Методы и средства измерений и контроля. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов направления подготовки 27.03.01 – Стандартизация и метрол

товым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.

8.4.Люминесцентный метод измерения температуры

Воснове люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях.

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Несмотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ использования подобных датчиков на практике. Это прежде всего безиндукционность, малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т. д.

8.4.1. Датчик на основе теплового излучения

В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики на основе теплового излучения, принцип действия которых состоит в следующем: изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне волн.

Основным преимуществом данного способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в пределах от 400 до 2000 °С.

При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.

8.4.2. Датчик на основе поглощения света полупроводником

Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптических свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн (около 3 нм/К). При подаче на полупроводниковый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в

51

окрестности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. По выходному сигналу детектора указанным методом можно регистрировать температуру. Используя данный метод, можно мерить температуру в интервале от 30 до 300 °С с погрешностью ±0,5 °С.

8.4.3. Датчик на основе флуоресценции

Данный датчик устроен следующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой длиной волны, слабо зависящего от температуры.

Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200 °С с погрешностью ±0,1 °С.

8.5.Тепловые свойства текстильных материалов

Ктекстильным материалам в зависимости от их назначения предъявляют различные требования относительно тепловых свойств. Достаточно упомянуть летнюю и зимнюю одежду, защищающую от агрессивных сред, материалы, применяющиеся для палаток, полотнах для дорог, обивок стен и др.

Основными тепловыми свойствами текстильных материалов можно считать теплостойкость, морозостойкость и огнестойкость. Все эти свойства обусловлены переносом энергии теплового движения микрочастиц между слоями с градиентом температуры.

Теплопроводность оценивается коэффициентами теплопроводности, коэффициентом теплопередачи, тепловым сопротивлением и удельным тепловым сопротивлением. Все тепловые характеристики зависят от многих факторов: волокнистого состава, структуры, влажности, конвекции, давления и др.

Показатели теплозащитных свойств текстильных материалов и волокон определяются методами стационарного и регулярного режимов с применением специально разработанных установок.

9.Методы измерения количества вещества

Для химиков-технологов необходимы количественные меры оценки количества, содержания, концентрации компонентов в растворах и смесях.

В настоящее время имеет место расхождение во мнении специалистов об однозначном определении количества вещества только числом молей (количество вещества пропорциональное одному молю вещества). Многие специалисты ссылаются на Международную систему единиц измерений, где понятие количества вещества представлено только в виде моля в разделе молекулярная физика и термодинамика.

52

Основные единицы – масса и метр представлены как фундаментальные, они позволяют вычислять такие производные единицы, как объём и площадь, которые представлены в разделе механические величины. Однако, как показывает аналитическая практика, целесообразно признать равноправными три способа измерения количества вещества, которые представлены в табл. 9.1:

1.поштучное измерение одинаковых объектов моль;

2.измерение массы объекта – килограмм;

3.измерение размеров объекта в пространстве – литр (кубический метр и две вырожденные единицы - квадратный метр и метр).

То есть количество вещества может быть измерено как поштучно, так и выражено через массу или объем, занимаемый в пространстве в определенных условиях.

Признание равенства вышеуказанных способов измерения количества вещества позволяет определить концентрацию вещества как количество анализируемого вещества в стандартизованном количестве объекта, что позволяет считать равноправными три основных (и других) размерностей концентрации: моль/л, г/мл, % (массовые, мольные, объёмные доли) и равноправно их пересчитывать по соответствующим формулам. Иначе, правомерным следует признать только концентрацию, представленную в мольных долях.

При условии определения понятия содержание вещества как количества вещества в объекте в целом появляется возможность однозначно формализовать вышеуказанные понятия на языке математики и использовать их при экспертизе результатов анализа и оценке методов и методик анализа с помощью ЭВМ.

Та б л и ц а 9.1. Способы измерения количества вещества

1Масса, кг (г, мкг, нг ...)

2Объем (площадь, длина), л (мл, м3..., м2..., м ...)

Поштучное измерение (число одинаковых единиц), штук (шт.). Моль – 6,02 · 1023 шт.

3(атомов, молекул, фотонов и т. д.). Масса 1 моля вещества численно равна М (А) у. е. Количество вещества, кратное одному молю – число молей

Существуют способы выражения концентраций: массовая, объемная, молярная, титр раствора, представленные в таблице 9.2. Так как не все элементы образуют химические соединения в отношении 1 : 1, приходится вводить кроме моля понятие молярной массы эквивалента М(1/Z). М(1/Z) – количество вещества, которое способно к взаимодействию с одним молем атомов водорода, так как атом водорода всегда одновалентен:

где Z – фактор эквивалентности, зависящий от конкретной реакции.

53

Т а б л и ц а 9.2. Способы выражения концентрации веществ

Необходимо отметить, что на производстве встречаются (применяемые на производстве) способы выражения концентрации веществ, как г/м2 (СAg в фото-

пленке), г/м3 (СAg в сточных водах).

Информационная технология в метрологии основывается на программах по обработке результатов измерений и экспертных программах по сортировке, оценке результатов измерений. Проведение измерений включает обширную методическую, фактическую, теоретическую и справочную информацию. Проблема интенсивного применения необходимой для проведения измерений всесторонней информации может быть эффективно решена при использовании экспертных систем и электронных учебников, при этом проводится большое количество расчетов, оценок, отбора справочной, фактической и теоретической информации из базы данных.

10. Измерения силы света, освещённости и оптических характеристик тканей

Яркость света или световой поток измеряется люменах (лм, lm) и обозначается буквой Ф. Эту величину сложно описать физически, гораздо проще представить себе, что световой поток Ф падает на какую-либо поверхность S и освещает её. Освещенность такой поверхности измеряется в люксах (лк, lx) и обозначается буквой Е.

Это означает, что 1 люкс равен 1 люмен, деленный на 1 квадратный метр. Примеры освещенности в природе:

Полнолунная ночь – освещенность Земли = 1 лк. Осенний пасмурный день – освещенность Земли = 100 лк. Ясный солнечный день в тени – освещенность Земли = 10 000–25 000 лк. Под прямым солнцем – освещенность Земли = 32 000–130 000 лк.

Приборы, измеряющие освещённость, называются люксметры. В основе принципа действия люксметров лежит явление фотоэффекта. Падающий свет создаёт фототок, величина которого пропорциональна освещённости. Шкала прибора, измеряющего фототок, проградуирована в единицах освещённости.

54

10.1. Электрическое освещение

При проектировании зданий и сооружений необходимо учитывать освещенность помещений, в которых будут постоянно пребывать люди. Особенно важна освещенность в детских учреждениях (детских садах и школах), больницах, кабинетах и т. п. Это связано с напряженной зрительной работой, которую будут производить люди в этих помещениях.

Освещение помещений бывает естественное и искусственное. Естественное освещение – это освещение помещения через окна.

Искусственное освещение в современном мире осуществляется при помощи электричества. в средние века преобладали газовые светильники, светильники на жидком топливе, свечи и лучины. Искусственное освещение делится на 3 вида:

1. Рабочее (общее) освещение – это основное освещение, которое обеспечивает нормальные условия для нахождения человека в помещении. Под нормальными понимаются условия жизнедеятельности человека, при которых он не напрягает зрение, чтобы выполнить любое действие, для которого данное помещение предназначено.

Например, чтобы прочитать мелкий текст на упаковке товара, необходима освещенность не ниже 300 люкс, что и предусмотрено в строительных нормах РФ. Документ, подробно описывающий нормы освещенности, называется СНиП 23-05-95.

Особенно важно учитывать нормы освещенности в помещениях, где люди длительно выполняют напряженную зрительную работу. На рабочих местах с таким видом работ необходимо предусматривать дополнительное местное освещение. Источниками света в современных светильниках являются четыре основных вида ламп:

1)лампы накаливания – это самый простой прибор, преобразующий электрическую энергию в световую путем обычного нагревания вольфрамовой спирали;

2)газоразрядные лампы – к этой категории относятся лампы в основе которых лежит свет, производимый электрическим разрядом в газе или парах металла. Данные светильники занимают преобладающие позиции среди осветительных приборов. Виды таких ламп отличаются многообразием: это и "энергосберегающие" лампы, активно используемые в последнее время;

3)ртутные лампы типа ДРЛ, используемые в прожекторах, и лампы уличного освещения (натриевые ДНаТ) и многие другие.

Светодиодные лампы – новое и перспективное развитие осветительных приборов, связанное с появлением сверхярких светодиодов.

В таком разнообразии несложно заблудиться. Попробуем провести сравнение столь разных источников света. Основным параметром будем считать эффективность источника света, то есть, сколько света он производит, потребив 1 Ватт электроэнергии (лм/Вт).

55

Из табл. 10.1 видно, что лампа накаливания безнадежно проигрывает остальным источникам освещения. Однако не стоит забывать про качество светового потока – оптимальным для восприятия человеческого глаза считается солнечный свет. Лампа накаливания производит спектр света, который наиболее близок к солнечному.

2.Аварийное освещение – это освещение, которое предназначено для того, чтобы безопасно завершить производственный процесс (освещение безопасности) или эвакуироваться из здания или помещения (эвакуационное освещение) в случае отключения основного освещения.

3.Охранное и дежурное освещение в комментариях не нуждаются, так как все понятно из названия.

10.2. Оптические характеристики тканей

Любой материал, прежде всего, оценивается сначала визуально, и только потом оцениваются его физические характеристики. Особенно важно это обстоятельство для одежды, покрытий и обивок. Оптические свойства дают возможность оценить внешнее качество изделия, его применимость к тем или иным условиям, обезопасить пешеходов в тёмное время суток при движении, а также регулировать теплопередачу от среды к телу, или наоборот. Основными свойствами можно считать цвет, блеск и прозрачность.

Цвет текстильных изделий может быть ахроматическим или хроматическим. При равномерном поглощении света имеют место ахроматические цвета: белый – при полном отражении, чёрный – при полном поглощении или серый – при частичном поглощении. Все эти цвета различаются коэффициентами отражения и поглощения.

Хроматические цвета определяются зависимостью коэффициента отражения от длины волны, причём возможно отражение одновременно нескольких длин волн, что обусловливает гамму цветов. Окраску тканей или цветовой тон обусловливает также и интенсивность отражения разных длин волн.

Одним из важнейших показателей качества белых текстильных материалов и изделий из них является белизна. В понятие белизны обычно вкладывается ощущение цвета белой поверхности, от которой хорошо рассеивается падающий световой поток. Белыми поверхностями принято считать поверхности с высоким коэффициентом отражения со слабовыраженным селективным поглощением. С этой целью белизну тканей повышают путём химического и физического воздействий: белением, мытьём, чисткой, пигментарной окраской и применением отбеливающих веществ.

56

Свойство прозрачности текстильных полотен связано с ощущением проходящего через полотно светового потока, что даёт представление о глубине наблюдаемого материала. Прозрачность существенно зависит от поверхностного заполнения, переплетения, прозрачности волокон и нитей.

11. Методы измерения давления. Метод определения шумоизоляционных свойств тканей и других материалов

Давление – наиболее распространенный измеряемый параметр. Без измерения давления сжигаемого газа невозможна безопасная работа газотопливного хозяйства. В котельных установках измеряют давление пара в барабане, по которому контролируют эффективность сжигания топлива и теплоотдачи к трубам в топке, а также безопасность работы котельного оборудования, давление перегретого первичного и вторичного пара для определения экономичности работы энергоблока, отложений солей на внутренней поверхности трубопроводов.

Для оценки работоспособности насосов и вентиляторов измеряют давление питательной воды, пара для эжекторов и продувки форсунок, воздуха после воздухоподогревателя, т. е. во всех напорных линиях трубопроводов, и разрежение дымовых газов в верхней части топки, вакуум в конденсаторе турбины.

Давление как физическая величина определяется в виде энергии вещества (жидкость или газ), отнесенной к единице объема, и является наряду с температурой основным параметром его физического состояния. Воздействие давления вещества на внешний объект проявляется в виде силы F, действующей на единицу площади S, т. е. Р = F/S.

ВСИ за единицу давления принят Паскаль (Па). Паскаль – давление силы

водин Ньютон на площадь в один квадратный метр (Па = 1 Н/м2). Широко применяют кратные единицы кПа и МПа.

При измерениях различают абсолютное Рабс, вакуумметрическое Рв и избыточное Ри давления. Под абсолютным давлением понимается полное

давление, которое равно сумме атмосферного и избыточного:

Вакуумметрическое давление ниже атмосферного:

Приборы давления в зависимости от измеряемой величины разделяют на манометры, для измерения избыточного или абсолютного давления; барометры, для измерения атмосферного давления; вакуумметры, для измерения вакуумметрического давления.

Манометры, предназначенные для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа), называют напоромерами, а предназначенные для измерения малых вакуумметрических давлений (до 40 кПа) – тягомерами.

57

Приборы давления, которые имеют двустороннюю шкалу с пределами измерения ±20 кПа, называют тягонапоромерами, причём значение нуль на шкале соответствует атмосферному давлению. Для измерения разности давлений используют дифференциальные манометры.

По принципу действия чувствительного элемента приборы для измерения давления разделяют на жидкостные, деформационные, грузопоршневые и электрические. В качестве образцовых, по которым осуществляется поверка рабочих приборов, применяют грузопоршневые манометры.

Передача сигнала, получаемого от чувствительного элемента первичного преобразователя к вторичным автоматическим приборам, осуществляется либо механически в показывающих приборах, либо с помощью преобразователей.

11.1.Жидкостные приборы давления

Вжидкостных приборах давления измеряемая величина компенсируется столбом жидкости, отнесенным к единице его поперечного сечения. В основу действия таких приборов положен метод сообщающихся сосудов.

Жидкостные приборы давления используют в качестве манометров для измерения давления неагрессивных газов вплоть до 0,1 МПа, тягомеров для измерения разрежения Рв до 7000 Па, вакуумметров для измерения вакуума Рвдо 0,1 МПа и дифференциальных манометров для измерения разности давлений неагрессивных жидкостей, паров и газов до 0,07 МПа.

Их применяют в качестве приборов, устанавливаемых по месту эксплуатации отдельных узлов оборудования или на площадках обслуживания, а также

вкачестве образцовых при поверке рабочих приборов, рассчитанных на те же диапазоны измерения давления, разрежения или разности давлений.

Прибор представляет собой изогнутую стеклянную трубку, заполненную до половины жидкостью водой или ртутью. Трубку закрепляют по отвесу вертикально на твердом основании и по ее высоте наносят шкалу в миллиметрах. Измеряемая величина уравновешивается и определяется столбом рабочей жидкости. При измерении давления или разрежения один конец трубки оставляют открытым, а другой соединяют с объектом измерения, а при измерении разности давлений к обоим концам трубки подводят измеряемые давления.

Результат измерения давления обычно выражается в миллиметрах водяного или ртутного столба. Для получения давления в Паскалях используют формулу Р = hgρ, где g – местное ускорение свободного падения; ρ – плотность рабочей жидкости.

При измерении давления U-образным манометром возможны погрешности: из-за отклонения значений ускорения g и плотности р от расчетных; ошибок в считывании показаний высоты столба рабочей жидкости.

Вкачестве образцовых или лабораторных средств измерений давления в диапазоне от 10-1 до 1023 Па используют грузопоршневые манометры с классами точности 0,02; 0,05, которые также работают по методу сообщающихся сосудов.

58

Высокая точность воспроизведения и измерения давления в этих манометрах определяется высокой точностью заданной массы грузов и площади поперечного сечения поршня.

Принцип действия барометров основан на уравновешивании атмосферного давления давлением ртутного столба, заключенного в барометрической: трубке. Погрешность считывания в этих приборах не превышает ±0,1 мм.

11.2. Приборы для измерения давления с упругой деформацией

Приборы для измерения давления, основанные на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемой величины, широко применяют в диапазоне от 50 Па до 1000 МПа. Деформация или сила, пропорциональная давлению, преобразуется в показания прибора или в изменения выходного сигнала. Такие приборы изготовляют в виде тягомеров, напоромеров, манометров и _вакуумметров.

В качестве упругих чувствительных элементов приборов для измерения давления применяют мембраны (рис. 11.1, а, б), мембранные коробки (рис. 11.1, в), сильфоны (рис. 11.1, г), трубчатые пружины (рис.11.1, д). Мембраны, мембранные коробки и сильфоны используют также и в дифманометрах.

д

в

Рис. 11.1 Упругие чувствительные элементы приборов для измерения давления: а, б – мембраны; в – мембранная коробка; г – сильфон; д – трубчатая пружина; е – чувствительный элемент прибора

Чувствительный элемент прибора характеризуется зависимостью перемещения его рабочей точки Х от действующего давления или разности давлений Р (рис. 11.1, е). Обычно эту зависимость в приборе стремятся получить линейной, для чего используют прочные сплавы цветных металлов с высоким модулем упругости. С ростом измеряемого давления упругие деформации перейдут в пластические и зависимость Х от Р станет нелинейной.

При эксплуатации приборов давления зона упругих деформаций может уменьшиться из-за повышения температуры окружающей среды, поэтому первичные приборы приходится размещать вдали от горячих объектов.

59

Кроме того, с течением времени из-за циклических нагрузок под действием давления упругие свойства чувствительных элементов утрачиваются и накапливаются пластические деформации. Таким образом, оба эти фактора отрицательно влияют на надежность чувствительных элементов приборов давления, что необходимо учитывать при их эксплуатации.

Рассмотрим подробнее приборы для измерения давления с различными упругими чувствительными элементами. Манометры с трубчатой пружиной в большинстве случаев являются приборами, в которых измеряемое давление последовательно преобразуется в перемещение незакрепленного конца пружины и связанного с ним показывающего, регистрирующего, сигнализирующего устройства (в первичных приборах) или преобразователем давления в унифицированный электрический сигнал.

Принцип действия манометров с трубчатой пружиной показан на рис. 11.1, б и 11.1, е, где изображен манометр МТ. Чувствительный элемент манометра выполнен в виде полой одновитковой трубчатой пружины, центральная ось которой представляет собой дугу окружности с углом 200–270°. Один конец пружины закреплён, а второй может перемещаться. Сечение трубчатых пружин может быть в виде эллипсоида (пружина Бурдона) или плоскоовальное.

При подаче в трубку давления сечение деформируется, и пружина стремится распрямиться, перемещаясь в направлении величины Х. Ее чувствительность тем больше, чем меньше толщина стенки сечения.

В пружинных манометрах применяют также пневматические преобразователи, позволяющие получать на выходе унифицированный сигнал по давлению воздуха.

Рис. 11.2. Устройство манометра с одновитковой пружиной: 1 – стрелка; 2 – пружина; 3 – штуцер

Разновидностью приборов для измерения давления с упругой пружиной в качестве чувствительного элемента являются колокольные дифманометры, предназначенные для дистанционного измерения разности давлений, избыточного и вакуумметрического давлений. В другой группе приборов для измерения давления чувствительные элементы выполняют в виде сильфона.

Самыми разнообразными по конструкции чувствительных элементов являются приборы с мембранными элементами. Плоская мембрана представляет

60