книги / Теплотехнические измерения и приборы

Третье издание учебника по курсу «Теплотехнические измерения и приборы» предназначено для студентов, обучающихся по специаль­ ности № 0649 «Автоматизация теплоэнергетических процессов».

В третье издание, полностью переработанное, введены дополне­ ния и изменения, отразившие современные научно-технические достижения в области теплотехнических измерений. Содержание учебника соответствует утвержденной Минвузом СССР программе курса «Теплотехнические измерения и приборы». В книге приме­ нены единицы измерения физических величин Международной си­ стемы (СИ).

Излагаемые в учебнике теоретические основы методов измерения физических величин и материалы о перспективных средствах изме­ рений ГСП сопровождаются примерами расчетов, что облегчает усвоение курса студентами. В книге освещается методика измере­ ния температур, давления, расхода жидкости, газа и пара и дру­ гих величин. Рассматриваются методы оценки погрешностей резуль­ татов измерений при существующем в настоящее время способе нор­ мирования метрологических характеристик средств измерений.

Приведенные в учебнике примеры расчетов и приложения к гла­ вам могут быть использованы при проведении практических заня­ тий, выполнении типовых расчетных заданий, учебных исследова­ тельских работ, курсовых и дипломных проектов, а также при вы­ полнении лабораторных'работ.

Книга может быть использована как учебное пособие при изуче­ нии теплотехнических измерений и приборов студентами теплоэнер­ гетических специальностей № 0305, 0306, 0308, 0310.

Автор,надеется, что это издание книги, как и предыдущие, будет полезно широкрму кругу инженеров и научных работников, имею­ щих дело с теплотехническими измерениями.

Настоящий учебник написан на основе курса «Теплотехнические

При написании учебника использованы результаты опубликованных научно-исследовательских работ, выполненных непосредственно автором и сотрудниками кафедры АСУ ТП МЭИ под его руковод­ ством.

Автор выражает искреннюю признательность к. т. н. доц. М. А. Панько за редактирование книги и рецензентам: заведующему кафедрой автоматизации теплоэнергетических процессов Одесского политехнического института к. т. н. доц. Ю. К. Тодорцеву, к. т. н. доц. Г. Е. Муратову и В. С. Полоник за ценные замечания и пред­ ложения, которые автор в основном учел при подготовке учебника к печати.

Автор считает долгом выразить благодарность к. т. н. доц.

Н. Д. Кузнецову за замечания и предложения по рукописи и инж.

Э.И. Сасалю, А. Н. Забелину и другим сотрудникам кафедры АСУ ТП МЭИ за помощь в оформлении книги.

Все замечания и предложения по книге просьба направлять в издательство «Энергия» по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлю­ зовая наб., 10.

Автор

Важнейшими показателями современного научно-технического прогресса являются значительная интенсификация технологиче­ ских процессов, рост единичной мощности и производительности

Современные автоматизированные системы управления техноло­ гическими процессами требуют значительного количества и разно­ образия средств измерений, обеспечивающих выработку сигналов измерительной информации в форме, удобной для дистанционной передачи, сбора, дальнейшего преобразования, обработки и пред­ ставления ее.

Измерения, как один из способов познания природы, способ­ ствуют новым научно-техническим открытиям и их внедрению в про­ изводство и обеспечивают объективный контроль за технологиче­ скими процессами, надежность работы оборудования и экономич­ ность производства. Энергетика, металлургическое и химическое производство, равно как и другие отрасли промышленности, немыс­ лимы,без применения современных средств измерений. Особо важ­ ное значение приобретает контроль за технологическими процес­ сами в решении проблемы повышения качества продукции и эффек­ тивности производства.

Задачи, поставленные XXV съездом КПСС в этом направлении, •требуют дальнейшего развития и внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и про­ изводством (АСУП) с широким использованием различных методов и современных средств измерений. Можно без преувеличения ска­ зать, что в целом ряде случаев эффективность производства и каче­ ство продукции зависят от достоверности и своевременности полу­ ченной ‘измерительной информации о ходе технологического про­ цесса. Не менее важна роль контроля в деле обеспечения безопас­ ности ряда производств, таких, например, как тепловые и атомные электростанции, для которых характерным является быстрое про­ текание процессов при высоком давлении и температуре, а также наличие установок и агрегатов высокой и сверхвысокой единичной мощности.

Отечественная промышленность обеспечивает народное хозяй­ ство страны большим арсеналом средств измерений ■— от простей­ ших первичных приборов и преобразователей (например, приборы давления, термоэлектрические термометры) до сложных многото-

чечных автоматических измерительных приборов для записи контро­ лируемых величин. Средства измерений Государственной системы приборов (ГСП) позволяют организовать контроль технологиче­ ских процессов как простых установок, так и сложных производств с применением для контроля информационно-вычислительной тех­ ники.

Наличие разнообразных средств измерений требует правильного их выбора для определенных целей. Все более широкое использова­ ние электронно-вычислительных машин (ЭВМ) для решения инфор­ мационных задач в АСУ ТП и для расчета технико-экономических показателей работы оборудования предопределяет применение таких методов и средств измерений, которые в конкретных условиях эксплу­ атации обеспечили бы необходимую точность. Одним из важных вопросов создания АСУ является разработка их метрологического обеспечения, позволяющего производить правильный выбор необ­ ходимых средств измерений и оценку точности измерительных си­ стем. Игнорирование этих факторов может привести к неправиль­ ным выводам и экономически не оправданным решениям.

Используемые в настоящее время на практике методы оценки точности теплотехнических измерений базируются на метрологи­ ческих характеристиках средств измерений, нормированных в виде пределов допускаемых основной и дополнительных погрешностей. Это не позволяет с необходимой достоверностью оценивать погреш­ ности теплотехнических измерений при помощи выпускаемых в настоящее время средств измерений.

Предусмотренный ГОСТ 8.009-72* переход к новой системе нормирования метрологических характеристик средств измерений требует разработки стандартов на отдельные виды средств изме­ рений с целью установления комплекса метрологических характе­ ристик в зависимости от специфики и назначения этих средств измерений [104].

Исследованию метрологических характеристик ряда средств измерений с использованием вероятностно-статистических методов посвящены научно-исследовательские работы, выполненные сотруд­ никами кафедры АСУ ТП МЭИ под руководством автора [103].

ния метрологических характеристик позволит с необходимой до­ стоверностью оценивать погрешности теплотехнических измере­ ний и будет способствовать решению проблемы метрологического обеспечения информационной части АСУ ТП.

Дальнейшее развитие научных исследований и техническая мо­ дернизация производства ставят новые задачи перед техникой теплотехнических измерений. В первую очередь требуются дальней­ шее совершенствование методов и средств измерений, повышение их качества, надежности и ремонтопригодности, создание новых средств измерения, обеспечивающих нужды народного хозяйства страны в области теплотехнических измерений.

1-1. Понятие об измерении, виды и методы измерений

Измерением называется процесс получения опытным путем чис­ лового соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения, называется числовым значением измеряемой величины; оно может быть целым или дробным, но является отвлеченным чис­ лом. Значение величины, принятое за единицу измерения, называ­ ется размером этой единицы.

Если х — измеряемая величина, и — единица измерения, А — числовое значение измеряемой величины в принятой единице, то результат измерения величины х может быть представлен следую­ щим равенством:

X—Au. (1-1-1)

Уравнение (1-1-1) называют основным уравнением измерения. Из этого уравнения следует, что значение А зависит от размера выбранной единицы измерения и. Чем меньше выбранная единица, тем больше для данной измеряемой величины будет числовое зна­ чение. Результат всякого измерения является именованным чис­ лом. Вследствие этого для определенности написания результата измерения рядом с числовым значением измеряемой величины ста­ вится сокращенное обозначение принятой единицы.

Если при измерении величины х вместо единицы и взять другую единицу Иц то выражение (1-1-1) примет вид:

х = А 1и1.

Учитывая уравнение (1-1-1), получаем:

Аи = Ахцх,

или

Из этой формулы следует, что для перехода от результата изме­ рения А, выраженного в одной единице и, к результату Ах, выражен­ ному в другой единице иъ необходимо А умножить на отношение принятых единиц.

При выборе единиц измерения необходимо учитывать фактор «удобства» — результат измерений по возможности должен выра­ жаться «удобным» числом: не слишком большим и не слишком ма­ лым.

Если единица измерения представлена в виде конкретного об­ разца, называемого мерой, то процесс измерения сводится к непо­ средственному сравнению измеряемой величины с мерой, как мате­ риальным выражением единицы измерения.

В тех же случаях, когда непосредственное сравнение невоз­ можно или трудно осуществить, измеряемая величина преобразуется в некоторую другую физическую величину, однозначно связанную с измеряемой и более удобную для измерения. Например, измерение температуры жидкостно-стеклянным термометром (§ 3-1) сводится к определению длины жидкостного столбика, выраженной в деле­ ниях шкалы, а измерение температуры с помощью термометра сопро­ тивления (§ 5-1) к определению электрического сопротивления и т. п.

По способу получения числового значения искомой величины измерения можно разделить на два вида: прямые и косвенные.

К прямым измерениям относятся те, результат которых получа­ ется непосредственно из опытных данных. При этом значение иско­ мой величины получается либо путем непосредственного сравнения ее с мерами, либо посредством измерительных приборов, градуиро­ ванных в соответствующих единицах.

При прямых измерениях результат выражается непосредственно в тех же единицах, что и измеряемая величина. Измеряемая вели­ чина х и результат ее непосредственного измерения z связаны про­

Прямые измерения являются весьма распространенным видом технических измерений. К ним относятся измерения длины — мет­ ром, температуры ■— термометром, давления — манометром и т. п.

К косвенным измерениям относятся те, результат которых полу­ чается на основании прямых измерений нескольких других вели­ чин, связанных с искомой величиной определенной зависимостью.

В общем виде искомая величина у может быть определена неко­ торой функциональной зависимостью

К косвенным измерениям относится определение расхода жид­ кости, газа и пара по перепаду давления в сужающем устройстве (гл. 14) и т. п.

Косвенные измерения применяются в технике и научных иссле­ дованиях в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно путем прямого измерения или когда косвенное измерение позволяет получить более точные ре­ зультаты.

В метрологической практике кроме рассмотренных видов изме­ рений применяют совокупные и совместные виды измерения [61.

В зависимости от назначения и от предъявляемой к ним точности измерения делятся на лабораторные (точные) и технические. Спо­ собы оценки точности лабораторных и технических измерений будут рассмотрены ниже.

Под принципом измерения понимается совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, например измерение тем­ пературы с использованием термоэлектрического эффекта (гл. 4), измерение расхода жидкостей по перепаду давления в сужающем устройстве (гл. 14). Под методом измерений понимается совокуп­ ность приемов использования принципов и средств измерений.

Процесс измерения, способы проведения его и средства измере­ ний, при помощи которых он осуществляется, зависят от измеряемой величины, существующих методов и условий измерения. При вы­ полнении теплотехнических измерений широко применяют метод непосредственной оценки, метод сравнения с мерой и нулевой метод.

Под методом непосредственной оценки понимается метод изме­ рения, в котором значение измеряемой величины определяют непо­ средственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например измерение давления манометром (гл. 10), измерение температуры термометром (гл. 3) и т. п. Он является са­ мым распространенным, особенно в промышленных условиях.

Метод сравнения с мерой — метод, в котором измеряемую вели­ чину сравнивают с величиной воспроизводимой меры, например измерение э. д. с. термоэлектрического термометра (гл. 4) или напря­ жения постоянного тока на компенсаторе сравнением с э. д. с. нормального элемента. Его часто называют компенсационным.

Нулевым называется метод, при котором эффект действия изме­ ряемой величины полностью уравновешивается эффектом известной величины, так что в результате их взаимное действие сводится к нулю. Применяемый при этом прибор служит только для установ­ ления факта достижения уравновешивания и в этот момент показа­ ние прибора становится равным нулю. Прибор, применяемый при нулевом методе, сам по себе ничего не измеряет и поэтому его обычно называют нулевым. Нулевой метод обладает высокой точностью измерения. Нулевые приборы, применяемые для осуществления данного метода, должны обладать высокой чувствительностью. Поня­ тие точность к нулевым приборам неприложимо. Точность же ре­ зультата измерения, производимого по нулевому методу, определя­ ется в основном точностью применяемой образцовой меры и чувстви­ тельностью нулевого прибора.

1-2. Общие сведения о средствах измерений

Средствами измерений называют технические средства, исполь­ зуемые при измерениях и имеющие нормированные метрологиче­ ские характеристики — характеристики свойств средств измере-

ний, оказывающие влияние на результаты и погрешности из­ мерений.

Основными видами средств измерений являются меры, измери­ тельные приборы, измерительные преобразователи и измерительные устройства.

Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизве­ дения физической величины заданного размера. Например, гиря есть мера массы; измерительный резистор — мера электрического сопротивления; температурная лампа -— мера яркостной или цвето­ вой температуры (гл. 7).

Измерительным прибором называют средство измерений, пред­ назначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюда­ телем.

Измерительный прибор, показания которого являются непрерыв­ ной функцией изменений измеряемой величины, называют аналого­ вым измерительным прибором. Если показания прибора, автомати­ чески вырабатывающего дискретные сигналы измерительной инфор­ мации, представлены в цифровой форме, прибор называют цифровым.

Показывающим измерительным прибором называют прибор, до­ пускающий только отсчитывание показаний. Если в измеритель­ ном приборе предусмотрена регистрация показаний, то его называют регистрирующим.

Самопишущим измерительным прибором называют регистрирую­ щий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрено печа­ тание показаний в цифровой форме, называют печатающим.

Измерительным прибором прямого действия называют прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сиг­ нала измерительной информации в одном направлении, т. е. без применения обратной связи, например, показывающий манометр, ртутно-стеклянный термометр.

Измерительный прибор, в котором подводимая величина подвер­ гается интегрированию по времени или по другой независимой пере­ менной, называют интегрирующим измерительным прибором.

Измерительным преобразователем называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обра­ ботки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи в за­ висимости от их назначения и функций могут быть подразде­ лены на первичные, промежуточные, передающие, масштабные и другие.

Первичным преобразователем называют измерительный преобра­ зователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи. В качестве примера можно привести термо­ электрический термометр (гл. 4), термометр сопротивления (гл. 5), сужающее устройство расходомера (гл. 14). Измерительный преобра-