Лекция 1.

Курс «Экспериментальные методы исследования»

Введение

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

а) состоит из нескольких блоков (Блок 1, Блок 2 и др. – Рис. 1),

б) содержит циркулирующее рабочее тело,

в) содержит средства измерения, которые служат для определения свойств рабочего тела (Р - давление, Т – температура и др.); свойства (Р, Т) меняют свои значения при переходе от блока к блоку.

Нами отобраны для анализа методы и средства измерения, которые распространены в теплофизике, криотехнике и энергетике.

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), который работает (снимает показания СИ) с техническим устройством имеет следующее содержание: получить экспериментальным путем информацию о свойствах рабочего тела Q в виде

Q = (T,P,C,G, Х....),

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

Введем параметр A = (A_i) = (T_i,P_i,C_i … Х_i…) – действительное значение теплофизического свойства рабочего тела (вещество, рабочая среда). В число (A_i) 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) значения свойства A},

г) измерение свойства А, экспериментальный путь определения А, экспериментальное определение А,

д) средства измерения.

Этапы решения задачи включают:

0. а) выбор метода измерения или исследования заданного свойства, Q,

1. б) выбор средства измерения или аппаратурного воплощения метода измерения.

2. в) измерение свойства Q, то есть определение численного значения, , при взаимодействии рабочего тела, то есть установление численной связи

Q  . 

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

Подчеркнем упомянутые определения и термины:

0. 1) метод исследования или измерения,

1. 2) средства измерения:

а) датчик (первичный прибор, преобразователь),

б) датчик и вторичный прибор,

в) измеритель.

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, включающая экспериментальную установку, средства измерения и средства автоматизации измерений дана на Рис. 2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки, средств измерения и средств автоматизации

Квадраты Д – датчики, по которым оператор определяет/считывает значений свойств

Q = ({T_i, P_i}, C_i, G_i, Х_i), где давления (P_i) - давления, (T_i) - температуры, C - состав, G - расход, Х – некоторое свойство,

Р.Т. – рабочее тело,

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

КС – кондиционер сигналов (устройство, преобразующее сигнал к заданному условию (форма, величина и т.д.))

ПИ – подсистема измерения,

ЭВМ – компьютер, адаптированный для: 1) измерения сигналов, 2) записи сигналов и 3) управления установкой (линии связи для управления установкой не показаны, блоки управления не показаны),

П – оператор (пользователь, клиент).

Метод представляет собой совокупность приемов использования различных физических принципов и средств измерения (базовая формулировка, ГОСТ 16262 - 70).

Принцип измерения это есть физическое явление или эффект, на котором основано измерение заданного свойства. Примеры приемов использования физических принципов представляют собой использование:

а) силы тяжести при измерении массы при взвешивании на рычажных весах; силы тяжести, действующие на тело и гири, находятся в равновесии,

б) эффекта Доплера при измерении скорости,

в) термоэлектрического эффекта Зеебека для определения температуры Р.Т.,

г) спектральных характеристик оптического излучения для определения высоких температур Р.Т.,

д) поворот пружины Бурдона под действием внутреннего давления для определения давления Р.Т.,

е) поворот катушки с током в магнитном поле для измерения силы тока.

Всего в метрологии, физике и измерительной технике известно около 1500 различных принципов/ эффектов.

Рабочая формула метода

Метод измерения свойства Q представляет собой совокупность действий (α_i), которые производятся средством измерения и оператором при взаимодействии СИ и Р.Т. с целью получения первичных параметров (ß_i); значения (ß_i) должны быть подставлены в расчетное уравнение метода, с использованием которого вычисляют результат А или значение свойства Q.

Расчетное уравнение метода можно представить в форме

А = f(ß). (2)

На Рис. 3 дана схема для пояснения термина «метод исследования.

Рис. 3. Схема 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/тумблеры управления,

Q – свойство, Р.Т. – рабочее тело.

Термин «измерение»

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

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

2) экспериментальное исследование, эксперимент, в котором:

а) взаимодействуют СИ, Р.Т. и оператор,

б) получают численную информацию А о свойстве Q;

Измерение дает численное отношение А между исследуемым свойством Q и однородным свойством U, принятым за единицу измерения. Значение А входит в «уравнение измерения» для заданного свойства Q

Q = AU, (3)

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

Модель реального СИ можно представить графически (Рис. 4)

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., представляющем собой жидкость или газ.

Рис. 5. Поршневой манометр.

П – невесомый поршень, M – груз - разновес,

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)