Теплотехнические измерения и приборы: Рабочая программа, задания на контрольные работы, методические указания к выполнению контрольных работ

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра теплотехники и теплоэнергетики

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Рабочая программа Задания на контрольные работы Методические указания к выполнению контрольных работ

Факультет энергетический Направление и специальности подготовки дипломированного специалиста: 650800 - теплоэнергетика 100500 – тепловые электрические станции 100700 – промышленная теплоэнергетика Направление подготовки бакалавра 550900 - теплоэнергетика

Санкт – Петербург 2004 год

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.016.4; 536-5.08 (075.8) Теплотехнические измерения и приборы: Рабочая программа, задания на контрольные работы, методические указания к выполнению контрольных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004. 29 с. Рабочая программа разработана в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 650800 – «Теплоэнергетика» (специальности 100700 «Промышленная теплоэнергетика» и 100500 «Тепловые электрические станции») и направлению подготовки бакалавра 550900. Рассматриваются вопросы современного состояния, физические явления, методы, принципы работы, которые положены в основу работы средств теплотехнических измерений. Измерение рассматривается как единый процесс совместной работы чувствительных элементов, преобразователей и измерительных приборов с учетом влияния различных факторов. Приведены задания на контрольные работы и методика выполнения контрольных работ. Рассмотрено на заседании кафедры теплотехники и теплоэнергетики 15 марта 2004г.; одобрено методическим советом энергетического факультета 23 марта 2004г. Рецензенты: кафедра теплотехники и теплоэнергетики СЗТУ (зав. кафедрой З.Ф. Каримов, д-р техн. наук, проф.), А.Г.Кравцов, канд. техн. наук, ст. научн. сотр. проблемной научно-исследовательской лабораторией ВММИ.

Составитель: Н.Н.Панферов, канд. техн. наук.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет,2004 2

ПРЕДИСЛОВИЕ ЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ КУРСА Целью изучения курса - формирование знаний и навыков в области методов измерения теплотехнических параметров, овладение современными техническими средствами измерения, включая информационные вычислительные машины и микропроцессорные устройства, используемые для ведения технологических процессов теплоэнергетического оборудования ТЭС, АЭС и промышленных предприятий. ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ КУРСА: - Освоение принципов измерения основных теплотехнических параметров и особенностей их измерения в условиях ТЭС, АЭС и промышленных предприятий. - Получение практических навыков измерения теплотехнических величин и навыков работы с измерительной аппаратурой. СВЯЗЬ КУРСА С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ Изучение данной дисциплины основывается на знаниях предшествующих общеинженерных и профилирующих дисциплин, таких как «Химия», «Физика», «Математика», «Электротехника и электроника», «Вычислительная техника и программирование», «Гидрогазодинамика», «Техническая термодинамика», «Тепломассообмен» и др. 1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ВВЕДЕНИЕ 1.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем курса 100 часов) Важнейшими показателями современного научно-технического прогресса теплоэнергетики являются значительная интенсификация теплотехнических процессов, рост единичной мощности и производительности агрегатов и тесно связанное с ними развитие технических средств измерения и техники управления. Особо следует отметить, что современные автоматизированные системы управления теплоэнергетическими процессами требуют значительного количества и разнообразия средств измерений, обеспечивающих выработку сигналов 3

измерительной информации в форме, удобной для дистанционной передачи, сбора, дальнейшего преобразования, обработки представления ее. Настоящий курс позволяет увязать проблему точности измерения и качества измерительных и управляющих устройств с задачами повышения экономической эффективности теплоэнергетического оборудования. Важное значение приобретают проблемы повышения надежности измерительной и управляющей аппаратуры. Измерения, как один из способов познания природы, способствуют новым научно-техническим открытиям и их внедрению в промышленности и обеспечивают объективный контроль за производственными процессами, надежность и экономичность работы оборудования. Изучение дисциплины рассчитано на 120 часов учебных занятий, из них 16 часов отводится на лабораторные занятия. Дисциплина изучается студентами специальностей 100500 и 100700 в течение второго семестра IV курса. Студент должен по этой дисциплине выполнить две контрольные работы, лабораторные работы и сдать экзамен. 1.1.1. РОЛЬ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ТЭС, АЭС И ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ [1], с. 3; [2], с. 5 … 6; [3] Значение измерений, а также средств измерений для систем контроля и автоматического управления тепловыми процессами на ТЭС, АЭС и промышленных предприятиях. Вклад отечественных ученых в развитие фундаментальных основ теории измерений. Развитие теории и практики измерений в связи с широким внедрением систем централизованного контроля и автоматизированного управления. Технико-экономические аспекты эффективности внедрения систем централизованного контроля и автоматизированного управления производством. Методологическая направленность дисциплины «Теплотехнические измерения и приборы». 1.1.2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ [1], с. 4 … 5; [2], с. 7 … 20, 27 … 28, 35 … 38, 42 … 44, 52 … 55; [4] Теплотехнические измерения и их место в структуре автоматизированных систем управления технологическими процессами ТЭС, АЭС и промышленных предприятий. Государственная система обеспечения единства измерений: виды и методы измерений, представление результатов измерений. Выбор методов и средств измерений для обеспечения требуемой точности измерений. 4

Погрешности при технических и лабораторных измерениях. Вопросы для самоконтроля 1. Что называют средствами измерений? Что входит в средства измерений? Охарактеризуйте основные виды средств измерений. 2. Дайте характеристику Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации. 3. Дайте определение класса точности и допускаемых погрешностей. 4. Поясните способы численного выражения погрешностей средства измерений. Дайте понятие поправки. 1.1.3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ [1], с. 16 … 80; [2], с. 56 … 290; [3] Общие сведения об измерении температуры и температурных шкалах. Термометры, основанные на расширении и изменении давления рабочего вещества, принцип действия, область применения, пределы измерения, погрешности измерения и способы их уменьшения. Термоэлектрические преобразователи (ТП) и измерительные приборы к ним. Основы теории ТП. Промышленные стандартные ТП: диапазон измерения, область применения, конструкции, источники погрешностей и методы их устранения. Магнитоэлектрические милливольтметры: теоретические основы, область применения, класс точности. Потенциометры переносные, лабораторные, автоматические: теоретические основы, принципиальная схема, область применения, погрешности измерения и способы их уменьшения. Термопреобразователи сопротивления (ТС) и измерительные приборы к ним. Стандартные металлические и полупроводниковые ТС. Методы измерения сопротивления ТС: компенсационные, уравновешенным и неуравновешенным мостами, логометром. Нормирующие преобразователи для работы в комплекте с термоэлектрическими термометрами и термометрами сопротивления. Методика измерения температуры контактными методами, погрешности при измерении, а также способы их учета и уменьшения. Измерение температуры тел по их тепловому излучению. Теоретические основы. Пирометры излучения: оптические, фотоэлектрические, спектрального отношения, радиационные.

5

Вопросы для самоконтроля 1. Что такое температура? 2. Перечислите термометры, применяемые при контактных методах измерения температуры. 3. Перечислите погрешности, возникающие при измерении жидкостными стеклянными термометрами, способы их учета и уменьшения. 4. Расскажите о принципе действия манометрических термометров, их конструкции, диапазоне измерения, области применения. 5. Как определить поправку на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя? 6. Какие требования предъявляются к термоэлектродным материалам? 7. Перечислите типы стандартных термоэлектрических преобразователей, диапазон измерения ими при длительном и кратковременном применении. 8. Какие основные физические закономерности положены в основу работы магнитоэлектрического милливольтметра? 9. В чем заключается принцип компенсационного метода измерения термоЭДС? 10. Какие термопреобразователи сопротивления вы знаете? В каком диапазоне температур они находят применение? Приведите основные сведения о металлических термопреобразователях сопротивления. 11. Расскажите об устройстве термопреобразователей сопротивления, источниках возникновения погрешностей при измерении ими и методах уменьшения этих погрешностей. 12. В чем заключается компенсационный метод измерения сопротивления термопреобразователей сопротивления? 13. Поясните принцип действия уравновешенного моста; неуравновешенного моста. 14. Приведите принципиальную схему логометра. 15. Каково влияние лучистого теплообмена на погрешность измерения температуры газа? 16. Что такое бесконтактные методы измерения температуры? В каком диапазоне можно измерять температуру этими методами? Какие законы излучения положены в основу различных методов измерения температуры? 17. Дайте сравнительную характеристику пирометров излучения, измеряющих яркостную, цветовую и радиационную температуры. 1.1.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СХЕМЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ ПОКАЗАНИЙ [1], с. 81 … 93; [2], с. 299 … 344; [3] Измерительные преобразователи, используемые в схемах автоматизации ТЭС, АЭС и промышленных предприятий. Реостатные нормирующие преобра6

зователи и схемы дистанционной передачи показаний. Дифференциальнотрансформаторные преобразователи и схемы дистанционной передачи. Преобразователи с магнитной компенсацией. Электросиловые преобразователи. Вопросы для самоконтроля 1. В чем заключается принцип действия дифференциально-трансфор-маторного преобразователя? Поясните работу дистанционной передачи сигнала дифференциально-трансформаторного преобразователя на прибор. 2. Что такое нормирующие преобразователи? 3. Поясните принцип действия, устройство и работу тензопреобразователей. 1.1.5. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ, РАЗРЕЖЕНИЯ И РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ [1], с. 93 … 115; [2], с. 317 … 426; [3] Единицы измерения давления. Жидкостные приборы с видимым уровнем: принцип действия, область применения, погрешности измерения и способы их уменьшения. Приборы для измерения давления и разрежения: их классификация, принцип действия, предел измерения, область применения. Дифференциальные манометры. Электрические манометры. Основные сведения о методике измерения разности давлений различных сред. Погрешности измерения давления и разности давлений и способы их уменьшения. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление? 2. Какие единицы давления применяются. Соотношение между единицами давления. 3. Охарактеризуйте устройство, принцип действия, область и условия применения V-образных манометров. Единицы измерения. 4. Поясните принцип действия микроманометра, способы снятия показаний. 5. Дайте сравнительную характеристику упругих чувствительных элементов. 6. Как осуществляется поверка приборов для измерения давления? 7. Поясните конструкцию и принцип действия дифманометров: мембранного, колокольного, кольцевого, поплавкового. 8. Поясните принцип действия манометров с тензопреобразователями.

7

1.1.6. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОСТЕЙ, ГАЗА, ПАРА И ТЕПЛА [1], с. 116 … 141; [2], с. 433 … 527; [3] Методы и единицы измерения расхода. Расходомеры переменного перепада давления: область применения и теоретические основы измерения расхода вещества по перепаду давления в сужающем устройстве. Нормальные сужающие устройства. Основные сведения о методике расчета сужающих устройств. Использование ЭВМ при расчете сужающих устройств. Погрешности измерения расхода вещества. Измерение скоростей и расхода жидкостей и газа напорными трубами. Расходомеры постоянного перепада давления, тахометрические, индукционные и электромагнитные расходомеры. Измерение количества и расхода тепла в теплофикационных системах. Вопросы для самоконтроля 1. Какие единицы применяются при измерении расхода количества, объема, массы? 2. Покажите физическую картину изменения параметров потока при протекании его через сужающее устройство. 3. Дайте сравнительную характеристику стандартных сужающих устрой-ств. 4. Дайте характеристику поправочных множителей к коэффициентам рас-хода. 5. Как привести расход газа к нормальному состоянию? 6. Перечислите общие правила установки сужающих устройств. 7. Чему равна предельная относительная погрешность измерения расхода при помощи нормальных сужающих устройств? 8. Как производится измерение расхода загрязненных жидкостей, газов? 9. Приведите общие сведения о методе измерения скоростей потока напорными трубками. 10. Приведите основы теории ротаметров, их устройство и типы. 11. Приведите основные сведения о скоростных и объемных методах измерения расхода и количества. 12. Приведите основные сведения об устройстве тепломеров. 1.1.7. ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ ТЕЛ [1], с. 141 … 160; [2], с. 531 … 566; [3] Измерения уровня: единицы измерения, область применения в теплоэнергетике, классификация методов и средств измерения уровня. Измерение уровня

8

воды в барабане парового котла, конденсаторах турбин, подогревателях и баках. Измерение уровня сыпучих тел. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте общую характеристику средств измерения уровня жидкостей, приборов и сигнализаторов. 2. Чем отличается расчет шкалы дифманометров-уровнемеров для измерения уровня в барабане парового котла с внутрибарабанными циклонами и при погружном дырчатом щите? 3. Поясните схемы измерения уровня в барабане котла: дифманометром с использованием двухкамерного уравнительного сосуда: однокамерного сосуда; уровнемером с коррекцией по разности плотностей воды и пара. 4. Поясните схемы измерения уровня: воды в конденсаторе турбины, конденсата греющего пара в ПВД, жидкости в баке. 5. Расскажите о принципе действия буйкового уровнемера. 6. Дайте общие сведения о емкостных уровнемерах. 7. Поясните принцип действия акустических и ультразвуковых уровнемеров. 8. Поясните принцип действия сигнализатора уровня угольной пыли в бункере. 1.1.8. МЕТОДЫ АНАЛИЗА ГАЗОВ И РАСТВОРОВ [1], с. 161 … 208; [2], с. 573 … 644; [3] Сведения о методах анализа газов: единицы измерения, концентрации, классификация газоанализаторов (химические, магнитные, хроматографические, оптико аккустические). Методические указания по отбору проб газа для анализа. Классификация методов, используемых для анализа растворов. Измерение удельной электропроводности водных растворов. Кондуктометрические методы анализа. Методы и технические средства измерений при определении концентрации растворенного в воде кислорода. Анализаторы для определения растворенного в воде и паре водорода. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте классификацию средств измерений состава газов. 2. Какие компоненты газовой смеси измеряются для контроля топочных процессов на электростанциях, в промышленных и отопительных котельных? 3. Опишите работу химических газоанализаторов. 4. На каком принципе основана работа тепловых газоанализаторов? 5. Поясните принцип действия термомагнитных газоанализаторов. 9

6. Как градуируется шкала вторичного прибора солемера и в каких единицах? 7. Поясните принцип действия электродного кондуктометрического преобразователя, источники возникновения погрешностей и методы их уменьшения. 8. Какие средства применяют для определения содержания растворенного в воде кислорода? 9. Поясните принцип действия анализатора для определения растворенного в воде и паре водорода. 1.1.9. СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО КОНТРОЛЯ [1], с. 209 … 222 Принцип построения систем централизованного контроля промышленных теплоэнергетических объектов. Применение микропроцессоров в измерительной технике. Вопросы для самоконтроля 1. Какова цель использования в измерительной технике информационновычислительных машин (ИВМ)? 2. Каковы функции информационно-измерительной подсистемы АСУ ТП? 3. Охарактеризуйте принципы построения функциональных схем теплотехнического контроля. 1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ (28 часов) (для студентов очно-заочной формы обучения) 1. Роль теплотехнических измерений для ведения технологических процессов на ТЭС, АЭС и промышленных предприятиях. 2. Общие сведения об измерениях. 3. Методы и средства измерения температуры. 4. Измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи показаний. 5. Измерение давления, разрежения и разности давлений. 6. Измерение расхода и количества жидкостей, газа, пара и тепла. 7. Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел. 8. Методы анализа газов и растворов. 9. Системы централизованного контроля

10

1 час 3 часа 6 часов 3 часа 3 -«4 -«2 -«4 -«2 -«-

1.3. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ (12 часов) 1. Оценка погрешностей при точных измерениях. 2. Исследование и поверка жидкостно-стеклянных и манометрических термометров. 3. Исследование и поверка магнитоэлектрического милливольтметра. 4. Исследование и поверка автоматического потенциометра. 5. Исследование и поверка автоматического уравновешенного моста. 6. Исследование температуры тел по их излучению. 7. Исследование и поверка нормирующего преобразователя, работающего в комплекте с термоэлектрическим преобразователем или с термопреобразователем сопротивления. 8. Исследование и поверка пружинных технических манометров. 9. Исследование дифманометра с дифференциальнотрансформаторной передачей показаний. 10. Исследование системы измерения расхода воздуха с помощью различных методов и средств измерения. 11. Исследование химического (ручного) и электрического (автоматического газоанализаторов.

1 час 1 -«1 -«1 -«1 -«1 -«1 -«1 -«1 -«1 -«2 -«-

Примечание. Студенты выполняют из указанного перечня 4 лабораторные работы по указанию преподавателя.

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 232 с. Дополнительный: 2. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергия, 1978. – 703 с. 3. Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям и приборам. – М.: Энергия, 1973. – 216 с. 4. ГОСТ 8.4172-91. Метрология, «Единицы физических величин». 5. ГОСТ 8.563.1-97. Диафрагмы, сопла иса 1932 и трубы вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия. Минск, 1996. – 61 с. 6. ГОСТ 8.563.1-97. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. Минск, 1996. – 83 с. 7. ГОСТ 8.563.1-97. Процедура и модуль расчетов. Программное обеспечение. Минск, 1996. – 69 с.

11

3. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ По данной дисциплине студенты выполняют две контрольные работы. Вариант задания выбирается в соответствии с условным шифром студента. Решение задач необходимо сопровождать кратким пояснительным текстом, указывающим, какая величина определяется и по какой формуле, и там, где необходимо, структурными или функциональными схемами и графиками. При выполнении контрольных заданий следует полностью выписывать условие задачи, а все графики строить только на миллиметровой бумаге. Для отметок рецензента в тетради следует оставлять поля шириной 2,5 см. Ссылку на используемую литературу (в случае необходимости) следует делать в тексте по ходу решения задач. Список используемой литературы приводится в конце работы. 3.1. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1 Контрольное задание состоит из двух задач. Задача 1. Определить погрешность прямого измерения измерительным устройством, состоящим из термоэлектрического преобразователя ТП, термоэлектродных удлиняющих проводов ТЭП, коробки холодных спаев КТ и милливольтметра типа М-64. Температура свободных концов ТП - 20оС. Необходимые для расчета данные приведены в табл. 1. Таблица 1 Параметры

Варианты и исходные данные 4 5 6 7 8 9 0 ТПП ТЖМ ТММ ТПП ТВВ ТХК ТХА тип В тип J тип Т тип В тип ВР тип ХК тип ХА

1 2 3 Тип термоэлек- ТХК ТПП ТХА трического пре- тип ХК тип S тип ХА образователя Тип термоэлекХК ПП М ПП МК М П М-МН тродных удлиняющих проводов Показание мил355 1100 580 925 550 320 1450 1550 ливольтметра, оС Шкала милли- 0…600 0…1600 0…800 300…1300 0…600 0…600 0…1600 1600 вольтметра, оС Класс точности 0,5 1,5 1,0 1,5 1,0 0,5 1,5 1,0 милливольтметра

ХК

М

520 0,60

420 0…600

0,5

1,5

Задача 2. Металлический термопреобразователь установлен в газоходе, футерованном огнеупорным кирпичом. Температура, показываемая термометром tт, температура стенки tст, коэффицинет теплоотдачи от газового потока к термопреобразователю λк, коэффициент черноты чехла термопреобразователя Εт. 12

Считая газ лучепрозрачным, определить погрешность измерения, вызванную лучистым теплообменом. Как изменится эта погрешность, если температура стенки повысится на 5% за счет улучшения изоляции газохода? Считая температуру стенки первоначально заданной, определить, как изменится погрешность измерения температуры газа, если произвести экранирование термоприемника. Коэффициент теплоотдачи от газового потока к экрану λкэ, коэффициент черноты экрана Εэ, приведенный коэффициент черноты системы термопреобразователь – экран Εтэ. Значения параметров приведены в табл. 2. Указание. Уравнения четвертой степени могут быть решены графически или методом подбора. Для решения графическим путем левую часть уравнения следует обозначить через α, правую через в. Построить графически зависимость а и в от температуры; искомая температура будет в точке пересечения линий а и в. Точность полученного результата зависит от выбранного масштаба построения графика.

13

Таблица 2 Параметры 1 Показания термометра tт, оС Температура стенки tст, оС Коэффициент теплоотдачи от газового потока к термопреобразователю λк, Вт/(м2·К) Коэффициент теплоотдачи от газового потока к экрану λкэ, Вт/(м2·К) Коэффициент черноты термопреобразователя - Εт Коэффициент черноты экрана - Εэ Приведенный коэффициент черноты системы термопреобразователь-экран - Εтэ

1100 1030

Варианты и исходные данные 2 3 4 5 6 7 Последняя цифра шифра студента 1150 1200 1250 1300 1120 1130 1080 1120 1180 1220 1050 1060 Третья от конца цифра шифра студента

8

9

0

1140 1070

1160 1080

1210 1100

375

380

405

440

480

380

385

390

395

400

355

360

385

420

455

360

365

370

375

390

Вторая от конца цифра шифра студента 0,48 0,55 0,52 0,56 0,54

0,51

0,49

0,60

0,70

0,50 0,78

0,92

0,80

0,82

0,90

0,88

0,86

0,84

0,85

0,81

0,65

0,73

0,68

0,75

0,80

0,78

0,81

0,80

0,82

0,80

3.2. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2 Произвести расчет сужающего устройства для измерения расхода среды. Параметры измеряемой среды до сужающего устройства: давление РI, температура t1, внутренний диаметр трубопровода при 20оС – D1, максимальный расход среды Qmax, допустимая безвозвратная потеря давления среды (Р/РI)х100, длина прямого участка трубопровода до сужающего устройства L1. Рассчитать также предельную относительную погрешность измерения расхода. Необходимые для расчета данные выбираются из табл. 3, в соответствии с цифрами шифра студента. Указания. Расчет сужающего устройства ведется в соответствии с: ГОСТ 8.563.1-97 ГОСТ 8.563.2-97 ГОСТ8.563.3-97

Таблица 3 Параметры 1 Измеряемая среда Р1, Мпа t1, оС Qmax, кг/с Диаметр трубопровода, D, м Безвозвратная потеря давления (Р/РI)х100%, % L1/D

Пар 11,0 540 100 0,6 5 6

Варианты и исходные данные 2 3 4 5 6 7 Последняя цифра шифра студента Пар Пар Пар Вода Вода Вода 10,0 13,5 26,5 1,2 1,0 1,4 320 540 650 20 75 50 117 133 528 1167 972 2389 Предпоследняя цифра шифра студента 0,55 0,45 0,50 0,55 0,65 0,55 Третья от конца цифра шифра студента 10 15 20 3 2 5 12

15

10

22

8

26

8

9

0

Воздух 0,005 250 5,5

Воздух 0,02 200 4,7

Вода 1,4 60 800

0,65

0,6

0,50

4

12

14

30

24

14

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ 4.1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ № 1 4.1.1. ЗАДАЧА № 1 Методику выполнения задачи рассмотрим на примере. Необходимо определить погрешность прямого измерения температуры измерительным устройством, состоящим из термоэлектрического преобразователя хромель-алюмелеевого (ТХА), термоэлектрических удлиняющих проводов, коробки холодных спаев КТ, милливольтметра М-64, температура свободных концов ТХА – 20 оС, показания милливольтметра 540 оС, шкала милливольтметра 200 ÷ 600 оС, класс точности 0,5. РЕШЕНИЕ Вычертить схему измерительного устройства. Значение предельной погрешности показаний для комплекта определяется по формуле: 2 δ к = ± δ м2 + δ 2т + δ 2тп + δ кт

где: δм – пределы допускаемой основной абсолютной погрешности показаний милливольтметра при диапазоне измерений. Из приложения 2 получим: Термо э.д.с. для ТХА при температуре свободных концов 0 оС будет иметь следующее значение: при 200 оС

Е ∂200 = 8,137мВ

при 600 оС

Е 600 = 24,902мВ ∂

200 Е ∂ = Е 600 = 24,902 − 8,137 = 16,765мВ ∂ − Е∂

ΔЕ м = ±

δЕ ∂ 0,5 ⋅ 16,765 =± = 8 ± 0,084мВ 100 100

Что соответствует Δtм = ± 2 оС, тогда:

Δt м 2 ⋅ 100 100 = ± = ±0,37 о С t 540 δт – допускаемое отклонение термо э.д.с. для ТХА от значений градупровочной таблицы. δм = ±

Из приложения 3 находим:

Δt т = ±[а + в(t − c )] , для интервала температур [400 ÷ 1300]о С , где: а = 4; в = 7,5·10-3; с = 400 оС. Тогда:

[

]

Δt т = ± 4 + 7,5 ⋅ 10 −3 (540 − 400 ) = ±5,05 о С δт = ±

Δt т 5,05 ⋅ 100 ⋅ 100 = ± = ±0,94% 540 t

δтп – допускаемое отклонение э.д.с. в паре между жилами термоэлектродных проводов. Выбираем в качестве удлиняющих проводов медь-константаловые провода, приложение 4. Согласно приложения 5 ΔЕтп = ± 0,15 мВ, что соответствует Δtтп = ± 3,66 С (приложение 2), тогда:

о

Δt т п

3,66 ⋅ 100 = ±0,68% t 540 δкт – пределы допускаемой погрешности коробки холодных спаев КТ равны ± 3 оС, 310 или: δ кт = ± = ±0,55% 540 δтп = ±

⋅ 100 = ±

Приближенное значение предельной погрешности для комплекта будет: δ к = ± 0,37 2 + 0,94 2 + 0,68 2 + 0,55 2 = ±1,34%

или: δΔt = ± 2 2 + 5,05 2 + 3,66 2 + 32 = ±7,2 о С ≈ ±7 о С

18

4.1.2. ЗАДАЧА № 2

Термопреобразователь (термопара) установлен в газоходе, футерованном огнеупорным кирпичом. Температура, показываемая термометром tт = 1100 оС, а температура стенки tст = 1030 оС. Коэффициент теплоотдачи от газового потока к термопреобразователю αк = 375 Вт/(м2·К). Коэффициент теплоты чехла термопреобразователя Ет = 0,5. Считая газ лучепрозрачным определить погрешность измерения вызванную лучистым теплообменом. Как изменится эта погрешность, если температура стенки повысится на 5%, за счет улучшения изоляции газохода? Считая температуру стенки первоначально заданной, определить, как изменится погрешность измерения температуры газа, если произвести экранирование термопреобразователя? Приведенный коэффициент теплоты системы термопреобразовательэкран Етэ = 0,65; коэффициент черноты экрана Еэ = 0,78; коэффициент теплоотдачи от газового потока к экрану αкэ = 355 Вт/(м2·К). РЕШЕНИЕ

Количество теплоты отдаваемое поверхностью термопреобразователя путем лучистого теплообмена с поверхностью трубы будет: ⎡⎛ T ⎞ 4 ⎛ Т ⎞ 4 ⎤ Q л = Е пр ⋅ σ о F⎢⎜ т ⎟ − ⎜ ст ⎟ ⎥ ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦

(1)

где: Епр – приведенный коэффициент черноты двух тел; σо – постоянная Стефана-Больцмана, σо = 5,67·10-8 Вт/(м2·К4); Тт – температура термопреобразователя; Тст – температура топки. Так как термопреобразователь находится внутри газохода и его поверхность F мала по сравнению с поверхностью газохода, участвующей в лучистом теплообмене, то можно принять приведенный коэффициент черноты системы Епр равным коэффициенту черноты Ет поверхности термопреобразователя. Тогда будет иметь: ⎡⎛ T ⎞ 4 ⎛ Т ⎞ 4 ⎤ Q л = С ⋅ F⎢⎜ т ⎟ − ⎜ ст ⎟ ⎥ ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ где: С – коэффициент излучения поверхности теплоприемника С = σо · Ет = 5,67 · 0,5 = 2,835 Вт/(м2·К4) 19

(2)

Количество тепла, получаемое поверхностью термопреобразователя от газа, протекающего в газоходе. Определяется по формуле: Qк = α · F (tг – tт)

(3)

Решая уравнения 3 и 2 с учетом, что все тепло получаемое термопреобразователем конвекцией от омывающего его газа отдается лучеиспускателем Qк = Qл, получим формулу для определения погрешности измерения вызванную лучистым теплообменом 4 4 С ⎡⎛ Т т ⎞ ⎛ Т ст ⎞ ⎤ Δt = t т − t г = − ⎢⎜ ⎟ ⎥ ⎟ −⎜ α ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦

(4)

4 4 2,835 С ⎡⎛ 1100 + 273 ⎞ ⎛ 1030 + 273 ⎞ ⎤ Δt = = − ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ = −37,2К α ⎣⎢⎝ 375 100 100 ⎠ ⎝ ⎠ ⎦⎥

Если температура стенки повысится на 5% и составит tс = 1081 оС, тогда: 4 4 2,835 ⎡⎛ 1100 + 273 ⎞ ⎛ 1081 + 273 ⎞ ⎤ о Δt = t т − t г = ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ = −14,6 К 375 ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦

Таким образом при повышении температуры стенки на 5% погрешность измерения уменьшится. При экранировании термопреобразователя пользуясь уравнениями, которые применялись при выводе выражения 4, получим формулу для определения значения погрешности измерения и температуры экрана. σ о Е пр ⎡⎛ Т т ⎞ 4 ⎛ Т э ⎞ 4 ⎤ tт − tг = − ⎢⎜ ⎟ ⎥ ⎟ −⎜ α ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ σ Е t э = t г − о пэ 2αэ

⎡⎛ Т ⎞ ⎛ Т ⎞ 4 ⎤ ⎢⎜ э ⎟ − ⎜ ст ⎟ ⎥ ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦

Решение уравнения 6 решаем графическим способом. Обозначим tэ = а: σ Е t г − о пэ 2α э

⎡⎛ Т ⎞ 4 ⎛ Т ⎞ 4 ⎤ ⎢⎜ э ⎟ − ⎜ ст ⎟ ⎥ = в ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ 20

(5)

(6)

tэ α в

1060 1060 1083

1070 1070 1077

1080 1080 1071

α,в 1080 tг = f(а) tг = f(в)

1070

1070

1080

tэ tэ = 1074 оС

Погрешность измерения температуры будет: σ о Е пр ⎡⎛ Т т ⎞ 4 ⎛ Т э ⎞ 4 ⎤ Δt = t т − t г = ⎢⎜ ⎟ ⎥= ⎟ −⎜ α ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ 4 4 5,67 ⋅ 0,5 ⎡⎛ 1100 + 273 ⎞ ⎛ 1074 + 273 ⎞ ⎤ о = ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ = ±19,8 С 375 ⎣⎢⎝ 100 100 ⎠ ⎝ ⎠ ⎦⎥

21

tт

Приложение 1 Стандартные термоэлектрические преобразователи (термоэлектрические термометры) Тип термоэлектрического преобразователя (термоэлектрического термометра)

Обозначение новое (старое)

Рабочий диапазон длительного режима работы, оС

Максимальная температура кратковременного режима работы, оС

Медь-копелевая (ТМК)

-

-200 ÷ +100

-

Медь-меднопикелевая (ТММ)

Т

-200 ÷ +400

-

Железо-медконикелевая (ТЖМ)

J

-200 ÷ +700

900

(ХК)

-50 ÷ +600

800

Е

-100 ÷ +700

900

К (ХА) S (ПП) В (ПР) (ВР)

-200 ÷ +1000

1300

0 ÷ +1300

1600

+300 ÷ +1600

1800

0 ÷ +2000

2500

Хромель-конелевая (ТХК) Никельхром-медноникелевая (ТНМ) Никельхром-никельалюминевая (хромель-алюмелевая, ТХА) Платинородий (10%) – платиновая (ТПП) Платинородий (30%) – платинородиевая (6%) Вольфрамрений (5%) – вольфрамреневая (20%) (ТВВ)

22

Приложение 2

Никельхромникель алюминевая (хромельалючелевая), тип (ТХА)

Платинородий (10%) – платиновая, тип S (ПП)

Платинородий (30%) – платинородиевая (6%), тип В (ПР)

Вольфрамрений (5%) – вольфральрениевая (20%), тип ВР (ТВВ)

4 -7,890 -4,632 0 5,268 10,777 16,325 21,846 27,388 33,096 39,130 45,498 51,875

Никельхроммеднокикелевая, тип Е (ТНМ)

3 -5,603 3,378 0 4,277 9,286 14,860 20,869

Хромелькопелевая (ТХК)

Железомедноникелевая, тип J (ТЖМ)

2 -6,153 -3,715 0 4,721

Медь-медноникелевая, тип Т (ТМН)

1 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Медькопелевая (ТМК)

Температура, о С

Основные значения термоэлектродвижущей силы стандартных термопреобразователей (термопар) при tо = 0 оС

5

6

7

8

9

10

0 6,88 14,59 22,88 31,49 40,28 49,11 57,85 66,47

-8,824 -5,237 0 6,317 13,419 21,033 28,943 36,999 45,085 53,110 61,022 68,783

-5,892 -3,553 0 4,095 8,137 12,207 16,395 20,640 24,902 29,128 33,277 37,325 41,269

0,645 1,440 2,323 3,260 4,234 5,237 6,274 7,345 8,848 9,585

0,434 0,786 1,241 1,791 2,430 3,154 3,957 4,833

1,330 2,869 4,519 6,209 7,909 9,598 11,273 12,929 14,556 16,136

1 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 2000 2200 2500

2

3

4

5

6

7

45,108 48,828 52,398

24

8 10,754 11,947 13,155 14,368 15,576 16,771

9

5,777 6,783 7,845 8,952 10,094 11,257 12,246 13,585

10

17,666 19,146 20,576 21,963 23,303 24,590 25,820 26,999 29,177 31,136 33,636

Приложение 3 Коэффициенты для определения пределов допускаемых отклонений термо-э.д.с. термопреобразователей (термоэлектрических термометров) Тип термоэлектрического термометра (термокамеры) Медь-конелевая

Класс точности -

Медь-медноникелевая (тип Т)

-

Хромель-конелевая (тип ХА)

-

Железо-медноникелевая (тип J)

-

Никельхром-никельалюминевая (хромельалюмелевая (тип ХА)

-

Платинородий (10%) – платиновая (тип S)

1 2

Планинородий (30%) – платинородиевая (6%) тип В Вольфрамрений (5%) – вольфрам-рениевая (20%) тип ВР

-

Рабочий диапазон, о С -200 ÷ +400 0÷100 -200 ÷ -100 -100÷400 -50 ÷ 300 300÷800 -200 ÷ -100 -100÷400 400÷900 -200 ÷ -100 -100÷400 400÷1300 0 ÷ 300 0 ÷ 600 600 ÷ 1600 300 ÷ 600 600 ÷ 1800 0 ÷ 1000 1000÷1800 1800÷2500

25

α, оС

в · 103

с, оС

1,3

-1,1 0 -20 0 0 6,0 -20 0 7,5 -10 0 7,5 0 0 5 0 5 0 6,0 11,5

0 0 -100 0 0 300 -100 0 400 -100 0 400 0 0 600 0 600 0 1000 1800

3 2,5 3 4 1,5 3 3 5 10

Приложение 4 Рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные провода Термопара

Удлиняющие термоэлектродные провода Обозначение Пара чисел Окраска Медь-копелевая МК медь-копель красная (розовая) – желтая (оранжевая) Медь медноникелевая М медь-константал красная (розовая) - коричневая Хромель-копелевая ХК хромель-копель фиолетовая (черная) – желтая (оранжевая) М медь-константан красная (розовая) Никель хром - никельалюми– коричневая ниевая МТ - НМ медь-титанкрасная + зеленая никель-медь – красная + синяя

Платиняродий - планитевая Вольфрамрений - вольфрамрениевая

П

медь-сплав тп

М-МН

медь-сплав мп 2,4

красная (розовая) - зеленая красная (розовая) – синяя (голубая)

Приложение 5 Термо-э.д.с., развиваемая парой чисел, удлиняющих термоэлектродных проводов Пара

Медь-копель Медьмедноникелевая Хромель-копель Медьмедноникелевый сплав мн. 2,4 Медьмедноникелевый сплав ТП Медь-титановый сплав Никельмедный сплав

ОбозТермо-э.д.с., мВ Температура, оС начение номинальное предельное рабочего свободного значение отклонение спая конца МК 4,79 ±0,1 100 0 М 4,1 ±0,15 100 0

ХК

6,88

±0,2

100

0

М-МН

1,4

±0,03

100

0

П

0,64

±0,003

100

0

МТНМ

4,10

±0,12

100

0

10,15 12,21

±0,12 ±0,12

250 300

0 0

27

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие……………………………………………………………………... 1. Содержание дисциплины…………………………………………………….. Введение………………………………………………………………………… 1.1. Рабочая программа………………………………………………………… 1.1.1. Роль теплотехнических измерений для ведения технологических процессов на ТЭС, АЭС и промышленных предприятиях…………………… 1.1.2. Общие сведения об измерениях…………………………………………. 1.1.3. Методы и средства измерения температуры…………………………… 1.1.4 Измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи показаний………………………………………………………………………… 1.1.5. Измерение давления, разрежения и разности давлений……………….. 1.1.6. Измерение расхода и количества жидкостей, газа, пара и тепла……… 1.1.7. Измерения уровня жидкостей и сыпучих тел…………………………... 1.1.8. Методы анализа газов и растворов……………………………………… 1.1.9. Системы централизованного контроля…………………………………. 1.2. Тематический план лекций………………………………………………… 1.3. Перечень лабораторных занятий………………………………………….. 2. Библиографический список…………………………………………………. 3. Задания на контрольные работы…………………………………………….. 3.1. Контрольная работа № 1…………………………………………………… 3.2. Контрольная работа № 2…………………………………………………… 4. Методические указания к выполнению контрольных работ……………… 4.1. Методические указания к выполнению контрольного задания № 1……. 4.1.1. Задача № 1………………………………………………………………… 4.1.2. Задача № 2………………………………………………………………… Приложение 1……………………………………………………………………. Приложение 2……………………………………………………………………. Приложение 3……………………………………………………………………. Приложение 4……………………………………………………………………. Приложение 5…………………………………………………………………….

28

3 3 3 3 4 4 5 6 7 8 8 9 10 10 11 11 12 12 15 17 17 17 19 22 23 25 26 27

Редактор Т.В. Шабанова Сводный темплан 2004г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 ____________________________________________________________________ Подписано в печать Формат 60×84 1/16 Б. кн. – журн.

П.л.

Б.л.

Тираж 200

РТП РИО СЗТУ Заказ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербург 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5 29