Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

Туяхов А.И.

Практическая метрология

и измерения

Донецк 2002

Министерство образования и науки Украины

Донецкий национальный технический университет

Туяхов А.И.

Практическая метрология

и измерения

Рекомендовано Министерством

образования и науки Украины в

качестве учебного пособия для

студентов теплоэнергетических и

металлургических специально-

стей высших учебных заведений

Украины

Донецк 2002

ББК

УДК 389.14: 621.1.016.4

Рецензенты:

профессор, доктор технических наук Пилюшенко В.Л.

(Донецкая государственная академия управления)

профессор, доктор технических наук Губарь В.Ф.

(Донецкая государственная академия строительства и архитектуры)

Туяхов А.И. Практическая метрология и измерения. Учебное

пособие. – Донецк: РИА ДонНТУ, 2003. – 308 с.

ISBN 996-559-…….

В учебном пособии изложены основные положения практиче-

ской метрологии и освещаются современные методы и средства из-

мерений, применяемые в тепловых и теплоэнергетических агрегатах и

установках. Рассматриваются погрешности измерения, способы их

уменьшения, достоинства и недостатки отдельных методов измерений

и их применимость для конкретных технологических процессов. Из-

лагаемый в книге материал сопровождается примерами и задачами,

приводятся справочные материалы.

Учебное пособие предназначено для студентов специально-

стей "Промышленная теплотехника" и "Промышленная теплоэнерге-

тика", а также может быть полезно студентам, обучающимся по ме-

таллургическим специальностям.

табл. 29, ил. 136, библ. 24, приложений 10.

ISBN 996-559-…….

 Туяхов А.И. 2003

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Содержание

Введение………………………………………………………………...6

1 МЕТРОЛОГИЯ……………………………………………………….8

1.1 Задачи метрологии…………………………………………………8

1.2 Физическая величина………………………………….…………...11

1.3. Единица физической величины…………………………………..12

1.4 Правила написания наименований и обозначений единиц……...19

1.5 Классификация средств измерений……………………………….21

1.6 Общие понятия об эталонах……………………………………….23

1.7 Показатели качества средств измерений…………………………25

1.8 Погрешности измерений…………………………………………..28

1.9 Метрологические характеристики средств измерения…………..36

1.10 Подготовка к измерениям………………………………………...42

1.11 Анализ постановки измерительной задачи……………………...42

1.12 Создание условий для измерений………………………………..43

1.13 Выбор средств и метода измерений……………………………..46

2 МЕТРОЛОГИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ……………...49

2.1 Температурные шкалы……………………………………………..49

2.2 Термометры расширения…………………………………………..54

2.3 Манометрические термометры……………………………………62

2.4 Дилатометрические и биметаллические термометры…………...66

2.5 Термоэлектрические термометры…………………………………68

2.6 Способы повышения качества измерения температуры

термопарами………………………………………………………...76

2.7 Конструктивное выполнение термопар…………………………..80

2.8 Измерительные приборы, работающие в комплекте

с термопарами……………………………….……………………..87

2.9 Компенсационный метод измерения термо-ЭДС термопары…...92

2.10 Термометры сопротивления……………………………………...99

2.11 Конструктивное выполнение термометров сопротивления……103

2.12 Вторичные приборы для термометров сопротивления………...104

2.13 Измерение температуры методом оптической пирометрии…...110

2.14 Пирометры спектрального отношения…………………………..118

2.15 Пирометры полного излучения…………………………………..122

2.16 Перспективные направления в разработке приборов для

измерения температуры…………………………………………..125

3 ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ГАЗОВЫХ СРЕД………129

3.1 Общие сведения……………………………………….……………129

3.2 Жидкостные манометры……………………………………….…..131

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

3.3 Деформационные манометры……………………………………..135

3.4 Электрические манометры………………………………………...140

4 ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ГАЗА, ЖИДКОСТИ И ПАРА…………147

4.1 Общие сведения……………………………………….……………147

4.2 Расходомеры по перепаду давления в сужающем устройстве….148

4.3 Схемы соединительных линий при использовании сужающих

устройств……………………………………….…………………..162

4.4 Измерение расхода жидкостей и газов напорными трубками…..165

4.5 Ультразвуковые расходомеры…………………………………….170

4.6 Электромагнитные расходомеры………………………………….175

4.7 Измерение расхода тепла в теплофикационных системах………178

4.8 Тахометрические расходомеры……………………………………181

4.9 Тенденции развития средств измерения расхода………………...185

5 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ………...188

5.1 Общие сведения……………………………………….……………1588

5.2 Дифференциально-трансформаторные преобразователи………..189

5.3 Преобразователи с магнитной компенсацией……………………192

5.4 Ферродинамические преобразователи……………………………193

6 ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ……………………………………….……..197

6.1 Общие сведения……………………………………….……………197

6.2 Визуальные уровнемеры……………………………………….…..197

6.3 Гидростатические уровнемеры……………………………………198

6.4 Поплавковые и буйковые уровнемеры……………………………204

6.5 Емкостные уровнемеры……………………………………….…...206

6.6 Индуктивные уровнемеры………………………………………....209

6.7 Акустические уровнемеры………………………………………...212

7 АНАЛИЗ СОСТАВА ГАЗОВ………………………………………..214

7.1 Общие положения………………………………………………….214

7.2 Химические газоанализаторы……………………………………..215

7.3 Тепловые газоанализаторы………………………………………...217

7.4 Магнитные газоанализаторы………………………………………220

7.5 Оптические газоанализаторы……………………………………...222

7.6 Лазерный газоанализатор………………………………………….226

7.7 Газовые хроматографы…………………………………………….228

8 АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ, ПАРА И КОНДЕНСАТА………...234

8.1 Общие положения………………………………………………….235

8.2. Электродные кондуктометрические анализаторы………………235

8.3 Безэлектродные кондуктометры…………………………………..238

8.4 Потенциометрический метод анализа воды……………………...241

8.5 Измерение концентрации газов, содержащихся в воде и паре….244

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

9 ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ………………………………250

9.1 Общие положения………………………………………………….250

9.2 Психрометрический метод………………………………………...252

9.3 Конденсационный метод измерения влажности…………………253

9.4 Сорбционный метод измерения влажности………………………255

10 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ………258

10.1 Общие сведения…………………………………………………...258

10.2 Измерительные системы………………………………………….261

10.3 Телеизмерительные системы…………………………………….262

10.4 Принцип построения функциональных схем контроля

и управления технологическим объектом………………………264

Перечень ссылок……………………….……………………………….273

ПРИЛОЖЕНИЕ А – Коэффициенты распределения Стьюдента…...275

ПРИЛОЖЕНИЕ Б – Монохроматический коэффициент теплового из-

лучения различных материалов при

=0,65 мкм…

276

ПРИЛОЖЕНИЕ В – Коэффициент полного теплового излучения

(интегральный коэффициент теплового

излучения) различных материалов……………277

ПРИЛОЖЕНИЕ Г – Градуировочная характеристика хромель–ко-

пелевой (ХК) термопары в диапазоне

температур –50…+800°С……………………...279

ПРИЛОЖЕНИЕ Д – Градуировочная характеристика

хромель–алюмелевой (ХА) термопары в

диапазоне температур –200…+1300°С………..282

ПРИЛОЖЕНИЕ Е – Градуировочная характеристика

платинородий (10 %)–платиновой термопары

(ПП) в диапазоне температур 0–1600 °С……...287

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж – Градуировочная характеристика

платинородий (30%) – платинородиевой (6%)

термопары (ПР) в диапазоне

температур 300…1800°С………………………….292

ПРИЛОЖЕНИЕ З – Градуировочная характеристика

вольфрамрений (5 %) – вольфрамрениевой (20 %)

термопары (ВР) в диапазоне

температур 0…2500°С…………………………….

297

ПРИЛОЖЕНИЕ И – Градуировочная таблица проволочных

термометров сопротивления…………………..305

ПРИЛОЖЕНИЕ К – Давление и плотность насыщенных

паров воды………………………………………...306

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Современный человек в течении всей своей жизни постоянно

имеет дело с измерениями. Каждый день мы смотрим на часы, опре-

деляя и сверяя время с сигналами точного времени, измеряем темпе-

ратуру в квартире и за окном дома, следим за показаниями весов в ма-

газине, метеобюро нам сообщает о температуре, влажности, давлении

атмосферного воздуха и даже величину радиационного фона. Произ-

водственная деятельность человека также сопровождается многочис-

ленными и многообразными измерениями, без которых невозможно

контролировать ход технологического процесса.

Познание окружающего мира, а также повседневный количест-

венный контроль за всеми сторонами человеческой деятельности

осуществляется с использованием метода непосредственного измере-

ния тех или иных величин. На важность измерения указывали многие

ученые.

Так, Д.И.Менделеев писал: "Наука начинается с тех пор, как на-

чинают измерять; точная наука немыслима без меры". Многие науч-

ные исследования сопровождаются измерениями, которые позволяют

установить количественные соотношения между различными явле-

ниями окружающего мира и установить закономерности изучаемых

явлений.

Прогресс в области измерений всегда способствует новым откры-

тиям, а достижения науки приводят к совершенствованию методов и

средств измерений. Разработка новых технологий, получение новых

материалов отражаются в характеристиках средств измерений.

В настоящее время в промышленности все большее распростра-

нение получают современные средства для измерения различных тех-

нологических параметров. Среди них можно выделить следующие

основные группы:

- цифровые измерительные приборы и аналого-цифровые преоб-

разователи;

- измерительные преобразователи электрических и неэлектриче-

ских величин в электрические сигналы;

- измерительные информационные системы и измерительно-

вычислительные комплексы;

- измерительно-вычислительные средства на основе использова-

ния микропроцессоров в микро-ЭВМ.

В области метрологического обеспечения перед учеными стоят

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

следующие задачи:

- совершенствование и опережающее развитие эталонной базы,

повышение точности воспроизведения единиц величин, пере-

ход на эталоны, основанные на фундаментальных законах

природы;

- усовершенствование системы передачи единиц величин к

средствам измерений, автоматизация поверочных операций;

- расширение сферы метрологического обеспечения на недос-

таточно охваченные области измерений;

- развитие общей теории измерений, теории погрешности из-

мерений и др.

По мере развития техники измерения становятся все более слож-

ными, однако, суть измерения, заключающаяся в сопоставлении коли-

чественного выражения какой-то физической величины с другой та-

кой же физической величиной, принятой за единицу, остается без из-

менений.

Основой метрологической деятельности в Украине является

обеспечение средства измерения различных физических величин на

предприятиях, в учреждениях, в научно-исследовательских и учебных

заведениях. Для этого существует государственная и ведомственные

метрологические службы, деятельность которых направлена на созда-

ние условий, обеспечивающих получение измерений требуемого каче-

ства.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

1 МЕТРОЛОГИЯ

1.1 Задачи метрологии

Метрология имеет дело с измерениями физических величин и,

как наука, базируется на трех постулатах:

- существует истинное значение измеряемой величины;

- истинное значение измерить невозможно;

- истинное значение не изменяется во времени.

Истинное значение измеряемой величины можно сравнить с по-

нятием абсолютной истины, которое познается лишь в результате бес-

конечного процесса познания. Для каждого исторического этапа по-

знается лишь относительная истина. Истинное значение физической

величины также может быть получено только в результате бесконеч-

ного процесса измерений с бесконечным совершенствованием мето-

дов и средств измерений.

Для каждого уровня развития измерительной техники можно

знать только действительные значения физической величины. Поня-

тие истинного значения физической величины необходимо как теоре-

тическая основа развития теории измерений, в частности, при раскры-

тии понятия "погрешность измерений".

Метрология в ее современном понимании – это наука об измере-

ниях, методах и средствах обеспечения их единства и способах дос-

тижения требуемой точности.

Единство измерений базируется на узаконенных единицах изме-

рения, погрешности которых известны с заданной вероятностью.

Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопос-

тавить результаты измерений, выполненных в разных местах в разное

время, с использованием разных методов и средств измерений.

Точность измерений характеризуется близостью результатов из-

мерений к истинному значению измеряемой величины.

В настоящее время метрология, как наука, решает следующие задачи:

- расширение номенклатуры физических величин, которые не-

обходимо измерять. Для современного уровня науки и техники требу-

ется измерить более 2000 физических величин, а разработаны методы

и средства для измерения около 700 физических величин;

- расширение диапазона измерения для конкретной физической

величины. Например, требуется измерить давление от 10

-10

Па до

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

0,4⋅10

Па, для температуры от 0,001 °С до нескольких миллиардов

градусов и т.д.

- требования точности измерений. Уровень точности, к кото-

рому надо стремиться, должен определяться критерием целесообраз-

ности. Известно, что увеличение точности в два раза удорожает изме-

рения в несколько раз. Однако, снижение точности измерений ниже

нормы приводит к браку продукции. От точности результата измере-

ний может зависеть научное открытие (так, точное измерение пара-

метров орбиты планеты Нептун позволило открыть самую дальнюю

планету солнечной системы Плутон) или жизнь людей (например, при

измерении концентрации метана в шахтах).

- быстрота получения измерительной информации. Измери-

тельные устройства с большим быстродействием позволяют контро-

лировать быстропротекающие процессы, например, процессы сжига-

ния топлива в теплоэнергетических агрегатах, газогидродинамические

явления при движении газовых, жидких и паровых сред, как в рабочем

пространстве, так и в различных каналах агрегатов.

- разработка бесконтактных методов измерений. Использова-

ние таких методов позволяет устанавливать измерительные устройст-

ва на достаточном расстоянии от объекта и устранить агрессивное

(химическое, тепловое, механическое и др.) воздействие объекта на

измерительное устройство. С другой стороны, измерительное устрой-

ство не воздействует на объект и не изменяет его параметры.

- разработка интеллектуальных датчиков и измерительных ро-

ботов. Такие устройства базируются на основе микропроцессорной

техники и позволяют в автоматическом режиме вводить корректирую-

щие поправки, учитывающие влияние различных факторов на точность

измерения, изменять диапазоны измерения и другие функции.

- требования высокой квалификации операторов. Возрастаю-

щее количество новых средств и методов измерения физических вели-

чин, усложнение конструкции этих средств и увеличение их функцио-

нальных возможностей требует высококвалифицированных специали-

стов в области точных измерений.

Метрологию, как область человеческой деятельности, можно раз-

делить на теоретическую, законодательную и практическую.

Началом организованной и законодательной деятельности госу-

дарств в области метрологии следует считать 1875 год, когда в Пари-

же 17-ю государствами, в том числе и Россией, была подписана Мет-

рическая конвенция для обеспечения международного единства и усо-

вершенствования метрической системы мер. В это же время была соз-