КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
Методы определения качества воды и пара Существенное влияние на работу тепловой электростанции оказывает качество потребляемой котлами питательной воды, характеризуемое ее солесодержанием, жесткостью, содержанием растворенного кислорода, концентрацией водородных ионов и рядом других факторов, вызывающих в котлоагрегатах накипеобразование, выпадение шлама и коррозию металла. Производимый котлами насыщенный пар, несмотря на наличие сепарационных устройств, всегда; содержит некоторое количество влаги. Влажность пара ухудшает его качество, так как вместе с водой уносятся содержащиеся в ней соли, отложение которых на отдельных участках парового тракта вызывает пережог труб пароперегревателей, заедание регулирующих клапанов турбин, понижение мощности и экономичности работы турбоагрегатов вследствие заноса лопаток турбин и т. п. Для обеспечения надежной и эффективной, работы оборудования электростанции необходим непрерывный контроль качества пара, конденсата и питательной воды. В эксплуатации для этой цели. Применяется ряд постоянно действующих измерительных приборов, а именно: для определения солесодержания пара, котловой и питательной воды – солемеры, жесткости воды – жесткомеры, содержания растворенного в воде кислорода – кислородомеры; концентрации в воде водородных ионов – концентратомеры (рН–метры). Определение солесодержания отобранной пробы пара (конденсата) или воды в химической лаборатории электростанции посредством выпаривания 3…5 л воды с целью получения сухого остатка не может служить в качестве метода эксплуатационного контроля, так как оно отнимает слишком много времени (продолжительность анализа до 117 двух суток). Трудоемким является также определение лабораторным путем содержания растворенного в воде кислорода и других веществ. Точность определения солесодержания насыщенного пара, поступающего из котла в пароперегреватель, в сильной степени зависит от метода отбора средней пробы, которая должна наиболее полно характеризовать качество проходящего по трубопроводу пара. Последний имеет неравномерное распределение скоростей и влажности по сечению трубы. Поэтому пароотборное устройство должно производить отбор пробы по всему диаметру паропровода. Для отбора проб пара применяются пароотборные трубки (зонды) с рядом отверстий по образующей, устанавливаемые горизонтально на прямых вертикальных участках паропровода с нисходящим потоком пара. В виде исключения допускается установка пароотборной трубки на вертикальных участках с восходящим потоком. На правильность отбора средней пробы оказывают влияние не только способ установки пароотборной трубки, но и ее устройство, а также размеры паропровода. Солемеры Автоматическое определение солесодержания пара (конденсата) и питательной воды производится кондуктометрическим методом, т. е. путем измерения их электропроводимости. Электропроводимостью раствора (электролита) называется величина, обратная его электрическому сопротивлению, выражаемая в Ом–1. Для определения жесткости воды находит применение фотоколориметрический метод анализа, основанный на измерении силы света, поглощаемого окрашенным раствором. При условии монохроматичности поглощаемого света концентрация растворенных в воде веществ характеризуется ее оптической плотностью Д, которая, согласно закону Ламберта–Бера, равна логарифму отношения сил света до и после поглощения раствором или пропорциональна концентрации окрашенного вещества и толщине слоя раствора. Построенные на фотоколориметрическом методе измерения жесткомеры имеют сравнительно простое устройство, обладают высокой чувствительностью и позволяют измерять небольшие концентрации растворенных в воде солей жесткости. В качестве чувствительного элемента прибора, преобразующего световую энергию в электрическую, служит фоторезистор или фотоэлемент. В жесткомерах обычно используется дифференциальная схема фотоколориметрирования, при которой оптическая плотность исследуемой воды сравнивается с оптической плотностью раствора точно известной концентрации, и на основании предварительной 118 градуировки прибора определяется искомая жесткость воды. Построенные на фотоколориметрическом методе измерения жесткомеры имеют сравнительно простое устройство, обладают высокой чувствительностью и позволяют измерять небольшие концентрации растворенных в воде солей жесткости. В качестве чувствительного элемента прибора, преобразующего световую энергию в электрическую, служит фоторезистор или фотоэлемент. В жесткомерах обычно используется дифференциальная схема фотоколориметрирования, при которой оптическая плотность исследуемой воды сравнивается с оптической плотностью раствора точно известной концентрации, и на основании предварительной градуировки прибора определяется искомая жесткость воды. Кислородомеры Степень растворимости любого газа в воде зависит от парциального давления его в находящейся над водой газовой среде независимо от присутствия в этой среде других газов. Следовательно, если над поверхностью воды, содержащей растворенный кислород, будет находиться свободная от него газовая атмосфера, то кислород будет выделяться из воды до тех пор, пока не наступит состояние равновесия между концентрациями О 2 в газовой среде и воде. Отсюда чем больше О 2 будет содержаться в воде, тем большее его количество выделится в окружающую газовую среду. Наоборот, при уменьшении концентрации О 2 в воде часть его, ранее выделившаяся, будет вновь поглощаться водой до наступления нового равновесия. 3.6. Характеристика элементов и свойства приборов При измерении любой величины, как бы тщательно мы ни производили измерение, не представляется возможным получить свободный от искажения результат. Причины этих искажений могут быть различны. Искажения могут быть вызваны несовершенством применяемых методов измерения, средств измерений, непостоянством условий измерения и рядом других причин. Искажения, которые получаются при всяком измерении, обусловливают погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерения может быть выражена в единицах измеряемой величины, т. е. в виде абсолютной погрешности, которая представляет собой разность между значением, полученным при измерении, и истинным значением измеряемой величины. 119 Погрешность измерения может быть выражена также в виде относительной погрешности измерения, представляющей собой отношение к истинному значению измеряемой величины. Строго говоря, истинное значение измеряемой величины всегда остается неизвестным, можно найти лишь приближенную оценку погрешности измерения. Погрешность результата измерения дает представление о том, какие цифры в числовом значении величины, полученном в результате измерения, являются сомнительными. Округлять числовое значение результата измерения необходимо в соответствии с числовым разрядом значащей цифры погрешности, т. е. числовое значение результата измерения должно оканчиваться цифрой того же разряда, что и значение погрешности. При округлении рекомендуется пользоваться правилами приближенных вычислений. Погрешности измерения в зависимости от характера причин, вызывающих их появление, принято разделять на случайные, систематические и грубые. Под случайной погрешностью понимают погрешность измерения, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Они вызываются причинами, которые не могут быть определены при измерении и на которые нельзя оказать влияния. Присутствие случайных погрешностей можно обнаружить лишь при повторении измерений одной и той же величины с одинаковой тщательностью. Если при повторении измерений получаются одинаковые числовые значения, то это указывает не на отсутствие случайных погрешностей, а на недостаточную точность и чувствительность метода или средства измерений. Случайные погрешности измерений непостоянны по значению и по знаку. Они не могут быть определены в отдельности и вызывают неточность результата измерения. Однако с помощью теории вероятностей и методов статистики случайные погрешности измерений могут быть количественно определены и охарактеризованы в их совокупности, причем тем надежнее, чем больше число проведенных наблюдений. Под систематической погрешностью понимают погрешность измерения, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при повторных измерениях одной и той же величины. Если систематические погрешности известны, т. е. имеют определенное значение и определенный знак, они могут быть исключены путем внесения поправок. Поправкой называют значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности. Отметим, что поправку, вводимую в показания измерительного прибора, называют поправкой к показанию прибора; поправку, прибавляемую к номинальному 120 значению меры, называют поправкой к значению меры. В некоторых случаях пользуются поправочным множителем, под последним понимают число, на которое умножают результат измерения с целью исключения систематической погрешности. Обычно различают следующие разновидности систематических погрешностей: инструментальные, метода измерений, субъективные, установки, методические. Под инструментальными погрешностями понимают погрешности измерения, зависящие от погрешностей применяемых средств измерений. При применении средств измерений повышенной точности инструментальные погрешности, вызываемые несовершенством средств измерений, могут быть исключены путем введения поправок. Инструментальные погрешности технических средств измерений не могут быть исключены, так как эти средства измерений при их поверке поправками не снабжаются. Под погрешностью метода измерений понимают погрешность, происходящую от несовершенства метода измерений. Она возникает сравнительно часто при применении новых методов, а также при применении аппроксимирующих уравнений, представляющих иногда неточное приближение к действительной зависимости величин друг от друга. Погрешность метода измерений должна учитываться при оценке погрешности средства измерений и, в частности, измерительной установки, а иногда и погрешности результата измерений. Субъективные погрешности (имеющие место при неавтоматических измерениях) вызываются индивидуальными особенностями наблюдателя, например запаздывание или опережение в регистрации момента какого–либо сигнала, неправильная интерполяция при отсчитывании показаний в пределах одного деления шкалы, от параллакса и т. п. Под погрешностью от параллакса понимают составляющую погрешности отсчитывания, происходящую вследствие визирования стрелки, расположенной на некотором расстоянии от поверхности шкалы, в направлении, не перпендикулярном поверхности шкалы. Погрешности установки возникают вследствие неправильной установки стрелки измерительного прибора на начальную отметку шкалы или небрежной установки средства измерений, например не по отвесу или уровню и т. п. Методические погрешности измерений представляют собой такие погрешности, которые определяются условиями (или методикой) измерения величины (давления, температуры и т. д. данного объекта) и не зависят от точности применяемых средств измерений. Методическая погрешность может быть вызвана, например, добавочным давлением столба жидкости в соединительной линии, если прибор, измеряющий давление, будет установлен ниже или выше места отбора давления, а при измерении температуры термоэлектрическим термометром в комплекте с измерительным прибором. 121 При выполнении измерений, особенно точных, необходимо иметь в виду, что систематические погрешности могут значительно исказить результаты измерения. Поэтому, прежде чем приступить к измерению, необходимо выяснить все возможные источники систематических погрешностей и принять меры к их исключению или определению. Однако дать исчерпывающие правила для отыскания и исключения систематических погрешностей практически невозможно, так как слишком разнообразны приемы измерения различных величин. Кроме того, при неавтоматических измерениях многое зависит от знаний и опыта экспериментатора. Ниже приведем некоторые общие приемы исключения и выявления систематических погрешностей. Для выявления возможных изменений инструментальных погрешностей вследствие тех или иных неисправностей применяемых средств измерений или их износа и других причин все они должны подвергаться регулярной поверке. Для исключения погрешностей установки как при точных, так и при технических измерениях необходима тщательная и правильная установка средств измерений. Если же причиной погрешности являются внешние возмущения (температура, движение воздуха, вибрация и т. п.), то их влияние должно быть устранено или учтено. Под грубой погрешностью измерения понимается погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях. При измерении переменной во времени величины результат измерения может оказаться искаженным помимо погрешностей, рассмотренных выше, погрешностью еще одного вида, возникающей только в динамическом режиме и получившей вследствие этого наименование динамической погрешности средства измерений. При измерении переменной во времени величины динамическая погрешность может возникнуть вследствие неправильного выбора средства измерений или несоответствия измерительного прибора условиям измерения. При выборе средства измерений необходимо знать динамические свойства его, а также закон изменения измеряемой величины. При выполнении точных измерений пользуются средствами измерений повышенной точности, а вместе с тем применяют и более совершенные методы измерения. Однако, несмотря на это, вследствие неизбежного наличия во всяком измерении случайных погрешностей истинное значение измеряемой величины остается неизвестным и вместо него мы принимаем некоторое среднее арифметическое значение, относительно которого при большом числе измерений, как показывает теория вероятностей и математическая статистика, у нас есть обоснованная уверенность считать, что оно является наилучшим приближением к истинному значению. 122 Обычно, кроме случайных погрешностей, на точность измерения могут влиять систематические погрешности. Измерения должны проводиться так, чтобы систематических погрешностей не было. В дальнейшем при применении предложений и выводов, вытекающих из теории погрешностей, и обработке результатов наблюдения будем полагать, что ряды измерений не содержат систематических погрешностей, а также из них исключены грубые погрешности. Способы числового выражения погрешностей средств измерений Абсолютная погрешность измерительного прибора определяется разностью между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины: ∆ = х – хА где ∆ – абсолютная погрешность; х – показание прибора; хА – действительное значение измеряемой величины. Абсолютная погрешность меры равна разности между номинальным значением меры и действительным значением воспроизводимой ею величины и определяется аналогичной формулой. Абсолютная погрешность измерительного преобразователя по входу— разность между значением величины на входе преобразователя, определяемым по действительному значению величины на его выходе с помощью градуировочной характеристики, приписанной преобразователю, и действительным значением величины на входе преобразователя. Абсолютная погрешность измерительного преобразователя по выходу — разность между действительным значением величины на выходе преобразователя, отображающей измеряемую величину, и значением величины на выходе, определяемым по действительному значению величины на входе с помощью градуировочной характеристики, приписанной преобразователю. При оценке качества мер и измерительных приборов иногда применяют относительные погрешности, выражаемые в долях (или процентах) действительного значения измеряемой величины: 123 Относительную погрешность можно выразить также в долях (или процентах) номинального значения меры или показания прибора. Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей средств измерений для каждого из классов точности устанавливаются в виде абсолютных или приведенных погрешностей. Основная и дополнительные погрешности выражаются одним и тем же способом. Абсолютная погрешность выражается: одним значением – где ∆ – предел допускаемой абсолютной погрешности; а – постоянное число; в виде зависимости предела допускаемой погрешности от номинального значения, показания или сигнала х, выраженной двухчленной формулой – где b – постоянное число; в виде таблицы пределов допускаемых погрешностей для разных номинальных значений, показаний или сигналов. Приведенная погрешность определяется формулой – Поправка Под поправкой понимают значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности. Поправку, прибавляемую к номинальному значению меры, называют поправкой к значению мер; поправку, вводимую в показания измерительного прибора, называют поправкой к показанию прибора. Поправка, вводимая в показания прибора Хп, дает возможность получить действительное значение измеряемой величины Хл. Если с – поправка, выраженная в единицах измеряемой величины, то, согласно определению, поправка равна абсолютной погрешности измерительного прибора, взятой с обратным знаком: д д о х х х а х b а 100 N X 124 В некоторых случаях для исключения систематической погрешности пользуются поправочным множителем, представляющим собой число, на которое умножают результат измерения. При поверке средств измерений поправками снабжаются только образцовые средства измерений, а также рабочие средства измерений повышенной точности. Промышленные (технические) средства измерений при их поверке поправками не снабжаются, так как они предназначены для применения без поправок. Если в результате поверки промышленных средств измерений будет установлено, что их погрешности не выходят за пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей, то они признаются годными к применению. При оценке качества и свойств средств измерений большое значение имеет знание их метрологических характеристик, позволяющих выполнить оценку погрешностей при работе как в статическом, так и динамическом режиме. Класс точности и допускаемые погрешности. Класс точности средств измерений является обобщенной их характеристикой, определяемой пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность. Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Следует иметь в виду, что класс точности средств измерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения. Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей средств измерений для каждого из классов точности устанавливаются в виде абсолютных и приведенных погрешностей. Средствам измерений, пределы допускаемых погрешностей которых выражаются в единицах измеряемой величины, присваиваются классы точности, обозначаемые порядковыми номерами, причем средствам измерений с большим значением допускаемых погрешностей устанавливаются классы большего порядкового номера. В этом случае обозначение класса точности средства измерений не связано со значением предела с х х п д п д х х с 125 допускаемой погрешности, т. е. носит условный характер. Средствам измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых задаются в виде приведенных (относительных) погрешностей, присваивают классы точности, выбираемые из ряда (ГОСТ 8.401–80): К = (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0) × 10*n где n = 1, 0, –1, –2 и т. д. Конкретные классы точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Чем меньше число, обозначающее класс точности средства измерений, тем меньше пределы допускаемой основной погрешности. Классы точности средств измерения, нормируемых по приведенным погрешностям, имеют связь с конкретным значением предела погрешности. Средства измерений с двумя или более диапазонами (или шкалами) могут иметь два или более классов точности. Основной погрешностью средства измерений называется погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях. Под пределом допускаемой основной погрешности понимают наибольшую (без учета знака) основную погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. Эту погрешность для краткости часто называют допускаемой основной погрешностью. Под нормальными условиями применения средств измерений понимаются условия, при которых влияющие величины (температура окружающего воздуха, барометрическое давление, влажность, напряжение питания, частота тока и т. д.) имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области значений. Для средств измерений нормальными условиями применения является также определенное пространственное их положение, отсутствие вибрации, внешнего электрического и магнитного поля, кроме земного магнитного поля. В качестве нормальных значений или нормальной области значений влияющих величин принимают, например, температуру окружающего воздуха 20±5°С (или 20±2°С); барометрическое давление 760±25 мм рт. ст. (101,325±3,3 кПа); напряжение питания 220 В с частотой 50 Гц и т. д. Приведенные в качестве примера нормальные значения или нормальные области значений влияющих величин не для всех средств измерений обязательны. В каждом отдельном случае нормальные значения или нормальные области значений влияющих величин устанавливаются в стандартах или технических условиях на 126 средства измерений данного вида, при которых значение допускаемой основной погрешности не превышает установленных пределов. Указанные нормальные условия применения средств измерений обычно не являются рабочими условиями их применения. Поэтому для каждого вида средств измерений в стандартах или технических условиях устанавливают расширенную область значений влияющей величины, в пределах которой значение дополнительной погрешности (изменение показаний для измерительных приборов) не должно превышать установленных пределов. В качестве расширенной области значений влияющих величин принимают, например, температуру окружающего воздуха от 5 до 50°С (или от –50° до +50°С), относительную влажность воздуха от 30 до 80% (или от 30 до 98%), напряжение питания от 187 до 242 В и т. д. В некоторых случаях при нормировании пределов допускаемых дополнительных погрешностей средств измерений дается функциональная зависимость допускаемой дополнительной погрешности от изменения влияющей величины. Под изменением показаний прибора (дополнительной погрешностью меры, преобразователя по входу или выходу) понимается изменение погрешности прибора (меры, преобразователя) вследствие изменения ее действительного значения, вызванное отклонением одной из влияющих величин от нормального значения или выходом за пределы нормальной области значений. Под пределом допускаемой дополнительной погрешности (изменением показаний) понимается наибольшая (без учета знака) дополнительная погрешность (изменение показаний), вызываемая изменением влияющей величины в пределах расширенной области, при которой средство измерений может быть признано годным и допущено к применению. Необходимо отметить, что терминам основная и дополнительная погрешности соответствуют фактические погрешности средств измерений, имеющие место при данных условиях. Отметим также, что терминам пределы допускаемой дополнительной (или соответственно основной) погрешности соответствуют граничные погрешности, в пределах которых средства измерений по техническим требованиям могут считаться годными и быть допущены к применению. Все пределы допускаемых погрешностей устанавливаются для значений измеряемых величин, лежащих в пределах диапазона измерений прибора, а для измерительных преобразователей I – в пределах диапазона преобразования. Следует также отметить, что в рабочих условиях могут иметь место внешние 127 явления, воздействие которых не выражается в непосредственном влиянии на показания прибора или выходной сигнал преобразователя, но они могут явиться причиной порчи и нарушения действия измерительного блока, механизма, преобразователя и т. п., например на приборы и преобразователи могут воздействовать агрессивные газы, пыль, вода и т. д. От воздействия этих факторов приборы и преобразователи защищают с помощью защитных корпусов, чехлов и т. д. Кроме того, на средства измерений могут воздействовать внешние механические силы (вибрация, тряска и удары), которые могут привести к искажению показаний приборов и невозможности осуществления отсчета во время этих воздействий. Более сильные воздействия могут вызвать порчу или даже разрушение прибора и преобразователя. Измерительные приборы и преобразователи, предназначенные для работы в условиях механических воздействий, различных по интенсивности и другим характеристикам, защищают специальными устройствами от разрушающего действия или усиливают их прочность. В зависимости от степени защищенности от внешних воздействий и устойчивости к ним приборы и преобразователи подразделяются на (ГОСТ 2405–88) обыкновенные, виброустойчивые, пылезащищенные, брызгозащищенные, герметические, газозащищенные, взрывозащищенные и т. д. Это дает возможность выбирать средства измерений применительно к рабочим условиям. |