В в е д е н и е

Повышение требований к качеству продукции и эффективности ее производства привели к радикальному изменению требований к измерениям. Как указывается в Международном стандарте ИСО 9001:2000 организация (компания, фирма, предприятие или учреждение, которые выполняют самостоятельные функции и имеют администрацию) должна, в том числе, планировать и применять процессы измерения для того, чтобы:

а) демонстрировать соответствие продукции;

b) обеспечивать соответствие системы менеджмента качества;

c) постоянно повышать результативность системы менеджмента качества.

При этом организация должна осуществлять на соответствующих стадиях процесса жизненного цикла продукции мониторинг и измерять ее характеристики с целью проверки соблюдения требований к качеству продукции.

Для организаций, разрабатывающих, производящих или применяющих средства измерений, одним из аспектов обеспечения качества их продукции является наличие данных о метрологических характеристик средств измерений, установленных с необходимой для потребителей точностью. Использование средств измерений, метрологические характеристики которых определены с необоснованной погрешностью, в значительной степени обесценивают информацию о свойствах объектов и процессов, качестве продукции, о количестве сырья и энергоносителей, об эффективности технологических процессов и т. п., получаемую в результате измерений.

В соответствии с ГОСТ 8.009-84 одной из основных метрологических характеристик средств измерений, требующих обязательного определения, является функция преобразования измерительного преобразователя, т. е. зависимость информативного параметра выходного сигнала от информативного параметра входного сигнала, которую представляют в виде формулы, таблицы или графика [1]. Однако даже в случае установления достоверной функции преобразования может возникнуть погрешность измерения входного сигнала, если, например, в формуле будут использованы недостаточно точные значения входящих в нее величин.

В приборостроении существует большая группа средств измерений, функции преобразования которых содержат теплофизические характеристики газов или газовых смесей. К подобным средствам измерения относятся, в частности, газовые расходомеры, акустические датчики, приборы измерения скорости газовых потоков, газоанализаторы, контактные датчики температуры газов и т. п. Поэтому при использовании функций преобразования этих средств измерения возникает необходимость в проведении расчетов теплофизических характеристик соответствующих газов и газовых смесей в заданном диапазоне температур и давлений.

Расчет и использование в функциях преобразования теплофизических характеристик газов или газовых смесей в предположении, что газы являются идеальными, в ряде случаев может привести к появлению значительной методической погрешности в выходном сигнале соответствующего средства измерения. Эта погрешность будет тем значительнее, чем больше, в частности, температура и плотность рассматриваемого газа [2].

Поэтому расчет теплофизических характеристик газов желательно производить с учетом их реальности. Причем достоинством такого расчета является не только высокая точность получения значений теплофизических характеристик газов, но и то, что при невысокой температуре и небольшом давлении эти значения приближаются к теплофизическим характеристикам идеальных газов.

Рассмотрим, какие теплофизические характеристики требуется рассчитывать для некоторых из указанных средств измерений.

Среди большого числа разновидностей расходомеров газа расчеты теплофизических характеристик измеряемой среды производятся для расходомеров переменного перепада давления, расходомеров обтекания, тахометрических расходомеров и счетчиков, вихревых и акустических расходомеров [3]. В их функции преобразования входят плотность, вязкость среды, коэффициенты температуропроводности и теплопроводности, а также удельная теплоемкость газа.

В основе построения акустических датчиков, например, перемещения, лежит измерение величины затухания упругих ультразвуковых колебаний в газовой среде [4]. Для определения по соответствующей формуле расстояния, проходимого ультразвуком в газе, необходимо знать плотность, коэффициент динамической вязкости, модуль сжимаемости, показатель адиабаты и скорость звука в газе.

Для приборов измерения скорости газовых потоков, основанных на измерении динамического и статического давлений встречного потока газа, функция преобразования выводится с учетом сжимаемости газа. Для определения скорости по газодинамической формуле необходимо рассчитать показатель адиабаты и плотность газа при соответствующих значениях температуры и давления [5, с. 301].

При проектировании систем измерения нестационарных температур газов и газовых смесей, например, продуктов сгорания, требуется учитывать динамические характеристики датчиков с целью их последующей коррекции [6]. Как известно, динамическая характеристика средства измерения также является функцией преобразования, которая устанавливает зависимость во времени выходного сигнала от входного и от любых изменений во времени входного сигнала [1]. При использовании контактных датчиков температур (термопар, термометров сопротивления и т. п.) следует иметь в виду, что их динамические характеристики существенно зависят от условий теплообмена с измеряемой средой. При расчете средних или локальных коэффициентов теплоотдачи датчиков со средой необходимо определять вязкость, плотность, удельную теплоемкость, термические коэффициенты, число Прандтля и коэффициент теплопроводности газовой среды [7].

При эксплуатации электронных приборов и аппаратов расчеты тепловых режимов их работы столь же необходимы, как и функциональные расчеты. Так, например, для обеспечения теплового режима работы применяют различные устройства систем охлаждения, в том числе, радиаторы, нагнетатели, теплообменники и т. п. При этом надо знать методику расчета теплообмена для выбора того или иного устройства [8]. Так как передача тепла происходит в окружающую среду, то при тепловых расчетах необходимо также знание теплофизических характеристик воздуха или того газа, который используется в системе охлаждения, с учетом реальных условий их применения.

В современной технологии производства деталей приборов и машин большое место занимают процессы обработки в воздушных и специальных газовых средах, сопровождающиеся выделением или подводом тепла.

Примерами технологических процессов, связанных с выделением тепла, служат операции обработки на металлорежущих станках. При точении, фрезеровании, сверлении, шлифовании, полировании и т. п. в результате взаимодействия инструмента с деталью выделяется тепло. Часть тепла отводится в стружку, часть - в инструмент и деталь, а остальное рассеивается в окружающую газовую среду путем теплообмена. С целью увеличения стойкости инструментов, определения оптимальных режимов обработки и повышения качества обрабатываемых поверхностей при проектировании технологических процессов механической обработки часто возникает необходимость проведения тепловых расчетов.

Методики расчета режимов механической обработки с учетом тепловых процессов, происходящих в технологических системах, приведены, в частности, в [9].

Технологические процессы литья сопровождаются одновременным подводом и выделением тепла. При изготовлении отливки расплав заливают в форму, где он постепенно охлаждается, достигает температуры начала кристаллизации данного сплава и, наконец, затвердевает. Затвердевание обусловлено отводом тепла из расплава в форму, а затем тепло из формы рассеивается в окружающую среду путем теплообмена. Во время затвердевания расплава в форме формируются основные механические и технологические свойства отливки. За счет неравномерного градиента температур внутри формы возникают ликвации. Поэтому для получения отливки с заданным кристаллическим строением и минимальными дефектами необходимо определять и управлять временем кристаллизации и охлаждения отливки, в том числе с помощью регулирования теплообмена литейной формы с окружающей средой.

Теоретические основы формирования отливок в различных формах и кокилях с указанием способов управления процессом кристаллизации изложены в [10]. В других способах литья, например, литье под давлением, по выплавляемым моделям, в землю, центробежное литье, также имеются свои системы кристаллизации и охлаждения отливок, которые устраняют возникновение ликвации, дефектов строения и дефектов отливок.

Сварочные процессы объединяют широкую группу технологий соединения, резки, пайки и локальной обработки материалов с использованием местного нагрева изделий. Среди различных видов сварки выделяются технологические процессы при сварке в среде защитных газов. Путем подбора состава защитной атмосферы достигается получение качественных сварных соединений.

Скорость истечения защитных газов из сопла горелки обычно находится в пределах 0,6 - 1,5 при давлении, близком к атмосферному, а температура газов в зоне сварки может достигать 3000. При расчете технологических параметров процессов сварки в среде защитных газов, например, мощности источника теплоты, скорости перемещения сварочного инструмента, времени затвердевания сварочного шва и т. п., необходимо также учитывать теплообмен, так как в итоге вся теплота, введенная при сварке, отдается в окружающую среду конвекцией и излучением.

Основные понятия и законы в расчетах тепловых процессов при сварке, в том числе в среде защитных газов, изложены в [11].

В современной технологии производства особое место занимает термическая обработка, задача которой - вызвать изменения свойств изделий путем нагрева и охлаждения при сохранении их геометрических параметров. Любой вид термической обработки может быть изображен в координатах температура - время и характеризоваться следующими технологическими параметрами: время нагрева, время выдержки, время охлаждения, максимальная температура нагрева, скорость нагрева и охлаждения, состав и параметры нагревательных и охлаждающих сред.

Основная доля нагревательных и охладительных сред приходится на газообразные среды, называемые в технической литературе контролируемыми атмосферами. При контактно-конвективном нагреве изделий в качестве контролируемых атмосфер широко используются продукты сгорания жидких и газообразных горючих, а также различные газы, предварительно нагретые в теплообменнике [12].

Температура контролируемых атмосфер при термической обработке редко превышает 1500 при давлении, близком к атмосферному. Так как скорости нагрева и охлаждения изделий в газовых средах при термической обработке зависят от условий теплообмена (вынужденного, конвективного или сложного), то тепловые расчеты с учетом теплофизических характеристик контролируемых атмосфер проводятся в обязательном порядке.

Горячая обработка металлов давлением является наиболее производительным и недорогим процессом серийного и массового производства, включающим большое число разновидностей этого метода [13, 14]. Среди них горячая штамповка, ковка, вальцовка, гибка, резка, прокатка и некоторые др. При этом явления теплообмена сопровождают весь процесс обработки, в том числе во время нагревания заготовки в печах, при перемещении заготовок из печей в деформирующее оборудование, во время процесса деформирования и при выполнении отделочных операций.

Для защиты поверхности металла от окисления в нагревательных печах применяются защитные атмосферы на основе различных газов. Температура защитных атмосфер достигает 1500 при давлении, близком к атмосферному. В качестве основных технологических параметров при проектировании операций нагрева выступают продолжительность и скорость нагрева, определяемые условиями теплообмена поверхности металла с защитной атмосферой.

Таким образом, при проектировании ряда технологических процессов в приборостроении, связанных с выделением или подводом тепла, возникает задача расчета теплоотдачи между поверхностью обрабатываемого изделия и соприкасающейся с ней газовой средой.

Расчет производится с использованием эмпирических зависимостей или уравнений подобия, которые сами по себе дают значительные погрешности. Основной же трудностью при расчетах конвективного теплообмена является определение теплофизических характеристик среды [15, с. 152] в широком диапазоне температур и давлений. Причем определение этих характеристик часто осложняется многокомпонентностью газовых сред и необходимостью учета реальности газов с целью получения достоверных результатов расчета.

Задачей настоящего учебного пособия является ознакомление с методикой расчета основных теплофизических характеристик реальных газовых смесей, необходимой студентам при выполнении курсового проекта по дисциплине “Методы и средства измерений, испытаний и контроля”.

В первом разделе пособия приведены основные термодинамические параметры состояния индивидуальных газов и расчетные формулы линейной интерполяции табличных значений. Во втором разделе пособия приведены расчетные формулы для определения теплофизических характеристик газовых смесей, в третьем разделе - методика расчета теплофизических характеристик продуктов сгорания некоторых жидких и газообразных горючих во влажном воздухе, а также отдельно воздуха с учетом его влажности.

В приложениях к пособию даны физические константы наиболее часто встречающихся индивидуальных газов, соотношения между некоторыми единицами физических величин, таблица давлений насыщенного водяного пара при различных температурах и примеры расчетов теплофизических характеристик газов и газовых смесей при выполнении некоторых вариантов задания курсового проекта по дисциплине «Методы и средства измерений, испытаний и контроля».