3.4. Обработка результатов эксперимента.

3.1. Экспериментальные результаты представить в виде таблицы 3.3.

3.2. Рассчитать относительную погрешность измерений по формуле 3.1, результат занести в таблицу 3.3.

3.3. Построить график зависимости температуры от силы тока, указать предел погрешности на графике.

Таблица 3.3. Результаты измерений.

№	I, A	U, B	T, C	δ, %
1
2
3
4
5
6
7
8

IV. Требования к отчету по работе.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

• Название лабораторной работы;

• Цель работы;

• Конспект теоретического введения;

• Таблицу 3.3;

• Выводы по работе;

• Требуемый график и расчет.

V. Контрольные вопросы.

Вопросы для допуска к работе:

1. Какова цель работы?

2. Рассказать порядок проведения эксперимента и технику безопасности.

3. Какую роль играет поверка измерительных приборов в сфере метрологического контроля?

4. Методика поверки пирометров с помощью образцовой лампы накаливания.

Вопросы для защиты:

1. Что называется измерительным прибором? Его классификация.

2. Какие основные части включают в себя измерительные приборы?

3. Что такое поверка измерительных приборов, для чего она нужна?

4. В каком случае осуществляется калибровка приборов?

5. Какие виды поверки измерительных приборов существуют?

6. Этапы метрологической проверки приборов.

7. Материалы, использующиеся в качестве тела накала лампы.

8. Каков принцип работы действия лампы накаливания?

9. Почему максимумы графиков зависимости спектральной плотности энергетической светимости r_λТ от длины волны излучения смещаются в сторону меньших длин волн?

10. Зачем проводят вакуумирование колбы ламп накаливания? Можно ли наполнить колбу ламп азотом?

11. Что такое излучательная способность объекта, и как её можно определить?

12. Принцип работы пирометра Кельвин 2300-ПЛЦ.

13. Что такое поле зрения, и как его можно определить?

14. Какие причины могут вызвать погрешности измерений при поверке ИК–термометра в данной работе?

VI. Список литературы.

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3. Издательство «Наука», гл. Редакция физико-математической литературы. М: 1979 г.

2. Детлаф А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.: Высш. шк. 1989.

3. Линчевский Б.В. Техника металлургического эксперимента. М.: Металлургия. 1979.

4. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк. – 1990.

5. Гордов А. Н. Основы пирометрии. Москва, «Металлургия», 1971.

6. Блох А.Г. Теплообмен излучением. Справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. – М. : Энергоатомиздат, 1991.

7. Е.А.Соколова. Методика поверки рабочих пирометров спектрального отношения / Разработана Научно-производственным объединением «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Термометр/. Дата обращения: 30.7.2013.

9. http://www.astena.ru/izl.html./. Дата обращения 1.8.2013.

Приложение 3.1.

Лабораторная работа № 4.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ГАЗА

I. Цели работы.

Получить навыки по измерению расхода и скорости потока газа при помощи различных устройств: трубки Вентури, электронного расходомера и термического анемометра.

II. Теоретическое введение.

Измерение и учет расхода газа или жидкости является важной задачей, так как в промышленности и в повседневной жизни мы не обходимся без воды, многие химические реакции требуют постоянного присутствия газа для восстановления или окисления, охлаждения как водного, так и газового. Также для снижения себестоимости используют расходомеры для того, чтобы не потреблять газа больше, чем необходимо. Поэтому измерение расхода является важной и актуальной задачей. Рассмотрим некоторые способы измерения расхода газа.

Измерение расхода газов при помощи крыльчатого анемометра.

Крыльчатый анемометр ранее использовался преимущественно для измерения скорости ветра. Крыльчатый анемометр работает, как пропеллер, и его ось должна быть ориентирована в направлении набегающего потока (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Крыльчатый анемометр.

Число оборотов крыльчатки является линейным по отношению к скорости потока и не зависит от давления, температуры, плотности и влажности. Считывание происходит, например, оптоэлектронным методом при помощи комбинации фотодиода и фототранзистора. Возникающие импульсы преобразуются при помощи электронной схемы непосредственно в аналоговый выходной сигнал. Аналоговое выходное напряжение прямо пропорционально скорости потока газа. Исходя из скорости потока и поперечного сечения трубы, можно рассчитать расход газа:

Q = A*v, (4.1)

где Q – расход газа, м³/c; А – площадь поперечного сечения, м²; v – скорость потока, м/c.

Крыльчатый анемометр равным образом используется как для жидкостей, так и газов. Диапазоны измерений для газов начинаются при 0,3 м/с, а для жидкостей − при 0,03 м/с. Рабочий диапазон температур изменяется в зависимости от материала, из которого изготовлен пропеллер, от −30 до +140 °C или, соответственно, от −90 до +260 °C.

Измерение расхода газа при помощи трубки Вентури.

Сопло Вентури или, соответственно, трубка Вентури принадлежит к дроссельным устройствам. Под дросселированием понимают понижение давления в протекающей среде из-за встроенных сопротивлений (уменьшения поперечного сечения).

Принцип измерения расхода при помощи дроссельных устройств основывается на том факте, что по протекающей среде давление перед препятствием поднимается, а после препятствия падает вновь. Эту разность давлений ΔР называют динамическим напором. Чем быстрее протекает жидкость, тем больше динамический напор ΔР. По величине динамического напора можно судить о расходе жидкости или, соответственно, газа. На рис. 4.2 представлена схема классической трубки Вентури.

Рис. 4.2. Структура классической трубки Вентури.

Классическая трубка Вентури состоит из впускного цилиндра и впускного конуса, цилиндрической части шейки и выпускного конуса, также называемого «диффузор». Чтобы иметь возможность исследовать характер изменения давления вдоль трубки Вентури, каждая из упомянутых частей, а также выпускной цилиндр, оснащены наконечником для соединения. Дифференциальное давление определяется между впускным цилиндром и цилиндрической частью шейки.

Диаметр впускного цилиндра D₁ = 36 мм.

Диаметр цилиндрической части шейки d₂ = 20 мм.

Два закона описывают поведение жидкостей и газов в сужениях поперечного сечения. Закон непрерывности потока или закон неразрывности. Из-за несжимаемости жидкостей в любом месте трубопровода должен быть один и тот же расход Q. Из этого можно сделать вывод, что в маленьком поперечном сечении скорость потока жидкости должна увеличиваться. На рис. 4.3 это явление отображается векторами скорости разной длины. При сжимаемых средах, таких как газы, должен вводиться дополнительный коэффициент (коэффициент расширения ε). Однако, этот коэффициент становится заметным только начиная со скоростей потока v > 100 м/с.

Рис. 4.3. Трубопровод с различными поперечными сечениями.

A₁* v₁ = A₂* v₂, (4.2)

где A₁ – большое поперечное сечение;

v₁ – скорость потока в большом поперечном сечении трубы;

A₂ – маленькое поперечное сечение;

v₂ – скорость потока в маленьком поперечном сечении трубы.

Расход рассчитывается путем умножения поперечного сечения A и скорости потока v и является постоянным в любом месте системы трубопроводов.

Закон Бернулли.

Швейцарский математик и физик Бернулли в 1738 году сформулировал закон сохранения энергии для протекающих жидкостей и газов. Поэтому выведенное из закона уравнение для определения давления было названо его именем.

Уравнение Бернулли для определения давления:

Р_стат + Р_дин = Р₀ при Р_дин = ½ · ρ·v² → Р_стат+ ½·ρ·v² = p₀ = const (4.3)

где Р_стат – статическое давление, давление на стенку трубы;

Р_дин – давление в жидкости или, соответственно, в газе в направлении движения потока;

Р₀ – суммарное давление;

ρ – плотность жидкости или, соответственно, газа;

v – скорость потока жидкости или газа.

Степени сжатия в замкнутой системе труб иллюстрируются на рис. 4.4.

На рис. 4.4 отображен идеальный характер изменения давления вдоль трубопровода с уменьшением поперечного сечения. «Идеальный» означает, что потерями давления из-за трения пренебрегают. Уровень жидкости в стенке трубы установленных напорных труб является мерой для определения в этом месте статического давления P_стат. Если в качестве среды, в которой проводятся измерения, в трубопроводе находится газ, имеют значение те же закономерности. Однако давление в отдельных точках измерения не может регистрироваться при помощи напорных труб.

Видно, что в дросселирующем элементе происходит падение давления. В дросселирующем элементе скорость потока повышается по закону неразрывности. Однако повышенная скорость потока означает возрастание динамического давления P_дин. Так как суммарное давление p₀ постоянно, статическое давление (давление на стенку трубы) должно уменьшаться.

Рис. 4.4. Характер изменения давления вдоль трубопровода с сужением поперечного сечения.

Преимущества трубки Вентури	Недостатки	Применение
− потеря остаточного давления меньше, чем в других дроссельных устройствах; − нет износа впускного скругления.	− дорогостоящее оборудование; − большая занимаемая площадь.	в быстротекущих средах, например, в водопроводах и газопроводах низкого давления; является пригодным для давления от 0 до примерно 60 МПа и используется практически для всех диапазонов температур.

Расход Q при измерении с дроссельными устройствами может быть рассчитан по следующей формуле:

, (4.4)

где Q – расход м³/c;

α – коэффициент расхода, коэффициент расхода α указывается для дроссельных устройств производителем. Он является величиной, не имеющей размерности. Коэффициент расхода α содержит степень расширения сопла m (A₂/A₁) трубки Вентури, скорость потока v, динамическую вязкость (вязкость) и плотность среды, в которой проводятся измерения;

ε – коэффициент расширения. Коэффициент расширения ε возникает только в сжимаемых средах. Он не имеет размерности и для жидкостей имеет значение 1. В сжимаемых средах, в которых проводятся измерения, это значение отклоняется от 1 только при скоростях потока v > 100 м/с;

A₂ – диаметр дросселя в м²;

Δp – дифференциальное давление в Па;

ρ – плотность среды, в которой проводятся измерения, в кг/м³.

Термический анемометр.

От нагретого датчика (позистора) тепло отводится благодаря протекающей мимо его поверхности среде, в которой проводятся измерения. Это отведение тепла зависит от скорости потока v среды, в которой проводятся измерения, и разности температур Δ измерительного щупа ₁ и среды, в которой проводятся измерения, .

Термический измерительный щуп состоит из двух элементов – нагретого сенсорного элемента SE (позистора), который регистрирует скорость потока, и опорного элемента RE (позистора), регистрирующего температуру среды, в которой проводятся измерения, и компенсирует ее влияние.

SE и RE встроены в мостовую схему.

Применяются два различных принципа измерения:

а) измерение при постоянном токе нагрева (термоанемометр постоянного тока);

б) измерение при постоянной температуре датчика (термоанемометр постоянной температуры).

На практике (а также в схеме нашего измерительного устройства) часто используется принцип б), так как он обладает существенными преимуществами, связанными с техникой измерений. С одной стороны, датчик при прерывании потока не перегревается, и, с другой стороны, скорость реагирования измерительного устройства благодаря применению принципа регулирования в значительной степени повышается по сравнению с принципом измерения а).

Нагревательное сопротивление RH нагревает SE до температуры чувствительного элемента ₁. RE служит для измерения и компенсации температуры среды ₀ Измерительный мостик при температуре чувствительного элемента ₁ балансируется.

Если скорость потока газа изменяется, изменяется температура и, вместе с тем, сопротивление SE. Измерительный мостик разбалансируется, и в измерительном мосте возникает диагональное напряжение. Это диагональное напряжение в измерительном мостике подводится к усилителю измерительного прибора (усилитель системы регулирования с пропорционально-интегрально-дифференциальной характеристикой с предварением), который изменяет электрический ток и, вместе с тем, мощность, идущую на нагрев RH таким образом, что SE всегда остается при постоянной температуре ₁. Таким образом, мостик вновь балансируется. Измеряемый ток или, соответственно, мощность, идущая на нагрев RH вместе с тем, являются мерой для скорости потока. Принцип измерения показан рис. 4.5.

Рис. 4.5. Мост для измерения сопротивлений с сенсорным элементом SE и опорным элементом RE, а также блок-схемой измерительной электроники.

Электронный расходомер.

Электронный расходомер применяется для непосредственного измерения расхода газа. На рисунке 4.6 представлена схема прибора.

Рис. 4.6. Схема электронного расходомера.

1 – кнопка вкл/выкл прибора, 2 – дисплей, 3 – резьбовые вставки, 4 – вход питания постоянного тока, 5 – вход для потока газа, 6 – вход для интерфейса.

Принцип измерения такой же, как у термического анемометра, за исключением того, что прибор выдает значения расхода газа.

Диаметр поперечного сечения трубки для входа газа составляет 20 мм.

Другие методы измерения расхода.

Все приведенные расходомеры подходят для жидкостей и газов: поплавковый проточный расходомер, расходомерная диафрагма, расходомер Вентури, магнито-индуктивный расходомер, и др.