Судовые контрольно-измерительные приборы: Методические указания к лабораторным работам

Федеральное агентство морского и речного транспорта РФ Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского

Кафедра судовых котельных, турбинных установок, вспомогательного энергетического оборудования и систем

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО КУРСУ «СУДОВЫЕ КОНТРОЛЬНО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ» Для выполнения лабораторных работ по курсу «Судовые контрольноизмерительные приборы» Специальность 18040365

Составил: А.К. Андреев

Владивосток 2007

-2-

Позиция № в плане издания учебной литературы ДВГМА на 2007г.

Рецензент: профессор Резник А.Г.

Составил: Александр Константинович Андреев

СУДОВЫЕ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Методические указания

Печатается в авторской редакции 2,4 уч.-изд. л Тираж 100 экз.

Формат 60х84 1/16 Заказ №

Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм.Г.И. Невельского Владивосток, 59, ул. Верхнепортовая, 50а

-3-

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ Курсанты, впервые приступившие к работе, должны получить инструктаж по технике безопасности. Особое внимание должно быть обращено на места возможного поражения электрическим током, на устройства с ртутью и правила их безопасного использования. Без инструктажа по технике безопасности курсанты к выполнению лабораторных работ не допускаются. Затем следует подробно изучить инструкцию по лабораторной работе, ознакомиться со стендом, аппаратурой и порядком выполнения работ. Степень подготовки к предстоящей лабораторной работе определяется путем опроса по тематике работы. По каждой выполненной работе курсант представляет преподавателю один экземпляр отчета с заглавным листом, на котором должно быть указано: наименование лабораторной работы; шифр учебной группы; фамилии курсанта, выполнившего работу; дата выполнения работы; подпись преподавателя, принявшего отчет по работе. Отчет по лабораторной работе должен включать в себя: • схемы установки и отдельных приборов согласно заданию; • табличные данные результатов измерений и наблюдений: • результаты обработки опытов в форме расчетов и графиков; • заключение по каждому опыту с выводами. Схемы установок выполняются от руки с указанием и обозначением основных элементов. Таблицы должны быть снабжены заголовками, и содержать размерности величин. Расчетные формулы приводятся в общем, виде, а результаты расчетов помещаются в таблицы. Графики должны иметь координатные оси, на которых указываются обозначения величин их размерность, выбранный масштаб изменения параметров по осям координат должен обладать наглядностью представленных функций. По отчету о выполненной работе каждый курсант опрашивается преподавателем персонально, при этом исполнитель должен показать умение пользоваться основной и вспомогательной аппаратурой, хорошо знать методику выполнения работы, научиться критически, оценивать полученные результаты.

-4-

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ Техника безопасности работ в лаборатории метрологии включает в себя следующие требования: • включение аппаратуры на стенде производится только под контролем преподавателя или вспомогательного персонала кафедры; • все соединения электрических схем должны быть тщательно изолированы; • не допускается сборка и разборка схемы, находящейся под напряжением; • не разрешается оставлять приборы под напряжением без надзора; • проверка наличия напряжения может производиться только соответствующими приборами; • после окончания работ на стенде вся аппаратура выключается и приводится в состояние, соответствующее первоначальному; • рабочее место по окончании работ должно быть убрано курсантами от бумаг, разливов жидкости, обтирочных и расходных материалов и пр. мусора. НЕКОТОРЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ Погрешности измерения

Метрологические приборы предназначаются для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины, с единицей измерения. В силу конструктивных особенностей и несовершенства методов измерения все приборы не могут показать истинного значения измеряемой величины. Поэтому любое измерение не свободно от искажений (погрешностей). Погрешностью измерения σ называют алгебраическую разность между показаниями измерительного прибора Ап и действительным значением Ад измеряемой величины

σп = Ап - Ад.

Действительное значение измеряемой величины устанавливается по результатам измерения, полученным при помощи точных методов и средств измерения. Например, если действительное значение температуры установлено равным 320°С, а поверяемое устройство показывает 317 °С, то погрешность показаний устройства равна -3 С. Если измерения выполняются посредством использования поверяемого прибора и контрольного прибора, и оба прибора имеют соответствующие погрешности измерений σп и σк, то общая погрешность показаний при последовательном их соединении

σ = σп + σк,

а при параллельном соединении

-5-

σ=

( σ п2 + σ к2

Для приближения результата измерения к истинному значению измеряемой величины в показания прибора необходимо ввести поправку. Поправкой называют величину, которая должна быть алгебраически прибавлена к показаниям прибора, чтобы получить действительное значение. Поправка равна погрешности показании, взятой с обратным знаком. Погрешность может быть выражена в единицах измеряемой величины (абсолютная погрешность) в процентах от ее значения (относительная погрешность). Относительная погрешность δ - это отношение абсолютной погрешности σ к действительному значению измеряемой величины Ад, выраженное в процентах,

δ=

σ

АД

100%

Точность приборов с различными пределами измерения может сопоставляться только по их приведенным погрешностям. Приведенной погрешностью называют погрешность показаний, выраженную в процентах верхнего предела шкалы измерения прибора. Если прибор имеет двустороннюю шкалу, то погрешность относят ко всей шкале. Например, для стеклянного термометра со шкалой от -50 до +80°С погрешность относят к значению 130 °С. Для приборов со шкалой, не имеющей нуля, приведенную погрешность определяют по отношению к номинальному значению шкалы прибора,

δ=

σ

Аном

100%

Под номинальным значением предела шкалы, следует понимать разность, между верхним и нижним пределами измерения по шкале, т.е.

Аном = Ав - Ан.

Например, для автоматического потенциометра со шкалой от 300 до 900 °С приведенную погрешность определяют по отношению к значению 600 °С. Все приборы делят на классы точности в соответствии с максимально допустимыми погрешностями. Класс точности - это допустимая приведенная погрешность по отношению к диапазону значений шкалы прибора, выраженная в процентах. Например, для манометра с классом точности 0,6 и верхним пределом измерений 0,5 МПа допустимая абсолютная погрешность измерений составит,

σ доп =

δАном

100%

;

-6-

σ доп =

0,6% 0,5 = 0,003 , МПа. 100%

Относительная погрешность конкретного измерения определенной величины давления указанным манометром будет зависеть от действительного значения измеряемой величины Ад в соответствии с зависимостью,

δ=

δ=

σ доп АД

100% ;

0,03 100% АД

откуда следует, что с уменьшением измеряемой величины давления относительная погрешность возрастает. При снятии показаний с приборов, не имеющих данных о классе точности, о погрешности их показаний судят по цене деления шкалы прибора. Цена деления шкалы - это диапазон значений наименьшего деления шкалы прибора, выраженный в единицах измеряемой величины. Например, если температурная шкала жидкостного стеклянного термометра разбита на интервалы с ценой деления в один градус, то этот градус и является абсолютной погрешностью измеряемой температуры во всем диапазоне измеряемых температур термометра. О пригодности прибора к эксплуатации судят по величине приведенной погрешности, которая не должна превышать допустимую, определяемую по классу точности или по цене деления шкалы. При определении показаний приборов необходимо различать еще такие характеристики как вариация, чувствительность и порог чувствительности. Вариацией называют наибольшую разность между повторными показаниями приборов, соответствующих одному и тому же действительному значению измеряемой величины. Например, если при трехкратном измерении температуры кипящей воды термометр показывает 100,3; 99,7; 99,8 °С, то вариации показаний термометра будет равна 0,6 °С. Так же как и погрешность, вариацию оценивают в процентах от номинального значения шкалы или от алгебраической разности верхнего и нижнего пределов измерений. Чувствительностью прибора называют отношение линейного или углового перемещения указателя (стрелки) прибора к значению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение. Например, если у первого манометра чувствительность равна 5 угловым градусам на 100 кПа. а у второго - 9 угловым градусам на 100 кПа, то второй более чувствителен, чем первый. Порогом чувствительности измерительного прибора называют наименьшее изменение значения измеряемой величины, способное вызвать малейшее перемещение указателя прибора. Аддитивные и мультипликативные погрешности

В зависимости от значений измеряемой величины х различают следую-

-7-

щие погрешности: аддитивную (лат.: получаемую путем сложения), или сдвига нуля, и мультипликативную (лат.: получаемую путем умножения), или изменения чувствительности (рис. 1).

Рис. 1. Графики аддитивной (а, б) и мультипликативной (в, г) погрешностей. При аддитивной погрешности показания у прибора (линия 1 на рис. 1а), при всех значениях измеряемой величины х, оказываются больше (или меньше) истинного значения х, (линия 2 на рис.1, а) на одну и ту же величину — ∆о. Если она является систематической, то может быть скорректирована путем смещения нулевого положения указателя, или шкалы с помощью так называемого корректора, предусматриваемого для этой цели во многих приборах. Причинами систематических аддитивных погрешностей могут быть неточная установка приборов на нуль, термо-ЭДС в целях постоянного тока и т. п. Если аддитивная погрешность является случайной, то она не может быть скорректирована, и показания прибора будут находиться в полосе погрешностей (рис. 1, б). Причинами случайной аддитивной погрешности являются, например, трение в опорах измерительного механизма прибора, наводки переменных ЭДС на входе прибора, ненадежные контакты и др. При мультипликативной погрешности значения погрешностей пропорциональны текущему значению измеряемой величины х. В случае постоянной мультипликативной погрешности отклонение выходной характеристики 1 прибора от оси х постоянно (рис. 1, в), а при случайной — образует полосу погрешностей (рис. 1, г). Случайная мультипликативная погрешность возникает вследствие независимого от измеряемой величины х изменения чувствительности прибора (передаточного отношения механизма, коэффициента усиления усилителя, добавочного сопротивления, коэффициента деления делителя и т. д.).

-8-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАР 1. Цель работы

Цель работы состоит в изготовлении термопар, их градуировке, распознании и определении погрешности показаний стандартных термопар. 2. Характеристика работы

Работа предусматривает изготовление спаев термопар из трех «неизвестных» проводников «хромель, копель, алюмель» (и возможно по выбору преподавателя – медь, константан, железо и д.р.). Изготавливаются или используются скрутки термоэлектродных проводов в виде термопар: хромелькопель (ТХК), хромель-алюмель (ТХА) и нестандартной копель-алюмель и других. При градуировке необходимо построить характеристики изготовленных термопар и установить, какие из изготовленных термопар являются стандартным в виде ТХК и ТХА путем сравнения измерений термо - электродвижущей силы (термо-э.д.с.) с табличными значениями. Для стандартных термопар необходимо также установить погрешности показаний в диапазоне температур 20 - 100 °С при шаге измерений 10 оС. 3. Общие сведения

Принцип действия термопары основан на эффекте Зеебека, в соответствии с которым в проводнике возникает термоэлектродвижущая сила при наличии разности температуры его концов. Термопара состоит из двух разнородных проводников с рабочим (горячим) спаем. Рабочий спай погружается в среду, температура которой измеряется. К другим концам термопары (так называемый свободный или холодный спай) присоединяются провода, подключаемые к прибору, измеряющему термо-э.д.с. термопары.

Рис.2 Схема контура термоэлектрического термометра. На рис. 2 представлена схема простейшего термоэлемента (термопары), состоящего из термоэлектродов А и Б. Если температура горячего спая t будет выше температуры холодного спая to, то в цепи термопары появится электрический ток. Электродвижущая сила в рассматриваемой цепи опреде-

-9-

ляется как сумма электродвижущих сил в местах спаев,

EAB(t,t0) = eAB(t) + eBA(t0),

но если учесть, что eBA(t0)= - eAB(t0), получим;

EAB(t,t0) = eAB(t) – eAB(t0),

где eAB (t) и eAB (to) - термо-э.д.с., возникающие в местах соединения проводников. Последнее можно представить как EAB(t,t0) = f(t) – f(t0), т.е. электродвижущая сила в термоэлектрической цепи есть разность функций температур в местах спаев. Если измерение температуры термопарой производится при постоянной фиксированной температуре .холодного спая, т.е. при to = О °С, то в этом случае последнее уравнение примет вид EAB=f(t). Таким образом осуществляется привязка показаний к термометрической шкале, и для данной температуры путем градуировки может быть найдена зависимость термо-э.д.с. термопары от температуры. 4. Конструкция термопар

Конструктивно техническая термопара представляет собой две проволоки разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручены и сварены (рис. 3).

Рис.3 Термоэлектрический термометр типа ТПП-0555. Электрическая изоляция обеспечивается применением шелка (не выше 120 °С), лаков (не выше 300 °С) и керамических материалов при более высоких температурах. Изолированные термоэлектроды помещаются в арматуру, обеспечивающую защиту термопары от механических повреждений, химического воздействия среды, высоких температур и давлений. В качестве защит-

- 10 -

ной арматуры для термопар с измеряемой температурой до 1000 ОС применяют нержавеющие стали, а при более высоких температурах используются фарфоровые трубки. 5. Схема подключения термопар

Разность термо-э.д.с. термопары может быть измерена вторичным (показывающим или записывающим) прибором по схеме, представленной на рис. 4.

Рис. 4. Присоединение вторичного прибора к термоэлектрическому термометру. а – к свободным концам; б – к термоэлектроду. Область спая 1 - область горячего источника температуры, а область 2 -область холодного (фиксированного) источника температуры'. Способ соединения проводников А и Б не имеет существенного значения (скрутка, пайка, сварка и т.п.), если обеспечивается плотный контакт проводников и размеры контактной зоны не выходят за пределы области 1. При измерении термо-э.д.с. необходимо также фиксировать значение температуры холодного спая (прибора). Если по схеме рис.4 в качестве измерительного прибора используется потенциометр, с градуировкой в градусах Цельсия, то он содержит в своей схеме источник компенсации температуры присоединительных клемм. Если при измерении термо-эдс. в качестве измерительного прибора используется потенциометр, измеряющий термо-э.д.с. в милливольтах, то такой прибор не содержит источника компенсации температуры клемм, и его показания определяются разностью температур в точках 1 и 2 (горячем и холодном спаях термопары). Для удобства пересчета термо-э.д.с. в градусы целесообразно помещать спай области 2 в термостат с тающим льдом ( О °С) или необходимо фиксировать (измерять посредством других способов) значение температуры холодного спая 2. При использовании милливольтметра для замера термо-э.д.с. может возникнуть погрешность, обусловленная изменением сопротивления измерительной цепи при колебаниях температуры составляющих ее элементов, поэтому необходимо стремится к возможно меньшему значению сопротивления проводов и самой термопары. Значения стандартных термо-э.дс., развиваемых термопарой ТХК, представлены в табл. 2, а для термопары ТХА - в табл. 3.

- 11 -

6. Описание установки

Установка для градуировки термопар состоит из источника теплоты для нагрева горячего спая термопар в виде электроплиты, сосудов с водой и переносного милливольтметра для измерения термо-э.д.с., к которому подключаются термоэлектроды термопары. Для измерения температуры холодного спая (колодка подключения термопар измерительного прибора) и горячего спая (сосуд с нагреваемой водой) используется стеклянный жидкостный термометр. 7. Выполнение опытов

1. Подготовить три термопары из представленных проводников путем скрутки концов проволоки. 2. Изучить схему установки и подключить поочередно термопары к милливольтметру. 3. Измерить и записать температуру в помещении лаборатории в начале работы и в конце измерении, поместив термометр на колодку милливольтметра. 4. Включить электроплиту и обеспечить нагрев воды в сосуде (источник горячей среды). 5. Установить стеклянный термометр в сосуд с водой для контроля за температурой воды. 6.По мере нагрева воды (примерно с шагом 10°С) записывать в журнал наблюдений показания термопар в милливольтах и соответствующую температуру жидкостного термометра согласно табл. 1. Замеры следует выполнять до достижения процесса кипения воды для всех изготовленных термопар. Таблица 1

Относительная погрешность,%

Абсолютная погрешность,ОС ,

Стандартная термо ЭДС, мВ

Температура по термопаре, ОС

Показания термопары исправленные, мВ

Поправка на температуру холодного спая, мВ

Температура холодного спая, О С

Показания термопары, мВ

Показания термометра, О С

№ Опыта

Градуировочные характеристики термопары

7. По результатам опытов построить графики зависимости эдс термопар от температуры и привести их к стандартным условиям (температура холодного спая 0оС). Для термопар с нестандартной или неизвестной характеристикой рекомендуется делать это графическим способом, следующим образом – рис.5.

- 12 -

Рис. 5. Обработка результатов тарировки термопары графическим способом. По оси абсцисс разбить шкалу температур от 0 до 100оС. Справа от оси ординат нанести исходную шкалу эдс. Нанести экспериментальные точки и провести через них прямую линию. Строго говоря, зависимость термо-э.д.с. от температуры нелинейная, но в узком диапазоне температур 0 – 100оС, для наших целей это допустимо. Экстраполировать график до пересечения с осью ординат и эту точку обозначить как 0 исправленной шкалы термо-э.д.с, затем от этого нуля слева на оси разбить исправленную шкалу с той же ценой деления, что и справа (на исходной шкале). Разность между нулями шкал в мВ и будет поправкой на температуру холодного спая. На график по исправленной шкале нанести штрих – пунктиром зависимости для стандартных ХК и ХА термопар. Таблица 2 Термо-э.д.с стандартной термопары ХК Температура горячего спая, СО 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

1

2

0 0,65 1,31 1,98 2,66 3,35 4,05 4,76 5,48 6,21

0,07 0,72 1,38 2,05 2,73 3,42 4,12 4,83 5,56 6,29

0,13 0,78 1,44 2,12 2,80 3,49 4,19 4,90 5,63 6,36

Термо-ЭДС, мВ 3 4 5 6 0,20 0,85 1,51 2,18 2,87 3,56 4,26 4,98 5,70 6,43

0,26 0,91 1,57 2,25 2,94 3,63 4,33 5,05 5,78 6,51

0,33 0,98 1,64 2,32 3,00 3,70 4,41 5,12 5,85 6,58

0,39 1,05 1,70 2,38 3,07 3,77 4,48 5,20 5,92 6,65

7

8

9

0,46 1,11 1,77 2,45 3,14 3,84 4,55 5,27 5,99 6,73

0,52 1,18 1,84 2,52 3,21 3,91 4,62 5,34 6,07 6,80

0,59 1,24 1,91 2,59 3,28 3,98 4,69 5,41 6,14 6,87

- 13 -

Таблица 3 Термо-э.д.с стандартной термопары ХА Температура горячего спая, СО 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

1

2

3

0,00 0,40 0,80 1,20 1,61 2,02 2,43 2,85 3,26 3,68

0,04 0,44 0,84 1,24 1,65 2,06 2,47 2,89 3,30 3,72

0,08 0,48 0,88 1,28 1,69 2,10 2,51 2,93 3,34 3,76

0,12 0,52 0,92 1,32 1,73 2,14 2,56 2,97 3,39 3,81

Термо-ЭДС, мВ 4 5 6 0,16 0,56 0,96 1,36 1,77 2,18 2,60 3,01 3,43 3,85

0,20 0,60 1,00 1,41 1,82 2,23 2,64 3,06 3,47 3,89

0,24 0,61 1,04 1,45 1,86 2,27 2,68 3,10 3,51 3,94

7

8

9

0,28 0,68 1,08 1,49 1,90 2,31 2,72 3,14 3,55 3,97

0,32 0,72 1,12 1,53 1,94 2,35 2,77 3,18 3,60 4,02

0,36 0,76 1,16 1,57 1,98 2,39 2,81 3,22 3,64 4,06

8. Определить общую максимальную погрешность измерений температуры для каждой термопары согласно разделу «Метрологические понятия». 9. Построить графики зависимости погрешности поверяемых термопар от температуры по показаниям стеклянного термометра. На графиках также должны быть указаны границы допустимых максимальных погрешностей измерений. Графики должны содержать обозначения осей координат и масштабные числа. 8. Оформление отчета

1. Представить схему измерений, используемую при поверке термопар. 2. Представить протоколы опытов в виде таблиц. 3. Представить графики термо-ЭДС и погрешностей поверяемых термопар. 4. Определить пригодность изготовленных термопар для измерений температур в виде аргументированных выводов.9. Контрольные вопросы 1. Чем определяется величина термо-э.д.с. термопары? 2. Из каких материалов изготавливаются термоэлектроды и компенсационные провода? 3. Каким образом при измерении температуры термопарой в показания прибора вводится поправка на температуру свободных концов термопары?

- 14 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ПОВЕРКА АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИОМЕТРА 1. Цель работы

Целью работы является определение пригодности к работе автоматического электронного потенциометра путем сравнения погрешности показаний шкалы прибора с его классом точности. 2. Описание приборов и принцип действия

Автоматические электронные потенциометры предназначены для промышленного измерения температуры и работают в комплекте с термопарами (или телескопом радиационного пирометра). Измерение температуры в комплекте с термопарами осуществляется компенсационным методом, сущность которого состоит в автоматическом уравновешивании потенциометром неизвестной термо-э.д.с. термопары известным падением напряжения на определенном участке рабочей цепи потенциометра. Автоматическая компенсация осуществляется следящей системой потенциометр, основной частью которой является электронный усилитель. Напряжение небаланса, вызванное нарушением равновесия в цепи термопара - потенциометр, после усиления приводит в действие реверсивный двигатель, перемещающий реохорд до тех пор, пока не будет достигнута компенсация, т.е. равенство падения напряжения в цепи и измеряемой термо-э.дс. В этом случае ток разбаланса станет равен нулю. Основные достоинства электронных потенциометров: • автоматическая непрерывная компенсация термо-э.д.с. термопары; • независимость показаний потенциометра от величины сопротивления внешней цепи, так как ток в цепи термопары равен нулю; • автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары; • высокая точность измерения. Автоматический потенциометр является показывающим и самопишущим одноточечным (многоточечным) прибором для измерения температуры с помощью термопары гр. ХК в пределах от 0 до 400 °С. Класс точности прибора 0,5. Прибор питается переменным током напряжением 220В и частотой 50 Гц Колебания напряжения сети и частоты соответственно на ± 10 % и ± 5 % от номинального значения не оказывают заметного влияния на показами прибора. При нормальной температуре и относительной влажности окружающего воздуха (20°С и 60 %) основная погрешность показаний прибора составляет ±0,5 %. На каждые 10 °С отклонения температуры окружающего воздуха от нормального значения погрешность прибора увеличивается на ±0,04 %. Повышение влажности на каждые 10 % по отношению к нормальной дает дополнительную погрешность не более ±0,15 %. Для поверки автоматического потенциометра используется источник питания постоянного тока Б5-44, который обеспечивает подачу на потенциометр напряжения от 0 до 30 мВ. Подача напряжения осуществляется цифровым переключателем с диапазоном 0,1 мВ. Этот прибор имеет класс точности 0,5.

- 15 -

3. Подготовка производства опытов

1. Включить питание поверяемого потенциометра и через 10 минут (время прогрева и стабилизации температуры прибора) после включения приступить к его поверке. 2. Подключить выход питания Б5-44 к входу автоматического потенциометра (колодка подключения термопары гр. ХК на задней стенке прибора). 3. Измерить температуру и влажность в помещении лаборатории для учета дополнительной погрешности приборов. 4. Поверка потенциометра

1. Подавая напряжение от блока питания Б5-44 набором цифрового переключателя от 0 до 29,8 мВ с шагом 2 мВ, записать в табл. 4 показания Б5-44 в мВ и соответствующие им показания поверяемого потенциометра в °С и соответствующие им значения в мВ (эти значения следует взять из табл. 5 для термо-э.дс. стандартной термопары гр. ХК. 2. Проделать аналогичную поверку, записав показания при подаче напряжения от Б5-44 в обратном направлении при его снижении от 28,8 до 0 мВ. Табл.4. Опытные значения измеренных величин №пп Показания Показания потенциометра Б5-44 Прямой ход Обратный ход О О мВ С мВ С мВ

Абсолютная погрешность Прямой Обратход ный ход

Относительная погрешность, % ОбратПряный ход мой ход

5. Содержание отчета

1. Для каждой поверяемой точки произвести определение абсолютной погрешности и вариации показаний в милливольтах. 2. Определить максимальную величину абсолютной погрешности и вариации. 3. Определить максимально допустимые величины абсолютной погрешности поверяемого прибора с учетом погрешности источника питания в соответствии с их классом точности и диапазоном шкалы. 4. Определить пригодность поверяемого потенциометра к эксплуатации, руководствуясь следующим: подсчитанная при поверке прибора максимальная абсолютная погрешность не должна превышать максимально допустимой, определенной в соответствии с классом точности; вариация показании прибора также не должна превышать максимально Допустимой абсолютной погрешности. 5. Построить график поверки потенциометра (по оси абсцисс откладывается значение термо-э.д.с. источника питания в мВ, а по оси ординат -абсолютная погрешность поверяемого потенциометра в мВ).

- 16 -

Таблица 5 Градуировочиые харакристики термопары ХК О

С

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

0 6,95 7,69 8,43 9,18 9,93 10,69 11,46 12,24 13,03 13,84 14,65 15,47 16,29 17,11 17,94 18,76 19,59 20,42 21,24 22,07 22,90 23,74 24,59 25,44 26,30 27,15 28,01 28,88 29,75 30,61 31,48

1 7,03 7,77 8,50 9,25 10,00 10,77 11,54 12,32 13,11 13,93 14,73 15.55 16,37 17,19 18,02 18,84 19,67 20,50 21,32 22,15 22,98 23,83 24,68 25,53 26,38 27,24 28,10 28.97 29,83 30,70 31,57

2 7,10 7,84 8,58 9,33 10,08 10,85 11,62 12,40 13,19 14,00 14,81 15,63 16,45 17,27 18,10 18,92 19,75 20,58 21,40 22,13 23,07 23,91 24,76 25,61 26,47 27,32 28,19 29,06 29,92 30,79 31,66

Термо-э.д.с., мВ 3 4 5 6 7,17 7,25 7,32 7,40 7,91 7,99 8,06 8,13 8,65 8,73 8,80 8,88 9,40 9,48 9,55 9,63 10,16 10,23 10,3 10,38 10,92 11,00 11,0 11,15 11,69 11,77 11,8 11,93 12,48 12,55 12,6 12,71 13,27 13,36 13,4 13,52 14,08 14,16 14,2 14,33 14,89 14,98 15,0 15,14 15,71 15,79 15,8 15,96 16,53 16,61 16,7 16,78 17,36 17,44 17,5 17,61 18,18 18,27 18,3 18,43 19,01 19,09 19,1 19,26 19,84 19,92 20,0 20,09 20,66 20,74 20,8 20,91 21,49 21,57 21,6 21,73 22,32 22,40 22,4 22,57 23,15 23,23 23,3 23,40 24,00 24,08 24,1 24,25 24,85 24,93 25,0 25,10 25,70 25,78 25,8 25,95 26,55 26,64 26,7 26,81 27,41 27,49 27,5 27,66 28,27 28,36 28,4 28,54 29,14 29,23 29,3 29,40 30,00 30,09 30,1 30,26 30,87 30,96 31,0 31,13 31,74 31,83 31,9 32,00 2

7 7,47 8,21 8,95 9,70 10,46 11,23 12,00 12,79 13,60 14,41 15,22 16,04 16,86 17,69 18,51 19,34 20,17 20,99 21,82 22,65 23,49 24,34 25,19 26,03 26,90 27,75 28,62 29,49 30,34 31,22 32,09

8 7,54 8,28 9,03 9,78 10,54 11,31 12,08 12,87 13,68 14,49 15,30 16,12 16,94 17,77 18,60 19,42 20,25 21,07 21,90 22,73 23,57 24,42 25,27 26,12 26,98 27,83 28,71 29,58 30,43 31,30 32,18

9 7,62 8,35 9,10 9,85 10,61 11,38 12,16 12,95 13,75 14,57 15,38 16,20 17,02 17,86 18,68 19,51 20,34 21,15 21,98 22,81 23,66 24,51 25,36 26,21 27,07 27,92 28,80 29,66 30,52 31,39 32,26

6. Контрольные вопросы

1. Назовите типы измерительных приборов, применяемых для работы в комплекте с термопарами. 2. В чем сущность компенсационного метода измерения термо-э.д.с.? 3. Каковы достоинства электронных автоматических потенциометров?

- 17 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ПОВЕРКА МАНОМЕТРОВ 1. Цель работы

Цель работы состоит в определении пригодности к эксплуатации манометров путем сравнения погрешности показаний манометров с их классом точности. 2. Характеристика работы

Работа выполняется на поверочном стенде МП-600. Поверке подвергаются два манометра ( Ml и М2 ) с разными пределами измерения. Поверка производится прямым и обратным ходом нагружения манометров (от 0 до Рмах и от Рмах до 0). Погрешности показаний манометров определяются для 8-12 значений давления, равномерно распределенных по всему диапазону измерений. 3. Описание стенда

Схема поверочного стенда МП-600 для приборов давления приведена на рис.6.

Рис. 6.Схема поверочного стенда МП – 600. Стенд (рис.6) имеет в своем составе подкачивающий плунжерный насос 1, который подает масло из расходной емкости 2 в блок гидравлики 3, оснащенный двумя резьбовыми втулками 4 для установки манометров 5, и плунжерный насос высокого давления 7 с винтовым приводом от штурвала 8. Стенд снабжен необходимой запорной арматурой в виде клапана 9, отсекающего блок гидравлики от подкачивающего насоса, клапанов 10 и 11, предназначенных для подключения поверяемых манометров, клапана 12, используемого для сброса давления в блоке гидравлики, и клапана 13, отсе-

- 18 -

кающего грузопоршневое устройство 6, на котором размещаются грузы, уравновешивающие давление масла в блоке гидравлики. 4. Подготовка стенда и порядок работы на нём

Внимание! С целью обеспечения Вашей безопасности и во избежание поломки оборудования запрещается: • превышать рабочее давление манометров; • одновременно работать ручкой подкачивающего насоса и вращать штурвал насоса высокого давления; • производить замену манометров, находящихся под давлением; • оставлять стенд под давлением после окончания работы. Поверке подлежат два манометра: Ml - с пределом измерения 40 кгс/см2 и М2 - с пределом измерения 1000 кгс/см2. Перед работой проверяется готовность стенда к работе: • - уровень масла в расходной емкости должен быть выше приемной сетки; • - проверить затяжку на плотность поверяемых манометров; • - закрыть клапаны 10 и 11 отключения манометров от гидравлического блока; • - перекрыть клапан 12 и закрыть слив масла в сливной трубопровод; • - открыть клапаны 9 и 13 для соединения подкачивающего насоса с гидравлическим блоком и подключения грузопоршневого устройства; • - вывести плунжер насоса высокого давления до упора, вращая штурвал против часовой стрелки; • - рычагом подкачивающего насоса, плавно, без рывков подкачать масло в блок гидравлики, наблюдая за указателем на грузопоршневом устройстве. Нормальным, считается плавный подъем поршня грузопоршневого насоса, и остановка указателя между верхней и нижней красными рисками, при избыточном давлении. Если указатель переместился выше верхней риски, то производят сброс давления, приоткрывая клапан 12. После подготовки стенда к работе приступают к поверке манометров Ml и М2. Для этого диапазон измерения давления поверяемого манометра предварительно делят на 8-12 равных интервалов, соответствующих количеству фиксированных измерении. При этом необходимо учитывать, что начальный вес подвижного поршня грузопоршневого устройства соответствует 10 кгс/см2, т.е. первое тарировочное давление равно 10 кгс/см2. Комбинируя тарировочные грузы, можно с их помощью создавать на стенде различные поверяемые давления, кратные 2,3; 5 и 10 кгс/см2. Исходя из отмеченного, для манометра Ml первое тарировочное давление равно 10 кгс/кв. см, затем при подъеме давления задают грузами давления 15, 20, ..., 35, 40 кгс/см2, а при снижении давления - 35, ..., 10 кгс/см2. Соответственно для манометра М2 -50, 100,.... 450, 400,..., 50 кгс/см2.

- 19 -

5. Последовательность проведения поверки

Загрузив поршень соответствующим тарировочным весом, в гидравлическом блоке повышают давление путем вращения штурвала насоса высокого давления по часовой стрелке, до тех пор, пока указатель не займёт положение между нижней и верхней красными рисками. Это указывает на то, что давление в гидравлическом блоке соответствует давлению, которое набрано тарировочными грузами. После этого рукой сообщают поршню с грузами лёгкое вращательное движение, и слегка постукивают пальцем по корпусу манометра для снижения трения. Значение давления и заносите в таблицу как тарировочное, одновременно записывая и показания манометра. После проведения тарировки стенд приводится исполнителями в исходное состояние, для чего необходимо вывести плунжер насоса высокого давления в крайнее положение, вращая штурвал против часовой стрелки, а затем открыть клапаны 10, 11 и 12. 6. Обработка результатов измерений

После определения абсолютной и относительной погрешностей поверяемых манометров, необходимо построить соответствующие графики. На основании графиков необходимо сделать вывод о соответствии манометра классу точности и пригодности поверяемого манометра к эксплуатации, сравнив полученные данные с максимально допустимой абсолютной погрешностью. 7 Контрольные вопросы

1. 2. 3.

Каковы сроки очередной поверки рабочих манометров? Какими манометрами осуществляется поверка рабочих манометров? По каким отметкам судят об очередном сроке поверки манометра?

- 20 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНЕРЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ 1. Цель работы Целью работы является изучение физических свойств датчиков температуры и определение их инерционных свойств. 2. Характеристика работы Программа работы предусматривает изучение конструкции датчиков температуры, определение характера зависимости выходных величин датчиков от температуры, изучение зависимости инерционных свойств датчиков температуры от внешних условий работы (свойства окружающей среды вокруг датчика, особенности теплообмена датчика и среды в переходном процессе выравнивания температур). 3. Общие сведения В качестве датчиков температуры наиболее часто применяются жидкостные термометры, термометры сопротивления и термопары. Датчик температуры обычно состоит из преобразователя температуры, защитного чехла, являющегося одновременно корпусом датчика, и головки датчика. Для жидкостного стеклянного термометра в качестве преобразователя температуры применяют жидкости (спирт, ртуть, толуол и др.), помещенные в стеклянный объем. Защитный чехол выполняют также из стекла. Головкой датчика является капилляр, по уровню жидкости в котором судят о значении измеряемой температуры. Термометры сопротивления используют в качестве преобразователя температуры катушку с проволокой, электрическое сопротивление которой изменяется с изменением температуры. Запаянный чехол из стали обеспечивает прочность конструкции и защищает катушку от непосредственного соприкосновения с агрессивной средой. В случае измерения температуры неагрессивной среды защитного чехла в месте расположения катушки может и не быть. В этом случае защитный чехол служит корпусом, на котором крепятся все детали термометра. На головке термометра сопротивления располагаются клеммы выводных проводов для присоединения катушки к измерительному прибору. Устройство и назначение термопар мало отличается от устройства термометров сопротивления, за исключением преобразователя температуры, который в термопарах представляет собой спай двух термоэлектродных проводников. Температура преобразователя всегда несколько отличается от температуры измеряемой среды вследствие инерционности процесса теплообмена между внешней поверхностью защитного чехла и преобразователем температуры и потерь теплоты в окружающее пространство. Для уменьшения потерь теплоты датчик необходимо погружать, возможно, глубже в измеряемую среду, а

- 21 -

для ускорения процесса теплообмена следует применять по возможности преобразователи без защитного чехла. Датчик принимает температуру измеряемой среды постепенно, поскольку он обладает определенной массой и теплоемкостью. Длительность этого процесса характеризуется тепловой инерцией, которая зависит от соотношения теплоемкости – С и теплоотдачи – А датчика температуры. При этом теплоемкость датчика определяется его конструкцией, массой и средней теплоемкостью материалов, составляющих совокупность конструкции. На теплоотдачу значительное влияние оказывают: природа среды, ее агрегатное состояние (газ, жидкость, твердое тело), скорость движения среды по отношению к датчику, положение преобразователя относительно потока среды и т.п. При принятых условиях измерения температуры данным датчиком отношение С/А = Т/К представляет собой меру инерционных свойств преобразователя температуры, где Т – показатель тепловой инерции, имеющий размерность времени, с; К - постоянная датчика, определяющая отношение массы датчика к его внешней поверхности теплообмена и имеющая размерность кг/м2. Поскольку постоянная датчика К определяется его конструктивными характеристиками, независимыми от условий измерения, то ее можно не учитывать при определении величины показателя тепловой инерции Т. С условием принятых допущений для любого промежутка времени ∆τ, отсчитываемого с момента начала нагревания или охлаждения, разность температур среды и термометра (преобразователя) может быть представлена в виде: ∆t = tc – tn, а теоретически процесс описывается уравнением (математической моделью) вида: ∆t = ∆to e (-τ), где ∆to = tc - to – наибольшая разность температур среды, в которую помещен преобразователь для определения инерционных свойств tc, и начальной to, °C. В безразмерном виде фиксируемое прибором приращение выходного параметра представляется как: ∆D = (tc – tn) / (tc – to) и соответственно математическая модель прцесса примет вид : ∆D = е (-∆τ/Т), где ∆D = ∆t/∆to изменяется от 1 до 0. При этом температура среды tc представляет собой конечную температуру, которую принимает датчик температуры после стабилизации значений температур в конце переходного режима (выравнивание температур среды и

- 22 -

датчика), tп – текущее значение по времени температуры преобразователя, to - начальное значение температуры преобразователя. Показатель тепловой инерции Т определяется экспериментально по графику переходного процесса (при нагревании или охлаждении датчика). Численное значение величины показателя тепловой инерции определяется из условия, что при ∆τ = Т получим показатель экспоненты в виде ∆τ/Т = 1, и тогда ∆D = 1/e = 0,368. В результате на графике переходного процесса находят значение ∆D=0,368, проводят горизонтальную линию до пересечения с графиком и опускают вертикаль до пересечения с осью абсцисс, а затем считывают значение Т, выраженное в единицах времени построенного графика. Установившееся значение переменного выходного параметра преобразователя имеет место при ∆τ → ∞ и ∆D → 0, откуда следует, что теоретически, преобразователь изменяет свою температуру при нагреве или охлаждении бесконечно долго. Практически установившееся значение выходного параметра преобразователя достигается с погрешностью менее 1 % при значении ∆τ=5Т. В этом случае ∆D=0,007. 4. Состав установки Установка состоит из следующих приборов: автоматического потенциометра для наблюдения и записи температур от датчика температуры в виде термопары, стеклянного жидкостного термометра и двух сосудов с водой, в одном из них температура воды соответствует температуре помещения, а в другом кипящая вода при температуре 100°С. 5. Порядок проведения экспериментов Описание метода. Для экспериментального определения показателя тепловой инерции мы применим метод единичного скачка. Применительно к нашей задаче он выглядит таким образом: Температуру сосуда с кипятком мы условно принимаем за t к = 1,0 а температуру окружающей среды (воздуха и холодной воды в сосуде) за t х = 0,0. Безразмерная разность температур горячей и холодных сред в этом случае составляет 1,0, а безразмерная температура датчика вычисляется как:

D=

tп − t х tк − t х

;

где tп – температура преобразователя (показания термометра). Безразмерная разность температур термометра и среды в которую он погружён составит:

- 23 -

tп − tк ∆ D = при нагреве – t к − t х , (со знаком - ); при охлаждении –

∆D =

tп − t х tк − t х

, (со знаком + соответственно).

по Работа включает в себя 4опыта: • нагрев ртутного термометра в кипятке; • охлаждение ртутного термометра на воздухе; • нагрев термопары в кипятке; • охлаждение термопары на воздухе. Последовательность действий при проведении опытов 1. Опустить термометры (ртутный и термопару) в сосуд с водой комнатной температуры. Определить показания термометров, руководствуясь схемами измерения (подключения). 2. Быстро, но аккуратно перенести ртутный термометр в сосуд с кипящей водою и фиксировать его показания по времени через каждые 0,5 секунды с момента погружения в кипяток до достижения максимальных показаний (98–100ОС). За первую точку ряда опытных значений параметров принимаем время переноса – 0с и показания термометра в первом (холодном) сосуде. 3. После достижения стабильных показаний термометра в кипятке, быстро, но аккуратно вынуть ртутный термометр из сосуда с кипящей водою, уложить его на стол и фиксировать его показания по времени сначала через каждые 5 секунд, затем, увеличивая по мере остывания интервал между замерами, таким образом, разница температур между замерами составляла примерно 5-10ОС. Опыт продолжается до охлаждения термометра, но не менее 12 минут. 4. Опыты, выполненные с термометром, повторить с термопарой. Интервал между замерами при нагревании – примерно 5секунд в начале опыта и может быть увеличен до 30с к концу опыта. При остывании термопары на воздухе интервал между замерами вначале 30с, к концу может быть увеличен до 2 минут. Продолжительность опыта 15 – 20 минут. 5. После окончания исследования термометров выключить все приборы, разобрать схему и убрать рабочее место. 6. Обработка результатов измерений и оформление отчета

Результаты измерений занести в 4 таблицы и построить 4 графика зависимости показаний термометров от времени для каждого опыта. Привести графики к безразмерному виду и определить по ним постоянную времени – Т для каждого датчика температуры и процесса. Для этого

- 24 -

провести горизонтальные линии, соответствующие значениям температур кипятка и холодной воды (окружающего воздуха). Принять расстояние между линиями (выраженное в ОС или мм) за 1,0 и разбить его на 10 частей (шкалу через 0,1). Отложить от линии, соответствующей температуре среды в которую был погружен термометр, по полученной шкале 0,368 (вниз для процесса нагрева и вверх для охлаждения). Провести через эту точку горизонтальную линию до пересечения с графиком, откуда опустить вертикаль на ось абсцисс. Полученное значение времени, (с., мин.) будет равно постоянной – Т датчика температуры. Разбить на оси абсцисс шкалу безразмерного времени значениями кратными Т – 1Т,2Т,3Т, и т.д. Сделать выводы об особенностях переходных процессов для разных датчиков температуры и различных условий их использования. Отчет должен содержать таблицы измерений и вычислений, проведенных по ходу работы, показатели инерции для всех переходных процессов, заключение о влиянии конструктивных характеристик термометров и условий работы на инерционные свойства, рекомендации по использованию изученных термометров в судовых и лабораторных условиях. 7. Контрольные вопросы 1. От каких параметров зависят инерционные свойства термометров? 2. Каким образом осуществляется переход от абсолютных величин параметров к относительным для температуры и времени? 3. Назовите способы уменьшения инерционных свойств датчиков температуры. 4. Каким образом исключить влияние инерционных свойств датчиков температуры на погрешность измерения температуры среды?

- 25 -

Лабораторная работа №5 Измерение расхода напорной трубкой 1.Цель работы

Цель работы состоит в ознакомлении с конструкциями напорных трубок и методами их использования. 2.Характеристика работы

Работа предусматривает обмер воздуховода воздушного вентилятора, разбиение его проходного сечения и выбор точек замеров. Обучающиеся измеряют полные и статические давления в выбранных точках. Рассчитывают скорости воздуха в точках, среднюю скорость по сечению воздуховода, и общий расход через воздуховод. 3.Общие сведения

Объёмный расход Qоб (м3/с) связан со средней скоростью потока зависимостью Qоб=vcpF, (5-1) где:

vcp – средняя скорость потока м/с, F– поперечное сечение потока, м2. При помощи напорных трубок производится определение расхода жидкости или газа (воздуха) путем измерения динамического давления рд потока, которое согласно уравнению (5-2) есть разность между полным – рп и статическим – рс давлениями среды. рп=рс+рд (5-2)

По измеренному трубкой давлению рд в соответствии с уравнением (5-3) рд= v2ρ/2 где: v -- скорость движения вещества, м/с; ρ - плотность вещества, кг/м3. Скорость потока вычисляется v (м/с) по формуле(5-4)

v = 1,41K

pв.д.

ρ

(5-4)

где: К — коэффициент напорной трубки рв.д. — видимое динамическое давление потока (при К = 1 это давление равно действительному динамическому давлению рд.), Па; ρ — плотность среды, кг/м3. На основании уравнения (5-1) для определения расхода по скорости

- 26 -

движения необходимо знать ее среднее значение для поперечного сечения потока. Так как напорная трубка измеряет динамическое давление только в том месте, в котором расположена ее чувствительная часть, то для нахождения средней скорости применяют ряд методов, рассмотренных ниже. 4. Конструкции и методика применения напорных трубок.

По внешнему виду напорные трубки разделяются на угловые и стержневые. Широкое применение получила угловая напорная трубка, устройство которой показано на рис. 7. Здесь же дано распределение вдоль ее поверхности относительного динамического давления рд1/рд (где рд1 — часть общего динамического давления рд, действующая на поверхность трубки).

Рис. 7 Угловая напорная трубка (типа Прантля) Угловая напорная трубка является прибором лабораторного типа. Она пригодна для измерения расхода жидкости или газа (воздуха), не загрязненных механическими примесями, так как быстро может быть засорена. Наружный диаметр напорной трубки выбирается из условия ее механической прочности и должен быть по возможности меньше, чтобы не вызывать заметного сужения потока в месте измерения. Обычно этот диаметр не превышает 0,1 внутреннего диаметра трубопровода. При измерениях в воздуховодах наружный диаметр d цилиндра трубки обычно составляет 10—25 мм, а длина державки L равна 500—2000 мм. Для определения коэффициента К трубки она подвергается градуировке. В боль-

- 27 -

шинстве случаев этот коэффициент близок к единице. Угловая трубка состоит из измерительного цилиндра 1, закрепленного одним концом на державке 2 овального сечения, несущей штуцера 3 (плюсовый) и 4 (минусовый) для присоединения вторичного прибора. Конец измерительного цилиндра выполнен в виде полусферы с торцевым отверстием, сообщающимся при помощи канала с плюсовым штуцером. Посредством державки измерительный цилиндр устанавливается параллельно оси трубопровода концом навстречу потоку, вследствие чего через торцевое отверстие передается полное давление среды, так как в этой точке рд1 = рд. По мере удаления от торцевого отверстия в сторону державки давление 1 рд на поверхность цилиндра резко уменьшается (кривая I) вплоть до нуля. Следовательно, в этом сечении действует только одно статическое давление. Далее давление рд1 принимает отрицательное значение и после достижения максимума постепенно уменьшается, приближаясь к нулю. Помимо указанного распределения давления на поверхность цилиндра одновременно действует дополнительное динамическое давление, возникающее вследствие возмущения потока державкой. Это давление (кривая II), имеющее положительное значение вблизи державки, сильно понижается по мере приближения к концу цилиндра. На расстоянии 3d от конца цилиндра и (8—10)δ от края державки, где d — наружный диаметр цилиндра, а δ — малая ось овального сечения державки) оба динамических давления, действующих на поверхность цилиндра, крайне незначительны, имеют обратные знаки и, следовательно, взаимно уничтожаются. В этом месте измерительный цилиндр испытывает только статическое давление среды, которое через расположенную здесь кольцевую щель передается по каналу минусовому штуцеру. Подключение к угловой трубке вторичного прибора позволяет непосредственно измерить динамическое давление в том месте, где находится ее измерительный цилиндр. Измеряемое напорными трубками динамическое давление обычно небольшое. Поэтому при малых скоростях потока в качестве вторичных приборов, работающих в комплекте с напорными трубками, применяются микроманометры и жидкостные тягонапоромеры с наклонной трубкой, а при высоких скоростях — жидкостные дифманометры. Отклонение цилиндра трубки от направления потока на угол до 15° не оказывает влияния на показания прибора, так как давления, воспринимаемые при этом торцевым отверстием и кольцевой щелью, изменяются так, что их разность остается практически постоянной. Сравнительно простое устройство имеют стержневые напорные трубки, легко устанавливаемые в трубопроводе и обеспечивающие повышенную точность измерения небольших скоростей потока (до 3—5 м/с). Последнее достигается за счет малого значения коэффициента К трубки, что дает большее видимое динамическое давление рвд, которое более точно можно отсчитать по вторичному прибору.

- 28 -

Рис. 8 Стержневые напорные трубки: а) ВТИ; б) ЦКТИ Стержневая трубка системы ВТИ (Всесоюзный теплотехнический институт) — рис. 8,а, имеющая наружный диаметр штанги 20 и длину 1540 мм, оканчивается со стороны измерительного конца полусферической поверхностью, вблизи которой на лобовой и тыловой сторонах штанги (по отношению к направлению потока) расположены два отверстия диаметром 2 мм для отбора давлений. Коэффициент К трубки постоянен и равен 0,7. Для измерения скорости газа с температурой выше 350—400°С трубка снабжается проточным водяным охлаждением (рубашкой). Отклонение оси отборных отверстий трубки от направления потока на угол до 20° практически не отражается на результатах измерений. Стержневая трубка системы ЦКТИ (Центральный котлотурбинный научно-исследовательский институт им; И. И. Ползунова) — рис. 8,б предназначена для измерения скорости воды в трубах циркуляционного контура котлоагрегата (экранных и опускных) и экономайзера. Основной частью ее является заостренный с лобовой и тыловой сторон под углом 70° наконечник с поперечными размерами 4 х 10 мм и длиной, равной 1/3 внутреннего диаметра трубы, в которой она устанавливается. На срезах наконечника, соединенного со штангой наружным диаметром 15 и длиной 60мм, расположены два отверстия для отбора давлений диаметром 2,5мм. Коэффициент К трубки равен в среднем 0,85. Стержневые напорные трубки ВТИ и ЦКТИ позволяют измерять в трубопроводах динамическое давление среды при прямом и обратном движении потока. Для среды с температурой до 300°С напорные трубки изготовляются из латуни, а для более высокой температуры — из стали 15ХМ и 12ХМФ. Напорные трубки устанавливаются на прямых участках трубопроводов или после струевыпрямителей той или иной конструкции. Они обладают не-

- 29 -

значительным гидравлическим сопротивлением, поэтому применение их особенно выгодно в тех случаях, когда недопустима большая потеря давления. Измерение трубками скорости (расхода) вещества может производиться в трубопроводах различной формы (круглых, прямоугольных и т. п.). Определение средней скорости — vcp потока при помощи напорной трубки осуществляется одним из трех указанных ниже способов. Наиболее простой способ определения vcp в круглых трубках при ламинарном и турбулентном движениях среды основывается на зависимости

vср v макс

= f (Re )

(5-5)

где vмакс — максимальная скорость потока (по оси трубы), м/с; Re — число Рейнольдса, отнесенное к диаметру трубопровода. Значение Re определяется по формуле

Re = 0,001

v макс D

ν

= 0,001

v макс Dρ

µ

(5-6)

где: D — внутренний диаметр трубопровода, мм; ρ — плотность среды, кг/м3; ν — кинематическая вязкость среды, м2/с; µ— динамическая вязкость среды, Па с. Напорная трубка устанавливается по оси трубопровода. По измеренной vmax и найденному по ней числу Re при помощи графика, приведенного на рис. 9 определяется значение vср.

Рис.9 Зависимость отношения средней скорости потока к максимальной скорости на оси трубы (vср/ vmax ) от числа Re для круглых труб. Согласно второму способу vср в трубах круглого сечения при турбулентном движении среды и симметричном профиле скоростей находится путем измерения динамического давления напорной трубкой, установленной на расстоянии 0,12D от внутренней стенки трубопровода. В этой точке местная скорость потока равна среднему значению. Более точно и притом независимо от характера потока и формы сечения трубопровода средняя скорость измеряемой среды может быть определена по профилю скоростей, построенному при помощи напорной трубки, пере-

- 30 -

мещаемой через определенные отрезки длины по сечению трубопровода в одном (при симметричном профиле) или нескольких (при несимметричном профиле) направлениях, проходящих через ось трубы. Для этого проходное сечение трубы разбивается на ряд равновеликих площадей, для каждой из которых находится средняя скорость. Общая средняя скорость для всего сечения трубы определяется как среднее этих скоростей.

Рис.10. Разбивка проходного сечения труб на равновеликие площади. а — круглого; б — прямоугольного Для труб круглого сечения (рис. 10,а) вся площадь его разбивается на четное число п равновеликих концентрических площадей окружностями, проведенными, из центра трубы радиусами r1,r2, ..., rn-1 (от центра к стенке трубы). Значения указанных радиусов определяются из выражений ⎫ ⎧ 1 ⎪ ⎪r1 = R ⋅ n ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 2 r R = ⋅ ⎪ ⎪2 n ⎬ ⎨ (5-7) ⎪....................... ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ n −1 ⎪ ⎪ ⎪rn−1 = R ⋅ n ⎭ ⎩ где R. — внутренний радиус трубы. Затем в каждой точке, соответствующей радиусу с нечетным индексом (r1,r3, ..., rn-1 ), при помощи напорной трубки измеряются или находятся по полученному профилю значения местной скорости v1,v2,…vn-1. Эти скорости являются средними для каждой пары смежных равновеликих площадей. После этого средняя скорость vср потока вычисляется по формуле:

v=

v1 + v3 + ... + vn−1 . 0,5n

(5-8)

Для труб диаметром 150—300 мм рекомендуется число n брать равным 6, диаметром 350—600 мм, — 8 и диаметром 700—1000 мм, — не менее 10. В трубах прямоугольного сечения (рис. 10, б) его площадь разбивается на ряд равновеликих прямоугольников с размерами сторон 150—200 мм. Так, например, трубы (каналы) с поперечным сечением 2—2,5 м2 разделяются по

- 31 -

ширине на 5—6 частей, а по высоте — на 8—10. Измерение динамического давления производится в центре каждого прямоугольника. 5 Описание установки.

Установка состоит из электроприводного вентилятора с пускорегулирующей аппаратурой и воздуховода. 6. Выполнение опытов.

Необходимо выбрать сечение воздуховода для измерения расхода воздуха, разбить сечение воздуховода на площади и определить точки установки напорной трубки для замеров давлений. Установить напорную трубку в первую намеченную точку, соединить штуцеры трубки шлангами с жидкостным дифференциальным манометром, запустить вентилятор и после выхода на установившийся режим выполнить замер полного, статического, динамического, давлений по жидкостному манометру, затем переместить трубку в следующую точку и т.д. Перед началом и в конце серии замеров необходимо измерить и записать температуру воздуха в воздуховоде и барометрическое давление в помещении. 7.Оформление отчётов.

1. Представить схему измерений, использованную при выполнении опытов. 2. Представить протоколы опытов в виде таблиц. 3. Рассчитать расход воздуха по площадям разбиения и общий расход через воздуховод. 4. Дать заключение о применимости использованного метода к задачам испытания судового оборудования. 8. Контрольные вопросы.

1. Чем определяется величина динамического давления? 2. Какими приборами измеряются величины динамического и полного давлений? 3. Каким образом при измерении расхода в расчёт вводится поправка на температуру среды?

- 32 -

Лабораторная работа №6 Определение показателя визирования инфракрасного пирометра (бесконтактного термометра) 1.Цель работы

Цель работы ознакомить обучающихся с бесконтактным методом измерения температуры, и методикой его применения в будующей профессиональной деятельности. 2.Характеристика работы

Работа состоит в: экспериментальном определении показаний пирометра, при измереннии температуры пятна фиксированного диаметра, нагретого тела с известной температурой, с различных дальностей. По результатам измерений расчитываются показатель визирования и погрешность измерений. 3.Общие сведения

Все виды пирометров реализуют бесконтактный оптический метод измерения температуры, основанный на законах теплового излучения тел. Применение этого метода не требует введения датчика в контролируемую среду, что имеет решающее значение при измерении температуры агрессивных сред и сред со значениями температур выше 1600°С., кроме того, пирометрические датчики характеризуются малой тепловой инерционностью. В основе этого бесконтактного метода измерения лежит зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от его температуры. Тепловое излучение любого тела можно характеризовать спектральной плотностью – rf,T, т.е. количеством энергии, излучаемом в единицу времени с единицы площади поверхности тела и приходящимся на единицу диапазона длин волн. Зависимость спектральной светимости (плотности) абсолютно черного тела от температуры и длины волны определяется выражением:

rf ,T

2πhf 3 1 = ⋅ c2 ⎞⎟ − 1 , exp⎛⎜ hf ⎝ kT ⎠

где: h – постоянная Планка; k – постоянная Больцмана. На рис.11 приведены кривые спектральной светимости абсолютно черного тела.

- 33 -

Рис. 11 Изменение плотностей потоков излучения при различных значениях длин волны и температуры. УФ - ультрафиолетовые, Вид. - видимые, ИК - инфракрасные По естественной входной величине датчика оптические пирометры делятся на: – радиационные, воспринимающие полную энергию излучения, соответствующую всей площади под кривыми, приведенными на рис.11; – яркостные, воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой области спектра; – цветовые, основанные на измерении отношения интенсивности излучения в двух различных точках кривой рис.11. 4.Описание и методика применения пирометра инфрокрасного излучения

Инфракрасные термометры или пирометры предназначены для измерения температуры бесконтактным способом. В основу работы таких термометров положен принцип преобразования потока инфракрасного излучения от объекта, принимаемого чувствительным элементом, в электрический сигнал, пропорциональный спектральной плотности мощности потока излучения. Внешний вид пирометра показан на рис. 12.

- 34 -

Рис.12 Ручной Инфракрасный пирометр, внешний вид. Пирометр смонтирован в корпусе с пистолетной рукояткой. В передней части расположено объектив пирометра (приёмное окно), который при измерении наводится на объект измерения. Измерительная схема включается курком, который необходимо удерживать, не сбивая наводку, до тех пор, пока на дисплее в задней части прибора не появятся результаты измерения. Для облегчения наводки на объект в корпусе размещён лазерный целеуказатель, включаемый кнопкой в задней части корпуса. Лазер служит только для наводки и в измерениях не участвует.

Внимание!!! Категорически запрещается направлять пирометр на людей т.к. излучение лазера может повредить глаза. 5 Описание установки.

Схема установки представлена на рис. 13. Установка состоит из: нагретого тела 1 (объект) температура которого измеряется контактным термометром 2, установленной перед ним в держателе маски (диафрагмы) 3 с круглым отверстием 4. Все элементы установки размещены на лабораторном столе 5, на крышке которого выполнена разметка дистанции от объекта. Измерения проводятся ручным инфракрасным пирометром 6 устанавливаемым поочерёдно на отметки дистанции.

- 35 -

Рис.13 Схема установки

6. Выполнение опытов.

Измерения проводятся ручным инфракрасным пирометром 6 устанавливаемым поочерёдно на отметки дистанции. После того как преподаватель приготовит установку, провести измерения температуры объекта с расстояния L = 0,5м, наводя пирометр на центр отверстия диафрагмы при помощи лазерного целеуказателя. Записать показания пирометра и термометра 2 в таблицу. Повторить измерения с больших расстояний – L, увеличивая их с шагом 0,25м до тех пор, пока показания пирометра и термометра 2 не начнут значительно отличатся друг от друга. Повторить измерения обратным ходом. По результатам измерений построить график зависимости абсолютной и относительной погрешностей пирометра от расстояния l. За действительное значение измеренной температуры принимать показания термометра 2. Найти на графике точку перегиба и опустить из неё перпендикуляр на ось расстояний. Разделив диаметр do отверстия 4 на полученное число Lп получим показатель визирования

П = do / Lп

Обычно принято представлять показатель визирования в виде простой дроби, где числитель равен 1, например: 1/5; 1/10 …1/500. Пирометр фиксирует энергию излучаймую с определённой площади (пятно захвата или визирования) и расчитывает среднюю температуру. Если пятно захвата пирометра выйдет за приделы поверхности, температура которой измеряется – результат измерений будет неверным. Расчитать диаметр пятна захвата (визирования) – d В данного пирометра с расстояния замера 1, 3, 5 и 10 метров. d В= L П.

- 36 -

7.Оформление отчётов.

1. Представить схему измерений, использованную при выполнении опытов. 2. Представить протоколы опытов в виде таблиц. 3. Рассчитать размеры области (пятна) захвата пирометра на различных дальностях и показатель визирования. 4. Дать заключение о применимости использованного метода к задачам испытания судового оборудования. 8. Контрольные вопросы.

1. Какими физическими параметрами определяется величина спектральной плотности излучения тела? 2. Какими приборами измеряются величина спектральной плотности излучения тела? 3. Как влияет степень черноты тела на показания пирометра. 4. Как рассчитать диаметр пятна захвата пирометра по его показателю визирования. ЛИТЕРАТУРА 1. Рыжков С.В. Теплотехнические измерения в судовых энергетических установках.264с. 2. Агеев В.И. Контрольно – измерительные приборы судовых энергетических установок. Справочник. – Л.: Судостроение, 1985. – 416с. 3.Слесаренко В.Н., Седых В.И., Глушак Л.В. Технические измерения: Владивосток: Дальнаука, 2004, 355 с. 4. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М: Энергия, 1978, 696 с. 5.Мурин. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1974., 320с. ОГЛАВЛЕНИЕ Общие указания по выполнению работ……………………………………..…..3 Основные требования техники безопасности…………………………………..4 Некоторые метрологические понятия……………………………….…….….....4 Лабораторная работа №1. Изготовление и градуировка термопар………........8 Лабораторная работа №2. Поверка автоматического потенциометра……….14 Лабораторная работа №3. Поверка манометров…………………………........17 Лабораторная работа №4. Определение инерционных свойств датчиков температуры……………………………………………………………………….....20 Лабораторная работа №5. Измерение расхода напорной трубкой……...……25 Лабораторная работа №6. Определение показателя визирования инфракрасного пирометра…………………………………………………………………..32 Литература……………………………………………………………………….36