Технологический измерения и приборы. DZ_Tekhnologicheskie_izmerenia_i_pribory сафаров идрис. Министерство науки и высшего образования рф старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова

• Название: Министерство науки и высшего образования рф старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова
• Анкор: Технологический измерения и приборы
• Дата: 01.10.2022
• Размер: 326.28 Kb.
• Имя файла: DZ_Tekhnologicheskie_izmerenia_i_pribory сафаров идрис.docx
• Тип: Документы; #707939

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова

(филиал) федерального государственного автономного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Факультет ММТ

Кафедра металлургии и металловедения им. С. П. Угаровой

Дисциплина Технологические измерения и приборы Направление подготовки горное дело

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
Вариант 3


Студент Сафаров Идрис Хусейнович

(подпись, Ф.И.О.)

Группа ГД-19-1Д

Преподаватель

Киселева Наталия Анатольевна ст. преподаватель кафедры металлургии и металловедения им. С.П. Угаровой

(подпись, ученая степень, звание, Ф.И.О.)

Домашнее задание защищено

с оценкой_____________________


«____» __________________ 20____г.

Старый Оскол 2022 г.

Задача № 1

На рисунке 1 показана упрощенная схема автоматического электронного моста.


R_t – терморезистор; R_р – реохорд; R₁ , R₂ , R₃ , R₄ –балластные резисторы; r_л – сопротивление соединительных проводов; U – напряжение питания; Ус – усилитель; РД – реверсивный двигатель

Рисунок 1 - Упрощенная схема автоматического электронного моста

При равновесии схемы ток в измерительной диагонали «б-г» равен нулю. Это условие выполняется при равенстве произведения сопротивлений резисторов, расположенных в противоположных плечах мостовой схемы. Для данного конкретного случая это условие будет выглядеть следующим образом:

(R_t + r_л + R₁ + R_р^/ ) R₃ = (R_р^// + R₂ )( R₄ + r_л ) (1)

При изменении измеряемой температуры сопротивление терморезистора изменится на величину . Тогда в измерительной диагонали «б-г» появится ток, который после усиления в Ус, поступит на реверсивный двигатель РД. Реверсивный двигатель РД будет вращаться так, чтобы в измерительной схеме опять установилось равновесие. При этом он передвинет в соответствующем направлении движок реохорда, изменив соотношение между плечами реохорда на величину . Новое условие равновесия будет записываться следующим образом:

(R_t + R_t + r_л + R₁ + R_р^/ - R_р ) R₃ = (R_р^// + R_р + R₂ )( R₄ + r_л ) (2)

Вычитая из уравнения (2) уравнение (1), можно вычислить насколько должно измениться сопротивление реохорда: R_р = R_t R₃ / (R₃ + R₄ + r_л ).

Общие условия для расчёта:

– R₃ / (R₃ + R₄ + r_л ) = 0,4;

– сопротивление реохорда R_р = 120 Ом;

– материал реохорда – нихром с удельным сопротивлением:

ρ = 1,12 10^-6 Ом м;

– температурная зависимость сопротивления меди:

R_t = R₀ (1+4,26 10^-3 t);

Задание

1) Определить изменение сопротивления терморезистора ∆R_t при изменении температуры на величину заданной погрешности

2) Вычислить, на какую величину должно измениться сопротивление реохорда для восстановления равновесия схемы;

3) Определить длину реохорда l_р ;

4) Вычислить, насколько при этом должен переместиться движок реохорда, учитывая, что между сопротивлением реохорда и перемещением существует линейная зависимость;

5) Оценить, какого класса точности должен быть реохорд, чтобы выполнялись поставленные условия (расчёт вести по длине реохорда и погрешности перемещения).

Решение

Вариант	Материал терморезистора	Сопротивление терморезистора R0 , Ом	Диаметр проволоки реохорда dр ,мм	Погрешность измерения температуры , оС
3	Cu	100	0,045	0,45

1) Определяем изменение сопротивления терморезистора ∆R_t при изменении температуры на величину заданной погрешности







2) Вычислим, на какую величину должно измениться сопротивление реохорда для восстановления равновесия схемы





3) Определим длину реохорда l_р:









4) Вычислим, насколько при этом должен переместиться движок реохорда, учитывая, что между сопротивлением реохорда и перемещением существует линейная зависимость:







5) Оценим какого класса точности должен быть реохорд, чтобы выполнялись поставленные условия (при этом расчёт будем вести по длине реохорда и погрешности перемещения):





Класс точности: 0,1

Задача № 2

При исследовании теплоотдачи от трубы к воздуху коэффициент теплоотдачи подсчитывался из выражения:

.

количество теплоты Q, передаваемое трубкой путем конвекции, определялось по мощности, потребляемой электронагревателем, как произведение сопротивления трубки R на квадрат силы тока I. Сила тока измерялась амперметром со шкалой I_к-I_н, класса точности К, номинальное значение силы тока I_н, А. Зависимость сопротивления трубки от температуры была найдена в специальных опытах и описывается выражением R_t=R₀(1+ t). При t= 0 значение сопротивления R₀ (Ом), (⁰С^-1). Погрешность измерения сопротивления не превышает ± %. Площадь поверхность трубки F определялась по ее длине l ± ∆(мм) и диаметру d ± Δ(мм). Температура стенки t_с измерялась стандартным термоэлектрическим термометром градуировки ХК (ХА). Термометр через сосуд свободных концов подсоединен к лабораторному потенциометру ПП-63.

Номинальное значение температуры стенки равно t_с (˚С). Предел допускаемой погрешности потенциометра ПП-63 определяется по формуле:

где U– показания потенциометра, мВ;

U_р – цена деления шкалы, мВ (U_р = 0,05мв).

Температура воздуха t_в измерялась вдали от трубки ртутным термометром. Номинальное значение температуры воздуха составляет t_в (˚С), погрешность измерения ∆ t_в = ± 0,5˚С.

Оценить погрешность измерения коэффициента теплоотдачи. Варианты заданий представлены в таблице 2. Погрешностями, связанными с методами измерения, пренебречь.

№ варианта	Темпе-ратура воздуха, tв (°C)	Темпе-ратура стенки, tc, (°C)	Диаметр трубки, d ± Δ (мм)	Длина трубки, l ± Δ (мм)	Погрешн измер-ия сопрот., δ,%
3	130	230	14 ± 0,01	100 ± 0,5	0,2

Коэф. температ. сопротивл., α 10-30С-1	Знач. сопрот. R0при t=00C	Значение силы тока	Класс точн. ампер-метра	Диап. показан амперметрI max
4,13	10	23	0,2	100

Расчетные формулы

Количество теплоты Q определяется по мощности электронагревателя:

Q = I²R, где I - номинальное значение силы тока; R - значение сопротивления.

Сопротивление трубки R определялось по измеренной температуре в соответствии с выражением:







Составляющая погрешности, обусловленная погрешностью прибора:

∆R_п = ± ( R₀(1+ t_c)) / 100.



Предел допускаемой погрешности потенциометра ПП-63 рассчитывается по формуле:



где значение U определяется по градуировочным таблицам (см. Приложение А) для соответствующего типа термопары, при соответствующей температуре t_с.



Температура трубки измерялась стандартным термоэлектрическим термометром градуировки ХК (ХА) в комплекте с потенциометром ПП-63. Допускаемое отклонение термо-ЭДС термоэлектрического термометра от градуировочных значений для термопары типа ХК (L) равно = 0,2 мВ, для термопары типа ХА (К) - = 0,16 мВ.

Оценка предела суммарной погрешности измерения температуры в предположении, что погрешности термометра и потенциометра являются независимыми величинами, рассчитывается по формуле:





для рассчитанного значения суммарной погрешность измерения в мВ по соответствующим таблицам определить ∆t (˚С) (см. Приложение А).





Составляющая погрешности, обусловленная погрешностью измерения температуры, не превышает: ∆R_t= ±R₀ ∆t.



предел суммарной погрешности определения сопротивления трубки, полагая, что погрешность градуировки и погрешность измерения температуры – независимые величины, определяется по формуле:



Определим абсолютную погрешность:



Предел погрешности определения мощности электронагревателя рассчитывается по формуле: ∆Q= ± ,



Т.к. определение площади поверхности теплообмена относится к разряду косвенных измерений, то предел погрешности этих измерений определяется по формуле: ,



Предел допускаемой абсолютной погрешности определяется по формуле:

.



При исследовании теплоотдачи от трубы к воздуху коэффициент теплоотдачи подсчитывался из выражения:

.



Задача № 3
Каким образом оценить погрешность измерения температуры медным термометром сопротивления, вызванную отклонением действительных значений R₀^* и от номинальных: R₀ = 50 Оми

= 4,28 10^{-3 0}С^-1? Текущее измеренное значение сопротивления R_t.

Рассчитать дополнительную абсолютную погрешность измерения температуры термометром заданной градуировки, включенным в мостовую схему по двухпроводной схеме, если значение сопротивления соединительных проводов равно 4,5 вместо градуировочного 5 Ом. Варианты заданий приведены в таблице 3.

Решение

№ варианта	R0*, Ом	·10-30С-1	Rt, Ом
3	49,6	4,22	77

Для медных термопреобразователей зависимость сопротивления от температуры выражается:



Откуда измеряемое значение температуры определяется как:



Абсолютная дополнительная погрешность, вследствие отклонения действительных значений от градуировочных, рассчитывается по формуле:



Рассчитаем температуру, соответствующую номинальным параметрам градуировки:



Рассчитаем действительное значение температуры:



Абсолютная дополнительная погрешность:



Для расчёта дополнительной абсолютной погрешности измерения температуры термометром необходимо рассчитать чувствительность прибора (коэффициент преобразования в интервале температур для медного термопреобразователя):





Рассчитаем дополнительную абсолютную погрешность измерения температуры термометром заданной градуировки, включенным в мостовую схему по двухпроводной схеме, если значение сопротивления соединительных проводов равно 4,5 вместо градуировочного 5 Ом:




Задача № 4
Температура стального слитка измеряется различными типами пирометров. Действительная температура слитка Т_Д (⁰C). Оцените точностные характеристики различных типов пирометров, рассчитав и сравнив методические погрешности измерений. Погрешность измерения температуры вызвана погрешностью измерения условной температуры Т_усл.пирометром и ошибкой определения степени черноты металла (Δ _λили Δ _Σ). В задаче принять Δ _λ = Δ _Σ = 0,01.

Решение

№ варианта	ТД, 0C	Тип пирометра	Длина волны приемника излучения , мкм	Степень черноты металла при ТД
3	950	ПЧИ ПСО	= 0,65 1 = 1,20 2 = 1,65	0,56 0,56 0,56

ПСО измеряют цветовую температуру. Нахождение действительной температуры по измеренной условной:







Разность между условной и действительной температурой составляет методическую погрешность измерения данным пирометром:

;



Методическая погрешность измерения температуры зависит также от степени черноты объекта. Данный параметр находится с определенной точностью. Погрешность пирометра, вызванная ошибкой определения (задания) степени черноты Δε определяется:

;



Суммирование погрешностей осуществим статистически:





ПЧИ измеряют яркостную температуру. Нахождение действительной температуры по измеренной условной:









Разность между условной и действительной температурой составляет методическую погрешность измерения данным пирометром:

;



Методическая погрешность измерения температуры зависит также от степени черноты объекта. Данный параметр находится с определенной точностью. Погрешность пирометра, вызванная ошибкой определения (задания) степени черноты Δε определяется:





Суммирование погрешностей осуществим статистически:





На основании всех расчетов:



значит для измерения температуры стального слитка лучше использовать пирометр спектрального отношения (ПСО), потому что он дает меньшую методическую погрешность измерения.

Задача № 5

Расход воды в трубопроводе диаметром D (мм) измеряется диафрагмой с отверстием диаметром d (мм). Температура воды t₁⁰C, давление воды p₁ МПа, перепад давления на диафрагме p_1-2 МПа. Оценить относительную погрешность измерения расхода, если температура воды станет t₂⁰C. Диаметр трубопровода, коэффициент расхода и перепад давления на диафрагме считать неизменными.

Решение

№ варианта	t1, 0C	t2, 0C	p1,МПа	p1-2, МПа
3	170	30	12	0,06

Расход жидкостей, газов и пара является одним из важнейших показателей многих технологических процессов. Наиболее распространенным в промышленности методом является измерение расхода с помощью сужающих устройств. Взаимосвязь между объемным или массовым расходом и перепадом давления на сужающем устройстве определяется уравнениями расхода:





Для расчета относительной погрешности воспользуемся формулой:





Преобразуем формулу для относительной погрешности под наш случай:


Формулы для расчета массовых расходов:





Тогда для относительной погрешности формула примет следующий вид:



Из таблицы плотностей найдем показатели для t₁=170⁰C иt₂=30⁰C, и




Задача № 6
В трубопроводе диаметром d (мм) протекает вода, расход которой меняется от Q_min до Q_max (м³/ч). Для измерения расхода установлены ультразвуковые излучатель и приемник. Расстояние между ними L (мм). Частота ультразвука ν (кГц). Скорость распространения звуковых колебаний в воде С (м/с). Определить время прохождения ультразвуковых колебаний при распространении их по потоку и против потока, а так же фазовый сдвиг ультразвуковых колебаний. Данные для расчетов взять из таблицы 6.

Решение

№ варианта	d, (мм)	Qmin- Qmax, (м3/ч)	L, (мм)	, кГц	C, м/с
3	150	0-200	200	30	1240

Расчетные формулы

Q_min = 0 м³/ч

Q_max = 200 м³/ч = 0,05 м³/c

d = 0,15 м

L = 0,2 м

Скорость распространения ультразвуковых колебаний в движущихся жидкостях изменяется в зависимости от скорости перемещения самой жидкости:



Время прохождения звуковых колебаний при нулевой скорости воды определяется как:



Для определения время звуковых колебаний при наличии скорости воды в прямое и обратное направление используют формулы:







Фазовый сдвиг определяется как:



где ν - частота ультразвука, - круговая частота.





Контролируемые параметры процессов выплавки чугуна: расход природного газа, подаваемого на каждую фурму; расход воды на охлаждение печи; расход пара, подаваемого на увлажнение дутья.
Контроль за состоянием уровня жидкости и сыпучих тел имеет важное значение в технике, особенно в условиях автоматизации технологических процессов в агрегатах с непрерывной подачей и отбором вещества, а также в целях обеспечения безопасной работы оборудования. К таким агрегатам в металлургии принадлежат шахтные печи, установки непрерывного литья, барабаны паровых котлов-утилизаторов и т.д. Так, в доменной печи уровень и профиль поверхности шихтовых материалов под колошником существенно влияют на распределение газовых потоков в шахте печи, а, следовательно, и на ход процесса выплавки чугуна.

В зависимости от характера контролируемой среды и условий измерения применяют следующие основные типы уровнемеров: поплавковые, буйковые, гидростатические, емкостные, радиоизотопные, радиоволновые, акустические.

Существует большое разнообразие методов измерения расхода и конструктивных разновидностей расходомеров и счетчиков. Наибольшее распространение получили следующие разновидности расходомеров: переменного перепада давления с сужающими устройствами; постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; ультразвуковые; вихревые; массовые. Большинство выпускаемых в настоящее время расходомеров и счетчиков являются микропроцессорными приборами с широкими функциональными возможностями. Благодаря энергонезависимой памяти, измеренные значения суточных и месячных расходов веществ хранятся в течение 1-3 лет. Эта информация может вызываться на цифровой дисплей приборов, к их цифровому выходу могут подключаться ПК и принтеры. С использованием различных интерфейсов микропроцессорные расходомеры и счетчики соединяются с локальными компьютерными сетями, при этом информация от приборов может передаваться по телефонным и радиоканалам, оптическим кабелям.

Различные варианты передачи и приема цифровой информации от расходомеров и счетчиков осуществляются с использованием устройств сопряжения - адаптеров, модемов. Некоторые типы расходомеров имеют автономное питание от батарей и аккумуляторов, что позволяет устанавливать их в местах, где отсутствует электросеть или возникают перебои с подачей электричества.

Расходомеры разных типов рассчитаны на измерения в определенной области расходов (рис. 1).

Основные показатели, обусловливающие выбор расходомера: значение расхода; тип контролируемой среды, ее температура, давление, вязкость, плотность, электрическая проводимость, рН; перепад давлений на первичном измерительном преобразователе (датчике); диаметр трубопровода; диапазон (отношение максимального расхода к минимальному) и погрешность измерений. В зависимости от физ.-химических свойств измеряемой и окружающей сред в расходомеры используются различные методы измерений.


Рис. 1. Диапазоны измерений расходов жидкостей, газов и паров разными расходомерами
Тахометрический метод нашел широкое применение для измерения расходов холодной и горячей воды, кислот, щелочей, жидких продук­тов нефтеперегонки, газов и других веществ, химически не действую­щих на рабочие части приборов.

В методе используется тахометричес­кий преобразователь расхода, в котором скорость движения чувстви­тельного элемента, взаимодействующего с потоком, зависит от расхода вещества. Момент на подвижной части этих устройств создается за счет кинетической энергии самого измеряемого потока.

Классификация тахометрических устройств по виду рабочего (чувствительного) элемента представлена на рисунке.

Скоростные счетчики. Измерители расхода этого типа применяют для измерения суммарного количества жидкости (в основном воды) при температурах до 90 °С и давлениях до 1-1,6 МПа. Принцип дейст­вия основан на суммировании числа оборотов помещенного в поток вращающегося чувствительного элемента за определенный промежу­ток времени. В качестве рабочего элемента в скоростных счетчиках применяют вертикальные (аксиальные) или горизонтальные (танген­циальные) вертушки (турбинки). Частота вращения вертушки пропор­циональна средней скорости потока, а, следовательно, и объемному расходу. Число оборотов суммируется счетным механизмом, а количество жидкости в единицах объема указывается счетным устройством.

Основы теории измерения расхода по перепаду давления в сужающих устройствах

Данный метод измерения расхода основан на зависимости перепада давления в неподвижном сужающем устройстве (СУ), устанавливаемом в трубопроводе, от расхода измеряемой среды. Это устройство следует рассматривать как первичный преобразователь расхода. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром, который может быть показывающим со шкалой в единицах расхода. При необходимости дистанционной передачи показаний дифманометр снабжается преобразователем, который линией связи соединяется с вторичным прибором и другими устройствами. Метод измерения расхода является наиболее отработанным, сужающие устройства и дифманометры для них выпускают все крупнейшие приборостроительные фирмы мира. Для измерения расхода пара, газа, жидкостей в трубопроводах диаметром свыше 300 мм в основном используется этот метод. Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а, следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления. Расход может быть определен при известной градуировочной характеристике по перепаду давления ∆p на сужающем устройстве, измеренному дифманометром. Использование рассматриваемого метода измерения требует выполнения определенных условий:

• характер движения потока до и после сужающего устройства должен быть турбулентным и стационарным;

• поток должен полностью заполнять все сечение трубопровода;

• фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство; пар является перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа;

• во внутренней полости трубопровода до и после сужающего устройства не образуются осадки и другие виды загрязнений; • на поверхностях сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его геометрию.

Сужающие устройства условно подразделяются на стандартные специальные и нестандартные. Стандартными называются сужающие устройства, которые рассчитаны, изготовлены и установлены в соответствии с руководящим нормативным документом ГОСТ 8.569.1- 97. К числу специальных относятся стандартные диафрагмы для трубопроводов с внутренним диаметром менее 50 мм. Сужающие устройства, не относящиеся к этим двум группам, называются нестандартными. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств определяется с помощью расчетов без индивидуальной градуировки. Этот момент обусловил широкое применение данного метода для измерения расходов воды, пара, газа в трубопроводах больших диаметров. Градуировочные характеристики нестандартных сужающих устройств определяются в результате индивидуальной градуировки.

Этому методу присущи следующие недостатки:

• узкий динамический диапазон, не превышающий трех-пяти при использовании одного дифманометра;

• диаметр трубопровода должен быть более 50 мм, в противном случае необходима индивидуальная градуировка;

• значительные длины линейных участков;

• наличие потери давления.

В качестве стандартных сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара используются диафрагмы, сопла и значительно реже трубы и сопла Вентури. Диафрагма (рис. 1, а) представляет собой тонкий диск с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка отверстия должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. Диапазон рабочих чисел Re зависит от относительного диаметра СУ и для диафрагмы он составляет от до .

Сопло (рис. 1, б) имеет спрофилированную входную часть, переходящую затем в цилиндрический участок диаметром d (его значение входит в уравнения расхода). Задняя торцевая часть сопла включает цилиндрическую выточку диаметром, большим d, для предохранения выходной кромки цилиндрической части сопла от повреждения. При измерении расхода стандартные сопла устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм, числа Re потока при этом должны составлять .



а - диафрагма; б - сопло; в - сопло Вентури

Рисунок 1 - Стандартные сужающие устройства


Рисунок 2 - Характер потока и распределение статического давления при установке в трубопроводе диафрагмы
Сопло Вентури (контур показан на рис. 1, в) содержит входную часть с профилем сопла, переходящую в цилиндрическую часть, и выходной конус (может быть длинным или укороченным). Минимальный диаметр трубопровода для стандартных сопл Вентури составляет 65 мм. Их используют в диапазоне чисел Re от до . На рис. 1 символами и отмечены точки отбора давлений, подаваемых на дифманометр.