Теплотехнические измерения это какие



Глава первая. Основные принципы теплотехнических измерений

1-3. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ И СВОЙСТВ ПРИБОРОВ

Каждый измерительный прибор состоит из ряда частей и узлов и обладает заданными метрологическими свой­ствами.

а) Основные элементы измерительных приборов

Главными узлами измерительного прибора являются измерительное и отсчетное устройства. Первое из них непосредственно осуществляет измерение физической ве­личины при помощи чувствительного элемента и при необ­ходимости усиливает входной сигнал, а второе — пока­зывает, записывает или интегрирует полученное значение.

Измерительное устройство приборов весьма различно и зависит от рода измеряемой величины (давление, температура и т. д.) и принципа действия при­бора (механический, электрический и пр.). В большинстве случаев измерительное устройство состоит из подвижной и неподвижной частей. Перемещение подвижной части происходит под воздействием измеряемой величины на чувствительный элемент прибора.

Отсчетное устройство в зависимости от характера показаний приборов выполняется в виде: шкалы и указателя (показывающие приборы), записываю­щего приспособления и диаграммной бумаги (самопишущие приборы) и счетного устройства (интегрирующие при­боры).

Шкала показывающего прибора состоит из ряда последовательно нанесенных на плоском или профильном (цилиндрическом) циферблате 1 ( 1 Циферблатом называется лицевая сторона прибора, на которой нанесены шкала, условные обозначения и пояснительные надписи. ) отметок (делений), соот­ветствующих числовым значениям измеряемой величины..

Отметки и числа на циферблате называются градуировкой шкалы. Разность значений, соответствующих двум сосед­ним отметкам шкалы, выраженная в единицах измерения, носит название цены деления шкалы.

Показание прибора, характеризующее значение изме­ряемой величины, определяется согласно уравнению (1-1) как число отсчитанных делений, умноженных на цену деления шкалы. В некоторых случаях показание находится умножением отсчета на постоянную прибора, выражаемую в единицах измерения, а также по данным градуировочной характеристики прибора, представляющей зависимость (таблицу или график) отсчета от значения измеряемой величины, или посредством особого расчета.

Рис. 1-1. Шкалы измерительных приборов, а- прямолинейная; б- дуговая; в- круговая.

Начальное и конечное значения шкалы определяют собой диапазон показаний (пределы шкалы) прибора, а допускаемая по шкале по условиям точности область измерения представляет диапазон измерений прибора. В частном случае диапазоны показания и измерения могут быть равны между собой.

Шкала измерительных приборов бывает прямолиней­ной, дуговой и круговой (рис. 1-1). Дуговая шкала имеет центральный угол меньше, а круговая — больше 180°. Кроме того, шкала может быть равномерной и неравно­мерной (рис. 1-2). Равномерная шкала имеет одинаковые расстояния между отметками поэтому более удобна для измерений, чем неравномерная, у которой эти расстояния обычно изменяются по определенному закону (параболе,синусоиде и т. п.). Точность отсчета показаний по равно­мерной шкале выше, чем по неравномерной.

Если шкала прибора начинается с нуля, то она назы­вается односторонней, если отметки расположены по обе стороны от нуля — двусторонней. Иногда измеритель­ные приборы выполняются с безнулевой шкалой, начинаю­щейся не с нуля, а с некоторого значения. Измерение по прибору с безнулевой шкалой точнее, чем с односторонней или двусторонней шкалой, так как она имеет меньшую цену деления. У некоторых измерительных приборов циферблат со шкалой делается вращающимся, а указатель — неподвижным. Приборы с одним диапазоном по­казаний имеют однострочную шкалу, а с многими — двух­строчную, трехстрочную и т. д.

Рис. 1-2. Круговые шкалы приборов, а — равномерная; б — неравномерная.

Указателем (рис. 1-3) у промышленных приборов служит хорошо заметная на расстоянии клиновая или клиновая стержневая стрелка, тогда как более точные приборы снабжаются ножевой стрелкой, конец которой имеет вид лезвия, расположенного нормально к плоскости шкалы.

У жидкостных стеклянных приборов указателем слу­жит видимый уровень (мениск) жидкости в измерительной трубке (рис. 1-4). Если жидкостью является вода или спирт, то из-за хорошей смачиваемости стенок образуется вогнутый мениск и отсчет показаний производится по нижней его границе, а в случае применения ртути — вы­пуклый мениск, позволяющий производить отсчет по верхней его границе.

У некоторых приборов применяется световой указатель отсчета (зайчик), получаемый от специальной лампочки при отражении луча на шкалу от зеркальца, закрепленного на подвижной части измерительного устройства. При измерении вначале отсчитывается целое число делений, пройденных указателем, а затем оценивается на глаз оставшаяся часть деления до указателя. При наличии коле­баний измеряемой величины дела­ется отсчет среднего ее значения.

Для отсчета показаний жидкостных стеклянных при­боров (высоты столба жидкости в трубке) с точностью до десятых долей миллиметра иногда применяется нониус, каждое деление шкалы которого на 0,1 меньше деления основной шкалы.

При отсчете показаний прибора положение глаз наблю­дателя должно быть нормальным к плоскости шкалы, что исключает ошибку от неправильной проекции стрелки или мениска жидкости на шкалу по причине параллакса 1 .( 1 Параллаксом называется относительное смещение видимой части предмета в зависимости от положения глаз наблюдателя.).

Примеры правильного I и неправильных II (заниженное показание) и III (завышенное показание) положений глаз наблюдателя при измерении жидкостным стеклянным прибором показаны на рис. 1 5.

При уменьшения расстоянияния l между шкалой и указателем и угла смещения глаз наблюдателя ошибка от параллакса понижается. Для устранения влияния параллакса в некоторых приборах на циферблате рядом со шкалой помещается узкая полоска зркала (рис. 1-6). Отсчет показаний у этих приборов про­изводится при таком положении глаз наблюдателя, при котором указатель и его изображение в зеркале сов­падают.

В самопишущих приборах обычно применяются бу­мажные диаграммные ленты и диски (рис. 1-7).

Диаграммная лента шириной 100—250 мм и длиной 15—30 м закладывается в прибор в виде рулонаили пакета (при складывающейся ленте).

В большинстве случаев она имеет прямоугольную координатную сетку, по ширине которой отложены значения измеряемой ве­личины, а по длине — значения времени. Скорость дви­жения диаграммной ленты в приборах составляет 20 — 7200 мм/ч.

Диаграммный диск диаметром 250-300 мм имеет полярную координатную сетку в виде концентри­ческих окружностей, соответствующих значениям изме­ряемой величины, и радиальных дуг, отвечающих зна­чениям времени. Частота вращения диаграммного диска — 1 или 2 об/сут

3апись показаний прибора на диаграмме осуществляется непрерывной или точечной линией. Не­прерывная запись производится чаще в одноточечных приборах и выполняется металлическим или пластмассовым пером с запасом чернил.

Ширина линии записи пока­заний не превышает 0,6 мм. Точечная запись применяется в многоточечных приборах с диаграммной лентой и осу­ществляется периодическим (через несколько секунд) прижатием к диаграмме печатающего барабана, нанося­щего на ней точки, совмещенные с цифрами, указывающими порядковый номер места измерения. При вращении барабан касается обоймы с пропитанной краской про­кладкой.

Для перемещения диаграммы служит электрический или механический привод, содержащий встроенный в при­бор синхронный микродвигатель с редуктором 1 ( 1 Синхронные однофазные микродвигатели самопишущих при­боров обеспечивают правильный ход диаграммы во времени при постоянстве частоты, так как число оборотов микродвигателя меня­ется пропорционально частоте сети. Обычно погрешность переме­щения диаграммы за сутки составляет не более 5 мин.) или часо­вой механизм.

Движение диаграммной ленты произво­дится вращающимся ведущим валиком с шипами (пуклев-ками), входящими в пробитые по краям бумаги отверс­тия (перфорацию), а диаграммного диска — вращающейся осью, снабженной для закрепления на ней бумаги особым зажимом. Механический привод диаграммы применяется у приборов, устанавливаемых в пунктах, не имеющих источника электрического питания, а также во взрыво­опасных местах.

Счетное устройство интегрирующих прибо­ров (счетчиков или интеграторов) для отсчета показаний имеет стрелочный, роликовый или стрелочно-роликовый счетный указатель (рис. 1-8). В первом случае указатель содержит ряд круговых шкал, из них одна большая (шкала единиц) и несколько маленьких (шкала десятков, сотен и т. д.) с отношением 1 : 10, стрелки которых связа­ны между собой и с ведущей осью зубчатой передачей. Во втором случае указатель состоит из нескольких роли­ков (десятизубных колес) с нанесенными на ободе цифрами от 0 до 9, одна из которых у каждого ролика видна в окне циферблата. Крайнее справа колесо (колесо единиц) при каждом обороте ведущей оси поворачивается на один вубец. В момент перехода цифры с 9 на 0 это колесо вызы­вает поворот на один зубец смежного с ним колеса (колеса десятков), в окне которого появляется следующая очеред­ная цифра, и т. д. В третьем случае отсчет первой цифры производится по стрелочному указателю, а всех последующих по роликовому.

Приборы имеют конечный предел показаний счетного устройства, по достижении которого они снова начинают счет с нуля.

Измерительный прибор может быть кон­структивно выполнен как одно целое (в общем корпусе) или состоять из нескольких частей (в отдельных корпусах), самостоятельно участвующих в процессе измерения и представляющих собой измерительный комплект.

Прибор, имеющий один корпус, чаще всего является местным, а состоящий из нескольких корпусов — с дистанционной передачей показаний

В обоих случаях прибор связывается с местом измерения при помощи соединитель­ной линии (проводов или трубок), передающей ему зна­чение измеряемой величины.

Большинство измерительных приборов с дистанцион­ной передачей показаний содержит в себе две самостоятель­ные части: первичный измерительный преобразователь (датчик) и вторичный прибор.

Первичный преобразователь, являю­щийся воспринимающей и передающей частью комплекта, снабженный чувствительным элементом, располагается, как правило, в месте измерения и подвергается непосред­ственному воздействию измеряемой величины.

Вторичный прибор, или измеряющая часть, выдает показания измеряемой величины, преобразовывая при помощи измерительного устройства получаемый им .выходной сигнал от первичного преобразователя в соот­ветствующее перемещение отсчетного устройства. Вторич­ный прибор связывается с первичным преобразователем соединительной линией и устанавливается обычно на щите управления агрегата.

Некоторые из вторичных приборов дополнительно снабжаются электроконтактным сигнализирующим уст­ройством, воздействующим на аппаратуру светозвуковой сигнализации при отклонении контролируемой величины за допускаемые пределы.

Приборы с более сложным устройством могут еще иметь промежуточный измерительный преобразователь, включаемый между первичным преобразователем и вторичным прибором и служащий, как правило, для преобразования, усиления и формирования выходного сигнала первичного преобразователя.

Для защиты вторичных приборов и преобразователей от механических повреждений, пыли, влаги и агрессивных газов применяются обыкновенные, пылебрызгозащищенные и взрыеозащищенные корпуса, которые по форме бывают прямоугольные и круглые (рис. 1-9), а по габаритам — полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные. Пря­моугольная форма корпуса промышленных приборов позволяет полнее, чем круглая, использовать площадь щита управления.

Защитные корпуса приборов изготовляются из алюминиевых сплавов, стали, пластмассы или дерева. Передняя сторона корпуса (перед отсчетным устройством) выполняется застекленной, причем усамопишущих при­боров для доступа внутрь (при смене диаграммной бумаги, заполнении пера чернилами и пр.) корпус снабжается застекленной крышкой на петлях, имеющей замок и рукоятку.

Корпуса приборов приспособлены для выступающего или утопленного монтажа (стационарные приборы), а так­же для установки на столе (переносные приборы). Прибо­ры для выступающего монтажа закрепляются на поверхности щитов и стен (рис. 1-10, а), а также на колоннах, кронштейнах, подставках и т. д. Прибо­ры для утопленного монтажа устанавливаются в специаль­ных вырезах в панели щита, из которых наружу выступает лишь передняя часть корпуса (рис. 1-10, б). Корпуса переносных приборов обычно выполняются в виде ящика со съемной крыш­кой, снабженного ручкой.

Для удобства монтажа, обслуживания и ремонта в корпусах некоторых вторич­ных приборов имеется внут­ренний откидной (на петлях) или выдвижной (на роликах или салазках) кронштейн, на котором закрепляются все основные блоки, узлы и детали. При открытой крышке корпуса откидной кронштейн может быть повернут на угол 180°, а выдвижной — полностью выдвинут наружу, чем обеспечивается свободный доступ к внутреннему уст­ройству прибора. С наружной и внутренней стороны кор­пуса приборов окрашиваются в черный или серый цвет.

б) Основные свойства измерительных приборов

В зависимости от назначения, устройства и принципа действия измерительные приборы обладают различными метрологическими свойствами, которые в основном харак­теризуются точностью, чувствительностью, быстродей­ствием и надежностью работы.

Точность измерительного прибора определяется степенью достоверности его показаний, т. е. тем, насколько результаты измерений отличаются от истинных значений измеряемой величины.

Чувствительность прибора выражается от­ношением линейного или углового перемещения указателя (стрелки, пера или уровня жидкости) к изменению изме­ряемой величины, вызвавшему это перемещение. Если обозначить l перемещение указателя прибора и Х — соответствующее изменение измеряемой величины, то чувствительность прибора S может быть определена по формуле

Выражение (1-5) показывает, что чем меньшее откло­нение измеряемой величины -отмечается прибором, тем выше его чувствительность. Как видно, чувствительность обратно ропорциональна цене деления шкалы. Поэтому более высокой чувствительностью обладают приборы со шкалой, имеющей небольшую цену деления.

Быстродействие прибора зависит от его инер­ционности, вызывающей запаздывание показаний. По­следнее характеризует время с момента начала из­менения измеряемой величины до момента показания его прибором. Инерционность приборов в большинстве слу­чаев вызывается тепловыми, механическими и гидравли­ческими факторами. Чем более быстродействующим яв­ляется прибор, тем выше его качество.

Надежность прибора 1 ( 1 ГОСТ 13216-74. Приборы и средства автоматизации ГСП. Надежность.) характеризует его свой­ство сохранять работоспособность в течение заданного времени. Под работоспособностью подразумевается сос­тояние прибора, при котором он может выполнять свои функции в соответствии с установленными для него тех­ническими требованиями. Часто в технической докумен­тации на прибор указывается вероятность безотказной его работы в заданном интервале времени.

Степень влияния на показания приборов неблагоприят­ных внешних условий (температуры, влажности и запы­ленности окружающего воздуха, вибрации и т. п.) также в известной мере определяет их качество. Условия эксплу­атации приборов должны по возможности соответствовать условиям их градуировки

.Обычно установка приборов разрешается в местах, не подверженных вибрации и загрязнению, а также воздействию высокой или низкой температуры и влажности окружающего воздуха.

Нормальная температура окружающего воздуха, при которой приборы должны давать правильные показания, принимается равной 20 °С*.(* ГОСТ 9249-59. Нормальная температура.).

Допускаемые пределы колебания температуры воздуха для большинства приборов составляют 10 — 40 °С, а отно­сительной влажности 30 -80%.

Выбор того или иного типа измерительного прибора производится в зависимости от его свойств и технической характеристики, наличия у него необходимых основных (показание, запись) и дополнительных (интегрирование, сигнализация) устройств, дистанционной передачи пока­заний и рода выходного сигнала. При этом учитываются габариты и масса прибора, а также условия его эксплуата­ции, монтажа и ремонта.

Каждый поставляемый предприятием-изготовителем прибор снабжается паспортом, содержащим основные технические характеристики, а также техническим описа­нием и инструкцией по эксплуатации. В дальнейшем организация, использующая измерительный прибор, за­водит на него карточку (или формуляр), в которой после­довательно отмечаются все изменения состояния прибора, условия его работы, характер производимых ремонтов, поверки и т. п.

Источник

Глава первая. Основные принципы теплотехнических измерений

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

1-1. ЕДИНИЦЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерением называется определение значения физической величины опытным путем с помощью специаль­ных технических средств. Измерение любой физической величины заключается в сравнении ее с другой однородной величиной, условно принятой за единицу. Следовательно, результат измерения U показывает численное соотноше­ние между измеряемой величиной Q и единицей измерения q, т. е. выражается равенством

Согласно уравнению (1-1) величина U находится в об­ратной зависимости от выбранной единицы q . Если для измерения величины Q взять другую, большую или мень­шую единицу q₁ то равенство нримет вид:

Сопоставляя уравнения (1-1) и (1-2), получаем;

Из формулы (1-3) видно, что отношение единиц изме­рения представляет собой множитель для перехода от результата измерения U , выраженного в единице q , к результату U₁, выраженному в единице q₁ численно отличающейся от первой.

Для измерения физических величин служат различные средства измерений, которые подразделяются на меры, предназначенные для вещественного воспроизведения при­нятых единиц физических величин (метр, килограмм, литр и т. п.), и измерительные приборы, предназначенные

для сравнения измеряемых величин с единицами измере­ний и выработки соответствующей измерительной инфор­мации (сигнала) в форме, доступной для наблюдения (манометр, термометр, весы и пр.).

а) Международная система единиц физических вели­чин

До последнего времени в СССР, так же как и в других странах, все еще применяются различные системы единиц физических величин.

Для дальнейшего развития международного научно-технического сотрудничества специальной Международ­ной комиссией была разработана и получила одобрение Международная система единиц, сокращенно обозначае­мая СИ (система интернациональная), единая для при­менения во всех странах мира 1 . ( 1 Международная система единиц (СИ) принята на XI Генераль­ной конференции по мерам и весам в 1960 г. и дополнена на XIV Генеральной конференции в 1971 г.).

Государственным комитетом стандартов Совета Ми­нистров СССР (Госстандарт СССР) система единиц СИ с 1963 г. введена в нашей стране как предпочтительная 2 . ( 2 ГОСТ 9867-61. Международная система единиц. В СССР разра­батывается новый ГОСТ «Единицы физических величин», в котором в основу единиц, служащих для обязательного применения, поло­жены единицы Международной системы. В энергетике на основе проекта этого ГОСТ (редакция 1973 т.) введен в действие с 1 января 1«78 г. отраслевой стандарт ОСТ 34-9-350-77 «Единицы физических величин в энергетике».). Система СИ состоит из основных, дополнительных и про­изводных единиц 3 .( 3 В число производных вошли многие единицы из ранее приме­нявшихся систем.).

Основные единицы системы СИ:

метр (м) — длина, равная 1650763,73 длин волн в ва­кууме излучения, соответствующего переходу между уров­нями 2р₁₀ и 5d₅ атома криптона-86;

килограмм (кг)- масса, равная массе международного прототипа килограмма;

секунда (с) — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверх­тонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;

ампер (А)- сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным провод­никам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2•10 -7 Н на каждый метр длины;

кельвин (К) — термодинамическая температура Кель­вина, единицей которой является 1/273,16 часть термо­динамической температуры тройной точки воды (точка равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами воды);

кандела (кд) — сила света, испускаемого с площади 1/600 000 м 2 сечения полного излучателя, в перпендику­лярном к этому сечению направлении, при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па;

моль (моль)- количество вещества, содержащее столь­ко же молекул (атомов, частиц), сколько атомов содер­жится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг.

В качестве дополнительных единиц при­няты:

радиан (рад) — угол между двумя радиусами окруж­ности, дуга между которыми по длине равна радиуеу. Радиан равен 57°17’44,8″;

стерадиан (ср) — телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на по­верхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

Производные единицы системы СИ содер­жат: механические единицы системы МКС (метр, кило­грамм, секунда), тепловые — системы МКСГ (метр, кило­грамм, секунда, градус), электрические и магнитные- системы МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер), све­товые — системы МСС (метр, секунда, свеча), акустиче­ские — системы МКС и др.

Наравне с единицами системы СИ допускается также использование наиболее распространенных в настоящее время единиц других систем. Кроме того, некоторые системные и внесистемные единицы допускаются к при­менению временно, впредь до их изъятия.

Важнейшие производные единицы системы СИ из числа применяемых в энергетике приведены в табл. 1-1.

Источник