Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Тахометрические преобразователи Преобразователи этого типа представляют собой электромашинные генераторы. В качестве примера рассмотрим синхронный преобразователь с вращающимся постоянным магнитом (см. рисунок 12.11,а). ЭДС индуцируется в данном преобразователе за счет изменения магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом при его вращении. Частота его выходного сигнала равна или кратна частоте вращения вала. Преобразователь состоит из статора 1, на котором намотана обмотка, и ротора 2 с закрепленным на нем постоянным магнитом. Статор выполнен в виде полюсных наконечников, изготовленных из магнитомягкого материала, с цилиндрической расточкой. При 71 вращении магнита изменяется магнитный поток, проходящий через обмотку, и в ней индуцируется переменная ЭДС. Амплитуда и частота ЭДС пропорциональны частоте вращения ротора. Частота выходного сигнала определяется соотношением 60 p n f , где n - частота вращения, об/мин; р - число пар полюсов. На рисунке 12.11, б приведена схема тахометрического преобразователя постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита, расположенного на статоре 1. измерительная обмотка расположена на роторе 2, в которой при вращении образуется переменная ЭДС, снимаемая с вращающегося ротора с помощью коллектора 3 и скользящих по нему щеток. При этом переменная ЭДС выпрямляется. Рисунок 12.11 - Устройство тахометрических преобразователей а- с неподвижной катушкой и подвижным магнитом; б – с подвижной катушкой и неподвижным магнитом. При подключении измерительного прибора к преобразователю последний отдает в измерительную цепь некоторую электрическую мощность, которая оказывается прямо пропорциональной механической мощности. Механическая мощность определяется соотношением: M ω P м , здесь ω- угловая частота вращения ротора; М- необходимый для этого момент, связанный с электрической мощностью выражением: ω η P M эл где η - КПД. Из приведенных соотношении видно, что с увеличением ЭДС генерируемой с преобразователем, увеличивается механическая мощность на его валу. Контрольные вопросы: 1.Как классифицируется преобразователи неэлектрических величин в электрические? 2.На какой физический принцип основана работа тахометрических преобразователей? 72 2. Перечислите достоинства и недостатков параметрических преобразователей? 3. На какой принцип основано принцип действия тензодатчиков? 4. Для чего применяется пъезодатчики? Лекция 13. Измерения температуры. Понятие о температуре и о температурных шкалах Понятие о температуре и о температурных шкалах Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела. По второму закону термодинамики температуру Т можно определить из отношения температур Т 1 и Т 2 и отношения соответствующих количеств тепла Q 1 и Q 2 , полученного и отданного в цикле Карно: 1 2 1 2 Q Q Т Т Отсюда можно установить численные значения температуры, если принять некоторые значения ее для двух основных реперных точек. Поэтому температурой можно назвать меру отклонения термодинамического состояния тела от произвольно выбранного состояния теплового равновесия. Температура не поддается непосредственному измерению. Поэтому о состоянии теплового равновесия и о значении температуры судят по изменению физических свойств тел. Первым устройством, созданным для измерения температуры, считают водяной термометр Галилея (1597 г.) Термометр Галилея не имел шкалы и был, по существу, лишь индикатором температуры. Полвека спустя, в 1641 г., неизвестным для нас автором был изготовлен термометр со шкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдини впервые предложил принять в качестве постоянных точек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще не существовало. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Д. Г. Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы. Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных приборов. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 — «точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)», получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по нашей современной шкале, равная примерно -17,8°С); 2— точка плавления льда, обозначенная им +32°, и 3 — нормальная температура 73 человеческого тела, обозначенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды первоначально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нормальном атмосферном давлении). Через несколько лет, в 1731 г. Р. А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения воды 1080 0 (позднее 0° и 80°). В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Такое обозначение оказалось неудобным и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предложил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, на обратные. Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный. термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения, воды. И, Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны также попытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушен-брук, 1725 г.). Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным .точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с температурой t: D kE t где k— коэффициент пропорциональности; Е — термометрическое свойство; D — постоянная. Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k и D и на этой основе построить температурную шкалу. К сожалению, как выяснилось позднее, коэффициент k нельзя было считать постоянным. При изменении температуры коэффициент k меняется, причем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах. В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить температурную шкалу на термодинамической основе, приняв за нулевое значение температуру абсолютного нуля и обозначив температуру плавления льда +273,1°. Термодинамическая температурная шкала базируется на втором законе термодинамики. Как известно, работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Один градус 74 по термодинамической шкале соответствует такому повышению температуры, которое отвечает 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодина- мической шкале. По мере расширения научных наблюдений и развития промышленного производства возникла естественная необходимость установить какую-то единую температурную шкалу. Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когда Международный комитет мер и весов принял в качестве основной температурной шкалы стоградусную водородную шкалу. За нулевую отметку была принята точка таяния льда, а за 100°- точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении 760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водорода в постоянном объеме. Нулевая отметка соответствовала давлению 1000 мм. рт. ст. Градусы температуры по этой шкале очень близко совпадали с градусами термодинамической шкалы, однако практическое применение водородного термометра ограничивалось из-за небольшого интервала температур примерно от -25 до +100° В начале XX в. широко применялись шкалы Цельсия (или Фаренгейта — в англо-американских странах) и Реомюра, а в научных работах — также шкалы Кельвина и водородная. При резко возросших потребностях в точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких лет подготовки и предварительных временных решений VIII Генеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ). Это решение было в законодательном порядке утверждено большинством развитых стран мира. В СССР Международная температурная шкала была введена с 1 октября 1934 г. (Общесоюзный стандарт ОСТ ВКС 6954). Международная температурная шкала является практическим осуществлением термодинамической стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°. МТШ основывается на системе постоянных, точно воспроизводимых температур равновесия (постоянных точек), которым присвоены числовые значения. Для определения промежуточных температур служат интерполяционные приборы, градуированные по этим постоянным точкам. Температуры, измеряемые по международной шкале, обозначаются через С С. В отличие от градусов шкалы Цельсия — базирующейся также на точках плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на 75 линейной зависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть «градусами международ- ными» или «градусами стоградусной шкалы». Основные постоянные точки МТШ и присвоенные им числовые значения температур при нормальном атмосферном давлении при- ; водятся ниже: а) температура равновесия между жидким и газообразным кислородом (точка кипения кислорода -182,97 б) температура равновесия между льдом и водой, насыщенной воздухом (точка плавления льда) 0.000° в) температура равновесия между жидкой водой и ее паром (точка кипения воды) 100,00 0 г) температура равновесия между жидкой серой и ее паром (точка кипения серы) 414,60° д) температура равновесия между твердым и жидким серебром (точка затвердевания серебра) 960.5 0 е) температура равновесия между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1063,0° Для постоянных точек по пунктам а, в, г, в ОСТ ВКС 6954 даются формулы определения значений температур при атмосферных давлениях, отличающихся от нормальных. Там же приведены формулы и правила интерполяции и экстраполяции температур от —190° и до неограниченно высоких. Чтобы наглядно представить расхождения между МТШ и шкалой Цельсия, приведем сравнительную таблицу значений температуры для одинаковых условий измерения по данным М. М. Попова. Как видно из таблицы 13.1, эти расхождения при высоких температурах (более 200°С) имеют весьма большие значения. Таблица 13.1 - Значения температур в одинаковых условиях измерения Градусы между- народные, "С Градусы Цельсия. °Ц По ртутным термометрам» палочным из Иенского стекла, марки 16" 59" 1565" — 30 -30,28 - 30,13 — 0 0,00 0,00 0,00 + 50 + 50,12 + 50,03 + 50,05 100 100,00 100,00 100,00 200 200,29 200,84 200,90 300 302,7 304,4 303,9 500 — 526,9 523,1 700 — — 775 Современная Международная температурная шкала Опыт применения Международной температурной шкалы показал на необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально приблизить ее к термодинамической шкале. 76 В 1948 г. МТШ была пересмотрена и приведена в соответствие с состоянием знаний того времени. В 1960 г. Международный комитет мер и весов принял исправленные числовые значения температур шкалы 1948 г. и утвердил новое «Положение о международной практической температурной шкале 1948 г. Редакция 1960 г.». Международная практическая температурная шкала (МПТШ), так же как и МТШ, базируется на шести постоянных первичных точках. Однако в МПТШ были внесены следующие уточнения (см. рисунок 13.1); 1) вместо точки плавления льда рекомендуется в качестве постоянной точки использовать лучше воспроизводимую точку равновесия между льдом, жидкой водой и водяным паром (тройную точку воды), которой присваивалось численное значение +0,01°; точка плавления льда с присвоенным ей числовым значением 0,000° была отнесена к категории вторичных постоянных точек; 2) температуре равновесия между твердым и жидким серебром (точке затвердевания серебра) присваивалось новое числовое значение 960,8°; 3) все постоянные точки (кроме тройной точки воды) определяются в состоянии равновесия при одной нормальной атмосфере, равной давлению 101 325 н/м 2 ; 4) вместо точки кипения серы рекомендуется применять точку равновесия между твердым и жидким цинком (точка затвердевания цинка), которой присваивается значение 419,505°С. Рисунок 13.1 - Схема фазовых состояний воды (в безмасштабном изображении) ж - зона жидкой фазы; П — зона паровой фазы; К — зона кристаллической фазы; / — тройная точка; 2 — точка плавления льда; 3 — точка кипения воды Температуры по МПТШ выражаются в градусах Цельсия, обозначаемых °С или, когда требуется особо подчеркнуть, что температуры даются по МПТШ — °С (межд. 1948), что соответственно обозначается символами t и t межд Для термодинамической шкалы Кельвина температуры обозначаются символом Т, а числовые значения сопровождаются значком °К. Температура тройной точки принимается равной 273,16°К. 77 За 25 лет применения Международной температурной шкалы (МТШ), старая шкала Цельсия, основанная на использовании линейной зависимости между температурой и видимым расширением ртути, вышла из употребления. Это позволило градусы по МПТШ называть градусами Цельсия, хотя от старой шкалы Цельсия в МПТШ остались лишь две постоянные точки: плавления льда и кипения воды с присвоенными им значениями 0 и 100°С. Таблица 1 3 . 2 - Некоторые определяющие постоянные точки МПТШ-68 № точк и Состояния равновесия Присвоенные значения температуры К 0 С 1 Между твердой, жидкой и газообразной фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода) 13,81 -59,34 6 Между жидкой и газообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода) 90,188 -182,962 7 Между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды) 273,16 0,01 8 Между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды) 373,15 100 9 Между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка) 692,73 419,58 10 Между твердой и жидкой фазами серебра (точка затвердевания серебра) 1235,08 961,93 11 Между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота) 1337,58 1064,43 В 1968.г. Международный комитет мер и весов, в соответствии с решением XIII Генеральной конференции по мерам и весам, принял новую Международную практическую шкалу 1968 г. — МПТШ-68, заменяющую действующую шкалу МПТШ (1948 г.). МПТШ-68 выбрана таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре, и разности между ними оставались в пределах современной точности измерений. Основная единица термодинамической температуры Т названа кельвин и обозначается символом К – Кельвин есть 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия, градус Цельсия (°С), равна кельвину. Разность температур может быть выражена либо в Кельвинах, либо в градусах Цельсия. Температура Цельсия / = Т — 273,15К. МПТШ-68 основана на значениях температур, присвоенных определенному числу воспроизводимых состояний (определяющих постоянных точек), часть которых приведена в табл. 2. По МПТШ-68 значительно расширен диапазон измерения низких температур—до 13,81 К. Уточнен порядок воспроизводства постоянных точек, интерполяции между постоянными точками и определения 78 температурной шкалы выше последней постоянной точки (проект ГОСТа «Единицы физических величин»). МПТШ-68 введена, как обязательная, с 1 января 1971 г. Контрольные вопросы: 1. Назовите единицу термодинамической температуры? 2. Какими методами можно измерить температуру? 3. Что такое температура? Лекция 14. Контактные методы измерения температуры. Устройства для измерения температур. Жидкостные стеклянные термометры Диапазон измеряемых в настоящее время температур очень широк: от температур, близких к «абсолютному нулю», до температур, достигающих .десятков тысяч градусов. На практике наиболее часто требуется измерять стационарные или медленно изменяющиеся температуры (скорость примерно 1 °С в минуту). Вместе с этим встречается необходимость в измерении температур, изменяющихся на сотни градусов в секунду, например температур в газовоздушном тракте авиационного двигателя. Предельная точность измерений определяется точностью эталона температуры, который состоит из аппаратуры для воспроизведения шкалы между реперными точками. Наименьшая погрешность воспроизведения единицы температуры в диапазоне от -200 до + 1000°С характеризуется средним квадратическим отклонением результатов измерения S, не превышающим 0,0005 °С при неисключенной систематической погрешности ©, не превышающей 0,0002 С С. Единица температуры за пределами указанной области воспроизводится со значениями S = 0,02°C и в = 0,005°С. Средства измерений температуры разнообразны и различаются диапазонами измерений, типом используемого термопреобразователя, наличием или отсутствием контакта между термопреобразователем и объектом измерений. По последнему признаку все средства измерений температуры делят на контактные и бесконтактные. Средства для бесконтактных измерений применяют в случаях, когда измеряемая температура превышает 2500 °С, когда контакт термопреобразователя с объектом измерения затруднен или невозможен (движущийся или удаленный объект, агрессивная среда и т. п.) или когда недопустимо искажение температур ного поля объекта за счет размещения в нем термопреобразователя. Для измерения температуры в зависимости от ее значения, требуемой точности и условий измерений могут быть использованы различные приборы. В таблице 14.1 приведены ориентировочные значения диапазонов измеряемых температур и достигнутая точность измерений наиболее распространенными приборами для измерения температур. Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют 79 десятки различных устройств, применяемых в промышленности, при научных исследованиях и для специальных целей. В таблице 14.2 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения. Таблица 14.1 - Ориентировочные значения диапазонов измеряемых температур Приборы для измерения температуры Диапазон измерений, °С Достигнутая погрешность, % Контактные Термометры сопротивления с терморезисторами: из благородных металлов -260 + 1300 ±0,002 из неблагородных металлов -200 + 200 ±0,5 из полупроводниковых материалов - 270 + 300 ±1,0 Термометры сопротивления с термотранзисторами - 60 + 100 ±1,0 Кварцевые термометры -50 + 100 ±0,05 Термоэлектрические термометры с термопарами: из благородных металлов 20-1800 ±0,1 из неблагородных металлов -200 + 1300 ±1,0 из неблагородных тугоплавких металлов 0-2500 ±1,0 Бесконтактные пирометры излучения: радиационные 20 - 4000 ±1,0 оптические (яркостные) 700 - 10 000 ±0,5 цветовые 900 - 3000 ±1,0 До последнего времени узаконенных терминов и их определении для устройств измерения температуры не существовало. Только в июле 1968 г. был введен в действие новый ГОСТ 13417—67, устанавливающий такие понятия. Приведем некоторые из них. Таблица 14.2- Практические пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерении температур Термометрическое свойство Наименование устройства Пределы длительного применения, °С нижний верхний Тепловое расширение Жидкостные стеклянные тер- мометры -190 600 80 Изменение давления Манометрические термометры -160 600 Изменение электриче- ского сопротивления Электрические термометры сопротивления -200 500 Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы, терморезисторы) -90 + 180 Термоэлектрические эффекты (термо-э.д.с.) Термоэлектрические термометры (термопары) стандартизованные -50 1600 Термоэлектрические термометры (термопары) специальные 1300 2500 Тепловое излучение Оптические пирометры 700 6000 Радиационные пирометры 20 3000 Фотоэлектрические пирометры 600 4000 Цветовые пирометры 1400 2800 Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры. Чувствительным элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре. Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой- Пирометром называют бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового излучения нагретых тел. Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину. |