|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ И ТЕПЛОТЕХНИКЕСтр 1 из 5Следующая ⇒
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ _______________________________________________________________________________________________ ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» В Г. СМОЛЕНСКЕ М.Г. БОБЫЛЕВ, В.Ю. МАТРАЕВ ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ И ТЕПЛОТЕХНИКЕ Учебно-практическое пособие Смоленск 2017 УДК 621.1-52 (076.5) Б-72
Утверждено учебно-методическим советом филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске в качестве методических указаний для студентов, обучающихся по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» Подготовлено на кафедре промышленной теплоэнергетики
Рецензент к.т.н., доц. филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске В.С. Ковженкин
ВВЕДЕНИЕ Основное понятие метрологии – измерение. Согласно ГОСТ 16263-70, измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерения играют огромную роль в современном обществе, поскольку определяют пути развития науки и производственных технологий. Причем, для обеспечения научно-технического прогресса, метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, поскольку для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования. Современный уровень развития теплотехнических и теплоэнергетических установок характеризуется интенсификацией технологических процессов, использованием агрегатов большой единичной мощности, которые в теплоэнергетике возросли в десятки раз, а в атомной энергетике – в сотни. В значительной степени выросли скорости протекания технологических процессов. Количество измеряемых параметров на одном агрегате в настоящее время исчисляется тысячами. Надежность средств измерений и информационно-управляющих систем во многом определяет надежность агрегата в целом. Без знания достоверных значений параметров и автоматического контроля за ними нельзя управлять процессом или агрегатом. Не менее важную роль играют измерения при проведении научных исследований и их автоматизации. Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов первого курса бакалавриата по направлению 13.03.01 «Теплотехника и теплоэнергетика» и содержит основные вопросы техники измерений, с которыми приходится сталкиваться учащимся в процессе обучения по данной специальности.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них [1]. Измеряемая физическая величина – ФВ, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи. Значение физической величины – выражение размера ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Истинное значение физической величины – значение ФВ, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Истинное значение ФВ может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений. Для каждого уровня развития измерительной техники мы можем знать только действительное значение ФВ, которое применяется вместо истинного значения ФВ. Действительное значение физической величины – значение ФВ, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной задаче может быть использовано вместо него. За действительное значение ФВ обычно принимают среднее арифметическое из ряда значений величины, полученных при равноточных измерениях, или арифметическое средневзвешенное при неравноточных измерениях. Влияющая физическая величина – ФВ, оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений. Система физических величин – совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют, как функции независимых величин. В настоящее время основной является Международная система единиц физических величин ( СИ, SI ), которая принята в 1960 г. Генеральной конференцией по мерам и весам. По этой системе предусмотрено семь основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела) и две дополнительные (для плоского угла радиан и для телесного угла – стерадиан). Все остальные физические величины могут быть получены как производные основных. В 1995 класс дополнительных единиц в СИ был исключен, а радиан и стерадиан считаются безразмерными производными единицами СИ (имеющими специальные наименования и обозначения), которые могут быть использованы или не использованы в выражениях для других производных единиц СИ (по необходимости). Основные единицы системы СИ по ГОСТ 8.417-2002 приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Основные единицы системы СИ
В качестве эталона единицы длины утвержден метр, который равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.
Таблица 1.2 - Производные единицы системы СИ, имеющие специальное название
Эталон единицы массы – килограмм – представляет собой цилиндр из сплава платины (90) % и иридия (10) %, у которого диаметр и высота примерно одинаковы (около 30 мм). За единицу времени принята секунда, равная 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Эталоном единицы силы тока принят ампер – сила не изменяющегося во времени электрического тока, который, протекая в вакууме по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным один от другого на расстоянии 1 м, создает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия 2·10-7 Н. Единицей термодинамической температуры является кельвин, составляющий 1/273, 16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. За эталон количества вещества принят моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов частиц, сколько атомов содержится в 12 г углерода – 12 (1 моль водорода имеет массу 2 г, 1 моль кислорода – 32 г, а 1 моль воды – 18 г). Эталон единицы силы света – кандела – представляет собой силу света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Плоский угол измеряется в радианах (рад), размерность которого равна m·m-1=1. Радиан является производной единицей. Он равен углу между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. Телесный угол измеряется в стерадианах (ср) с размерностью m2·m-2=1. Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы. Существуют также производные единицы СИ. Производная физическая величина – это ФВ, входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы. Размерность физической величины – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных ФВ в различных степенях и отражающее связь данной ФВ с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1. Система СИ обозначается символами размерностей основных ФВ (табл.1.1) - LMTI θ NJ. В соответствии с международным стандартом ИСО 31/0, размерность величин следует обозначать знаком dim (dimension - размер). В системе СИ размерность величины Х будет: dim Х = L α Mβ Tγ Iδ θ ε NpJq. Степени символов основных величин, в зависимости от связи рассматриваемой производной ФВ с основными, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными. В случае равенства всех степеней символов нулю ФВ является безразмерной. Производные единицы системы СИ, имеющие собственные названия, приведены в таблице 1.2. Единицы физических величин делятся на системные и внесистемные. Системная единица – единица ФВ, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы, являются системными. Внесистемная единица – это единица ФВ, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. Внесистемные единицы по отношению к единицам СИ разделяют на четыре вида: · допускаемые наравне с единицами СИ, например: единица массы – тонна; плоского угла – градус, минута, секунда; объема – литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, приведены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 - Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ
· допускаемые к применению в специальных областях, например: парсек, световой год – единицы длины в астрономии; диоптрия – единица оптической силы в оптике; электрон–вольт – единица энергии в физике и т.д.; · временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: морская миля – в морской навигации; карат – единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями; · изъятые из употребления, например: миллиметр ртутного столба – единица давления (тем не менее, широко применяется и в настоящее время); лошадиная сила – единица мощности и некоторые другие. Различают кратные и дольные единицы ФВ. Кратная единица – это единица ФВ, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Например, единица длины километр равна 103 м, т.е. кратна метру. Дольная единица – единица ФВ, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Например, единица длины миллиметр равна 10-3 м, т.е. является дольной. Приставки для образования кратных и дольных единиц СИ приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц, и их наименований
ИЗМЕРЕНИЯ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ Основным физическим параметром в теплоэнергетике является температура. Для ее измерения, помимо широко распространенных термометров расширения (ртутных и спиртовых), применяются термометры сопротивления и термоэлектрические преобразователи. Термопреобразователи сопротивления (ТПС) относятся к числу наиболее распространенных преобразователей температуры, используемых в целях измерения и регулирования. Термометром сопротивления (ТС) называется комплект для измерения температуры, включающий термопреобразователь, основанный на зависимости электрического сопротивления от температуры, и вторичный прибор, показывающий значение температуры в зависимости от измеряемого сопротивления. Для измерения температуры термопреобразователь сопротивления необходимо погрузить в контролируемую среду и каким-либо прибором измерить его сопротивление. По известной зависимости между сопротивлением термопреобразователя и температурой можно определить значение температуры. Таким образом, простейший комплект термометра сопротивления (рис.7.1) состоит из термопреобразователя сопротивления вторичного прибора (ВП) для измерения сопротивления и соединительной линии (ЛС) между ними. Шкалы вторичных приборов градуируются в градусах Цельсия.
Рисунок 7.1 – Схема термометра сопротивления
Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов, получившие наибольшее распространение, изготавливают обычно из тонкой проволоки в виде намотки на каркас или спирали внутри каркаса. Такое изделие называется чувствительным элементом ТС. Для предохранения от повреждений чувствительный элемент помещают в защитную арматуру. Достоинством металлических ТС является высокая точность измерения температуры (при невысоких температурах выше, чем у термоэлектрических преобразователей). По ГОСТ P50353-92 ТС могут изготавливаться из платины (обозначение ТСП), из меди (обозначение ТСМ) или никеля (обозначение ТСН). Характеристикой ТС является их сопротивление R0, при 0 º С и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α, определяющие погрешность ТПС и класс точности. Наличие в металлах примесей уменьшает температурный коэффициент электросопротивления, поэтому металлы для ТС должны иметь нормированную чистоту. Поскольку ТКС может изменяться с изменением температуры, показателем степени чистоты выбрана величина W 100, равная отношению сопротивлений термопреобразователя при 100 и 0º С. Для ТСП W100 = 1, 385 или 1, 391, для ТСМ W 100= 1, 426 или 1, 428, для ТСН W 100= 1, 617. Класс ТС определяет допускаемые отклонения R0 и W100 от номинальных значений, что, в свою очередь, определяет допускаемую погрешность Δ t преобразования ТС. В таблице 7.1 приведены метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления по ГОСТ Р 8.625-2006 [7].
Таблица 7.1 -Технические данные проволочных термопреобразователей сопротивления
В приборах для измерения температуры нормируется абсолютная погрешность (табл. 5.1). По допускаемым погрешностям ТС подразделяются на четыре класса: АА, А, В, С (табл.7.1). Существует несколько стандартных разновидностей ТС. Номинальной статической характеристикой (НСХ) ТС является зависимость его сопротивления Rt от температуры t: Rt = f (t) (7.1)
Условное обозначение НСХ состоит из двух элементов — цифры, соответствующей значению R 0 и буквы, являющейся первой буквой названия материала (П– платина, М – медь, Н — никель), например, 500П, 100М. В международном обозначении перед значением R0 расположены латинские обозначения материалов Pt, Cu, Ni. HCX термопреобразователей сопротивления записывается в виде: Rt = Wt·R0, (7.2)
где: Rt – сопротивление ТС при температуре t, Ом: Wt– значение отношения сопротивлений при температуре t к сопротивлению при 0 oС (R0). Значения Wt, выбираются из таблиц ГОСТ P8.625-2006. Диапазоны применения ТС различных типов и классов, формулы расчета предельных погрешностей приведены в таблице 7.1. Номинальная статическая характеристика преобразователей в пределах диапазона измерений может быть также задана в виде формулы. В общем виде эта формула, следующая: Rt = R 0 (1+А · t +В · t 2 +С · t 3 ) (7.3) В силу малого вклада слагаемых второй и третьей степени для всех разновидностей ТС можно, при решении задач, применять аналитическое выражение НСХ в виде:
с соответствующими значениями коэффициентов α и R 0. В общем виде чувствительность для термопреобразователя сопротивления определяется выражением: S = dRt / dt. (7.5) По табл. 7.1 погрешность Δ R = S · Δ t. (7.6) При подключении двухпроводного термопреобразователя сопротивления к измерительной установке с помощью двух соединительных проводов их сопротивление входит в состав измеренного сопротивления термопреобразователя и должно быть вычтено из результата измерения. Комплекты термопреобразователей. Платиновые термопреобразователи сопротивления являются основными средствами измерения температур в системах контроля теплоснабжения, где малые разности температур (3…4) º С должны измеряться с погрешностью менее 1%. Обычно для учета теплоты подбираются комплекты из двух платиновых ТС (например, комплект КТПТР), обладающих близкими погрешностями одного знака, это позволяет обеспечивать высокую точность измерения разности температур. В табл. 7.1 приведены пределы допускаемых погрешностей измерения разности температур комплектами платиновых термопреобразователей классов 1 и 2, которые образованы соответственно термопреобразователями классов А и В. Термоэлектрические преобразователи (ТЭП), как и термопреобразователи сопротивления, также являются распространенными средствами преобразования температуры в электрический сигнал, в особенности при измерениях высоких температур. Термоэлектрические термометры (ТЭТ) – это приборы для измерения температуры в диапазоне от -200 до 2200 °С (кратковременно до 2500 °С). Схема ТЭТ аналогична приведенной на рис 7.1, в которой ТПС заменен на ТЭП. Здесь ТЭП – термопара (соединение двух разнородных проводников-электродов), преобразующая измеряемую температуру t в термо-ЭДС Е; ВП – вторичный измерительный прибор, измеряющий термо-ЭДС Е и выдающий показания α.
Шкала вторичного прибора градуируется в значениях температуры, т.е. в градусах Цельсия. Если зависимость α = f(t) линейна, то шкала вторичного прибора равномерная, с постоянной ценой деления. Термопара является первичным измерительным преобразователем термоэлектрического термометра, т.е. его чувствительным элементом. Принцип действия термопары как преобразователя температуры в термо-ЭДС заключается в следующем: если составить цепь из двух разнородных проводников А и В, соединив их концами, то электроны будут покидать проводник с меньшим потенциальным барьером выхода электронов и накапливаться в другом, заряжая его отрицательно (рис. 7.2). В местах соединений (контактах) проводников возникают контактные ЭДС еАВ, положительное направление которых на рис.7.2 указано стрелками (оно противоположно направлению движения электронов). Так как направление контактных ЭДС зависит лишь от физических свойств материалов этой пары проводников, то величина ЭДС тем больше, чем больше температура мест соединений. Поскольку результирующая ЭДС Е равна разности контактных, то при одинаковой температуре t контактов, она равна нулю. Чтобы результирующая ЭДС не была равна нулю, необходимо, чтобы контакты имели разную температуру. Пусть один контакт находится в нагревателе при температуре t, другой –при температуре окружающей среды t0< t, тогда
а результирующая ЭДС будет Здесь E (t, t0) – разность контактных ЭДС при разной температуре контактов. Разность контактных ЭДС – это термо-ЭДС. Пару проводников, создающих термо-ЭДС, называют термопарой, проводники А и В – термоэлектродами, а места их соединений – спаями. Спай, имеющий температуру t, называется горячим (рабочим), а спай, имеющий температуру t0– холодным (свободным). Обычно его температура соответствует температуре окружающей среды. Зависимость В качестве материалов, применяемых для изготовления термоэлектродов, используют как чистые металлы, так и их сплавы. Это медь, железо, платина, платинородий, вольфрамрений, алюмель, хромель, копель, константан и др. В обозначении преобразователей первым указывается положительный электрод (например, у преобразователя ТХК положительный электрод - хромелевый, отрицательный – копелевый). На графических изображениях положительный электрод обозначается тонкой линией, отрицательный – толстой. Зависимость развиваемой термопреобразователем термо-ЭДС от температуры рабочего спая t при нулевой температуре свободных концов t0=0°C, (т.е. Е (t, 0) = f ( t )), называется номинальной статической характеристикой преобразования НСХ.
Таблица 7.2 – Номинальные статические характеристики термоэлектрических преобразователей
В таблице 7.2 приведены номинальные статические характеристики наиболее распространенных термоэлектрических преобразователей (ПП - платинородий-платиновый, ХА – хромель-алюмелевый, ХК – хромель-копелевый) [7]. В таблице в скобках приведены обозначения латинскими буквами по ГОСТ Р 50431 – 92. Коэффициентом преобразования (чувствительностью) термопары называется отношение изменения термо-ЭДС, вызванное изменением темпе-ратуры рабочего конца к значению этого изменения при небольших значениях Δ t: S = Δ Е/Δ t (мВ/град). Для получения численных значений измеряемой температуры к термопреобразователю необходимо подключить показывающий прибор, измеряющий термо-ЭДС термопары (вторичный прибор), шкала которого должна быть исполнена в градусах. Такое соединение называется термоэлектрическим термометром. Чтобы температурная шкала вторичного прибора была равномерной, желательно, чтобы коэффициент преобразования термопары (преобразователя) S не зависел бы от измеряемой температуры t в пределах диапазона измерения, в противном случае возникает необходимость в применении линеаризации. При оценке зависимости S=f(t) температурный интервал Δ t в выражении S=Δ Е/Δ t следует брать возможно малым – теоретически нужно использовать производную S = dЕ/dt. Термо-ЭДС термопары Е (t, t0) зависит от температуры рабочего t и свободных t0 концов термопреобразователя. Поэтому, чтобы градуировать шкалу вторичного прибора в единицах температуры, необходимо задаться каким-то определённым значением t0. Например, для автоматических потенциометров задаются расчётным значением t0=20°С, для милливольтметров – t0= 0°С. Существует общая формула учёта зависимости термо-ЭДС от значения t0: Е (t, t0) = Е(t, 0) – Е (t0, 0) (7.9) т.е. при t0> 0°С термо-ЭДС термопары уменьшается на значение, равное значению термо-ЭДС, которое развивает термопара при температуре рабочих концов t0 и температуре свободных концов 0°С. Таким образом, если при известном значении t0 измерена развиваемая термопарой термо-ЭДС Е (t, t0), то порядок использования номинальной статической характеристики для определения значения t следующий (рис.7.3): - находится значение Е (t0, 0) по нижней штриховой линии; - прибавить к Е(t0, 0) измеренное значение Е (t, t0); - суммарная ордината соответствует Е(t, 0), по которой можно определить t (верхняя штриховая линия).
Рисунок 7.3 – График введения поправки на изменение температуры свободных концов
В структуру термоэлектрического термометра в качестве вторичного прибора могут входить: 1. Магнитоэлектрический милливольтметр, называемый пирометрическим милливольтметром. 2. Потенциометр постоянного тока с ручным или автоматическим уравновешиванием.
Чтобы присоединить к термопаре вторичный прибор, нужно разорвать электрическую цепь термоэлектродов, и ввести третий проводник С (рис.7.4). Местом присоединения третьего проводника С являются свободные концы монтажных проводов термопары. Чтобы их наличие не приводило к возникновению паразитных (влияющих) термо-ЭДС, температура мест присоединения должна быть одинакова и постоянна.
Для выполнения этого условия необходимо отвести свободные концы в такое место, где их удобно термостатировать (поддерживать t0= const). Такое соединение выполняется термоэлектродными проводами, материалы которых для каждого вида термопары строго определены, так как они должны обладать свойством термоидентичности с материалами основных термоэлектродов термопары (иметь такую же градуировочную характеристику в диапазоне возможного изменения температуры свободных концов от 0 до 100 º С). Независимо от вида вторичного прибора для электрической цепи ТЭТ (рис.7.5), содержащей rтп – сопротивление термопары, rл – сопротивление линии связи, rп – входное сопротивление вторичного прибора, уравнение Кирхгофа имеет вид:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2019-10-04; Просмотров: 226; Нарушение авторского права страницы
(7.4)
термопреобразователя выражается в градусах. Она может быть выражена в единицах сопротивления, связанных с 
(7.7)
(7.8)
– градуировочная характеристика термопары. Термо-ЭДС не зависит ни от длины, ни от диаметра термоэлектродов, ни от распределения температуры по их длине. Она зависит только от вида материала термоэлектродов и от разности температур горячего и холодного спаев. Чтобы термо-ЭДС определялась только температурой t, необходимо поддерживать постоянство температуры t0, что связано с определенными трудностями.
(7.10)