Дембовский В.В. Технологические измерения и приборы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

В.В. Дембовский

Технологические измерения и приборы

в металлургии

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2004

УДК [658. 52. 011. 56: 651. 51: 621.741] (035)

Утверждено редакционно-издательским советом университета

Дембовский В.В. Технологические измерения и приборы в ме-

таллургии: Учеб. пособие. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 70 с.

Описаны методы и средства измерения ряда физических вели-

чин, характеризующих протекание важнейших технологических

процессов в металлургии и литейном производстве. Информация о

результатах этих измерений используется для управления произ-

водственных процессов, а также при научных исследованиях и про-

ектировании. В то же время, средства измерения являются важным

компонентом систем автоматического (автоматизированного) уп-

равления металлургическим и литейным производством.

Учеб. пособие предназначено для студентов специальности

110400 – литейное производство черных и цветных металлов по

направлению 651300 – металлургия и для бакалавров по на-

правлению 521300 – металлургия.

Рецензенты:

1.Кафедра металлургии и литейного производства Северо-

Западного государственного заочного технического университета

(заведующий кафедрой А.А. Яценко, канд. техн. наук, доц.),

2. С.С.Ткаченко, генеральный директор ПТИЛитпром, заслужен-

ный металлург Российской Федерации, докт. техн. наук,

3. Р.В.Сулягин, зам.директора Научно – исследовательского

центра ТК “ОМЗ – Ижора”, канд. техн. наук.

университет, 2004.

Предисловие

В учебном пособии систематизированы сведения о методах из-

мерений в металлургии и литейном производстве, описаны схемно-

конструктивные решения в области контрольно-измерительной тех-

ники, применяемой в металлургических и литейных цехах. При этом

особое внимание уделено методикам измерений важнейших физи-

ко-химических величин, принципам действия средств измерения и

особенностям их применения для информационного обеспечения

процессов плавки и рафинирования металлов (сплавов), а также

изготовления отливок различного назначения.

Информационная техника как общепромышленного, так и специ-

ального назначения включает в себя широкую гамму датчиков, пре-

образователей, вторичных измерительных приборов, систем дис-

танционной передачи результатов измерения.

Для удовлетворения потребности производства в получении,

преобразований, передаче и обработке информации разработана

[1] государственная система промышленных приборов и средств

автоматизации (ГСП). Основными принципами этой системы явля-

ется унификация входных и выходных сигналов, применение блоч-

но-модульного исполнения элементов системы, обеспечивающей

возможность построения информационно-измерительных и управ-

ляющих систем по агрегатному принципу.

Следует подчеркнуть, что к эксплуатации допускаются лишь те

средства применения, которые прошли Государственную поверку

согласно действующим стандартам.

1. Основные сведения о погрешностях измерения

Практически ни одна из физических величин за исключением

дискретных не может быть измерена абсолютно точно, и имеет ме-

сто погрешность измерения:

′

Δ=xx-x

(1.1)

где x - результат измерения (показания прибора),

- истинное значение измеряемой величины.

Точное значение последней остается неизвестным. Поэтому для

определения погрешности пользуются другой формулой:

=xx-x

(1.2)

где x

- действительное значение измеряемой величины по показа-

ниям прибора наиболее высокой точности (образцового прибора).

В большинстве случаев погрешности носят случайный харак-

тер. Причинами их возникновения являются неидеальность конст-

руктивного исполнения приборов, а иногда и условность метода,

положенного в основу измерения.

В измерительной технике используется также понятие приве-

денной погрешности, %:

γ= ⋅

100

(1.3)

где x

- нормирующее значение шкалы прибора

ВН

,=−xxx

(1.4)

где x

и x

- верхний и нижний пределы измерения. Последний, в

частности, может быть равен нулю.

Различают понятия основной и дополнительной погрешностей.

Основная погрешность определяется при нормальных условиях

измерения, в качестве которых в измерительной технике приняты:

- температура

=+ °20 С,

(1.5)

- давление

760мм.рт.ст.

(1.6)

При отклонении условий измерения от нормальных, а также при

действии электромагнитных полей, вибрации и других внешних

факторов появляется дополнительная погрешность.

Фирмами-изготовителями средств измерения гарантируется не-

которая предельная погрешность. Если погрешности распределе-

ны по известному нормальному закону, то согласно правилу утро-

енной средне-квадратичной погрешности ряда измерений (правило

”трех сигм”) доверительная вероятность предельной погрешности

3Δ≥σx

оказывается не выше 0,0027. Это означает, что в самом

неблагоприятном случае погрешность, превышающая предельную,

встречается не чаще одного из 370 измерений, выполненных при

одинаковых условиях [2].

Предельное значение основной приведенной погрешности опре-

деляет класс точности средства измерения (контрольно-измери-

тельного прибора). Класс точности указывается в техническом пас-

порте прибора и на его шкале. Например, если класс точности обо-

значен как 0,5, то это означает, что основная приведенная погреш-

ность данного прибора не превышает ± 0,5 % от значения x

Пусть, например, температуру расплавленной стали измеряют

пирометром класса точности 1 и пределами измерения x

=800°C;

= 2000°C. Показания пирометра x = 1550° C. В данных условиях

значение x

= 2000 – 800 = 1200°C . Допустимая предельная по-

грешность измерения в этих условиях.

Δ°x=1200 ×0,01 = 12 C

Это позволяет сделать вывод в том, что истинное значение из-

меряемой температуры находится в пределах x ± ∆x, то есть между

1550 –12 = 1538°С и 1550 + 12 = 1562°С.

Сказанное здесь позволяет сделать важный вывод о том, что хо-

тя истинное значение измеряемой величины (абсолютная истина)

остается неизвестным, гарантируются границы, в пределах которых

находится эта величина (философия измерений).

Если измерительная система состоит из нескольких n элементов

(датчик, преобразователь, вторичный или самопишущий прибор и

пр.), то предельную погрешность системы

находят по формуле

22 2 2

xx1x2x3 xn

... ,γ= γ +γ +γ + +γ

(1.7)

где

1x2x3 xn

, , ,...,γγγ γ

– предельные погрешности отдельных элемен-

тов.

Эта погрешность оказывается меньше максимально возможной,

которая оценивается как сумма погрешностей отдельных элемен-

тов, так как составляющие погрешности, будучи случайными вели-

чинами, могут иметь различные знаки и не всегда достигают своего

предельного значения.

Вопросы для самопроверки

1. Можно ли измерить физическую величину абсолютно точно?

2. Назовите причины погрешностей измерений.

3. Какие Вы знаете погрешности измерений?

4. Охарактеризуйте нормальные условия измерения.

5. Что представляет собой класс точности средства измерения/

6. Как определить погрешность измерительной системы по известным погреш-

ностям её элементов?

2. Измерение давлений

Давлением называют силу, воздействующую на единицу по-

верхности.

Различают полное (абсолютное) P

, барометрическое (атмо-

сферное) P

и избыточное P

изб

давления.

Абсолютное давление отчитывается от полной пустоты (абсо-

лютного вакуума). Барометрическим является давление окружаю-

щей воздушной атмосферы. Избыточное давление газа или жидко-

сти определяется выражением:

изб

= P

– P

(2.1)

Это давление измеряют манометром.

Согласно международной системе единиц СИ, основной едини-

цей измерения давления служит Паскаль:

(2.2)

1 Па=1Н/ м ,

где H – Ньютон является основной единицей силы.

В то же время, известны внесистемные (старые) единицы дав-

ления, такие как техническая атмосфера, килограмм силы (кгс) на

или см

, миллиметр ртутного или водяного столба. Между

этими единицами существует следующее соотношение:

1 техн. атм. = 1 кгс/см

= 10000 кгс/м

= 10000 мм.вод. ст. = 735,6

мм. рт. ст. = 0,1 МПа.

При этом:

1 кгс/м

= 9,81 Па ≈ 10 Па.

Существует ряд конструктивных разновидностей манометров.

Их принцип действия и технические характеристики охарактеризо-

ваны в табл.2.1. В зависимости от значения и знака измеряемого

избыточного давления манометры приобретают частные наимено-

вания:

а) тяго - и напоромеры (приборы для измерения небольших отрица-

тельных и положительных давлений);

б) микроманометры (приборы для измерения небольших давлений

с повышенной степенью точности);

в) вакуумметры (приборы для измерения больших отрицательных

избыточных давлений или абсолютного давления);

г) дифференциальные манометры (приборы для измерения разно-

сти двух давлений).

Известны также комбинированные манометры: тягонапороме-

ры и мановакуумметры (с нулём в промежуточной точке шкалы –

между верхним и нижним пределами измерения).

Таблица 2.1

Основные сведения о приборах для измерения давлений

Вид

Категория

Принцип действия

Верхний

предел

измерения

Жидкостные Уравновешивание измеряемого

давления силой тяжести столба

рабочей жидкости (ртути *, воды и

пр.)

0,63 …100

кПа

Манометры

Деформаци-

онные (пру-

жинные)

Уравновешивание измеряемого

давления силой упругости пру-

жинного (в различных исполнени-

ях) чувствительного элемента

0,1 … 160

МПа

Приборы абсо-

лютного давле-

ния

Электриче-

ские

1) По теплопроводности разре-

женного газа (термокондукто-

метрические вакуумметры);

2) По значению ионного тока че-

рез разреженный газ (Иониза-

ционные вакуумметры)

0,1 …150

Па

-1

…10

-7

Па

* Манометры с ртутным заполнением сняты с производства, но могут сохра-

няться в эксплуатации

Электрические методы измерения применяются для контроля

давления разреженных газов (вакуумметры со шкалой абсолютного

давления). Они градуируются по воздуху. Поэтому при измерении

давления других газов требуется их экспериментальная перегра-

дуировка, например, с помощью ртутного компрессионного мано-

метра Мак – Леода [1].

Вопросы для самопроверки

1. Что подразумевают под давлением газа или жидкости?

2. Как называют прибор, предназначенный для измерения избыточного давле-

ния?

3. Каким образом определяется избыточное давление, если известны абсолют-

ное и атмосферное давления?

4. Каково соотношение между такими единицами давления, как

1 Паскаль и 1 кгс/м

3. Измерение расхода жидкостей и газов

методом сужения потока

Расходом называют объем или массу вещества, протекающих

через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Соот-

ветственно этому имеем:

- объемный расход Q

, м

/с; м

/ч;

- массовый расходQ

кг/с; кг/ч,

где обозначение кг выражает килограмм массы.

Приборы для измерения расхода называются расходомерами.

В отличие от расхода, количеством оказывается объем V, м

или массу М, кг вещества, протекающую не за единицу, а за любой

данный промежуток времени.

За приборами, служащими для измерения количества, закрепи-

лось название счетчики количества.

Существуют и комбинированные приборы, сочетающие в себе

свойства расходомеров и счетчиков количества. Это расходомеры,

в которые встроен интегратор расхода, вычисляющий объёмное V,

м3 или массовое М, кг количество вещества на основе соотноше-

ний

(3.1)

∫

VQdt

(3.2)

∫

M= Q dt,

где t – время.

В литейном производстве измеряют расход и количество таких

средств, как жидкое и газообразное топливо для плавильных и тер-

мических печей, воздух для сжигания этого топлива, вода, кисло-

род, аргон, СО

, связующие компоненты формовочных и стержне-

вых смесей и пр.

Метод сужения потока оказался наиболее распространенным

вследствие его простоты, надежности и достаточной точности из-

мерения (основная проведенная погрешность обычно не превыша-

ет 2…3 %). Реализация этого метода известна в двух вариантах:

при переменном и постоянном перепадах давлений на расходо-

мерном устройстве.

В первом варианте измерения расхода – по переменному пере-

паду давлений в трубопроводе устанавливают устройство, вызы-

вающее местное сужение потока (рис. 3.1).

В качестве сужающего устройства может быть использована,

например, диафрагма 1, которая с помощью фланцев 2 монтирует-

ся в трубопроводе 3, где в направлении стрелки движется поток

измеряемой среды. Поскольку диаметр d, м проходного сечения

сужающего устройства меньше внутреннего диаметра D, м трубо-

провода, возникает явление сжатия потока, в результате чего его

скорость v, м/с возрастает, а статическое давление P

ст

, Па падает.

На рис. 3.1 приняты следующие обозначения: P

– статическое

давление измеряемой среды непосредственно перед сужающим

устройством; – то же на удалении от сужающего устройства

(давление перед сечением I - I); P

- статическое давление за су-

жающим устройством; –

минимальное статическое давление в

сжатом (в силу инерции) сечении потока II - II.

Для анализа явления сжатия потока используем следующие

два уравнения при первоначальном допущении, что плотность из-

меняемой среды

:ρ=const

1) Уравнение неразрывности течения, м

/с:

= v

2 ,

(3.4)

где v

1,2

– средние по сечению I-I и II-II скорости потока, м/с;

1,2

– площади тех же сечений, м

()

ππ

Рис.3.1. К явлению местного сужения потока

2) Уравнение Бернулли, Па при тех же условиях и в предложе-

нии отсутствия сил внутреннего трения (вязкости) измеряемой сре-

ды

ρρ

+=+

(3.5)

Уравнение неразрывности течения можно рассматривать как

следствие закона сохранения вещества в потоке, а уравнение Бер-

нулли – как следствие закона соxранения механической энергии,

представляющей собой сумму потенциальной (энергии давления) и

кинетической энергии каждой единицы объема измеряемой среды.

Действительно, в последнем уравнении размерность каждого члена

Па, что соответствует выражению: