ЭМИ - Лекции / Лекции Уст-1-ЭМИ-2009

Лекция 1.

Экспериментальные методы исследования.

Введение.

Дисциплина рассчитана на 1 семестр.

Она включает лекции - 2 часа в неделю. Курс содержит следующие разделы:

а) предмет, терминология и методические положения, используемые в ЭМИ;

б) общие характеристики средств измерения;

в) общие характеристики методов измерений;

г) методы измерения;

д) связь метода измерения и погрешности измеряемой величины;

е) связь метода измерения со стандартизацией и метрологией

ж) связь метода измерения с инженерными и исследовательскими задачами, а также с патентной экспертизой

Лабораторные работы.

Четыре работы на стендах каф. ИТФ.

Встреча со старостами (распределение по подгруппам, получение методических пособий для лаб. работ).

Расписание:

Лабораторные работы (Т 207, Т-409)

ТФ 9 Буринский Пятница (I) 9-20

ТФ 10 Буринский Пятница (II) 9-20

ТФ 11 Мирошниченко Пятница (I) 13-45

ТФ 12 Устюжанин Пятница (II) 13-45

ТФ 13 Захарова Понедельник (II) 9-20

ТФ 14 Захарова Понедельник (I) 9-20

Лаб. Работа №1 «Методы измерения расхода» (Методическое пособие № 4)

Лаб. Работа №2 «Методы измерения температуры с помощью терморезистора и термопары» (Методическое пособие № 2)

Лаб. Работа №3 «Методы измерения давления» (Методическое пособие № 3)

Лаб. Работа №4 «Методы измерения температуры в нестационарных условиях» (Методическое пособие № 7)

Консультации по курсовой работе.

Дисциплина предусматривает Курсовую работу. Задание будет предложено в середине октября. Консультации по курсовой работе проводят преподаватели каф ИТФ. К Курсовой работе необходимо самостоятельно проработать материал по лекциям и указанной литературе.

В семестре выставляется зачет с оценкой по результатам Курсовой работы и лабораторным работам.

Имеется раздаточный материал – конспект разделов курса.

Преподаватели: специалисты каф. ИТФ

Литература.

1. Буринский В.В., Измерения и обработка результатов, М., МНЭПУ, 2000, 156 с.

2. Преображнский В.П., Теплотехнические измерения и приборы. 3-е издание. Москва, Изд. Энергия, 1978 год, 704 стр.

3. Иванова Г.М.,Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы. Переработанное издание. Москва, Изд. Энергия, 2008 год, 304 стр.

4. Рабинович С.Г., Погрешность измерений. – Ленинград, Изд. Энергия. 1978г.,- 262 с.

5. Н.Г. Назаров, Метрология, М., Изд. Высшая школа, 2002, 348 с.

6. Виноградова, Гайдученко, Свиридов и др. Основы построения информационно-измерительных систем. М., Изд. МЭИ, 2004

7. Сычев Е.И. Основы метрологии военной техники. М. Воениздат, 1993

8. Комов А.Т., Федорович С.Д. Методы получения и измерения высокого и сверхвысокого вакуума. М. Изд-во МЭИ, 2000, 63 с.

9. Пипко А.Б. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. М. Энергия,1970, 504 с.

10. Розанов Л.Н. Вакуумная техника М.: Высш. Шк. 1990, 320 с.

Лекция №1

Курс рассчитан на обеспечение следующего вида инженерной деятельности. Рассмотрим техническое устройство (экспериментальная установка или технологическая линия), которая:

а) состоит из нескольких блоков,

б) содержит циркулирующее рабочее тело,

в) содержит средства измерения для свойств рабочего тела (Р,Т и др.), которые меняются при переходе от блока к блоку).

Рис. 1. Техническое устройство и средства измерения

Квадраты – средства измерения (СИ) для определения значений свойств ({T_i, P_i}, C,G,Х), Р.Т. – рабочее тело,

Блок 1, Блок 2 и т.д. – части установки.

Техническая задача, стоящая перед оператором (инженер, исследователь) имеет следующее содержание: получить экспериментальным путем информацию о свойствах рабочего тела

Q = {T,P,C,G.Х....},

где Т – температура, Р – давление, С – концентрация компонентов, состав, G - расход рабочего тела, Х – некоторое свойство.

A={A_i}=({T_i,P_i…) – действительные значения теплофизических свойств параметров рабочего тела (вещества), рабочей среды. В их число входят величины параметров состояния рабочего тела T и P.

Подчеркнем определения и термины:

а) Рабочее тело (Р.Т.), исследуемое вещество, рабочая среда.

б) Свойства, Q, среди них параметры состояния P и T рабочего тела.

в) Действительные значения свойств, {A_i}.

г) Измерение свойства А, экспериментальный путь определения А, экспериментальное определение А.

д) Средства измерения.

Этапы решения задачи включают:

1. Выбор метода измерения (исследования) заданного свойства, Q.

2. Выбор средства измерения или аппаратурного воплощения метода измерения.

3. Измерение свойств Q = {Q_i}, то есть определение численных значений, _, при взаимодействии Р.Т., СИ и оператора

{Q_i}  _. 

Операция (1) осуществляется в соответствии с некоторым методом измерения.

Подчеркнем упомянутые определения и термины:

1. Метод исследования (измерения).

2. Средства измерения:

а) датчик, первичный прибор, преобразователь

б) вторичный прибор,

Выбор метода относится к теоретической части решения задачи. Метод тесно связан с физическими явлениями и процессами, которые происходят в зоне контакта (К) при взаимодействии СИ и Р.Т.

Общая схема экспериментальной установки, средств измерения и регистрирующих устройств дана на Рис. 2.

Рис. 2. Техническое устройство, средства измерения и регистрирующие устройства

Квадраты – датчики для определения значений свойств

Q = ({T_i, P_i}, C, G, Х),

Р.Т. – рабочее тело,

Блок 1, Блок 2 и т.д. – части установки, ЛС – линии связи,

Д – датчики давления (P_i), температуры (T_i), состава (C), расхода (G), свойства (Х),

КС – кондиционер сигналов,

ПИ – подсистема измерения,

ЭВМ – компьютер, адаптированный для: 1) измерения сигналов, 2) записи сигналов и 3) управления установкой,

П – оператор (пользователь).

Рис. 3. Схема средства измерения (СИ) для пояснения термина «метод исследования»

Р.Т. – рабочее тело, D – дисплей, устройство отсчета, К – зона контакта, (α_i) – действия, (ß_i) – первичные параметры, 1,2,3,4 – ручки управления.

Метод представляет собой совокупность действий (α_i), которые производятся средством измерения и оператором при взаимодействии СИ и Р.Т. с целью получения (ß_i) – значений первичных параметров Последние должны быть подставлены в расчетное уравнение, с использованием которого вычисляют результат А.

Расчетное уравнение можно представить в форме

А = f(ß). (2)

На этом этапе мы говорим о термине «измерение», понимая под ним:

а) познавательный процесс, который дает численную информацию о свойстве Q;

б) экспериментальное исследование, эксперимент, в котором взаимодействуют СИ, Р.Т. и оператор.

Термин «измерение».

Измерение представляет собой познавательный процесс, в котором экспериментально определяется численное отношение А между исследуемым свойством Q и однородным свойством U, принятым за единицу измерения.

Измерение дает результат в виде числа А, которое входит в уравнение измерения заданного свойства Q

Q=AU, (3)

где Q – измеряемое свойство (величина), A – числовое значение свойства, U – единица измерения, эталон.

Модель реального СИ можно представить в виде

Рис. 4. Модель реального СИ

Х – входной сигнал,

Y – выходной сигнал.

Измерение дает число y, если рассмотреть модель реального СИ (Рис. 4) в виде

у = х/[x], (4)

где [x] – эталон,

х – входной сигнал.

Примеры.

На нескольких примерах СИ проследим связи между характеристиками физического явления, которое реализуется в СИ, и методом измерения, а также выявим путь преобразования свойства Q в некоторое значение A.

Примера 1. Выберем поршневой манометр в качестве Примера 1. Это СИ предназначено для определения свойства Q = P_изб или избыточного давления в Р.Т. ( жидкость или газ).

Рис. 3. Поршневой манометр.

П – невесомый поршень, M – груз,

F – сила, действующая на поршень со стороны груза,

S - площадь поршня, F_p – сила, действующая на поршень снизу, В – атмосферное давление.

Силу F_p, действующую на поршень со стороны Р.Т., можно рассчитать, если привлечь определение давления из физики

P = F_p /S . (5)

Из (5) получаем соотношение

F_p = PS.

Силу, действующую на поршень со стороны груза массой М, можно определить по закону Ньютона

F = Мg, (6)

где g – ускорение свободного падения, М – масса груза.

В состоянии равновесия (физический закон: сумма сил, действующих на поршень, равна нулю) выполняется условие

F + В S =PS, (7)

где В – атмосферное давление.

Из (7) получаем выражение для избыточного давления

P_изб = P – В = (Mg)/S. (8)

Из (7) следует, что при рассмотренных условиях (контакт поршня и Р.Т., равновесие поршня) численные значения ß₁ = М , ß₂= S и ß₃ = g позволяют рассчитать значение А = P_изб. Физическая зависимость (8), полученная для поршневого манометра, позволяет сформулировать действия:

α₁ → создать равновесие поршня и Р.Т.,

α₂ → измерить M,

α₃ → измерить S,

α₄ → измерить g.

Количество этих действий является необходимым и достаточным, чтобы получить первичные данные, ß₁, ß₂, ß₃ для вычисления А. В этих условиях зависимость (8) можно использовать как расчетное уравнение А = f(ß) для вычисления P_изб.

Подчеркнем упомянутые определения и термины:

а) единица измерения, U,

б) расчетное уравнение,

в) первичные параметры, М,S,g, которые были получены в процессе измерения.

Рассмотрим пример измерения давления с помощью поршневого манометра. Выберем единицу давления

[P] = U₁ =1 кгс/см² = (техническая атмосфера).

Создадим в эксперименте избыточное давление в рабочем веществе P_изб = 1 кгс/см². На поршень поместим груз, измерение массы которого дало М = 1 кг. Измерим площадь поршня, и это определение дает S = 1 см². Измерим g, и это определение дает g = 9.80665 м/c². Соединим манометр с рабочим веществом. В этом случае по определению сила тяжести представляется как

F = 1 кгс = 1 килограмм силы = 1 техническая атмосфера.

В этом случае поршень будет находиться в равновесии.

Значение свойства Р_изб определяется по измеренным величинам М, S и g в виде

P_изб = F/S = 1 кгс/1см² = 1 техн. атм. (9)

Привлечем уравнение измерения:

P_изб = Q = A₁U₁= 1 техн. атм., А₁ = 1, U₁ = 1 техн. атм. (10)

Каким будет давление, если в качестве единицы измерения взять 1 Па (Паскаль)? В этом случае

[P] = U₂ = 1 Па.

Запишем соотношения, соответствующие тому, что величина свойства P является независимой от единицы измерения

P Q = A₁U₁, P Q = A₂ U₂ . (11)

Уравнение перевода единиц измерения имеет вид

= (12)

Выберем Ньютон в качестве единицы силы и выполним переход от U₁ = 1 техн. атм. к U₂ = 1 Па последовательным переводом единиц измерения для первичных данных

P = (Mg) / S = (1кг * 9.80665м) / (1c ² *1см² ) = 1 техн. атм =

= ( 1кг * 9.80665м) / (1c ² *10^-4 м²) = 98066.5 Н / м² = 98066.5 Па.

Отношение единиц давления выражается как

= 1(техн. атм) / (1Па) = 98066.5 ≈10⁵

Следовательно, численное значение давления меняется при переходе от одной единицы давления к другой.

Отметим действия, реализуемые в методе:

а) привели поршень в контакт с Р.Т., б) добились равновесия поршня.

Эти действия называются режимными: они не связаны с получением численной информации, но необходимы для реализации метода.

Другие действия – измерительные – связаны с получением численных значений:

в) измерили массу M – подсчитали сумму разновесов при определении массы груза, б) измерили площадь S поршня и т.п.

Отметим исследователя (оператора, наблюдателя, пользователя), который участвует в реализации метода.

Отметим средство измерения – поршневой манометр, который позволил благодаря своей конструкции: а) создать необходимые воздействия на среду и б) измерить искомое свойство.