Теплотехнические измерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Общие сведения о теплотехнических измерениях и метрологии

План

1. Значение теплоэнергетических измерений в энергетической отрасли.

2. Понятие об измерении.

3. Единицы и методы измерения.

4. Международная система единиц (СИ).

5. Классификация измерительных приборов.

6. Характеристика элементов и свойства приборов.

Теплотехнические измерения служат для определения ряда физических величин, связанных с процессами выработки и потребления тепловой энергии топлива. Они включают определение как чисто тепловых величин (температуры, энтальпии, теплоты сгорания, теплопроводности и пр.), так и некоторых других (давления, количества и расхода, состава газов, уровня и пр.), играющих важную роль в теплоэнергетике.

Теплотехнические измерения применяются во многих отраслях народного хозяйства: в теплоэнергетике, металлургии, химии и др. В энергетической промышленности они используются для повседневного контроля и наблюдения за работой и состоянием установленного на электростанциях оборудования. Наряду с этим теплотехнические измерения необходимы при изучении и дальнейшем совершенствовании способов производства электрической и тепловой энергии и методов потребления тепла. Большую роль эти измерения играют и в устройствах автоматизации тепловых электростанций (автоматического управления и регулирования, тепловой защиты, сигнализации), где они осуществляются специальными измерительными органами (тепломеханическими реле и датчиками).

Надежная и экономичная эксплуатация современных тепловых электростанций немыслима без применения значительного количества разнообразных по устройству и принципу действия приборов теплотехнического контроля. На этих станциях, оснащенных сложным оборудованием, теплотехнический контроль органически связан с работой агрегатов и является весьма важным звеном управления в руках обслуживающего персонала. Развитие измерительной техники на электростанциях происходит под влиянием быстрого количественного и качественного роста отечественной теплоэнергетики, характеризующегося значительным увеличением установленной мощности станций и единичной мощности и экономичности основных агрегатов -- паровых котлов и турбин, внедрением высоких параметров пара, применением рациональной (блочной) компоновки агрегатов, развитием теплофикации как наиболее рентабельного способа энергетического производства и другими достижениями современной науки и техники. теплотехнический метрология прибор

Большинство современных теплотехнических измерительных приборов основано на применении электрических принципов измерения неэлектрических величин (температуры, давления, расхода и пр.). Указанный принцип измерения, построенный на количественных соотношениях между некоторыми электрическими и неэлектрическими величинами, повышает точность и надежность измерений, упрощает устройство приборов и обеспечивает возможность передачи их показаний на расстояние.

Широкое применение для теплотехнических измерений получили электронные измерительные приборы, обладающие по сравнению с приборами других типов более простым устройством, высокой чувствительностью и быстродействием.

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

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.

Если х - измеряемая величина, и -- единица измерения, А-- числовое значение измеряемой величины в принятой единице, то результат измерения величины х может быть представлен следующим равенством:

х = А*и

Уравнение называют основным уравнением измерения. Из этого уравнения следует, что значение А зависит от размера выбранной единицы измерения и. 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.

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. Измеряемая величина х и результат ее непосредственного измерения z связаны простым соотношением

х = z.

Прямые измерения являются весьма распространенным видом технических измерений. К ним относятся измерения длины -- метром, температуры -- термометром, давления -- манометром и т. п.

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.

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.

В зависимости от назначения и от предъявляемой к ним точности измерения делятся на лабораторные (точные) и технические. Способы оценки точности лабораторных и технических измерений будут рассмотрены ниже.

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

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

- метод непосредственной оценки;

- метод сравнения с мерой;

- 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.

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

Главными узлами измерительного прибора являются: измерительный механизм, непосредственно осуществляющий измерение при помощи чувствительного элемента, и отсчетное устройство, показывающее, записывающее или суммирующее значение измеряемой величины. Устройство измерительных механизмов приборов весьма различно и зависит от рода измеряемой величины (давление, температура и т. д.) и принципа действия прибора (механический, электрический и пр.)'. В большинстве случаев измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей. Перемещение подвижной части происходит под воздействием измеряемой величины на чувствительный элемент прибора. Описание измерительных механизмов дано в последующих главах книги.

Отсчетное устройство в зависимости от характера показаний приборов выполняется в виде: шкалы и указателя (показывающие приборы), записывающего приспособления и диаграммной бумаги (самопищущие приборы) и счетного механизма (суммирующие приборы).

Шкала показывающего прибора состоит из ряда последовательно нанесенных на плоском или профильном (цилиндрическом) циферблате отметок (делений) с цифрами, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки на циферблате называются градуировкой, а численные значения единиц измерения -- оцифровкой шкалы. Наименьшее подразделение шкалы, выраженное в единицах измерения, носит название цены деления шкалы.

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, 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 случая 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.

В нашей стране создание унифицированных средств измерений реализуется в Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Эта система строится по блочно-модульному принципу и делится на три ветви, объединяющие приборы с пневматическим, электрическим постоянного и переменного тока и электрическим частотным выходным и входным сигналами.

Диапазоны изменения унифицированных сигналов в соответствии с Государственными стандартами (ГОСТ 9468-60; ГОСТ 9898-61; ГОСТ 9895-69) установлены следующие: пневматического 0,2---1 кгс/см² (0,02--0,1 МПа); электрического -- постоянного тока 0--5, 0--20 и 0--100 мА (рекомендуется 0--5 мА) или 0--10 В, переменного тока частотой 50 или 400 Гц (обычно 50 Гц) 1--0--1, 0--2 и 1--3 В; 0--10 мГ, 10--6--10 мГ; электрического частотного 1500--2500 и 4000--8000 Гц.

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.

Образцовые меры, измерительные приборы и первичные преобразователи, предназначенные для поверки рабочих, поверяются в Государственных институтах мер и измерительных. 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.

В зависимости от назначения и устройства применяемые в теплоэнергетике теплотехнические измерительные приборы разделяются на ряд групп.

Основной классификацией является деление приборов по роду измеряемых величин. Условно приняты следующие наименования приборов, предназначенных для измерения:

1) температуры -- термометры и пирометры;

2) давления и разрежения -- манометры, тяго- и напоромеры, вакуумметры и барометры;

количества и расхода--расходомеры, счетчики количества вещества я весы;

уровня жидкости и сыпучих тел -- уровнемеры и указатели уровня;

состава дымовых газов -- газоанализаторы;

качества воды и пара -- жесткомеры, солемеры, кислородомеры и концентратомеры;

числа оборотов вала -- тахометры и счетчики числа оборотов;

количества тепла -- тепломеры;

густоты дымовых газов -- дымомеры;

термических расширений и вибрации оборудования -- указатели перемещений и виброметры;

площади диаграмм -- планиметры;

влажности воздуха -- психрометры;

13)теплоты сгорания топлива -- калориметры.

Дополнительно к основной классификации указанные приборы подразделяются на следующие группы:

по назначению -- технические(рабочие), контрольные, лабораторные, образцовые и эталонные;

по характеру показаний -- показывающие, самопишущие и суммирующие;

по принципу действия -- механические, электрические, гидравлические, химические, радиоактивные и др.; '

по характеру использования -- оперативные и учетные;

по месторасположению -- местные и с дистанционной передачей показаний;

по условиям работы -- стационарные и переносные;

7) по габаритам -- нормальные, малогабаритные и миниатюрные.

Системы единиц величин. Международная система единиц (СИ).

Важное условие практического использования результата измерения - количественное представление этой физической величины в надлежащим образом выбранной системе единиц. Долгое время в различных странах использовались различные системы единиц, спонтанно возникшие чаще всего из конкретных потребностей практики. Идея построения единой системы единиц высказывались достаточно давно. Однако, в силу достаточно серьезных технических трудностей, реализация этой идеи стала возможной только во второй половине двадцатого века.

Совокупность основных и производных единиц называется системой физических величин. Для унификации единиц физических величин в международном масштабе создана Международная система единиц СИ.

Первой системой единиц обычно считается метрическая система, где за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса - вес 1 см³ химически чистой воды при температуре около +40° С - грамм (позже - килограмм). В 1799 г. были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц метрическая система в своём первоначальном варианте включала ещё и единицы площади (ар - площадь квадрата со стороной 10 м), объёма (стер, равный объёму куба с ребром 10 м) и вместимости (литр, равный объёму куба с ребром 0,1 м). В течение последующего времени было предпринято немало успешных попыток усовершенствовать эту систему (система СГС, система МКСА ).

В настоящее время наиболее широко распространена во всем мире Международная система единиц. XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. утвердила Международную систему единиц, обозначаемую SI (от начальных букв французского названия Systeme International d'Unites), на русском языке - СИ. В последующие годы Генеральная конференция приняла ряд дополнительных изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц, дополнительные и производные единицы физических величин , а также разработала следующие определения основных единиц:

- единица длины - метр - длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;

- единица массы - килограмм - масса, равная массе международного прототипа килограмма;

- единица времени - секунда - продолжительность 9192631770 периодов излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;

- единица силы электрического тока - ампер - сила изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенного на расстоянии 1м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2х10^-7 Н на каждый метр длины;

- единица термодинамической температуры - кельвин - 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также применение шкалы Цельсия;

- единица количества вещества - моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012кг;

- единица силы света - кандела - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение с частотой 540 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683Вт/ср.

Приведенные определения довольно сложны технически и требуют определенного уровня знаний. Но они дают представление о природном, естественном происхождении принятых единиц, а толкование их усложняется по мере развития науки и благодаря новым высоким достижениям теоретической и практической физики, механики, математики и других фундаментальных областей знаний. Это дает возможность представить основные единицы как достоверные и точные, что является главным условием того, чтобы система единиц стала международной.

Кроме основных единиц, в системе СИ есть дополнительные для измерения плоского и телесного углов - радиан и стерадиан соответственно, а также большое количество производных единиц пространства и времени, механических, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, а также ионизирующих излучений.

На сегодняшний день система СИ является международной, поскольку она используется в большей части стран мира, а также системе международных стандартов серии ИСО. В СССР система СИ официально была принята путем введения в 1963 г. соответствующего государственного стандарта, причем следует учесть, что в то время все государственные стандарты имели силу закона и были строго обязательными для выполнения.

Тема: Принцип действия и строение разных типов приборов для измерения теплотехнических величин и для специальных измерений

План

1. Методы измерения температуры и температурные шкалы.

2. Классификация приборов для измерения температуры.

3. Общая характеристика приборов для измерения температуры: термометры расширения, манометровые термометры, термоэлектрические термометры, магнитоэлектрические миливольтметры, потенциометры, пирометры.

4. Единицы и виды давления.

5. Классификация приборов для измерения давления.

6. Жидкостные манометры, деформационные манометры, тяго- и напоромеры вакууметры и мановакууметры, барометры.

7. Общие понятия расхода и количества вещества. Основные виды приборов для измерения затраты.

8. Приборы для определения количества вещества.

9. Определение уровня.

10. Приборы для контроля состава дымовых газов и качества питательной воды, пара и конденсата.

1. Температурой называется степень нагретости вещества. Это представление о температуре основано на явлении теплообмена между двумя телами, находящимися в тепловом контакте. Тело, более нагретое, отдающее тепло, имеет и более высокую температуру, чем тело, воспринимающее это тепло. При отсутствии передачи тепла от одного тела к другому, т. е. в состоянии их теплового равновесия, температуры тел равны.

Процесс перехода тепла от одного тела к другому указывает на зависимость температуры тел от количества их внутренней энергии, носителями которой являются молекулы вещества. Согласно молекулярно-кинетической теории сообщаемая телу тепловая энергия, вызывающая повышение его температуры, преобразуется в энергию движения молекул.

Измерить температуру какого-либо тела непосредственно, т. е. так, как измеряют другие физические величины, например длину, вес, объем или время, не представляется возможным, ибо в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Следовательно, температура не может быть выражена в абсолютных единицах измерения. Определение температуры вещества производят посредством наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) вещества, которое, будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие. Такой метод измерения дает не абсолютное значение температуры нагретой среды, а лишь разность температур относительно исходной температуры рабочего вещества, условно принятой за нуль.

Вследствие изменения при нагреве внутренней энергии вещества практически все физические свойства последнего в большей или меньшей степени зависят от температуры, но для ее измерения выбираются по возможности те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравнительно легко поддаются точному измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы и интенсивность излучения, положенные в основу устройства приборов для измерения температуры.

Температурные шкалы

Изменение агрегатного состояния химически чистого вещества (плавление или затвердевание, кипение или конденсация), как известно, протекает при постоянной температуре, значение которой определяется составом вещества, характером его агрегатного изменения и давлением. Значения этих температур равновесия между твердой и жидкой или жидкой и газообразной фазами различных веществ при нормальном абсолютном давлении, равном 101325 н/м² (1,0332 кгс/см²), называются постоянными точками.

Если принять в качестве основного интервал температур между постоянными точками плавления льда и кипения воды, обозначив их соответственно 0 и 100, в пределах этих температур измерить величину объемного расширения какого-либо рабочего вещества, например ртути, находящейся в узком цилиндрическом стеклянном сосуде, и разделить на 100 равных частей изменение высоты ее столба, то в результате будет построена так называемая температурная шкала.

Для измерения температуры, лежащей выше или ниже выбранных -значений постоянных точек, полученные деления наносят на шкале и за пределами отметок 0 и 100. Деления температурной шкалы называются градусами и обозначаются знаком ° или град.

При построении указанной температурной шкалы была произвольно принята пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры, что, однако, не соответствует действительности, особенно при температурах выше 100°, Поэтому при помощи такой шкалы можно точно измерить температуру только в двух исходных точках 0 и 100°, тогда как результаты измерения во всем остальном диапазоне, шкалы будут неточны. То же явление наблюдалось бы и при построении температурной шкалы с использованием других физических свойств рабочего вещества, как, например, изменения электрического сопротивления проводника, возбуждения термоэлектродвижущей силы и т. п.

Пользуясь вторым законом термодинамики, английский физик Кельвин в 1848 г. предложил совершенно точную и равномерную, не зависящую от свойств рабочего вещества шкалу, получившую название термодинамической температурной шкалы. Последняя основана на уравнении термодинамики для обратимого процесса (цикла Карно), имеющем вид:

Позднее было установлено, что термодинамическая шкала совпадает со шкалой газового термометра, заполненного идеальным (воображаемым) газом, обладающим пропорциональным изменением давления (или объема) в зависимости от температуры, если при построении этих шкал принять одинаковые значения исходных постоянных точек. Близкими по своим свойствам к идеальному газу являются водород, гелий и азот, которые и применяются для построения температурной шкалы.

2. Классификация приборов для измерения температур

Область измерения температуры условно делится на две части: термометрию, включающую определение температур до 500--600° С приборами, называемыми термометрами, и пирометрию, охватывающую измерение более высоких температур приборами, называемыми пирометрами.

Приборы для измерения температуры разделяются в зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения, на следующие группы с пределами применения:

Термометры расширения. . …………………--190-500° С

Манометрические термометры . ……………..--160-600° С

Электрические термометры сопротивления …… .--200-650° С

Термоэлектрические пирометры…………--50- 800° С

Пирометры излучения………………100 - 6000^оС

Термометры расширения основаны на свойстве тел изменять под действием температуры объем, а следовательно, и линейные размеры.

Манометрические термометры работают по принципу изменения давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ .

Электрические термометры сопротивления основаны на свойстве проводников и полупроводников изменять в зависимости от нагрева величину их электрического сопротивления.

Термоэлектрические пирометры построены на ценном свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в паре (спае) термоэлектродвижущую силу, зависящую от температуры спая.

Пирометры излучения работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел.

3.1. Термометры расширения.

Физическое свойство тел изменять свой объем в зависимости от нагрева широко используется для измерения температуры. На этом принципе основано устройство жидкостных стеклянных и механических термометров. Термометры этого типа появились раньше других приборов для измерения температуры и послужили для создания первых температурных шкал.

В жидкостных стеклянных термометрах, построенных на принципе теплового расширения жидкости в стеклянном резервуаре, в качестве рабочих веществ применяются ртуть (Н^) и органические жидкости -- этиловый спирт (С₂Н₅ОН), толуол (С₆Н₅СН₃), пентан (С₅Н₁₂) и др. Наиболее широкое распространение получили ртутные стеклянные термометры, имеющие по сравнению с термометрами, заполненными органическими жидкостями, существенные преимущества: большой диапазон измерения температуры, при котором ртуть остается жидкой, несмачиваемость стекла ртутью, возможность заполнения термометра химически чистой ртутью из-за легкости ее получения и пр. Стеклянные термометры с органическими заполнителями в большинстве своем пригодны лишь для измерения низких температур в пределах-- 190-100⁰С. Основным достоинством этих заполнителей является высокий коэффициент объемного расширения.

Жидкостные стеклянные термометры являются местными показывающими приборами и состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, шкалы (циферблата) и защитной оболочки.

3.2. Манометрические термометры.

Действие манометрических термометров основано на изменении давления жидкости, газа или пара в замкнутом объеме (системе) в зависимости от температуры. Указанные термометры являются техническими показывающими или самопишущими приборами и предназначаются для измерения температуры в пределах до 600° С. Класс точности их 1--2,5.

В зависимости от заключенного в системе рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и парожидкостные. Выбор рабочего вещества производится исходя из заданных пределов измерения и требуемой чувствительности прибора.

3.3. Действие термоэлектрических пирометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (т. э. д. с.) однозначно зависящую от температуры места соединения (спая) двух разнородных проводников, образующих так называемую термопару или первичный прибор пирометра. Вторичным прибором, измеряющим развиваемую термопарой т. э. д. с, служит чувствительный электроизмерительный прибор. Диапазон измеряемых термоэлектрическими пирометрами температур лежит в пределах -- 50 - 800° С.

Термоэлектрические пирометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов, металла труб котлов и других частей оборудования и т. п. Положительными свойствами их являются: большой предел измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и легкость осуществления дистанционной передачи показаний благодаря электрическому принципу действия.

Термоэлектрические пирометры изготовляются различных классов точности и бывают показывающими и самопишущими. Последние чаще всего являются многоточечными приборами.

3.4. Пирометры излучения.

Пирометры излучения применяются для измерения температуры нагретых тел в пределах 100--6 000° С. Действие этих приборов основано на измерении излучаемой телом энергии, зависящей от его температуры и физико-химических свойств. В отличие от других типов пирометров первичный прибор пирометра излучения при измерении не подвергается вредному влиянию высокой температуры и не искажает температурного поля, так как находится вне измеряемой среды.

4. Давление.

Давлением жидкости, газа или пара принято называть силу, действующую равномерно на площадь, а единицей давления -- единицу силы, действующую равномерно на единицу площади.

При измерении давления различают: барометрическое, избыточное и абсолютное давления.

Барометрическое (атмосферное) давление Р_б создается массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменную величину, зависящую от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий (погоды).

Величина превышения давления среды над барометрическим называется избыточным (манометрическим) давлением Р. Подавляющее большинство приборов, измеряющих давление, показывают именно избыточное давление.

Абсолютное (полное) давление среды Р_а может быть больше или меньше барометрического. В первом случае абсолютное давление равно сумме барометрического и избыточного давлений:

Глубокое разрежение принято называть вакуумом. Последний иногда представляют в виде относительной величины V в процентах барометрического давления. Для измерения давления и разрежения применяются единицы: н/м², кгс/см², кгс/м² и бар. Первая из них является производной единицей давления системы СИ, а остальные, кроме кгс/м² -- внесистемными единицами.

Единица давления 1 н/м² равна давлению на площадь 1 м² силы в 1 н (1 н -- сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение в 1 м/сек²).

Широкое распространение имеет внесистемная единица давления 1 кгс/см², равная давлению на площадь 1 см² силы в 1 кгс (1 кгс -- сила, сообщающая массе в 1 кг нормальное ускорение свободного падения в 9,81 м/сек²), а также единица давления системы МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда), равная 1 кгс/м². В настоящее время почти все приборы для измерения давления и' разрежения градуируются в единицах кгс/см² и кгс/м².

5. Используемые в теплоэнергетике приборы для измерения давления и разрежения в зависимости от назначения делятся на следующие группы:

манометры -- для измерения избыточного давления;

тяго- и напоромеры -- для измерения небольшого разрежения и небольшого избыточного давления;

вакуумметры -- для измерения значительного разрежения (вакуума);

мановакуумметры -- для измерения избыточного давления и разрежения;

барометры -- для измерения атмосферного давления;

баровакуумметры -- для измерения абсолютного давления;

7)дифференциальные манометры -- для измерения разности давлений

Существующие виды манометров по принципу действия разделяются на жидкостные стеклянные, пружинные, грузопоршневые и электрические.

В жидкостных стеклянных манометрах величиной, характеризующей измеряемое давление, служит высота столба рабочей жидкости в стеклянной трубке, в пружинных--степень упругой деформации (изгиба) различного рода -пружин, в грузопоршневых -- действующая на поршень сила, создаваемая массой калиброванного груза (гирь), и в электрических -- изменение под влиянием давления некоторых электрических величин. К ним относятся: изменение электрического сопротивления проводников (манганиновый манометр сопротивления), возникновение электростатических зарядов на поверхности кристаллических минералов -- кварца, турмалина или сегнетовой соли (пьезоэлектрический манометр), изменение электрической емкости (емкостный манометр) и т. п. Электрические манометры, применяемые главным образом при измерении очень высоких и быстропеременных давлений, являются приборами специального назначения и поэтому здесь не рассматриваются.

6. Приборы для измерения давления.

6.1. Тяго- и напоромеры.

Для измерения небольших разрежений и избыточных давлений газа (воздуха) применяются тягомеры (для разрежения), напоромеры (для давления) и тягонапоромеры (для разрежения и давления). Эти приборы, широко используемые для определения давления, разрежения и разности давлений в топке, газоходах и воздуховодах котлоагрегата, имеют одностороннюю (тягомеры и напоромеры) или двустороннюю (тягонапоромеры) шкалу, градуированную в кгс/м² или мм вод. ст.

Так как между тягомерами, напоромерами и тягонапоромерами нет существенного различия, в дальнейшем они для простоты изложения называются тягонапоромерами. По принципу действия тягонапоромеры разделяются на жидкостные стеклянные, мембранные, колокольные и кольцевые. Наибольшее распространение получили мембранные приборы.

6.2. Вакуумметры и мановакууметры.

Вакуумметры применяются для измерения значительных разрежений (вакуума) в конденсаторах паровых турбин, во всасывающих линиях насосов и т. п. Величина вакуума V, выраженная в процентах, широко используется для оценки эффективности работы конденсационных устройств турбин. Она подсчитывается по формуле

где Во -- атмосферное(барометрическое)давление, мм рт. ст., при температуре 0°С;

Но -- вакуум в конденсаторе турбины, мм рт. ст., при температуре 0°С.

Мановакуумметры применяются в тех случаях, когда абсолютное давление измеряемой среды может принимать значение выше или ниже атмосферного. Эти приборы имеют двустороннюю шкалу.

По своему устройству вакуумметры и мановакуумметры бывают ртутные стеклянные и пружинные.

6.3. Барометры и баровакууметры.

Измерение атмосферного (барометрического) давления, производимое при помощи барометра, необходимо для точного определения абсолютного давления любой среды. Так, например, для определения по показаниям вакуумметра абсолютного давления отработавшего в турбине пара необходимо согласно равенству одновременно измерить и барометрическое давление.

Барометры разделяются на ртутные стеклянные и пружинные, причем первые, так же как и ртутные вакуумметры, чаще всего выполняются однотрубными (чашечными) .

7. Общие понятия расхода и количества. Основные приборы.

Количество вещества, проходящее в единицу времени по трубопроводу, каналу и т. п., называется расходом вещества Количество и расход вещества выражают в объемных или массовых единицах измерения. Объемными единицами измерения количества обычно служат кубический сантиметр (см³), литр (л) и кубический метр (м³), а массовыми -- грамм (г), килограмм (кг) и тонна (т). Объемное количество газа иногда для сравнения представляют приведенным к нормальному состоянию -- абсолютному давлению 101325 н/м² (1,0332 кгс/см²), температуре 20° С и относительной влажности 0% и выражают его в нормальных кубических метрах (нм³).

Наиболее распространенными единицами измерения объемного расхода являются м³/сек, м³/ч, л/ч, нм³/сек, а массового -- кг/сек, кг/ч и т/ч.

Переход от объемных единиц измерения расхода к массовым и обратно производится по формуле

где -- G - массовый расход вещества, кг/сек; V--объемный расход вещества, м³/сек; -- плотность вещества, кг/м³.

К приборам, измеряющим количество, относятся счетчики и весы, С их помощью определяется суммарное количество вещества, прошедшее за известный промежуток времени, для чего отсчитываются показания прибора в начале и конце периода измерения и вычисляется разность этих показаний.

Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. В зависимости от рода измеряемого вещества они делятся на водомеры, паромеры, мазутомеры и пр. Расходомеры показывают или записывают мгновенное значение измеряемого количества, отнесенное к единице времени. Часто расходомер снабжается встроенным в него суммирующим счетным механизмом (интегратором).

Для определения количества и расхода жидкости, газа, пара и сыпучих тел обычно применяются следующие методы измерения: дроссельный, скоростной, объемный и весовой.

Дроссельным методом производится определение расхода жидкости, газа и пара, скоростным и объемным -- количества жидкости и газа и весовым -- количества твердого топлива в кусковом или пылевидном состоянии.

Дроссельный метод измерения, имеющий большое практическое значение, основан на изменении статического давления среды, проходящей через искусственно суженное сечение трубопровода, скоростной -- на определении средней скорости движения потока, а объемный и весовой -- на определении объема и массы вещества.

Достоинствами первых двух методов измерения являются сравнительная простота и компактность измерительных устройств, а последних двух -- более высокая точность измерения.

В отдельных случаях измерение расхода производится также электрическими методами. В соответствии с указанными методами измерения количества и расхода вещества измерительные приборы разделяются на следующие группы:

дроссельные расходомеры;

скоростные счетчики и расходомеры;

объемные счетчики;

ротаметры;

индукционные и ультразвуковые расходомеры;

весы.

7.1. Дроссельные расходомеры.

Для измерения расхода жидкости, газа и пара, протекающих по трубопроводам, весьма широкое применение получили дроссельные расходомеры. Принцип действия этих приборов основан на изменении потенциальной энергии вещества при протекании через искусственно суженное проходное сечение трубопровода.

Дроссельный расходомер состоит из сужающего устройства, устанавливаемого в трубопроводе и служащего для местного сжатия струи (первичный прибор), дифференциального манометра, предназначенного для измерения разности статических давлений протекающей среды до и после сужающего, устройства (вторичный прибор), и соединительных линий (двух трубок), связывающих между собой оба прибора.

Сужающее устройство обычно имеет круглое отверстие, расположенное концентрично относительно стенок трубы, диаметр которого меньше внутреннего диаметра трубопровода.

Дифференциальный манометр (дифманометр) выполняется показывающим или самопишущим и дополнительно может иметь интегратор. Шкала дифманометра градуируется в объемных или массовых единицах расхода.

Дроссельный расходомер с дистанционной передачей показаний содержит, как правило, бесшкальный дифманометр с электрическим датчиком, соединенный проводами со вторичным прибором. Дроссельные расходомеры пригодны для измерения протекающего по трубопроводу вещества при условии заполнения им всего поперечного сечения трубы и установленного в нем сужающего устройства.

7.2. Скоростные счетчики и расходомеры.

Скоростной метод определения количества и расхода жидкости и газа положен в основу ряда конструкций счетчиков и расходомеров, обладающих весьма простым устройством и значительным диапазоном измерений. Принцип действия этих приборов заключается в измерений средней скорости потока, связанной с объемным расходом вещества. По конструкции и назначению скоростные счетчики и расходомеры разделяются на скоростные счетчики для жидкости, напорные трубки и анемометры.

- Скоростные счетчики для жидкости

Скоростные счетчики для жидкости чаще всего применяются для измерения количества воды и поэтому называются скоростными водомерами или водосчетчиками. Чувствительным элементом их является вертушка с лопастями, приводимая во вращение потоком измеряемой жидкости. Ось вертушки при помощи передаточного механизма, уменьшающего число оборотов, связана со счетным механизмом прибора.

7.3. Объемные счетчики.

Принцип действия объемных счетчиков основан на отмеривании определенного объема проходящего через прибор вещества и суммировании результатов этих измерений. К числу таких устройств относятся: мерные баки, объемные счетчики для жидкости и объемные счетчики для газа.

Мерный бак является наиболее простым и в то же время точным измерительным устройством, применяемым для определения расхода жидкости при поверке счетчиков и расходомеров, а также при испытаниях соответствующих установок.

7.4. Ротамеры.

Ротаметры относятся к приборам дроссельного типа, служащим для измерения расхода жидкости и газа (воздуха). Приборы устанавливаются в вертикальных участках трубопроводов с восходящим потоком измеряемой среды. Изменение расхода вызывает у них соответствующее изменение проходного сечения, в результате чего перепад давления в приборе остается все время постоянным и равным расчетному значению. В зависимости от устройства ротаметры делятся на стеклянные и металлические. Первые из них являются местными показывающими приборами, а вторые -- бесшкальными датчиками, предназначенными для работы в комплекте с дифференциально-трансформаторными приборами.