Измерение основных параметров технологических процессов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
Р. Н. Гайнуллин, А. Р. Герке, А. В. Лира 
 
 
ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ 
ПАРАМЕТРОВ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2020 

УДК 658.512.011.56(075) 
ББК 32.965я7

Г14

 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. К. Х. Гильфанов 
канд. техн. наук, доц. С. А. Терентьев 
 

Г14 

Гайнуллин Р. Н.
Измерение основных параметров 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, 2020. – 128 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2930-0

 
Рассмотрены основные теоретические сведения в области измерения 
основных параметров технологических процессов, включая методы проведе-
ния поверок средств измерений. Приведено описание экспериментальных 
установок, изложен порядок проведения лабораторных работ.  
Предназначено для студентов всех форм обучения, обучающихся по специ-
альности 18.05.01 и по направлениям 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, при изучении ими следую-
щих дисциплин: «Управление техническими системами», «Системы управления 
технологическими процессами», «Системы управления технологическими процес-
сами и информационные технологии», «Системы управления химико-технологиче-
скими процессами», «Метрология, сертификация, технические измерения и автома-
тизация тепловых процессов», «Автоматизация и управление технологическими 
процессами», «Автоматизированные системы управления», «Автоматизированные 
системы управления технологическими процессами», «Основы автоматизации тех-
нологических процессов нефтегазового производства», «Технологические измере-
ния и приборы» и «Технические измерения и приборы». 
Подготовлено на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки 
информации. 
 

 

ISBN 978-5-7882-2930-0
© Гайнуллин Р. Н., Герке А. Р., Лира А. В., 2020
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 658.512.011.56(075) 
ББК 32.965я7

С О Д Е Р Ж А Н И Е  
 
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................... 6 

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ .............................................................. 7 

Жидкостные манометры ........................................................................ 9 

Деформационные приборы .................................................................. 11 

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной ............................ 12 

Грузопоршневые манометры ............................................................... 13 

Электрические манометры .................................................................. 15 

Емкостной манометр ............................................................................ 15 

Пьезоэлектрический датчик давления ................................................ 17 

Тензорезисторные и пьезорезистивные датчики давления .............. 18 

Частотно-резонансный датчик давления ............................................ 21 

Интеллектуальные преобразователи давления .................................. 24 

Методы и средства поверки манометров ........................................... 25 

Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ............................. 28 

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ .................... 34 

Требования к материалам для изготовления термоэлектрических 
преобразователей (термопар) .............................................................. 35 

Конструкция термопар ......................................................................... 36 

Виды стандартных термопар и диапазоны измеряемых  
температур ............................................................................................. 37 

Удлиняющие провода .......................................................................... 40 

Способы компенсации изменения температуры холодных спаев 
термопары .............................................................................................. 40 

Схема автоматического введения поправки на температуру 
холодных спаев ..................................................................................... 41 

3

Преобразователи термоэлектрические с унифицированным 
токовым выходным сигналом ............................................................. 42 

Измерительные (вторичные) приборы, применяемые в комплекте 
с термопарами ....................................................................................... 43 

Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра ........ 44 

Потенциометр ....................................................................................... 45 

Достоинства термоэлектрических термометров ............................... 46 

Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ТЕРМОПАРАМИ ................................. 47 

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ............ 53 

Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ...................... 63 

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА .................... 69 

Метод переменного перепада давления ............................................. 69 

Расходомеры постоянного перепада давления .................................. 72 

Тахометрические расходомеры и счетчики ....................................... 75 

Электромагнитные расходомеры ........................................................ 77 

Кориолисовы расходомеры ................................................................. 79 

Вихревые расходомеры ........................................................................ 83 

Акустические (ультразвуковые) расходомеры .................................. 84 

Градуировочная характеристика средств измерения ........................ 87 

Лабораторная работа. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ  
РАСХОДА ................................................................................................. 89 

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ СРЕД ........... 9
Приборы и преобразователи для измерения уровня ......................... 9
Уровнемеры с визуальным отсчетом .................................................. 9
4

Поплавковые и буйковые уровнемеры ............................................... 9Гидростатические уровнемеры ........................................................ 
Электрические уровнемеры ............................................................... 102 

Акустические ультразвуковые уровнемеры .................................... 103 

Радиоизотопные уровнемеры ............................................................ 105 

Радарные (микроволновой радиолокации) уровнемеры ................. 106 

Ротационные датчики уровня ............................................................ 108 

Вибрационные датчики уровня ......................................................... 109 

Лотовые уровнемеры .......................................................................... 110 

Градуировочная характеристика уровнемера .................................. 111 

Лабораторная работа. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ................................ 112 

ЛИТЕРАТУРА .............................................................................. 118 

Приложение ................................................................................... 119 

 

 

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 предприятий народно-хозяйственного 
комплекса контрольно-измерительными приборами, 
средствами автоматизации и регулирования технологических процес-
сов является важным вопросом при организации нового производства. 
С другой стороны, возникает необходимость в подготовке квалифици-
рованных специалистов по обслуживанию и эксплуатации этого обору-
дования.  
На базе научно-образовательного центра института управления, 
автоматизации и информационных технологий и кафедры автоматизи-
рованных систем сбора и обработки информации (АССОИ) совместно 
с компанией «ОВЕН» создана учебная лаборатория, оборудованная со-
временными микропроцессорными измерительными приборами и 
управляющими контроллерами, позволяющими автоматизировать про-
цессы получения и обработки информации, а также управления произ-
водственными химико-технологическими процессами. Лаборатория 
предназначена для проведения теоретических и практических занятий 
со студентами общеинженерных специальностей Казанского нацио-
нального исследовательского технологического университета по дис-
циплинам, связанным с автоматизацией производственных процессов.  
Основной целью изучения данного пособия является получение 
теоретических знаний и практических навыков по определению основ-
ных технологических параметров – давления, температуры, расхода, 
уровня и ознакомление со средствами измерения на основе модельного 
ряда приборов компании «ОВЕН».  
Первичные преобразователи основных технологических пара-
метров являются основными источниками информации для процесса 
управления, а следовательно, понимание принципов функционирова-
ния и преобразования сигналов измерительной информации является 
основополагающим в процессе изучения студентами предмета автома-
тизации производственных процессов. 

6

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 нор-
мальной составляющей силы к площади, на которую действует сила 
(рис. 1).  

 
 
Рис. 1. К определению понятия давления 
 
При равномерном распределении силы давление равно 

. 

Давление является одним из важнейших параметров химико-тех-

нологических процессов. От величины давления зависит протекание 
технологического процесса.  

Различают абсолютное, избыточное, барометрическое (атмо-

сферное) давление и разрежение (вакуум) (рис.2). Абсолютное давле-
ние PА – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. На практике определяется 
как сумма избыточного и барометрического давлений: 

РА = РИ + РБ. 

Избыточное давление РИ представляет собой разность между абсолютным 
давлением PА и барометрическим давлением РБ (т. е. давлением 
воздушного столба земной атмосферы) [1]: 

РИ = РА – РБ. 

Если абсолютное давление ниже барометрического, то в объекте 

имеет место разрежение (вакуум): 

РВ = РБ – РА, 

где PВ – разрежение.  

S
F
P =

7

Рис. 2. Виды давления 

 
Единицы измерения давления и их соотношение приведены 

в табл. 1.  

 

Таблица 1 
Соответствие между единицами давления 

Единицы  
давления 

кгс/м2 или 
мм вод. ст.

кгс/см2 или 
атм. (техническая 

атмосфера)

атм. (физическая 
атмосфера) 


мм рт. ст.
Н/м2

1 кгс/м2 или 
1 мм вод. ст. 
1 
10−4 
0,0968·10−3 
73,556·10−3
9,80665

1 кгс/см2 или 
1 атм. (техническая 
атмосфера) 

104 
1 
0,9678 
735,56 
98066,5

1 атм. (физическая 
атмосфера) 
10332 
1,0332 
1 
760,00 
101 325

1 мм рт. ст. 
13,6 
1,36·10−3 
1, 316·10−3 
1 
133,322

1 Н /м2 
0,102 
10,2·10−6 
10,13·10−6 
7,50·10−3 
1 

абсолютный ноль 

РВ – вакуум 
(разрежение) 

РИ – избыточное 
давление 
РА – абсолютное 
давление 

Р

РА – атмосферное (барометрическое) 
давление 

8

Приборы для измерения давления по виду измеряемого давления 
подразделяются: 
а) на манометры – для измерения абсолютного и избыточного 
давления; 
б) вакуумметры – для измерения разрежения (вакуума); 
в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления и ва-
куума; 
г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений 
(до 40 кПа); 
д) тягомеры – для измерения малых разрежений (до − 40 кПа); 
е) тягонапоромеры – для измерения малых разрежений и малых 
избыточных давлений; 
ж) дифференциальные манометры – для измерения разности дав-
лений; 
з) барометры – для измерения атмосферного давления. 
По принципу действия приборы для измерения давления делятся: 
а) на жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого 
давления гидростатическим давлением столба жидкости; 
б) деформационные (пружинные), измеряющие давление по ве-
личине деформации различных упругих элементов или по развиваемой 
ими силе; 
в) грузопоршневые манометры, основанные на создании измеря-
емого давления калиброванными грузами, действующими на поршень, 
свободно перемещающийся в цилиндре; 
г) электрические, основанные либо на преобразовании давления 
в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электри-
ческих 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 прибо-
ров для измерения давления. Переносной U-образный манометр, пред-
ставляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку 1, по-
казан на рис. 3. Трубка закреплена на панели 2 со шкалой 3, 

9

расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью (спир-
том, водой, ртутью). Один конец трубки соединен с полостью, в кото-
рой измеряется давление, другой конец трубки сообщается с атмосфе-
рой.  

 

 

 
Рис. 3. U-образный манометр 
 

Под действием измеряемого давления жидкость в трубке переме-

щается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление 
не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в от-
крытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, 
ниже атмосферного, то жидкость в коленах переместится в обратном 
направлении и высота ее столба будет соответствовать вакууму. При-
соединив оба колена трубки к полостям с различными давлениями Р1 и 
Р2, можно определить разность давлений. Манометр заполняют жидко-
стью до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба 

10

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): 
1) приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружинные 
(рис. 4а – одновитковые, рис. 4б – многовитковые); 
2) мембранные приборы, у которых упругим элементом служит 
мембрана (рис. 4в), анероидная или мембранная коробка (рис. 4г, д), 
блок анероидных или мембранных коробок (рис. 4е, ж); 
3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 4з); 
4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) 
(рис.4к); 
5) пружинно-сильфонные (рис. 4и). 
 
 

 
 
Рис. 4. Виды упругих чувствительных элементов 
 
 

11

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной 

 

Приборы с одновитковой трубчатой пружиной (манометры, ва-
куумметры, мановакууметры и дифманометры) наиболее распространены. 
Действие пружинных приборов основано на измерении величины 
деформации одновитковой полой пружины различного вида. Эта 
деформация преобразуется передаточными механизмами того или 
иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале 
прибора. 
Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной – 
согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального 
сечения (рис. 5). Одним концом трубка 1 заделана в держатель 2, 
оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в 
которой измеряется давление. Другой свободный конец трубки запаян. 
Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью 
трубки (рис. 5).  
Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, 
то кривизна трубки уменьшится и она распрямляется. При создании 
разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка 
скручивается. Деформация трубки объясняется тем, что на внутреннюю 
поверхность трубки радиусами r и R давление создает разные усилия 
за счет того, что площадь поверхности по радиусу r меньше, чем 
площадь по радиусу R (рис. 5). 
 

 
 
Рис. 5. Схема трубчатой пружины (а) и ее эллиптическое (б), 
плоскоовальное (в) поперечные сечения:1 – трубка; 2 – держатель 

12

В результате подачи давления через держатель 2 (рис. 6) в мано-
метрическую трубчатую пружину 1 и при изменении кривизны трубки 
ее запаянный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, 
при этом он воздействует на передаточный механизм 3, который пово-
рачивает зубчатое колесо 5 со стрелкой 4.  
 

 
Рис. 6. Конструктивное исполнение манометра 
 с одновитковой трубчатой пружиной: 
1 – трубчатая пружина; 2 – зубчатый сектор; 3 – зубчатое колесо; 
4 – отсчетное устройство (стрелка и шкала) 

Г р у з о п о р ш н е в ы е  м а н о м е т р ы  

Грузопоршневые манометры применяются в основном для граду-
ировки и поверки средств измерений давления, так как они обладают 
высокой точностью воспроизведения давления и широким диапазоном 
измерений – от 0,098 до 980МН/м2 (от 1 до 10 000 кгс/см2). Принцип 
действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании 
измеряемого давления силой веса положенных на поршень грузов. 

13