Министерство образования Российской Федерации Северо – Западный государственный заочный технический университет Кафедра металлургии и литейного производства
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ В МЕТАЛЛУРГИИ Методические указания к выполнению практических работ
Факультет технологии веществ и материалов Специальность 110400 − литейное производство чёрных и цветных металлов Направление 550500 − металлургия
Санкт - Петербург , 2000
2
Утверждено редакционно – издательским советом СЗТУ УДК 621.7/9.002+519.24. Технологические измерения и приборы в металлургии: Методические указания к выполнению практических работ. – СПб.: СЗТУ, 2000. - 15 с. Библиогр. 3. Приведены задачи компьютерного практикума и методика их решения с помощью современных персональных компьютеров и специального их программного обеспечения в виде программ, разработанных в средах Turbo BASIC и Visual BASIC for Applications (VBA). Рассмотрено на заседании кафедры металлургии и литейного производства 19 июня 2000 года; одобрено методической комиссией факультета 1 июля 2000 года. Рецензенты : кафедра металлургии и литейного производства ( зав. кафедрой А.А.Яценко , канд. техн. наук , доц .) , Хлямков Н.А., нач. отдела по расчётам ТЭР, канд. техн. наук.
Составитель В.В.Дембовский, канд. техн. наук, проф.
Северо – Западный государственный заочный технический университет, 2000
3
Общие указания Студентам предлагается решить ряд задач вычислительного характера с помощью персонального компьютера. Последний позволяет производить обработку и анализ результатов лабораторных опытов, а также выполнить упражнения методического характера, расширяющие представления студента об особенностях отдельных методов измерений при минимальных затратах учебного времени. Для реализации практикума необходимы IBM – совместимые персональные компьютеры. Для таких компьютеров разработаны программы практикума в двух вариантах (А и В, табл. на с. 4). Предпочтителен вариант В, программы для которого написаны на современном языке программирования Visual BASIC for Applications (VBA), встроенном в Excel 97 ( или более позднюю версию Excel 2000 ). Эти программы используются для компьютеров модели AT/486 или класса Pentium с установленной на них операционной системой Windows 95 ( или её версий выпуска 1998, 2000 гг.). Если таких компьютеров в данном подразделении института нет, то реализуется вариант А. В этом случае используются программы, действующие под управлением операционной системы MS DOS любой из имеющихся версий до версии 6.22 включительно. Как правило, практикум проводится в компьютерных классах под руководством представителя кафедры. Однако, с разрешения руководителя, возможно копирование программ практикума на дискеты студента для углублённой проработки этих программ на доступном для него рабочем месте вне СЗТУ , а для иногородних студентов – пересылка программ по электронной почте. Запрос следует направлять по электронному адресу
[email protected] на имя проф. Дембовского В.В. с указанием электронного адреса отправителя. Программы варианта А могут быть запущены из любой сервисной программы типа файл - менеджера, или навигатора , например, Norton Commander, Norton Navigator и т.п. Для запуска нужной программы достаточно отыскать её имя на винчестере или дискете , установить на это имя курсор , а затем нажать на клавишу [ Enter ] или сделать на имени программы двойной щелчок левой клавиши манипулятора типа « мышь» . Эти программы рассчитаны на диалоговый режим обмена информацией между пользователем и компьютером. От студента требуется следовать появляющимся на экране монитора сообщениям, вводить данные и выполнять другие действия, смысл которых объясняется вполне наглядно, и никаких дополнительных указаний не требуется.
4
Таблица. Программа практикума № Тема задачи 1 2 1. Оценка методических погрешностей измерения температур яркостным и радиационным пирометрами 2. Определение истинного значения температуры и степени черноты контролируемого объекта по результатам измерения яркостной и радиационной температур 3. Оценка отношения интенсивностей излучения нагретого тела Jλ1 и Jλ2 при двух различных длинах волн λ1 и λ2 4. Моделирование процесса измерения цветовой температуры 5. Моделирование процесса измерения расхода воздуха методом сужения потока
Программы Вариант А Вариант В 3 4 Temp1.exe
Temp1VBA.xls
Temp2.exe
Temp2VBA.xls
Temp3.exe
Temp3VBA.xls
Temp4.exe
Temp 4VBA.xls
D1.exe
D1VBA.xls
При использовании программ варианта B нужно вначале стандартными средствами операционной системы Windows 95 (98, 2000) запустить Excel 97 ( 2000 ). В меню ВИД установить Панель инструментов и далее Visual BASIC. На экране появится дополнительная панель инструментов. Загрузить в Excel требуемую программу. Сделать один щелчок левой клавишей мыши [ 1Л ] на кнопке [Редактор Visual BASIC] , т. е. взять вызываемую программу в этот редактор. На экране монитора появится форма программы. Щёлкнуть [ 1Л ] на кнопке с символом [ Ù ], находящейся на главной панели инструментов. Программа запустится в работу. Остаётся в окна формы ввести исходные данные, сделать [ 1Л ] на кнопке [ ПУСК ] и получить искомый результат. По каждой работе необходимо оформить отчёт. В отчёт необходимо включить название работы, предложенный руководителем вариант исходных данных, результаты счёта и вытекающие из работы выводы.
5 В процессе выполнения практикума на персональных компьютерах следует строго выполнять правила элентробезопасности и экологической безопасности.
Литература 1. Дембовский В.В. Методы исследования литейных процессов . -Л. : СЗПИ , 1988. 2. Дембовский В.В. Автоматизация литейных процессов . Л. : Машиностроение, 1989. 3. Технологические измерения и приборы в металлургии. Методические указания к выполнению курсовой работы / Сост. В.В.Дембовский, Ю.Н.Зинин, В.Т.Сенченко. – СПб.: СЗПИ, 1998. Задача №1 Оценка методических погрешностей измерения температур яркостным и радиационным пирометрами 1. Цель решения задачи Исследование влияния неполноты излучения металлургических объектов на точность измерения температуры 2. Основные теоретические положения Для бесконтактного измерения температур расплавов в металлургическом производстве применяются пирометры излучения яркостного (частичного излучения) и радиационного (полного излучения) типов. На заводах – изготовителях этих приборов они градуируются по стандартному излучателю – модели абсолютно чёрного тела. Металлические расплавы, шлаки, огнеупорные материалы по своим свойствам отличаются от свойств абсолютно чёрного тела. Поэтому показываемые пирометрами соответственно яркостная ΘЯ и радиационная ΘР температуры отличаются от истинной температуры Θ, º С. Приведем рассматриваемые температуры к абсолютным, K:
T = θ + 273 ;
6
Tя = θя + 273 ; Tp = θp + 273. В основе решения задачи находятся известные из [ 1 ] , [ 2 ] уравнения
где
λ-
1 1 λ 1 − = ⋅ ln ; ελ Tя T C2
(1)
Tp = T 4 ε ,
(2)
эффективная длина волны светофильтра яркостного пирометра (обычно красный светофильтр с эффективной длиной волны λ =650 нм);
ελ - спектральная
степень черноты на этой длине волны; С2 = 1,439·10 = const - одна из постоянных в уравнении закона Планка , м . К. -2
3. Постановка задачи Дано: - действительное значение температуры θ , 0С; - степень черноты ε < 1 контролируемого объекта, который предполагается серым телом
( ελ = ε ).
Найти: - яркостную θ я и радиационную θ р температуры, 0С. 4. Методика решения задачи A) получают от руководителя исходные данные в виде значений истинной температуры и степени черноты объекта измерения ; B) включают персональный компьютер , загружают необходимое программное обеспечение, в т.ч. программу Temp1.exe или Temp1VBA согласно рекомендациям, приведенным выше в разделе Общие указания ; C) вводя исходные данные в виде значений θ и ε , получают соответствующие результаты вычислений θ я и θ р ( все температуры в 0С ).
7
5. Структура и содержание отчёта В отчёте кроме порядкового номера и названия темы задачи следует привести : а) исходные данные (ряд значений степени черноты и истинной температуры , º С) и результаты счёта для каждого значения степени черноты в следующей форме : Степень черноты объекта измерения ..................... Истинная
Температуры, º С Яркостная
Радиационная
и т. д. б) вывод о соотношении между рассматриваемыми температурами, в частности, о том, которая из измеренных температур ближе к истинной при данной степени черноты измеряемого объекта. Литература : [ 1 ] , c. 7 … 10 ; [ 2 ] , c. 10 … 16.
Задача № 2 Определение истинного значения температуры и степени черноты контролируемого объекта по результатам измерения яркостной и радиационной температур 1. Цель решения задачи Повышение точности измерения температуры пирометрами излучения 2. Основные теоретические положения Выражения (1) и (2), используемые в задаче № 1, в данном случае рассматриваются как система из двух нелинейных уравнений, в которой известными оказываются величины Tя и Tp , 0С а неизвестными –
8
T , 0С и
ε . Для решения такой системы уравнений использован
численный метод Ньютона. 3. Постановка задачи Дано: результаты измерений яркостной θ я и радиационной θ р температур, 0С. Найти: - действительную температуру θ , 0С. - степень черноты того же тела ε в предположении его серым. 4. Методика решения задачи Для решения задачи включают персональный компьютер, загружают необходимое программное обеспечение, в том числе файл программы Temp1.exe или Temp2VBA (с. 4), вводят исходные данные, согласно варианту, предложенному руководителем, и получают искомый результат. В составе исходных данных должен быть представлен ряд значений яркостной и радиационной температур, а искомыми величинами оказываются степень черноты объекта измерения и его истинная температура. 5 Структура и содержание отчёта В отчет требуется включить таблицу исходных данных и результаты счета по следующей форме: Исходные данные ΘР ,ºС ΘЯ ºС
Литература : [ 1 ] , c. 8 … 9; [ 2 ] , с. 10
Результаты исследования Θ, ºС ε
9
Задача № 3 Оценка отношения интенсивностей излучения нагретого тела Jλ1 и Jλ2 при двух различных длинах волн λ1 и λ2 . 1. Цель решения задачи Разработка методической основы процесса измерения цветовой температуры. 2. Основные теоретические положения Согласно закону Планка интенсивность излучения при данной длине волны λ составляет, Вт / м3:
J
λ
=
ε λ C 1λ −5 C
e где
ελ
2
λT
,
− 1
- спектральная степень черноты при той же длине волны;
C 1 = 0,374·10 -15 , Вт·м2; C 2 = см. в задаче №1; T = θ + 273 , K ;
исследуемое тело предполагается серым при
ε λ1 = ε λ2 .
3. Постановка задачи Дано: - эффективные длины волн, нм : λ1 = 550 (зелёный светофильтр); λ2 = 650 (красный светофильтр);
o - ряд принимаемых значений действительной температуры θ , C .
Найти:
(3)
10
R=
J λ1
J λ2
= f (θ ) ,
(4)
Температуру θ принимают в диапазоне θ = 1300 … 1700 С с шагом 100 оС, согласно указаниям руководителя. о
4. Методика решения задачи Для решения задачи загружают и запускают программу Temp3.exe или Temp3VBA. После ввода исходных данных получают результат в виде искомого отношения R по формуле (3). 5. Структура и содержание отчёта . В отчет в форме таблицы Θ, °С R включают сводку исходных данных в виде температуры θ , o C и вычисленного значения R . Остальные данные включены в программу. В масштабе строят график R = f (θ ) . Литература: [ 1 ], c. 8 … 9; [ 2 ], c. 10 ... 11
Задача № 4 Моделирование процесса измерения цветовой температуры 1. Цель решения задачи Определение цветовой температуры
θц по измеренному отношению R
интенсивностей излучения J λ 1 и J λ 2 на основании (3)
θ ц = f (R )
(5)
11
2. Основные теоретические положения Эта задача является обратной по отношению к задаче № 3. Действительно, зная измеренное значение R , можно на основании зависимости (4) , выраженной, например, графиком, построенным в предыдущей работе, определить соответствующую цветовую температуру тела. 3. Постановка задачи Дано: - эффективные длины волн светофильтров цветового пирометра λ 1 , λ 2 ,нм; - ряд значений отношения R интенсивностей излучения при этих длинах волн согласно указаниям руководителя. Найти: - соответствующую исходным данным цветовую температуру θ ц , 0С. 4 Методика решения задачи Загружаем программу Temp4.exe или Temp4VBA и запускаем её в работу. После этого требуется ввести величины λ1 , λ2 (те же, что в задаче № 3) и ряд пробных значений R , заданных руководителем. Практически немедленно компьютер выдает на экран монитора значение искомой цветовой температуры. Результаты сличают с данными графика, построенного в работе № 3. 4. Структура и содержание отчёта В отчет в виде следующей таблицы R
Θц , ˚C Θц граф , ˚C включают исходные значения R , цветовую температуру Θц , рассчитанную компьютером, и Θц граф , определенную из графика работы № 3. Литература:
12 [ 1 ], c. 8 ... 9; [ 2 ], c. 10 … 11
Задача № 5 Моделирование процесса измерения расхода воздуха методом сужения потока 1. Цель решения задачи Исследование дополнительных погрешностей измерения в зависимости от температуры и давления измеряемой среды 2. Основные теоретические положения В качестве нормальных по ГОСТ 2939 – 68 условий приняты температуры
θ Н = 20 , 0С ; TН = 273 + 20 = 293 , К
и давления .
Pн = 760 мм. вод. ст. = 10332 кгс / м2 = 103,32 кПа.
Плотность воздуха при нормальных условиях составляет ρ н = 1,24 кг / м3. Уравнение объемного расхода в условиях данной задачи модифицируется к виду h PН T Q o = 0 ,01252 α ε d 2 , м3 / час (6) ρ Н PT Н В этом уравнении абсолютное давление воздуха Р = Р Б + Р И , PБ – барометрическое давление; PИ – избыточное давление; T - абсолютная температура воздуха , K : Т = 273 + Θ , где Θ - температура по стоградусной шкале , 8 С .
-
Полагаем, что в настоящей задаче имитируется процесс работы измерительной системы в составе следующих элементов : - стандартная диафрагма с диаметром проходного сечения d = 25 мм; - измеритель перепада давлений h на диафрагме (дифманометр );
13 - измеритель избыточного давления воздуха PИ перед диафрагмой (манометр) ; - измеритель температуры воздуха θ , ° С (термометр). При этом коэффициент расхода диафрагмы α = 0, 625; поправочный коэффициент
ε=1 .
3. Постановка задачи Дано: набор конструктивных параметров диафрагмы, физические свойства измеряемой среды и рабочие условия измерения. Шаг варьирования температуры или давления измеряемой среды, а также шаг перепада давлений на диафрагме согласно указаниям руководителя. Найти: расход измеряемой среды при нормальных условиях измерения, а затем при заданных рабочих условиях. Определить дополнительную погрешность измерения , обусловленную отклонением рабочих условий от нормальных. 4 Методика решения задачи Получив от руководителя исходные данные, загружают программу D1.exe или D1VBA и запускают её в действие. Работу выполняют в двух вариантах. Для реализации первого варианта вводят исходные данные в предположении , что температура и давление измеряемой среды не отличаются от нормальных, т. е. T = TН и P = PН. Варьируют перепад давлений h. Выходные данные заносят в отчёт по нижеследующей форме, причём количество отсчётов определяется руководителем. Полагают, что дополнительная погрешность измерения при нормальных условиях отсутствует.
14
Температура, К
Абс. давление, Па
Перепад давлений, Па
Расход, м3/ час
Дополнительная погрешность, %
При реализации второго варианта вводят новые значения температуры или давления, отличающиеся от нормальных. Перепады давлений на диафрагме h сохраняют теми же, что и в первом варианте для сравнения и вычисления дополнительной погрешности измерения δQ , % по формуле
δQ = (QOД – QO).100 / QO , где QO – расход при нормальных условиях, QOД – расход при наличии дополнительной погрешности измерения. Полученные результаты заносят в отчёт по той же форме. 5. Структура и содержание отчёта При соблюдении общих указаний ( с. 3) заполняют отчёт оформленными в виде таблицы исходными данными, результатами машинного счёта и дополнительных вычислений. По полученным данным в масштабе строят график зависимости дополнительной погрешности измерения от температуры или давления в зависимости от выполняемого варианта задачи.
Литература : [ 1 ], c. 15 ... 16 ; [ 2 ], c. 19 ... 23; [ 3 ], c. 3 ... 7
15
Содержание Общие указания Литература Задача № 1. Оценка методических погрешностей измере ния температур яркостным и радиационным пирометрами Задача № 2. Определение истинного значения температуры и степени черноты контролируемого объекта по результатам измерения яркостной и радиационной температур Задача № 3. Оценка отношения интенсивностей излуче ния нагретого тела Jλ1 и Jλ2 при двух различных длинах волн λ1 и λ2 Задача № 4. Моделирование процесса измерения цветовой температуры Задача № 5. Моделирование процесса измерения расхода воздуха методом сужения потока
с. 3 5 5 7 9 10 12
ЛР № 020308 от 14. 02. 97
Редактор В.В.Рачеева
Подписано в печать 28. 11. 2000. Формат 60 х 84 1/ 16. Б. кн. - журн. П.л. 1.0 Б.л. 0.5 РТП РИО СЗТУ. Заказ Тираж Редакционно – издательский отдел Северо – Западный государственный заочный технический университет 191186, Санкт - Петербург, ул. Миллионная, 5
