
книги / Теплотехнические измерения и приборы
..pdfВ. П. ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
ТРЕТЬЕ ИЗДАНИЕ. ПЕРЕРАБОТАННОЕ
Допущено Министерством высшего и сред него специального образования СССР в ка честве учебника для студентов специаль ности €Автоматизация теплоэнергетических процессов»
МОСКВА « Э Н Е Р Г И Я » 1978
31.32
П72
УДК [621.1.016.4: 536—5.08] (075.8)
Преображенский В. П.
П72 Теплотехнические измерения и приборы: Учеб ник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов». — 3-е изд., перераб. — М.: «Энергия», 1978. — 704 с., ил.
В книге рассматриваются основные методы и средства измерений, применяемые для автоматизации теплоэнергетических процессов. Осве щается методика измерения температуры, давления, расхода и других величин. Рассматриваются погрешности измерения, способы их умень шения, преимущества и недостатки отдельных методов и средств из мерений. Излагаемый в книге материал сопровождается примерами расчетов. Второе издание вышло в свет в 1953 г. Третье издание пол ностью переработано.
Книга является учебником по курсу «Теплотехнические измерения и приборы» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов».
30302-017 |
31.32 |
ПЙК«1).7в4'78 |
вП2'22 |
©Издательство «Энергия». 1978
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
измерения и приборы», |
читаемого автором в течение многих лет |
в Московском ордена |
Ленина энергетическом институте (МЭИ). |
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
агрегатов |
и тесно связанное с ними развитие технических средств |
и техники |
управления. |
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].
Исследования |
показали, |
что |
внедрение |
стандартов |
(ГОСТ 8.009-72*, |
ГОСТ 8.011-72) |
на |
новую систему нормирова |
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.
о- ----------------- Р А З Д Е Л П Е Р В Ы Й -------------- |
■ô |
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ |
|
Г Л А В А П Е Р В А Я |
|
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ |
|
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
стым соотношением |
|
x = z. |
(1-1*2) |
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
y = f(xlt |
х2, хз...), |
(1-1-3) |
где xlt х2...'— значения величин, |
измеряемых |
прямым способом. |
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-