Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ХАРЬКОВСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА С.М. Нубарян Контрольно-измерительныеприборы втеплотехническихизмерениях ( Курс лекций для студентов специальности 7.092108 – « Теплогазоснабжение и вентиляция») ХАРЬКОВ – ХНАГХ – 2006 2 Нубарян С.М. Контрольно-измерительныеприборывтеплотехничес- кихизмерениях. Курс лекций. – Харьков: ХНАГХ, 2006 – 283 с. В курсе лекций изложены основные сведения о методах измерения и приборах, предназначенных для контроля основных технологических параметров, используемых при контроле и управлении объектов энергетики и коммунального хозяйства. Данный курс предназначен для студентов специальности 7.092108 ТГВ. Автор выражает благодарнос ть всем сотрудникам кафедры ЭГТС Харьковской национальной академии городского хозяйства, оказавшим техническую помощь при подготовке настоящего издания к печати. Рекомендована кафедрой эксплуатации газовых и тепловых систем протокол №7 от 29.07.06. Рецензент: д-р техн. наук, проф. И.И. Капцов © Нубарян С.М., ХНАГХ, 2006 3 СОДЕРЖАНИЕ стр. Введение ……………………………………………………........................... 6 1. Общие сведения об измерениях и измерительной технике......................... 7 1.1. Основные понятия и определения...................................................... 7 1.2. Виды и методы измерений.................................................................. 10 1.3. Погрешности измерений..................................................................... 11 1.4. Обработка результатов измерений..................................................... 15 1.5. Классы точности средств измерений................................................. 18 1.6. Статические и динамические характерис тики.................................. 21 2. Измерение температур...................................................................................... 28 2.1. Температура и температурные шкалы............................................... 28 2.2. Термометры, работающие на принципах расширения и изменения давления рабочего вещества........................................... 32 2.2.1. Термометры стеклянные жидкостные..................................... 32 2.2.2. Манометрические термометры................................................ 40 2.2.3. Дилатометрические и биметаллические термометры............ 43 2.3. Поверка термометров расширения..................................................... 47 2.4. Термоэлектрический метод измерения температур......................... 52 2.4.1. Теоретические основы термопар............................................. 52 2.4.2. Определение термо-э.д.с. термопар из различных материалов………………………………………………….. 57 2.4.3. Стандартные промышленные термопары............................... 60 2.4.4. Устройство термоэлектрических термометров...................... 62 2.5. Измерительные приборы, применяемые с термопарами................. 68 2.5.1. Милливольтметры..................................................................... 69 2.5.2. Компенсационный метод измерения термо-э.д.с................... 73 2.5.3. Автоматические потенциометры............................................. 76 2.6. Электрические термометры сопротивления...................................... 80 2.6.1. Основные сведения................................................................... 80 4 2.6.2. Материалы, используемые в термометрах сопротивления 81 2.6.3. Устройство металлических термометров сопротивления..... 87 2.7. Приборы, применяемые с термометрами сопротивления................ 91 2.7.1. Компенсационный метод измерения сопротивления............ 91 2.7.2. Уравновешенные мосты........................................................... 93 2.7.3. Неуравновешенные мосты........................................................ 96 2.7.4. Логометры…………………………………………………….. 98 2.7.5. Автоматические уравновешенные мосты............................... 101 2.8. Методика контактного измерения температуры............................. 104 3. Измерение давления и его перепадов.............................................................. 118 3.1. Общие сведения и единицы измерения давления............................. 118 3.2. Классификация средств измерения давления................................... 123 3.3. Жидкостные приборы давления......................................................... 127 3.3.1. Манометры U- образные и чашечные..................................... 127 3.3.2. Барометры ртутные.................................................................. 134 3.4. Приборы давления с упругими чувствительными элементами...... 136 3.4.1. Упругие чувствительные элементы......................................... 140 3.4.2. Приборы давления прямого действия..................................... 147 3.4.3. Электроконтактные приборы давления.................................. 154 3.4.4. Приборы давления с преобразователями................................ 157 3.4.5. Приборы давления электрические........................................... 162 3.5. Грузопоршневые манометры.............................................................. 170 3.6. Дифференциальные манометры......................................................... 173 3.6.1. Колокольные дифманометры................................................... 175 3.6.2. Дифманометры кольцевые....................................................... 178 3.6.3. Поплавковые дифманометры................................................... 181 3.6.4. Дифманометры с упругими чувствительными элементами.. 186 3.7. Установка и использование приборов давления............................... 200 5 4. Измерение расходов сред и количества тепла................................................ 206 4.1. Измерение скоростей и расходов напорными трубками.................. 209 4.2. Измерение расхода при помощи сужающих устройств................... 213 4.2.1. Основы теории........................................................................... 213 4.2.2. Характеристики стандартных сужающих устройств............. 217 4.2.3. Коэффициенты расхода и поправочные множители к ним.. 221 4.2.4. Основные требования к сужающим устройствам................... 225 4.3. Расходомеры постоянного перепада давления.................................. 229 4.3.1. Основные положения теории ротаметров............................... 231 4.3.2. Устройство ротаметров............................................................ 233 4.4. Тахометрические расходомеры и счетчики....................................... 236 4.5. Электромагнитные расходомеры....................................................... 246 4.6. Ультразвуковые расходомеры............................................................ 250 4.7 Измерение количества и расхода тепла.............................................. 253 5. Контроль и измерение уровней........................................................................ 260 5.1. Уровнемеры поплавковые и буйковые.............................................. 261 5.2. Акустические и ультразвуковые уровнемеры.................................. 265 5.3. Емкостные уровнемеры....................................................................... 270 5.4. Уровнемеры дифманометрические.................................................... 274 Список литературы.............................................................................................. 282 6 ВВЕДЕНИЕ Развитие науки и техники тесно связано с применением средств измерения. Измерения, как процесс, являются одним из способов познания природы, помогают осуществлять научные открытия и внедрять их в производство и технику. Измерения представляют огромное значение и как единс твенное средство контроля технологических процессов в системах теплогазоснабжения и энергетики в целом. Правильно организованные измерения обеспечивают надежнос ть, экономичнос ть и удобство ведения производственных процессов, а также дают возможность их широкой автоматизации. Кроме того, без применения контрольно-измерительных приборов отсутс твует возможность осуществления безопасного и безаварийного ведения производственных процессов и работы установок. На сегодняшний день народное хозяйство с траны обеспечено громадным арсеналом средств измерения как отечес твенного, так и иностранного производства - от простейших первичных преобразователей и приборов до сложных автоматических приборов и систем, позволяющих проводить контроль технологических установок и сложных производств с применением средств информационно-вычислительной техники. Большое разнообразие средств измерения требует правильного их выбора для определенных целей. В этой связи одним из важных вопросов является вопрос их метрологического обеспечения. Помимо этого, необходимо уделять внимание экономической стороне вопроса, а также унификации средств измерения и условий их эксплуатации. Для этих целей создана и функционирует Государственная система приборов (ГСП), позволяющая максимально стандартизировать и унифицировать измерительные средства для промышленного применения. Научно-технический прогресс и появление новых технологий с тавят новые задачи перед развитием техники измерений. Это требует дальнейшего совершенствования методов и средств измерения, повышения их качес тва, надежнос ти и снижения себестоимости. 7 1. ОБЩИЕСВЕД ЕНИЯОБИЗМЕРЕНИЯХИИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ 1.1. Основныепонятияиопределения Измерение - это нахождение значения некоторой физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Средства измерений - это технические средства, которые имеют нормированные метрологические характеристики. При этом значение физической величины, отсчитываемое по отсчетному устройству средства измерения, строго соответствует определенному количеству физических единиц, принятых в качестве единиц измерения. К средствам измерения относятся: - мера; - измерительные приборы; - измерительные преобразователи; - измерительные системы; - установки, комплексы. Мера - это эталонное средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера или количес тва. Меры могут быть однозначными и многозначными. Так, например, в электротехнических измерениях к однозначным мерам относятся катушки индуктивности, сопротивления, нормальные элементы и др.; к многозначным - магазины сопротивлений, конденсаторы переменной емкости, калибраторы напряжения и тока и др. Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выдачи количественной информации об измеряемой величине в доступной для восприятия форме. По способу отсчета значений измеряемой величины измерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых измерительных приборах значение измеряемой величины определяется непосредственно по 8 шкале со стрелкой или другими указателями. В цифровых измерительных приборах значение измеряемой величины определяется по цифровому индикатору прибора. Измерительные приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающие измерительные приборы предназначены для отсчитывания результата измерений в аналоговой или цифровой форме, регистрирующие - для регистрации (записи или печати) результатов измерения. Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначаемое для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поступающей непосредственно на восприятие. К измерительным преобразователям относятся датчики ( сенсоры), нормирующие и масштабирующие устройс тва, усилители и др. Датчик – первичный измерительный преобразователь, предназначенный для непосредственного восприятия воздействия измеряемой величины. По своему метрологическому назначению средства измерений делятся на эталонные, образцовые и рабочие. Рабочие средства измерений применяются для повседневных измерений в промышленных и лабораторных условиях, не связанных с передачей измерительных мер. Образцовые средства измерений предназначены для передачи измерительных мер от эталонов к рабочим средствам измерения, то ес ть служат для их поверки. Эталон - средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины для передачи ее размера средствам измерения более низкого ранга, чем указанные выше. Измерительные приборы можно классифицировать по принципу действия, по способу представления информации и функциональному назначению. Общая классификация средств измерения приведена на рис. 1.1. 9 Рис. 1.1 – Классификация средств измерения Важным аспектом в системах измерения является унификация входных и выходных сигналов элементов, входящих в систему. Это позволяет обеспечить взаимозаменяемость элементов измерительных устройств и сократить их разновидность, а также использовать вычислительные комплексы в системах измерения. Создание унифицированных и стандартизированных средств измерения предусматривается Государственной системой промышленных приборов ( ГСП), которая использует блочно-модульный принцип и имеет три ветви, объединяющие приборы с пневматическими, электрическими и час тотными сигналами. Пневматическаяветвь – уровни входных и выходных сигналов составляют (0,02 – 0,1 МПа); электрическаяветвь с сигналами постоянного тока - (0 -5 мА, 4 – 20 мА, 0 – 10 в); электрическая ветвь переменного тока с частотнымисигналами – (1500 – 2500 Гц, 4000- 8000 Гц). 10 1.2. Видыиметодыизмерений В зависимости от получения результата непосредственно в процессе измерения или после измерения путем последующих расчетов различают прямые, косвенные и совокупные измерения. Прямыеизмерения - измерения, при которых искомое значение физической величины определяется непосредственно из опытных данных. Например, определение значения температуры при помощи термометра, тока, протекающего в цепи, при помощи амперметра и т.д. Косвенныеизмерения - измерения, при которых измеряется не сама физическая величина, а величина, функционально связанная с ней. Измеряемая величина при косвенных измерениях определяется на основе прямых измерений величин, функционально связанных с измеряемой, с последующим расчетом на основе известной функциональной зависимости. Например, измерение мощности постоянного тока при помощи амперметра и вольтметра с последующим расчетом мощнос ти по известной зависимости Р = U · I или расхода по перепаду давления на сужающем устройстве по зависимости Q = ρ Р ∆ ⋅ 2 и т.д. Совокупные измерения - одновременные измерения нескольких однородных величин, на основании которых находят значения искомой величины. Сущность измерения физических величин измерительными приборами заключается в сравнении (сопоставлении) их с однородной физической величиной, принятой за единицу измерения. И прежде чем производить измерения, необходимо в зависимости от требуемой точности и от наличия измерительных приборов выбрать соответствующий метод измерения. Методизмерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Измерения производятся одним из двух методов: непосредственной оценки или сравнения с мерой. 11 При использовании метода непосредственнойоценки значение искомой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Пример такого метода - измерение давления манометром, температуры - термометром, тока - амперметром и т.д. Метод сравнениясмерой - метод измерения, при котором измеряемую искомую величину сравнивают с однородной величиной, воспроизводимой мерой. Данный метод имеет ряд разновиднос тей: дифференциальный ( разностный) метод, нулевой метод, метод замещения (компенсационный). При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой и образцовой величинами, воспроизводимой мерой. Чем меньше разность, тем точнее результат. Предельным случаем дифференциального метода является нулевой метод, при котором разнос ть доводится до нуля. При использовании метода замещения измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой. При этом замещение измеряемой величины производят так, что показания прибора будут одинаковы в обоих случаях, т.е. никаких измерений в принципе не происходит. 1.3. Погрешностиизмерений Результат измерений физической величины всегда отличается от истинного значения на некоторую величину, которая называется погрешностью. Классификация погрешностей в зависимости от источника возникновения, условий проведения измерений, характера проявления измеряемой величины во времени и способа ее выражения приведена на рис.1.2. Погрешностьметода обуславливается несовершенством метода и приемов использования средств измерений. Например, при определении 12 мощности постоянного тока по показаниям амперметра и вольтметра без учета мощности, потребляемой указанными приборами, возникает методическая погрешность. Инструментальная погрешность обуславливается погрешностью изготовления примененных средств измерений (неточнос ти при изготовлении приборов, повышенные зазоры, люфты), неточность градуировки и т.д. Рис.1.2 - Классификация погрешностей Субъективнаяпогрешность обуславливается несовершенством органов чувств оператора. 13 Основнаяпогрешность - погрешность, возникающая в нормальных условиях эксплуатации средства измерения (температура, влажность, напряжение питания и др.), которые нормируются и указываются в стандартах или технических условиях. Дополнительнаяпогрешность обуславливается отклонением одной или нескольких влияющих величин от нормального значения. Например, изменение температуры окружающей среды, изменение влажности, колебания напряжения питающей сети. Значение дополнительной погрешности нормируется и указывается в технической документации на средства измерения. Дополнительная погрешность от воздействия влияющей величины – это изменение оцененной статической функции преобразования (статической характеристики средства измерения), которое вызвано отклонением одной из влияющих величин от установленного при нормальных условиях номинального значения или номинального диапазона, причем все другие влияющие величины сохраняют свое номинальное значение или свой номинальный диапазон. Систематическая погрешность - постоянная или закономерно изменяющаяся погрешность средства измерения при повторных измерениях одной и той же величины в одинаковых условиях измерения. Например, погрешность, возникающая при измерении сопротивления ампервольтметром, обусловленная разрядом батареи питания. Систематическая составляющая основной погрешности при одном и том же значении информативного параметра входного сигнала в неизменных условиях применения остается постоянной или изменяется настолько медленно, что ее изменениями за время измерения можно пренебречь, или изменяется по определенному закону, что дает возможность ее учета. Случайнаяпогрешность - погрешность измерения, характер изменения которой при повторных измерениях одной и той же величины в одинаковых условиях случайный. Случайную погрешность возможно определить только с использованием методов статис тического анализа для многократных измерений различных значений измеряемой величины. 14 Грубаяпогрешность ( промах) - погрешность измерения, которая существенно превышает ожидаемую в данных измерениях. Статическаяпогрешность - погрешнос ть при измерении постоянной по времени величины. Например, погрешность измерения неизменных за время измерения температуры, давления и т.д. Динамическаяпогрешность - погрешность измерения изменяющейся во времени величины. Например, погрешность измерения, возникающая в момент подключения измерительного прибора или различных коммутаций в технологических процессах, обусловленная переходными процессами при коммутации, которая зависит от быстродействия измерительного прибора. Абсолютнаяпогрешность измерения ∆ - разность между результатом измерения Х и истинным значением измеряемой величиныХ |