Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплотехнические измерения

1. Понятие об измерении

Измерением называется процесс получения опытным путем числового соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

2. Числовое значение измеряемой величины

Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения, называется числовым значением измеряемой величины; оно может быть целым или дробным, но является отвлеченным числом. Значение величины, принятое за единицу измерения, называется размером этой единицы.

Чем меньше выбранная единица, тем больше для данной измеряемой величины будет числовое значение. Результат всякого измерения является именованным числом. Вследствие этого для определенности написания результата измерения рядом с числовым значением измеряемой величины ставится сокращенное обозначение принятой единицы. При выборе единиц измерения необходимо учитывать фактор "удобства" - результат измерений по возможности должен выражаться "удобным" числом: не слишком большим и не слишком малым.

Если единица измерения представлена в виде конкретного образца, называемого мерой, то процесс измерения сводится к непосредственному сравнению измеряемой величины с мерой, как материальным выражением единицы измерения.

В тех же случаях, когда непосредственное сравнение невозможно или трудно осуществить, измеряемая величина преобразуется в некоторую другую физическую величину, однозначно связанную с измеряемой и более удобную для измерения. Например, измерение температуры жидкостно-стеклянным термометром сводится к определению длины жидкостного столбика, выраженной в делениях шкалы, а измерение температуры с помощью термометра сопротивления к определению электрического сопротивления и т.п.

3. Прямые измерения

По способу получения числового значения искомой величины измерения можно разделить на два вида: прямые и косвенные.

К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. При этом значение искомой величины получается либо путем непосредственного сравнения ее с мерами, либо посредством измерительных приборов, градуированных в соответствующих единицах. При прямых измерениях результат выражается непосредственно в тех же единицах, что и измеряемая величина. Прямые измерения являются весьма распространенным видом технических измерений. К ним относятся измерения длины - метром, температуры - термометром, давления--манометром и т.п.

4. Косвенные измерения

К косвенным измерениям относятся те, результат которых получается на основании прямых измерений нескольких других величин, связанных с искомой величиной определенной зависимостью.

К косвенным измерениям относится определение расхода жидкости, газа и пара по перепаду давления в сужающем устройстве и т.п.

Косвенные измерения применяются в технике и научных исследованиях в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно путем прямого измерения или когда косвенное измерение позволяет получить более точные результаты.

5. Методы измерений

Под методом измерений понимается совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Под принципом измерения понимается совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, например измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта, измерение расхода жидкостей по перепаду давления в сужающем устройстве.

Процесс измерения, способы проведения его и средства измерений, при помощи которых он осуществляется, зависят от измеряемой величины, существующих методов и условий измерения.

В метрологической практике кроме рассмотренных видов измерений применяют совокупные и совместные виды измерения.

В зависимости от назначения и от предъявляемой к ним точности измерения делятся на лабораторные (точные) и технические.

При выполнении теплотехнических измерений широко применяют метод непосредственной оценки, метод сравнения с мерой и нулевой метод.

Под методом непосредственной оценки понимается метод измерения, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например измерение давления манометром, измерение температуры термометром и т.п. Он является самым распространенным, особенно в промышленных условиях.

Метод сравнения с мерой - метод, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой меры, например измерение э. д. с. термоэлектрического термометра или напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с э. д. с. нормального элемента. Его часто называют компенсационным.

Нулевым называется метод, при котором эффект действия измеряемой величины полностью уравновешивается эффектом известной величины, так что в результате их взаимное действие сводится к нулю. Применяемый при этом прибор служит только для установления факта достижения уравновешивания и в этот момент показание прибора становится равным нулю. Прибор, применяемый при нулевом методе, сам по себе ничего не измеряет и поэтому его обычно называют нулевым. Нулевой метод обладает высокой точностью измерения. Нулевые приборы, применяемые для осуществления данного метода, должны обладать высокой чувствительностью. Понятие точность к нулевым приборам неприложимо. Точность же результата измерения, производимого по нулевому методу, определяется в основном точностью применяемой образцовой меры и чувствительностью нулевого прибора.

6. Общие сведения о средствах измерений

Средствами измерений называют технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики - характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.

7. Виды средств измерений

Основными видами средств измерений являются меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные устройства.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря есть мера массы; измерительный резистор - мера электрического сопротивления; температурная лампа - мера яркостной или цветовой температуры.

Измерительным прибором называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины, называют аналоговым измерительным прибором. Если показания прибора, автоматически вырабатывающего дискретные сигналы измерительной информации, представлены в цифровой форме, то такой прибор называют цифровым.

Показывающим измерительным прибором называют прибор, допускающий только отсчитывание показаний. Если в измерительном приборе предусмотрена регистрация показаний, то его называют регистрирующим.

Самопишущим измерительным прибором называют регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрено печатание показаний в цифровой форме, называют печатающим.

Измерительным прибором прямого действия называют прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи, например, показывающий манометр, ртутно-стеклянный термометр.

Измерительный прибор, в котором подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной, называют интегрирующим измерительным прибором.

Измерительным преобразователем называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи в зависимости от их назначения и функций могут быть подразделены на первичные, промежуточные, передающие, масштабные и другие.

Первичным преобразователем называют измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т.е. первый в измерительной цепи. В качестве примера можно привести термоэлектрический термометр, термометр сопротивления, сужающее устройство расходомера. Измерительный преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного, называют промежуточным.

Передающим измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации.

Масштабным измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, например, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения, измерительный усилитель и т.п.

Измерительными устройствами называют средства измерений, состоящие из измерительных приборов и измерительных преобразователей. Измерительные устройства в зависимости от их назначения и функций, могут быть подразделены на первичные и промежуточные измерительные устройства (приборы).

Под первичным измерительным устройством (первичным прибором) понимают средство измерений, к которому подведена измеряемая величина. Промежуточным измерительным устройством (промежуточным прибором) называют средство измерений, к которому подведен выходной сигнал первичного преобразователя (например, перепад давления, создаваемый сужающим устройством). Первичные и промежуточные приборы, снабженные передающими преобразователями, могут быть выполнены с отсчетными устройствами или без них.

Вторичными измерительными устройствами (вторичными приборами) называют средства измерений, которые предназначены для работы в комплекте с первичными или промежуточными приборами, а также с некоторыми видами первичных и промежуточных преобразователей.

Кроме рассмотренных средств измерений применяются более сложные измерительные устройства автоматического действия так называемые измерительные информационные системы. Под такими системами понимаются устройства с автоматическим многоканальным (во многих точках) измерением, а в некоторых случаях и обработкой информации по некоторому заданному алгоритму.

Следует отметить, что одним из важных признаков новых разработок средств измерений и элементов для устройств автоматизации (автоматического контроля, регулирования и управления) является унификация выходных и входных сигналов преобразователей, первичных, промежуточных и вторичных приборов. Унификация выходных и входных сигналов обеспечивает взаимозаменяемость средств измерений, позволяет сократить разновидность вторичных измерительных устройств. Кроме того, унифицированные приборы и элементы существенно повышают надежность действия устройств автоматизации и открывают широкие перспективы применения информационно-вычислительных машин.

9. Категории средств измерений

В зависимости от назначения, а вместе с тем и от той роли, которую выполняют различные средства измерений (меры, измерительные приборы и преобразователи) в процессе измерения, они делятся на три категории:

рабочие меры, измерительные приборы и преобразователи;

образцовые меры, измерительные приборы и преобразователи;

эталоны.

Рабочими средствами измерений называются все меры, приборы и преобразователи, предназначенные для практических повседневных измерений во всех отраслях народного хозяйства. Они подразделяются на средства измерений повышенной точности (лабораторные) и технические.

Образцовыми называются меры, приборы и первичные преобразователи (например, термоэлектрические термометры, термометры сопротивления), предназначенные для поверки и градуировки рабочих мер, измерительных приборов и преобразователей. Верхний предел измерений образцового прибора должен быть равен или более верхнего предела измерений поверяемого прибора. Допускаемая погрешность образцового прибора или измерительного устройства в том случае, когда поправки к его показаниям не учитываются, должна быть значительно меньше (в 4-5 раз) допускаемой погрешности испытуемого прибора.

Рабочие меры, измерительные приборы и преобразователи поверяются в институтах мер и измерительных приборов и в контрольных лабораториях системы Государственного комитета стандартов, мер и измерительных приборов.

Образцовые меры, измерительные приборы и первичные преобразователи, предназначенные для поверки рабочих, поверяются в Государственных институтах мер и измерительных приборов и в Государственных контрольных лабораториях 1-го разряда по еще более точным образцовым мерам, приборам и преобразователям, т.е. образцовым средствам измерений более высокого разряда (например, образцовые приборы 2-го разряда поверяются методом сравнения с образцовыми приборами 1-го разряда). Образцовые меры, приборы и преобразователи высшего в данной области измерения разряда (1-го разряда) поверяются в Государственных институтах мер и измерительных приборов по соответствующим рабочим эталонам,

Меры, измерительные приборы и первичные преобразователи, служащие для воспроизведения и хранения единиц измерения с наивысшей (метрологической) точностью, достижимой при данном уровне науки и техники, а также для поверки мер, приборов и преобразователей высшего разряда, называются эталонами.

10. Погрешность измерений

При измерении любой величины, как бы тщательно мы ни производили измерение, не представляется возможным получить свободный от искажения результат. Причины этих искажений могут быть различны. Искажения могут быть вызваны несовершенством применяемых методов измерения, средств измерений, непостоянством условий измерения и рядом других причин. Искажения, которые получаются при всяком измерении, обусловливают погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешность измерения может быть выражена в единицах измеряемой величины, т.е. в виде абсолютной погрешности, которая представляет собой разность между значением, полученным при измерении, и истинным значением измеряемой величины. Погрешность измерения может быть выражена также в виде относительной погрешности измерения, представляющей собой отношение к истинному значению измеряемой величины. Строго говоря, истинное значение измеряемой величины всегда остается неизвестным, можно найти лишь приближенную оценку погрешности измерения.

Погрешность результата измерения дает представление о том, какие цифры в числовом значении величины, полученном в результате измерения, являются сомнительными. Округлять числовое значение результата измерения необходимо в соответствии с числовым разрядом значащей цифры погрешности, т.е. числовое значение результата измерения должно оканчиваться цифрой того же разряда, что и значение погрешности. При округлении рекомендуется пользоваться правилами приближенных вычислений.

11. Виды погрешности измерений

Погрешности измерения в зависимости от характера причин, вызывающих их появление, принято разделять на: случайные, систематические и грубые.

Под случайной погрешностью понимают погрешность измерения, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Они вызываются причинами, которые не могут быть определены при измерении и на которые нельзя оказать влияния. Присутствие случайных погрешностей можно обнаружить лишь при повторении измерений одной и той же величины с одинаковой тщательностью.

Случайные погрешности измерений непостоянны по значению и по знаку. Они не могут быть определены в отдельности и вызывают неточность результата измерения. Однако с помощью теории вероятностей и методов статистики случайные погрешности измерений могут быть количественно определены и охарактеризованы в их совокупности, причем тем надежнее, чем больше число проведенных наблюдений.

Под систематической погрешностью понимают погрешность измерения, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при повторных измерениях одной и той же величины. Если систематические погрешности известны, т.е. имеют определенное значение и определенный знак, они могут быть исключены путем внесения поправок.

Обычно различают следующие разновидности систематических погрешностей: инструментальные, метода измерений, субъективные, установки, методические.

Под инструментальными погрешностями понимают погрешности измерения, зависящие от погрешностей применяемых средств измерений.

Под погрешностью метода измерений понимают погрешность, происходящую от несовершенства метода измерений.

Субъективные погрешности (имеющие место при неавтоматических измерениях) вызываются индивидуальными особенностями наблюдателя, например запаздывание или опережение в регистрации момента какого-либо сигнала, неправильная интерполяция при отсчитывании показаний в пределах одного деления шкалы, от параллакса и т.п.

Погрешности установки возникают вследствие неправильной установки стрелки измерительного прибора на начальную отметку шкалы или небрежной установки средства измерений, например не по отвесу или уровню и т.п.

Методические погрешности измерений представляют собой такие погрешности, которые определяются условиями (или методикой) измерения величины (давления, температуры и т.д. данного объекта) и не зависят от точности применяемых средств измерений. Методическая погрешность может быть вызвана, например, добавочным давлением столба жидкости в соединительной линии, если прибор, измеряющий давление, будет установлен ниже или выше места отбора давления. При выполнении измерений, особенно точных, необходимо иметь в виду, что систематические погрешности могут значительно исказить результаты измерения. Поэтому прежде чем приступить к измерению, необходимо выяснить все возможные источники систематических погрешностей и принять меры к их исключению или определению. При неавтоматических измерениях многое зависит от знаний и опыта экспериментатора.

Для исключения погрешностей установки как при точных, так и при технических измерениях необходима тщательная и правильная установка средств измерений.

При измерении переменной во времени величины результат измерения может оказаться искаженным помимо погрешностей, рассмотренных выше, погрешностью еще одного вида, возникающей только в динамическом режиме и получившей вследствие этого наименование динамической погрешности средства измерений. При измерении переменной во времени величины динамическая погрешность может возникнуть вследствие неправильного выбора средства измерений или несоответствия измерительного прибора условиям измерения. При выборе средства измерений необходимо знать динамические свойства его, а также закон изменения измеряемой величины.

12. Точность измерений

В зависимости от назначения и требований, предъявляемых к точности измерений, измерения делятся на точные (лабораторные) и технические. Измерения точные, как правило, выполняются многократно повторяемыми и с помощью средств измерений повышенной точности. Путем повторения измерений влияние на их итог случайных погрешностей можно ослабить, а следовательно, повысить точность измерения. При этом необходимо иметь в виду, что даже при благоприятных условиях точность измерения не может быть выше точности поверки применяемых средств измерений.

При выполнении технических измерений, широко применяемых в промышленности, а иногда и в лабораторных условиях, используют рабочие средства измерений, которые поправками при их поверке не снабжаются.

При выполнении точных измерений пользуются средствами измерений повышенной точности, а вместе с тем применяют и более совершенные методы измерения. Однако, несмотря на это, вследствие неизбежного наличия во всяком измерении случайных погрешностей истинное значение измеряемой величины остается неизвестным и вместо него мы принимаем некоторое среднее арифметическое значение, относительно которого при большом числе измерений, как показывает теория вероятностей и математическая статистика, у нас есть обоснованная уверенность считать, что оно является наилучшим приближением к истинному значению. Под техническими измерениями практически постоянных величин, широко применяемыми в промышленности и в лабораторных условиях, понимаются измерения, выполняемые однократно с помощью рабочих (технических или повышенной точности) средств измерений, градуированных в соответствующих единицах. При выполнении прямых технических измерений однократный отсчет показаний по шкале или диаграмме измерительного прибора принимается за окончательный результат измерения данной величины. Точность результата прямого измерения при применении измерительного показывающего прибора прямого действия может быть оценена приближенной максимальной (или предельной) погрешностью,

При выполнении технических измерений случайные погрешности в большинстве случаев не являются определяющими точность измерения и поэтому отпадает необходимость многократных измерений и вычисления среднего арифметического значения измеряемой величины, так как в пределах допускаемых погрешностей рабочих средств измерений результаты отдельных измерений будут совпадать. Следует также отметить, что технические измерения позволяют выполнять измерения различных величин с наименьшей затратой средств и сил, в наиболее короткий срок и с достаточной точностью.

13. Общие сведения о температуре

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого количества методов и технических средств для ее измерения.

Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. При соприкосновении двух тел, например газообразных, переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих тел не будут равны. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем изменяются также физические свойства тела. При данной температуре кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно.

Известно, что с развитием науки и техники понятие "температура" расширяется. Например, при исследованиях высокотемпературной плазмы было введено понятие "электронная температура", характеризующее поток электронов в плазме.

14. Температурные шкалы

Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении термометрических (физических) свойств веществ при нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной шкалы, казалось бы, возможно выбрать любое термометрическое свойство, характеризующее состояние того или иного вещества и на основании его изменений построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как термометрическое свойство должно однозначно изменяться с изменением температуры, не зависеть от других факторов и допускать возможность измерения его изменений сравнительно простым и удобным способом. В действительности нет ни одного термометрического свойства, которое бы в полной мере могло удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.

Воспользуемся, например, для измерения температуры объемным расширением тел при нагревании и возьмем ртутный и спиртовой термометры обычного типа. Если шкалы их между точками, соответствующими температурам кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, разделить на 100 равных частей (считая за 0 точку таяния льда), то очевидно, что показания обоих термометров - ртутного и спиртового - будут одинаковы в точках 0 и 100, потому что эти температурные точки были приняты за исходные для получения основного интервала шкалы. Если этими термометрами будем измерять одинаковую температуру какой-либо среды не в этих точках, то показания их будут различны, так как коэффициенты объемного теплового расширения ртути и спирта различно зависят от температуры.

В жидкостно-стеклянных термометрах, применяемых в настоящее время, не приходится сталкиваться с таким расхождением показаний, так как на всех современных термометрах нанесена единая Международная практическая температурная шкала, строящаяся по совершенно другому принципу (способ построения этой шкалы изложен ниже).

Мы встретились бы с теми же затруднениями, если бы попытались осуществить температурную шкалу на основе какой-либо другой физической величины, например электрического сопротивления металлов и т.д.

Таким образом, измеряя температуру по шкале, построенной на произвольном допущении линейной зависимости между свойством термометрического тела и температурой, мы еще не достигаем однозначного численного измерения температур. Поэтому так измеренную температуру (т.е. по объемному расширению некоторых жидкостей, по электрическому сопротивлению металлов и т.д.) обычно называют условной, а шкалу, по которой она измеряется. - условной шкалой.

Следует отметить, что из числа старых условных температурных шкал наибольшее распространение получила стоградусная температурная шкала Цельсия, градус которой равен сотой части основного температурного интервала. За основные точки этой шкалы приняты точка плавления льда (0) и точка кипения воды (100) при нормальном атмосферном давлении.

В целях дальнейшего усовершенствования условной температурной шкалы проводились работы по изучению возможности использования для измерения температур газового термометра. Для изготовления газовых термометров воспользовались реальными газами (водородом, гелием и другими) и при этом такими из них, которые по своим свойствам сравнительно мало отличаются от идеального.

Путь к созданию единой температурной шкалы, не связанной с какими-либо частными термометрическими свойствами и пригодной в широком интервале температур, был найден в использовании законов термодинамики. Независимой от свойств термометрического вещества является шкала, основанная на втором законе термодинамики. Она предложена в середине прошлого века Кельвином и получила название термодинамической температурной Шкалы.

Термодинамическая температурная шкала Кельвина явилась исходной шкалой для построения температурных шкал, не зависящих от свойств термометрического вещества. В этой шкале интервал, заключающийся между точкой таяния льда и точкой кипения воды (для сохранения преемственности со стоградусной температурной шкалой Цельсия), был разделен на 100 равных частей.

Д.И. Менделеев в 1874 г. впервые научно обосновал целесообразность построения термодинамической температурной шкалы не по двум реперным точкам, а по одной. Такая шкала имеет значительные преимущества и позволяет определять термодинамическую температуру точнее, чем шкала с двумя реперными точками.

Однако термодинамическая температурная шкала, являющаяся чисто теоретической, не открывала еще в первое время путей ее практического использования. Для этой цели необходимо было установить связь термодинамической шкалы с реальными приборами для измерения температур. Из числа измерителей температуры наибольшее внимание заслуживают газовые термометры, показания которых могут быть связаны с термодинамической температурной шкалой посредством введения понятия шкалы идеального газа. Термодинамическая шкала, как известно, совпадает со шкалой идеального газа, если принять при нормальном атмосферном давлении точку таяния льда за 0, а точку кипения воды за 100. Этой шкале было присвоено название стоградусной термодинамической температурной шкалы.

Однако газовые термометры могут быть использованы для воспроизведения термодинамической стоградусной температурной шкалы только до температур не выше 1200°С, что не может удовлетворить современным требованиям науки и техники. Использование же газовых термометров для более высоких температур встречает большие технические трудности, которые в настоящее время непреодолимы. Кроме того, газовые термометры являются довольно громоздкими и сложными приборами и для повседневных практических целей весьма неудобными. Вследствие этого для более удобного воспроизведения термодинамической стоградусной температурной шкалы в 1927 г. была принята практическая шкала, которая была названа Международной температурной шкалой 1927 г. (МТШ-27).

Положение о МТШ-27, принятое седьмой Генеральной конференцией по мерам и весам как временное, после некоторых уточнений было принято окончательно в 1933 г. восьмой Генеральной конференцией по мерам и весам. В СССР МТШ-27 введена с 1 октября 1934 г. Общесоюзным стандартом (ОСТ ВКС 6954).

В последующие годы производились работы по пересмотру МТШ-27 с целью осуществления более точного согласования с термодинамической шкалой в том виде, как она была принята, но с внесением в нее некоторых улучшений, основанных на уточненных и вновь полученных экспериментальных данных. В результате проведенных работ Консультативным комитетом по термометрии был выработан проект Положения о Международной практической температурной шкале 1948 г. (МПТШ-48), утвержденный девятой Генеральной конференцией по мерам и весам.

Для шкалы с одной реперной точкой необходимо приписать определенное числовое значение единственной экспериментально реализуемой ее точке. Нижней границей температурного интервала будет служить тогда точка абсолютного нуля.

Предельная погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет 0,01°С, точки таяния льда 0,001°С. Тройная же точка воды, являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазе, может быть воспроизведена в специальных сосудах с предельной погрешностью не больше 0,0001°С.

Учитывая все это и рассмотрев тщательно все числовые результаты, полученные в различных метрологических лабораториях ряда стран, Консультативный комитет по термометрии признал, что наилучшим значением для температуры тройной точки воды, лежащей выше точки таяния льда на 0,01°С, является значение 273,16 К. Десятая Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 г. на основании этого установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой - тройной точкой воды.

Новое определение термодинамической температурной шкалы нашло отражение в "Положении о МПТШ-48. Редакция 1960 г.", принятом одиннадцатой Генеральной конференцией по мерам и весам. Этой шкалой предусматривается применение двух температурных шкал: термодинамической температурной шкалы и практической температурной шкалы. Температура по каждой из этих шкал может быть выражена двояким способом: в градусах Кельвина (К) и в градусах Цельсия (°С) в зависимости от начала отсчета (положения нуля) по шкале.

В зарубежной литературе наряду с выражением температуры в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С) используется иногда градус Фаренгейта (°Р) и градус Ренкина (°Ка). Следует иметь в виду, что раньше градус Фаренгейта был характерен для шкал ртутно-стеклянных термометров, а в данное время, так же как и градус Цельсия, он обозначает, что температура выражена по МПТШ, но с другим числовым значением.

Единица кельвин определена как 1/273,16 часть термодинамической температуры тропкой точки воды. Градус Цельсия равен Кельвину. Температурные разности (интервалы) выражаются в Кельвинах, но могут быть выражены также в градусах Цельсия вместо ранее применявшегося обозначения град (deg).

15. Термометры стеклянные жидкостные

Основные сведения. Термометры стеклянные жидкостные применяются для измерения температур в области от - 200 до +750^СС. Несмотря на то, что кроме стеклянных жидкостных термометров имеется ряд других приборов для измерения температур, удовлетворяющих в большой степени требованиям современной техники контроля технологических процессов, все же стеклянные термометры получили большое распространение как в лабораторной, так и в промышленной практике вследствие простоты обращения, достаточно высокой точности измерения и низкой стоимости.

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре. При этом, очевидно, показания жидкостного термометра зависят не только от изменения объема термометрической жидкости, но также и от изменения объема стеклянного резервуара, в котором находится эта жидкость. Таким образом, наблюдаемое (видимое) изменение объема жидкости преуменьшено на размер, соответственно равный увеличению объема резервуара (и частично капилляра).

Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т.д. Область их применения, а также значения коэффициентов действительного и видимого расширения жидкостей приведены в табл, 3-1-1.

Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные. Они обладают рядом преимуществ благодаря существенным достоинствам ртути, которая не смачивает стекла, сравнительно легко получается в химически чистом виде и при нормальном атмосферном давлении остается жидкой в широком интервале температур (от - 38,87 до +356,58° С). Следует также отметить, что давление насыщенных паров ртути при температуре, превышающей 356,58° С, невелико по сравнению с давлением насыщенных паров других жидкостей. Это дает возможность относительно небольшим увеличением давления над ртутью в капилляре заметно повысить ее температуру кипения, а вместе с тем и расширить температурный интервал применения ртутных термометров.

К числу недостатков ртути с точки зрения термометрии следует отнести сравнительно малый коэффициент расширения (см. табл.).

При измерении температуры термометрами, заполненными органическими жидкостями, необходимо иметь в виду, что они смачивают стекло, а вследствие этого понижается точность отсчета показаний.

Термометры в зависимости от назначения и диапазона измерений температур изготовляют из стекла различных марок.

Термометрические жидкости

жидкость	Возможные приделы применения, оС	Средний коэффициент объемного теплового расширения, К-1
	нижний	верхний	действительный	видимый
Ртуть	- 35	750	0,00018	0,00016
Толуол	- 90	200	0,00109	0,00107
Этиловый спирт	- 80	70	0,00105	0,00103
Керосин	- 60	300	0,00095	0,00093
Петролейный эфир	- 120	25	0,00152	0,00150
Пентан	- 200	20	0,00092	0,00090

Примечания:

1. Коэффициент видимого расширения ртути в термометрическом боро-силикатном стекле составляет 0,000164 К - ¹, а в кварцевом стекле 0,00018 К^-1.

2. Под видимым коэффициентом объемного теплового расширения понимают разность между коэффициентами объемного теплового расширения термометрической жидкости и стекла.

16. Измерение уровня жидкости. Приборы для измерения уровня жидкости.

Измерение уровня жидкостей играет важную роль, при автоматизации технологических процессов во многих отраслях промышленности. Эти измерения особенно важны в тех случаях, когда поддержание некоторого постоянного уровня, например уровня воды в барабане парогенератора, уровня жидкости в резервуарах, аппаратах и других устройствах, связано с условиями безопасной работы оборудования. Технические средства, применяемые для измерения уровня жидкости, называются уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкости, называются сигнализаторами уровня. Уровнемеры также имеют широкое применение в различных отраслях промышленности для измерения по уровню количества жидкости, находящейся в резервуарах, баках и других устройствах.

Уровнемеры, предназначенные для измерения уровня жидкости с целью поддержания его постоянным, имеют двустороннюю шкалу. Шкалы и диаграммная бумага этих уровнемеров градуируются в сантиметрах или метрах, а приборов, применяемых для измерения уровня воды в барабане парогенераторов, - в миллиметрах.

Уровнемеры, служащие для измерения по уровню количества жидкости в резервуарах, баках и других устройствах, имеют одностороннюю шкалу. Шкалы и диаграммная бумага этих уровнемеров градуируются в сантиметрах и метрах, а иногда в процентах

Уровнемеры, применяемые для измерения уровня жидкости с целью поддержания его постоянным в определенных пределах, снабжают устройством для сигнализации предельных отклонений уровня от заданного значения.

У сигнализаторов уровня жидкости контактное устройство срабатывает при некотором заданном значении уровня для данного объекта.

В зависимости от требований, предъявляемых к автоматизации технологических процессов, применяют различные методы измерения уровня жидкости. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, уровень жидкости с достаточной точностью и надежностью можно измерять с помощью указательных стекол или показывающими диф. манометрами-уровнемерами.

Измерение уровня жидкости указательными стеклами основано на принципе сообщающихся сосудов. Конструкция арматуры и материал указательных стекол зависят от давления и температуры жидкости, уровень которой необходимо контролировать.

Для дистанционного измерения уровня жидкостей, находящихся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, применяют метод измерения по разности давлений с помощью диф. манометров. Во многих отраслях промышленности используют также метод контроля уровня жидкостей с помощью поплавка (или буйка).

В химической, нефтехимической и в ряде других отраслей промышленности кроме указанных выше методов измерения уровня жидкостей находят применение емкостные, ультразвуковые, акустические и радиоизотопные уровнемеры. Для измерения уровня агрессивных кристаллизирующихся жидкостей и пульп в открытых емкостях применяют пьезометрические уровнемеры.

17. Измерение уровня воды в барабане парогенераторов. Типы уровнемеров.

Нормальная эксплуатация барабанных парогенераторов может осуществляться только при условии строгого поддержания уровня воды в барабане в некоторых допускаемых пределах. Поэтому измерение уровня воды в барабане, особенно современных мощных парогенераторов, имеющих весьма ограниченный запас воды, является важной и ответственной задачей при их эксплуатации.

Контроль уровня воды в барабане парогенераторов с малой паропроизводительностью и низким давлением пара в барабане осуществляется путем непосредственного наблюдения за уровнем по водомерному устройству, поставляемому совместно с парогенератором. В ряде случаев для большей надежности дополнительно устанавливают непосредственно у парогенератора сниженный указатель уровня воды в барабане. В этом случае применяют показывающие диф. манометры-уровнемеры или сниженный указатель уровня "Игема".

Парогенераторы производительностью 35 т/ч и выше наряду с водоуказательными устройствами на барабане, поставляемыми совместно с ними, оснащаются дополнительно диф. манометрами-уровнемерами. Вторичные показывающие и самопишущие приборы уровнемеров устанавливаются на щите управления парогенератора, или блока. Эти приборы обычно снабжены контактным устройством для сигнализации не допускаемого изменения уровня воды в барабане парогенераторов.

На современных мощных парогенераторах ТЭС кроме уровнемеров для измерения уровня воды в барабане устанавливают дополнительно диф. манометры-уровнемеры со вторичными показывающими приборами, снабженными контактным устройством. С помощью этих уровнемеров осуществляется технологическая защита при перепитке парогенератора водой и при упуске уровня в его барабане. При этом контакты вторичных приборов уровнемеров включаются в устройство защиты по схеме "два из двух" или "два из трех".

В качестве уровнемеров широко применяют диф. манометры мембранные типа ДМ в комплекте со вторичными приборами дифференциально-трансформаторной системы или дифманометры-уровнемеры типа ДМЭ с выходным сигналом постоянного тока, работающие совместно со вторичными приборами типа КСУ,

КПУ и др., а также с автоматическими регуляторами, информационно - вычислительными и управляющими машинами.

Рис. 19-2-1. Схема измерения уровня воды в барабане дифманометром с ис-пользованием двухкамерного уравни-тельного .сосуда.

Для присоединения диф. манометров-уровнемеров к барабану парогенераторов применяют специальные уравнительные сосуды различных конструкций. Расчет шкалы диф. манометров-уровнемеров или их вторичных приборов обычно производят на рабочее (номинальное) давление пара в барабане с учетом типа уравнительного сосуда.

На рис. 19-2-1 показана схема измерения уровня воды в барабане парогенератора диф. манометром с использованием стандартного двухкамерного уравнительного сосуда (тепловая изоляция на внешней поверхности сосуда не показана). В широкой части сосуда, присоединенного к паровому пространству барабана, уровень воды (конденсата) поддерживается постоянным. В трубе 2, присоединенной к водяному пространству барабана, уровень воды меняется при изменении уровня воды в барабане. При установке запорного вентиля на трубе, соединяющей паровое пространство барабана с уравнительным сосудом, необходимо, чтобы шпиндель его находился в горизонтальном положении. В противном случае возможно образование водяной пробки, которая может вызвать неустойчивую работу диф. манометра.

Все типы уравнительных сосудов, применяемых для измерения уровня воды в барабане парогенераторов с помощью диф. манометра, позволяют обеспечить надежный контроль его в широком диапазоне (от +315 до - 315 мм) только при номинальном значении давления пара при соблюдении определенных условий. Уровнемеры, работающие с этими уравнительными сосудами при меняющемся давлении пара в барабане парогенераторов в широком интервале (от номинального значения до 0,2 МПа), имеют ограниченную погрешность только в области одного фиксированного значения уровня.

18. Измерение уровня воды в конденсаторах паровых турбин

Измерение уровня конденсата (воды) в конденсаторе турбин имеет важное значение при их эксплуатации. Повышение уровня воды в конденсаторе приводит к затоплению нижних рядов охлаждающих труб, что вызывает переохлаждение конденсата. Значительное понижение уровня конденсата ухудшает работу конденсатного насоса вследствие уменьшения подпора со стороны всасывающей трубы насоса.

Для большей надежности контроль уровня воды в конденсаторе турбин осуществляется по месту и дистанционно. Контроль уровня по месту производят с помощью водоуказательного стекла или показывающего уровнемера, устанавливаемого в первом случае непосредственно на конденсаторе, а во втором - вблизи него. Для дистанционного измерения уровня воды в конденсаторе применяют уровнемеры-диф. манометры, снабженные преобразователем с выходным электрическим сигналом. Вторичные показывающие приборы уровнемеров устанавливаются на щите управления турбины или блока. Показывающие приборы должны быть снабжены контактным устройством для сигнализации повышения и понижения уровня в конденсаторе.

Отклонение параметров от номинальных значений, для которых рассчитывалась шкала диф. манометра, приводит к изменению показаний уровнемеров, так же как и при измерении уровня воды в барабане парогенераторов.

19. Измерение уровня жидкостей в баках, аппаратах и резервуарах.

Для измерения уровня жидкостей в баках, аппаратах и резервуарах широко применяют метод измерения по разности давлений с помощью диф. манометра. В зависимости от требований, предъявляемых к автоматизации технологических процессов, применяют различные типы диф. манометров. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний уровня, то целесообразно применять диф. манометры с отсчетным устройством. Эти диф. манометры могут быть снабжены контактным устройством для сигнализации предельных значений уровня. Для дистанционного измерения уровня могут быть использованы диф. манометры с электрическим или пневматическим выходным сигналом в комплекте с соответствующим вторичным прибором.

Поскольку жидкость, уровень которой необходимо измерять, может находиться под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, то это необходимо учитывать при выборе типа и модели диф. манометра, так как они выпускаются на различное предельно допускаемое рабочее избыточное давление. Предельный номинальный перепад давления диф. манометра выбирают в зависимости от диапазона измерения уровня.

Для присоединения диф. манометра к баку или другому устройству применяют различные типы уравнительных сосудов. Этот сосуд должен иметь такой размер, при котором можно было бы пренебречь дополнительной погрешностью диф. манометра.

Метод измерения уровня нейтральной, невязкой жидкости, находящейся в баке, резервуаре или аппарате под избыточным давлением, в принципе аналогичен методу измерения уровня воды в барабане парогенераторов. Для присоединения дифманометра к баку или к другому устройству применяют обычно однокамерный уравнительный сосуд и реже - сосуды других типов. Если в этом случае необходимо применить разделительные сосуды, то их устанавливают дополнительно в линиях диф. манометра на отметке нижнего уровня.

Если при измерении уровня жидкости плотность ее может изменяться в небольших пределах, то расчет шкалы диф. манометра или его вторичного прибора целесообразно производить для среднего значения плотности этой жидкости.

Если свойства жидкости, уровень которой необходимо измерять, не позволяют подключать диф. манометр, необходимо вместо уравнительного сосуда применять разделительные сосуды или разделительные устройства других типов, которые должны располагаться в соединительных линиях максимально близко к баку или резервуару.

Размеры уравнительных и разделительных сосудов обычно выбирают в зависимости от объема плюсовой и минусовой камер диф. манометра. При применении разделительных устройств другого типа необходимо учитывать возможное изменение показаний уровнемера.

20. Измерение уровня жидкостей с помощью поплавковых и буйковых уровнемеров

Простейшим техническим средством для измерения уровня жидкости в резервуарах является поплавковый указатель уровня. Об уровне в этом случае судят по положению прикрепленного к противовесу указателя, соединенного с поплавком с помощью троса, перекинутого через блоки. Этот метод измерения позволяет контролировать уровень жидкости, находящейся в резервуаре под атмосферным давлением, в случае, когда объект расположен сравнительно недалеко от поста наблюдения.

Для дистанционного измерения уровня жидкости, находящейся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, в различных отраслях промышленности находят широкое применение буйковые уровнемеры с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 0-5; 0-20 мА типа УБ-Э или пневматическим с давлением 0,2-1 кгс/см² (0,02-0,1 МПа) типа УБ-П. Действие уровнемеров УБ-Э и УБ-П соответственно основано на принципе электросиловой или пневмосиловой компенсации усилия, развиваемого чувствительным элементом (буйком) измерительного блока уровнемера, погруженным в жидкость, уровень которой измеряется. В уровнемерах типа УБ-Э используется линейный преобразователь с электросиловой компенсацией ПЛЭ, а в уровнемерах УБ-П - преобразователь с пневмосиловой компенсацией.

Рис. 19-4-1. Схема устройства буйкорвого уровнемера.

Кроме рассмотренных уровнемеров УБ-Э и УБ-П применяют и другие типы буйковых измерителей уровня с пневматическим выходным сигналом и индикаторы уровня с дифференциально-трансформаторным преобразователем класса точности.

Поплавковые уровнемеры с дополнительным устройством находят применение для дистанционного измерения уровня воды в открытых водоемах, напора, создаваемого разностью уровней верхнего и нижнего бьефов, и положения различного рода затворов. В уровнемерах этого типа и во вторичных приборах к ним в качестве измерительных преобразователей используются сельсины.

Для сигнализации предельных значений уровня жидкости в резервуарах или баках применяют поплавковые сигнализаторы уровня различных типов.

21. Емкостные уровнемеры

Емкостные уровнемеры широко применяют для сигнализации и дистанционного измерения уровня однородных жидкостей в различных объектах в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Емкостные уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под давлением до 25-60 кгс/см² (2,5-6,0 МПа) и имеющих температуру от - 40 до 200^СС. Эти ограничения обусловлены надежностью применяемой изоляции для изготовления общепромышленных первичных преобразователей емкостных уровнемеров.

Емкостные уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня вязких (более 0,980 Па-с), пленкообразующих, кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей, а также взрывоопасных сред.

Действие рассматриваемых уровнемеров основано на измерении электрической емкости первичного преобразователя, изменяющейся пропорционально изменению контролируемого уровня жидкости в резервуаре. Первичный преобразователь, преобразующий изменение уровня жидкости в пропорциональное изменение емкости, представляет собой, например, цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены коаксиально. Для каждого значения уровня жидкости в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродов преобразователя и жидкостью, уровень которой измеряется, а второй - остальной частью электродов преобразователя и воздухом или парами жидкости.

При применении емкостных уровнемеров необходимо иметь в виду, что измеряемый уровень жидкости функционально связан с диэлектрической проницаемостью веществ. Поэтому при измерении уровня жидкости емкостным уровнемером следует учитывать, что значение диэлектрической проницаемости жидкости изменяется с изменением температуры ее.

В зависимости от электрических характеристик жидкости, уровень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлектропроводные и электропроводные. Такое деление жидких диэлектриков имеет некоторую условность, но является практически целесообразным.

Некоторые типы емкостных уровнемеров находят применение для сигнализации и дистанционного измерения уровня сыпучих тел с постоянной влажностью.

Преобразователи емкостных уровнемеров выполняют цилиндрического и пластинчатого типа, а также в виде жесткого стержня или троса. В последнем случае вторым электродом служит металлическая стенка резервуара. Для обеспечения постоянства характеристик преобразователя и повышения точности измерения уровня целесообразно применять преобразователи со стержнем или тросом, располагаемым в стальной трубе, являющейся вторым электродом преобразователя.

22. Акустические и ультразвуковые уровнемеры

В акустических и ультразвуковых уровнемерах реализуется метод, основанный на использовании эффекта отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями.