КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
3.3. Единицы и методы измерения тепловых величин Диапазоны изменения унифицированных сигналов в соответствии с 99 Государственными стандартами (ГОСТ 26.011–80) установлены следующие: пневматического тока – 0,2…1 кгс/см 2 (0,02…0,1 МПа); электрического постоянного тока – 0…5 мА (рекомендуется), 0…20 и 0…100 мА или 0…10 В; переменного тока частотой 50 или 400 Гц (обычно 50 Гц) 0…1, 0…2 и 1…3 В; 0…10 мГ, 6…10 мГ; электрического частотного тока 1500…2500 и 4000…8000 Гц. В зависимости от назначения, а вместе с тем и от той роли, которую выполняют различные средства измерений (меры, измерительные приборы и преобразователи) в процессе измерения, они делятся на три категории: рабочие меры, измерительные приборы и преобразователи; образцовые меры, измерительные приборы и преобразователи; эталоны. Рабочими средствами измерений называются все меры, приборы и преобразователи, предназначенные для практических повседневных измерений во всех отраслях народного хозяйства. Они подразделяются на средства измерений повышенной точности (лабораторные) и технические. Образцовыми называются меры, приборы и первичные преобразователи (например, термоэлектрические термометры, термометры сопротивления), предназначенные для поверки и градуировки рабочих мер, измерительных приборов и преобразователей. Верхний предел измерений образцового прибора должен быть равен или более верхнего предела измерений поверяемого прибора. Допускаемая погрешность образцового прибора или измерительного устройства в том случае, когда поправки к его показаниям не учитываются, должна быть значительно меньше (в 4–5 раз) допускаемой погрешности испытуемого прибора. Образцовые меры, измерительные приборы и первичные преобразователи, предназначенные для поверки рабочих, поверяются в Государственных институтах мер и измерительных приборов. Меры, измерительные приборы и первичные преобразователи, служащие для воспроизведения и хранения единиц измерения с наивысшей (метрологической) точностью, достижимой при данном уровне науки и техники, а также для поверки мер, приборов и преобразователей высшего разряда, называются эталонами. В зависимости от назначения и устройства применяемые в теплоэнергетике теплотехнические измерительные приборы разделяются на ряд групп. 100 Основной классификацией является деление приборов по роду измеряемых величин. Условно приняты следующие наименования приборов, предназначенных для измерения: температуры – термометры и пирометры; давления и разрежения – манометры, тяго– и напоромеры, вакуумметры и барометры; количества и расхода – расходомеры, счетчики количества вещества и весы; уровня жидкости и сыпучих тел – уровнемеры и указатели уровня; состава дымовых газов – газоанализаторы; качества воды и пара – жесткомеры, солемеры, кислородомеры и концентратомеры; числа оборотов вала – тахометры и счетчики числа оборотов; количества тепла – тепломеры; густоты дымовых газов – дымомеры; термических расширений и вибрации оборудования – указатели перемещений и виброметры; площади диаграмм – планиметры; влажности воздуха – психрометры; теплоты сгорания топлива – калориметры. Дополнительно к основной классификации указанные приборы подразделяются на следующие группы: по назначению – технические (рабочие), контрольные, лабораторные, образцовые и эталонные; по характеру показаний – показывающие, самопишущие и суммирующие; по принципу действия – механические, электрические, гидравлические, химические, радиоактивные и др.; по характеру использования – оперативные и учетные; по месторасположению – местные и с дистанционной передачей показаний; по условиям работы – стационарные и переносные; по габаритам – нормальные, малогабаритные и миниатюрные. 3.4. Международная система единиц (СИ) 101 Важное условие практического использования результата измерения – количественное представление этой физической величины в надлежащим образом выбранной системе единиц. Долгое время в различных странах использовались различные системы единиц, спонтанно возникшие чаще всего из конкретных потребностей практики. Идея построения единой системы единиц высказывались достаточно давно. Однако, в силу достаточно серьезных технических трудностей, реализация этой идеи стала возможной только во второй половине двадцатого века. Совокупность основных и производных единиц называется системой физических величин. Для унификации единиц физических величин в международном масштабе создана Международная система единиц СИ. Первой системой единиц обычно считается метрическая система, где за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса – вес одного см 3 химически чистой воды при температуре около +40°С – грамм (позже – килограмм). В 1799 году были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц метрическая система в своём первоначальном варианте включала ещё и единицы площади (ар – площадь квадрата со стороной 10 м), объёма (стер – равный объёму куба с ребром 10 м) и вместимости (литр – равный объёму куба с ребром 0,1 м). В течение последующего времени было предпринято немало успешных попыток усовершенствовать эту систему (система СГС, система МКСА). В настоящее время наиболее широко распространена во всем мире Международная система единиц. XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. утвердила Международную систему единиц, обозначаемую SI (от начальных букв французского названия Système International d'unités), на русском языке – СИ. В последующие годы Генеральная конференция приняла ряд дополнительных изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц, дополнительные и производные единицы физических величин, а также разработала следующие определения основных единиц: единица длины – метр (длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды); единица массы – килограмм (масса, равная массе международного прототипа килограмма); единица времени – секунда (продолжительность 9192631770 периодов излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия–133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей); 102 единица силы электрического тока – ампер (сила изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенного на расстоянии одного метра один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2*10 –7 Н на каждый метр длины); единица термодинамической температуры – кельвин (1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды). Допускается также применение шкалы Цельсия; единица количества вещества – моль (количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода–12 массой 0,012 кг); единица силы света – кандела (сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение с частотой 540 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср). Приведенные определения довольно сложны технически и требуют определенного уровня знаний. Но они дают представление о природном, естественном происхождении принятых единиц, а толкование их усложняется по мере развития науки и благодаря новым высоким достижениям теоретической и практической физики, механики, математики и других фундаментальных областей знаний. Это дает возможность представить основные единицы как достоверные и точные, что является главным условием того, чтобы система единиц стала международной. Кроме основных единиц, в системе СИ есть дополнительные для измерения плоского и телесного углов – радиан и стерадиан соответственно, а также большое количество производных единиц пространства и времени, механических, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, а также ионизирующих излучений. На сегодняшний день система СИ является международной, поскольку она используется в большей части стран мира, а также системе международных стандартов серии ISO. В СССР система СИ официально была принята путем введения в 1963 году соответствующего государственного стандарта, причем следует учесть, что в то время все государственные стандарты имели силу закона и были строго обязательными для выполнения. Температурные шкалы 103 Температурой называется степень нагретости вещества. Это представление о температуре основано на явлении теплообмена между двумя телами, находящимися в тепловом контакте. Тело более нагретое, отдающее тепло, имеет и более высокую температуру, чем тело, воспринимающее это тепло. При отсутствии передачи тепла от одного тела к другому, т. е. в состоянии их теплового равновесия, температуры тел равны. Процесс перехода тепла от одного тела к другому указывает на зависимость температуры тел от количества их внутренней энергии, носителями которой являются молекулы вещества. Согласно молекулярно–кинетической теории сообщаемая телу тепловая энергия, вызывающая повышение его температуры, преобразуется в энергию движения молекул. Измерить температуру какого–либо тела непосредственно, т. е. так, как измеряют другие физические величины, например длину, вес, объем или время, не представляется возможным, ибо в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Следовательно, температура не может быть выражена в абсолютных единицах измерения. Определение температуры вещества производят посредством наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) вещества, которое, будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие. Такой метод измерения дает не абсолютное значение температуры нагретой среды, а лишь разность температур относительно исходной температуры рабочего вещества, условно принятой за нуль. Вследствие изменения при нагреве внутренней энергии вещества практически все физические свойства последнего в большей или меньшей степени зависят от температуры, но для ее измерения выбираются по возможности те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравнительно легко поддаются точному измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы и интенсивность излучения, положенные в основу устройства приборов для измерения температуры. Изменение агрегатного состояния химически чистого вещества (плавление или затвердевание, кипение или конденсация), как известно, протекает при постоянной температуре, значение которой определяется составом вещества, характером его агрегатного изменения и давлением. Значения этих температур равновесия между твердой и жидкой или жидкой и газообразной фазами различных веществ при нормальном абсолютном давлении, равном 101325 Н/м 2 (1,0332 кгс/см 2 ), называются постоянными 104 точками. Если принять в качестве основного интервал температур между постоянными точками плавления льда и кипения воды, обозначив их соответственно 0 и 100, в пределах этих температур измерить величину объемного расширения какого–либо рабочего вещества, например ртути, находящейся в узком цилиндрическом стеклянном сосуде, и разделить на 100 равных частей изменение высоты ее столба, то в результате будет построена так называемая температурная шкала. Для измерения температуры, лежащей выше или ниже выбранных значений постоянных точек, полученные деления наносят на шкале и за пределами отметок 0 и 100. Деления температурной шкалы называются градусами и обозначаются знаком ° или град. При построении указанной температурной шкалы была произвольно принята пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры, что, однако, не соответствует действительности, особенно при температурах выше 100°. Поэтому при помощи такой шкалы можно точно измерить температуру только в двух исходных точках 0 и 100°, тогда как результаты измерения во всем остальном диапазоне шкалы будут неточны. То же явление наблюдалось бы и при построении температурной шкалы с использованием других физических свойств рабочего вещества, как, например, изменения электрического сопротивления проводника, возбуждения термоэлектродвижущей силы и т. п. Пользуясь вторым законом термодинамики, английский физик У. Т. Кельвин в 1848 году предложил совершенно точную и равномерную, не зависящую от свойств рабочего вещества, шкалу, получившую название термодинамической температурной шкалы. Последняя основана на уравнении термодинамики для обратимого процесса (цикла Карно), имеющем вид: Позднее было установлено, что термодинамическая шкала совпадает со шкалой газового термометра, заполненного идеальным (воображаемым) газом, обладающим пропорциональным изменением давления (или объема) в зависимости от температуры, если при построении этих шкал принять одинаковые значения исходных постоянных точек. Близкими по своим свойствам к идеальному газу являются водород, гелий и азот, которые и применяются для построения температурной шкалы. 2 1 2 1 Т Т Q Q 105 3.5. Классификация измерительных приборов Область измерения температуры условно делится на две части: термометрию, включающую определение температур до 500…600°С приборами, называемыми термометрами, и пирометрию, охватывающую измерение более высоких температур приборами, называемыми пирометрами. Приборы для измерения температуры разделяются в зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения, на следующие группы с пределами применения: термометры расширения – 190…500°С манометрические термометры – 160…600°С электрические термометры сопротивления – 200…650°С термоэлектрические пирометры – 50…800°С пирометры излучения – 100 – 6000 о С Термометры расширения основаны на свойстве тел изменять под действием температуры объем, а следовательно, и линейные размеры. Манометрические термометры работают по принципу изменения давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ. Электрические термометры сопротивления основаны на свойстве проводников и полупроводников изменять в зависимости от нагрева величину их электрического сопротивления. Термоэлектрические пирометры построены на ценном свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в паре (спае) термоэлектродвижущую силу, зависящую от температуры спая. Пирометры излучения работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел. Термометры расширения Физическое свойство тел изменять свой объем в зависимости от нагрева широко используется для измерения температуры. На этом принципе основано устройство жидкостных стеклянных и механических термометров. Термометры этого типа появились раньше других приборов для измерения температуры и послужили для создания первых 106 температурных шкал. В жидкостных стеклянных термометрах, построенных на принципе теплового расширения жидкости в стеклянном резервуаре, в качестве рабочих веществ применяются ртуть (Нg) и органические жидкости – этиловый спирт (С2Н5ОН), толуол (С6Н5СН3), пентан (С5Н12) и др. Наиболее широкое распространение получили ртутные стеклянные термометры, имеющие по сравнению с термометрами, заполненными органическими жидкостями, существенные преимущества: большой диапазон измерения температуры, при котором ртуть остается жидкой, несмачиваемость стекла ртутью, возможность заполнения термометра химически чистой ртутью из–за легкости ее получения и пр. Стеклянные термометры с органическими заполнителями в большинстве своем пригодны лишь для измерения низких температур в пределах – 190…1000°С. Основным достоинством этих заполнителей является высокий коэффициент объемного расширения. Жидкостные стеклянные термометры являются местными показывающими приборами и состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, шкалы (циферблата) и защитной оболочки. Манометрические термометры Действие манометрических термометров основано на изменении давления жидкости, газа или пара в замкнутом объеме (системе) в зависимости от температуры. Указанные термометры являются техническими показывающими или самопишущими приборами и предназначаются для измерения температуры в пределах до 600°С. Класс точности их 1…2,5. В зависимости от заключенного в системе рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и парожидкостные. Выбор рабочего вещества производится исходя из заданных пределов измерения и требуемой чувствительности прибора. Термоэлектрические пирометры Действие термоэлектрических пирометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (ТЭДС), однозначно зависящую от температуры места соединения (спая) двух разнородных проводников, образующих так называемую термопару или первичный прибор пирометра. Вторичным прибором, измеряющим развиваемую термопарой т. э. д. с, служит чувствительный электроизмерительный прибор. Диапазон измеряемых термоэлектрическими пирометрами температур лежит в пределах 50…800°С. 107 Термоэлектрические пирометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов, металла труб котлов и других частей оборудования и т. п. Положительными свойствами их являются: большой предел измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и легкость осуществления дистанционной передачи показаний благодаря электрическому принципу действия. Термоэлектрические пирометры изготовляются различных классов точности и бывают показывающими и самопишущими. Последние чаще всего являются многоточечными приборами. |