03.01, 19.03.02, 19.03.03, 19.03.04, 20.03.01, 21.03.01, 22.03.01, 27.03.01, 
27.03.03, 27.03.04, 28.03.02.  
Подготовлено на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки информации. 
УДК 66.012.1(075) 
ББК 35.11-7я7 
ISBN 978-5-7882-3312-3 
© Гайнуллин Р. Н., Герке А. Р., Лира А. В., 2023 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2023 
2

С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение.................................................................................................................. 5 
ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ................................................................................... 6 
Жидкостные манометры ................................................................................... 9 
Деформационные приборы 
............................................................................. 10 
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной 
....................................... 11 
Грузопоршневые манометры 
.......................................................................... 13 
Электрические манометры ............................................................................. 14 
Емкостные манометры .................................................................................... 14 
Пьезоэлектрические датчики давления ......................................................... 16 
Тензорезисторные и пьезорезистивные датчики давления 
.......................... 17 
Интеллектуальные преобразователи давления ............................................. 21 
Методы и средства поверки манометров ...................................................... 22 
Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ 
................................ 26 
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ 
.......................................... 31 
Схема измерения температуры с удлиняющими проводами ...................... 32 
Требования к материалам для изготовления термоэлектрических 
преобразователей (термопар) ......................................................................... 33 
Конструкция термопар 
.................................................................................... 34 
Виды стандартных термопар и диапазоны измеряемых температур 
.......... 34 
Способы компенсации изменения температуры холодных спаев 
термопары ........................................................................................................ 37 
Схема автоматического введения поправки на температуру холодных 
спаев 
.................................................................................................................. 38 
Преобразователи термоэлектрические с унифицированным токовым 
выходным сигналом ........................................................................................ 39 
Измерительные (вторичные) приборы, применяемые в комплекте 
с термопарами 
.................................................................................................. 40 
Принцип действия магнитоэлектрических милливольтметров 
................... 40 
Потенциометры ............................................................................................... 41 
Достоинства термоэлектрических термометров 
........................................... 43 
Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
ТЕРМОПАРАМИ......................................................................................... 43 
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 
СОПРОТИВЛЕНИЯ 
............................................................................................. 49 
Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ 
.......................... 58 
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА 
.......................................... 64 
Метод переменного перепада давления ........................................................ 64 
Расходомеры постоянного перепада давления ............................................. 67 
Тахометрические расходомеры и счетчики .................................................. 70 
3 

Электромагнитные расходомеры ................................................................... 72 
Кориолисовы расходомеры ............................................................................ 73 
Вихревые расходомеры 
................................................................................... 77 
Акустические (ультразвуковые) расходомеры ............................................. 78 
Градуировочная характеристика средств измерения ................................... 81 
Лабораторная работа. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ 
РАСХОДА .................................................................................................... 83 
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ СРЕД 
................................. 90 
Приборы и преобразователи для измерения уровня .................................... 90 
Уровнемеры с визуальным отсчетом 
............................................................. 91 
Поплавковые и буйковые уровнемеры .......................................................... 92 
Гидростатические уровнемеры ...................................................................... 93 
Электрические уровнемеры 
............................................................................ 96 
Электрокондуктометрические уровнемеры .................................................. 97 
Акустические ультразвуковые уровнемеры 
.................................................. 98 
Радиоизотопные уровнемеры ....................................................................... 100 
Радарные (микроволновой радиолокации) уровнемеры ............................ 101 
Ротационные датчики уровня 
....................................................................... 103 
Вибрационные датчики уровня .................................................................... 104 
Лотовые уровнемеры..................................................................................... 105 
Градуировочная характеристика уровнемера ............................................. 106 
Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКИХ 
И СЫПУЧИХ СРЕД.................................................................................. 107 
Литература .......................................................................................................... 113 
Приложения ........................................................................................................ 114 
4 

В В Е Д Е Н И Е
В настоящее время предприятия химической, нефтяной, пищевой 
и других отраслей промышленности невозможно представить без широкого использования современных средств автоматизации на всех 
уровнях производства. Поэтому оснащение современных предприятий 
контрольно-измерительными приборами, средствами автоматизации 
и регулирования технологических процессов является важным вопросом при организации нового производства. С другой стороны, возникает необходимость в подготовке квалифицированных специалистов 
по обслуживанию и эксплуатации данного оборудования.  
На базе научно-образовательного центра института управления, 
автоматизации и информационных технологий и кафедры автоматизированных систем сбора и обработки информации (АССОИ) совместно 
с компанией «ОВЕН» создана учебная лаборатория, оборудованная современными 
микропроцессорными 
измерительными 
приборами 
и управляющими контроллерами, позволяющими автоматизировать 
процессы получения и обработки информации, а также управления 
производственными химико-технологическими процессами. Лаборатория предназначена для проведения теоретических и практических занятий со студентами общеинженерных специальностей Казанского национального исследовательского технологического университета по дисциплинам, связанным с автоматизацией производственных процессов.  
Основной целью изучения данного пособия является получение 
теоретических знаний и практических навыков по определению основных технологических параметров – давления, температуры, расхода, 
уровня и ознакомление со средствами измерения на основе модельного 
ряда приборов компании «ОВЕН».  
Первичные преобразователи основных технологических параметров являются основными источниками информации для процесса 
управления, поэтому понимание принципов функционирования и преобразования сигналов измерительной информации является основополагающим в процессе изучения студентами предмета автоматизации 
производственных процессов. 
5 

И З М Е Р Е Н И Е  Д А В Л Е Н И Я
Под давлением в общем случае понимают предел отношения 
нормальной составляющей силы к площади, на которую действует 
сила (рис. 1).  
Рис. 1. К определению понятия давления 
При равномерном распределении силы давление равно 
𝑃=
𝐹
𝑆.
Давление является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. От величины давления зависит протекание 
технологического процесса. 
Различают барометрическое (атмосферное), избыточное, абсолютное давление и разрежение (вакуум) – см. рис. 2. Барометрическое давление РБ создается воздушной оболочкой, окружающей Землю. Избыточное 
давление РИ – давление, превышающее барометрическое и отсчитанное 
относительно него (рис. 2). Абсолютное давление PА – давление, отсчитанное от абсолютного нуля, т. е. полное давление среды. Оно определяется 
как сумма избыточного и барометрического давлений: 
РА = РИ + РБ. 
С другой стороны, избыточное давление РИ представляет собой 
разность между абсолютным давлением PА и барометрическим давлением РБ: 
РИ = РА – РБ. 
6 

Если абсолютное давление ниже барометрического, то в объекте 
имеет место разрежение (вакуум): 
РВ = РБ – РА, 
где PВ – разрежение.  
 
Р 
РИ – избыточное 
давление 
РА – абсолютное 
давление 
РА – атмосферное (барометрическое) давление 
РВ – вакуум 
(разрежение) 
абсолютный ноль 
Рис. 2. Виды давления 
Единицы измерения давления и их соотношение приведены 
в табл. 1.  
 
Таблица 1 
Соответствие между единицами давления 
атм.  
кгс/см2 
или ат. 
(физичемм вод. ст. 
(техничемм рт. ст. 
Па (Н/м2) 
ская атмоили кгс/м2 
Единицы  
давления 
ская атмосфера) 
сфера) 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
1 мм вод. ст. 
или 
1 
10−4 
0,0968·10−3 
73,556·10−3 
9,80665 
1 кгс/м2 
 
7 

Окончание табл. 1 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
1 кгс/см2 
или 
1 ат. (тех104 
1 
0,9678 
735,56 
98066,5 
ническая 
атмосфера) 
1 атм.  
(физиче10332 
1,0332 
1 
760,00 
101 325 
ская атмосфера) 
1 мм рт. ст. 
13,6 
1,36·10−3 
1, 316·10−3 
1 
133,322 
1 Па (Н/м2) 
0,102 
10,2·10−6 
10,13·10−6 
7,50·10−3 
1 
 
Приборы для измерения давления по виду измеряемого давления 
подразделяются: 
– на манометры – для измерения абсолютного и избыточного 
давления; 
– вакуумметры – для измерения разрежения (вакуума); 
– мановакуумметры – для измерения избыточного давления 
и вакуума; 
– напоромеры – для измерения малых избыточных давлений 
(до 40 кПа); 
– тягомеры – для измерения малых разрежений (до −40 кПа); 
– тягонапоромеры – для измерения малых разрежений и малых 
избыточных давлений; 
– дифференциальные манометры – для измерения разности 
давлений; 
– барометры – для измерения атмосферного давления. 
По принципу действия приборы для измерения давления делятся: 
– на жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого 
давления гидростатическим давлением столба жидкости; 
– деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой 
ими силе; 
– грузопоршневые манометры, основанные на создании измеряемого давления калиброванными грузами, действующими на поршень, 
свободно перемещающийся в цилиндре; 
8 

– электрические, основанные либо на преобразовании давления 
в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления. 
Ж и д к о с т н ы е  м а н о м е т р ы  
Жидкостные манометры отличаются простотой конструкции 
и сравнительно высокой точностью измерения. Их широко применяют 
в качестве как переносных (лабораторных), так и технических приборов для измерения давления. Переносной U-образный манометр, представляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку 1, показан на рис. 3. Трубка закреплена на панели 2 со шкалой 3, расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью (спиртом, водой, ртутью). Один конец трубки соединен с полостью, в которой измеряется давление, другой – сообщается с атмосферой. Манометр устанавливают строго вертикально. 
 
Рис. 3. U-образный манометр 
Под действием измеряемого давления жидкость в трубке перемещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление 
не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, 
9 

ниже атмосферного, то жидкость в коленах переместится в обратном 
направлении, и высота ее столба будет соответствовать вакууму. Присоединив оба колена трубки к полостям с различными давлениями Р1 и Р2, 
можно определить разность давлений. Манометр заполняют жидкостью 
до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба жидкости 
необходимо сделать два отсчета (снижение в одном колене и подъем 
в другом) и суммировать их величины, т. е. H = h1 + h2. 
Д е ф о р м а ц и о н н ы е  п р и б о р ы  
По виду упругого чувствительного элемента деформационные 
приборы делятся на следующие группы (рис. 4): 
– манометр с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 4а); 
– мембранный манометр, у которого упругим элементом служит 
мембрана (тонкий круглый диск с кольцевыми гофрами) – рис. 4б;  
– пружинно-мембранный манометр с гибкой мембраной и пружиной, которая увеличивает жесткость мембраны (рис. 4в); 
– анероидная вакуумная коробка, применяемая в барометрах 
(рис. 4г); 
– манометр с сильфоном (гофрированная трубка, один конец которой закрыт, а к другому подводится давление Р) – рис. 4д; 
– пружинно-сильфонный прибор. Пружина увеличивает жесткость сильфона (рис. 4е). 
 
 
а                           б                           в 
Рис. 4. Виды упругих чувствительных элементов  
(см. также с. 11) 
10