close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Biryuzova Lomakina Metody eksperiment issled2010

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Е. А. БИРЮЗОВА, Л. С. ЛОМАКИНА
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМ ТГС
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2010
1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
УДК [697.3+696.2]:001.8
Рецензенты: зам. нач. упр. по подгот. теплоэнергетич. персонала Института промышленной безопасности, охраны труда и социального партнерства
Э. А. Пущина; нач. проектно-сметного отд. предприятия «Тепловая сеть»
фил. «Невский» ОАО «ТГК 1» Т. М. Земцова
Бирюзова, Е. А.
Методы экспериментальных исследований систем ТГС: учеб.
пособие / Е. А. Бирюзова, Л. С. Ломакина; СПбГАСУ. – СПб., 2010. –
438 с.
ISBN 978-5-9227-0251-5
В пособии рассмотрены примеры планирования проведения эксперимента, разработки и оформления отчета об экспериментальных исследованиях. Приведены методы обработки данных, полученных экспериментальным путем. Представлены методики измерений и современные измерительные приборы. Приведен широкий перечень нормативной и справочной литературы.
Предназначено для студентов и аспирантов специальности – 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» очного, заочного и очно-заочного отделения.
Табл. 51. Ил. 190. Библиогр.: 113 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве
учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0251-5
 Е. А. Бирюзова, Л. С. Ломакина, 2010
 Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2010
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................................ 5
Введение .................................................................................................................. 6
Глава 1. Математическая обработка результатов измерений ............................. 7
1.1. Прямые измерения ............................................................................. 11
1.2. Косвенные измерения ........................................................................ 13
1.3. Погрешности измерительных приборов .......................................... 14
1.4. Грубые промахи .................................................................................. 15
1.5. Суммарная погрешность измерений ................................................. 16
1.6. Правила записи и вычислений результатов измерений ................... 16
Глава 2. Планирование эксперимента ................................................................ 18
2.1. Метод экспериментальной оптимизации ......................................... 19
2.2. Факторный принцип .......................................................................... 21
2.3. Планирование типа 2k ............................................................................................................................... 22
2.4. Дробные реплики ............................................................................... 23
2.5. Латинские и греко-латинские квадраты ........................................... 23
2.6. Композиционные планы Бокса – Уилсона........................................ 26
2.7. Отсеивающие эксперименты ............................................................. 26
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры ...................................... 28
3.1. Приборы для измерения температуры.............................................. 28
3.1.1. Стеклянные жидкостные термометры ....................................... 31
3.1.2. Манометрические термометры .................................................. 44
3.1.3. Термометры сопротивления ....................................................... 57
3.1.4. Пирометры ................................................................................... 64
3.1.4.1. Оптические пирометры ..................................................... 74
3.1.4.2. Портативные пирометры [91, 92] ..................................... 80
3.1.4.3. Переносные пирометры [85] ............................................. 94
3.1.4.4. Пирометры инфракрасного излучения........................... 100
3.1.4.5. Контактные пирометры ................................................... 115
3.1.4.6. Стационарные пирометры [73], [91] .............................. 116
3.1.5. Термоэлектрические пирометры (рис. 3.52, 3.53) .................. 123
3.1.6. Термопары ................................................................................. 129
3.1.7. Термометры цифровые ............................................................. 139
3.1.8. Термометры самопишущие [89] (рис. 3.64) ............................ 143
3.1.9. Тепловизоры .............................................................................. 146
3.1.10. Термометры контактные [106] (табл. 3.23, 3.24, рис. 3.73)...155
3.1.11. Телескоп радиационного пирометра ТЕРА-50 [73](рис. 3.75)...158
3.1.12. Термометры биметаллические показывающие ТБ [73]
(рис. 3.76)................................................................................................159
3.2. Методы измерения температуры твердых тел ............................... 168
3
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
3.2.1. Измерение температуры поверхности объекта с помощью
пленочных термопар и термочувствительных покрытий ................ 170
3.2.2. Поверка пирометров ЛУЧ (ТУ 4211.001.48036674–99) [85]......181
3.2.3. Показатель визирования пирометра ........................................ 185
3.3. Методика измерения температуры жидкости ................................ 185
3.4. Методика измерения температуры газового потока ...................... 186
Глава 4. Приборы и методы измерения давления ............................................ 187
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]... 211
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов ............................................ 243
6.1. Измерение расхода методом мерных баков.................................... 248
6.2. Счетчики количества жидкостей и газов ........................................ 251
6.3. Ротаметры ......................................................................................... 252
6.4. Расходомеры переменного перепада давления .............................. 254
6.5. Специальные сужающие устройства .............................................. 264
6.6. Приборы для измерения расхода .................................................... 267
Глава 7. Приборы контроля и регистрации уровня. Уровнемеры .....................271
Глава 8. Водородный показатель ...................................................................... 278
Глава 9. Метод тепловизионного контроля качества тепловой изоляции
ограждающих конструкций [49, 87] .................................................................. 282
Глава 10. Измерение скорости .......................................................................... 290
10.1. Методы измерения скорости ......................................................... 290
10.2. Приборы для измерения скорости воздушного потока ............... 309
Глава 11. Методика исследования величины потерь теплоты
в окружающую среду .......................................................................................... 322
Глава 12. Измерение уровня шума [86] ............................................................ 329
Глава 13. Измерение количества тепла. Калориметры [98] ............................ 339
Глава 14. Определение свойств воды ............................................................... 350
14.1. Методика определения жесткости и щелочности воды .............. 351
14.2. Измерение концентрации кислорода в воде.
Йодометрический метод Винклера ........................................................ 353
14.3. Приборы для измерения концентрации кислорода в воде .......... 355
Глава 15. Методы измерения концентрации пыли .......................................... 358
Глава 16. Исследование свойств твердого топлива ......................................... 365
16.1. Метод приготовления лабораторной и аналитической проб
твердого топлива ..................................................................................... 365
16.2. Определение влажности твердого топлива .................................. 368
16.3. Определение зольности твердого топлива ................................... 370
16.4. Определение выхода летучих веществ ......................................... 373
Приложения ......................................................................................................... 375
Рекомендуемая литература ................................................................................. 423
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов специальности 270109 – «Теплогазоснабжение и вентиляция» дневной,
заочной и очно-заочной форм обучения, специализирующихся по кафедре «Теплогазоснабжение и охрана воздушного бассейна», и специальности 14000 – «Теплоэнергетика» для получения теоретических
и практических навыков в работе с приборами и в исследовательской
деятельности. Пособие будет полезно при изучении дисциплин
«Методы экспериментальных исследований систем ТГСВ», «Инженерный эксперимент», «Экспериментальные исследования».
Приведенные сведения содержат методы планирования эксперимента и математической обработки результатов измерений и используются в обработке данных, полученных экспериментальным путем, для
диссертационных и лабораторных работ. Кроме того, даны методики
проведения измерений, технические характеристики и описание приборов, применяемых как в практической деятельности, так и в лабораторном практикуме и работе над диссертационным материалом.
В приложении предлагаются справочные материалы, необходимые для решения задач экспериментальных исследований, оценки правильности выполненных измерений. Они позволяют закрепить теоретические знания, полученные на лекциях, при выполнении лабораторных работ и курсового проектирования, а также приобрести навыки
по использованию технической и справочно-нормативной литературы.
5
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальные исследования, их планирование и проведение являются неотъемлемой частью учебного процесса, направленного на освоение технической дисциплины, связанной с вопросами проектирования, строительства или эксплуатации зданий и сооружений
и работой теплоэнергетического оборудования.
Пособие, предназначено не только для студентов, но и для аспирантов, так как оно обобщает и систематизирует достаточно большой
объем информации об экспериментах, методах исследований и измерительных приборах, а также представляет их в форме, удобной для
освоения материала.
6
Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерение – это процесс, заключающийся в сравнении измеряемой физической величины с некоторым ее значением, принятым за единицу измерения.
Измерения подразделяются на прямые и косвенные [9].
Прямые измерения – это измерения, при которых искомые значения величин находятся непосредственно опытным путем, т. е.
из опытов. Например: измерение массы тела на весах и т. д.
Косвенные измерения – это измерения, при которых искомые значения величин определяются на основании известных зависимостей
между этими величинами и величинами, полученными путем прямых
измерений. Например: определение плотности тела по его массе и геометрическим характеристикам.
При проведении измерений невозможно получить абсолютно точное значение физической величины из-за наличия ошибок, погрешностей измерений.
Для повышения надежности экспериментальных данных необходимо правильно оценивать погрешность измерений.
Погрешности по характеру изменения во времени делятся на систематические и случайные.
Систематическая погрешность остается постоянной или же закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. Систематические погрешности устраняются или учитываются путем соблюдения методик проведения каждого отдельного измерения, усовершенствования теории или введения поправки.
Случайная погрешность неустранима, так как изменяется случайным образом в серии повторных измерений одного и того же замера
физической величины. Она уменьшается проведением достаточно большого числа измерений (рис. 1.1). Однако, если случайная погрешность,
полученная по данным измерений и обработки результатов, оказывается меньше погрешности измерительного прибора, то не имеет смысла пытаться дальше уменьшать величину случайной погрешности
проведением большого числа измерений.
7
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
При проведении измерений возможны грубые ошибки, промахи,
т. е. случайные погрешности результата отдельного измерения, которые для данных условий резко отличаются от остальных результатов.
Результаты измерений, являющиеся грубыми ошибками, значительно
отличаются от других по величине и исключаются при обработке первичных данных.
ε
n
Рис. 1.1. Зависимость величины погрешности
от числа измерений
Отклонение приближенного значения результата измерения какой-либо физической величины от истинного значения характеризуется абсолютной и относительной погрешностями. Разность между результатом измерения и действительным значением физической величины является абсолютной погрешностью измерения и выражается
в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность измерения – это отношение абсолютной погрешности к действительному
значению измеряемой величины.
Таким образом, при обработке экспериментальных данных необходимо исключить влияние на результаты погрешностей измерений [9].
В основу теории ошибок положена гипотеза о нормальном законе распределения случайных погрешностей (закон Гаусса). Если
погрешности вызваны очень большим числом независимых помех,
каждая из которых вносит малый вклад (положительный или отрицательный), то в соответствии с центральной предельной теоремой распределение ошибок происходит по закону, близкому к нормальному,
т. е. закону Гаусса:
8
Глава 1. Математическая обработка результатов измерений
P(ε ) =
ε2
−
1
2
e 2σ ,
2π σ
(1.1)
где P(ε) – плотность распределения вероятности получения результата; σ2 – дисперсия распределения погрешностей (постоянная величина
для данной кривой распределения).
Вид кривой нормального распределения (рис. 1.2) в большей степени определяется дисперсией. Для малых значений σ2 кривая P(ε) более крутая и на тот же интервал значений ε приходится бóльшая часть
площади, заключенной под кривой и осью абсцисс, чем для больших
значений σ2. Так как эта площадь равна вероятности попадания ошибки в рассматриваемый интервал, дисперсия является оценкой точности измерений.
Функция Гаусса для распредеP(ε)
ления случайных ошибок имеет следующие свойства [9]:
1. Кривая P(ε) симметрична
относительно ε = 0. Положительные
и отрицательные ошибки встречаются одинаково часто.
2. Пик кривой имеет довольно пологую вершину. Это указываε
–ε
ет на то, что любые малые значения
Рис. 1.2. Кривая плотности расошибок почти равновероятны. Быпределения вероятностей слустрый спад кривой по обе стороны
чайных погрешностей
от вершины указывает на малую вероятность больших ошибок.
3. Полная площадь под кривой P(ε) равна единице, т. е. вероятность появления хоть какой-нибудь ошибки равна единице.
4. Функция не обращается в нуль. Это означает, что с очень малой
вероятностью ошибка может иметь сколь угодно большую величину.
Для оценки погрешности ε измерений необходимо знать дисперсию σ2. На практике выполняется ограниченное число измерений,
поэтому для вычисления погрешностей используется выборочная дисперсия (дисперсия выборки или стандартное отклонение), определяемая по формуле
9
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
S n2 =
1 n
2
∑ ( xi − x ) ,
n − 1 i =1
Глава 1. Математическая обработка результатов измерений
(1.2)
где хi – единичное значение измеренной величины; x – среднее арифметическое значение всех результатов измерений.
Дисперсия является мерой рассеивания единичных измерений
от среднего значения.
При бесконечно большом числе измерений, т. е. при n → ∞ ,
S n2
2
→σ .
(1.3)
Корень квадратный из выборочной дисперсии является среднеквадратичной погрешностью отдельного измерения:
(1.4)
При конечном числе измерений значение средней квадратичной
погрешности среднего арифметического определяется по формуле
n
S
Sx = n
n
или
Sx =
i =1
n(n − 1)
2
,
(1.5)
10
Экспериментальные исследования состоят из одного или нескольких измерений исследуемой величины.
Обработка результатов повторных измерений величины x выполняется в следующей последовательности [9]:
1. Определяется среднее арифметическое значение результатов
ряда наблюдений по формуле
x=
x1 + x 2 + x3 + ... + x n
=
n
∑ xi
i =1
(1.6)
n
.
(1.7)
2. Для каждого из измерений вычисляется отклонение от среднего арифметического:
(1.8)
∆x i = x i − x .
3. Определяются квадраты этих отклонений:
( xi − x )2 .
где Sn – среднеквадратичная погрешность отдельного измерения.
Следовательно, чтобы уменьшить случайную погрешность среднего арифметического, например в два раза, необходимо произвести
опытов в четыре раза больше.
Каждая серия измерений подвергается так называемой чистке,
чтобы все единичные измерения укладывались в пределы (доверительный интервал) с вероятностью α:
( x − ∆x ) ÷... (x + ∆x ) .
1.1. Прямые измерения
n
1 n
2
Sn =
∑ ( xi − x ) .
n − 1 i =1
∑ ( xi − x )
Эта вероятность называется доверительной вероятностью и зависит от числа измерений n. Для малого числа измерений связь между α, Sn
и доверительным интервалом была установлена английским математиком В. Госсетом (псевдоним Стьюдент).
На практике применяется закон распределения Стьюдента из-за
ограниченного числа измерений.
(1.9)
4. Вычисляется значение средней квадратичной ошибки отдельного результата измерения:
Sn =
1 n
2
∑ ( xi − x ) .
n − 1 i =1
(1.10)
5. Определяется значение средней квадратичной ошибки среднего арифметического по формуле
11
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
n
S
Sx = n =
n
∑ ( xi − x )
Глава 1. Математическая обработка результатов измерений
виде
2
i =1
n(n − 1)
.
(1.11)
6. Определяется абсолютная погрешность результата ∆x измерений следующим образом: средняя квадратичная погрешность среднего арифметического умножается на коэффициент Стьюдента t αn
(табл. 1.1), зависящий от числа проведенных измерений и выбранной
доверительной вероятности α по формуле
∆x = t α n
Sn
,
n
(1.12)
8. Результаты обработки данных измерений представляются в
∆x
(1.14)
⋅ 100 % ,
x
где х – математическое ожидание (истинное значение величины из серии измерений); Е – относительная предельная ошибка измерения.
Любое округление чисел – систематические ошибки. Поэтому все
вычисления производятся с числом значащих цифр, превышающим
на единицу число табличных цифр или полученных при измерении.
При относительной погрешности измерений 1…10 % число значащих цифр
не менее трех, а при более высокой точности – не менее четырех. Если
табличные или литературные данные приводятся без указания погрешности, то она принимается равной половине последней значащей цифры.
x = x ± ∆x ;
1.2. Косвенные измерения
где tαn – коэффициент Стьюдента [12].
0,9
6,31
2,92
2,35
2,13
2,02
1,94
1,9
1,86
1,83
1,73
1,64
tαn для α
0,95
12,7
4,3
3,18
2,78
2,57
2,45
2,36
2,31
2,26
2,09
1,96
0,98
31,8
6,96
4,54
3,75
3,36
3,14
3,00
2,9
2,82
2,72
2,33
Значение искомой величины R определяется не прямыми измерениями, а на основании измерений некоторых величин x, y, ..., W, независимых друг от друга и связанных с искомой величиной функциональной зависимостью R = f ( x, y , ..., W ) . Физические величины
x, y, ..., W определяются путем многократных измерений.
Наиболее вероятным значением функции будет величина R, полу-
Таблица 1.1
Коэффициент Стьюдента
Число
измерений
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
∞
0,99
63,7
9,92
5,84
4,6
4,03
3,71
3,5
3,36
3,25
2,86
2,58
0,999
636,6
31,6
12,94
8,61
6,86
5,94
5,4
5,04
4,78
3,88
3,39
ченная подстановкой средних значений x , y , ..., W .
Первый способ
Погрешность величины R вычисляется по формуле, учитывающей погрешности измерения исходных величин (известных заранее или
полученных экспериментальным путем),
2
( x − ∆x ) ≤ x ист ≤ (x + ∆x ).
2
2
 ∂R 
 ∂R 
 ∂R 
2
∆R =   (∆x )2 +   (∆y )2 + ... + 
 (∆W ) ,
∂
∂
∂
x
y
W
 


 
7. Доверительный интервал, в котором содержится истинное значение искомой величины xист с заданной вероятностью, определяется
границами:
12
E=
(1.13)
(1.15)
где ∆x, ∆y, ..., ∆W – случайные ошибки, с которыми определены средние значения x , y , ..., W .
При вычислении ∆x, ∆y, ..., ∆W по (1.12) доверительная вероятность α выбирается постоянной, а значения частных производных
13
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 1. Математическая обработка результатов измерений
∂R
∂R ∂R
,
, ...,
определяются с использованием средних значений
∂W
∂x ∂y
x , y , ..., W ,
Если численные значения некоторых из физических величин, входящих в функциональную зависимость R = f ( x, y, ..., W ), получаются
путем однократных прямых измерений, их абсолютные погрешности
принимаются равными пределу допускаемой абсолютной погрешности измерительных приборов.
Относительная погрешность определяется по формуле
δ=
2
2
2
∆R
 ∆x   ∆y 
 ∆W 
=   +   + ... + 
 .
R
 x   y 
 W 
Абсолютная погрешность –
∆R = δ R .
(1.16)
(1.17)
Второй способ
Для каждого значения xi, yi, ..., Wi вычисляется Ri. Затем, используя значение Ri, определяют погрешность ∆R как для прямых измерений. Если ошибки измерений малы, оба способа дают практически
одинаковые результаты.
Первый способ дает возможность выявить факторы, вызывающие
наибольшее увеличение погрешности косвенных измерений.
Приближенные значения погрешности (абсолютной и относительной) для функций одной и нескольких переменных приведены
в прил. 1 [5].
1.3. Погрешности измерительных приборов
При постоянных условиях измерений и применении недостаточно чувствительных измерительных приборов случайная ошибка пренебрежительно мала по сравнению с разрешающей способностью прибора. Следовательно, ошибки измерений в этом случае определяются
классом точности приборов.
14
Класс точности прибора показывает, какую долю в процентах
составляет погрешность измерения от предельного значения шкалы
прибора.
Предел допустимой погрешности указывается на самих приборах или в паспорте прибора. Если класс точности или максимальные
погрешности не указаны, погрешность измерения считают численно
равной половине цены деления шкалы прибора.
1.4. Грубые промахи
Если выполнено несколько измерений и одно из полученных значений явно отличается от других значений, проводится проверка выделяющегося значения. В результате этой проверки обосновывается
исключение или неисключение подозрительного результата из проведенной серии измерений.
Показателем того, что результат является грубым промахом,
служит неравенство
r=
xэ − x
2
∑ ( xi − x )
n −1
n −1
n
> ξ.
(1.18)
Если r > ξ, то xэ должен быть исключен из полученных результатов измерений, а x и S x рассчитаны заново.
о.
Значения величины ξ, зависящей от количества измерений,
приведены в табл. 1.2 [9].
Таблица 1.2
Значения величины ξ
n
3
4
5
6
7
8
n
9
10
12
16
20
25
ξ
1,41
1,71
1,92
2,07
2,18
2,27
15
ξ
2,35
2,41
2,52
2,67
2,78
2,88
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 1. Математическая обработка результатов измерений
1.5. Суммарная погрешность измерений
а) среди отбрасываемых цифр, кроме цифры 5, есть другие,
отличные от нуля. Остающаяся n-я цифра увеличивается на 1;
б) все остальные отбрасываемые цифры, кроме цифры 5,
являются нулями. Остающуюся n-ю цифру увеличивают на 1, если она
нечетная, и оставляют без изменения, если она четная.
Например: ∆x = 0,035, x = 13,523 .
Окончательный результат: x = 13,52 ± 0,04 .
Суммарная ошибка серии прямых измерений определяется
по формуле
∆x =
(δ x )2 + (tαn S x )2 ,
(1.19)
где δ x – абсолютная ошибка единичного измерения, принимаемая по
ГОСТ 11.002–73 равной половине цены наименьшего деления шкалы
используемого прибора; tαn S x – абсолютная погрешность выборки,
определяемая по формуле (1.12).
При n → ∞ ошибка выборки приближается к предельной ошибкее
единичного измерения для данного прибора.
1.6. Правила записи и вычислений результатов измерений
Значение случайной ошибки определяется приближенно и, следовательно, округляется.
Абсолютная погрешность результата измерений вычисляется
до двух значащих цифр, а затем округляется до одной значащей цифры. В особых случаях допускается использовать две цифры, если первая из них 1, 2 или 3. Значащими являются все цифры приближенного
числа, начиная с первой слева, не равной нулю, и заканчивая последней, для которой погрешность не превышает единицы ее разряда.
Результат округляется до того же разряда, что и значащая цифра
погрешности. Все вычисления окончательного результата производятся с числом значащих цифр, полученных при измерении. Полученные
значения округляются.
Округление чисел выполняется по правилу дополнения [9]. Пусть
после округления в числе должно остаться n значащих цифр. Тогда:
1. Если отбрасываемая (n + 1) -я цифра меньше 5, то остающаяся
n-я цифра не меняется.
2. Если отбрасываемая (n + 1) -я цифра больше 5, то остающаяся
n-я цифра увеличивается на 1.
3. Если отбрасываемая (n + 1) -я цифра равна 5, то возможны дваа
варианта:
16
Таблица 1.3
Результаты опыта
Номер
a,
опыта ед. изм.
1
2
n
∑
a
ai − a
(ai − a )2
b,
ед. изм.
∑
∑
bi − b
(bi − b )2
∑
b
Результаты опыта записываются в табличной форме (табл. 1.3),
где a, b – измеренные величины в результате проведения эксперимента.
17
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 2. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные исследования начинаются с составления плана их проведения. За счет планирования сокращается время проведения исследований и сводятся к минимуму ошибки. В результате получаются максимально полезные данные и осуществляется контроль за
всеми факторами, влияющими на исследуемые величины.
Каждое исследование требует индивидуального подхода.
План исследований:
1. Выбор приборов, необходимых для проведения эксперимента.
2. Выбор методики расчета.
3. Определение интервалов между измерениями исследуемых
величин. При малом объеме экспериментальных данных невозможно
найти закон или функцию, которая описывает полученную зависимость.
Существует возможность пропустить результат слабого воздействия
какого-либо фактора, имеющего большое теоретическое и практическое значение. При большом количестве получаемых данных эксперимент длится долго, затягиваются обработка данных и представление
результата.
Существуют два критерия, на основании которых происходит
выбор экспериментальных точек [5]:
• относительная точность данных на различных участках области исследуемых значений. Если анализ ошибок показывает, что на
каком-либо участке данные имеют наименьшую точность, то необходимо на этом участке получить большее число точек;
• характер экспериментальной функции. В большинстве инженерных экспериментов о характере исследуемой функции имеются
определенные сведения. Если точность отсчета одинакова во всей области и функция гладкая, то необходимо стремиться к тому, чтобы между точками были заключены одинаковые отрезки экспериментальной
кривой. Если кривая имеет особенность (например экстремум или перегиб), то необходимо получить сгущение точек около этой особенности.
4. Разработка последовательности проведения эксперимента.
5. Проведение эксперимента.
18
Глава 2. Планирование эксперимента
6. Математическая обработка результатов эксперимента.
7. Оформление отчета о полученных данных, который содержит:
цель и теоретическую основу эксперимента;
схему и описание установки;
методики измерений;
таблицу измерений;
графическое представление результатов ([5]);
оценку абсолютной и относительной погрешностей с выведением уравнения;
обработку полученной графической зависимости;
выводы;
список использованной литературы.
2.1. Метод экспериментальной оптимизации
Результатом проведения эксперимента является стремление выявить условия, при которых исследуемая величина достигает оптимального значения, т. е. режимные или конструктивные параметры, при которых возможно достижение наилучшего значения исследуемой величины. Решение подобных задач необходимо при исследовании работы
различного технологического оборудования.
Из различных методов оптимизации рассмотрим метод крутого
восхождения – метод Бокса – Уилсона [12, п. 11.2] при поиске максимума или наискорейшего спуска при поиске минимума. Метод заключается в том, что на основе малой серии опытов находится локальное
описание поверхности отклика в некоторой исходной области с помощью модели линейного вида.
Наглядное изображение метода – двумерный случай (два фактора) – представлено на рисунке [12, рис. 11.1]. На рис. 2.1, а показаны
контурные сечения y = const поверхности отклика, когда исследуемая
величина зависит от двух факторов. Координаты точки L известны
из опытов. Оптимальное значение исследуемой величины определяется следующим образом:
Один из факторов поддерживается постоянным, например x1
(рис. 2.1, б).
19
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
а
x2 x2
y = const
Глава 2. Планирование эксперимента
б
x2
λ i = λ bi ∆Z i ,
(2.2)
где bi – коэффициент уравнения регрессии i-го фактора с его знаком;
∆Zi – интервал варьирования i-го фактора.
3
M
1
2.2. Факторный принцип
N
где λk – шаг в натуральных единицах (кДж/(м3 ⋅ ч); %; °С и т. д.); ∆Z k –
интервал варьирования; bk – коэффициент в уравнении регрессии в безразмерных координатах для выбранного фактора.
Шаг для любого из остальных факторов в натуральных единицах
определяется по формуле
В ряде экспериментов исследуется влияние независимых переменных на характер протекания процессов (смешение, горение, теплопередача и т. д.). При выполнении эксперимента традиционным методом обычно все независимые переменные (факторы) поддерживаются
постоянными, а один из факторов варьируется. При использовании
традиционных методов необходимо проводить большое количество
опытов. Методы планирования эксперимента, когда одновременно варьируются все факторы, позволяют получать количественные оценки
не только от воздействия основных факторов, но и от их взаимодействия между собой.
В зависимости от числа исследуемых независимых переменных
различают однофакторный и многофакторный эксперименты.
При выполнении факторных экспериментов определяется влияние факторов при различных их значениях (уровнях). При этом факторы могут быть двух родов: со случайными и фиксированными уровнями. При выборе уровней случайным образом математическую модель
эксперимента называют моделью со случайными уровнями факторов.
При фиксированном значении уровней модель называют моделью
с фиксированными уровнями. Существует также смешанная модель:
часть уровней выбрана случайно, а другие фиксированы.
Факторный принцип применим только для случаев, когда зависимая переменная выражается уравнением, представляющим сумму или
произведение независимых переменных. Функции, которые выражают независимые переменные, могут быть любой сложности.
Планирование эксперимента (факторный принцип) базируется
на дисперсионном анализе, который эффективен при изучении нескольких факторов. Задача дисперсионного анализа – выявление влияния разнообразных факторов на изменчивость средних значений наблюдаемых случайных величин. Случайные ошибки наблюдений име-
20
21
x1
L
2
x1
Рис. 2.1. Стратегия метода крутого восхождения (наискорейшего спуска)
Опыты проводятся в направлении оси x2 до тех пор, пока не получится наилучший результат (точка M).
При постоянном значении x2 проводятся опыты в направлении оси
x1 до достижения наилучшего результата (точка N).
Описанные опыты повторяют, приближаясь по ломаной линии
к экстремуму.
Двигаться к экстремуму можно более коротким путем – по градиенту, т. е. в направлении, перпендикулярном к линиям y = const (пунктир на рис. 2.1, б).
Эксперимент начинается с точки, достаточно удаленной от экстремума. Затем производится факторный эксперимент и статистический анализ его результатов. Определяются градиент и шаг для следующих опытов. Сначала выбирается шаг λk по одному из факторов (выбирается фактор, наиболее влияющий на исследуемую функцию)
и определяется величина нормированного шага по формуле
λ=
λk
,
(∆Z k bk )
(2.1)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 2. Планирование эксперимента
ют нормальное распределение, опыты проводятся с одинаковой точностью и факторы оказывают влияние только на изменение средних
значений при неизменной дисперсии. Подробнее факторный принцип
изложен в [12].
тежей и т. д.) необходимо выбрать два типа горелок, принципиально
отличающихся друг от друга.
При выборе количественных уровней необходимо учитывать следующее: какую информацию должен получить исследователь, что знает он о характере связи между зависимой переменной и уровнем.
Например, при выполнении эксперимента на двух уровнях желательно
уровни фактора выбрать на концах интервала, в пределах которого связь
линейна или может быть описана полиномом второго и более высоких
порядков.
Подробно методы планирования эксперимента приведены в [12].
2.3. Планирование типа 2k
Наиболее простым факторным экспериментом является эксперимент, в котором каждый фактор рассматривается на двух уровнях [12].
Число изучаемых факторов может быть любым (1, 2, ..., k). Такой эксперимент называется полным факторным экспериментом типа 2k. Планы типа 2k применяются для задач, когда требуется ответить на вопрос,
влияют или не влияют рассматриваемые факторы на зависимую переменную y.
Эксперименты указанного типа могут встречаться при проведении исследований установок, сжигающих газовое и жидкое топливо
и др. К ним относятся такие, в которых необходимо выявить, влияют
ли какие-либо конструктивные, режимные или другие параметры, например горелки, на теплообмен в топочной камере или на любой другой интересующий выходной параметр (зависимую переменную y).
Например, влияет ли диаметр газовыпускных отверстий (первый фактор) размером 2 и 10 мм (два уровня), закрутка воздушного потока (второй фактор) с углами установки лопаток 30 и 60° (два уровня), скорость выхода газа из газовыпускных отверстий (третий фактор) при
значениях 20 и 100 м/с (два уровня) на теплообмен в камере горения
(зависимая переменная или выходной параметр) [12].
Из приведенных примеров ясно, что уровни каждого из факторов
представляют границы исследуемой области по рассматриваемому параметру. Уровни факторов могут быть количественные и качественные. При выполнении экспериментов типа 2k особое внимание уделяется выбору уровней исследуемых факторов.
При качественных уровнях выбор диктуется интересами исследователя, а также зависит от располагаемой информации и его интуиции. Например, требуется исследовать влияние типа горелок на теплообмен в камере горения. При значительном разнообразии их типов
на основании имеющейся информации (пусть недостаточно точной,
например данные эксплуатации, литературные источники, анализ чер22
2.4. Дробные реплики
При обработке результатов эксперимента с большим числом факторов применяется метод дробных реплик.
Если при получении уравнения, моделирующего процесс, можно
ограничиться линейным приближением, то количество опытов существенно сокращается путем применения дробных реплик от полного
факторного эксперимента. В качестве реплики используется полный
факторный план с меньшим числом факторов. Число факторов при
построении дробного факторного плана должно быть больше или равно числу неизвестных коэффициентов в уравнении регрессии.
Метод дробных реплик подробно изложен в [12, п. 11.7].
2.5. Латинские и греко-латинские квадраты
Использование дробных реплик заметно сокращает количество
опытов, но приводит к потере части информации за счет сокращения
рассматриваемых уравнений [12]. При проведении экспериментов, особенно в промышленных условиях, часто просто необходимо исключить внешние переменные или выяснить, как они влияют на исследуемый выходной параметр. В ряде случаев взаимодействие факторов
можно не учитывать, а иногда они отсутствуют. Если, например, для
полного трехфакторного эксперимента на трех уровнях требуется
27 опытов, то, построив план по так называемому латинскому квадрату 3×3, число опытов можно сократить в три раза, потеряв при этом
информацию о взаимодействии факторов.
23
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 2. Планирование эксперимента
Латинский квадрат n×n представляет собой квадратную таблицу
[12], составленную из n элементов. При этом каждый элемент повторяется в столбце и строке только один раз. Стандартными называются
квадраты, у которых первая строка и первый столбец построены в порядке натурального ряда чисел или в алфавитном порядке, если элементы квадрата буквы. Построение квадратов производится с помощью одношаговой циклической перестановки. Оно состоит из следующих действий: вторая строка образуется путем перестановки в начало
второго элемента и в конец первого элемента первой строки, третья –
перестановкой в конец первого элемента и в начало второго элемента
второй строки и т. д. Латинские квадраты 3×3, 4×4, 5×5 и 6×6 приведены в примере 1.
Пример 1. Латинские квадраты:
на результаты эксперимента, и следовательно просто исключается влияние этих факторов на полученный результат при любом эксперименте.
Для четырех факторов применяется планирование по схеме греко-латинского квадрата [12]. Греко-латинский квадрат (латинский квадрат второго порядка) получается путем наложения друг на друга двух
латинских квадратов, составленных из букв различных алфавитов или
из букв и цифр. В результате получится третий квадрат, каждая клетка
которого содержит букву и цифру. При этом в полученном квадрате
каждая буква одного квадрата связана только один раз с каждой цифрой другого квадрата. Существуют греко-латинские квадраты для
n = 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Число уровней для всех факторов, так же как
и в латинском квадрате, должно быть одинаковым.
Пример 2. Греко-латинский квадрат:
3×3
А Б В
Б В А
В А Б
А
Б
В
Г
Д
5×5
Б В Г
В Г Д
Г Д А
Д А Б
А Б В
4×4
А Б В Г
Б В Г А
В Г А Б
Г А Б В
6×6
А Б В Г Д
Б В Г Д Е
В Г Д Е А
Г Д Е А Б
Д Е А Б В
Е А Б В Г
Д
А
Б
В
Г
А
В
Д
Б
Г
Е
А
Б
В
Г
Д
Латинский квадрат 3×3 представляет собой 1 3 реплики от полного факторного эксперимента 33. В общем случае квадрат n×n является 1 n реплики от полного факторного эксперимента n3 [12].
При применении латинского квадрата предполагается, что эффекты взаимодействия между факторами незначительны и результаты
эксперимента могут быть представлены линейной моделью.
Планирование по схеме латинского квадрата [12] применяется при
исследовании влияния на процесс трех факторов (А, Б и В). При этом
факторы А и Б могут быть связаны с самим исследованием, а фактор В
может характеризовать неоднородность материала. Все три фактора
в латинском квадрате имеют одинаковое число уровней. Но в инженерных экспериментах иногда неважно, как влияют внешние факторы
24
Б
Г
А
В
Д
В
Д
Б
Г
А
Г
А
В
Д
Б
Д
Б
Г
А
В
1
4
2
5
3
2
5
3
1
4
3
1
4
2
5
4
2
5
3
1
5
3
1
4
2
Наложением этих двух квадратов получается греко-латинский
квадрат 5×5:
А1
В4
Д2
Б5
Г3
Б2
Г5
А3
В1
Д4
В3
Д1
Б4
Г2
А5
Г4
А2
В5
Д3
Б1
Д5
Б3
Г1
А4
В2
Возможно наложение друг на друга двух и более латинских квадратов. При наложении трех латинских квадратов получается гипергреко-латинский квадрат третьего порядка, при наложении четырех – гипергреко-латинский квадрат четвертого порядка, при наложении k латинских квадратов – гипергреко-латинский квадрат k-го порядка.
Количество факторов k гипергреко-латинских квадратов составит n + 1
(n – количество уровней).
Подробнее материал по латинским и греко-латинским квадратам
изложен в [12, п. 11.8].
25
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 2. Планирование эксперимента
2.6. Композиционные планы Бокса – Уилсона
и их парных взаимодействий [12, п. 11.10]. При этом число изучаемых
факторов больше числа опытов. Идея метода [12] заключается в предположении, что из всех рассматриваемых факторов только некоторые
существенно влияют на протекание процесса, а остальные незначительны и составляют так называемое шумовое поле. Основным преимуществом метода является большая разрешающая способность при сравнительно невысокой чувствительности. Построение плана производится с использованием случайных чисел или случайным смешиванием
факторных планов. Построение матрицы планирования и последовательности обработки результатов эксперимента приведено в [13, 14].
Приведенные выше планы основаны на линейной модели изучаемого процесса. В практике планирования факторного эксперимента
иногда необходимо варьирование не на двух, а на большем числе уровней [12]. При этом большое внимание уделяется факторам, которые
изменяются непрерывно. Для описания области с влиянием различных
факторов применяются полиномы второго порядка. Подробное описание приведено в [12, п. 11.9].
2.7. Отсеивающие эксперименты
Для исследования процессов смешения, горения, теплообмена
и других сложных процессов необходимо рассмотреть большое число
факторов. При выполнении факторного эксперимента с большим числом факторов происходит значительное увеличение количества опытов и усложнение обработки результатов эксперимента. При этом заранее невозможно определить степень влияния факторов на процесс,
одни из них существенно влияют на процесс, другие нет. Поэтому необходимы методы, которые давали бы возможность выделить (даже
приближенно) из всего количества воздействующих факторов те, влияние которых преобладает. Методы, позволяющие это сделать, называют отсеивающими экспериментами.
1. План Плакетта – Бермана.
Число экспериментов в этих планах кратно 4, следовательно
N = 4n , количество исследуемых факторов k = N − 1 . Матрица планов
составляется следующим образом: берется строка с количеством опытов, числом факторов и комбинацией знаков и записывается в первый
столбец. Второй столбец получается из первого путем замены в нем
первого элемента последним из первого столбца с соответствующим
сдвигом вниз остальных элементов и т. д. Последним элементом каждой строки является –1. Планы Плакетта – Бермана могут быть построены до N = 100 [12, п. 11.10].
2. Метод случайного баланса.
Метод случайного баланса применяется при значительном числе
факторов, не имеющих большого значения. Этот метод дает возможность выделить существенные факторы из множества переменных
26
27
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Стеклянные жидкостные термометры. Принцип работы основан на разности объемных температурных коэффициентов расширения термометрической жидкости. Применяются ртуть, этиловый спирт,
толуол и др. Ртутные термометры измеряют температуру в диапазоне
от –30 до +600 °С и имеют наибольшую точность показаний.
Термопреобразователи сопротивления. Принцип измерения температуры термопреобразователями сопротивления основан на зависимости сопротивления материалов от температуры. Выпускаются следующие их разновидности: платиновые, медные и полупроводниковые.
Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия такого
преобразователя основан на термоэлектрических явлениях, в результате которых в цепи, состоящей из двух разнородных проводников,
возникает термоЭДС, зависящая от температуры мест соединения этих
проводников. Для измерения температуры одно из мест соединения
разнородных проводников помещают в измеряемую среду (рабочие
концы), а другое место соединения (свободные концы) должно иметь
известное значение температур или находиться при стабильной заранее известной температуре. ТермоЭДС термоэлектрического преобразователя не изменится, если в его цепь будет включен третий проводник или измерительный прибор и температура мест его подсоединения будет одинаковой. Измерительный прибор (или третий проводник)
может включаться или в свободные концы, или в термоэлектрод.
Средства измерения температур по излучению. Для измерения
температур по тепловому излучению тел в промышленности применяются четыре разновидности пирометров:
квазимонохроматические пирометры предназначены для измерения температуры нагретого тела бесконтактным методом путем визуального определения энергетической яркости измеряемого тела при
длинах волн, как правило, близких к 0,65 мкм;
фотоэлектрические пирометры либо измеряют температуру
по яркостному методу, либо работают как пирометры частичного
излучения. В первом случае используется зависимость температуры
от спектральной энергетической яркости, а во втором случае – зависимость от температуры энергетической яркости излучения в ограниченном интервале длин волн;
пирометры спектрального отношения осуществляют измерение
температуры путем измерения соотношения яркостей на двух узких
участках длин волн, как правило, в видимой области спектра;
пирометры полного излучения предназначены для измерения полной энергетической яркости тела и контроля температуры от –50
до +3500 °С (рис. 3.1).
Вторичные приборы
3
4
измерения температуры.
В качестве вторичных измерительных показывающих и само6 5
пишущих приборов в комплек2
1
те с термопреобразователями соРис. 3.1. Устройство радиационного
противления применяются
пирометра рефракторной системы:
логометры и автоматические
1 – линза; 2 – диафрагма; 3 – приеммосты, а в комплекте с термоник излучения; 4 – окуляр для визиэлектрическими преобразоварования; 5 – светофильтр; 6 – провод
телями и пирометрами полноот приемника излучения
го излучения – милливольтметры и автоматические потенциометры.
Логометры и милливольтметры в силу своей простоты и надежности широко используются как показывающие и сигнализирующие
приборы для местного и дистанционного контроля температуры.
Логометры работают только в комплекте с датчиками температуры –
термометрами сопротивления соответствующих градуировок; милливольтметры – с термоэлектрическими преобразователями температуры (термопарами).
Магнитоэлектрические логометры предназначены для измерения и регистрации температуры, измеряемой термопреобразователями сопротивления, а также для измерения других параметров с помощью преобразователей сопротивления.
28
29
Глава 3. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ
3.1. Приборы для измерения температуры
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Милливольтметры магнитоэлектрической системы предназначены для измерения, записи и регулирования температуры и других неэлектрических величин, изменение значения которых может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока.
Регистрирующие мосты и потенциометры позволяют регистрировать контролируемые параметры с записью их значений на диаграммной ленте, осуществлять в зависимости от конструкции прибора одновременный контроль от одного до двенадцати параметров, а также
выдавать автоматическую сигнализацию их предельных параметров.
На рис. 3.2 показаны наиболее распространенные приборы данной группы.
В одноканальных приборах
a
б
типов КСУ-2, КСУ-4 регистрация
измеряемой величины производится непрерывно на диаграммной ленте при движении каретки вдоль шкалы. Записывающее
Рис. 3.2. Общий вид регистрирующих устройство одноканального приприборов:
бора состоит из пишущего узла,
а – мост типа КСМ-2; б – потенциозакрепленного на каретке.
метр типа КСП-4
В многоканальных приборах регистрация измеряемой величины осуществляется циклично нанесением на диаграммной ленте цветных точек с указанием порядкового номера канала в момент остановки каретки. Цифра, появившаяся
в окошке каретки, указывает на номер канала, сигнал которого будет
зафиксирован в последующий цикл печатания. Регистрирующее устройство многоканального прибора состоит из непосредственно печатающего барабана с нанесенными на его поверхность точками с соответствующими цифрами. В зависимости от типов самих регистрирующих приборов устанавливаются соответствующие печатающие
устройства на 4, 6 и 12 точек измерения. Для удобства контроля и расшифровки контролируемых параметров питающее устройство имеет
обойму фетровых секторов, пропитанных краской различных цветов.
Дилатометрические сигнализаторы температуры типов ТРДЭ,
ТУДЭ, ТР-200 работают на принципе разного коэффициента линейного расширения различных материалов при одной контролируемой температуре (рис. 3.3).
30
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
При изменении температуры объекта латунная
трубка 1 привода ТРДЭ, имеющая больший коэффициент
линейного расширения, чем
кварцевый стержень 2, увеличит свое удлинение более,
чем этот стержень. Толкатель
3 изменяет положение перекидного рычага 4, который
своим противоположным
концом переключает контакты микропереключателя 5.
Сигнализаторы ТРДЭ имеют
регулировку задания температуры (задатчик 7) дифференциала температуры (задатчик 6) [71].
a
б
6
5
7
4
3
2
1
Рис. 3.3. Дилатометрический сигнализатор температуры ТРДЭ:
а – общий вид; б – конструкция
3.1.1. Стеклянные жидкостные термометры
Выпускаются следующие разновидности стеклянных термометров расширения: технические ртутные с вложенной внутрь резервуара
шкальной пластиной, градуированные при погружении в измеряемую
среду хвостовой части, прямые и угловые. Лабораторные ртутные
с вложенной шкальной пластиной или палочные (толстостенные капиллярные трубки с нанесенными на внешней поверхности отметками
шкалы), градуированные при погружении в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, наружным диаметром
5–11 мм и длиной 160–530 мм (рис. 3.4). Нижний предел измерения –
30…300 °С, верхний 20…600 °С. Цена деления шкалы 0,1…2 °С
при диапазоне измерения от 50 до 305 °С.
Ртутные стеклянные термометры расширения отличаются высокой точностью измерения, стабильностью градуировочной характеристики и малой стоимостью. Однако их хрупкость, невозможность
использования в АСУ и значительные динамические, а иногда и методические погрешности ограничивают область применения.
31
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
При использовании термометров
необходимо учитывать наиболее вероятные погрешности. Погрешность градуировки указывается в свидетельстве
на термометр. Для технических термометров она равна делению шкалы. Индивидуальную погрешность при отсчете принимают равной половине цены
деления. Она может быть сведена практически к нулю при применении специальных оптических приспособлений.
Рис. 3.4. Термометры стекПогрешность погружения (выступающелянные лабораторные:
го столбика) появляется из-за несоответа – палочный; б – с вложенствия условий градуировки термометра
ной шкалой
и его эксплуатации. При точных испытаниях и исследовательских работах необходимо вычислять поправку
на выступающий столбик [12]:
ка газа в широких каналах 3–5 %. При неправильном монтаже прибора
эта погрешность увеличивается до 15 %.
Существуют два способа установки стеклянных жидкостных термометров: в защитной гильзе и без нее, т. е. путем непосредственного
погружения термометра в измеряемую среду. Наибольшее распространение получил первый способ. Установка термометра в защитной
гильзе предохраняет его от поломки движущейся средой и обеспечивает необходимую плотность в месте установки. Длину гильзы выбирают в зависимости от требуемой глубины погружения термометра
в измеряемую среду.
Термометр на трубопроводе устанавливается так, чтобы середина резервуара находилась на оси трубопровода. Предпочтительной является установка термометра вдоль оси трубопровода на колене с восходящими потоками. На прямом вертикальном участке с восходящим
потоком и на горизонтальном трубопроводе с диаметром до 200 мм
термометр устанавливается под углом 35–45° навстречу потоку.
При диаметре горизонтального трубопровода больше 200 мм термометр может быть расположен нормально к оси трубы. Устанавливать
термометр на вертикальных трубопроводах с нисходящим потоком не
следует. При диаметре меньше 50 мм трубопровод обычно рассекают
расширителем, где и устанавливают термометр. Трубопровод на длине
не менее четырех диаметров в обе стороны от места установки термометра изолируют.
При измерении температур до 200 °С улучшение теплоотдачи
от гильзы к термометру достигается заполнением зазора между ними
компрессорным маслом, а при более высоких температурах – бронзовыми или медными опилками. Заполнение воздушного зазора, например, маслом улучшает теплообмен примерно в 5 раз. Однако динамические характеристики термоприемника при заполнении зазора
маслом (стружкой) ухудшаются, так как общая теплоемкость измерительной системы увеличится. Для уменьшения погрешности, связанной с теплоотводом через гильзу, последнюю следует изготовлять
из металла с низким коэффициентом теплопроводности (например
из нержавеющей стали), а толщину стенки и внутренний диаметр гильзы выбирать минимально возможными.
Установка термометра без гильзы значительно уменьшает погрешность от теплоотвода. Однако вследствие недостаточной механической прочности термометра и трудности уплотнения места его установ-
a
б
′ ),
∆ t = 0 , 00016 kn (t − t ср
(3.1)
где k – кажущийся коэффициент расширения, зависящий от марки стекла и термометрической жидкости; при заполнении термометра ртутью
для стекла по ГОСТ 1224–71* k = 1,00, типа 59* – 1,035, «600» – 1,09
и «700» – 1,095; n – длина выступающего столбика, выраженная в градусах шкалы термометра; t – температура, отсчитанная по термометру; t′ср – средняя температура выступающего столбика, обычно за нее
принимаются показания вспомогательного термометра, резервуар которого размещен у середины выступающего столбика.
Погрешность, связанная с теплообменом между измеряемой
и окружающей средой, зависит от способа установки термометра. Способ установки должен обеспечить наиболее благоприятные условия,
с одной стороны, для притока тепла от измеряемой среды к резервуару
термометра, а с другой – для уменьшения отдачи тепла прибором
в окружающую среду. При температуре до 500 °С погрешность при
излучении невелика, а погрешность из-за теплоотвода даже при правильном монтаже термометра и хорошей изоляции составляет
при измерении потока жидкости в трубах 1–2 %, при измерении пото32
33
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
ки применение этого способа может быть рекомендовано только
при проведении исследовательских работ, когда избыточное давление
измеряемой среды ризб ≤ 20…50 кПа.
Наиболее часто применяют для испытаний и исследований термометры типа ТЛ (термометры лабораторные). По конструкции
они бывают двух видов – А и Б. Тип А изготавливается из капиллярной
трубки, на внешней поверхности которой нанесена шкала; тип Б –
с вложенной в стеклянную оболочку шкальной пластиной. Каждому
термометру, входящему в группу, присваивается порядковый номер
в зависимости от пределов измерения.
При проведении особо точных лабораторных исследований применяют комплекты термометров ТР-1 и ТР-2.
В комплект ТР-1 входят 15 термометров. Диапазоны измерения:
№ 1 – 0…4; № 2 – 4…8; …; № 15 – 56…60 °С; цена деления шкалы
0,01 °С; погрешность измерения с учетом введения поправки ±0,01 °С;
длина термометра 500 мм. Для комплекта ТР-2 (10 термометров) диапазоны измерения: № 1 – 55…65; № 2 – 65…75; …; № 10 – 145…155 °С;
цена деления 0,02 °С; погрешность ±0,02 °С; длина 540 мм.
При проведении наладочных работ и в некоторых видах испытаний можно использовать технические термопары типа ТТ, однако
в связи с невысокой точностью применять их при исследованиях не
рекомендуется.
Кроме термометров общего назначения типа ТЛ и ТТ, при исследованиях и испытаниях, связанных с использованием газовых и жидких
топлив, применяются специальные термометры типа СП и ТН. Термометры СП-8 и СП-10 предназначены для измерения температуры газа в
газоанализаторе, причем СП-10 – конкретно в газоанализаторах системы ВТИ-2. Термометрами СП-28 измеряют температуру топливно-воздушной смеси, а СП-29 – температуру нефтепродуктов в магистрали.
Термометры серии ТН предназначены для работы с нефтепродуктами: ТН-1 – измерение температуры вспышки в закрытом тигле,
ТН-2 – в открытом, ТН-3 – при определении условной вязкости,
ТН-4 – температуры каплепадения, ТН-6 – при разгонке нефтепродуктов, ТН-8 – температуры нефтепродуктов. Диапазоны измерений у этих
термометров соответствуют условиям их применения.
При проведении исследований и испытаний, особенно в лабораторных условиях, необходимо поддерживать в установке заданную температуру или иметь сигнал о ее достижении. Для этого могут быть ис-
пользованы контактные термометры. Они снабжены устройствами,
позволяющими при достижении в установке определенных (заданных)
температур замыкать или размыкать цепь электрического тока, что
может явиться сигналом для других приборов, устройств.
Наиболее часто применяются контактные термометры типа ТЗК.
Их выпускают двух типов – прямые (П) и угловые (У), с одной, двумя
и тремя точками контактирования: пределы измерений 0…50, 0…100,
0…200, 0…300 °С; цена деления шкалы 1,1 или 2,2 и 5 °С соответственно.
Технические характеристики стеклянных термометров приведены в табл. 3.1.
34
35
Стеклянные термометры
Эскиз
Шифр
изделия
ТТ-2
ТТ-4
ТТ-5
ТТ-6
ТТ-8
ТТ-10
ТМ-1
ТМ-2
ТМ-3
ТМ-4
ТМ-5
ТМ-6
ТМ-7
ТМ-8
ТМ-9
ТМ-10
Наименова- Рабочая
ние изделия среда
Термометр
технический угловой (ртуть)
–
Термометр
метрологический
(ртуть,
этиловый
спирт)
Воздух,
почва,
вода
Таблица 3.1
Габаритные
размеры
(длина), мм
Нижняя часть
прямых термометров: 103
Нижняя часть
угловых термометров: 104
Диапазон
измерения, °С
340
340
360
410
–35...+50
–50…+40
–35…+60
–35...+40
–25...+50
–10...+50
–30...+50
–5...+45
–30...+50
–70...+20
–10...+40
215
270
165
180
410
360
–30...+50
0...100
0...160
0...200
0...350
0...450
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Продолжение табл. 3.1
Эскиз
Шифр Наименова- Рабочая
изде- ние изделия среда
лия
–
ТЛ-1 Термометр
лабораторТЛ-2 ный (ртуть)
ТЛ-3
ТЛ-4
Габаритные
размеры
(длина), мм
550–570
25–320
400–520(±40)
500–530
ТЛ-5
300–320
ТЛ-6
150–160
ТЛ-7
Верхняя часть
375–395
Нижняя часть
230–250
Верхняя часть
375–395
Нижняя часть
230–250
ТЛ7А
36
Диапазон
измерения, °С
0...5
–20...+150
–30...+70
0...150
0...250
0...350
0...450
–30...+20
0...55
50...105
100...155
150...205
190...260
240...310
–30...+70
0...105
100...205
200...300
–30... +25
0…55
50... 105
–5...+100
Продолжение табл. 3.1
Эскиз
Шифр Наименова- Рабочая
изде- ние изделия среда
лия
ТН-1 Термомет- Нефтепроры, примеТН-2м няемые при дукты
ТН-3 испытании
нефтепродуктов
ТН-4м
Консистентные
смазки
ТН-5
Парафин
ТН-6
НефтепроТН-7
дукты
ТН-8м
ТР-I Термометр
–
палочный
с равномерной
шкалой,
предназначенный для
точных
измерений
(ртуть)
Габаритные
размеры
(длина), мм
250
330
250
250
–
37
0...170
130...300
0...360
0...60
50...110
0...150
100…250
300
30...100
300
350
350
500±20
–30…+60
0...360
–80…+60
0...4
4...8
8...12
12...16
16...20
20...24
24...28
28...32
32...36
36...42
40...44
44...48
48...52
52...56
56...60
55…65
65...75
75...85
85...95
95...105
105...115
115...125
125...135
–10...+65
ТР-II
Диапазон
измерения, °С
500±20
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Продолжение табл. 3.1
Эскиз
Шифр Наименова- Рабочая
изде- ние изделия среда
лия
ТР-II
КШ Термометр
14/23 с конусным
взаимозаменяемым
шлифом
(ртуть)
ТП-6
ТП-11
ТП-14
ТП-22
Термометр
промышленный
–
Воздух
в условиях
полета
летательных
аппаратов
Воздух в
камерах
рефрижераторов
Выхлопные
газы
судовых
двигателей
Спирт
38
Габаритные
размеры
(длина), мм
Верхняя
часть: 260±10
Нижняя часть:
80, 160, 250
255
Диапазон
измерения, °С
135...145
145...155
–30…+40
0...100
100...250
200...300
0...250
–55…+55
Окончание табл. 3.1
Эскиз
Шифр Наименова- Рабочая Габаритные
изде- ние изделия среда
размеры
лия
(длина), мм
185
ТС-4 Термометры Молоко,
для сель- молочского
ные
хозяйства продукты
ТС-6
Семена
460±20
ТС-7А
Воздух
Основание:
в склад180×26×16
ских
помещениях
Воздух Верхняя часть:
ТС-11
в инку150
баторах Нижняя часть:
шкаф33
ного
Основание
ТС-12
типа
350×86×37
Диапазон
измерения, °С
0…100
0…60
–10(–5)…+60
25…40
30…40
Специальные термометры [73]
185±5
–35…+50
235–470
0…150
200±1
–35…+35
Назначение: для измерения температуры в установках или оборудовании специального назначения (рис. 3.5).
СП-1, СП-1А – для измерения температуры в условиях повышенной вибрации от 0
до 600 °С. Помещены в защитные металлические оправы.
СП-2 – термометр универсальный для
измерения температуры в диапазоне от 0
до 200 °С. Выпускается в двух вариантах:
прямые и угловые.
СП-75 – для измерения температуры
в кипятильниках от 0 до 100 °С.
Рис. 3.5. Термометр
СП-77 – для измерения температуры
специальный
электролита в аккумуляторах от –5 до +75 °С.
39
Термометры технические стеклянные ртутные прямые ТТП
и угловые ТТУ.
Термометры технические жидкостные прямые ТТЖ (СП-2П)
и угловые ТТЖУ (СП-2У) [89]
L2
L2
L1
L1
Назначение: термометры стеклянные
технические с погружаемой частью
выпускаются одного типа с различными
параметрами измерений в диапазонах
d 10 от –35 до +450 °С. Применяются для
измерений температур в трубопроводах,
машинах, технических помещениях (рис. 3.6).
d8
Технические характеристики термометров приведены в табл. 3.3–3.5.
Рис. 3.6. Термометры технические ртутные
прямые ТТП и угловые ТТУ
40
Технические характеристики специальных термометров
СП-82 – для определения максимальной температуры в дезинфекционных камерах за определенный промежуток времени в диапазоне
20…150 °С.
СП-83 – для измерения температуры в глубоких скважинах в диапазоне 20…250 °С.
ТП-1 – для измерения температуры в пекарных камерах хлебопекарных печей от 100 до 350 °С.
ТП-6 – для измерения температуры окружающего воздуха в условиях полета летательных аппаратов и для стационарных измерений
температуры воздуха в аэродромных службах в диапазоне –55…+55 °С.
ТП-11 – для измерения температуры в камерах рефрижераторов
от –35…+50 °С.
ТП-22 – для измерения температуры спирта от –30 до +35 °С.
Конструкция: термометры специальные, с вложенной шкалой.
Шкальная пластина из стекла молочного цвета.
На нижнюю часть и на головку термометра ТП-6 надевается пластмассовый колпачок для крепления.
Технические характеристики специальных термометров приведены в табл. 3.2.
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Таблица 3.2
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
41
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Номер
Окончание табл. 3.2
Таблица 3.3
Технические характеристики термометров
Длина
Диапазон
Цена
Длина
верхней
измерения,
деления
нижней
части
шкалы,
части
°С
L2, мм
L1, мм
°С
ТТП прямые
240
103; 163
2
–35...+50
1
240
103; 163
4
0...100
1
240
103; 163
5
0...160
2
240
103; 163
6
0...200
2
240
103; 163
8
0...350
5
240
103; 163
10
0...450
5
ТТУ угловые 90°
240
104; 141
2
–35...+50
1
240
104; 141
4
0...100
1
240
104; 141
6
0...200
2
240
104; 141
8
0...350
5
240
104; 141
10
0...450
5
ТТЖ-М
160, 240
66, 103,
–35…+50,
–
1
163, 253,
0…100,
403, 663,
0…150
1003
0…200
2
ТТЖ-У
160, 240
100, 140,
–35…+50,
–
1
200, 290,
0…100,
440, 670,
0…150
1040
0…200
2
Таблица 3.4
Термометры технические стеклянные жидкостные
Марка
ТТЖ прямые
СП-2П
ТТЖ угловые
СП-2У
42
Диапазон
температур, °С
–35…+50;
0...100;
0...150;
0…200
–35…+50;
0...100;
0...150;
0…200
Верхняя
часть, мм
240;
160
43
Длина
Нижняя
часть, мм
66; 103; 163;
253; 403;
663; 1003
100; 140; 200;
290; 440;
670; 1040
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Принцип действия манометрических термометров основан
на свойстве газов и жидкостей изменять давление в замкнутой системе
(в погружающем устройстве) при
изменении температуры. Термометр герметичен, он состоит из
термобаллона, который воспри2
нимает температуру измеряемой
среды, соединительного дистан3
1
ционного капилляра и упругого
чувствительного элемента (маноРис. 3.7. Схема манометриметрическая пружина), который
ческого термометра:
через передаточный механизм
1 – термобаллон; 2 – манометр;
воздействует на стрелку или перо
3 – капилляр
прибора (рис. 3.7).
В зависимости от заполнителя термосистемы манометрические
термометры бывают трех типов:
• газовые (заполнены инертным газом (аргон, гелий), тип
ТГП – термометр показывающий газовый);
• жидкостные;
• парожидкостные (заполнены термостатирующим веществом
(хладон, метил хлористый, этил, ацетон технический, толуол, спирт
пропиловый), тип ТКП – термометр показывающий конденсационный).
По ГОСТ 8624–71* манометрические термометры предназначены для измерения температуры в диапазоне –150…+1000 °С. Также
выпускаются приборы с пределами измерений –50…+600 °С при температуре окружающего воздуха 5…50 С и относительной влажности
до 80 %; давление измеряемой среды 0,4–6,4 МПа без защитной гильзы, 6,4–25 МПа – с защитной гильзой.
Манометрические термометры выпускаются самопишущими;
показывающими; комбинированными.
Газовые манометрические термометры – для измерения температуры –50…+600 °С. Длина капилляра 1,6–4 м, диаметр термобаллона
20 мм, длина термобаллона до 400 мм. Газовые термометры выпускаются показывающие и самопишущие, с записью на дисковой диаграмме,
с часовым и электрическим приводом. В эти термометры могут быть
встроены устройства для сигнализации и позиционного управления, пневматические приставки для передачи показаний на расстояние до 300 м.
Жидкостные манометрические термометры выпускаются в качестве измерительных приборов при температурах –50…+300 °С. Конденсационные манометрические термометры выпускаются для измерения температур в интервале –50…+300 °С на диапазоны измерения
50…325 °С. Манометрические термометры могут работать в условиях
вибрации, а также во взрыво- и пожароопасных помещениях. При их
использовании следует иметь в виду специфические погрешности,
присущие манометрическим термометрам, вызываемые колебаниями
барометрического давления или температуры окружающей среды,
а также взаимным расположением термобаллона и измерительного
прибора [71].
Все типы манометрических термометров характеризуются:
возможностью дистанционного измерения температуры без использования дополнительной энергии;
надежностью в эксплуатации;
равномерной шкалой (газовые и жидкостные);
взрыво-, пожаробезопасностью;
нечувствительностью к внешним магнитным полям.
При эксплуатации всех типов манометрических термометров следует выполнять следующие правила:
44
45
Таблица 3.5
Термометры технические стеклянные ртутные
Диапазон
температур, °С
Марка
ТТП прямые
№ 2, 4, 5, 6,
7, 8, 9, 10
ТТУ
угловые
№ 2, 4, 5, 6,
7, 8, 9, 10
–35...+50; 0...100;
0...160; 0...200;
0...300; 0...350;
0...400; 0...450
–35...+50; 0...100;
0...160; 0...200;
0...300; 0...350;
0...400; 0...450
Длина
Верхняя
Нижняя
часть, мм
часть, мм
240
66; 103;
163;
253; 403
104; 141;
201; 291;
441; 671
3.1.2. Манометрические термометры
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
• термобаллон должен быть полностью погружен в измеряемую
среду, при этом его положение может быть вертикальным, наклонным,
горизонтальным;
• термометр перед использованием и периодически во время
опытов следует подвергать контрольной проверке в термостате.
Выбор типа термометра для конкретного измерения осуществляется сравниванием погрешностей измерения всех имеющихся приборов. Погрешности термометров приводятся в паспортных данных
на прибор.
Термометр манометрический конденсационный
показывающий ТКП-100С
Термометры манометрические конденсационные
показывающие ТКП-60С, ТКП-60/3М
Рис. 3.8. Термометр
манометрический ТКП-60С,
ТКП-60/3М
Назначение: для непрерывного
измерения температуры воды, масла
и других неагрессивных жидкостей
(рис. 3.8).
Пример обозначения термометра
с пределом измерения 0…120 °С, класса
точности 2,5, длиной соединительного
капилляра 6 м при его записи: ТКП-60С
(0...120) – 2,5 6 СНИЦ405.153.003 ТУ.
Технические характеристики ТКП-60С
0…120; 100…200;
Диапазон измерения, °С……………
200…300; –25…+75
Класс точности……………..… 1,5; 2,5
Длина соединительного
капилляра, м…………………………
1,6; 2,5; 4; 6; 10
Глубина погружения
термобаллона, мм……………………
100
Диаметр термобаллона, мм……………
12
Диаметр корпуса, мм……………
60
Материал термобаллона……………
ЛС59-1; 12Х18Н10Т
Масса, кг…………………………
0,88
46
Назначение: для непрерывного измерения температуры воды,
масла и других неагрессивных жидкостей (рис. 3.9).
В табл. 3.6 представлены характеристики наиболее широко применяемых в настоящее время термометров.
Рис. 3.9. Термометр манометрический конденсационный
показывающий ТКП-100С
Термометр манометрический конденсационный
показывающий сигнализирующий ТКП-160-Сг-М2
Назначение: для измерения теплотехнических параметров и управления внешними электрическими цепями от сигнализирующих устройств приборов (см. табл. 3.6).
Термометры подразделяются на дистанционные (рис. 3.10, а)
и местные (с жесткой связью). Соединение термобаллона с корпусом
для местных термометров осуществляется в двух исполнениях: с радиальным расположением термобаллона (рис. 3.10, б); с осевым расположением термобаллона (см. рис. 3.10, а).
a
б
Рис. 3.10. Термометр манометрический конденсационный
показывающий сигнализирующий ТКП-160-Сг-М2
47
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
48
49
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Технические характеристики ТКП-100С
Технические характеристики ТКП-160-Сг-М2
–25…+75; 0…120; 100…200;
200…300
Диапазон измерения, °C……………
0…120; 100…200; 200…300; –25…+75
Диапазон измерения, °С…………………………
Класс точности…………………………
1,5; 2,5
Длина соединительного
капилляра, м……………………………………
1,6; 2,5; 4; 6; 10
Глубина погружения
термобаллона, мм…………………………
100; 160; 200; 250; 315; 400
Диаметр термобаллона, мм
16
Диаметр корпуса, мм…………………………
100
Масса, кг…………………………………
2,5
Давление измеряемой среды, МПа.………
До 1,6
Термобаллоны изготавливаются на условное давление до 6,3 МПа.
Пример обозначения термометра с пределом измерения 0…120 °С,
класса точности 2,5, длиной соединительного капилляра 6 м при его
записи или заказе: ТКП-100С (0...120)-2,5 6СНИЦ405.153.003 ТУ.
Область применения: электрические отопительные котлы, водонагреватели, термостаты, масляные трансформаторы, сауны, управление температурными режимами нагревательных элементов промышленных и бытовых установок (термопластавтоматы, прессы для изготовления РТИ и пластмассы и т. п.).
Пример обозначения термометра для условий эксплуатации исполнения УХЛ2 с пределами измерений 0…120 °С, класса точности
1,5, длиной соединительного капилляра 10 м, длиной погружения термобаллона 400 мм и полиэтиленовой оболочкой: ТКП-160Сг-М2-УХЛ2
(0...120)-1,5 10-400-Б ТУ25-02091870–81. То же для местных термометров: ТКП-160Сг-М2-УХЛ2 (0...120)-1,5 ТУ25-02091870–81. То же для
исполнения Т2 с медной оболочкой: ТКП-160Сг-М2-Т2 (0...120)-1,5
10-400-А ТУ25-02091870–81.
Термометры изготавливаются без электрических соединений. По
специальному заказу приборы выпускают с соединителями. Термометр
изготавливается по ТУ 25-02.091870–81.
50
Длина соединительного капилляра
дистанционного термометра, м……
Длина погружения термобаллона,
мм…………………………………
0,6; 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 12; 16; 25
160; 200; 250; 315; 400; 500; 630;
800; 1000
12; 14; 16
1,5; 2,5
Диаметр термобаллона, мм…………
Класс точности термометров………
Давление измеряемой среды, МПа,
не более……………………………… 1,6
Напряжение питания
сигнализирующего устройства……… До 220 В; 50 Гц
Разрывная мощность контактов
сигнализирующего устройства, ВА… 50
Масса прибора, кг:
дистанционного
(с капилляром 25 м) …………… 4,5
местного……………………………… 2,5
Средний срок службы, лет ………… 10
Материал термобаллона…………… ЛС 59-1; 12Х18Н10Т
Вид защитной оболочки капилляра
для дистанционных термометров:
А
медная…………………………
Б
полиэтиленовая………………
Заполнитель системы в зависимости от предела измерений:
метил хлористый технический ГОСТ 12794–80
ацетон ГОСТ 2758–84
толуол ГОСТ 5789–78
хладон ГОСТ 8502–93
Примечания: 1. Допускаемое отклонение длины погружения термобаллона до 250 мм (±3 %).
2. Допускаемое отклонение длины соединительного капилляра ±10 %.
3. Рабочий предел измерений должен быть равен последним 2/3 диапазона
измерений.
51
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Термометры манометрические показывающие дистанционные
Термометр манометрический показывающий
виброустойчивый ТКП-60/3М2
Технические характеристики приборов
ТКП-60С;
класс точности 1,5; 2,5… Диапазон температур, °С: –25...+75; 0...120;
100...200; 200...300
Длина соединительного капилляра, м: 1,6; 2,5;
4; 6; 10
Диаметр корпуса 60 мм
ТКП-60/3М;
класс точности 1,5; 2,5……..
Диапазон температур, °С: –25...+75; 0...120;
100...200; 200...300
Длина соединительного капилляра, м: 1,6; 2,5;
4; 6; 10; 12; 16; 25
Диаметр корпуса 60 мм
ТКП-60/3М2;
класс точности 2,5………..Диапазон температур, °С: 0...120; 0...150
Длина соединительного капилляра, м: 1,6; 2,5;
4; 6; 10; 16
Диаметр корпуса 60 мм
ТКП-100С;
класс точности 1,5; 2,5…. Диапазон температур, °С: –25...+75; 0...120;
100...200; 200...300
Длина соединительного капилляра, м: 1,6; 2,5;
4; 6; 10
Диаметр корпуса 100 мм
ТКП-100-М1;
класс точности 1; 1,5……….
Диапазон температур, °С: –25...+35; –25...+75;
0...50; 0...120
Длина соединительного капилляра, м: 1,6; 2,5;
4; 6; 10; 16; 25
Длина погружения термобаллона, мм: 125; 160;
200; 250; 315; 400
Диаметр корпуса 100 мм
ТГП-100-М1;
класс точности 1; 1,5………
Диапазон температур, °С: –50...+50; –50...+100;
–50...+150
Длина соединительного капилляра, м: 1,6; 2,5;
4; 6; 10; 16; 25
Длина погружения термобаллона, мм: 160; 200;
250; 315; 400; 500
Диаметр корпуса 100 мм
Назначение: для непрерывного измерения температуры неагрессивных жидкостей (топлива, масла, воды и др.) в условиях повышенной вибрации (рис. 3.11).
52
53
Рис. 3.11. Термометр манометрический показывающий виброустойчивый ТКП-60/3М2
Технические характеристики ТКП-60/3М2
0…120; 0…150
Диапазон измерения, °С……………………………
Длина соединительного капилляра, м……………………………
1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 12,0;
16,0; 25,0
Длина погружения термобаллона, мм……………………………
100; 120
Класс точности……………………………….
2,5
–60…+80
Температура окружающей среды, °С……………………………
Не более 98
Относительная влажность при 35 °С, %...............
Габаритные размеры, мм:……………………………
термометра…………………………………………………………
63×63×31
термобаллона……………………………Длина 138; диаметр 11,3
Масса прибора, кг……………………………Не более 0,9
Полный средний срок службы, лет……………………………
12
Вид защитной оболочки соединительного капилляра:
сополимер пропилена – исполнение А
спираль из стальной проволоки – исполнение В
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Термометры показывающие электроконтактные
Технические характеристики
Диапазон измерения, °С:
–50…+50; –50…+100; –50…+150;
ТГП-100-М1, ТГП-100Эк-М1………….
0…150; 0…200; 0…300; 100…300;
0…400; 0…600; 100…500; 200…500;
200…600
ТКП-100-М1, ТКП-100Эк-М1,
ТКП-160Ст-М2……………………………
–25…+35; –25…+75; 0…50; 0…120;
0…100; 25…125; 450…150; 100…200;
200…300; 100…250
Длина соединительного
капилляра, м………………………………………………
1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25
Длина погружения термобаллона, мм:
ТГП-100-М1, ТГП-100Эк-М1………………………
160; 200; 250; 315; 400; 500
ТКП-100-М1, ТКП-100Эк-М1………………………
125; 160; 200; 250; 315; 400
Классы точности
1; 1,5
Напряжение внешних
коммутируемых контактов:
переменный ток, В………………………
24; 40; 60; 110; 220; 240
постоянный ток, В………………………
24; 60; 110; 220
Разрывная мощность контактов
сигнализирующего устройства,
ВА, не более………………………………………………
30
Температура окружающей среды, °C:
–10...+60
ТГП-100Эк-М1, ТКП-100Эк-М1………………………
–50...+60
ТГП-100-М1, ТКП-100-М1………………………
Относительная влажность, %,
не более………………………………………………
80
Давление измеряемой среды, кгс/см2 … 64 без защитной гильзы
250 с защитной гильзой
Габаритные размеры, мм:
ТГП-100Эк-М1, ТКП-100Эк-М1………………………
106×106×150
ТГП-100-М1, ТКП-100-М1………………………
106×106×75
Масса термометра без
термосистемы, кг, не более………………………
0,9
ТУ 311-0225626.117–91
Код:
ТГП-100Эк-М1, ТКП-100Эк-М1………………………
421114
ТГП-100-М1, ТКП-100-М1………………………
421113
Класс точности:
ТКП-100Эк-М1, ТГП-100Эк-М1………………………
1; 1,5
ТКП-160Ст-М2……………………… 1,5
54
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Назначение: для измерений температуры
жидких и газообразных сред; термометры показывающие электроконтактные – для измерений температуры жидких и газообразных
сред и коммутации внешних электрических
цепей, в том числе в условиях АЭС. Класс точности 1 или 1,5 (рис. 3.12).
ТГП-100-М1 – термометр показывающий газовый;
ТКП-100-М1 – термометр показывающий конденсационный;
ТГП-100Эк-М1 – термометр показывающий электроконтактный газовый;
ТКП-100Эк-М1 – термометр показывающий электроконтактный конденсационный.
Рис. 3.12. Термометр
показывающий
электроконтактный
Термометры манометрические дистанционные сигнализирующие
взрывозащищенные
Технические характеристики
ТКП-16СгВЗТ4,
класс точности 1,5
ТГП-16СгВЗТ4,
класс точности 1,5
Диапазон температур, °С:……–25...+35; –25...+75;
0...50; 0...100; 25...125; 50...150; 100...200; 100...250;
200...300
Длина соединительного капилляра, м…1,6; 2,5; 4; 6;
10; 16; 25
Диаметр корпуса…… 160 мм
Диапазон температур, °С:…… –50…+100; –50... +150;
–50...+50; 0...150;
0...200; 100...300; 0...300; 0...400
Длина соединительного капилляра, м…1,6; 2,5; 4; 6;
10; 16; 25
Диаметр корпуса …… 160 мм
55
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Показывающие сигнализирующие манометрические термометры
ТМ2030Сг ТУ 4211-030-00225590–99
Число срабатываний контактов сигнализирующего устройства
100 000.
Класс точности для термометров с газовым заполнителем 2,5, для
термометров с конденсационным заполнителем соответствует 2,5 для
последних 2/3 шкалы.
Термометры устойчивы к воздействию вибрации частотой 5…35 Гц
с амплитудой смещения до 0,35 мм.
Степень защиты 1Р53.
Длина присоединительного капилляра (I) 1…10 м.
Длина погружаемой части (11) 160…500 мм.
Масса прибора 1,5 кг.
ТМ2030СМ: диаметр термобаллона 20 мм; резьба штуцера (01)
М33×2–8д.
ТМ2030Сг-2: диаметр термобаллона 14 мм; резьба штуцера (01)
М27×2–8д.
Рис. 3.13. Термометр манометрический ТМ2030Сг
Назначение: для непрерывного
измерения температуры жидкостей
и газов, нейтральных в отношении
их воздействия на сталь и медные
сплавы, и управления внешними
электрическими цепями от сигнализирующего устройства. Применяются в различных установках и в системах теплоэнергетического контроля, где необходима своевременная
информация о достигнутых крайних
значениях температуры (рис. 3.13).
3.1.3. Термометры сопротивления
Основные технические характеристики:
Диапазон измерения, °С: –50…+600.
По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха термометры соответствуют группе исполнения С4
по ГОСТ 12997–84 (но для работы при температуре от –10 до +60 °С
для термометров с газовым заполнителем термосистемы и от –50
до +60 °С с конденсационным заполнителем термосистемы) и имеют
исполнение У.
Категория 2 по ГОСТ 15150–69. По устойчивости к механическим
воздействиям термометры имеют исполнение 11 по ГОСТ 12997–84.
Диапазон установок находится в пределах от 30 до 95 % диапазона измерений для термометра с конденсационным заполнителем термосистемы, от 10 до 90 % с газовым заполнителем термосистемы.
Сигнализирующее устройство термометров обеспечивает коммутацию внешних цепей исполнения 3, 4, 5, 6 по ГОСТ 16920–93.
Напряжение внешних коммутируемых цепей соответствует 24; 40;
60; 110; 220; 380 В для цепей переменного тока с частотой 50 ±1 Гц; 24;
60; 110; 220 В для цепей постоянного тока.
Разрывная мощность контактов 20 Вт.
Значение коммутируемого тока от 0,01 до 0,5 А.
Принцип действия приборов основан на изменении электрического сопротивления вещества R при изменении его температуры t.
Затем, используя известную зависимость R = f (t ), по электрическому
сопротивлению тела определяют его температуру. Таким образом, термообразователь, в отличие от термометров расширения, является только датчиком.
В комплект прибора входят:
1. Термометр сопротивления – тепловоспринимающий элемент
(первичный прибор).
2. Электроизмерительный прибор, измеряющий электрическое
сопротивление термометра (вторичный прибор). Вторичный прибор
может быть градуирован непосредственно в градусах.
Достоинства термометров сопротивления: более высокая точность по сравнению с термометрами расширения и манометрическими термометрами, имеется возможность передачи показаний на большие расстояния и централизация контроля температуры путем присоединения через переключатель нескольких термометров к одному
измерительному прибору; возможность усреднять измеренную температуру.
56
57
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Недостатки термометров сопротивления – необходимость в постоянном источнике тока; невозможность точечных измерений.
Термометры сопротивления выпускаются с чувствительными элементами из платиновой и медной проволоки, согласно ГОСТ 6651–78.
Следовательно приборы делятся на термометры сопротивления платиновые (ТСП) с пределами измерений –200…+750 °С и термометры
сопротивления медные (ТСМ) с пределами измерений –50…+180 °С .
К недостаткам ТСП относятся нелинейность характеристики
R = f (t ) и высокая стоимость.
У прибора ТСМ эти недостатки отсутствуют, но чувствительные
элементы из меди имеют малое удельное сопротивление и легко окисляются при температуре более 100 °С.
Для измерения температур до 1300 °С применяются низкоомные
платиновые термометры сопротивления типа ТСП-5063 и для измерения температур до 2200 °С – монокристаллические вольфрамовые типа
ВМТС.
Термометры сопротивления состоят [12] из чувствительного элемента и наружной арматуры и выпускаются двух модификаций – одинарные и двойные. В двойном термометре в общую арматуру вмонтировано два чувствительных элемента, электрически не связанные между
собой и имеющие индивидуальную пару зажимов в головке термометра. Наружная арматура состоит из защитной трубки, подвижного или
неподвижного штуцера для крепления термометра и головки. В головке помещена контактная колодка для присоединения проводов.
Термометры по типу головки, т. е. защищенности от внешней среды со стороны вводов, имеют пять разновидностей: обыкновенные;
брызгозащищенные; водозащищенные; взрывобезопасные; без головки со специальной заделкой выводов проводов.
Платиновые термометры выпускаются I и II классов точности,
т. е. К-I и К-II, а медные – II и III классов точности, т. е. К-II и К-III.
Термометры К-I имеют допустимое отклонение от номинального значения сопротивления при 0 °С ± 0,05 %; К-II, К-III – ± 0,1 %.
Для изготовления чувствительных элементов серийных термометров сопротивления применяются и полупроводниковые материалы.
Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) обладают существенным преимуществом: их температурный коэффициент
сопротивления на порядок выше, чем у металлических. Термисторы
типов КМТ, ММТ, МТ, ТОМ и др. обладают незначительными рабочими размерами и массой, малой инерционностью, высокой чувствительностью, могут иметь различную форму чувствительного элемента (цилиндры, шайбы, бусинки и т. д.). Но из-за низкой воспроизводимости
их параметров, т. е. из-за большого разброса характеристик от образца
к образцу и практически невозможной их взаимозаменяемости, невысокого диапазона измеряемых температур (до 180 °С), нелинейности
характеристики R = f (t ) , термисторы широко не используются.
58
Термометры сопротивления
по герметичности со стороны измеряемой среды
Негерметичные
Герметичные, рассчитанные
на давление, МПа:
0,1; 0,6; 0,4; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0;
6,3; 10; 16; 25; 40; 63
Термометры сопротивления по устойчивости
к механическим воздействиям
Обыкновенные
Вибротряскоустойчивые (ВТ)
Ударопрочные (УП)
Правила эксплуатации термометров сопротивления [12]:
1. Диапазон измерений термометра должен как можно больше
соответствовать пределам изменения температуры измеряемой среды.
2. Длина термометра выбирается с учетом размеров камеры (трубопровода) и мест его установки. При монтажной длине 500 мм и установке в горизонтальном или наклонном положении термометр должен быть дополнительно закреплен во избежание прогиба и вибраций.
3. Глубина погружения термометра определяется в соответствии
с длиной чувствительного элемента (активной части), которая для ТСП
составляет 30–120, а для ТСМ – около 60 мм.
4. Защитная арматура должна учитывать свойства измеряемой
среды, ее давление и скорость.
59
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
5. Перед монтажом термометра, а также в процессе его эксплуатации (при исследованиях – перед каждым опытом и при максимальных температурах) надо проверить целостность чувствительных элементов и сопротивление изоляции с помощью мегаомметра с номинальным напряжением 500 В. Испытательное напряжение
прикладывается между зажимами термометра и корпусом, а для термометров с двумя чувствительными элементами – также и между отдельными электрическими цепями, после чего сопротивление электрической изоляции должно быть не менее величин, указанных
в паспорте прибора. Если в результате проверки выявлено, что чувствительные элементы не нарушены, а сопротивление изоляции меньше допустимого, то следует термометр высушить и снова замерить
сопротивление.
6. К одноточечному вторичному прибору необходимо подключить несколько термометров сопротивления через переключатель типа
ПМТ, ПД.
Градуировочные таблицы платиновых и медных термометров сопротивления приведены в паспортных данных приборов, а также в справочной литературе [12, табл. 4.5, 4.6].
Показатель тепловой (термической) инерции термометра ε0
характеризует темпы или скорость теплообмена
ε0 =
c
Φ
= ,
αS α
(3.2)
где с – полная теплоемкость теплоприемника; α – коэффициент теплообмена; S – площадь поверхности, соприкасающейся с окружающей
средой; Ф – тепловой фактор.
По условию теплообмена при использовании термометра с начальной температурой tТ0 в среде с температурой t c его показания изменяются со временем от минимального в начальный момент времени ( τ = 0 )
до максимального значения при τ = ∞ . При этом термоприемник не
оказывает влияние на tc = const . Следовательно,
(tc − tТτ ) = exp − τ ,.
(tc − tТ0 )  ε0 
60
(3.3)
о
Если принять, что τ = ε 0 , то
(tc − tТτ ) = 1 ≈ 0,37 .
(tc − tТ0 ) e
(3.4)
Тогда величина показателя тепловой инерции термометра численно равна интервалу времени, по истечении которого при использовании термометра в среде с постоянной температурой разность температуры среды и любой точки чувствительного элемента будет равна 0,37
от первоначальной разности. ε0 зависит от теплового фактора и коэффициента теплообмена. При изменении формы термоприемника (шар,
цилиндр, спираль с ребрами) и неизменном объеме показатель ε0 изменяется в несколько раз.
В настоящее время наиболее применяемыми вторичными приборами, работающими с термометрами сопротивления, являются автоматические электронные самопишущие и показывающие уравновешенные мосты, входящие в комплекс КС, относящийся к Государственной
системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).
Кроме измерения и записи показаний приборы комплекса КС могут
осуществлять автоматическое регулирование контролируемого параметра. Регулирующие устройства встраиваются в корпус прибора или
выполняются в виде приставок.
Термометры сопротивления платиновые вибропрочные
производства НПП «Элемер»
ПТСВ-1, ПТСВ-2, ПТСВ-3, ПТСВ-4, ПТСВ-5
Назначение: для поверки средств измерений температуры в соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерения температуры (ГОСТ 8.558–93) и для использования в качестве средства измерения температуры повышенной точности в различных отраслях промышленности и при проведении научных исследований (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Внешний вид термометров ПТСВ-1, ПТСВ-2,
ПТСВ-3, ПТСВ-4, ПТСВ-5
61
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Термометры выпускаются вибропрочными (платиновый термометр сопротивления вибропрочный – ПТСВ) 2-го и 3-го разрядов
и имеют ряд модификаций: ПТСВ-1, ПТСВ-2, ПТСВ-3, ПТСВ-4, ПТСВ-5
(табл. 3.7).
По конструктивному исполнению модификации термометры
ПТСВ-1, ПТСВ-3, ПТСВ-4, ПТСВ-5 относятся к стержневому виду
(см. рис. 3.14), а ПТСВ-2 – к капсульному (рис. 3.15, 3.16).
Длина погружаемой части для ПТСВ-2 не более 60 мм, а внешний
диаметр не более 6 мм.
Предел допускаемой абсолютной погрешности термометров 2-го
и 3-го разрядов определяется значениями, указанными в табл. 3.8.
Таблица 3.8
Погрешности термометров 2-го и 3-го разрядов
Таблица 3.7
Технические характеристики термометров сопротивления
Тип
термометра
Диапазон
температур,
°С
Разряд
термометра
Относительное
сопротивление
термометра
ПТСВ-1
ПТСВ-2
ПТСВ-3
ПТСВ-4
ПТСВ-5
–50...+450
–200... +200
–50... +500
–50... +232
–50... +250
2, 3
3
3
2, 3
3
1,3924
1,3908
1,3924
1,3924
1,3908
Схема
соединения
к чувствительному элементу
Четырехпроводная
Защитная арматура изготавливается из стали 12Х18Н10Т.
Температура, °С
–200
–50
0,01
30 (точка плавления галлия)
150 (точка затвердевания индия)
230 (точка затвердевания олова)
420 (точка затвердевания цинка)
500
Погрешность, °С
2-й разряд
3-й разряд
0,04
0,05
0,02
0,025
0,01
0,02
0,01
0,02
0,02
0,03
0,02
0,04
0,02
0,04
–
0,07
Термометры сопротивления, термопреобразователи (табл. 3.9)
d
Технические характеристики
L
Рис. 3.15. Термометры ПТСВ-1, ПТСВ-3,
ПТСВ-4, ПТСВ-5
D
L
Рис. 3.16. Термометр ПТСВ-2
Длина погружаемой части L для модификаций ПТСВ-1, ПТСВ-3,
ПТСВ-4 составляет не менее 450 мм, для ПТСВ-5 – не менее 250 мм.
При стандартном исполнении длина погружаемой части L = 550 мм.
Термометр комплектуется измерительным кабелем Lк = 1,5 м.
62
Тип
прибора
ТСМ
ТСМТ
ТМТ
ТСП,
ТСП
ТТПТ
ТХК
КТХК
ТХА
КТХА
Назначение
Для измерения температуры
жидких и газообразных сред,
не разрушающих их защитную арматуру, в различных
областях
Для измерения температуры
в атмосфере чистого воздуха,
газообразных химически неагрессивных сред с влажностью воздуха не более 80 %
в различных областях народного хозяйства
63
Таблица 3.9
Номинальная
Диапазон
статическая
измеряемых
характеристика
температур
50М, 100М
–50…+150
50П, 100П
–200…+500
ХК(L)
–40…+600
(–40…+800)
–40…+1000
(–40…+1300)
ХА(К)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Окончание табл. 3.9
Тип
прибора
Назначение
ТПП
ТППТ
ТПР
ТПРТ
Для измерения температуры
в окислительных и нейтральных газовых средах, не содержащих веществ, вступающих во взаимодействие с материалами термопары
КТСМР-В Комплекты термометров для
КТСПР-В измерения температуры и
разности температур в состаКТПТР
ве теплосчетчиков и других
приборов учета и контроля
тепловой энергии
ТСМУ
Для измерения температуры
ТСМТУ
газов, жидкостей и сыпучих
сред, не разрушающих матеТСПУ
риал защитной арматуры.
ТСПТУ
Обеспечивают непрерывное
преобразование температуры
в унифицированный выходной сигнал 0…5 или
ТХАУ
4…20 мА
КТХАУ
Номинальная
Диапазон
статическая
измеряемых
характеристика
температур
ПП(S)
300…1300
ПР(В)
600…1600
100М, 500М
100П, 500П
0…200
100М
–50…+50
0…180
–50…+50
0…100
0…200
0…300
0…500
0…600
0…900
100П
ХА(К)
3.1.4. Пирометры
Коэффициент излучения
В теории и практике измерений температур пирометрами частичного излучения важным параметром является коэффициент излучения
ε объекта измерения. Пирометр при настройке и поверке градуируют
по модели абсолютно черного тела (АЧТ). Для АЧТ ε = 1. Для реальных
объектов ε < 1, причем величина ε зависит в первую очередь от состояния поверхности объекта. Чем выше отражательная способность
объекта, тем выше коэффициент отражения и ниже ε. С некоторым
приближением можно записать
ε + r = 1,
(3.5)
Поэтому, например, для стали с неокисленной поверхностью ε будет меньше, чем с окисленной, а для полированной поверхности ε еще
меньше. Обычно объект измерения находится в окружении более «холодных» предметов, поэтому отраженная составляющая «холоднее»
собственного излучения. В результате измеренное значение температуры будет меньше действительного. С повышением температуры
объекта влияние отраженного излучения снижается, следовательно, ε
объекта повышается.
Для определения ε нужно измерить температуру объекта образцовой термопарой, а в пирометре подобрать значение ε таким образом,
чтобы показания пирометра совпадали (были близки) с показанием
термопары. Установленное в пирометре значение ε будет соответствовать коэффициенту излучения данного объекта (для данной температуры, данного материала и условий измерения). Впредь при измерениях на этом объекте можно использовать полученный ε. В практике промышленных измерений рекомендуется для однотипных объектов
и разных температур не изменять коэффициент ε. Можно пользоваться
пирометром, установив ε = 1. При этом применяются такие качества
пирометра, как воспроизводимость результатов измерения и высокая
разрешающая способность. Это означает, что при измерении температуры объекта погрешность измерения будет постоянна для определенного значения действительной температуры. Этого вполне достаточно, чтобы выявить отклонение температуры и оптимально отладить
технологический процесс. Так как ε зависит и от материала объекта,
то более удобно установить ε в пирометре в первом приближении.
Например, для расплавов стали установить ε = 0,65, для чугуна
ε = 0,45. Одним прибором лучше пользоваться для однотипных объектов (например, только для расплава стали), чтобы не изменять значения ε. Иначе могут быть ошибки, если оператор забудет изменить величину ε. Следует также иметь в виду, что окалина на заготовке, шлаки
на поверхности расплава, задымленность и запыленность среды воспринимаются пирометром как снижение коэффициента излучения
объекта. Измерение необходимо проводить при устранении указанных
помех. Но это не всегда удается, поэтому, если величину помехи можно считать постоянной, то измерения возможны, как при ε = const.
где r – коэффициент отражения.
64
65
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Измерение температуры. Бесконтактное измерение
температуры. Основные понятия и законы излучения
Пирометры частичного излучения
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой
электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура
тела, тем больше энергии оно излучает.
Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать
температуру от 100 до 6000 °С и выше. Одним из главных достоинств
данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не
вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные
методы получили название бесконтактных.
На основании законов излучения разработаны следующие типы
пирометров:
• частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;
• спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра;
• суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия
излучения.
В зависимости от типа пирометра различаются радиационная,
яркостная, цветовая температуры.
Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.
Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна
плотности потока спектрального излучения реального тела для той же
длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.
Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру,
при которой отношение плотностей потоков излучения АЧТ для двух
длин волн равно отношению плотностей потоков излучений реального
тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.
66
К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры
и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.
Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры.
Принцип действия оптического пирометра с «исчезающей» нитью основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны. Изображение
(рис. 3.17) излучателя линзой 1 и диафрагмой 4 объектива пирометра
фокусируется в плоскости нити накаливания лампы 2. Оператор через
диафрагму 3, линзу 5 окуляра и красный светофильтр 6 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 8, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской,
при большей температуре нити она будет выглядеть как светлая дуга
на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити она
«исчезает» из поля зрения оператора. Этот момент свидетельствует
о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы.
Рис. 3.17. Оптический пирометр с «исчезающей» нитью
67
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Питание лампы осуществляется с помощью батареи. Прибор «ИП», фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной
температурой АЧТ. Это позволяет считывать результат в °С. Данный тип
пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 8000 °С.
Для оптических пирометров промышленного применения в диапазоне температур 1200…2000 °С основная допустимая погрешность
измерения составляет 20 °С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное
изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а также за счет отражения посторонних лучей.
Фотоэлектрические пирометры частичного излучения обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости
интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн
спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются
фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.
Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения, и пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, причем фотоприемник
служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника
и объекта.
На рис. 3.18 приведена схема фотоэлектрического пирометра, относящегося ко второй группе пирометров. В нем в качестве приемника
излучения применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 10 линзой 11
и диафрагмой 14 объектива фокусируется на отверстии 12 в держателе
светофильтра 13 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом
случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 2,
расположенного за светофильтром, определяется яркостью излучателя, т. е. его температурой. В держателе светофильтра расположено еще
одно отверстие 17, через которое на фотоэлемент попадает поток
от лампы обратной связи 4. Световые потоки от излучателя 10 и лампы 4
подаются на катод попеременно с частотой 50 Гц, что обеспечивается
с помощью вибрирующей заслонки 18 модулятора света 3. Возвратнопоступательное движение заслонки обеспечивается с помощью катушки
возбуждения и постоянного магнита. В вибраторе происходит перемагничивание стального якоря, который с частотой 50 Гц поочередно притягивается полюсами магнита и перемещает заслонку 18. При различии световых потоков излучателя 10 и лампы 4 в токе фотоэлемента
появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 5 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор
6 – последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это
будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые
потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы
обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта
измерения. В цепь лампы 4 включено калиброванное сопротивление R,
падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 8, снабженным температурной шкалой. Окуляр 15 и наклонное зеркало 16 обеспечивают наводку
устройства на объект измерения. Также в приборе находятся феррорезонансный стабилизатор напряжения 7, разделительный трансформатор 9.
68
69
Рис. 3.18. Фотоэлектрический пирометр частичного излучения
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
В фотоэлектрических пирометрах с диапазоном измерения
500…1100 °С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800…4000 °С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение
эффективной длины волны пирометра 0,65–0,01 мкм, что приводит
к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического.
и ЭУ2, включенные в пересчетную схему ПС вторичного регистрирующего прибора ИП – логометра или потенциометра. Зеркало 1 и окуляр
2 обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект
измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей
температуры фильтр и приемники излучения помещены в термостат.
ПСО используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300 до 2200 °С
и имеют класс точности 1 и 1,5 (в зависимости от предела измерения).
Данные пирометры имеют в 3–5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя.
На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. В случае, когда объект характеризуется селективным
излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко
изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше
погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее надежны, чем другие приборы.
Пирометры спектрального отношения
Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта
по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках
спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны.
На рис. 3.19 приведена схема двухканального пирометра спектрального отношения (ПСО), в котором преобразование энергии получения
Пирометры суммарного излучения
в электрические сигналы производится с помощью двух кремниевых
фотодиодов. Поток излучения от объекта измерения (нагретого тела)
НТ с помощью оптической системы, состоящей из объектива О, призмы П, обеспечивающей выделение двух потоков, каждый из которых
характеризуется собственным спектром, передается на зеркала З1 и З2,
а затем на интерференционный светофильтр СФ1 и СФ2. Данные потоки попадают на кремниевые фотодиоды Ф1 и Ф2, которые преобразуют
излучение в фототок, протекающий через электронные усилители ЭУ1
Пирометры этого типа измеряют радиационную температуру тела,
поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона
Стефана – Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а в значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0,4–2,5,
а для плавленого кварца 0,4–4 мкм.
Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п.
Наиболее широко применяются термобатареи (рис. 3.20, а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например хромелькопелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким
70
71
1
2
Рис. 3.19. Пирометр спектрального отношения
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3. Металлические
выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры. Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию
и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термоЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при
температуре корпуса 20 °С, поэтому повышение данной температуры
приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40 °С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит 4 °С. Для снижения этой
погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.
На рис. 3.20, б показано устройство телескопа ПСИ. Он состоит: из
корпуса 1 с диафрагмой 7; объектива, имеющего стеклянную или кварцевую линзу 2, установленную во втулке, ввинчиваемой в корпус; блока термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных
винтов 11; компенсационного медного сопротивления 4, шунтирующего термобатарею и обеспечивающего уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляра, включающего линзу 8, защитное стекло 9, крышку 10. Для вывода проводов
служит штуцер 12. Фланец 13 обеспечивает крепление корпуса
к защитной арматуре.
Получение стандартной градуировки обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец которой сочленен с зубьями трубки
14. Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный
угол визирования, что исключает влияние на показания размеров излучателя и его расстояния от пирометра. При этом на термобатарею
попадает излучение только с определенного небольшого участка объекта измерения. Размеры этого участка определяются по показателю визирования, который является отношением наименьшего диаметра излучателя к расстоянию от объекта измерения до объектива телескопа.
При этом изображение круга, вписанного в излучатель, полностью пе-
рекрывает отверстие диафрагмы 6, находящейся перед термобатареей.
Телескопы с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, а с показателем, равным или меньшим 1/16, – узкоугольными. При измерении температуры в схему пирометра между телескопом и вторичным прибором (милливольтметром или потенциометром)
включается панель уравнительных и эквивалентных сопротивлений –
панель взаимозаменяемости телескопов типа ПУЭС. Она обеспечивает постоянную нагрузку телескопа при работе с одним или двумя вторичными приборами, а также замену телескопа одной градуировки
на телескоп другой градуировки. Защита пирометра от пыли, высокой
температуры, механических воздействий обеспечивается с помощью
специальной защитной арматуры. Сопротивление соединительной линии между ПСИ и потенциометром не должно превышать 200 Ом,
а при работе с милливольтметром оно равно 5 Ом.
ПСИ имеют меньшую точность по сравнению с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты, из-за неправильной наводки
телескопа на излучатель, влияния излучения кладки (измерение температуры металла в печах) и из-за поглощения энергии водяными парами
72
73
б
a
Рис. 3.20. Пирометр суммарного излучения
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
и углекислым газом, содержащимися в слое воздуха, находящегося
между излучателем и пирометром. Вследствие последней причины
оптимальным считается расстояние 0,8–1,3 м. Вид материала линзы
определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения
низких температур начиная со 100 °С, кварцевое стекло используется для
температуры 400…1500 °С, а оптическое стекло – для температур
950 °С и выше. ПСИ измеряют температуру 100…3500 °С. Основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000,
2000 и 3000 °С составляет соответственно 12; 20 и 35 °С [6, 16].
1. Определяются характеристики объекта измерения, влияющие
на точность результатов:
температура объекта не должна превышать предельную для прибора (не более 200 °С);
допустимое расстояние до объекта (расстояние от прибора до котла 1 м);
поверхность объекта по своим излучательным (оптическим) характеристикам позволяет получить точные результаты.
2. Производится установка коэффициента теплового излучения Е:
по таблице паспорта прибора (прил. 4), по материалу, которым
покрыта исследуемая нагретая поверхность, определяется значение Е;
устанавливается найденное значение Е на приборе (после нажатия кнопки 7 (см. рис. 3.21) наступает режим для ввода значения Е,
которое корректируется нажатием кнопок 6).
3.1.4.1. Оптические пирометры
Оптические пирометры применяются для бесконтактного измерения температуры по тепловому (инфракрасному) излучению обследуемого объекта.
Пирометры оптические цифровые марки С-109Л измеряют одновременно температуру поверхности нагрева и температуру воздуха
(рис. 3.21, табл. 3.10).
2
1
4
3
5
7
6
Е
Таблица 3.10
Диапазон измерений и чувствительность оптического пирометра
Шифр
изделия
С-109
Диапазон измерения,
Чувстви°С
тельность,
Началь- Конечное
°С
ное
–10
+200
1
Установка
«Е»
Коррекция
«Т»
+
+
9
8
10
Примечание. Погрешность измерений 2,5 % ±1 единицы младшего разряда шкалы.
Необходимое расстояние между прибором и объектом измерений
(паспортные данные): минимальное – 0,5 м; рекомендуемое для точных измерений – 1 м; максимальное – 50 м.
Время измерения – 5 с.
Измерение температуры с помощью пирометра оптического цифрового проводится в следующей последовательности.
Рис. 3.21. Схема пирометра оптического цифрового:
1 – защитная крышка объектива; 2 – мушка прицела; 3 – корпус объектива;
4 – гривка прицела с прорезью; 5 – кнопка включения коррекции; 6 – кнопки
«+», «–» регулировки «E»; 7 – кнопка включения режима «E»; 8 – кнопка включения прибора; 9 – антабка для страховочного ремня; 10 – ручка (держатель)
прибора, с отсеком питания
74
75
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
3. Проводится корректировка прибора по температуре окружающего воздуха.
4. Непосредственное измерение температуры путем совмещения
линии прицеливания с точкой измерения. Значение температуры в цифровом виде отображается на экране пирометра.
К достоинствам прибора относится бесконтактное измерение температуры, большая точность измерений, наличие показывающего цифрового устройства, компактность, удобство транспортировки.
Возможность выхода из строя в результате механических воздействий и недолговечность чувствительного элемента (пленки) относятся к недостаткам данного типа пирометров.
Неконтактные цифровые пирометры [94]
Raytek MX6
Первый в мире ИК-термометр со встроенной
цифровой фотокамерой, позволяющий совместить
фотографию объекта или процесса и результаты
измерений
Raynger STtmProPlus
Достоинства приборов серии: широкий выбор
диапазонов температур, хорошее оптическое
разрешение для измерения температур различных
объектов с больших расстояний, эргономичная
форма, прочный корпус с амортизирующими
вставками, «утопленные» в конструкцию оптика и
дисплей, надежный пластмассовый кейс для
хранения и транспортировки
Raynger STtmPro
Достоинства приборов серии: широкий выбор
диапазонов
температур,
хорошее
оптическое
разрешение для измерения температур различных
объектов с больших расстояний, эргономичная
форма, прочный корпус с амортизирующими
вставками, «утопленные» в конструкцию оптика и
дисплей, надежный пластмассовый кейс для
хранения и транспортировки
76
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Raytek MX2
Высококлассный
неконтактный
термометр
минимальной конфигурации и комплектации
Raytek MX 4PTD
Полнофункциональный измерительный комплект,
состоящий
из
неконтактного
и
контактного
термометров, с возможностью запоминания ста
результатов измерений и работой с самописцами и
компьютерами
Raytek MX P3
Неконтактный термометр
предназначен для
измерения температур тонких полимерных пленок
(акрил, ацетилцеллюлоза, полиэфир, полиуретан, ПВХ,
поликарбонат, полиамид, полипропилен, полиэтилен,
полистирол, иономер, полибутилен, пергамин)
Raytek MX
Неконтактные термометры высокой точности.
Высококлассная оптическая система в комбинации с уникальным трехлучевым лазерным прицелом,
точно определяющим диаметр зоны измерения малоразмерных объектов
77
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Raytek Raynger Rtm 3i
Неконтактные термометры серии 3i выпускаются в
конструктивном
исполнении,
обеспечивающем
надежность эксплуатации приборов в жестких
производственных условиях.
Различные спектральные диапазоны, широкий
выбор диапазонов температур, системы визирования
позволяют выбрать термометр для решения широкого
круга технологических задач
Raytek MTFS
Прибор, специально разработанный для экспрессизмерений температуры при работе с пищевыми продуктами
и биологическими объектами. Обеспечена повышенная
точность измерений в диапазоне от 0 до 65 °С
Raytek МТ4
Малогабаритный неконтактный термометр широкого
применения. Простота измерений и удобство работы.
Малые габариты и вес, подсветка дисплея, лазерный
прицел для наведения на объект измерения
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Оптический цифровой пирометр
ПИТ-102 [93] (рис. 3.22)
Назначение: для дистанционного бесконтактного измерения температуры по тепловому (инфракрасному) излучению обследуемого
объекта измерения. Пирометры применяются при проведении промышленных измерений. Объектами измерений являются как твердые поверхности, так и различные среды – жидкости и сыпучие вещества.
Важной особенностью данного пирометра является двойная лазерная
система для точного наведения, аккумуляторное питание с индикацией заряда, архив на 100 результатов измерений, увеличенный диаметр
объектива, что позволяет достичь стабильности показаний при показателе визирования 1:150 и компактности прибора (табл. 3.11).
Технические характеристики ПИТ-102
Характеристика
Тепловизор Raytek ThermoView Ti30
Предотвращение простоев оборудования за счет
исключения аварийных ситуаций, быстрого и качественного выявления технических и функциональных проблем при обслуживании оборудования
78
Диапазон измеряемых
температур, °C
Разрешающая способность, °C
Показатель визирования
Время измерения, с
Температура окружающей
среды, °C
Рабочие длины волн, мкм
Время работы без подзарядки
аккумулятора, ч
Габаритные размеры, не
более, мм
Масса, не более, кг
Таблица 3.11
ПИТПИТ102-200
102-600
–30...+200 –30...+600
ПИТ102-800
0...800
ПИТ102-1100
100...1100
1
1:150
0,5
–20...+50
1
1:150
0,5
–20...+50
1
1:150
0,5
–20...+50
1
1:150
0,5
–20...+50
8...14
10
8...14
10
8...14
10
8...14
10
72×160×
×130
0,35
72×160×
×130
0,35
72×160×
×30
0,35
72×160×
×130
0,35
79
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
3.1.4.2. Портативные пирометры [91, 92]
Назначение:
• в пищевой промышленности – быстрое определение температуры при хранении и приготовлении продуктов;
• при контроле электрооборудования – четкое обнаружение
точек перегрева, предупреждение повреждения изоляции, контроль
состояния трансформаторов, предотвращение пожаров;
• в автомобильной промышленности – быстрое нахождение
неисправностей в двигателе, составление температурной карты, диагностика системы охлаждения, контроль баланса давления в шинах, контроль системы охлаждения;
• в системах отопления, вентиляции и кондиционирования – контроль труб подачи и забора воздуха, нахождение повреждения изоляции, калибровка термостатов, составление температурной карты;
• в техническом обслуживании оборудования – профилактика
оборудования, исследование машинного оборудования, проверка технических характеристик, диагностика состояния различных транспортных средств, контроль технологических процессов;
• для безопасности и в чрезвычайных ситуациях – быстрое измерение температуры в местах возникновения пожаров или при проведении спасательных операций, оперативное нахождение
«горячих точек», оценка оперативной обстановки и оценка степени
опасности во время проведения операций по ликвидации пожаров,
определение перегруженных электрических цепей и балластных
сопротивлений [91].
Cyclops 100 (рис. 3.23) – высокотемпературный портативный
инфракрасный пирометр, позволяющий производить высокоточные
измерения в диапазоне температур 550…3000 °C. Этот пирометр обеспечивает высокоточный замер температуры с минимальной зависимостью от побочных излучений. Измеряемая температура появляется
на дисплее в четырех одновременных значениях: продолжительном,
пиковом, основном и среднем, которые пользователь может видеть
на дисплее видоискателя.
Узкий угол зрения (одна треть градуса) позволяет измерять температуру небольших областей, даже если они удалены на значительные расстояния.
Точность прицеливания обеспечивается за счет маленькой (1/3°)
измеряемой площади и четкости ширины угла измерения (9°). Фокусировка возможна от одного метра до бесконечности, с близким фокусом
используются вспомогательные линзы.
Короткая длина волны гарантирует максимальную защиту от ошибок, связанную с переменным излучением и поглощением атмосферой.
Существует две модели данной серии: Cyclops 100 и Cyclops 100B.
Обе модели имеют цифровой информационный вывод данных. Cyclops
100B оснащен функцией «Bluetooth».
Преимущества этих моделей:
• цифровой вывод данных;
• высокая точность и повторяемость;
• долгий срок, скорость свободных измерений;
• предварительное спектральное фильтрование;
• прочный корпус – идеален для промышленного использования;
• возможность выбора вывода информации;
• продолжительный, средний, типовой и минимальный режимы
измерений;
• мультифункциональный дисплей.
80
81
Рис. 3.23. Портативный инфракрасный пирометр Cyclops 100
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Многофункциональная графическая панель / Меню
Существуют три способа сбора данных: классический, исторический, разрывной. Когда удерживается курок, все четыре показания
температуры продолжительно высвечиваются. Используя клавиатуру,
с помощью курсора выбирают интересующий режим. Когда курок отпущен, последнее измерение удерживается на экране. Текущие измерения температуры на дисплее обновляются через 0,5 с, когда нажимается курок.
Средний режим от момента, когда удерживается курок. Регулируемое время постоянно.
Пиковая температура – максимум при нажатом переключателе.
Минимальная температура – минимум при нажатом переключателе.
Измеренная величина запоминается:
• при каждом отпуске курка – классический вид;
• при продолжительном, среднем, пиковом и минимальном значениях – исторический вид;
• пока удерживается курок приблизительно 30–35 значений
в секунду, максимум до 999 результатов измерений (поток измерений) –
разрывной вид.
Область измерений представлена в табл. 3.12.
Яркий внешний дисплей с подсветкой обеспечивает индикацию
состояния и конфигурацию пирометра (термометра) одновременно
с четырьмя измерениями. Панель отображает простую систему меню
(рис. 3.24), представленную «иконками» управления, безъязычную, навигация по которой осуществляется с помощью кнопочной панели управления.
Рис. 3.24. Панель прибора
Графический дисплей активизируется в момент включения пирометра Ciclops 100.
Технические характеристики пирометра Cyclops 100
550…3000
Диапазон измерения, °C………………
Режимы измерения………………
Продолжительный (CONT), средний (AVERAGE), типовой (REAK), минимальный (VALLEY)
Оптическая система………………
С полем зрения 9° и областью измерения 1/3°,
(180:1) настройка окуляра от –3,75 до +2,5
диоптрии
Диапазон фокусировки………………
От 1 м до бесконечности, от 450 до 620 мм с
дополнительными приближающими оптическими линзами, фиксированный фокус 215 мм
Диаметр цели………………………
4,8 мм при 1 м; 1,8 мм с приближающими
(0,4 мм) оптическими линзами
Спектральное разрешение………………
1 мкм с предварительным спектральным
фильтрованием
Настройка излучательной
способности………………………………
0,10…1,20 с градуировкой по 0,01
Время отклика, мс ………………
30
Время обновления
дисплея, с ………………… 0,5
Точность, %……………… ≤ 0,25
Повторяемость, %………………
≤ 0,1
0…50
Рабочая температура, °C………………
82
Таблица 3.12
Область измерений
Расстояние
до объекта, м
Область
измерения, мм
100
50
20
10
7
5
2
1
576
287
114
57
39
28
11
4,8
Применяется пирометр Cyclops 100 при производстве металла,
стекла, при высокотемпературных измерениях и в полупроводниковых
приборах.
Высокотемпературный портативный пирометр
Cyclops Meltmaster (рис. 3.25)
Диапазон измеряемых
температур, °C ……………………… 1000…1800
Размер мишени……………………………..
29 мм при удалении на 5 м
(постоянный фокус)
Спектральное разрешение, мкм ……………………
0,55
83
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Рис. 3.25. Схема работы пирометра
Cyclops Meltmaster
Пирометр работает с короткой длиной волны в 0,55
мкм, гарантирующей максимальную защиту от ошибок, связанных с переменным излучением и поглощением атмосферой.
Автоматически компенсирует изменения окружающей обстановки для обеспечения отображения достоверного текущего результата измерений.
Короткое время отклика – 0,8 с.
Портативный пирометр PockeTherm 30
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Детектор……………………Термодатчик
Система прицеливания……………………
Круговой лазер
Дисплей…………………… Жидкокристаллический цифровой дисплей,
дополнительный
Установка коэффициента
теплового излучения……………………
Одно из трех подходящих значений радиации:
0,95; 0,90 или 0,85
Точность…………………………
200 °C или выше: ±1 % измерения;
до 200 °C: ±2 °C; менее 0 °C: ±5 °C
(при коэффициенте теплового излучения l
и окружающей температуре 18…28 °C)
Повторяемость……………………
30 °C или выше: с 1 °C (при коэффициенте
теплового излучения 1 и окружающей
температуре 18…28 °C)
Температурный дрейф……………………
200 °C или выше: с ±0,1 % измерения / °C
ниже 200 °C: ±0,2 °C / °C (при коэффициенте
теплового излучения 1)
Время отклика……………………
~ 1,5 с (отклик 90 %)
Лазерное излучение……………………
max 1 мВ 650 мкм (класс лазера 2)
Условия окружающей
среды…………………………………………
До 50 °C; относительная влажность
не превышает 85 % (без конденсации)
Поле зрения пирометра PockeTherm 30 (рис. 3.26, 3.27)
Пирометр с системой круговой наводки на цель. Компактные инфракрасные пирометры обеспечивают быструю, низкую по себестоимости проверку температур. В данных устройствах используется лазерная технология для подсвечивания области измерения. Они достаточно
малы, помещаются в кармане.
Чтобы измерить температуру, необходимо просто навести пирометр на объект, нажать кнопку определения температуры. Через 1,5 с
результат измерений отобразится на ярком жидкокристаллическом дисплее, задняя подсветка которого автоматически включается в условиях
низкого освещения.
Технические характеристики PockeTherm 30
Диапазон измеряемых
температур, °C ……………………
–40…+400. (1 °C разрешающая способность)
Размер мишени……………………
70 мм при удалении 1 м
Спектр, мкм ……………… 8…14
84
Рис. 3.26. Поле зрения пирометра PockeTherm 30
85
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Рис. 3.27. Внешний вид дисплея пирометра PockeTherm 30
Применяется пирометр PockeTherm 30:
• при обработке и приготовлении продуктов питания;
• обследовании, предупреждающем выход из заданного диапазона температур;
• исследовании условий хранения;
• контроле за производством механических деталей и электрических/электронных компонентов;
• в строительстве и энергетике.
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Точность (ε = 0,95 при 25 ±3 °С) ………………………………
–20…0 °С: ±3,0 °С;
0,1…200 °С: ±2,0 °С
0,1
Разрешение дисплея, °С/°F ………………………………
±1,0
Повторяемость, °С ………………………………
Время задержки, с ………………………………
15
Функция подсветки………………………………
Автоматическая
Регулировка (ε) коэффициента
излучения………………………………
Горячий (ε = 0,95) / Холодный
(ε = 0,85) по выбору
Температурные единицы………………………………
°С/°F (переключается)
Режим измерения………………………………
НОРМАЛ/МАКС (переключается)
–20…+60
Окружающая температура, °С ………………………………
Окружающая влажность,
% отн. вл. ………………………………
35…85 (без конденсации влаги)
0…50
Температура хранения, °С ………………………………
Размеры, мм ……………………………………………………………
162×52×32
Вес, г ………………………………………………………………
200 (включая батарейки)
Портативные пирометры [97]
Пирометр PT-3LF применяется для исследования температуры
двигателей, ремней, приводов.
PT-3LF позволяет быстро, легко и точно концентрироваться
на объекте, когда берется направление на центр измеряемой области
(рис. 3.28, 3.29).
(D : S = 33 : 1)
Поле зрения PT-3LF
Технические характеристики PT-3LF
–20…+400
Диапазон измерения, °С ………………………………
Поле зрения………………………………
30/1000 мм
Оптика………………………………….
Кремниевые линзы
Спектральный диапазон………………………………
Термоэлемент 8…14 мкм
Время отклика………………………………
1,5 с / 90 %
86
Рис. 3.28. Лазерный целеуказатель пирометра PT-3LF
87
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
составляет –0 ...+230 °С. Эти приборы осуществляют настройку темной и яркой излучаемости (ε).
Приборы просты в обращении, удобны при ежедневной работе с электронными
компонентами, греющимися деталями, могут быть использованы для проверки температуры ремня привода генератора в автомобилях и во многих других случаях
(рис. 3.30, 3.31).
Рис. 3.30. Портативный
пирометр РТ-3S
Рис. 3.29. Внешний вид дисплея пирометра PT-3LF
Применение пирометра PT-3LF
Рис. 3.31. Дисплей пирометра PT-3S
Технические характеристики РТ-3S
Назначение: для измерения температуры очень маленьких (точечных) областей на коротком расстоянии (25 мм).
Пирометр оборудован точечной диодной указкой.
Встроенная система звукового эффекта помогает установить правильное расстояние (25 мм). Диапазон температур для этих приборов
Диапазон…………………………………………
0…200 °C
Диапазон дисплея……………………
–30…+230 °C
Поле зрения…………………………………………
∅ 2,5/25 мм
Спектральный диапазон с/%……………………
Термоэлемент 8…14 мкм
Время отклика…………………………
1,5 / 90
Точность (ε = 0,95 при 25 ±3 °C) ±3 °C от значения показания
Повторяемость…………………………………………
1 от значения показания
Настройка коэффициента
излучаемости (ε)……………………ТЕМНЫЙ/ЯРКИЙ
Единицы измерения……………………
°C/°F (переключается)
1
Аналоговый выход, мВ/°C(°F) ……………………
Окружающая температура……………………
От 0 до 50 °C
Вес…………………………………………
120 г
88
89
Измерение температуры
электрических приборов
Измерение температуры
в подшипнике
Портативные приборы для измерения температуры PT-3S
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Поле зрения PT-3S
Область измерения зависит от
90 % предела оптического разрешения. Размер объекта должен
быть больше, чем измеряемая
выше область (рис. 3.32).
Рис. 3.32. Область измерения
Применение пирометра PT-3S
Проверка температуры
на печатных платах
Проверка температуры
на ремне привода
Многофункциональный портативный пирометр РТ-5LD
Рис. 3.33. Портативный
пирометр РТ-5LD
Назначение: для практического
использования в полевых условиях
(рис. 3.33–3.35).
Новые функции:
сигнал о высоком и низком значении
Hi/Lo: Зуммер и светодиод;
99 точек данных памяти;
нормальный/длительный режимы.
Характеристики:
диапазон измерений 0…500 °C;
разрешение 0,1 °C/°F;
90
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
реакция 0,7 с;
лазерный маркер (точечный лазер);
излучательная способность двух режимов;
подсветка;
гигиенически чистый водонепроницаемый корпус.
Технические характеристики РТ-5LD
0…500
Диапазон измерения, °С ………………………………
–10…+650
Диапазон дисплея, °С ………………………………
Оптика………………………………….
Зеркальный кремниевый фильтр
Спектральный диапазон, мм ………………………………
Термоэлемент 8…14
Время отклика, % ………………………………
0,7 с / 90
Точность (ε = 0,95 при 25 ± 3 °С) ………………………………
0…200 °С: ±2 °С;
201…200 °С: ±2 %
Единицы измерения
По выбору
температуры, °C/°F
1
Разрешение дисплея, °С/°F ………………………………
± 1 номинальной величины
Повторяемость, °С ………………………………
Время задержки, с ………………………………
15
Регулировка (ε) коэффициента
излучения………………………………
ТЕМНЫЙ (ε = 0,95) /ЯРКИЙ
(ε = 0,70) по выбору
Режим длительных измерений………………………………
ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО
по выбору
Сигнал низкий/высокий
светодиод/зуммер………………………………
ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО
по выбору
Память,
точка………………………………………………………………
99
0…50
Окружающая температура, °С ………………………………
Окружающая влажность, %,.
(без конденсации влаги) 35…85
отн. вл. ………………………………
–10…+60
Температура хранения, °С ………………………………
Водонепроницаемый корпус………………………………
Вода не попадает внутрь корпуса,
если пирометр оказывается в воде
не более чем на 30 мин и на
глубине не более 1 м
91
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Поле зрения PT-5LD (рис. 3.34)
Измерение температуры
в двигателе машин
Рис. 3.34. Лазерный целеуказатель пирометра PT-5LD
Измерение температуры
в холодильнике
Портативный пирометр QT-3 (рис. 3.36)
Дисплей PT-5LD (рис. 3.35)
Технические характеристики QT-3
Рис. 3.35. Внешний вид дисплея пирометра PT-5LD
Применение пирометра PT-5LD
Измерение
в электрических приборах
92
–22…110
Диапазон измерений, °C …………………
Единицы дисплея…………………
–10…+100 °C: 0,5 °C
до –10 °С, 100 °C и выше: 1 °C
Время отклика, с …………………
1
Точность………………………..
±2,5 % от показания или ±2,5 °C, что окажется
больше
Коэффициент излучения…………………
0,95 (фиксировано)
Часовой дисплей, ч …………………
12 (отклонение по времени: 1 мин в неделю)
Температура
0…50
окружающей среды, °C …………………
–20…+65
Температура хранения, °C …………..
Размеры, мм ……………………………………
71×47×17
Вес, г ……………………………………
35
Проверка температуры
на ремне привода
93
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Проверка температуры
в холодильнике
Проверка
температуры
пищи
Измерение температуры
на отдыхе
В табл. 3.13 представлены пирометры портативные разнообразных конструкций.
3.1.4.3. Переносные пирометры [85]
Пирометры портативные [73]
Проверка температуры Температурная проверка
при приготовлении
механизмов и деталей,
пищи
где присутствует трение
Таблица 3.13
Применение пирометра QT-3
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Переносные пирометры ЛУЧ и ЛУЧ-Н предназначены для бесконтактного измерения температуры различных объектов.
Для измерения температуры достаточно направить (навести) прибор на объект и нажать кнопку. Результат измерения выводится на дисплей пирометра в цифровом формате в градусах Цельсия.
Переносной пирометр ЛУЧ состоит из фотоприемника и приборного блока (рис. 3.37). Мушка фотоприемника защищена скобой от случайных механических воздействий. Кнопка предназначена для включения питания прибора на время измерения в режиме запоминания
максимального значения. Остальные элементы управления, кроме кнопки включения, расположены под крышкой батарейного отсека.
94
95
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Окончание табл. 3.13
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Рис. 3.37. Переносной пирометр ЛУЧ
В настоящее время выпускается несколько модификаций пирометров ЛУЧ для диапазонов измеряемых температур 350…1800 С.
Стационарные пирометры ЛУЧ-С предназначены для контроля и управления технологическими процессами. Выдается сигнал на
регистрирующее устройство (самописец) и сигнал управления на исполнительный механизм.
Контактный пирометр ЛУЧ-АL – для измерения температуры
расплава алюминия.
Назначение пирометров ЛУЧ: для измерения и контроля температуры как твердых тел, так и расплавов при различных технологических процессах:
• термообработка металла (ковка, штамповка, волочение, прокат, упрочение, обжиг, спекание);
• плавка и литье черного и цветного металлов (в том числе измерения по струе) в различных отраслях промышленности: металлургии, машиностроении, производстве строительных материалов, стекла, керамики и в других производствах, где необходимо контролировать температуру.
Технические характеристики пирометров ЛУЧ приведены
в табл. 3.14.
96
97
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
98
99
Технические характеристики пирометров ЛУЧ
Таблица 3.14
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Функциональные возможности
Пирометр Testo 830-T1 [95]
Два режима работы:
максимальный – для получения максимального значения
температуры объекта за время измерения;
следящий – для непрерывного измерения температуры.
Возможность настройки на излучательную способность объекта
измерения.
Автоматическое отключение пирометра после измерения (для
переносных модификаций).
Возможность проверки работоспособности пирометра.
Сигнализация истощения элемента питания (для модификаций
моделей с автономным питанием).
3.1.4.4. Пирометры инфракрасного излучения
Testo 830-T1
Testo 830-T2
Testo 830-T3
Testo 830-T4
Малогабаритный пирометр ПИТОН-105-500 [93] (рис. 3.38)
Назначение: для бесконтактного измерения температуры объектов по их тепловому (инфракрасному) излучению.
Исключительно малый размер пирометра
дает возможность измерять температуру в
труднодоступных местах, а точечное наведение лазера и коэффициент визирования
позволяют сканировать температуру на удаленном расстоянии. Проводится автоматическая фиксация показаний. В
комплекте лазерный указатель. Для измерения температуры достаточно
одного нажатия на одну секунду. Автоматическое выключение через 4 с.
Инфракрасный (термометр) пирометр Testo 830-T1 [96] (рис. 3.39)
Технические характеристики пирометра ПИТОН-105-500
–40…+500
Диапазон измерения, °C ………………
Показатель визирования………………
10 : 1
Разрешающая способность….……………
0,1 °C / 0,1°F (–40…+100 °C) / (–40…+212 °F)
Коэффициент излучения………………
(0,85–0,90–0,95)
Погрешность, %………………………
2
100
Рис. 3.39. Лазерный целеуказатель пирометра Testo 830-T1
Быстрая регистрация измеренных значений.
Одноточечный лазерный целеуказатель.
Настраиваемые сигнальные значения.
101
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Акустический и оптический сигнал при превышении сигнальных
значений.
Удобное обращение благодаря эргономичному дизайну в виде
«пистолета».
Подсвечивающийся дисплей.
Поле зрения VF-3000
Технические характеристики Testo 830-T1
–30…+400
Диапазон измерения, °С ………………………………
Погрешность……………………………………….
±1,5 °С или 1,5 % от изм.
знач. (0,1…400 °С)
±2 °С или 2 % от изм. знач.
(–30…0 °С)
0,5
Разрешение, °С …………………………………………………………
Угловое разрешение………………………………
10 : 1
Настраиваемый коэффициент излучения………………………
0,2 до 1,0
–20…+50
Рабочая температура, °С ………………………………
–40…+70
Температура хранения, °С ………………………………
Вес, г ………………………………………………………………
200
Габариты, мм …………………………………………………………
190×75×38
Пирометры VF-3000
Приборы серии VF-3000 – бесконтактные пирометры с узкополосной радиацией (рис. 3.40–3.42). Такой пирометр предназначен для
измерения температуры мелкого объекта
на большом расстоянии. Видоискатель
позволяет измерить область в 20 мм
на расстоянии 4 м. Возможность измерений на расстоянии далее 4 м зависит
от размера объекта.
Эти бесконтактные пирометры разработаны специально для измерения температуры стальных и цветных объектов
и используются на предприятиях тяжелой
промышленности. Настройка излучаемосРис. 3.40. Бесконтактный
ти ε пирометра проходит в диапазоне
пирометр VF-3000
0,100–1,900, прибор имеет память на 100
результатов измерений. Время отклика 0,2 с.
102
При 90 % лимитировании энергии
Рис. 3.41. Лазерный целеуказатель пирометра VF-3000
Технические характеристики VF-3000
Система измерения……………Узкополосный пирометр
Спектральный диапазон, мкм .……………
0,9…1,55
600…2000 (2 цвета)
Диапазон измерений, °C ……………
400…3000 (1 цвет)
Погрешность, °C …………………….
При температурах меньше 1000 °С: ±6;
1000…1500 °С: ±0,6 °C от измеряемой величины;
1500…2000 °С: ±1,2 °C от измеряемой величины
Повторяемость, °C ……………±1
Уход температуры…………… При температурах меньших 1000 °C: 0,2 °C / °C.
При температурах более 1000 °C: 0,02 % / °C от
измеряемой величины
1
Разрешение, °C …………………………
Время отклика, с …………… 0,2
Режимы измерений……………Максимальное, минимальное, среднее значение
Другие функции…………… Автоматическое отключение, автоматическая
подсветка дисплея, непрерывное измерение,
выбор системы измерений (°С/°F), проверка
батарей, звуковое сопровождение, достижения
пиковых температур
Окружающая
температура, °С ……………. 0…50
103
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Назначение клавиш дисплея VF-3000
Рис. 3.42. Внешний дисплей VF-3000
Главный дисплей: показывает измеренное значение в режиме
измерения или выставляется значение в режиме установки (рис. 3.42,
3.43; табл. 3.15).
Дополнительный дисплей: показывает выбранные с кнопкой
SEL данные в режиме измерений или режим в режиме установки.
Клавиши
Функции
(1) Переключатель Включает подачу питания и запускает
измерения
или останавливает измерения. Подача
питания будет автоматически отключена, если не нажата какая-либо кнопка в
течение 15 с в режиме приостановки
(2) Кнопка памяти Меняет режим стандартного или продолжительного измерения на режим записи данных и наоборот
(3) Кнопка выбора Включает данные, которые должны быть
показаны на дополнительном дисплее
установки
(4, 5) Кнопки
Выбирает режим или меняет устанавли«вверх» и «вниз»
ваемое значение в режиме установок
(6) Кнопка ввода
Сохраняет выбранный режим или выставляет введенное значение в режиме
установки. Сохраняет измеренное значение в режиме сохранения данных
Маркеры
Функции
(7) Главное меню
Не используется
Знак
под CONT горит в режиме продолжительных измерений
Знак
под MEM горит в режиме сохранения данных
Когда выбран PEAK в режиме выбора
сигнала модуляции, горит знак
под
PEAK
Мигает при разряженных батареях
(8) Меню состояния
Рис. 3.43. Видоискатель VF-3000
104
(9) Единицы измерений
Мигает в режиме измерений
Мигает в режиме приостановки
Мигает, когда задействован сигнал низкого значения
Мигает, когда задействован сигнал высокого значения
Мигает при температуре по Цельсию
Мигает при температуре по Фаренгейту
105
Таблица 3.15
Индикация
MEAS
MEM
SEL
ENT
Индикация
Tb
CONT
MEM
PEAK
MEAS
HOLD
AL
AH
°C
°F
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Окончание табл.3.15
Функции
Мигает, когда дополнительный дисплей
показывает максимум температуры
Мигает, когда дополнительный дисплей
показывает минимум температуры
Мигает, когда дополнительный дисплей
показывает среднюю температуру
Мигает, когда дополнительный дисплей
показывает коэффициент излучательной
способности. Одноцветный режим – это
ε и двуцветный – εr
Мигает, когда дополнительный дисплей
показывает номер измерения
Индикация
MAX
MIN
AVE
ε, εr
NO
Применение пирометра VF-3000
Контроль температуры
оборудования
Контроль температуры металла
при выходе из печи
Инфракрасные пирометры
Маркеры
(10) Дополнительное меню
Таблица 3.16
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Инфракрасные пирометры, их внешний вид, назначение, технические характеристики приведены в табл. 3.16.
Пирометры (термометры) Optris [85]
Инфракрасный пирометр измеряет бесконтактно температуру
поверхности тела. Прибор захватывает инфракрасные лучи, излучаемые телом, и рассчитывает температуру тела.
Инфракрасный пирометр объединяет простое обслуживание,
высокую точность измерения температуры и обзорный дисплей.
106
107
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
108
109
Продолжение табл. 3.16
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Продолжение табл. 3.16
Прибор может использоваться при температуре окружающей среды до 50 °С.
Лазерный визир облегчает захват объекта измерений. Дисплей
одновременно отображает следующие функции:
• min/max значение температуры;
• верхний/нижний сигнал тревоги;
• коэффициент эмиссии.
Дисплей отображает значение температуры тремя разрядами.
Дисплей:
Текущая температура.
MIN/MAX текущая и прошлая.
Сигнал ВЫС/НИЗ.
Запоминание.
Излучательная способность.
Индикация лазера и подсветки.
Применение термометров Optris
Наблюдение температуры в двигателях и передачах (приводов), подшипниках и клапанах. Сбор температурных данных греющихся и охлаждающихся
деталей. Контроль задымления и испытания в распределительных системах.
110
Инфракрасные пирометры являются инструментом
для предупреждения неисправностей в электрических системах. Контроль
температурных
проблем
безопасности соединителей,
предохранителей,
электродвигателей, обмотки, изоляции, электропроводки и электрических
корпусов перед выходом из
строя.
111
Контроль температурных
механизмов и каталитических
преобразователей,
сканирования систем зажигания, анализ охлаждения
систем, диагностика кондиционеров воздуха, контроль шин и тормозов.
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Инфракрасный термометр
AND UT-102 [93] (рис. 3.44)
Применяемая оптика делает возможным производить измерения лучом с диаметром
13 мм на расстоянии, не превышающем 140 мм от объекта измерений. При удалении возрастает также измерительное пятно. На расстоянии 1 м измерительное пятно имеет диаметр 5 см. Отношение расстояния к размеру измерительного пятна определяет оптическую
разрешающую способность, составляющую 20:1. На удалении, превышающем 1 м, размер
измерительного пятна может быть рассчитан делением расстояния на 20
Инфракрасный термометр PT-S80 / PT-U80
(рис. 3.45)
Технические характеристики термометров Optris
–32…+530
Диапазон измерения, °С …………………………
Точность……………………………………………………
±1 % или ±1 °С: 0…530 °С
±1 % ±0,07 °С/°С: 0…–32 °С
Оптическое paзрешение (D:S) …………………………
20:1
0,1
Разрешение экрана, °C …………………………
Время срабатывания, мс …………………………
300
Температура окружающей
0…50
среды, °C …………………………………..
–20…+60 (без батареи)
Температура хранения, °С …………………………
Коэффициент эмиссии…………………………
0,100…1,000
Функции………………………… min/max/смещение/хранение
Подсветка дисплея…………………………
Да
Лазер, мВт …………………………………
< 1, класс II а
Масса, габариты, г, мм …………………………
150; 190×38×45
Срок службы батареи, ч …………………………
20…40
Уровень зарядки батареи…………………………
9В
Относительная влажность, %…………………………
10–95
Отношение расстояния к пятну визирования
112
Термометр AND UT-102 – уникальное решение измерения температуры в домашнем обиходе. Для измерения температуры объекта нет
необходимости в касании его термометром. Инфракрасный луч отражается от поверхности объекта, и значение измеренной температуры
передается в датчик термометра. Быстрый и удобный контроль температуры у маленьких детей и животных. Применяется в медицинских
и ветеринарных учреждениях. Точное, быстрое и удобное измерение
температуры тела с точностью 0,1 °С. Измерение температуры тела в
ухе. Время измерения – 1 с. Диапазон измерения 0…100 °C. Выбор
единицы измерения (°C или °F). Память последнего измерения. Звуковой сигнал. Ударопрочный корпус. Таймер отключения.
3.1.4.5. Контактные пирометры
Контактный пирометр ЛУЧ-AL [85] (рис. 3.46)
Является модификацией переносного пирометра типа ЛУЧ и предназначен для измерения температуры внутри расплава алюминия и его
сплавов контактным способом (расстояние до зеркала расплава не более 450 мм). Диапазон измерения 600…1000 °С. Пирометр показывает
действительную (истинную) температуру в градусах Цельсия без настроек на коэффициент излучения (рис. 3.47).
113
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Технические параметры контактного пирометра ЛУЧ-AL
Рис. 3.46. Контактный пирометр ЛУЧ-AL
Пирометр обеспечивает:
• погрешность измерения температуры в рабочем диапазоне
не более 0,5 %;
• время измерения не более 7–10 с;
• индикацию на табло момента окончания измерения;
• сигнализацию перегрева фотоприемника (продолжение измерений приведет к увеличению погрешности).
Измерительный блок
Фотоприемник
Рис. 3.47. Схема измерений температуры
114
600…1000
Диапазон измеряемых температур, °С………………………………
Показатель визирования………………………………
Расстояние до зеркала
не более 450 мм
Погрешность измерения, %………………………………
0,5
Время измерения, с………………………………
Не более 7…10
Режим работы…………………………………..
Следящий
Отображение результата ………………………………
ЖК-дисплей
Автоматическая компенсация влияния
температуры окружающей среды………………………………
Есть
10…50
Температура окружающей среды, °С………………………………
Потребляемая мощность, Вт………………………………
0,05
Размеры, мм:
блока измерения………………………………
175×90×42
фотоприемника………………………………
∅ 20×312 + наконечник
∅ 12×210
Масса, кг………………………………………………………………
0,8
Контактный наконечник:
материал………………………….…………
Титан (ВТ-3) (трубка
∅ 12 мм, толщина стенки
0,1 мм, длина 210 мм)
глубина погружения …………………………………
Не менее 70 и не более
140 мм
ориентировочный ресурс…………………………………
До 1500 замеров (для
t = 800 °С)
3.1.4.6. Стационарные пирометры [73], [91]
Используются для контроля температуры при окраске поверхностей, проверки отклонения температуры на производстве печатных плат;
проверки прогрева угля, контроля температуры при различных работах, а также в автомобильной промышленности – при проверке температуры «слипания» стекла для устранения трещин, при точечном контроле температуры.
Каждый предмет излучает инфракрасную энергию со своей поверхности.
Бесконтактные инфракрасные пирометры серии OPTEX определяют и переводят количество инфракрасной энергии в температурное
значение. Прибор быстро и легко снимает измерения объекта на безо115
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
пасном расстоянии без контакта между предметом и пирометром.
Встроенный пирометр OPTEX спроектирован для безопасных и достоверных измерений в наиболее экстремальных (промышленных)
условиях. OPTEX Thermohunters являются надежными и при этом простыми и легкими в использовании для разнообразного назначения.
Температура регулирования Трег может задаваться в рабочем диапазоне шириной до 400 °С (рис. 3.49), который в свою очередь может
находиться в любой области диапазона измерений. Рабочий диапазон
выбирается потребителем при заказе прибора. Температуру регулирования и зону срабатывания исполнительного механизма заказчик может устанавливать самостоятельно в пределах выбранного рабочего
диапазона. Ширина зоны срабатывания 10...100 °С.
Пирометры ОРТЕХ (температурный диапазон 0…500 °C)
Трег
Пирометр серии Built-in2 BA
Пирометр серии Built-in2 BS-30/05
Рис. 3.49. Температура регулирования
Стационарный пирометр ЛУЧ-СИП
Пирометр серии Built-in2 BS-02
Пирометр серии Built-in2 BA-TC
Стационарный пирометр ЛУЧ-С
(рис. 3.48)
Стационарный пирометр ЛУЧ-СИП является модификацией пирометра типа ЛУЧ-C для объектов, где не требуется управление нагревом. Одновременно с измерением температуры объекта выдается аналоговый сигнал на регистрирующее устройство (самописец).
В измерительном диапазоне (в любой его области) выделяется
рабочий диапазон шириной до 400 °С для уменьшения погрешности.
Рабочий диапазон выбирается потребителем при заказе прибора.
Пирометр ЛУЧ-С является модификацией переносного пирометра
типа ЛУЧ, работающего в диапазоне
измерений 700…1800 °С или
400…1000 °С. Прибор выполнен
в металлическом корпусе, элементы
управления вынесены на переднюю
панель, результат измерения в градусах Цельсия отображается на светодиодном индикаторе. Одновременно с измерением температуры
объекта выдается аналоговый сигнал на регистрирующее устройство
(самописец) и сигнал управления на исполнительный механизм.
Стационарный пирометр ЛУЧ-СИ является модификацией переносного пирометра типа ЛУЧ для измерения температуры на объектах с быстрым нагревом, работает в диапазоне 800…1800 °С или 500…1200 °С. Одновременно с измерением температуры объекта выдается сигнал управления на исполнительный механизм.
Температура регулирования Трег может задаваться в рабочем диапазоне шириной до 400 °С (рис. 3.50), который в свою очередь может
116
117
Стационарный пирометр ЛУЧ-СИ
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
находиться в любой области измерительного диапазона. Рабочий диапазон выбирается потребителем при заказе прибора.
Технические характеристики стационарных пирометров
ЛУЧ-С, ЛУЧ-СИП, ЛУЧ-СИ
Трег
Рис. 3.50. Температура регулирования
Температуру регулирования исполнительного механизма заказчик
может устанавливать самостоятельно в пределах выбранного рабочего
диапазона.
В связи с инерционностью нагрева после отключения процесса
нагрева (по команде с пирометра) происходит заброс температуры заготовки (рис. 3.51). Когда температура достигает уровня установки,
происходит отключение нагрева, пирометр работает в режиме запоминания максимальной температуры Тмax, что позволяет отследить (выявить) забросы из-за инерционности нагрева. На индикаторе достигнутая температура высвечивается в течение 2–3 с. После этого индикация Тмax сбрасывается, прибор готов к новому циклу измерения.
Уменьшая установку, можно добиться, чтобы забросы вписывались в
допустимое значение температуры нагрева заготовки.
Диапазон измеряемых
400…1000; 500…1200; 700…1800; 800…1800
температур, °С………………………
Показатель визирования………………………
1:30
1:50
1:50
1:100
Погрешность измерения, %………………………
0,5 в рабочем диапазоне шириной 400 °С;
1,5 в остальном диапазоне
Время измерения, с………………………
0,5–1
Режим работы………………………
Следящий
Коэффициент излучения,
ед.………………………………………………
0,2–1 (ЛУЧ-С, ЛУЧ-СИ)
0,4–1 (ЛУЧ-СИП)
Автоматическая компенсация влияния температуры
Есть
окружающей среды………………………
Температура окружающей
10…45
среды, °С………………………
Питание……………………………
Сеть 220 В, 50 Гц или постоянное 9–27 В
Потребляемая мощность,
Вт………………………
4,0 (ЛУЧ-С, ЛУЧ-СИ);
0,2 (ЛУЧ-СИП)
Размеры, мм:
блока измерения………………………
180×120×40 (ЛУЧ-С, ЛУЧ-СИ);
175×90×42 (ЛУЧ-СИП)
фотоприемника………………………
∅ 20×312
Масса, кг………………………
1,7 (ЛУЧ-С, ЛУЧ-СИ);
0,7 (ЛУЧ-СИП)
Стационарные пирометры зарубежных марок представлены в табл. 3.17
Tвых
Tmax
Tуст
Tmax
Рис. 3.51. Схема измерения пирометром
118
119
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Стационарные пирометры зарубежных марок [73]
Окончание табл. 3.17
Таблица 3.17
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
120
121
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
3.1.5. Термоэлектрические пирометры (рис. 3.52, 3.53)
где eab (t ) – тэдс, возникающая при переходе от проводника а к провод-
1
2
нику b в спае с температурой t; eab(t 0 ) – то же, при переходе от проводника b к проводнику а с температурой t0.
eba (t 0 ) = eab(t 0 ) .
(3.7)
Тогда Eab(t ,t 0 ) = eab(t ) − eab(t 0 ) – основное уравнение термопары.
7
6
5
4
3
Рис. 3.52. Схема термоэлектрического пирометра:
1 – холодный спай; 2 – термоэлектроды; 3 – горячий спай;
4 – защитная арматура; 5 – электроизоляция термоэлектродов; 6 – термоэлектродные провода; 7 – вторичный измерительный прибор
Принцип работы заключается в том,
что в цепи, составленной из двух термоэлектродов а, b (разнородных проводников), образующих так называемую термопару, при
а
b
неодинаковых температурах в местах их соединения (спаях) возникает термоэлектродвижущая сила (тэдс), зависящая от температуры этих спаев и не зависящая от длины,
to
диаметров и удельных термоэлектродов [12].
При измерении один из спаев
Рис. 3.53. Схема
(см. рис. 3.53), горячий, помещается в среконтура термопары
ду, температуру t которой измеряют, а другой спай, холодный, – в среду, температура t0 которой известна и поддерживается постоянной. Если при этом в замкнутую цепь термопары
(первичный прибор пирометра) ввести вторичный прибор, измеряющий развиваемую термопарой тэдс, то он покажет значение тэдс, равное алгебраической сумме тэдс обоих спаев:
Eab(t , t 0 ) = eab(t ) − eba (t 0 ) ,
(3.6)
t
122
Вывод из основного уравнения термопары:
1. Значение тэдс, развиваемое термопарой, зависит от материала
электродов и температуры рабочего тела (горячего и холодного спаев).
2. Алгебраическая сумма тэдс в замкнутой цепи проводника
из однородного материала равна нулю при любых распределениях температуры по его длине и сечению.
3. В замкнутой цепи, состоящей из различных однородных проводников, спаи которых находятся при постоянной температуре, тэдс = 0.
4. Тэдс термопары не изменяется от введения в ее цепь третьего
проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы.
Требования к термоэлектродным материалам:
1. Температура плавления t пл менее тугоплавкого термоэлектрода должна быть больше максимальной измеряемой температуры t из
на 200 °С. При температурах, близких к tпл , в термоэлектродах происходят изменения структуры и состава, что приводит к возникновению
больших погрешностей при измерении.
2. Материал термоэлектродов должен обладать:
• стабильностью термоэлектрических характеристик (временных и температурных), что обеспечивает точность и надежность
результатов измерений;
• достаточной механической прочностью и пластичностью;
• термоэлектрической однородностью.
3. Термоэлектроды должны обеспечивать возможность изготовления надежного горячего спая (сварка, спайка, скрутка и т. д.).
В настоящее время для термоэлектродов используются платина,
платинородий, хромель, алюмель, копель.
Кроме того, выпускаются термоэлектроды из меди, железа, константана, вольфрама, молибдена, рения, реже иридия и др.
123
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Тэдс термопары, составленной из двух любых термоэлектродов,
можно определить по значениям (полученным по справочным таблицам) тэдс различных термоэлетродов в паре с платиной. Чистая платина принята за «нормальный» термоэлектрод.
Причины, вызывающие основные погрешности:
• неоднородность сплавов неблагородных металлов;
• необходимая долговременная термообработка. Погрешность
4–6 %. Необходимость обжига;
• термоэлектрическая неоднородность;
• изменение состава сплава материалов из-за высоких температур.
Температура горячего спая определяется по графику температурной зависимости тэдс стандартных термопар (при нулевой температуре)
для различных видов термопар (справочные данные).
Горячий спай термопары должен отвечать следующим требованиям:
• место спая должно быть не менее прочным, чем материал спая;
• спай не должен корродировать в агрессивных средах быстрее
термоэлектродов;
• зона неоднородности термоэлектродов, образующаяся при изготовлении спая, должна быть минимальной;
• все основные свойства спай должен сохранять во всем диапазоне измеряемых температур.
В качестве вторичных измерительных приборов в термоэлектрических пирометрах применяют милливольтметры и потенциометры.
Милливольтметры не обеспечивают необходимой точности измерений
из-за колебания температур, поэтому иногда устанавливаются оба прибора.
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Рис. 3.54. Термоэлектрические преобразователи ТП 2088Л
(экономичный вариант)
Термоэлектрические преобразователи ТП 2088Л
(экономичный вариант)
Назначение: для измерения температуры жидких, газообразных
сред и твердых тел и сыпучих материалов (рис. 3.54, 3.55).
Материал штуцера – сталь 20 с цинковым покрытием.
Чувствительный элемент – импортная термоэлектродная проволока d = 0,7 мм в керамических бусах.
Климатические условия эксплуатации (ГОСТ 12997–84): –50…+50 °C.
Средняя наработка на отказ – 8000 ч.
Средний срок службы – 6 лет.
Рис. 3.55. Термоэлектрические преобразователи ТП разного диаметра
124
125
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Термопреобразователи сопротивления
(термометры сопротивления НПП «ЭЛЕМЕР»)
ТС 1288Э – для измерения температуры жидких, газообразных
и сыпучих сред, твердых тел, воздуха грузовых и изотермических
вагонов.
ТС 1288Ф – для измерения температуры в концентрированных
растворах кислот и щелочей.
ТС 1388 – для измерения температуры малогабаритных подшипников, поверхности твердых тел, атмосферы в сушильных и климатических шкафах. ТС1388А – исполнение для атомных станций. Применяются в составе систем управления технологическими процессами
на АЭС.
ТС 0295 – предназначены для измерения температуры при горячей и холодной переработке пищевых продуктов.
Внесены в Государственный реестр средств измерения РФ
№ 18131–04 ТУ 4211-012-13282997–04.
Назначение: измерение температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред, не агрессивных к материалу корпуса.
Область применения: в теплоэнергетике, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также на объектах атомных электростанций.
Функциональные и конструктивные особенности:
1. Технологии – металлообработка любой сложности; лазерная
сварка; пайка серебряным припоем.
2. Материалы – термоэлементы пленочные и проволочные: Pt50,
Pt100, Pt500, Pt1000; термоэлементы проволочные: 46П, 50П, 100П,
50М, 53М, 100М; тонкостенные трубы из нержавеющей стали
12Х18Н10Т 2…16 мм; металлорукав из нержавеющей стали
12Х18Н10Т 2…16 мм.
Модификации преобразователей и область их применения.
ТС 1088Л – упрощенный вариант ТС 1088. Предназначен для
измерения температуры жидких, газообразных сред и твердых тел
и сыпучих материалов в различных отраслях промышленности.
ТС 1088 – используются для измерения температуры жидких,
газообразных сред и твердых тел и сыпучих материалов в различных
отраслях промышленности. ТС 1088А – исполнение для атомных станций. Применяются в составе систем управления технологическими
процессами на АЭС.
ТС 1088Э – экспортный вариант для измерения температуры жидких, газообразных сред и твердых тел и сыпучих материалов в различных отраслях промышленности.
ТС 1187Exd – для измерения температуры жидких и газообразных сред во взрывоопасных зонах. Уровень взрывозащиты – взрывонепроницаемая оболочка.
ТС 1288 – для измерения температуры жидких, газообразных
и сыпучих сред, твердых тел, воздуха грузовых и изотермических вагонов. ТС 1288А – исполнение для атомных станций. Применяются
в составе систем управления технологическими процессами на АЭС.
126
Комплекты измерения
температуры КИТУ [93]
(рис. 3.56)
Комплект работает с термоэлектрическими преобразователями
номинальных статических характеристик преобразования ХА (К) и ХК
(L) и предназначен для измерения температуры в условиях вибрации,
ударных нагрузок, наклонов и повышенной влажности. Комплект обеспечивает надежную и устойчивую работу:
• при температуре окружающего воздуха 0…50 С и относительной влажности до 100 %;
• после пребывания в нерабочем состоянии при температуре
–50…+65 °С и относительной влажности до 100 %;
• при воздействии морского тумана;
• при воздействии вибрации на частотах 5–60 Гц с ускорением
14,7 м/с2;
• после воздействия одиночных уд аров с ускорением
до 9,810 м/с 2 и длительностью импульса 0,5–2 мс. Комплект устойчив к воздействию помех общего и нормального видов величиной 10 мВ при частоте 50 Гц.
127
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Технические характеристики КИТУ
Количество точек
измерения:
КИТУ 1-10……………………
1
КИТУ 6-10……………………
6
КИТУ 12-10……………………
12
КИТУ 1-20……………………
1
КИТУ 6-20……………………
6
КИТУ 12-20……………………
12
Класс точности ……………………
1,5
Диапазоны измерений……………………
По ГОСТ 9736–91
Длина шкалы, мм ……………………
150
Напряжение питания, В…. 220 или 127
Частота…………………………..
50±1 Гц
Мощность……………………10 Вт
Сопротивление внешней
линии…………………… 15 Ом
Вероятность безотказной
работы за время 2000 ч……………………
0,85
3.1.6. Термопары
Применяются для измерения температуры (рис. 3.57):
• твердых тел различного назначения и состава служат термопары (датчики температуры) ТХК 9611, ТХА 9619, термопреобразователи сопротивления ТСП 9204, ТСМ 9204, специальные термопреобразователи (датчики температуры, термопары) сопротивления
ТСП 9501, ТСМ 9501, ТСП 9502, термопары ТХА 9311, ТХК 9311,
термопары ТХК 9414, датчики температуры (термопары) ТХК 9421,
ТХК 9820 и т. д;
• газовых потоков больших скоростей, а также в нейтрализаторах отработанных газов двигателей внутреннего сгорания и продуктов
сгорания в автомобильных газотурбинных двигателях служат термопары (датчики температуры) ТХА 9426 различного конструктивного
исполнения;
• объектов химического производства служат термопары (датчики температуры) ТХК 9902, а металла и рабочей зоны – термопреобразователи сопротивления ТСП 9422, ТСМ 9422.
128
Рис. 3.57. Внешний вид термопар
Разработаны и выпускаются более 150 типов и 7000 модификаций датчиков температуры, в состав которых входят следующие технические (рабочие) термопары (датчики температуры):
• платинородий – платиновые типа ТПП (0…1300 °С);
• платинородиевые типа ТПР (300…1600 °С);
• хромель-алюмелевые типа ТХА (–40…+1000 °С);
• хромель-копелевые типа ТХК (–40…+600 °С);
• железо-константановые типа ТЖК (0…400 °С),
а также:
• термопреобразователи (термометры) сопротивления платиновые типа ТСП (–200…+600 °С);
• термопреобразователи (термометры) сопротивления медные
типа ТСМ (–50…+180 °С);
• термопары кабельные, многозонные, в различных типах корпусов и бескорпусные;
• термопары и термопреобразователи сопротивления поверхностные, взрывозащищенные.
Нормы содержания драгметаллов в платинорадиевых термопарах
даны в табл. 3.18.
129
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Таблица 3.18
Усредненные нормы содержания драгметаллов
Тип датчика
ППО
ПРО
ТПП 5 182 002
ТПР 5 182 003
ТПР 5 182 004
ТПП 2 821 004
ТПР 2 821 005
ТПР 2 821 006
Длина,
мм
1000
1250
1600
1000
40–100
120–320
400–1000
1250–3150
4000–6300
7100–10 000
40–100
120–320
400–1000
1250–3150
4000–6300
7100–10 000
40–100
120–320
400–1000
1250–3150
4000–6300
7100–10 000
320
500
800
1000
1250
1600
2000
320
500
800
1000
1250
1600
2000
Платина, г
ГОСТ 12341–81
8,1149
9,9592
12,5412
8,5735
0,5397
1,6020
4,9663
15,3451
37,5293
62,9433
0,3855
1,1070
3,4278
10,6983
25,8078
33,2750
0,3854
1,0972
3,4278
10,6983
21,2477
43,2632
2,6347
3,9626
6,1758
7,6512
9,4955
12,0775
15,0284
2,1996
3,3071
3,3994
6,3834
7,9215
10,0749
12,5359
130
Родий, г
ГОСТ 6836–80
0,4114
0,5049
0,6358
1,7659
0,0274
0,0813
0,2519
0,7882
1,9027
3,1912
0,0665
0,1861
0,5795
1,8053
4,3525
7,2973
0,0666
0,1819
0,5795
1,8053
4,0614
7,2966
0,1337
0,2010
0,3132
0,3880
0,4815
0,6124
0,7620
0,3542
0,5322
0,8289
1,0267
1,2739
0,6201
2,0157
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Окончание табл. 3.18
Тип датчика
ТПР 9202
ТПР 9205
Длина,
мм
1250
1600
2000
2500
630
800
1000
1250
1600
Платина, г
ГОСТ 12341–81
8,4606
10,8015
13,4767
16,8210
5,0363
6,1732
7,5108
9,1829
11,5238
Родий, г
ГОСТ 6836–80
1,7447
2,2275
2,7791
3,4687
1,0386
1,2730
1,5489
1,8937
2,3764
Широкое применение датчики температуры находят в теплоэнергетике: в турбинах механического привода и малых турбинных генераторах, обжиговых печах, водонагревателях, печах с технологической
обработкой нагревом и т. д.
Чувствительные элементы датчиков температуры (термопар) формируют сигналы низкого уровня (десятки милливольт). Для того чтобы исключить помехи от сильноточных цепей, сигнал от датчика подается в преобразователь измерительный (ПИ), который устанавливается ближе к датчику, чтобы дополнительно повысить точность измерения
и уменьшить расход компенсационных проводов. Применение ПИ позволяет располагать источник питания и АЦП в пункте управления.
Один провод соединяет ПИ с источником питания, а второй «возвращает» выходной токовый сигнал в пункт управления. Шунтирующий
резистор, включенный в цепь токового сигнала, преобразует его в сигнал напряжения постоянного тока, который подается на вход индикатора или регулирующего устройства.
Предприятием «Эталон» разработан и выпускается ПИ 9701 в
обычном и взрывозащищенном исполнении. Отличительная особенность термопреобразователей ТСПУ, ТСМУ в том, что нормирующий
усилитель находится в головке датчика. ТСПУ 9313, ТСМУ 9313 имеют обычное исполнение, ТСПУ 9418, ТСМУ 9418 – взрывозащищенное. Находится в разработке цифровой нормирующий преобразователь
ПИ 4-01, который конфигурируется при помощи компьютера или программатора по стандартному интерфейсу RS-232. Для питания ПИ заводом «Эталон» разработан и выпускается блок питания БПС-24…36М.
131
Преобразователи измерительные температуры и влажности
ИПТВ-056, ИПТВ-206
Внесены в Государственный реестр средств измерений РФ
№ 16447–03 ТУ 4227-037-13282997–01.
Назначение: для измерения и непрерывного преобразования температуры и относительной влажности газовых сред в унифицированный токовый выходной сигнал 0…5 мА (ИПТВ-056) или 4…20 мА
(ИПТВ-206).
Область применения: в измерении гигрометрических характеристик в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в промышленности, энергетике
и сельском хозяйстве.
Конструктивное исполнение: первичный преобразователь влажности – емкостной чувствительный элемент НС1000; первичный преобразователь температуры Pt500; первичные преобразователи температуры и влажности защищены специальным проницаемым колпачком.
Термометр (термопары) [102, 103, 104]
Оборудование для промышленности фирмы «Эталон»
Он имеет щитовое исполнение и включает в себя один, два или четыре
стабилизированных источника постоянного тока, позволяющих получать напряжение от 12 до 36 В при токе нагрузки 30 мА.
В комплект измерителей температуры входят как термопары, так
и термопреобразователи сопротивления в зависимости от измеряемой
температуры.
Марки оборудования, выпускаемого фирмой «Эталон», приведены в табл. 3.19.
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Таблица 3.19
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Измерение температуры осуществляется с использованием модуля АЦП-ЦАП 16/16 «SigmaUSB» и персонального компьютера. В качестве чувствительного элемента могут применяться термопары (ТП)
следующих типов:
R-ТПП (платина – 13 % родий/платина);
S-ТПП (платина – 10 % родий/платина);
B-ТПР (платина – 30 % родий/платина – 6 % родий);
J-ТЖК (железо/медь – никель (железо/константан));
132
133
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
134
135
Продолжение табл. 3.19
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Т-ТМК (медь/медь – никель (медь/константан));
Е-ТХКн (никель – хром/медь – никель (хромель/константан));
К-ТХА (никель – хром/никель – алюминий (хромель/алюмель));
N-ТНН (никель – хром – кремний/никель – кремний (нихросил/
нисил));
А-1-ТВР (вольфрам – рений/вольфрам – рений);
L-ТХК (хромель/копель).
В программе выбираются следующие параметры:
• измерительный канал, к которому подключен термопреобразователь сопротивления;
• тип используемой термопары;
• канал подключения компенсатора холодного спая.
При запуске программы «Термометр (термопары)» создается виртуальный температурный канал, данные которого могут быть использованы в любой из программ из состава ZETLab. Также эти данные
доступны при создании пользовательских приложений при помощи
ZETLab-Studio.
Для длительного мониторинга изменения температуры используется программа «Многоканальный самописец», а для непрерывной
длительной записи значений температуры – автономный цифровой регистратор «SigmaAuto».
Цифровой вход/выход модуля SigmaUSB может быть использован для управления различными исполнительными механизмами при
построении автоматизированных систем управления технологическим
производством (АСУ ТП). Например, модуль SigmaUSB может применяться для регулирования и поддержания климатических параметров в климатических камерах при проведении соответствующих испытаний.
программы «Многоканальный осциллограф» отображается график сигнала с виртуального температурного канала в течение 100 с. На графике хорошо видно, что точность относительного измерения температуры за 10 с не менее 0,1 °С. Дрейф обусловлен движением воздушных
масс в помещении, где проводились измерения.
Результаты измерения температуры при помощи модуля АЦП
ЦАП «SigmaUSB», термопары ХА и программы
«Многоканальный осциллограф»
На рис. 3.58 представлен внешний вид рабочего стола при измерении температуры при помощи термопары, подключенной к модулю
SigmaUSB.
Запущены следующие программы: «Панель управления ZETLab»,
«Термометр (термопары)» и «Многоканальный осциллограф». В окне
136
Рис. 3.58. Внешний вид рабочего стола
На верхнем графике программы «Многоканальный осциллограф»
на рис. 3.59 представлен график изменения температуры при резком
нагреве термопары (тепловой удар). Нижний график – скорость изменения температуры (град/с), полученная при помощи программы
«Фильтрация сигнала». В программе «Фильтрация сигналов» включен
дифференцирующий фильтр 1-го порядка. На нижнем графике – данные с виртуального фильтрующего канала. Результат измерения показан на рис. 3.60.
137
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Цифровой термометр HIOKI 3447
Тип термометра: ПТС трех проводный.
Ток: 0,5 мА.
Количество каналов: 2.
Диапазон: –100...+300 °С.
Точность: 0,1% ИВ ± 0,4 °С .
Скорость измерения: 1 раз/с.
Рис. 3.59. График программы «Многоканальный осциллограф»
HIOKI 3442 – термометр с фиксированием
минимума, максимума
Тип термометра: термопара типа К.
Диапазон: –100...+1300 °С.
Разрешение: 0,1…1 °С.
Точность: ± 0,1 % ИВ + 0,8 °С до 199,9 °С,
± 0,2 % ИВ +1 °С свыше 200 °С.
Температурный дрейф: 0,03 °С/°С до 199,9 °С,
0,05 °С/°С свыше 200 °С.
Рабочая температура / влажность 0...40 °С, 80 % RH.
Время работы: около 200 ч.
Рис. 3.60. Изображение результата измерения
3.1.7. Термометры цифровые
Цифровые термометры фирмы HIOKI [94]
Цифровой термометр HIOKI 3446
Тип термометра: термопара типа К.
Количество каналов: 1.
Диапазон: –100...+1000 °С.
Точность: 0,1% ИВ ± 0,5 °С (вкл. термопару).
Разрешение: 0,1 °С до 300 °С.
Скорость измерения: 1 раз/с.
138
HIOKI 3441 – термометр с фиксированием
минимума, максимума
Тип термометра: термопара типа К.
Диапазон: –100...+1300 °С.
Разрешение: 0,1…1 °С.
Точность: ± 0,1 % ИВ + 0,8 °С до 199,9 °С,
± 0,2 % ИВ + 1 °С свыше 200 °С.
Температурный дрейф: 0,03 °С/°С до 199,9 °С,
0,05 °С/°С свыше 200 °С.
Рабочая температура / влажность: 0...40 °С, 80 % RH.
Время работы: около 200 ч.
139
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Контактные термометры
Окончание табл. 3.20
Карманный цифровой термометр
со щупом TM-100 (рис. 3.61)
Особенности:
Диапазон измерений: –50…+250 °C
(–58…+482 °F).
Оснащен щупом из нержавеющей
стали.
Цена деления: 0,1 °C.
Погрешность: ±1 °C (–10…+100 °C ), ±2 °C (101…200 °C), ±3 °C
(–50…–10 °C ), ±5 °C (200…250 °C).
Тип прибора
ТЦМ-9210М2, М3
ЦТС
Термометры цифровые малогабаритные (табл. 3.20) [89]
Термометры цифровые малогабаритные
Тип прибора
Модификация
ТЦМ-9210М1, М4
00 погружной
01 погружной
03 погружной
03П поверхностный
04 погружной
Тип термопреобразователя
ТТЦ 1(И)-180
ТТЦ 12-180
ТТЦ 10-180
ТТЦ 13-180
ТТЦ 14-180
ТТЦ03(И)-500
ТТЦ 05-600
ТТЦ 11-300
ТТЦ 11-600
ТТЦ 07П-600
ТТЦ 08-300
ТТЦ 08У-300
ТТЦ 09-300
ТТЦ 06-1300
140
Таблица 3.20
Диапазон
измеряемой
температуры, °С
–50…+200
0…500
0…600
–50…+300
0…600
–50…+300
0…1300
ЦТС-Д
ЦТТ-Д
Модификация
Тип термопреобразователя
Погружной
Диапазон
измеряемой
температуры, °С
0…500
0…600
0…1300
0…300
0…600
0…600
–50…+300
ТТЦ03(И)-500
ТТЦ 05-600
ТТЦ 06-1300
ТТЦ 11-300
ТТЦ 11-600
ТТЦ 07П-600
Поверхностный
ТТЦ 08-300
ТТЦ 08У-300
ТТЦ 09-300
Диапазон измеряемых температур: 0…200 °С
Достоинствами этих приборов являются автономное
безопасное питание и малое энергопотребление, что
позволяет легко доставить их на любой производственный участок и быстро провести необходимые измерения температуры
Термометры предназначены для измерения температуры жидких, сыпучих и газообразных сред, не разрушающих защитную арматуру чехла термопреобразователя, в частности, для измерения температуры воды в
системах отопления помещений. Электронный блок
прибора помещен в литой алюминиевый корпус со
степенью защиты по ГОСТ 14254–96 IP 40. Защитная
арматура термопреобразователя выполнена из коррозионно-стойкой
нержавеющей
стали
марки
12Х18Н10Т. Диапазон измерения температур, °С:
ЦТС-Д: 10…150
ЦТТ-Д: 0…600
Измеритель температуры и относительной
влажности переносной ИТ 5–ТР «Термит» [93]
(рис. 3.62)
Измеритель 5–ТР «Термит» предназначен для измерения температуры и относительной влажности в жилых,
производственных и складских помещениях. Измеритель
141
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
может применяться в пищевой и строительной промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности. Он имеет две модификации: ИТ 5-ТР-1 – датчик, жестко присоединенный к корпусу
измерителя; ИТ 5-ТР-2 – датчик выносной.
Диапазон измерения температуры –30…+85 °С с пределами допускаемой основной погрешности не более ±1,0 °С.
Диапазон измерения относительной влажности от 0 до 98 %
с пределами допускаемой основной погрешности не более ± 2,5 %.
Автоматическое отключение в течение 10 мин после последнего
нажатия одной из кнопок управления.
мометры с пневматическим регулирующим устройством – для измерения, записи и автоматического регулирования температуры жидких
и газообразных сред, в том числе в условиях АЭС.
Цифровой термометр CENTER 301
type K [71] (рис. 3.63)
Технические характеристики ЦТ CENTER 301 type K
Тип прибора……………………….………………………
Измеритель температуры
Принцип измерений……………………………..
Контактный
Количество каналов…………………………..2
Диапазон измерения, °С………………………–200...+1370
Диапазон измерения влажности, %………………………
–
Точность (температура), %………………………
0,3
Точность (влажность), %………………………
–
Измерения min, max значений………………………
Есть
Режим пониженного энергопотребления………………………
Есть
Технические характеристики
Марка
ТГС-711М1
ТГ2С-711М1
ТГ-711РМ1
ТГС-712М1
ТГ2С-712М1
ТГ-712РМ1
Диапазон
Класс
точности
температур, °С
1,5
–50...+50; –50...+100;
–50...+150; 0...100;
50...150; 0...200;
0...250; 0...300;
0...400; 100...250;
100...300
Длина капилляра, мм
Длина соединительного
капилляра:
1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25
Длина погружения
термобаллона:
160, 200, 250, 315, 400
Изготовляются ТГС-711М, ТГ2С-711М по ТУ 311-5626.117–91.
Расстояние передачи пневматических сигналов не более 300 м
(табл. 3.21).
ТГС-711 – термометр однозаписной с приводом диаграммного
диска от электродвигателя.
ТГС-712 – термометр однозаписной с приводом диаграммного
диска от часового механизма.
ТГ2С-711М – термометр двухзаписной с приводом диаграммного диска от электродвигателя.
ТГ2С-712М – термометр двухзаписной с приводом диаграммного диска от часового механизма.
ТГ-711-РМ – термометр с пневматическим регулирующим устройством с приводом диаграммного диска от электродвигателя.
ТГ-712-РМ – термометр с пневматическим регулирующим устройством с приводом диаграммного диска от часового механизма.
3.1.8. Термометры самопишущие [89]
(рис. 3.64)
Термометры самопишущие предназначены
для измерения и записи на дисковой диаграмме
температуры жидких и газообразных сред, а тер142
Таблица 3.21
143
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
3.1.9. Тепловизоры
Тепловизор IRI 4010 [95] (рис. 3.65, 3.66)
Технические характеристики IRI 4010
Технические характеристики ТГС-711М, ТГ2С-711М
Измеряемая температура……–10...+250 °С
Чувствительность…………….
0,15 °С;
Количество точек
измерения
(одновременно)………….. 2 точки
(перемещаемые)
Рис. 3.65. Внешний вид
тепловизора
144
Рис. 3.66. Пример измерения температуры поверхности
тепловизором IRI 1011
145
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Тепловизоры Fluke Ti20/Ti30 (рис. 3.67–3.69)
Рис. 3.67. Внешний вид тепловизора Fluke Ti20/Ti30
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
a
б
в
г
д
Рис. 3.68. Пример измерения температуры поверхности
146
Рис. 3.69. Измерение температуры поверхности:
а – электродвигателей; б – насосов; в – шин и блоков плавких
предохранителей; г – строящихся объектов и обслуживаемых
зданий; д – ротационных машин
147
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Радиометрический тепловизор
Fluke Ti50 [94] (рис. 3.70)
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Рабочая температура: –10…+50 °С. Температура хранения:
–40…+70 °С. Влажность: 10…95 % при отсутствии конденсата. Диапазон измерения –200…+2500 °С. [105]
Тепловизор Cyclops TI 814 [92]
Область применения: профилактическое техобслуживание –
выявление потенциальных проблем механических и электрических
узлов оборудования до того, как они станут причиной отказа. Индикаторы на экране отображают: разряд батарей, коэффициент излучения,
температуру фона, градусы (°C/°F/°К), дату и время. Температурный
диапазон измерений составляет:
поддиапазон 1: –20...+100 °С;
поддиапазон 2: –20...+350 °С;
поддиапазон 3: 250...600 °С.
Точность: ±2 °С или 2 %.
Использование тепловизоров:
• обследование и анализ подстанций, линий электропередач
и другого силового оборудования в режиме реального времени в области энергоснабжения;
• контроль за технологическими процессами – наблюдение
в режиме реального времени для обеспечения эффективной и безопасной работы оборудования;
• опытно-конструкторские разработки – количественная оценка тепловых режимов оборудования;
• электронные устройства – обследование печатных плат крупным планом;
• медицинские и ветеринарные исследования.
Режимы измерения температуры: перемещаемые точки и области, центральная точка, считывание температуры при наведении курсора, вычисление минимальной, максимальной и средней температуры
в центральной области, автоматическое определение холодных и горячих точек, изотерма (в моделях без функции Fusion), сигнализация
(в моделях с функцией Fusion).
При настройке коэффициента излучения значение вводится
пользователем. Оно изменяется от 0,01 до 1,00 с шагом 0,01.
148
Это полнофункциональный, высокопроизводительный тепловизор, специально разработанный для Европы.
TI 814 используется для измерения температур от –20 до +1500 °C,
имеет высококачественные асферические линзы с механическим приводом регулировки фокуса, а также с цифровым масштабированием
изображения.
Полученное тепловизором изображение отображается в видоискателе и на ярком
ЖК-дисплее, после просмотра оно может
быть сохранено на карте памяти
CompactFlash для дальнейшего использования в отчетах или последующем анализе.
Термическая камера Cyclops TI 814
дополнена специальным программным
обеспечением – Land Image Processing
Software (LIPS), которое обеспечивает термическую и визуальную обработку изобраРис. 3.71. Термическая
жений с их сохранением и возможностью
камера Cyclops TI 814
записи отчета.
Камера LIPS легка в использовании, обладает высокой гибкостью
и сильно расширяет функциональные возможности TI 814 (рис. 3.71).
Результаты измерения, получаемые тепловизором Cyclops TI 814,
приведены на рис. 3.72.
Ключевые функции
•
•
•
•
•
•
Регулировка фокуса и электронное увеличение изображения.
Внутренняя обработка изображения.
Лазерный указатель.
Опция расширения температурного режима до 1500 °C.
Стандартный срок работы батареи тепловизора ~3 ч.
Дополнительные телевизионные линзы.
149
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
•
•
•
•
•
•
•
•
Опция передачи видеоизображения на 750 м.
Высокое разрешение получаемого изображения.
Низкий уровень шума.
Точное измерение температуры.
Изображения без временных задержек.
Небольшой вес (~1,5 кг).
Хранение изображений на карте памяти CF.
Детектор длинных волн (идеален для применения вне помещений).
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Цифровая камера
(полноцвет)
Диктофон
(запись голоса)
Экономичные
аккумуляторы
Удобное и эргономичное
управление изображением
RS 232C и видеовыход
Применение тепловизора Cyclops TI 814
Рис. 3.72. Изображение, полученное тепловизором
Функциональные характеристики камеры тепловизора
Высококачественные
моторизированные
фокусные линзы
Лазер, указывающий
точку прицеливания
150
LCD-дисплей
Cyclops TI 814 используется в фабричных условиях для мониторинга, контроля качества, исследования структурной целостности, разработки и исследования в следующих индустриях:
Генерация энергии, ее передача. Перегрев механизмов отключения, трансформаторов, шин передачи энергии.
Электричество и электроника. Идентификация сбойных компонентов электронного оборудования.
Управление энергией и тепловой контроль. Определение утечек
при строительстве, выбросов в воздух, повреждение изоляции, засорение трубопровода и паровых ловушек.
Сталь и стекло. Диагностика работоспособности огнеупорного
материала в печах, ковшах. Исследование утечки тепла в автомобилях.
Нефтехимия и пластики. Удаленное исследование уровня вещества в цистерне, засоров, повреждений изоляции, моторов, помп и подшипников.
Строительство. Проверка теплоизоляции зданий, наблюдение за
соблюдением правил строительства, хранением веществ в холодильных камерах, асфальтовым покрытием.
Тепловизоры и их характеристики приведены в табл. 3.22.
151
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
152
153
Тепловизоры портативные
Таблица 3.22
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
3.1.10. Термометры контактные [106] (табл. 3.23, 3.24, рис. 3.73)
Термометры контактные [106]
Термометры контактные и многоканальные
Марка
ТК-5.01
ТК-5.03
ТК-5.05
(ТК-5)
ТК-5.07
(ТК-7)
Зонды для
термометров
контактных
Диапазон. Комплектность
Диапазон измеряемых температур 0...200 °С. Прибор комплектуется несменным погружным зондом
Диапазон измеряемых температур –20...+600 °С. Приборы
комплектуются наборами сменных зондов для измерения
температуры воздушных, жидких, сыпучих сред и поверхности твердых тел
Диапазон измеряемых температур 0...600 °С. Внешняя термопара –199...+1300 °С. Приборы комплектуются наборами
сменных зондов для измерения температуры воздушных,
жидких, сыпучих сред и поверхности твердых тел; подключение внешнего датчика
Диапазон измеряемых температур –19...+600 °С. Внешняя
термопара –199...+1300 °С. Приборы комплектуются наборами сменных зондов для измерения температуры воздушных,
жидких, сыпучих сред и поверхности твердых тел; подключение внешнего датчика
Поверхностный: L = 150, 300, 1000 мм. Воздушный: L = 150,
300, 1000 мм. С загибом и для движущихся тел: L = 300,
500 мм с загибом 90° и 110°. Погружной: L = 150, 300,
1000 мм. Внешний типа ХА: до +1300 °С
Термометры многоканальные
Марка
прибора
ТМ-5103
ТМ-5122
ТМ-5131
ТМ-5132
ТМ-5133
Таблица 3.23
Количество
каналов
8
4
8
4
8
Таблица 3.24
Технические характеристики
Диапазон измерений, °С: –50…+200; –50…+600;
–200…+600; 0…1200; 0…800; 0…1300; 0…1700;
0…2500.
Тип первичного преобразователя: 50М, 100М,
50П, 100П, Pt100, ТХА, ТХК, ТПП
154
Рис. 3.73. TM-100 карманный цифровой
термометр со щупом
Технические характеристики контактных термометров
Диапазон измерений, °C (°F)………–50…+250 (–58…+482)
Легкочитаемые цифры на большом LCD-дисплее
Оснащен щупом из нержавеющей стали
Цена деления, °C…………………………………………….0,1
Погрешность, °C ……….. ±1 (–10…+100); ±2 (101…200);
±3 (–50…–10); ±5 (200…250)
Размеры, см………………………………………..5,4×10,8×1,2
Вес, г………………………………………………………… 57
Термометр универсальный testo 925 [93]
(рис. 3.74)
Одноканальный прибор для повседневных
оперативных измерений в жестких производственных условиях с возможностью подключения разнообразных температурных зондов.
Выпускается более 25 видов зондов с различными чувствительными элементами и техническими характеристиками, в том числе поверхностный, погружной, проникающий, зонд для дымового газа, зонд
с зажимом для труб, а также инфракрасный зонд для бесконтактного
измерения на недоступных, вращающихся или находящихся под напряжением частях.
Зонд соединен с прибором с помощью кабеля.
155
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Измеренное значение температуры в °С или F выводится на большом жидкокристаллическом дисплее.
Прибор обладает функцией удержания текущего значения.
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
термометр со щупом
Технические характеристики датчика
–50...+1000
Диапазон измерения, °C …………………
Погрешность ±1 цифра…………………
±(0,7 °C ± 0,5 % от измер. знач.) (–40...+900 °C)
±(1 °C ± 1 % от измер. знач.) (–50...–40,1 °C)
±(1 °C ± 1 % от измер. знач.) (900,1...1000 °C)
Разрешение………………… 0,1 °C (–50...+199,9 °C)
1 °C (200...1000 °C)
Дисплей…………………………
ЖКИ, 1 строка
Рабочая температура, °C….. 0...50
–20...+70
Температура хранения, °C.…………………
Габариты, мм …………………
190×57×42
Вес, г……………………………………
300
Гарантия, год…………………
1
Термометры контактные
KL9806 – аквариумный
термометр с выносным датчиком
pH метр PH-013 – высокоточный
лабораторный прибор
для измерения pH и температуры
TM-100 – карманный цифровой
термометр со щупом
KL 9816 – цифровой термометр
со складывающимся щупом
156
Мультимонитор PHT-026:
pH-метр, кондуктометр, солемер,
термометр
pH-метр PH-013M – высокоточный
компактный лабораторный прибор
для измерения pH и температуры
3.1.11. Телескоп радиационного пирометра ТЕРА-50 [73] (рис. 3.75)
Назначение: для бесконтактного
измерения радиационной температуры
поверхности нагретых тел.
Телескоп может быть использован
в металлургической, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности для измерения температуры
неподвижных или перемещающихся с небольшой скоростью объектов при температуре окружающего воздуха 5…100 °C
и относительной влажности не более 80 %.
Рис. 3.75. Телескоп
Телескопы в зависимости от измерярадиационного пирометра
ТЕРА-50
емой температуры выпускаются с градуировками РК-15, РС-20 и РС-25, для которых пределы измерения температур, °C, соответственно равны
400…1500, 900…2000 и 1200…2500.
Дополнительная погрешность телескопа, вызванная отклонением температуры его корпуса от 20±5 °C, не должна превышать величин, указанных в табл. 3.25.
Нормальные условия для измерения:
• температура окружающего воздуха и корпуса телескопа 20±5 °C,
относительная влажность воздуха не выше 80 %;
• размер излучателя удовлетворяет показателю визирования;
157
• значение напряжения на зажимах телескопа различных градуировок и вторичных приборов, в зависимости от пределов измеряемых температур и материала применяемых линз, соответствует приведенному в табл. 3.26.
Таблица 3.25
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Таблица 3.26
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Температура Изменение ЭДС Температура Изменение ЭДС
корпуса,
телескопа
корпуса,
телескопа
°C
(пересчитанное),
°C
(пересчитанное),
± °C
± °C
5
4,5
60
8,0
10
3,0
70
10,0
30
2,0
80
13,0
40
4,0
90
15,5
50
6,0
100
18,0
Технические характеристики телескопа радиационного
пирометра ТЕРА-50
400…2500
Диапазон измеряемых температур, °C……………………….
Показатель визирования телескопа:
РС-20, РС-25………………………………………………………
1:20
РК-15………………………………………………………………
1:15
Время установления показаний телескопа, с, не более………………
10
Максимальное давление в кожухе и патрубке водяного
охлаждения, кПа………………………………………………………
6
Масса, кг, не более:
телескопа………………………………………………………………
1,4
защитной арматуры………………………………………………
12
Номинальное рабочее расстояние, м…………………………
1 ± 0,02
Напряжение на зажимах телескопа
ЭДС телескопа
3.1.12. Термометры биметаллические
показывающие ТБ [73], ТБП (рис. 3.76)
Назначение: для измерения температуры в стационарных промышленных и технических установках, а также любых других объектах,
в том числе АЭС.
Устройство: термометр состоит из термобаллона и показывающей приставки.
158
159
160
Технические характеристики термометров ТБ
Термобаллон состоит из трубки,
в которой размещена биметаллическая пружина, рассчитанная на вполне определенные изменения температуры. К пружине приварена ось, которая может вращаться на двух
опорах при раскручивании (скручивании) пружины, которое происходит
Рис. 3.76. Термометры
при изменении температуры измерябиметаллические
емой среды. Вращение передается на
показывающие ТБП [73]
стрелку, показывающую на оцифрованной шкале значение температуры.
Измеряемые среды в пределах коррозионной стойкости стали
12Х18Н10Т.
Давление измеряемой среды, кгс/см2, до 64 – без защитной гильзы;
250 – с защитной гильзой.
Технические характеристики термометров ТБ приведены в табл. 3.27.
Термометры биметаллические показывающие (табл. 3.28, 3.29,
рис. 3.77) предназначены для измерения температуры различного рода
веществ практически во всех фазовых состояниях.
Диаметр корпуса D, мм: 63, 100 и 160. Класс точности: 1,5 и 2,5.
Длина рабочего участка: 50, 100, 160, 250 и 300 мм (максимальная длина – 800 мм).
Диапазон измерения: –20…+400 °С.
Исполнение: корпус – металл гальванизированный; циферблат –
металл, окрашенный в белый цвет; стекло – техническое; измерительный элемент – биметаллическая спиральная пружина; присоединительный штуцер – медный сплав. Исполнение корпуса – с центральноосевым (Т) расположением штуцера; с радиальным расположением
штуцера (P).
Термометры биметаллические ТБ (рис. 3.78) предназначены для
измерения температуры в жидких и газообразных средах, в том числе
на судах и АЭС. Измеряемые среды в пределах коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т. Давление измеряемой среды – до 64 кгс/см2.
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Таблица 3.27
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
161
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
162
163
Продолжение табл. 3.27
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Тип
прибора
ТБП-50-Т
ТБП-50Р
ТБ-1
ТБ-1Р
ТБ-1СД
ТБ-1С
ТБ-1РС
ТБП-100-Т
ТБП-100-Р
ТБ-2
ТБ-2Р
ТБ-2СД
ТБ-2С
ТБ-2РС
Тип А4500
ТБП-63-Т
ТБП-63-Р
Тип А5000
Класс
точности
Длина
участка Ду
корпуса, мм
Диапазон
измерений,
°С
Глубина
погружения,
мм
50
–20…+60;
–50…+50;
–50…+100;
–50…+150;
–30…+60;
–20...+40;
0…60;
0…100;
0…120;
0…150;
0…200;
0…300;
0…400
80; 100; 125;
160; 200; 250;
315
60
1,5; 2,5
100
63
Тип А4801
80
Тип А4802
100
Рис. 3.77. Термометры биметаллические показывающие (ТБП)
164
–30...+50;
0...60;
0...120;
0...160
–30...+50;
–20...+60;
0...80
–30...+50;
0...80
80; 100; 125;
160
80; 100; 125;
160; 200; 250;
315
80; 100; 125;
160
40; 60; 100
160; 200; 300
160; 200; 300
Технические характеристики термометров биметаллических показывающих
Таблица 3.28
Термометры биметаллические показывающие (ТБП)
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Таблица 3.29
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Рис. 3.78. Термометры биметаллические ТБ
165
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Окончание табл. 3.29
3.2. Методы измерения температуры твердых тел
Измерение температуры твердых тел вызывает трудности из-за
значительного отличия температуры поверхности от температуры внутренних областей твердого тела. Кроме того, установка термопары
в твердом теле, подготовка в нем места (сверление и др.) искажают
температурное поле в месте измерения. Чтобы повысить точность измерений, необходимо:
• обеспечить максимальный термоконтакт между измерительным элементом и примыкающим участком исследуемого тела;
• применять измерительный элемент минимальных размеров при
минимальной удельной теплопроводности термоэлектродов (термометры контактные).
Широкое распространение для таких измерений нашли «поверхностные» термопары. Рабочий спай этих термопар прижимается,
приваривается или приклеивается к исследуемой поверхности
(рис. 3.79) [12].
a
б
в
г
д
е
Рис. 3.79. Схемы установки термопар на поверхности твердых тел.Термопары:
а – одноэлектродная; б – двухэлектродная без спая; в – то же, со спаем; г – то же,
с электродами, проложенными по измеряемой поверхности; д – «пятачковая»;
е – то же, с трубкой: 1, 2 – термоэлектроды; 3 – рабочий спай; 4 – металлический
диск; 5 – контролируемая поверхность; 6 – защитная трубка
У одноэлектродной термопары (см. рис. 3.79, а) вторым электродом является сама контролируемая поверхность. Такая термопара показывает локальную температуру в месте контакта. Ее необходимо индивидуально градуировать. В результате измерений возникают большие погрешности.
166
167
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Термопара (см. рис. 3.79, б) используется для измерения температуры электропроводящих тел. Термопара усредняет на площадке между термоэлектродами температуру, которая искажается температурными полями, создаваемыми термоэлектродами.
Термопара со спаем (см. рис. 3.79, в) показывает температуру
в точке разветвления термоэлектродов. Поэтому к погрешности измерения, связанной с искажением температурного поля в теле, добавляется погрешность, вызванная градиентом температуры по длине спая.
Значительно меньшую погрешность имеет двухэлектродная термопара (см. рис. 3.79, г). Погрешность измерений не превышает 1 %
от максимально возможной ошибки при монтаже термоприемника по
схеме (см. рис. 3.79, в).
«Пятачковая» (см. рис. 3.79, д) термопара показывает результирующую температуру на поверхности «пятачка». При выборе площади
диска (пятачка) и его конфигурации необходимо учитывать, что чем
больше площадь контакта измерителя с телом, тем меньше погрешность
измерения температуры.
Термопары «пятачкоa
б
вые» с трубкой имеют дополнительную погрешность (см. рис. 3.79, е), связанную с искажением
температурного поля потоком по трубе. Точность измерения температуры с помощью «поверхностных» термопар не превышает 10 %.
Для уменьшения влияния теплоотвода используют схемы термоприемников
Рис. 3.80. Схемы термоприемников с элекс электронагревателями
тронагревателями
(рис. 3.80).
для компенсации теплоотвода:
Через нагреватель 3
1, 2, 7 – термоэлектроды основной, дифпропускается ток, чтобы
ференциальной, вспомогательной термопар; 3 – электронагреватель; 4 – вспомогатемпературы рабочего 5
тельный спай; 5 – рабочий спай; 6 – конти вспомогательного 4 спая
ролируемая поверхность
были равны. Тепловой по-
ток вдоль термоприемника будет практически равен нулю. В момент
компенсации измеряемая основной термопарой температура может
быть принята равной температуре поверхности под спаем.
Кроме термопар, для измерения температуры поверхности твердого тела применяются контактные термометры, оптические пирометры, тепловизоры, пленочные термопары.
168
3.2.1. Измерение температуры поверхности объекта с помощью
пленочных термопар и термочувствительных покрытий
Для определения поля температур поверхности необходима установка большого числа проволочных термопар, что весьма затруднительно, дорого, а иногда и просто невозможно. Кроме того, установка
термопар искажает само температурное поле тела, а термопары экранируют друг друга.
Пленочные термопары. Для измерения температуры поверхности объектов сложной формы в условиях высоких рабочих температур
(до 1200 °С) и больших механических и вибрационных нагрузок применяют пленочные термопары, которые бывают двух типов: однои двухпроводные. Применение однопроводных термопар возможно
только при измерении температуры электропроводящего объекта, который и является вторым термоэлектродом. В соответствии с конструктивными схемами измерения температуры поверхности термо-ЭДС
снимается с термоэлектрода и материала объекта (рис. 3.81, а) или
с термоэлектродов (рис. 3.81, б) в удобном месте с помощью термоэлектродных проводов.
Практика применения [12] высокотемпературных пленочных термопар (ВПТ) позволяет сделать вывод, что точность измерения температуры с их помощью даже при очень сложных конструкциях объекта
и условиях измерения достаточно высока. Пленочные термоэлектроды обладают практически такой же стабильностью градуировки и термоэлектрической однородностью по длине, что и стандартные проволочные. Изготовление ВПТ включает три основные операции: нанесение пленки-подложки (высокотемпературный изолятор); нанесение
на пленку-подложку металлических пленок (термоэлектроды); подсоединение удлинительных проводов к пленочным термоэлектродам.
169
2
1 2 0,1–0,05
1
2
3 4
Рис. 3.81. Конструктивная схема измерения температуры поверхности
с помощью пленочных термопар:
а – однопроводная; б – двухпроводная: 1 – изолятор-подложка; 2 – пленочный термоэлектрод; 3 – горячий спай; 4 – контролируемый объект
Каждая операция требует высокой квалификации, специального
оборудования и к тому же достаточно трудоемка. Кроме того, для точных измерений ВПТ необходимо индивидуально градуировать, что тоже
весьма непросто. Поэтому их применение может быть рекомендовано,
только когда требуется высокая точность измерений в малодоступных
местах объекта при сложных условиях эксперимента. Более подробные сведения об изготовлении и применении ВПТ изложены
Д. Ф. Симбирским [12].
Термочувствительные покрытия. Метод измерения температуры с помощью термоиндикаторов (ТИ) основан на изменении цвета,
фазового состояния и яркости свечения специальных покрытий. Этот
метод достаточно прост и экономичен. Преимущества этого метода
очевидны при изучении распределения температур по большим поверхностям, выявлении «горячих» областей, местных перегревов и т. д.
Однако, выбирая ТИ для конкретных измерений, необходимо учитывать, что это дискретный метод, точность его невелика, с их помощью
сложно определить динамику изменения температуры, цвет индикатора
может меняться под влиянием таких внешних факторов, как давление,
тепловой режим и т. д. Общая классификация термоиндикаторов приведена в табл. 3.30.
170
171
Примечания: 1. ТХ – резко изменяют цвет при достижении определенной температуры за счет химического
взаимодействия компонентов; ТП – изменяют цвет за счет плавления при строго определенной температуре одного или
нескольких компонентов индикатора; ЖК – изменяют цвет в жидкокристаллическом состоянии (t1…t2 – область
существования жидкого кристалла) при незначительном изменении температуры; ЖК вне области t1…t2 бесцветны; ЛТ –
разновидность люминофоров, изменяющая яркость, цвет или цветовой тон в зависимости от температуры.
2. Обратимые и необратимые ТИ – это индикаторы, которые соответственно восстанавливают или
не восстанавливают первоначальную окраску при понижении температуры ниже tкр.
3. Квазиобратимые ТИ – постепенно восстанавливают первоначальную окраску под воздействием окружающей
среды (τ ≈ 1…2 ч).
1
б a
Общая классификация термоиндикаторов
аб
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Таблица 3.30
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
В настоящее время разработаны и выпускаются промышленностью [12]:
I – термоиндикаторные карандаши (табл. 3.31);
II – термоиндикаторные краски (табл. 3.32);
III – термоиндикаторы плавления серии ТП (табл. 3.33), серии ТИ
(табл. 3.34);
IV – жидкокристаллические термоиндикаторы (табл. 3.35).
Термоиндикаторные карандаши
410
470
410
470
Таблица 3.31
Цвет
после достижения tкр
исходный
Желтый
Бирюзовый
Зеленый
Охристый
Бледно-зеленый
Белый
Голубой
Сине-зеленый
Оранжевый
Белый
Светло-коричневый
Красно-коричневый
Серый через светло-коричневый
Светло-коричневый через
бежевый
Светло-бежевый через серый
Белый через темно-зеленый
Примечание. Карандаши выпускают в виде стержней длиной 70 и диаметром 8 мм, заостренных с одного конца.
Термоиндикаторные краски
110
240
250
260
380
440
Температура
перехода
цвета tкр, °С
130
240
250
280
380
400
Марка
Таблица 3.32
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Основные требования при выборе термоиндикаторов: цвета термоиндикатора до и после воздействия строго фиксированной температуры перехода tкр должны значительно различаться и быть стабильными; материал термоиндикатора не должен оказывать вредного влияния
на объект измерения и выделять вредных примесей. Внешние факторы
практически не влияют на tкр термоиндикаторов плавления. Термоиндикаторы серии ТИ могут быть нанесены на исследуемую поверхность
более тонким слоем, чем серии ТП. Если важна скорость срабатывания и масса покрытия, это является достоинством термоиндикатора.
После высыхания ТИ становятся непрозрачными, а при достижении tкр
выявляют цвет поверхности исследуемого объекта.
172
173
Таблица 3.33
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Термоиндикаторы плавления серии ТП
Окончание табл. 3.32
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
174
175
Окончание табл. 3.33
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Термоиндикаторы плавления серии ТИ
tкр, °С
30
35
40
50
60
65
75
85
90
95
105
114
120
140
150
160
Марка
ТИ-30
ТИ-35
ТИ-40
ТИ-50
ТИ-60
ТИ-65
ТИ-75
ТИ-85
ТИ-90
ТИ-95
ТИ-105
ТИ-114
ТИ-120
ТИ-140
ТИ-150
ТИ-160
Марка
ТИ-180
ТИ-210
ТИ-215
ТИ-220
±1,0 ТИ-230
ТИ-65с
ТИ-65ж
ТИ-65з
ТИ-105с
ТИ-105з
ТИ-105ж
ТИ-120с
ТИ-120ж
±1,5
ТИ-120з
ТИ-150з
ТИ-150р
ТИ-220р
Таблица 3.34
tкр, °С
180
210
215
220
230
65
65
65
105
105
105
120
120
120
150
150
220
±2,0
±1,0
±1,5
±2,0
Примечание. Термоиндикаторы от ТИ-30 до ТИ-220 в исходном состоянии
белые непрозрачные, после воздействия t кр – бесцветные прозрачные;
последующие термоиндикаторы имеют исходный цвет, соответствующий индексу
в конце указателя марки: с – синий, ж – желтый, з – зеленый, р – розовый, после
воздействия tкр – прозрачные с оттенком исходного цвета.
Таблица 3.35
Жидкокристаллические термоиндикаторы
Марка
Х-19
Х-10
Х-9
Х-4
Х-17
Х-5
Х-20
tкр, °С
60...63
93,5...97
97...100,5
88...92
77...79
81...85
60...64
Марка
Х-22
Х-40
Х-23
Х-24
Х-29
Х-25
Х-30
tкр, °С
178...182
125...129
103,5...107,5
174...178
104,5...108,5
166...170
175...179
Примечание. tкр – температура перехода в жидкокристаллическое состояние.
В области существования жидкого кристалла индикаторы изменяют свой
цвет последовательно от красного до фиолетового, проходя через множество
цветов и оттенков в зависимости от температуры.
176
177
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
На tкр термоиндикаторных карандашей и красок, изменяющих цвет
в результате химических реакций, внешние условия оказывают существенное влияние [12]. Так, очень важно выдержать тепловой режим
их нагрева до критической температуры. При увеличении длительности нагрева tкр уменьшается, и наоборот. Погрешность измерения при
несоблюдении тарировочных тепловых режимов может достигать
25–30 %. Указанные ранее критические температуры перехода цвета
справедливы только при подъеме температуры термоиндикатора до tкр
в течение 120 с и выдержке при ней 15–30 с. В случае отклонения от
данных условий термоиндикатор следует переградуировать с учетом
условий эксперимента. Предварительная выдержка термоиндикатора
в течение 1–3 ч при температуре, существенно меньшей tкр, снижает tкр
на 5–25 °С. Причем погрешность, вызванная этой причиной, тем больше, чем больше время выдержки и чем ниже tкр. Исходя из этого, низкотемпературные термоиндикаторы следует наносить на исследуемый
объект непосредственно перед испытаниями и хранить при температуре не выше 20 °С.
Материал измеряемого объекта влияет на tкр только в том случае,
если он химически взаимодействует с термоиндикатором. Например,
некоторые лакокрасочные покрытия взаимодействуют с его растворителем. В этом случае покрытие перед нанесением термоиндикатора
удаляется. Нанесенный на исследуемую поверхность термоиндикатор
(особенно при покрытии им больших площадей) изменяет ее тепловые
характеристики. Поэтому часто необходимо знать коэффициенты теплопроводности, теплоемкость (степень черноты) и т. д. покрытий. Отметим, что если в тепловом потоке, падающем на исследуемый объект,
лучистая составляющая значима, то температура тела при больших
площадях его «покрытия» термоиндикатором и εи ≠ εо может отличаться (и даже значительно) от температуры неокрашенной поверхности
(εи, εо – степень черноты покрытия и объекта).
Методика измерения температуры поверхности с помощью термоиндикаторов:
1. Исходя из предполагаемого диапазона температур на измеряемой поверхности, выбирают типы и марки термоиндикаторов.
2. Поверхность обезжиривают спиртом или бензином.
3. В зависимости от площади исследуемой поверхности и задач
эксперимента выбирают способ нанесения:
а) на большую исследуемую поверхность – распылителем с использованием одной марки термоиндикатора. В этом случае очень удобны индикаторы, многократно изменяющие цвет;
б) на небольшую поверхность при необходимости определения
локальных температур, а также при исследовании объектов с неизвестным диапазоном возможных температур – кисточкой. Обычно (особенно в последнем случае) термоиндикаторы различных марок наносят на исследуемую поверхность в виде круглых пятен в порядке возðàñòàí èÿ èõ tкр. Это упрощает расшифровку результатов измерения.
4. После проведения эксперимента по цвету поверхности или
пятен находят изотермы на поверхности объекта, «горячие» области
и т. д. Интерпретацию результатов следует провести сразу же по окончании опыта или нанести на термоиндикатор защитное покрытие. Особенно важно выполнять это условие при использовании обратимых
и квазиобратимых индикаторов. Однако свойство обратимости в некоторых случаях весьма полезно, например, при необходимости дублирования опытов или сигнализации о недопустимом нагреве поверхности. В последнем случае подбирают термоиндикатор с tкр < tпр (tпр –
предельная для данного процесса температура нагрева). Выбранный
индикатор наносят на поверхность в виде какой-либо надписи или
условных знаков. Если цвет поверхности соответствует первоначальному цвету индикатора, то надпись будет видна только при нагреве
поверхности до tкр и исчезнет при понижении температуры. Цвет термоиндикаторов до и после испытаний определяют обычно с помощью
атласа цветов. Причем изменение цвета может быть зафиксировано
на кино- или фотопленку. Существуют и более точные (приборные)
методы определения цвета, однако их применение, по крайней мере,
в настоящее время, нецелесообразно из-за невысокой точности выпускаемых промышленностью термоиндикаторов (кроме типа ЖК).
5. После проведения опытов термоиндикатор удаляют с поверхности соответствующими растворителями.
В настоящее время термоиндикаторы не нашли широкого распространения при проведении рассматриваемых в книге исследований
и испытаний. По нашему мнению, они заслуживают большего внимания со стороны экспериментаторов. К достоинствам термоиндикаторов следует отнести:
178
179
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
1) возможность снятия температурного поля с большой поверхности объекта независимо от его формы, скорости движения, приложенного к объекту напряжения или воздействия токов высокой частоты;
2) сохранение массы и размера объекта при покрытии его пленкой из индикатора (100–150 г/м2), особенно если термоиндикатор наносится только штрихами, линиями или пятнами. В последнем случае
покрытие будет мало влиять на излучательные свойства поверхности
объекта, а следовательно, и на распределение температур в нем;
3) простоту и экономичность измерений.
Недостатки термоиндикаторов:
1) дискретный характер измерений; при невозможности наблюдения за индикатором в процессе измерений информация не имеет временной координаты;
2) применение термохимических индикаторов практически целесообразно только для индикации температуры объектов, работающих в стационарном режиме;
3) термоиндикаторы плавления и жидкокристаллические в интервале температурных переходов становятся текучими, а поэтому могут
стечь с объекта измерения;
4) жидкокристаллические индикаторы, обладая весьма высокой
чувствительностью, требуют в то же время непосредственного контроля за изменением их цвета в процессе эксперимента.
3.2.2. Поверка пирометров ЛУЧ (ТУ 4211.001.48036674–99) [85]
Методика распространяется на эти пирометры и устанавливает
методы и средства поверки при эксплуатации и после ремонта. Межповерочный интервал 1 год.
1. Операции и средства поверки
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
Средства и операции для проведения поверки
Наименование
операции
Таблица 3.36
Наименование эталонного средства поверки, номер
документа, регламентирующего технические требования
к средству и (или) основные технические характеристики
Внешний осмотр
Опробование
Определение
Излучатель – модель абсолютно черного тела (АЧТ) в соотносительной
ответствии с требованиями ГОСТ 8.558–93. Государственпогрешности
ная поверочная схема для средств измерений температуры.
Диапазон температур 700…1800 °С.
Погрешность 0,4 %
Установка УПО-6 или аналогичные, пирометр частичного
излучения ЛУЧ, аттестованный как образцовый
Оформление
результатов
поверки
2. Требования безопасности
По способу защиты человека от поражения электрическим током
пирометр является безопасным.
3. Условия поверки и подготовки к ней
вия:
При проведении поверки должны соблюдаться следующие усло•
•
•
•
температура окружающей среды 20 ± 5 °С;
атмосферное давление 101,3 ± 4 кПа (760 ± 30 мм рт. ст.);
относительная влажность 60 ± 15 %;
комбинированная освещенность рабочего места 1000…2000 лк.
4. Проведение поверки
При проведении поверки должны выполняться операции и применяться средства, указанные в табл. 3.36.
Указанные средства поверки могут быть заменены другими, обеспечивающими заданные метрологические характеристики прибора.
4.1. Внешний осмотр.
4.1.1. При проведении внешнего осмотра должно быть установлено соответствие пирометра следующим требованиям:
a) комплектность должна соответствовать Руководству по эксплуатации;
180
181
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
б) на фотоприемнике и электронном блоке должны отсутствовать
следы механических повреждений;
в) на задней стенке должна иметься пломба.
4.2. Опробование.
4.2.1. При нажатии кнопки включения на приборе должно высветиться цифровое табло.
4.2.2. При отпускании кнопки табло должно погаснуть через 5 с.
4.2.3. Должно обеспечиваться выполнение п. 6.4 Руководства по
эксплуатации.
4.3. Определение относительной погрешности по модели АЧТ.
4.3.1. Порядок проведения работ.
4.3.1.1. Включить модель АЧТ согласно инструкции по эксплуатации излучателя.
4.3.1.2. Выполнить разделы 6, 7 Руководства по эксплуатации пирометра.
4.3.1.3. Установить пирометр перед выходным отверстием модели АЧТ на расстоянии L:
4.4.1. Порядок проведения работ:
4.4.1.1. Температурную лампу УПО-6 установить на расстоянии
L от линзы:
(3.10)
0,8 F < L < 0,9 F ,
L < 35d ,
(3.8)
где d – диаметр выходного отверстия АЧТ.
4.3.1.4. По модели АЧТ установить температуру нижней точки
диапазона (п. 2.3 Руководства по эксплуатации) и измерить пирометром не менее трех раз. Определить среднее из трех измерений (Тср).
Рассчитать значение относительной погрешности по формуле
[(Tср − TАЧТ ) TАЧТ ] ⋅100 %,
(3.9)
где F – фокусное расстояние линзы.
4.4.1.2. Вплотную к линзе установить фотоприемник образцового пирометра.
4.4.1.3. Изменяя ток лампы, установить показания образцового
прибора То вблизи нижней точки диапазона (п. 2.3 Руководства по эксплуатации).
4.4.1.4. На место образцового пирометра установить поверяемый
пирометр и произвести отсчет не менее трех показаний. Определить
среднее из трех измерений (Тср).
4.4.1.5. Последовательно произвести измерения в других точках
диапазона, отстоящих друг от друга не более чем на 200 °С, и определить погрешность измерения по формуле
[(Tср − Tо ) Tо ]⋅100 % .
(3.11)
4.4.1.6. Относительная погрешность измерений в рабочем
диапазоне температур не должна превышать 1 % от измеряемой
температуры.
5. Оформление результатов поверки
где TАЧТ – температура излучателя-модели АЧТ.
4.3.1.5. Последовательно произвести измерения в других точках
диапазона, отстоящих друг от друга не более чем на 200 °С.
4.3.1.6. Относительная погрешность измерений в рабочем диапазоне температур не должна превышать 1 % от измеряемой температуры.
4.4. Определение относительной погрешности на установке УПО-6
(или аналогичной) с использованием образцового пирометра ЛУЧ.
5.1. Результаты поверки оформляются протоколом поверки в соответствии с приложением к настоящей методике.
5.2. Результаты поверки считаются положительными, если поверяемый пирометр удовлетворяет всем требованиям настоящей методики. Положительные результаты оформляются записью в паспорте
прибора и нанесением клейма на прибор.
5.3. Результаты поверки считаются отрицательными, если при
проведении поверки установлено несоответствие хотя бы одному из
требований настоящей методики. Отрицательные результаты оформляются извещением о непригодности и изъятием из обращения и эксп-
182
183
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 3. Приборы и методы измерения температуры
луатации поверяемого пирометра, не подлежащего ремонту, или о произведении повторной поверки после ремонта.
Термометры устанавливаются в специальные разъемы, и тепловоспринимающая часть прибора омывается жидкостью.
Также применяются вторичные приборы измерения температуры
(логометры и милливольтметры).
Подробнее см. п. 3.1.
3.2.3. Показатель визирования пирометра
Важным параметром пирометра является показатель визирования
ПВ – это отношение диаметра d пятна визирования (то, что «видит»
прибор) к расстоянию L между пирометром и объектом (рис. 3.82):
ПВ =
d
.
L
(3.12)
3.4. Методика измерения температуры газового потока
Точное измерение температуры газового потока является более
сложной задачей, чем измерение температуры твердого тела или жидкости.
Существуют два метода измерения температуры:
измерение с помощью «голой» термопары с внесением поправок
в ее показания из-за влияния окружающей среды;
конструирование термоприемника, обеспечивающего заданную
погрешность измерений во всем диапазоне возможных изменений работы изучаемого объекта.
Для измерения температуры газового потока используются термопары, термоэлектрические пирометры и газоанализаторы [12].
Рис. 3.82. Пятно визирования
Показатель визирования записывается в виде отношения: 1:30,
1:50, 1:100 и т. д. Очевидно, что чем меньше ПВ, тем меньше по размерам может быть объект, или для одного и того же объекта пирометр
с меньшим ПВ позволит проводить измерения с большего расстояния.
Таким образом, чем меньше ПВ, тем лучше. Однако при малых ПВ
очень мала мощность излучения, воспринимаемая пирометром. Следовательно, у пирометров с малым ПВ «зарезается» нижняя граница
диапазона измерения. Поэтому чем ниже температура объекта, тем
больший требуется показатель визирования.
3.3. Методика измерения температуры жидкости
Для измерения температуры жидкости применяются термометры
стеклянные ртутные, термометры лабораторные, манометрические термометры, термометры сопротивления [3].
184
185
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
Глава 4. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Давление измеряется в потоке и на ограждающей стенке. Устройство для измерения давления состоит из приемной части (датчика)
и регистрирующей части (вторичного прибора).
Прибор для измерения положительного избыточного давления
называется манометром, для измерения отрицательного избыточного
давления – вакуумметром, для измерения давления от абсолютного нуля –
манометром абсолютного давления.
Для паров и газов определяется избыточное давление и разрежение по отношению к барометрическому давлению Рбар (давлению
атмосферного воздуха) в данный момент, а также абсолютное (истинное) давление, представляющее собой сумму барометрического давления и избыточного давления Ризб или разрежения Рразр:
динамическое (скоростное) давление Рд;
полное давление Рп.
Динамическое давление в рассматриваемой точке (рис. 4.1) соответствует разности полного и статического давлений и определяется
по формуле
Для движущейся в трубопроводе или канале жидкости (газа)
определяются:
статическое давление Рс, действующее на стенки трубопровода
перпендикулярно к направлению движения;
w 2ρ
,
(4.3)
19,62
где w и ρ – скорость, м/с, и плотность потока, кг/м3.
В соответствии с законом Бернулли при стационарном течении
идеальной жидкости сумма статического и динамического давлений
является постоянной величиной.
2
При увеличении скорости статическое давление уменьшается,
1
а при уменьшении скорости – увеличивается.
Манометры различаются
по роду измеряемой величины, принципу действия и классу точности.
По принципу действия маноРис. 4.1. Схема измерения
скоростного
(динамического)
метры могут быть жидкостными,
давления:
грузопоршневыми, деформацион1 – статического давления;
ными, тепловыми и др., по способу
2 – полного давления
представления информации о величине измеряемого давления –
показывающими, регистрирующими и сигнализирующими. Применяются бесшкальные датчики (рис. 4.2) с непосредственным отсчетом
показаний (измерительные преобразователи) давления с унифицированными пневматическими или электрическими выходными сигналами. Такие датчики широко используют в системах автоматического
контроля, регулирования и управления процессами. Часто эти приборы должны работать при наличии вибрации, запыленности, высокой
влажности и загазованности окружающей среды. Дифманометры применяют в приборах для измерения уровня и плотности жидкости
по величине гидростатического давления, а также в приборах для измерения расхода жидкости, пара или газа по перепаду давлений в потоке на
сужающих устройствах – диафрагмах, соплах Вентури и др. (рис. 4.3, 4.4).
186
187
Pабс = Pбар + Pизб или Pабс = Pбар − Pразр .
(4.1)
Среднее давление атмосферного воздуха принимается равным
10 330 кгс/м2 или мм вод. ст. Давление 1 мм вод. ст. соответствует
1 кгс/м2, так как высота слоя 1 кг воды, разлитого на поверхности 1 м2,
равна 1 мм.
Парциальное давление Рпар – это давление газа (пара) в смеси,
которое оказывал бы этот газ (пар) при данной температуре, если бы
он один занимал весь объем, занятый смесью, в состав которой этот
газ входит. В соответствии с законом Дальтона давление газовой смеси
равно сумме парциальных давлений ее компонентов:
Pсм = Pпар1 + Pпар2 + ... + Pпар n .
(4.2)
Статическое и динамическое давление
Рп
Рс
Рд
Pд = Pп − Pс =
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
При проведении исследований наиболее часто применяются жидкостные манометры следующих видов: U-образные, чашечные, микроманометры, с перемещающимся бачком, с противодавлением, батарейные, двухжидкостные и др.
Основные типы манометров представлены на рис. 4.5 [12].
–Р
а
б
в
Рис. 4.2. Схема датчика давления типа «Сапфир»:
Тр – тензорезистор; полость заполнена
кремнийорганической жидкостью
∆Р
г
v1
d1
d2
д
е
v
Рис. 4.3. Схема дифференциального
манометра-трубки Вентури
∆Р = Р1 – Р2
з
ж
h2
h1
1
v
2
Рис. 4.4. Схема дифференциального
манометра-трубки Пито
Жидкостные манометры широко применяются при измерении
давления до 500 кПа, что соответствует высоте лабораторных жидкостных манометров до 3 м. Принцип действия жидкостных манометров –
гидростатический.
188
189
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
и
к
л
Рис. 4.5. Основные типы манометров:
а – U-образный; б – бачковый с вертикальной трубкой; в – микроманометр
с наклонной трубкой; г – с перемещающимся бачком; д – с противодавлением;
е – двухжидкостный; ж – с переменным углом наклона трубки; з – поплавковый; и – колокольный; к – кольцевой; л – грузопоршневые (деформационный,
показывающий, мембранный); 1 – поплавок; 2 – колокол; 3 – перегородка;
4 – опора; 5, 8 – грузы; 6 – поршень; 7 – цилиндр; 9 – пружина; 10 – передаточный механизм; 11 – камера; Р, Ратм – соответственно измеряемое и атмосферное
давления; Н – высота столба манометрической жидкости; х – величина измеряемого давления
190
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
Жидкостные манометры. В таких приборах измеряемое давление (разрежение) либо разность давлений уравновешивается давлением столба манометрической жидкости, заполняющей прибор. Диапазон измерения – 10…105 Па. Жидкостные манометры применяют при
определении давления в лабораторных условиях и при поверке других
манометров. Погрешность измерения U-образных и чашечных манометров (0,5–1,0 %) определяется погрешностью самого прибора, ошибкой отсчета показаний и несоответствием действительного и расчетного значений плотности манометрической жидкости. Двухчашечные
(компенсационные) микроманометры с верхними пределами измерения до 2,5…103 Па имеют погрешность 0,02–0,05 %. При малых пределах измерения (до 104 Па) манометры заполняют легкими жидкостями
(водой, спиртом, толуолом, силиконовым маслом), при увеличении
пределов измерения до 105 Па – ртутью. В поплавковых, колокольных
и кольцевых дифманометрах мера измеряемого давления (перепада) –
не высота столба жидкости, а определяемое им положение подвижного элемента прибора. Манометрической жидкостью в поплавковых
дифманометрах является ртуть или силиконовое масло. Пределы измерения серийных приборов (от 4…103 Па до 0,16 МПа) обеспечиваются изменением высоты и диаметра одного из сосудов дифманометра. Погрешность не более 2,5 % от верхнего предела измерения. Колокольные дифманометры (манометрическая жидкость – обычно вода или
масло) применяются для измерения малых давлений и перепадов давлений от 25 до 400 Па. Погрешность 1,5 и 2,5 % от диапазона измерения. В кольцевых дифманометрах (кольцевых весах) замкнутый сосуд
с непроницаемой перегородкой в верхней части установлен на призматическую опору, которая расположена в центре тяжести сосуда. Под
действием разности давлений по обе стороны перегородки манометрическая жидкость перемещается внутри кольца в сторону полости с
меньшим давлением. Кольцо поворачивается в обратном направлении,
пока момент силы, действующей на перегородку, не станет равным
моменту силы тяжести противодействующего груза. Мера измеряемой
разности давлений – угол поворота кольца. Основные достоинства кольцевых манометров: высокая чувствительность, независимость угла
поворота от плотности манометрической жидкости, независимость
показаний от температуры окружающего воздуха. Верхние пределы
измерения 400…2,5 ⋅ 104 Па, погрешность 1,0 и 1,5 % от предела шка191
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
лы. Поплавковые, колокольные и кольцевые дифманометры – показывающие или записывающие приборы, которые могут быть снабжены
счетчиками расхода, регуляторами, сигнализаторами, а также устройствами для получения унифицированных пневматических или электрических сигналов дистанционной передачи.
Наиболее прост метод измерения давления по высоте столба жидкости (жидкостный манометр). Прибор такого типа был первым манометром в истории техники (предложен Э. Торричелли в 1640 г., построен В. Вивиани в 1642 г.). Принцип действия жидкостного манометра
основан на создании разности высот столбиков жидкости h в коленах
U-образной стеклянной трубки (состоящей из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью (рис. 4.6)) под действием разности давлений Р1 и Р2:
При равенстве давлений (Р1 = Р2) получается случай равенства
уровня жидкости в сообщающихся сосудах (рис. 4.7, а). Следовательно, по законам гидростатики свободные поверхности жидкости
(мениски) в обеих трубках установятся на уровне I – I (см. рис. 4.6).
Если одно из давлений превышает другое (Р1 > Р2), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно,
подъем в трубке 2 вплоть до достижения состояния равновесия
(рис. 4.7, б). При этом на уровне II – II уравнение равновесия примет
вид (4.1). Это уравнение справедливо для всех без исключения типов
жидкостных манометров. Следовательно, жидкостный манометр –
манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления.
Мерой давления в жидкостных манометрах является высота столба жидкости. Именно это обстоятельство привело к появлению единиц измерений давления: мм вод. ст., мм рт. ст. и других, которые естественным
образом вытекают из принципа действия жидкостных манометров [72].
Если левое колено манометра запаяно (рис. 4.7, в), то давление
можно считать равным нулю, а значение h однозначно определяет
величину Р1.
(4.4)
∆P = P1 − P2 = ρgh,
где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения; ρ – плотность жидкости, наполняющей манометр, кг/м3; h – разность высот жидкости
в коленах манометра, м.
2
Р2
Р1
1
Р2
Р2
2
а
2
Р1
б
Р1
в
Р2
h
Р1
Р1
Р1
h
Р1
1
1
Рис. 4.7. U-образный манометр
Рис. 4.6. Схема измерения U-образным манометром
192
Показания U-образного манометра не зависят ни от диаметра его
трубки, ни от ее формы – теоретически прибор может состоять из сообщающихся сосудов произвольной формы. Во избежание возникно193
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
вения погрешности измерений прибор располагается вертикально.
В качестве рабочей жидкости U-образных манометров для работы
в вакуумных системах используется ртуть. Однако ее пары токсичны,
а высокая плотность затрудняет измерение малых перепадов давлений
(мм рт. ст.) из-за небольшой величины h. Поэтому в последние 15–20 лет
в жидкостных манометрах применяют вакуумное масло. При этом возрастают габариты прибора – ртутный манометр, используемый
на откачных постах старых типов, обычно имеет длину не более 200 мм,
а масляный, применяемый на современных постах, 300–400 мм,
что упрощает отсчет по манометру. Шкала U-образного манометра
обычно выполняется в виде линейки, градуированной в миллиметрах.
U-образные манометры часто выпускают с разобщительным краном между коленами (рис. 4.8, а). Воздух из такого манометра перед
измерением откачивают до полного предельного остаточного давления вакуум-насоса при открытом кране. Затем кран закрывается, при
этом в верхней части левого колена манометра остается вакуум, в правое подается газ, давление которого и измеряется. Точность измерений
таким прибором вполне приемлема для технических нужд.
Масляный манометр заполняется чистым вакуумным маслом,
затем осторожно подогревается техническим феном при непрерывной
откачке. В течение 15–20 мин из масла выделяются газы, которые откачиваются насосом; после этого манометр готов к работе. Во избежание выдавливания масла в вакуумную систему при ошибочных действиях на трубках манометра часто выдувают шарики (рис. 4.8, б) –
резервуары для сбора масла. При стоке его обратно в трубку масляный
столбик обычно имеет разрывы (газовые пузыри). Для их устранения
в левое и правое колена манометра поочередно напускается или откачивается воздух, перемещая столбик масла то влево, то вправо – пузыри выдавливаются вверх и откачиваются насосом. Мелкие пузырьки
могут удаляться путем осторожного прогрева манометра феном или
просто теплом руки.
Грузопоршневые манометры. В этих приборах измеряемое давление, действующее через манометрическую жидкость на поршень
манометра, уравновешивается весом поршня и набора калиброванных
грузов. Наиболее распространены манометры с неуплотненным поршнем. Между поршнем и цилиндром имеется небольшой зазор. Пространство под поршнем заполнено специальным маслом, которое под
давлением поступает в зазор и обеспечивает смазку трущихся поверхностей. При измерении давления для уменьшения трения между цилиндром и поршнем последний приводится во вращение электродвигателем или вручную. Изменяя вес грузов и площадь сечения поршня,
можно изменять пределы измерения в широком диапазоне (от 2500 Па
до 2500 МПа). Приборы отличаются высокой точностью и стабильностью показаний; погрешность 0,02…0,2 % от верхнего предела измерения. Для определения небольших избыточных давлений, разрежения, абсолютного и атмосферного давлений применяют манометры
(см. рис. 4.8) специальных конструкций. Грузопоршневые манометры
используют, как правило, для поверки манометров других типов и при
лабораторных измерениях.
Деформационные манометры. Измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругих чувствительных
элементов: трубчатых манометрических пружин – одно- и двухвитковых, S-образных, винтовых, геликоидальных, спиральных; плоских
и гофрированных мембран; мембранных коробок; сильфонов; цилиндрических трубок и стаканов. Пределы измерения 10…2,5 ⋅ 109 Па.
Простота преобразования давления в упругую деформацию чувствительного элемента и большое разнообразие удобных в эксплуатации
конструкций обусловили широкое применение деформационных
манометров. Наиболее распространены так называемые пружинные
194
195
а
б
Р1
Рис. 4.8. Разновидности U-образных манометров
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
манометры с одновитковым трубчатым чувствительным элементом
(рис. 4.9). Под действием давления сечение пружины деформируется
и происходит перемещение ее свободного конца, преобразуемое передаточным механизмом в перемещение стрелки, которая показывает давление по шкале. Диапазон измерения обычно 0,1…2500 МПа, погрешность 0,16…4,0 %. Для защиты пружинных манометров от контакта
с агрессивными и высокотемпературными средами используются мембранные разделители давления с закрытой камерой. Внутренняя
полость манометрической пружины заполняется минеральным или
силиконовым маслом, через которое передается измеряемое давление
рабочей среды, непосредственно соприкасающейся с разделительной
мембраной. Мембрану изготавливают из нержавеющих сталей и сплавов, в том числе с высоким содержанием Ni и Мо, а также из титановых сплавов и Та. При измерении давления вязких, полимеризующихся и кристаллизующихся сред применяются бескамерные манометры
с открытым чувствительным или разделительным элементом –
сильфоном или мембраной. Для измерения небольших давлений (разрежений) и разности давлений используются манометры с чувствительными элементами в виде сильфонов, гофрированных мембран и мембранных коробок. В зависимости от диаметра, толщины и свойств материала, формы и глубины гофрировки чувствительных элементов можно
измерять давление от 100 до 107 Па и более. Погрешность 0,5…2,5 %.
Наиболее распространены деформационные манометры (рис. 4.10)
с трубкой Бурдона, конструкция которых создана Э. Бурдоном в 1849 г.
Трубка из латуни или фосфористой бронзы, имеющая обычно
С-образную форму, соединена с входным патрубком манометра.
Под давлением газа запаянный конец
трубки Бурдона перемещается – трубка старается распрямиться. Величина
1
этого перемещения пропорциональна
4
величине давления. Несложная рычаж2
но-зубчатая передача приводит в движение стрелку, указывающую на шка3
ле прибора величину давления. По такой схеме построены широко
распространенные манометры серий
МП, МТП, ДМ и др. Используя трубки более сложной формы (спиральной,
винтообразной), можно получать приРис. 4.10. Схема устройства
боры с большей чувствительностью,
деформационного
манометра
но меньшим пределом измерения.
с
трубкой
Бурдона:
При измерении малых давлений
1 – трубка Бурдона; 2 – рычаг
иногда применяются диафрагменные
передаточного механизма;
манометры, являющиеся разновидно3 – передаточный
стью деформационных. В них чувмеханизм; 4 – стрелка
ствительным элементом служит диафрагма – тонкая гофрированная металлическая пластинка.
Рассмотренные приборы позволяют измерять давление в ограниченном диапазоне: 20…140 кПа для U-образных и 35 кПа – 100 МПа
для деформационных. При измерении среднего вакуума (до 0,013 Па)
широко применяются тепловые вакуумметры различных конструкций.
Тепловые манометры используются для измерения небольших
абсолютных давлений (1…1000 Па) [18, 16, 20, 21, 22].
На протяжении нескольких десятилетий термопарные вакуумметры были едва ли не самыми распространенными. Схема устройства
такого прибора приведена на рис. 4.11. Датчик (измерительный преобразователь) этих приборов выполнен в виде стеклянной или металлической колбы, в которой подвешены два элемента: платиновый или
никелевый подогреватель и хромель-копелевая или хромель-алюмелевая термопара. Подогреватель и термопара сварены между собой через перемычку.
Подогреватель питается от измерительного блока постоянным
током, величину которого можно контролировать миллиамперметром.
196
197
К объему
Рис. 4.9. Схема пружинного манометра
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
Тепло, выделяемое подогревателем, переносится молекулами газа к термопаре и вызывает возникновение на ее электродах термоЭДС, величина
которой пропорциональна
давлению газа. ТермоЭДС отображается милливольтметром.
Принцип действия и первая
конструкция такого прибора
были предложены В. Феге в
1906 г. В дальнейшем констРис. 4.11. Схема термопарного
датчика давления
рукция прибора многократно
усовершенствовалась и видоизменялась. Современные термопарные вакуумметры оснащены стабилизатором тока подогревателя, а в цепи измерения термоЭДС обычно предусмотрен измерительный усилитель.
Термопарные вакуумметры отличаются исключительной простотой конструкции измерительного блока, относительной дешевизной
измерительного преобразователя, характеризуются малым временем реакции на изменение давления. Эти приборы способны измерять давление в диапазоне до 10–2…10–3 Па с точностью порядка 10 %. Успешно
работают отечественные вакуумметры ВТ-2, ВИТ-2 и их модификации, выпускавшиеся два-три десятилетия назад. Измерительные преобразователи ПМТ-2 (бывший ЛТ-2) в стеклянном корпусе и ПМТ-4
(ЛТ-4) в металлическом корпусе, выполненные в виде радиолампы с
октальным цоколем, дешевы и доступны. В современных моделях термопарных вакуумметров все чаще используется цифровая индикация.
Термопарными вакуумметрами комплектуются откачные посты DACO
Neon Equipment, «Аякс» и ряда других производителей.
Однако они имеют существенный недостаток – низкую надежность измерительного преобразователя (датчика). При попадании воздуха в горячий преобразователь подогреватель обычно сгорает. Кроме
того, датчик достаточно быстро загрязняется продуктами термического разложения вакуумного масла, конденсирующегося в его колбе,
и показания прибора становятся менее точными, что может стать причиной преждевременного выхода из строя газосветных ламп.
Несколько надежнее в работе и функциональнее вакуумметры сопротивления. Первый прибор такого типа был предложен в 1906 г.
М. Пирани, а позднее (в 1911 г.) усовершенствован К. Ф. Хейлом.
Поэтому такие устройства часто называют вакуумметрами Пирани или
Пирани – Хейла.
Датчик вакуумметра сопротивления – это металлическая или
(реже) стеклянная колба, в которой подвешено платиновое тело накала. При снижении давления в полости измерительного преобразователя изменяется отвод тепла от нагреваемого протекающим током тела
накала – чем более разрежен газ, тем хуже теплоотвод. Соответственно при росте температуры тела накала растет и его сопротивление,
вызывая дисбаланс измерительного моста, на который указывает
отклонение стрелки P1.
Платиновая проволока весьма стойка к окислению, поэтому датчик может работать в различных газовых средах, безопасен и напуск
воздуха в горячий датчик. Однако с течением времени датчик сопротивления также склонен к старению, вызванному как загрязнением его
(в основном маслом), так и естественным старением прибора.
Важными преимуществами вакуумметров сопротивления являются высокая надежность. Основной недостаток – относительно большая тепловая инерция, из-за чего показания прибора устанавливаются
медленнее, чем у термопарного вакуумметра.
Существенным недостатком всех видов тепловых вакуумметров
является зависимость их показаний от рода измеряемого газа. Это связано с различной теплопроводностью газов. Приборы обычно градуируются по давлению воздуха или азота. Для измерения давления рабочих газов (аргон, неон, газовые смеси) используют градуировочные таблицы. В цифровых приборах эта задача решается внесением поправок,
которые программируются производителем прибора. В устройствах
со стрелочными указателями, как правило, отсчет, снятый по шкале
прибора, переносится в градуировочную таблицу, и в ней выбирается
соответствующее ему значение.
Для измерения и преобразования избыточного вакуумметрического абсолютного давления различных сред в унифицированный выходной электрический сигнал применяются манометры электропреобразовательные. Пример манометра приведен на рис. 4.12 [73].
Характеристики манометров электропреобразовательных типа
МЭП и КРТ приведены в табл. 4.1.
198
199
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
В системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами применяются датчики давления, которые обеспечивают непрерывное преобразование значения
измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разрежения) в стандартный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.
Датчики предназначены для работы
с
вторичной
регистрирующей и показываРис. 4.12. Малогабаритные
измерительные преобразова- ющей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами
тели давления АИР-10
централизованного контроля и системами
управления, работающими от стандартного входного сигнала 0–5,
0–20 , 4–20 мА постоянного тока.
Датчик имеет устройство, позволяющее устанавливать значение
выходного сигнала, соответствующее как нижнему, так и верхнему
предельному значению измеряемого параметра.
Очень важным вопросом при эксплуатации вакуумметра является защита прибора от повреждения разрядом.
Необходимо ежегодно проводить поверку показаний вакуумметра.
Для вакуумметров разработаны испытательные установки различных
конструкций, имеющиеся в центрах сертификации и метрологии,
на предприятиях, эксплуатирующих значительное количество вакуумметров. Для большинства вакуумметров зарубежного производства методик поверки не существует (ни один из поставщиков оборудования
их не предлагает). А со временем погрешность показаний вакуумметра может стать весьма значительной.
На практике поверка может производиться путем сравнения показаний с показаниями заведомо исправного вакуумметра.
Для поверки показаний в режиме манометра, т. е. при измерении
давления, можно использовать жидкостный манометр, показания которого абсолютны и мало зависят от внешних условий. Поверка теплового
вакуумметра затруднительна, ее можно выполнить с использованием
простого, но точного прибора – манометра Мак-Леода. Манометр МакЛеода используется для измерения малых давлений в условиях вакуума.
Манометр представляет собой колбу с отростком, которая соединяется
гибкой трубкой с чашкой, заполненной ртутью. Этот прибор, называемый иначе компрессионным манометром или манометром с предварительным сжатием газа (рис. 4.13), встречается довольно редко. Однако,
имея его, можно с высокой точностью и малой погрешностью измерять
давления до 10–3 Па, что позволит проверять показания теплового вакуумметра в условиях проведения экспериментальных исследований. Процедура измерения состоит в том, что верхняя трубка манометра
Мак-Леода соединяется с измеряемым объемом. Затем чашка с ртутью
поднимается, ртуть заполняет объем манометра, оставляя «пузырь» в тонком капилляре. При поднятии сосуда с ртутью малый объем газа, вошедший по трубке А, отсекается и сжимается в расширении слева. Давление
сжатого газа измеряется по разности высот столбиков ртути в капиллярах С и D. Давление в пузыре зависит не только от разности уровней
в трубках, но и от соотношения объемов колбы и капилляра, которое
может доходить до 1000. Таким образом можно измерить давление примерно в 1000 раз меньше, чем обычным жидкостным манометром, без
потери точности. Измерения манометром Мак-Леода громоздки, связаны с необходимостью работы с большими количествами ртути, но при
этом этот метод позволяет получать наиболее достоверные результаты,
так как ведутся прямые измерения давления [74].
В условиях эксплуатации нередко заменяют вакуумметры зарубежного производства на отечественные: ВТ-2 (иногда ВТ-3), ВИТ-2
(ВИТ-2П), 13ВТЗ-003 и др. Их надежность достаточно высока и зачастую превосходит аналогичный показатель зарубежных [23, 75] (табл. 4.2.).
200
201
Технические характеристики МЭП и КРТ-5
Характеристика
Диапазон измерения
давления, МПа
МЭП
–0,1…0;
от 0 до 0,006...40
Выходные сигналы, мА
Класс точности
Температура
измеряемой среды, °С
0...5; 0...20; 4...20
0,25; 0,5
–25…+125
Таблица 4.1
КРТ-5
Полный ряд верхних
пределов давления:
0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4;
6; 10; 16; 25; 40; 60; 100
0...5; 0...10; 4...20
0,5; 1,0
–45…+110
Эксплуатация приборов измерения давления
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
a
Технические характеристики манометров
A
C D
№
Класс
Диапазон
Тип прибора
Другие характеристики
п/п
точности
измерения
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры
технические показывающие
Диаметр корпуса 40 мм.
1 М 1/1
0…25 МПа
2,5
Резьба присоединитель2 М 1/4
0…40 МПа
ного штуцера М10×1,
3 МВ 1/4
–0,1…+0,1 МПа
4 ДМ (ДВ, ДА)
–1…+60 кгс/см2
М12×1,5.
2018
Расположение штуцера
5 Манометр.
1,6
0…25 бар
осевое, радиальное
Тип
(в зависимости от моде111.10.040
ли)
Диаметр корпуса 50 мм.
6 ДМ (ДВ, ДА) 2,5
–1…+250 кгс/см2
Резьба присоединитель2029
7 Arda-MT
–1…+250 кгс/см2
ного штуцера М10×1,
8 KFM-ROSMA
0…315 кгс/см2
М12×1,5.
9 Манометр.
1,6
0…40 бар
Расположение штуцера
Тип
осевое, радиальное (в за111.10.050
висимости от модели)
Диаметр корпуса 60 мм.
10 МТП-60С1М1 2,5
0…1,6 МПа
Резьба присоединитель11 М 2/1
0…40 МПа
ного штуцера М12×1,5.
12 МП2-УУ2,
–1…+600;
Расположение штуцера
ВП2-УУ2
–1…0 кгс/см2
осевое, радиальное (в за13 МТП
–1…+40 кгс/см2
висимости от модели)
(МВТП)(2,3,4)М
14 Arda-MT
0…250 кгс/см2
15 Манометр
–1…+250 бар
Тип
111.10.063
б
5
8
2
1
3
6
Таблица 4.2
4
7
Рис. 4.13. Компрессионный манометр Мак-Леода (a) [76]
и принцип его действия (б) [24]:
1 – баллон; 2 – запаянный измерительный капилляр; 3 – стеклянная трубка;
4 – ответвление на вакуумную систему; 5 – сравнительный капилляр; 6 – сосуд
с ртутью; 7 – соединительный шланг; 8 – выход к вакуумной системе [24]
202
203
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
Продолжение табл. 4.2
№
Класс
Диапазон
Тип прибора
п/п
точности
измерения
16 М 3/1, МВ 3/1 1,5
0…40 МПа;
–1…+24 кгс/см2
17 МП3-УУ2,
0…600 кгс/см2;
ВП3-УУ2,
–1…0 кгс/см2;
МВП3-УУ2
–1…+24 кгс/см2
18 МП-100
–1…+40 МПа
19 Arda-MT
0…600 кгс/см2
20 KFM
0…1,6 МПа
21 Манометр.
–1…+250 бар
Тип
111.10.100
22 МКУ
–1…+25 кгс/см2
23 МТК, МКШ
–1…+600 кгс/см2
1,5
24 М 4/1,
0…40 МПа
МВ 4/1
–1…+24 кгс/см2
25 МП4-УУ2,
ВП4-УУ2
26 МВП4-УУ2
27 Arda-MT
28 KFM
29 Манометр.
Тип
111.10.160
30 ДМ 8010,
ДА 8010, .
ДВ 8010
1,6
1,5
0…1600 кгс/см2;
–1…0 кгс/см2
–1… +24 кгс/см2
–1…+600 кгс/см2
0…1,6 МПа
–1…+40 бар
0…600 кгс/см2;
–1…+24 кгс/см2
204
Другие характеристики
Диаметр корпуса 100 мм.
Резьба присоединительного штуцера М20×1,5.
Расположение штуцера
осевое, радиальное (в зависимости от модели)
Продолжение табл. 4.2
№
п/п
31
32
33
34
35
Диаметр корпуса 160 мм.
Резьба присоединительного штуцера М20×1,5.
Расположение штуцера
осевое, радиальное (в зависимости от модели)
Диаметр корпуса 250 мм.
Резьба присоединительного штуцера М20×1,5.
Расположение штуцера
осевое, радиальное
36
37
38
39
40
41
42
43
Класс
Диапазон
Другие
точности
измерения
характеристики
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры
сигнализирующие взрывозащищенные
ДМ 2010 Cг
0…1600 кгс/см2 Диаметр
1,5
корпуса
(ДМ2010)
100 мм. Резьба приДА 2010 Сг
–1…+24 кгс/см2 соединительного штуцера М20×1,5
ДВ 2010 Сг
–1…0 кгс/см2
Расположение штуцеЭлектроконтактный
0,4…25 МПа
ра осевое, радиальное
манометр на основе
(в зависимости от момикродели)
выключателей
ДМ 2005 Cг
0…1600 кгс/см2 Диаметр
1,5
корпуса
(ДМ2005)
160 мм. Резьба приДА 2005 Сг
–1…+24 кгс/см2 соединительного штуДВ 2005 Сг
–1…0 кгс/см2
цера М20×1,5
Расположение штуцеЭлектроконтактный 1,5
0,4…25 МПа
ра осевое, радиальное
манометр на основе
(в зависимости от момикродели)
выключателей
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры специальные
МТП-16СгВЗТ4
1; 1,5
0…600 кгс/см2
Диаметр
корпуса
МВТП-16СгВЗТ4
–
–1…+24 кгс/см2 160 мм. Резьба присоединительного штуВТП-16СгВЗТ4
–
–1…0 кгс/см2
цера М20×1,5.
ДМ (ДА, ДВ) 2005
1,5
–1…+1600
Расположение штуцеСг 1Ех (ВЭ-16рб)
кгс/см2
ра осевое, радиальное
ДМ (ДА, ДВ) 2005
1,5
–1…+1600
(в зависимости от моСг 1Ех «КС»
кгс/см2.
дели)
Коррозионностойкие
Тип прибора
205
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
Продолжение табл. 4.2
№
п/п
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
Тип
Класс
Диапазон
Другие характеристики
прибора точности
измерения
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры аммиачные
МП3А-У
0…600 кгс/см2
Диаметр Резьба присоедини1,5
МВП3А-У
–1…+24 кгс/см2 корпуса тельного штуцера
100 мм М20×1,5. РасположеМП4А-У
0…600 кгс/см2
Диаметр ние штуцера осевое,
МВП4А-У –
–1…+24 кгс/см2 корпуса радиальное (в зави160 мм симости от модели)
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры виброустойчивые
М-3ВУ,
–
0…600 кгс/см2, Диаметр корпуса 100 мм.
Резьба присоединительного
В-3ВУ
–1…0 кгс/см2
МВ-3ВУ
–1…+24 кгс/см2 штуцера М20×1,5. РасположеДМ 8008- 1,5
0…1600 кгс/см2, ние штуцера осевое, радиальВУ, ДВ
–1…0 кгс/см2
ное (в зависимости от модели)
8008-ВУ
ДА 8008–
–1…+24 кгс/см2
ВУ
Манометры, мановакуумметры коррозионностойкие
МП4А-КС 1,5
0…1600 кгс/см2 Диаметр корпуса 160 мм. Резьба присоединительного штуМВП4А–1…+1,5
КС
кгс/см2
цера М20×1,5. Расположение
штуцера осевое, радиальное (в
ДМ 80090…25 кгс/см2
зависимости от модели)
КС исп.
1/исп. 2
ДА 8009–1…+24 кгс/см2
КС исп.
1/исп. 2
206
Продолжение табл. 4.2
№
Класс
Диапазон
Тип прибора
Другие характеристики
п/п
точности
измерения
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры судовые
1,5
Диаметр корпуса 100 мм.
56 МТПСД0…600 кгс/см2
Резьба присоединительно100-ОМ2
57 МВТПСД–1…+24 кгс/см2 го штуцера М20×1,5.
100-ОМ2
Расположение штуцера
58 ВТПСД-100–1…0 кгс/см2
осевое, радиальное (в завиОМ2
симости от модели)
Манометры, мановакуумметры железнодорожные
59 МП
1,5
0…40 кгс/см2
Диаметр корпуса 100 мм.
60 МВП
–1…+24 кгс/см2 Резьба присоединительного штуцера М20×1,5.
61 МП-2,
0…16 кгс/см2
МП-2ДИСК
Расположение штуцера
осевое, радиальное (в зависимости от модели)
Манометры молочные
62 МТП-100/
2,5
0…10 кгс/см2
Диаметр корпуса 100 мм.
1-ВУМ
Резьба присоединительного штуцера М20×1,5.
Расположение штуцера
осевое, радиальное (в зависимости от модели)
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры цифровые
63 ДМ 5001 Д
0,5; 1
0…1600 кгс/см2 С токовым сигналом
64 ДМ 5001 Е
–1…0 кгс/см2
C индикацией
65 ДМ 5001 Г
–1…+24 кгс/см2 Сигнализирующий цифровой с токовым выходом
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры
точных измерений и образцовые
66 МТИ 1216
0,6; 1
–1…+25 кгс/см2 Диаметр корпуса 100 мм.
67 МТИ 1217
1
0…1600 кгс/см2 Резьба присоединительного
штуцера М20×1,5. Распо68 МТИ 1218
–1…+4 кгс/см2
0,6; 1
ложение штуцера радиаль69 ВТИ 1218
–0,6…0 кгс/см2
ное
70 МТИ 1232
0…600 кгс/см2
71 МТИ 1246
0…100 кгс/см2
72 МТИ 1511
0,6
0…60 кгс/см2
207
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 4. Приборы и методы измерения давления
Продолжение табл. 4.2
№
Класс
Диапазон
Тип прибора
Другие характеристики
п/п
точности
измерения
Манометры, мановакуумметры, вакуумметры образцовые
Диаметр корпуса 160 мм.
73 МО 11201
0,4
0…1 кгс/см2
Резьба присоединитель74 ВО 11201
–1…0 кгс/см2
ного штуцера М20×1,5
75 МО 11202
0…60 кгс/см2
Расположение
штуцера
76 МО 11203
0…600 кгс/см2
радиальное
77 МО 1226
0,15; 0,25 До 600 кгс/см2
Диаметр корпуса 250 мм.
Резьба присоединитель78 МО 1227
0,15; 0,25 До 25 кгс/см2
2
79 ВО 1227
0,25
–1…0 кгс/см
ного штуцера М20×1,5
Расположение
штуцера
радиальное
Манометры самопишущие, дифференциальные
преобразователи давления, мановакуумметры U-образные
80 МТС-711
1
0…600 кгс/см2
Модель 712 – часовой
М1/МТС-712 М1
привод диаграммы.
81 МВТС–1…+24 кгс/см2 Модель 711 – электрический привод
711М1/МВТСдиаграммы 2С – двух712М1
записные
82 ВТС-11М1/ВТС–1…0 кгс/см2
712М1
83 МТ2С0…1600 кгс/см2
711М1/МТ2С712М1
84 МВТ2С–
–1…+24 кгс/см2
711М1/МВТ2С712М1
85 ВТ2С–
–1…0 кгс/см2
711М1/ВТ2С712М1
208
Окончание табл. 4.2
№
п/п
Тип прибора
86
87
ДМ 3583
ДКО 3702
88
МДП4-СМ-Т
89
Манометр. Тип
700.01.080
ДСП-160М1
ДСП-4Сг-М1
ДСП-УС
ДСС-711М1ДСС712-М1
ДСС-711-2СМ1ДСС-712-2СМ1
90
91
92
93
94
95
96
97
Класс
точности
1,5
Диапазон измерения
Дифманометры
0…630 кПа
100…1000 Па
–1…+9 кгс/см2
3
0…10 бар
Другие
характеристики
Выходной сигнал –
ток взаимной индуктивности
Диаметр корпуса
160 мм
–
–
Перепадомер: перепад, избыточное
–
давление.
–
Уровнемер: уроМодель 712 – часовень, перепад, извой привод диабыточное давлеграммы. Модель
ние.
711 – электричеРасходомер: расский привод диаход, перепад, избы- граммы.
точное давление
2С – двухзаписные
Манометры – преобразователи давления
Выходной сигнал –
МЭД 22364
1
–1…+16 кгс/см2
МЭД 22365
–1…+1600 кгс/см2 ток взаимной индуктивности
Мановакуумметры U-образные
Мановакуумметр
4
3600 Па
–
U-образный
5000 Па
2
6000 Па
10 000 Па
1; 1,5
209
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Газоанализаторы используют для определения процентного содержания одного газа в другом при их выработке и потреблении. Такие задачи очень важны в сложных технологических процессах и для контроля качества выпускаемой продукции в химической, металлургической,
машиностроительной, электронной промышленностях, медицине и др.
Газоанализаторы по назначению делятся на две основные группы: для управления и контроля технологическими процессами и для
охраны окружающей среды и безопасности на производстве.
Основные требования по стабилизации основных параметров
газоанализаторов: современные газоанализаторы непрерывного контроля с автоматической записью показаний и сигнализацией аварийных
значений концентрации позволяют измерить концентрации нескольких
десятков процентов (10–100 %) до микроконцентрации; в приборах данного типа используют различные физические и химические свойства
газов, концентрацию которых необходимо определить.
Газоанализаторы являются сложными приборами и, как правило,
состоят из ряда блоков: подготовки газов, электронного, питания и регистрирующего прибора.
Практически для всех типов и видов газоанализаторов необходимо стабилизировать следующие параметры: расход анализируемого газа, проходящего через датчик, давление анализируемого газа, температуру анализируемого газа и чувствительного элемента, напряжение питания измерительной схемы, чистоту анализируемого газа
от пылевых частиц, влаги и вредных примесей. Отечественная промышленность выпускает много типов узлов подготовки газов, включающих очистку, осушку и стабилизацию расхода или давления.
В зависимости от определенных требований к качеству подготовки
анализируемого газа газоанализаторы оснащают соответствующими
узлами газоподготовки.
Термомагнитные газоанализаторы используются для определения
наличия кислорода в газах и газовых смесях. Принцип действия прибора основан на использовании явления, обусловленного ярко выра-
женными магнитными свойствами кислорода по сравнению с такими
свойствами других газов.
Датчик прибора имеет постоянно нагреваемый током электрический проводник (проточный чувствительный элемент) – стеклянную
полую цилиндрическую ампулу, внутрь которой впаяна платиновая
проволока, нагреваемая до температуры 70…75 °С. Если в контролируемом газе присутствует кислород, то его молекулы в холодном состоянии, являясь парамагнитными, проходя через датчик, первоначально втягиваются в сильное магнитное поле постоянного магнита и ускоряют свое движение в проточном элементе. За время соприкосновения
кислорода в датчике с нагретым электрическим проводником молекулы кислорода нагреваются до критической температуры (парамагнитная точка Кюри, равная 70 °С). При этом кислород резко меняет свои
магнитные свойства на противоположные (из парамагнитного – втягивающиеся – в диамагнитное – вытягивающиеся из магнитного поля).
В результате кислород свободно выталкивается из магнитного поля датчика, создавая конвекционный поток газа, т. е. термомагнитную конвекцию. При этом платиновая спираль датчика является нагревательным элементом, способствующим возникновению термомагнитной конвекции,
и одновременно чувствительным элементом, включенным в измерительную схему прибора (рис. 5.1). Большему содержанию кислорода соответствует бóльшая термомагнитная конвекция. Отдавая теплоту, платиновая
нить меняет температуру, а соответственно и электрическое сопротивление, поэтому по величине сопротивления чувствительного элемента можно косвенно определять концентрацию кислорода.
В зависимости от модификации термомагнитные газоанализаторы типа МН-5130 могут иметь следующие пределы измерений, % об.:
0–0,5; 0–1; 0–2; 0–5; 0–10; 0–21; 0–50; 20–80; 50–100; 80–100; 90–100;
98–100.
Термокондуктометрические газоанализаторы серии ТП используют для определения целого ряда газовых компонентов (водорода,
кислорода, азота, метана, гелия и т. п.). Принцип действия газоанализатора ТП основан на измерении теплопроводности определяемого газа
в газовой смеси.
На рис. 5.2 показана полная монтажная схема газоанализатора
вместе с узлом проверки прибора по поверочной газовой смеси (ПГС).
Ротаметр 2 совместно с двумя вентилями отбора газов типа Б-12 по-
210
211
Глава 5. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВА
ГАЗОВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ [71]
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
зволяет переключать датчик 3 газоанализатора ТП-5501 на анализируемый газ или баллон 5 с ПГС. После переключения отбора на ПГС
необходимо выждать 3–5 мин для установления показаний вторичного
прибора 4 типа КСМ. Если показания прибора отличаются от паспортного значения ПГС, необходимо произвести поднастройку показаний
резистором R11 [71].
Рис. 5.1. Принципиальная схема измерительного моста
газоанализатора МН-5130:
I – рабочий мост; II – сравнительный мост; РД – реверсивный двигатель; ЭУ – усилитель; R – реохорд; R1, R2 –
плечевые элементы; R3, R4, R7, R8 – постоянные плечи
моста; R5, R6 – датчики (чувствительные элементы):
1 – стеклянная проточная ампула; 2 – сопротивление
(нить); 3 – магнит постоянный
Анализ газов на основе различия их химических свойств проводится двумя методами: методом поглощения и методом взаимодействия
с другими газами.
Поглощение газа может быть абсорбционное, когда газ реагирует
с соответствующим реактивом, обычно находящимся в растворе,
и адсорбционное, когда газ адсорбируется на поверхности соответствующего твердого вещества.
На принципе абсорбционного поглощения основаны химические
газоанализаторы. Они делятся на две основные группы:
1. Приборы неполного газового анализа, позволяющие определить объемное процентное содержание RO2, O2, CO в газе.
2. Приборы полного газового анализа, позволяющие определить
процентное содержание RO2, O2, CO, CH4 и тяжелых углеводородов
CmHn.
Рассмотрим методику измерения состава воздушной среды
на примере приборов неполного газового анализа, которыми являются
широко распространенные
R переносные химические газоанализаторы
типа ОРСА, ГХП-3, ГХП-3М, автоматические газоанализаторы типа
Testo-300М.
Автоматический газоанализатор Testo-300М, зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений (№ 12639–91).
Устройство и принцип действия прибора [2]
В состав прибора входят (рис. 5.3): электронный блок, пробоотборный зонд, конденсатоуловитель с фильтрами тонкой очистки
от механических примесей, принтер и зарядное устройство.
Электронный блок содержит следующие основные элементы: три
электрохимические ячейки (для определения концентрации O2, CO,
NOх), микрокомпрессор (для прокачки анализируемой пробы через газовый тракт прибора), жидкокристаллический дисплей (имеющий возможность одновременного отображения четырех измеряемых или расчетных величин), датчик давления и другие электронные компоненты
схемы прибора.
Порядок выполнения измерений
Прибор собирается согласно приведенной схеме (см. рис. 5.3).
Проверяется конденсатоуловитель и фильтры на отсутствие влаги. Производится контрольное измерение температуры и состава воздуха для
коррекции прибора.
212
213
Чувствительный элемент в магнитном поле
2
3
1
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
214
Анализируемая проба газа отбирается при помощи зонда. В процессе измерения проба газа проходит через соединительные резиновые шланги и конденсатоуловитель с фильтрами тонкой отчистки
и, минуя компрессор, последовательно проходит три электрохимические ячейки, после чего сбрасывается в окружающий воздух.
Электронный блок
Пробоотборный зонд
ТВОЗДУХА Р
Анализируемый газ
Рис. 5.2. Монтажная газовая схема газоанализатора:
1 – конденсатоотводчик; 2 – ротаметр; 3 – датчик газоанализатора; 4 – регистрирующий прибор;
5 – баллон с ПГС; 6 – вентиль тонкой регулировки
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
ТГАЗА
Тяга
∆Р
Датчик давления
Компрессор
Забор пробы
Конденсатоуловитель
СО
Выход
пробы
NОх
О2
Электрохимические ячейки
Рис. 5.3. Схема движения анализируемой пробы газа
Значения коэффициента избытка воздуха α, концентрации О2, СО,
NOх, q2, КПД рассчитываются прибором Testo-300М и выводятся
на экран дисплея газоанализатора.
Частота обновления показаний прибора составляет не более 1,5 с.
Значения концентраций компонентов СО и NOх приводятся к величине α = 1 по следующим формулам:
CO пр = CO ⋅ α ;
NO x
пр
= NO x ⋅ α .
(5.1)
(5.2)
Температура газов измеряется термопарой типа К (NiCr–Ni), входящей в состав пробоотборного зонда прибора.
Прибором Testo-300М также можно измерить разрежение
(табл. 5.1).
215
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Таблица 5.1
Технические характеристики газоанализатора Testo-300М
Измеряемые величины
Температура
Давление / Разрежение
Концентрация О2
(τ < 20 с)*
Концентрация СО**
(τ < 30 с)*
Концентрация NОх
(τ < 20 с)*
Диапазон
измерения
40…1200 °С
Разрешающая
способность
1 °С
±800 Па
0…21 % об.
0,1 Па
0,1 % об.
0…8000 ppm
–
0…3000 ppm
1 ppm
Погрешность
±0,5 % от
измер. знач.
0,3 Па
±0,2 % об.
±5 % от
измер. знач.
±5 ppm
Растворы заливаются в поглотительные сосуды примерно на 2/3
их высоты. Для защиты растворов поглотителей от соприкосновения
с атмосферным воздухом реактив внешнего сосуда заливается слоем
в 1…2 мм вазелинового масла.
В качестве запорной жидкости в газоанализаторе применяется
дистиллированная подкисленная вода, а в сосудах, предназначенных
для отбора проб газовых смесей, – насыщенный раствор хлористого
натрия.
Все соединения в приборе герметичны, крышки притерты
и уплотнены вакуумной смазкой.
Схема устройства газоанализатора ГХП-3 представлена на рис. 5.4.
Примечание. * – максимальное время полного анализа; ** – приведенная
величина оксида углерода с поправкой на содержание Н2.
Производится пересчет значений содержания СО, NOх из показаний
прибора Testo-300М в мг/м3 (ррm) с приведением к О2 нормативному по
формулам:
CO = CО (ppm ) ⋅ 1,25 ;
(5.3)
NO x = NO x (ppm ) ⋅ 2,05 ,
(5.4)
где CO (ppm ) , NO x (ppm ) – концентрация СО и NOх в продуктах сгорания
топлива, измеренная с помощью газоанализатора Testo-300М, ррm.
После чего необходимо оценить погрешность проведенных измерений (см. гл. 1).
Прибор ГХП-3 позволяет определить с точностью до 0,1–0,2
объемного процента содержание RO2, O2, CO в газовой смеси методом
избирательного поглощения [1].
В качестве поглотителей применяются для определения RO2:
раствор едкого калия KOH;
O2 – щелочной раствор пирогаллола «А»;
CO – суспензия закиси меди с β-нафтолом в серной кислоте.
216
Рис. 5.4. Схема газоанализатора ГХП-3:
1 – бюретка; 2 – водяная рубашка; 3 – уравнительная склянка;
4 – гребенка; 5 – трехходовой кран (I, II, III – положения крана);
6–8 – поглотительные сосуды; 9 – трубка; 10 – пробка; 11 – отводная трубка; 12–14 – краны
217
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Порядок выполнения измерений
1. Заливаются растворы в поглотительные сосуды и запорная
жидкость – в уравнительную склянку 3.
2. Подводятся уровни растворов в поглотительных сосудах 6–8
на установочные метки при помощи уравнительной склянки 3 (кран 5
должен быть при этом в положении I).
3. Прибор проверяется на герметичность.
4. Проверяется качество поглотителя для O2 из анализа атмосферного воздуха (объемное процентное содержание O2 в воздухе должно быть 20,9 %).
5. Производится продувка газопровода. Соединяются трубкой 9
место отбора пробы и газоанализатор. Подводят уровень запорной
жидкости в измерительной бюретке 1 на отметку «0», повернув кран 5
в положение I. Затем, поставив кран 5 в положение II и опуская уравнительный сосуд 3 вниз, проводят отбор газовой пробы в измерительную бюретку 1. Кран 5 ставят в положение I и поднимают сосуд 3,
газовая проба вытесняется из бюретки в атмосферу. Продувка газопровода выполняется несколько раз. При последней продувке уровень замыкающей жидкости поднимается до отметки «0», а кран 5 устанавливается в положение III.
6. Производится отбор пробы газовой смеси. В измерительную
бюретку 1 набирается более 100 мл газовой пробы (уровень запорной
жидкости в бюретке ниже отметки «100», а кран 5 в положении III). Взятая таким способом проба не будет под атмосферным давлением. Далее
уровни в бюретке и сосуде 3 совмещаются и кран 5 осторожно ставят в
положение I, излишек газа вытесняется в атмосферу. Как только уровень
замыкающей жидкости достигнет отметки «100», кран 5 устанавливается в положение III. После этих операций в измерительной бюретке будет
находиться 100 мл газовой смеси под атмосферным давлением.
7. Поглощение CO 2 + SO 2 . Создав некоторое избыточное давление газовой пробы поднятием сосуда 3, открывают полностью краник
13 у поглотительного сосуда 6 и газовая проба перегоняется в поглотительный сосуд. Газовая проба перегоняется из бюретки в поглотительный сосуд и обратно за счет опускания и поднятия уравнительной склянки 5–6 раз. При выполнении этих операций не допускается попадание
раствора поглотителя и замыкающей жидкости в гребенку. Для этого
при поднятии уравнительной склянки необходимо внимательно сле-
дить за положением поднимающегося уровня жидкости в бюретке,
а при опускании уравнительной склянки – за положением поднимающегося уровня раствора в поглотительном сосуде. После окончания поглощения устанавливается уровень раствора на отметке и закрывается
кран 13. Установка уровней производится только уравнительной склянкой, а не краниками. Затем, совместив уровни замыкающей жидкости
в бюретке и в уравнительной склянке на одной высоте, производят отсчет уменьшения объема по шкале на бюретке. Уровень замыкающей
жидкости в бюретке поднимается, так как она займет место поглощенного газа. Отсчет уменьшения объема на бюретке дает содержание
CO 2 + SO 2 в процентах и записывается в журнал.
8. Поглощение O2. После окончания анализа на CO2 в том же порядке производится и поглощение O2 в сосуде 7 из оставшегося объема
газовой пробы. Газ остается в поглотительной пипетке в течение пяти
минут, после чего производится покачивание ее несколько раз. Контрольное покачивание проводится до постоянного отсчета. При проведении отсчета замыкающая жидкость в бюретке занимает место поглощенного O2, т. е. отсчет будет показывать сумму (CO 2 + SO 2 ) + O 2 .
Измеренное содержание O2 записывается в журнал.
9. Поглощение CO. В поглотительном сосуде 8 производится
поглощение CO до постоянного объема.
Отсчет будет показывать сумму
218
219
(CO 2 + SO 2 ) + O 2 + CO
(5.5)
Измеренное содержание CO записывается в журнал.
Остаток в бюретке после поглощения, %,
N 2 = 100 − (CO 2 + SO 2 + O 2 + CO )
(5.6)
Портативные (компактные переносные) газоанализаторы
Газоанализатор Testo 330 [95]
Электронный газоанализатор, обладающий всеми функциями для
быстрой настройки процесса горения любых промышленных топливосжигающих установок (№ 17271–05 в Государственном реестре
средств измерений РФ). Срок гарантии – 12 месяцев (рис. 5.5).
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Testo 330-3 – объединяет все возможности предыдущих моделей,
а также имеет клапан отключения датчика СО и память на 400 измерительных блоков.
Технические характеристики газоанализатора Testo 330
Testo 350M/XL
Testo 325М
Testo 330
Testo 335
Рис. 5.5. Газоанализаторы Testo
Особенности:
современный, удобный, компактный и легкий в применении прибор;
низкая стоимость;
связь с ПК;
возможность подключения инфракрасного принтера.
Рекомендуемая комплектация Testo 330:
электронный блок с датчиками O2, CO, NO, давления, температуры
(до 1000 °С);
газоотборный зонд 700 мм с гибким шлангом 2,2 м;
зарядное устройство;
фильтры пыли (10 шт.);
уловитель влаги;
кейс.
Измеряет:
содержание О2, СО, NO в дымовых газах;
температуру дымовых газов, наружного воздуха, места утечек горючих
газов, концентрацию СО в помещениях;
давление/разрежение.
Рассчитывает:
содержание CO2; NOx;
КПД;
избыток воздуха.
Дополнительно комплектуется:
инфракрасный принтер.
Модификации
Testo 330-1 – стандартная версия (диапазон измерения СО
0…4000 ppm, память – 200 измерительных блоков).
Testo 330-2 – диапазон измерения СО 0…8000 ppm с разбавлением пробы и автоматическим расширением диапазона измерения СО
до 30 000 ppm, память – 200 измерительных блоков.
220
O2, %............................................0–21
CO, ppm.........................................
0…4000, 0…8000 или 0…30 000
CO2, %.........................................0–99,9
NO, ppm.........................................
0…3000
Температура, °С.........................................
До 1000
Давление/разрежение, Па….. 40
Размеры зонда, мм.........................................
300×8, 700×8 или длиной до 2000
Питание.........................................
От аккумуляторной батареи или от сети
Порты для вывода
(компьютер или принтер)……….
USB, инфракрасный порт для
подключения принтера
Масса, кг.........................................
1
Портативный газоанализатор ПГА
Назначение: для измерения концентраций углеводородов,
углекислого газа, кислорода и токсичных газов в газовоздушной среде
на взрывоопасных объектах и в рабочих зонах в соответствии
с ГОСТ 51330.9–99 и ГОСТ 12.1005–88. Область применения газоанализаторов – взрывоопасные зоны помещений и наружных установок согласно нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования во
взрывоопасных зонах. Газоанализаторы
ПГА – портативные приборы непрерывного действия (рис. 5.6).
Сигнализация. Газоанализаторы
обеспечивают световую и звуковую предупредительную и аварийную сигнализации по двум фиксированным уровням.
Возможна программная переустановка
Рис. 5.6. Газоанализатор
порогов сигнализации с помощью кнопок
портативный ПГА
на лицевой панели прибора.
221
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Универсальность. Использование уникальных оптических датчиков обеспечивает газоанализаторам ПГА:
высокую стабильность нуля;
устойчивость к воздействию концентрационных перегрузок и агрессивных сред, содержащих соединения хлора, фтора, серы, азота,
фосфора, тетраэтилсвинца и др.;
высокую для портативных приборов чувствительность, селективность, широкий диапазон измерений и малую погрешность.
Для измерения концентрации метана, пропана и углекислого газа
используются оптические датчики. Для измерения концентрации кислорода, токсичных газов и водорода используются электрохимические
датчики. Соответствуют требованиям ГОСТ 13320–81*, ГОСТ 12997–84,
ГОСТ 14254–96 по группе IP54. Вид взрывозащиты по
ГОСТ Р 51330.10–99 (МЭК 60079-11–98).
Многофункциональный оптический газоанализатор ПГА
для контроля воздуха рабочей зоны
(модифицированный ПГА-М-31)
Технические характеристики ПГА
Способ отбора пробы…………
Принудительный, с помощью встроенного
микропроцессора, возможна ручная прокачка
Быстродействие, Т90, с,
не более………………………..
30 для оптических датчиков;
60 для электрохимических
Время работы
без подзарядки, ч…………………
16
Диапазон рабочих
–30…+40
температур, °C…………………
Питание………………….. Аккумуляторная батарея 3,6 В
Габариты, мм…………………
220×83×33
Масса, кг………………… Не более 0,6
Диапазоны измерений датчиков
CH4………… 0...5 об.д.%
C3H8……….…0...2 об.д.%
CО2………… 0...2 об.д.%
CH4 (ПДК) …………
0...7000 мг/м3
S(C2…C8)…….
0...3000 мг/м3
CO…………….
0...120 мг/м3 (0...103 ррm)
H2S………… 0...45 мг/м3 (0...32 ррm)
SO2………….0...50 мг/м3 (0...15 ррm)
222
Назначение: для измерения в атмосфере рабочей зоны суммарной концентрации предельных углеводородов из ряда СН4...С10Н22,
в соответствии с ГОСТ 112.1.005–1, а также концентрации каждого
из газов СН4...С10Н22, кислорода, углекислого, угарного и сернистого
газов, диоксида азота, сероводорода и аммиака.
Отличительные особенности:
ПГА-М-31 – портативный прибор непрерывного действия (рис. 5.7).
Одновременная запись в память прибора
результатов измерений концентраций всех газов,
по 200 возможных записей на каждый канал.
Передача результатов измерений в персональный компьютер.
Контроль состояния аккумуляторов с индикацией их разряда.
Прибор способен работать при высокой
влажности и в отсутствие кислорода, при наличии агрессивных и токсичных химических
веществ, таких как соединения хлора, фтора,
серы, азота, фосфора, силиконовые соедине- Рис. 5.7. Модифицированный ПГА-М-31
ния и др.
Прибор выдерживает перегрузки по концентрациям метана и других углеводородов до 100 об.д.%.
Область применения: взрывоопасные зоны помещений и наружных установок согласно ГОСТ Р 51330.9–99.
Сигнализация: газоанализаторы обеспечивают световую и звуковую предупредительную и аварийную сигнализацию по двум фиксированным порогам при выходе за пределы установленных значений
ПДК или взрывоопасных концентраций. Возможна программная переустановка порогов сигнализации с помощью кнопок на лицевой панели прибора.
Селективность: оптический газоанализатор – единственный, который обеспечивает высокую селективность измерений концентрации
метана на фоне других углеводородов и измерения концентрации угле223
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
водородов С2Н6…С10Н22 на фоне метана. Коэффициент подавления фоновых концентраций 100.
Для измерения концентрации суммы
предельных углеводородов из ряда
СН4...С10Н22, отдельно каждого из газов
СН4...С10Н22, а также диоксида углерода используются оптические датчики (рис. 5.8).
Принцип их действия основан на поглощении инфракрасного излучения молекулами
контролируемых газов. Для измерения концентрации кислорода и токсичных газов исРис. 5.8. Оптические
пользуются электрохимические датчики.
датчики газоанализатора Каждый датчик является законченным модулем и имеет ПЗУ с калибровочными характеристиками. В прибор в любых сочетаниях могут входить одновременно два типа оптических датчиков и один из шести электрохимических датчиков. Измерение концентраций всех трех газов происходит
одновременно и непрерывно.
На индикаторе отображаются концентрация и обозначение выбранного газа.
Диапазоны измерений датчиков
Технические характеристики ПГА-М-31
Способ отбора пробы…………………
Принудительный, с помощью встроенного
микропроцессора, возможна ручная прокачка
Быстродействие, Т90, с,
не более………………………
30 для оптических датчиков;
60 для электрохимических
Время работы
без подзарядки, ч…………………
16
Диапазон рабочих
–30…+40
температур, °C…………………
Питание…………………Аккумуляторная батарея 3,6 В
Габариты, мм…………………
220×83×33
Масса, кг…………………Не более 0,6
224
CH4……………
0–5 об.д.%
C3H8……………
0–2 об.д.%
CО2……………
0–2 об.д.%
CH4 (ПДК) ……………
0–7000 мг/м3
S(C2…C8)
0–3000 мг/м3
CO……………0–120 мг/м3 (0–103 ррm)
H2S……………
0–45 мг/м3 (0–32 ррm)
SO2……………
0–50 мг/м3 (0–15 ррm)
NO2……………
0–20 мг/м3 (0–10 ррm)
NH3……………
0–70 мг/м3 (0–99 ррm)
H2……………0–5 об.д.% (0–4500 мг/м3)
О2……………0–30 об.д.%
Газоанализатор «Эксперт» [107]
Назначение: универсальный многокомпонентный газоанализатор
«Эксперт» является профессиональным прибором для контроля
промышленных выбросов топливосжигающих установок всех типов.
Прибор выпускается в трех модификациях («Эксперт Газ», «Эксперт
МТ» и «Эксперт Универсал»), отличающихся друг от друга верхними
пределами диапазонов измерений (табл. 5.2), при этом модификация
«Газ» предназначена для контроля установок с низким содержанием
вредных веществ в выбросах (работающих на природном газе),
модификация «МТ» – для контроля установок с высоким содержанием
вредных веществ в выбросах (работающих на мазуте, угле и т. д.),
а модификация «Универсал» – для контроля установок, работающих на
любом виде топлива.
Отличительной особенностью модификации «Эксперт Универсал»
является наличие в составе прибора двух комплектов разнодиапазонí û õ äàò÷èêî â ÑÎ , NO è SO2 (нет аналогов в России), обеспечивающих
высокую точность измерений прибором как низких, так и высоких концентраций газов. Кроме того, в модификации прибора с индексом «про»,
кроме электрохимических датчиков для измерения O2, СО, NO, NO2,
SO2 и H2S, могут дополнительно устанавливаться ИК-оптические блоки для измерения СО2, СН (с калибровкой по метану, пропану или гексану) и сверхвысоких концентраций (до 10 % об.) СО.
225
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Возможные исполнения прибора по количеству каналов: «Эксперт
Газ стандарт» и «Эксперт МТ стандарт»:
• 5 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2;
• 6 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+H2S ;
• 6 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+СО (второй э/х датчик высоких
концентраций);
• 7 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+H2S+СО (второй э/х датчик
высоких концентраций).
«Эксперт Газ про» и «Эксперт МТ про»:
• 6 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+СO2 (оптика 0–30 %);
• 7 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+H2S+СO2 (оптика 0–30 %);
• 6 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+СН (оптика 0–1 % по СН4);
• 7 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+H2S+СН (оптика 0–1 % по СН4);
• 7 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+СO2 (оптика 0–20 %) + СН
(оптика 0–1 % по С3Н8 или С6Н14);
• 8 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+H2S+СO2 (оптика 0–20 %)+СН
(оптика 0–1 % по С3Н8 или С6Н14);
• 8 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+СO (оптика 0–10 %) + СO2
(оптика 0–20 %) + СН (оптика 0–5000 ppm по С3Н8 или С6Н14);
• 9 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2+H2S+СO (оптика 0–10 %) + СO2
(оптика 0–20 %) + СН (оптика 0–5000 ppm по С3Н8 или С6Н14).
«Эксперт Универсал стандарт»:
• 8 каналов: О 2 -СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика);
• 9 каналов: О 2 -СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+H2S.
• «Эксперт Универсал про»:
• 9 каналов: О 2 -СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+СO2 (оптика 0–10 или 0–30 %);
• 10 каналов: О 2-СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+H2S+СO2 (оптика 0–10 или 0–30 %);
• 9 каналов: О 2 -СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+СН (оптика 0–1 % по СН4);
• 10 каналов: О 2-СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+H2S+СН (оптика 0–1 % по СН4);
• 10 каналов: О 2-СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+СO2 (оптика 0–20 %) +СН (оптика 0–1 % по С3Н8 или С6Н14);
• 11 каналов: О 2-СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+H2S+СO2 (оптика 0–20 %)+СН (оптика 0–1 % по С3Н8 или
С6Н14);
• 11 каналов: О 2-СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+СO (оптика 0–10 %)+СO2 (оптика 0–20 %)+СН (оптика 0–
5000 ppm по С3Н8 или С6Н14);
• 12 каналов: О 2-СО (2 датчика)-NO (2 датчика)-NO 2 -SO 2
(2 датчика)+H2S+СO (оптика 0–10 %)+СO2 (оптика 0–20 %)+СН (оптика
0–5000 ppm по С3Н8 или С6Н14).
226
227
Возможные исполнения по диапазонам измерений
(электрохимические сенсоры)
Исполнение
О2,
%(об.)
1
2
0...21
0...21
1
2
3
4
5
6
7
0...21
0...21
0...21
0...21
0...21
0...21
0...21
1
0...21
2
0...21
3
0...21
4
0...21
5
0...21
6
0...21
7
0...21
СО,
NO,
мг/м3
мг/м3
«Эксперт Газ»
0...500
0...300
0...1000
0...300
«Эксперт МТ»
0...2000
0...1000
0...2000
0...2000
0...5000
0...2000
0...5000
0...2000
0...5000
0...3500
0...10 000
0...3500
0...10 000
0...3500
«Эксперт Универсал»
0...500,
0...300,
0...2000
0...1000
0...500,
0...300,
0...2000
0...2000
0...500,
0...300,
0...5000
0...2000
0...500,
0...300,
0...5000
0...2000
0...500,
0...300,
0...5000
0...3500
0...500,
0...300,
0...10 000
0...3500
0...500,
0...300,
0...10 000
0...3500
Таблица 5.2
NO2,
мг/м3
SO2,
мг/м3
H2S,
мг/м3
0...100
0...100
0...300
0...300
0...100
0...100
0...100
0...200
0...200
0...200
0...500
0...500
0...500
0...2000
0...2000
0...2000
0...5000
0...5000
0...5000
0...10 000
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...100
0...300,
0...2000
0...300,
0...2000
0...300,
0...2000
0...300,
0...5000
0...300,
0...5000
0...300,
0...5000
0...300,
0...10 000
0...500
0...200
0...200
0...200
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Базовая комплектация поставки:
• газоанализатор со встроенным принтером;
• ручка пробоотборного зонда в комплекте с пробоотборным
шлангом с внутренней фторопластовой трубкой, стойкой к NO2 и SO2,
длина 2,5 м;
• трубка пробоотборного зонда со встроенным термопреобразователем (–20…+800 °C), длиной 740 мм, в комплекте с упорным конусом и чехлом для транспортировки и хранения;
• влагоотделитель (для модификаций «стандарт») или электрический блок осушки пробы (для модификаций «про»);
• внешний фильтр очистки пробы;
• блок питания / зарядное устройство;
• сумка для транспортировки прибора и принадлежностей
кожаная, утепленная;
• ремень для переноски прибора;
• комплект запасной бумаги для термопринтера;
• комплект документации (руководство по эксплуатации, методика выполнения измерений, методика поверки, свидетельство о государственной поверке, копии имеющихся сертификатов).
Дополнительные принадлежности, запасные части:
• сменные трубки пробоотборного зонда со встроенным термопреобразователем (–20…+800 °C или –20…+1000 °C), длиной 300–
1500 мм;
• пневмометрические трубки типа Пито длиной 750–2000 мм;
• предварительный МК-фильтр для пробоотборного зонда;
• запасные фильтры очистки пробы;
• программа приема данных для ПК в комплекте с кабелем связи;
• калибровочные газовые смеси в баллонах под давлением.
Краткое описание прибора и его преимущества (табл. 5.3)
Принцип действия газоанализатора основан на применении комплекта электрохимических и оптических ячеек для измерения содержания газовых компонент, термоэлектрического преобразователя для
измерения температуры, двухплечевого мембранного датчика для измерения давления и пневмометрической трубки типа Пито для определения скорости газового потока и объемного расхода газа.
228
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Основные технические характеристики
газоанализаторов «Эксперт»
Измеряемый
компонент/
параметр
Кислород (О2),
%(об.)
Оксид углерода
(СО), мг/м3
Принцип
измерений
Диапазон
измерений
Электрохимический
сенсор
Электрохимический
сенсор
0...21
0...500
0...1000
0...2000
0...5000
0...10 000
0...50 000
Оксид углерода
(СО), %(об.)
Оксид азота (NO),
мг/м3
Оптический сенсор
(модиф. «про»)
Электрохимический
сенсор
0...10
0...300
0...1000
0...2000
0...5000
Диоксид азота (NO2),
мг/м3
Электрохимический
сенсор
0...100
0...200
0...500
Сернистый ангидрид
(SO2), мг/м3
Электрохимический
сенсор
0...300
0...2000
0...5000
0...10000
Сероводород (H2S),
мг/м3
Электрохимический
сенсор
0...100
Диоксид углерода
(СО2), %(об.)
Оптический сенсор
(модиф. «про»)
0...20
Углеводороды (по
СН4), %(об.)
Углеводороды (по
С3Н8 или С6Н14), ppm
Оптический сенсор
(модиф. «про»)
0...500
0...30
0...1
0...5000
229
Таблица 5.3
Пределы допускаемой основной
погрешности
абсолютной
относительной
±0,2
–
±5
(0...100)
±7,5
(0...150)
±10
(0...200)
±15
(0...300)
±20
(0...400)
±100
(0...1000)
±0,02
(0...0,4 %)
±5
(0...100)
±7,5
(0...150)
±10
(0...200)
±15
(0...300)
±5
(0...100)
±6
(0...120)
±7,5
(0...150)
±5
(0...100)
±15
(0...300)
±25
(0...500)
±35
(0...700)
±5
(0...100)
±7,5
(0...150)
±0,3
(0...6 %)
±0,5
(0...10 %)
±0,02
(0...0,4 %)
±15
(0...300)
±5 % (100...
500 мг/м3)
±5 % (150...
1000 мг/м3)
±5 % (200...
2000 мг/м3)
±5 % (300...
5000 мг/м3)
±5 % (400...
10000 мг/м3)
±5 % (1000...
50 000 мг/м3)
±5 % (0,4...10
%(об.))
±5 % (100...300
мг/м3)
±5 % (150...
1000 мг/м3)
±5 % (200...
2000 мг/м3)
±5 % (300...
3500 мг/м3)
–
±5 % (120...
200 мг/м3)
±5 % (150...
500 мг/м3)
±5 % (100...
300 мг/м3)
±5 % (300...
2000 мг/м3)
±5 % (500...
5000 мг/м3)
±5 % (700...
10 000 мг/м3)
–
±5 %
(150...500 мг/м3)
±5 %
(6...20 %(об.))
±5 %
(10...30 %(об.))
±5 %
(0,4...1 %(об.))
±5 %
(300...5000 ppm)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Окончание табл. 5.3
Измеряемый
компонент/
параметр
Температура
газового потока, оС
Избыточное
давление /
разрежение газового
потока, ГПа
Скорость газового
потока, м/с
Принцип
измерений
Диапазон
измерений
Термопара
–20…+800
–20…+1000
Мембранный
датчик
± (0…50)
Трубка Пито
4…50
Пределы допускаемой основной
погрешности
абсолютной
относительной
±3
±1 %
(–20…+300)
(300…800)
±3 оС
±1 %
(–20… +300)
(300…1000)
±0,25
–
±2
–
Технические характеристики газоанализаторов «Эксперт»
Рассчитываемые
величины…………………….
Объемная доля диоксида углерода (СО2) –
у модификаций «стандарт»;
суммы оксидов азота (NОx) в пересчете на
NO2;
коэффициент избытка воздуха (1,00–9,99);
коэффициент потерь тепла (0–99,9 %);
КПД сгорания топлива (0–99,9 %)
Единицы измерений…………………
мг/м3, ppm, мг О2 (приведенные к базовому
содержанию О2)
Дополнительные
возможности…………………
Усреднение результатов, расчет объемного
расхода и массового выброса
Отбор газовой пробы…………………
Встроенный микронасос (2,0 л/мин)
Электропитание…………………
От встроенного аккумулятора или от сети
переменного тока
Время работы без
подзарядки
аккумулятора…………………
Не менее 10 ч (не менее 3 ч при работе в
комплекте с электрическим блоком осушки)
Дисплей………………… Алфавитно-цифровой, 4 строки по 20 символов
с подсветкой
Память данных…………………
Встроенная, емкость 600 записей
Печать результатов…………………
Встроенный ИК-термопринтер
Передача результатов
на ПК………………………..
Последовательный RS232С
Масса, кг………………… 5,5…7,5 (7,5…9,5 с принадлежностями)
Диапазон рабочих
0…45
температур, °С…………………
230
Конструктивно газоанализатор выполнен в прочном корпусечемоданчике, на лицевую панель которого выведены дисплей, клавиатура, термопринтер и все коммутационные разъемы и штуцеры. Измерительная информация отображается на жидкокристаллическом дисплее, оснащенном подсветкой. Электропитание газоанализатора может
осуществляться как от внутреннего аккумулятора, так и от сети переменного напряжения.
Высокая точность измерений. Благодаря использованию двух комплектов разнодиапазонных электрохимических ячеек по каналам измерений СО, NO и SO2 (один для измерения низких, а другой для измерения средних и высоких концентраций) газоанализатор «Эксперт Универсал» обладает высокими метрологическими характеристиками как
в области измерения средних и высоких концентраций, так и в области
измерения низких концентраций, обеспечивая требуемую природоохранными документами точность измерений (суммарная относительная
погрешность не более ±25 %) начиная уже с 25 мг/м3.
Измерение диоксида углерода и углеводородов. В модификациях
«про» газоанализаторы «Эксперт» помимо электрохимических ячеек
оснащаются оптическими блоками, предназначенным для измерения
содержания диоксида углерода (СО2) и углеводородов, что позволяет
более качественно и полно проводить экологический контроль выбросов и технологическую настройку оборудования.
Газоанализатор «Эксперт» обладает рядом дополнительных возможностей:
• сбор и статистическая обработка результатов измерений (вычисление средних значений) за 20-минутный интервал времени в соответствии с требованиями природоохранных органов;
• вычисление объемного расхода потока отходящих газов, м3/с,
и массового выброса, г/с, загрязняющих веществ на основе результатов выполненных инструментальных измерений;
• передача протокола измерений из памяти газоанализатора
на персональный компьютер в формате MS Word с возможностью последующей распечатки на стандартном принтере.
Встроенная память данных газоанализатора рассчитана для
постоянного хранения 600 записей. Впоследствии записанные данные
могут быть распечатаны на принтере или переданы на персональный
компьютер.
231
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
В модификациях «про» газоанализаторы «Эксперт» комплектуются электрическим блоком осушки газовой пробы (основанным
на использовании элементов Пельтье), обеспечивающим более качественную осушку пробы (по сравнению со стандартным механическим влагоотделителем) и позволяющим измерять низкие концентрации легкорастворимых веществ (NO2 и SO2).
ИК-термопринтер, поставляемый с газоанализатором, позволяет
распечатывать протоколы измерений как непосредственно во время
проведения измерений, так и после их завершения при считывании
данных из памяти прибора.
В комплект поставки газоанализатора входит полный комплект
технической документации, включая методику выполнения измерений,
разработанную и утвержденную в установленном порядке и допущенную к применению на территории РФ.
Прибор может комплектоваться пробоотборными зондами и трубками Пито различной (300–2000 мм) длины, а также электрическим
блоком осушки пробы и дополнительным противопылевым металлокерамическим фильтром. В комплект поставки могут входить калибровочные газовые смеси в баллонах под давлением, предназначенные
для контроля точности результатов измерений и периодической калибровки газоанализатора в процессе эксплуатации.
того, выпускаются специальные модификации прибора для северных
районов с расширенным температурным диапазоном эксплуатации до
минус 30 °С (с индексом «Т»), а также модификации во взрывобезопасном исполнении (с индексом «Ех») для предприятий нефтегазодобывающей и нефтегазоперерабатывающей отраслей.
Возможные исполнения прибора по количеству каналов:
3 каналa: О2-СО-NO;
4 канала: О2-СО-NO-NO2;
5 каналов: О2-СО-NO-NO2-SO2 или О2-СО-NO-SO2-H2S.
Газоанализатор «Монолит»
Назначение: малогабаритный многокомпонентный газоанализатор «Монолит» предназначен для контроля в выбросах всех основных
веществ-загрязнителей: O2, СО, СО2, NO, NO2, SO2 и H2S – и может
использоваться как при технологической настройке топливосжигающих установок для оптимизации процесса горения, так и при их экологическом контроле.
Прибор выпускается в двух основных модификациях («Монолит
Газ» и «Монолит МТ»), отличающихся друг от друга верхними пределами диапазонов измерений (табл. 5.4), при этом модификация «Газ»
предназначена для контроля установок с низким содержанием вредных веществ в выбросах (работающих на природном газе), а модификация «МТ» – для контроля установок с высоким содержанием вредных веществ в выбросах (работающих на мазуте, угле и т. д.). Кроме
232
Возможные исполнения по диапазонам измерений
(электрохимические сенсоры)
Исполнение
О2,
%(об.)
1
2
0...21
0...21
1
2
3
4
5
6
7
8
0...21
0...21
0...21
0...21
0...21
0...21
0...21
0...21
NO,
СО,
мг/м3
мг/м3
«Монолит Газ»
0...500
0...300
0...1000
0...300
«Монолит МТ»
0...2000
0...1000
0...2000
0...2000
0...5000
0...2000
0...5000
0...2000
0...5000
0...3500
0...10 000
0...3500
0...10 000
0...3500
0...50 000
–
Таблица 5.4
NO2,
мг/м3
SO2,
мг/м3
H2S,
мг/м3
0...100
0...100
0...300
0...300
0...100
0...100
0...100
0...200
0...200
0...200
0...500
0...500
0...500
–
0...2000
0...2000
0...2000
0...5000
0...5000
0...5000
0...10 000
–
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
0...500
–
Базовая комплектация:
• газоанализатор, без принтера;
• ручка пробоотборного зонда в комплекте с пробоотборным
шлангом с внутренней фторопластовой трубкой, стойкой к NO2 и SO2,
длина 2,5 м;
• трубка пробоотборного зонда со встроенным термопреобразователем (–20…+800 °C), длиной 740 мм, в комплекте с упорным конусом и чехлом для транспортировки и хранения;
• влагоотделитель;
• внешний фильтр очистки пробы;
• блок питания / зарядное устройство;
• сумка для транспортировки прибора и принадлежностей
кожаная, утепленная;
233
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
• чехол матерчатый с ремнем для переноски прибора;
• комплект документации (руководство по эксплуатации, методика выполнения измерений, методика поверки, свидетельство о государственной поверке, копии имеющихся сертификатов).
Дополнительные принадлежности, запасные части:
• сменные трубки пробоотборного зонда со встроенным термопреобразователем (–20…+800 °C или –20…+1000 °C), длиной
300…1500 мм;
• пневмометрические трубки типа Пито длиной 750–2000 мм;
• внешний ИК-термопринтер с комплектом запасной бумаги;
• предварительный МК-фильтр для пробоотборного зонда;
• запасные фильтры очистки пробы;
• электрический блок осушки пробы;
• программа приема данных для ПК в комплекте с кабелем связи.
дисплее, оснащенном подсветкой. Электропитание газоанализатора
может осуществляться как от внутреннего аккумулятора, так и от сети
переменного напряжения.
Модификации газоанализатора «Монолит-2 (Т)» и «Монолит-2С
(Т)» выполнены во взрывозащищенном исполнении, что позволяет
их эксплуатировать даже во взрывоопасных зонах.
Модификации с индексом «Т» оснащены системой внутреннего
обогрева, что позволяет их эксплуатировать при температуре окружающей среды до минус 30 °С.
Газоанализатор «Монолит-2» оснащен устройствами звуковой
и световой сигнализации, которые срабатывают при превышении концентрации контролируемого газа установленного порогового значения.
Встроенная память данных газоанализатора рассчитана для
постоянного хранения 200 записей. Записанные данные могут быть распечатаны на принтере или переданы на персональный компьютер.
Компактный ИК-термопринтер, поставляемый к газоанализатору, позволяет распечатывать протоколы измерений как непосредственно во время проведения измерений, так и после их завершения при
считывании данных из памяти прибора.
Газоанализатор «Монолит-2» обладает рядом дополнительных
возможностей:
• сбор и статистическая обработка результатов измерений
(вычисление средних значений) за 20-минутный интервал времени
в соответстии с требованиями нормативных документов;
• передача протокола измерений из памяти газоанализатора
на персональный компьютер в формате MS Word с возможностью последующей распечатки на стандартном принтере.
Газоанализатор «Монолит-2»
Назначение: для контроля содержания кислорода (O 2), СО 2
и углеводородов (по СН4), взрывоопасных газов (Ех) и предельно допустимых концентраций (ПДК) токсичных газов (СО, NO, NO2, SO2,
H2S, NH3) в воздухе рабочей зоны. Прибор выпускается в трех основных модификациях («Монолит-2», «Монолит-2С» и «Монолит-2-СО2»),
отличающихся друг от друга перечнем определяемых компонентов.
Модификации прибора «Монолит-2» и «Монолит-2С» имеют взрывозащищенное исполнение, «Монолит-2-СО2» – обычное. Кроме того,
выпускаются специальные модификации прибора для северных районов с расширенным температурным диапазоном эксплуатации до минус 30 °С (с индексом «Т»).
Принцип действия газоанализатора основан на применении комплекта измерительных ячеек различного принципа действия – электрохимических для измерения содержания кислорода и токсичных
газов, термокаталитических – для измерения взрывоопасных газов,
оптических – для измерения СО2 и углеводородов.
Конструктивно газоанализатор выполнен в прочном пластиковом
корпусе, на лицевую панель которого выведены дисплей, клавиатура,
устройства звуковой и световой сигнализации и штуцер входа газа.
Измерительная информация отображается на жидкокристаллическом
234
Персональный газоанализатор ПГА-200 со сменными датчиками
Назначение: измерение концентрации углекислого газа, кислорода
и токсичных газов.
ПГА-200 – прибор для обеспечения индивидуальной безопасности,
применяется на опасных производствах (рис. 5.9–5.11).
Предназначен для одновременного непрерывного измерения концентраций двух газов в зависимости от комплектации датчиками:
диоксида углерода, кислорода и широкого спектра токсичных газов
235
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
из ряда NO2, SO2, CO, H2S в газовоздушной среде на взрывоопасных
объектах и в рабочих зонах в соответствии с ГОСТ 51330.9–99
и ГОСТ 12.1005–88. Область применения газоанализаторов – взрывоопасные зоны помещений и наружных установок согласно нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных зонах.
Газоанализатор имеет два измерительных канала. Измеряемые
по двум каналам величины одновременно отображаются на табло.
Комплектация газоанализатора электрохимическими датчиками
определяется потребителем и при необходимости может быть дополнена. Поверенный откалиброванный сменный датчик из комплекта
поставки имеет удобное крепление и легко устанавливается в разъем
на корпусе газоанализатора. Настройка на сменный датчик происходит автоматически. Датчики имеют встроенную флэш-память, в которой хранятся градуировочные коэффициенты и настроечные параметры; при подключении к базовому блоку значения коэффициентов считываются процессором.
Использование уникальных оптических датчиков разработки
РНИИ «Электронстандарт» обеспечивает новым газоанализаторам
серии ПГА:
высокую стабильность нуля;
устойчивость к воздействию агрессивных сред и концентрационных перегрузок, выводящих из строя приборы, в основе действия которых лежат химические реакции;
высокую для портативных приборов чувствительность, селективность, широкий диапазон измерения концентраций;
низкую погрешность.
Рис. 5.9. Газоанализатор ПГА-200
Персональный газоанализатор ПГА-300 со сменными датчиками
Рис. 5.10. Электрохимические датчики
Рис. 5.11. Оптический датчик
Назначение: измерение концентрации кислорода, горючих и токсичных газов. Прибор является модификацией газоанализатора ПГА-200.
ПГА-300 – прибор для обеспечения индивидуальной безопасности,
применяется на опасных производствах (рис. 5.12, 5.13).
Газоанализаторы обеспечивают световую и звуковую предупредительную и аварийную сигнализацию по двум фиксированным уровням в каждом из каналов. Предусмотрена возможность изменения порогов сигнализации, установка нуля и калибровка с помощью кнопок
на лицевой панели прибора.
236
Рис. 5.12. Газоанализатор
ПГА-300
237
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
а
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
б
Рис. 5.13. Датчики ПГА-300:
а – электрохимические; б – термокаталитический
Рис. 5.15. Комплектация прибора
Прибор контроля параметров воздушной среды МЭC-200
Прибор (рис. 5.14) предназначен для измерения:
• атмосферного давления;
• относительной влажности воздуха;
• температуры воздуха;
• скорости воздушных потоков;
• интегрального показателя тепловой нагрузки среды;
• температуры влажного термометра;
• концентрации токсичных
газов CO, H2S, SO2;
• энергетической освещенности;
• яркости и коэффициента пульРис. 5.14. Прибор МЭС-200
сации оптического излучения в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра в атмосфере
и внутри помещений.
Комплектация прибора (рис. 5.15–5.16):
• универсальный измерительный блок электроники;
• базовый измерительный щуп;
• набор сменных щупов, являющихся законченными модулями;
• зарядное устройство.
238
а
в
б
г
Рис. 5.16. Измерительные щупы для МЭС-200:
а – щуп измерительный базовый; б – щуп-измеритель температуры черного шара; в – щуп-измеритель освещенности и коэффициента пульсации;
г – щупы электрохимические сменные
239
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Станция наблюдения за загрязнением атмосферы АМ-61
(Тип ПОСТ-2)
Стационарная станция контроля АМ-61 предназначена для наблюдений за уровнем загрязнения атмосферного воздуха на сети мониторинга
атмосферы, в районах жилой городской застройки и санитарных защитных
зонах предприятий, является современным аналогом лаборатории ПОСТ-2.
Осуществляет автоматическое измерение концентрации загрязняющих веществ и метеорологических параметров атмосферы, а также отбор газовых
проб на специфические загрязняющие вещества и пыль.
Станция разработана по заданию Росгидромета в соответствии
с техническими требованиями Главной геофизической обсерватории
им. А. И. Воейкова.
1. Основные технические данные.
1.1. Станция обеспечивает:
автоматическое измерение содержания NO/NO 2, SO 2, СО
(в базовой комплектации – СО);
автоматическое измерение метеорологических параметров
атмосферного воздуха: скорости и направления ветра, температуры
и влажности с представлением результатов измерений на экране индикаторного устройства;
автоматическое измерение давления и температуры воздуха
внутри павильона, с представлением результатов измерений на экране
индикаторного устройства;
отбор проб на газовые примеси;
отбор проб на пыль и металлы.
1.2. Диапазоны измерений и пределы допускаемой погрешности
измерения соответствуют приведенным для газоаналитического
и метеорологического комплектов (табл. 5.5, 5.6).
Таблица 5.5
Диапазоны измерений и величина погрешности
для газоаналитического комплекта АМ-61
Параметр
Оксид
углерода
Диапазон
измерения,
мг/м3
0,5...3,0
3,0…10
10...50
Допускаемая основная
абсолютная
погрешность, мг/м3
±0,75
±1,5
±(2+ 0,1Сх)*
* Сх – измеренная концентрация
240
Время
установления
показаний, с
60
Глава 5. Приборы и методы измерения состава газовоздушной среды [71]
Диапазоны измерений и величина погрешности
для метеорологического комплекта АМ-61
Параметр
Скорость ветра, м/с
Направление ветра, град.
Температура наружного воздуха,
°С
Относительная влажность
воздуха, %
Температура внутри станции, °С
Давление, мм рт. ст.
Таблица 5.6
Диапазон
измерения
1,5...50
0...360
–40...+60
Допускаемая основная
абсолютная погрешность
±(0,4+0,04⋅V)
±8
±0,05
0...98
±3
–40...+60
300…800
±0,02
±8
2. Комплект поставки.
Комплектация станции АМ-61
Павильон экологический АМ-93 с системами
энергопитания, жизнеобеспечения, охранной
сигнализацией и рабочим местом оператора………….
1
Комплект газоаналитический………………………………
1
Газоанализатор «Элан»…………………………………
1
Баллоны с поверочными газовыми смесями………………
2
Комплект метеорологический МК-50………………
1
Датчик ветра М-127……………………………………………
1
Термогигрометр ТГ-4М…………………………..…
1
Преобразователь давления и температуры……………………
1
Устройство преобразования информации
с индикатором……………………………………………
1
Мачтовое устройство……………………………………………
1
Комплект пробоотборных устройств…………………………
1
Воздухозаборное устройство…………………….………
1
Аспиратор для проб воздуха АПВ-4-220В-40………………
2
Пылезаборное устройство……………………………
1
Аспиратор воздуха автоматический
одноканальный АВА 1-150/120-01……………………………
1
Комплект ЗИП……………………………………………
1
Комплект эксплуатационной документации………………
1
Станция АМ-61 соответствует типу средств измерений
RU.Е.31.001.А № 20981, зарегистрированному в Государственном
реестре средств измерения под № 29418-05 и допущенному к применению в Российской Федерации.
241
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ
При измерении расхода жидкости, газа или пара необходимо решить две задачи [12]:
1) определение количества вещества, прошедшего через измерительный участок за промежуток времени (смену, сутки и т. д.), в этом
случае измерительные приборы называют счетчиками количества;
2) определение количества вещества, проходящего через измерительный участок в единицу времени – секунду, час, тогда измерительные приборы называют расходомерами. В настоящее время известно свыше 20 методов измерения расхода и большое число их разновидностей. Наибольшее распространение получили следующие
расходомеры: переменного перепада давления, постоянного перепада
давления, электромагнитные, тахометрические.
В лабораторной практике также используют методы измерения
расхода с помощью напорных трубок, термоанемометров и некоторых
разновидностей расходомеров. В промышленных условиях применяются ультразвуковые и ядерномагнитные расходомеры.
Измерение расхода по перепаду давления в сужающем устройстве. Расходомеры с сужающими устройствами получили широкое
распространение и составляют 70–80 % всех расходомеров, установленных в России и за рубежом. Сужающие устройства могут быть
использованы для измерения расхода любых однофазных сред, они
могут быть установлены в трубопроводах любого диаметра; температура и давление измеряемой среды могут иметь практически любое
значение. Очень существенно, что градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчетным путем. Стандартные устройства, выпускаемые российской промышленностью, должны удовлетворять следующим условиям измерения:
• измеряемая среда заполняет все сечение трубопровода
до и после сужающего устройства; поток в трубопроводе установившийся турбулентный;
• фазовое состояние среды не изменяется при прохождении
через сужающее устройство (жидкость не испаряется, водяной пар
242
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
остается перегретым, растворенные в жидкости газы не испаряются,
и конденсат из газов не выпадает);
• в трубопроводе вблизи сужающего устройства не скапливаются пыль, механические частицы, конденсат, газы и осадки;
• на сужающем устройстве при измерении расхода не образуются отложения, изменяющие его геометрические характеристики;
• измеряемая среда должна быть однофазной или по степени
дисперсности и физическим свойствам близка к однофазной.
Расходомеры постоянного перепада давления. Действие расходомеров постоянного перепада давления основано на зависимости
вертикального перемещения тела, находящегося в потоке измеряемой
среды, и одновременного изменения проходного сечения от расхода
среды, при этом тело (чувствительный элемент) уравновешено в потоке среды таким образом, что перепад давления на чувствительном элементе остается постоянным.
Наибольшее распространение среди расходомеров постоянного
перепада давления получили ротаметры. В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикально расположенную конусную стеклянную трубку, внутри которой находится поплавок. На верхнем ободке поплавка имеются бороздки, которые обеспечивают вращение
поплавка в потоке измеряемой среды и его самоцентрирование. Изменение расхода нарушает равновесие поплавка и вызывает перемещение поплавка до тех пор, пока разность давлений до и после поплавка
не будет его уравновешивать. Для конкретного поплавка и измеряемой
среды эта разность давлений имеет одно и то же значение. Положение
поплавка, при котором будет выполняться условие равновесия, зависит от расхода и проходного сечения (кольцевого зазора между поплавком и трубкой) ротаметра. По положению поплавка судят о расходе
через ротаметр.
Принцип действия ротаметра постоянного перепада давления
основан на изменении проходного зазора (сечения) конусной стеклянной ротаметрической трубки 2 (рис. 6.1, а) в результате перемещения
поплавка 1, находящегося во взвешенном состоянии под действием
разности сил гидродинамического потока среды и силы тяжести поплавка.
Для создания определенной динамики вращательного движения
поплавок 1 имеет специальную косую нарезку в верхней части, что
обеспечивает центрирование поплавка, который при этом не касается
243
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
стенок измерительной трубки. Шкала на трубке имеет 100 делений,
относительно которых по градуировочной характеристике определяется истинный расход контролируемого газа или жидкости. Так, если
при градуировке ротаметра типа РМ-1 поплавок находится на отметке
60 делений (отсчет берется по верхней плоскости поплавка), то расход
воздуха составляет 1,8 м3/ч. Для изменения расходной характеристики
ротаметра прибегают к замене массы поплавка: чем больше масса
поплавка, тем больший расход может измерить ротаметр. Для этих
целей вытачивают поплавки из стали, алюминия, фторопласта и эбонита.
Градуировочная характеристика ротаметра определяется органами Госстандарта для конкретного газа (жидкости). При использовании прибора в других средах необходимо вносить поправку на плотность газа
(жидкости).
Преимущества ротаметров – простота конструкции, возможность
измерения малых расходов, применимость в агрессивных средах, практически равномерная шкала, а также низкая стоимость, простота конструкции и удобство монтажа.
Недостатки – отсутствие записи показаний, зависимость показаний от вязкости, температуры и давления среды.
Электромагнитные расходомеры. В основу работы электромагнитных расходомеров положена зависимость ЭДС, индуцируемой
в электропроводящей среде, движущейся в электромагнитном поле.
Конструктивно преобразователь электромагнитного расходомера представляет собой участок трубопровода, выполненного из немагнитного
материала, в который вмонтированы два электрода. В месте расположения электродов вне трубопровода размещаются магнитная система
или полюса магнита. Расходомеры с постоянным магнитным полем
применяются для измерения расхода жидких металлов или для кратковременных измерений, поскольку в жидкостях с ионной проводимостью при постоянном магнитном поле происходит поляризация электродов, которая практически не позволяет производить длительных
измерений.
Преимущества электромагнитных расходомеров:
1) возможность измерения расхода агрессивных, вязких и абразивных жидкостей, а также жидких металлов;
2) возможность использования на трубопроводах диаметром
от 10 мм до 3 м;
3) независимость показаний от вязкости, плотности и других
физических свойств жидкости.
К числу недостатков электромагнитных расходомеров относятся:
невозможность измерения расходов непроводящих сред (нефтепродуктов, масел, большинства органических жидкостей и газов), ограничение на область применения по температуре до 150 °С и давлению
до 2,5 МПа.
Тахометрические расходомеры. К тахометрическим расходомерам относятся расходомеры, принцип действия которых основан
a
б
в
3
2
2
1
2
1
1
Рис. 6.1. Типы ротаметров: а – РС-3а; б – РС-3; в – РС-5;
1 – поплавок; 2 – стеклянная трубка; 3 – регулировочный вентиль
244
245
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
на измерении частоты вращения тела, находящегося в потоке измеряемой среды в трубопроводе. В комплект тахометрического расходомера
входят чувствительный элемент (турбина, вертушка, крыльчатка,
шарик и т. п.), устанавливаемый непосредственно в потоке и вращающийся в зависимости от скорости потока, тахометрический преобразователь, преобразующий частоту вращения вала в частоту, как правило,
электрических импульсов, и частотомер (измеритель расхода). Часто
чувствительный элемент и тахометрический преобразователь конструктивно соединены в единое целое.
Шариковые расходомеры предназначаются для измерения расхода жидкости, главным образом воды. В комплект шариковых расходомеров входят преобразователь расхода, который вместе с передающим преобразователем устанавливается на трубопроводе, промежуточный преобразователь и вторичный измерительный прибор.
Расходомеры переменного перепада давления. Для автоматического измерения расходов пара, газов и жидкости используют расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия приборов
этой группы основан на измерении перепада давления, образующегося в результате измерения скорости измеряемого потока газа или жидкости на специальном сужающем устройстве, называемом диафрагмой.
Наиболее простым и распространенным прибором для измерения расхода является комплекс «датчик ДМ – регистрирующий прибор КСД-3».
Все разновидности приборов с ртутным наполнением (типов ДПМ,
ДП-778) в настоящее время снимаются с эксплуатации, так как не являются экологически чистыми.
Манометры дифференциальные мембранные типа ДМ (датчики) представляют собой стационарные измерительные преобразователи перепада давления с унифицированным выходным сигналом переменного тока, основанного на изменении взаимной индуктивности
датчика. Дифманометры предназначены для использования в качестве
расходомеров, перепадомеров и уровнемеров в комплекте с вторичными взаимозаменяемыми дифференциально-трансформаторными приборами, машинами централизованного контроля и другими приемниками информации, способными принимать стандартный сигнал в виде
взаимной индуктивности.
Принцип действия дифманометров основан на использовании
деформации упругого чувствительного элемента (датчика) при воздей-
ствии на него измеряемого перепада давления. Упругим чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, состоящий
из двух мембранных коробок. С мембранным блоком связан сердечник дифференциального трансформатора. При воздействии измеряемого перепада давления мембранный блок деформируется, вызывая
перемещение сердечника дифференциального трансформатора и изменение взаимной индуктивности между его первичной и вторичной
катушками. При изменении перепада давления выходной сигнал датчика ДМ (его индуктивность) изменяется. Измерительный регистрирующий прибор типа КСД имеет дифференциально-трансформаторный
преобразователь [71].
где F – площадь сечения бака, м2; а – коэффициент расхода (принимается
равным 0,6–0,7); τ – продолжительность опорожнения, с, рекомендуется
время опорожнения одного отсека мерного бака выбирать так, чтобы
246
247
6.1. Измерение расхода методом мерных баков
Мерные баки используют для измерения расхода жидкостей до
0,8 кг/с и для тарировки сужающих устройств [12] (рис. 6.2). Открытые мерные баки для воды можно применять только при ее температуре не выше 40…45 °С. Мерный бак должен быть проверен на плотность. Для этого его заполняют жидкостью и выдерживают в течение
20–24 ч для обнаружения течи по падению уровня. В каждом баке или
отделении сдвоенного бака необходимо устанавливать успокоитель
уровня. Вместимость каждого мерного бака при измерении расхода
жидкого топлива следует выбирать из расчета не менее часового расхода на агрегат, а при измерении расхода питательной воды – из расчета опорожнения не более 6–12 раз в течение 1 ч при максимальном
расходе воды. Сдвоенный мерный бак должен иметь вместимость, равную вместимости не менее двух расходных баков. Сливные отверстия
бака необходимо располагать в самом низу наклонного днища. Площадь сливного отверстия, м2, определяется по формуле
f =
0,353F
aτ
H
,
g
(6.1)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
оно было в 2–3 раза меньше времени наполнения второго отсека;
Н – высота мерного бака, м; g – ускорение свободного падения, м/с2.
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
 τ 
∆G = k F 
 (d в − d ),
 3600 
(6.2)
где k – коэффициент испарения (при наличии успокоителей уровня
k = 17…22, для колеблющейся поверхности k = 22…35, для струи воды
k = 70…140); F – площадь открытой поверхности воды в баке, м2;
τ – время, с, в течение которого вода испаряется в баке, равное времени
его опорожнения; d – влагосодержание воздуха над поверхностью воды,
кг/кг; dв – влагосодержание воздуха при температуре поверхности воды
в баке, кг/кг.
Истинный расход воды, кг/ч:
Gи = Gи′ − ∆G ,
(6.3)
где Gи′ – масса воды в мерных баках до начала опорожнения, кг/ч.
При определении расхода жидкости и тарировке измеряется температура жидкости в мерных баках и средней части указательных стекол. Расход жидкости с учетом температурных поправок, кг/ч,
Рис. 6.2. Двухкамерный бак с тарировочным
устройством:
1, 10, 13 – указатели уровня; 2, 6 – камеры бака;
3, 7 – устройства для стабилизации уровня в баке;
4 – перекидной лоток; 5 – перегородка; 8 – тарировочный бак; 9 – весы; 11 – сливной клапан; 12 – расходный бак
ρ 
G = Gи  и  [1 + 3β1 (tи − t т )] [1 + β 2 (tи′ − t ′т )],
 ρт 
(6.4)
Тарировка выполняется при заполнении мерных баков и при
их опорожнении. Ее необходимо вести массовым (весовым) методом,
взвешивая порции наливаемой или удаляемой из бака жидкости. Каждый бак тарируется дважды, расхождение не должно превышать 0,5 %.
По данным тарировки строится зависимость массы жидкости
от ее уровня. Вместимость тарировочного бака должна составлять не
менее 1/5 вместимости мерного бака. При тарировке и измерении расхода воды вводится поправка на ее испарение. Количество испарившейся из баков воды, кг/ч, определяется по формуле
где ρи, ρт – плотность жидкости при измерении и тарировке, кг/м3;
β1 – температурный коэффициент линейного расширения для бака (для
бака из стали β1 = 12 ⋅ 10–6 °С–1); β2 – то же для шкалы водоуказательного стекла (для шкалы из латуни β2 = 19 ⋅ 10–6 °С–1); tи , tи′ – температура
жидкости при измерении в баке и средней части указательного стекла,
°С; t т , t т′ – температура жидкости при тарировке в баке и средней части указательного стекла, °С.
Плотность жидкого топлива определяется ареометром, весами
Вестфаля или пикнометром при температуре 20 °С.
Плотность пересчитывается с 20 °С на другую температуру (при
измерении и тарировке) по формулам:
248
249
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
ρ и = ρ 20 + β (tи − 20);
• при измерении счетчик типа ГСБ устанавливать строго по уровню и контролировать правильность наполнения водой (рис. 6.3). Для
этого нанести на внутреннюю кромку штуцера тонкий слой жидкого
мыла и, поднося к нему ровно обрезанную белую картонную пластинку, наблюдать за отражением ее в воде. При уровне, соответствующем
истинному, отражение пластинки будет прямолинейным, в противном
случае – искривленным. Если мениск будет вогнутый, необходимо добавить воды, если выпуклый – слить избыток воды.
ρ т = ρ 20 + β (t т − 20) ,
(6.5)
где β – температурный коэффициент.
Для уменьшения погрешности измерений опыт заканчивается
с таким расчетом, чтобы уровень в расходном баке был таким же, как
и в начале опыта.
6.2. Счетчики количества жидкостей и газов
Счетчики количества жидкостей относятся к тахометрическим
расходомерам, в которых тахометрическое устройство измеряет зависящую от расхода текущего вещества скорость вращения крыльчатки
ротора, диска или другого тела, установленного в потоке. При испытании тахометрические расходомеры можно использовать для измерения расходов воды, жидкого и газового топлива. В прил. 2, табл. П 2.1
приведены характеристики рекомендуемых для испытаний водомеров –
счетчиков для измерения расхода жидкого топлива. Для измерения расходов газа до 1000 м3/ч при испытании рекомендуются ротационные
счетчики типа РС и РГ, а при лабораторных измерениях малых количеств – барабанные счетчики типа ГСБ, допустимая относительная
погрешность которых составляет ±1 %. При использовании счетчиков
рекомендуется [12]:
• монтировать счетчик с обводной линией, устанавливая по обе
стороны счетчика вентили или задвижки, до и после счетчика иметь
прямой участок трубопровода длиной не менее 350 мм;
• водомеры, счетчики жидкого топлива и газовый счетчик типа
ГСБ–400 устанавливать на горизонтальных участках; газовые счетчики типов PC и РГ – на вертикальных;
• монтировать перед счетчиком гильзу для термометра и штуцер для измерения давления;
• устанавливать перед счетчиком сетчатые фильтры, предохраняющие от загрязнения механическими примесями;
• тарировать счетчики для измерения жидкого топлива, так как
их точность с увеличением вязкости мазута заметно снижается;
Для измерения расхода газа при испытании и исследовании
в эксплуатационных условиях и на стенде рекомендуется применение
ротаметров, относящихся к расходомерам обтекания. Основной элемент этих измерительных приборов (поплавок, поршень, диск или крыло) воспринимает динамическое давление обтекающего его потока
и перемещается в зависимости от расхода измеряемой среды. Ротаметр
представляет собой коническую трубку, внутри которой перемещается
поплавок [12].
Достоинства ротаметров – простота устройства и наглядность
показаний, удобство применения при измерении малых расходов жидкостей и газов, значительный диапазон измерения, постоянство относительной погрешности, достаточно равномерная шкала, незначительная потеря давления.
250
251
Много
Мало
Рис. 6.3. Схема для проверки правильности наполнения
барабанного счетчика ГСБ
6.3. Ротаметры
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
Стеклянные ротаметры общепромышленного назначения типа РМ
выпускают с условными проходами, мм: РМ-0,63 – 6, РМ-1,0 и 1,6 – 10,
РМ-2,5, -4 и -6,3 – 15, РМ-10 и -16 – 25, РМ-25 и РМ-40 – 40. Верхний
предел измерения, м3/ч, соответствует числу, стоящему в обозначении
типоразмера. Так, для РМ-0,63 верхний предел измерения равен
0,63 м3/ч, для РМ-2,5 – 2,5 м3/ч и т. д. Предельное рабочее давление
в ротаметрах типа РМ 0,6 МПа. Нижний предел измерения – не более
20 % от верхнего фактического предела измерения; погрешность измерения ±2,5 % от верхнего предела измерения. Допустимая температура
измеряемого и окружающего воздуха (газа) 5…50 °С.
Ротаметр позволяет пропускать поток только в одном направлении – снизу вверх, поэтому его следует располагать строго вертикально;
невертикальность приводит к появлению дополнительной погрешности.
Для измерения малых расходов ротаметры включают в систему резиновыми шлангами. Для измерения больших расходов допускается
параллельное включение двух приборов. Поплавок и трубка должны
быть чистыми, для чего необходимо периодически очищать их от пыли
и грязи. Показания отсчитывают от верхней плоскости поплавка при
установившемся потоке.
При работе с ротаметрами необходимо вводить поправки на изменение плотности и вязкости измеряемой среды по сравнению со значениями, при которых градуировался прибор. На заводе-изготовителе
жидкостные ротаметры градуируют только на воде, а газовые – только
на воздухе. Если ротаметр отградуирован для измерения расхода среды с плотностью ρ1, а необходимо измерить расход среды с плотностью ρ2 при близких значениях вязкости измеряемой и градуировочной
сред, то действительный расход Вд, м3/ч,
При измерении расходов, выходящих за пределы шкалы ротаметра, изготовляют новый поплавок из материала с большей плотностью.
Новый поплавок должен быть совершенно идентичен старому по форме и объему. Поправочную таблицу при изменении плотности материала поплавка составляют по формуле
Bд = Bизм
(ρ п − ρ 2 )ρ1
,
(ρ п − ρ1 )ρ 2
(6.6)
где Визм – расход среды при измерении, м3/ч; ρп – плотность материала,
из которого изготовлен поплавок, кг/м3.
Для газов, когда обычно ρг << ρп, эта формула принимает вид
ρ
Bд = Bизм 1 ,
(6.7)
ρ2
252
B1 = B
Gп′
,
Gп
(6.8)
где В – расход при установке старого поплавка, м3/ч; Gп – масса старого, Gп′ – масса вновь установленного поплавка, кг..
6.4. Расходомеры переменного перепада давления
Расходомерами переменного перепада давления называют расходомеры, основанные на зависимости от расхода вещества перепада
давления, создаваемого неподвижным устройством, устанавливаемым
в трубопроводе, или самим элементом трубопровода. Из различных
расходомеров переменного перепада давления наиболее широко распространены расходомеры с сужающими устройствами. Эти расходомеры состоят из сужающего устройства, соединительного устройства
и дифференциального манометра (в дальнейшем – дифманометра).
Измерение расхода жидкостей, газов и паров сужающими устройствами (стандартными диафрагмами и соплами) регламентировано «Правилами 28–64» [12].
При использовании расходомеров с сужающими устройствами
необходимо соблюдать следующие условия:
1) среда, измерения расхода которой производятся, должна находиться в одной фазе, а изменение давления потока при прохождении
через сужающее устройство не должно вызывать выпадения осадков
и выделения из жидкости газа или пара;
2) среда, измеряемая сужающим устройством, должна заполнять
поперечное сечение трубопровода и двигаться с равномерной скоростью без пульсаций;
3) плотность и вязкость измеряемой среды должны быть известны.
253
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
Для измерения расхода при испытании и исследовании чаще всего применяют стандартные камерные и бескамерные диафрагмы.
Основной характеристикой диафрагмы является модуль т, представляющий собой отношение площадей отверстия сужающего устройства и трубопровода при рабочей температуре. Для круглых диафрагм:
стка трубопровода после диафрагмы на расстоянии 2D20 может отличаться от внутреннего диаметра трубопровода перед диафрагмой
не более чем на ±2 %.
4. Ось диафрагмы должна совпадать с осью трубопровода. Смещение оси отверстия сужающего устройства относительно оси трубопровода не должно превышать 0,6 мм при диаметре трубопровода
D20 ≤ 200 и 1 мм при D20 = 200…500 мм.
5. Если диаметр трубопровода менее 50 мм, то необходимо врезать прямой участок диаметром 50 мм, в котором устанавливается
диафрагма.
6. Уплотнительные прокладки между диафрагмой и фланцами
не должны выступать во внутреннюю полость трубопровода.
7. Материалы для изготовления диафрагм должны быть стойкими по отношению к коррозии, механическому износу и истиранию.
Рекомендуется применять для водяного пара, влажного воздуха и природного газа кислотоупорную сталь марок Х23НВ, 2Х18Н9, 1Х18Н9Т;
для перегретого пара высокого давления при температуре выше 400 °С –
жаропрочную сталь марок Х6С, Х18Н25С2, Х25Н20С2; для воды –
латунь, бронзу, силумин, а также кислотоупорную сталь марок
Х18Н12М2Т, 2Х18Н9.
Для измерения перепадов давлений на диафрагмах при испытании установок, использующих газовое и жидкое топливо, могут применяться стационарные и переносные дифманометры. При исследовании рекомендуется применение только переносных дифманометров.
В качестве стационарных приборов при испытании могут применяться любые дифманометры класса точности не ниже 1,5 с суммирующим устройством.
При установке дифманометров необходимо соблюдать следующие
правила.
1. Дифманометр устанавливают вертикально (по отвесу).
2. Соединительные линии должны быть герметичны, иметь
минимальную длину и прокладываться вертикально или с уклоном
не менее 1:10.
3. Внутренний диаметр соединительных линий – не менее 8 мм,
а внутренний диаметр трубок, соединяющих диафрагму с уравнительными сосудами, – не менее 12 мм.
4. При измерении расхода жидкости рекомендуется устанавливать дифманометр ниже диафрагмы (рис. 6.4, а). Если это невозможно,
d2
, где d – диаметр диафрагмы, мм; D – внутренний диаметр труD2
бопровода, мм.
С учетом температуры протекающего вещества:
m=
d = d 20 ⋅ k t′ ;
(6.9)
D = D20 ⋅ k t′′ ,
(6.10)
где d20, D20 – диаметры диафрагмы и трубопровода при 20 °С; k t′ , kt′′ –
поправочные множители на расширение материала диафрагмы и трубопровода: в диапазоне –20…+60 °С принимаются k t′ = k t′′ = 1.
Диафрагмы применяют в трубопроводах с внутренним диаметром не менее 50 мм при условии: 0,05 ≤ т ≤ 0,7.
При установке диафрагм необходимо соблюдать следующие требования (табл. 6.1):
1. Участок трубопровода, на котором устанавливается диафрагма, должен быть прямым. Гильза термометра диаметром d ′ при
0,03D20 ≤ d ′ ≤ 0,13D20 может располагаться перед диафрагмой на расстоянии не менее l1 D20 = 20, а при d ′ ≤ 0,03D20 – на расстоянии
не менее l1 D20 = 5.
2. Длина прямого участка трубопровода перед диафрагмой и после нее при установке камерных диафрагм может быть сокращена вдвое.
При этом возникает погрешность в измерении расхода, равная ±0,5 %.
3. Непосредственно перед диафрагмой трубопровод должен быть
цилиндрическим. Действительный внутренний диаметр участка трубопровода перед диафрагмой определяют как среднее арифметическое результатов измерений в двух поперечных сечениях: непосредственно у диафрагмы и на расстоянии 2D20 от нее. Внутренний диаметр уча254
255
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
допускается располагать дифманометр выше диафрагмы с обязательным устройством верхних газосборников (рис. 6.4, б; табл. 6.1).
5. При измерении расхода воздуха или газа рекомендуется установка дифманометра и диафрагмы, показанная на рис. 6.5.
6. При измерении расхода пара необходимо обеспечить постоянство и равенство уровней конденсата в обеих соединительных линиях. Это достигается установкой уравнительных (конденсационных)
сосудов. Рекомендуемые схемы установки дифманометров при измерении расхода пара показаны на рис. 6.6.
Таблица 6.1
Размеры стандартных камерных диафрагм, мм
Внутренний диаметр
трубопровода D
80
100
125
150
175
200
225
250
300
350
400
450
d1
d2
d3
d4
d5
86
106
131
156
181
206
231
236
306
356
406
450
100
120
150
175
205
230
260
285
335
395
445
495
116
136
166
191
221
246
276
301
351
411
461
511
132
152
182
207
237
262
292
317
367
427
477
527
140
160
190
215
245
270
300
325
375
435
485
535
a
a
б
a
б
б
Рис.
6.5.
Схема
установки
дифманометра: выше (а) и ниже
(б) сужающего устройства при
измерении расхода газа (воздуха)
Рис. 6.4. Схема установки дифманометра:
ниже (а) и выше (б) сужающего устройства
при измерении расхода жидкости
256
Рис.
6.6.
Схема
установки
дифманометра: выше (а) и ниже (б)
сужающего
устройства
при
измерении расхода пара:
1 – сужающее устройство; 2 –
уравнительный конденсационный
сосуд
7. Дифманометр должен быть хорошо защищен от теплоизлучающих поверхностей и сквозняков.
8. Дифманометр следует помещать на уровне глаз наблюдателя
в хорошо освещенном месте.
Массовый Qм, кг/ч, и объемный Qо, м3/ч, расходы при измерении
сужающими устройствами:
2
Qм = A20αεkt′d 20
h20ρ ;
257
(6.11)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
2
Qо = A20αεkt′d 20
h20 ρ ,
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
(6.12)
где A20 – коэффициент при 20 °С, зависящий от дифманометра, рабочей
жидкости в нем и среды над рабочей жидкостью (прил. 2, табл. П 2.2,
[12, табл. 2.7]); α – коэффициент расхода; ε – поправочный множитель,
учитывающий расширение измеряемой среды; kt′ – поправочный множитель на тепловое расширение материала диафрагмы; d20 – диаметр
отверстия диафрагмы при 20 °С, мм; h20 – перепад давления по дифманометру, мм; ρ – плотность измеряемой среды.
Если температура рабочей жидкости в дифманометре отличается
от 20 °С, то в формулы, определяющие массовый Qм и объемный Qо
расходы, вместо A20 подставляют коэффициент:
A = kt A20 ,
(6.13)
где kt – поправочный множитель (прил. 2, табл. П 2.3; [12, табл. 2.8]).
При испытании установок возможны два варианта расчета диафрагм:
1) поверочный расчет готовой установленной в трубопроводе
диафрагмы с известным эксплуатационным расходомером;
2) расчет вновь устанавливаемой на время испытания диафрагмы, перепад давления на которой будет измеряться жидкостным дифманометром.
В первом случае необходимо:
а) произвести ревизию диафрагмы, проверив ее состояние, а также
состояние трубопровода;
б) измерить с точностью до ±0,01 мм диаметр дроссельного
отверстия и с точностью до ±0,1 мм внутренний диаметр трубопровода;
в) проверить правильность установки диафрагмы, уравнительных
сосудов, импульсных линий в соответствии с требованиями «Правил
28–64. Измерение расхода жидкостей, газов и паров стандартными
диафрагмами и соплами». (М.: Издательство стандартов, 1964. – 187 с.);
г) провести поверочный расчет диафрагмы в соответствии с «Правилами 28–64».
Во втором случае необходимо:
а) выбрать место установки диафрагмы, соблюдая «Правила 28–64»,
и измерить внутренний диаметр трубопровода;
258
б) выбрать тип диафрагмы и провести ее ориентировочный
расчет;
в) после изготовления диафрагмы уточнить измерением ее основные размеры;
г) провести поверочный уточненный расчет диафрагмы. Для испытаний рекомендуется применять бескамерные стандартные диафрагмы, как наиболее простые в изготовлении.
Ориентировочный расчет размеров диафрагмы при известном
диаметре трубопровода D20, максимальном расходе измеряемого потока и его параметрах (температура и давление) проводится в следующем порядке:
1. Определяется плотность потока в рабочих условиях:
для водяного пара и воды – из теплотехнических справочников;
для смеси газов, кг/м3,
n
ρ см = ∑ rk ρ k ,
(6.14)
1
где rk – объемная доля каждого газа, входящего в смесь; ρk – плотность
каждого газа, входящего в смесь, кг/м3.
2. Выбирается рабочая жидкость дифманометра, его максимальный и минимальный перепады. При измерении расхода пара и воды
в качестве рабочей жидкости применяют ртуть, а газа – воду. Желательно пользоваться дифманометрами ДТ-50, имеющими максимальный перепад 700 мм. Если применяют дифманометр ДТ-5 для измерения расхода пара и воды, то для повышения точности в качестве рабочей жидкости используют четыреххлористый углерод или бромоформ,
а для газа – спирт. Минимальный перепад на всех типах дифманометров (ДТ-5, ДТ-50, ДТ-150) следует принимать не менее 50 мм.
3. Определяется вспомогательная величина тα. При определении массового расхода воды
mα =
Qм max
2
A20 D20
h20 max ρ
259
;
(6.15)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
объемного расхода
mα =
Qо max
2
A20 D20
h20 max ρ
,
(6.16)
где Qм max, Qо max – максимальный массовый расход, кг/ч, и максимальный
объемный расход, м3/ч; h20max – предельный перепад на дифманометре
(для ДТ-150 принимают 500, для ДТ-50 – 700 и ДТ-5 – 250 мм).
При измерении расхода предварительно по формулам для газа
и для пара определяют тα и по нему находят ориентировочное значение модуля тор по прил. 2, табл. П 2.4; [12, табл. 2.11 или рис. 2.11].
Средний относительный перепад давления
 0,001(ρ′у − ρ′)h20ср g  ,
= n2 

p
p


∆pср
Qо.ср
Qо max
=
Qм.ср
Qм max
,
d 20 = D20 m .
(6.18)
n g
1
=∑ i,
μ см
1 μi
Re =
давлении p и 20 °С, кг/м3; ρ′ – плотность вещества над уравновешивающей жидкостью дифманометра при давлении p и 20 °С, кг/м3;
ширение измеряемой среды. Тогда уточненное значение вспомогательной величины
(mα )ут
260
=
mα
.
ε ср
(6.19)
(6.21)
где gi – массовая доля компонента в смеси; µi – динамическая вязкость
компонента. Динамическая вязкость для природного газа при абсолютном давлении 0,1 МПа и температуре 0…20 °С принимается равной
(10,40…11,02) 10–6 Па ⋅ c. Критерий Рейнольдса, отнесенный к диаметру трубопровода,
где ρ′у – плотность уравновешивающей жидкости дифманометра при
h20cp – средний перепад давлений на дифманометре, h20ср = 0,8h20 max ;
Qо.cp, Qо max – средний и максимальный объемный расход, м3/ч; Qм.cp,
Qм max – средний и максимальный массовый расход, кг/ч.
По ∆pср p и тср определяется поправочный множитель εср на рас-
(6.20)
6. Определяется динамическая вязкость и критерий Рейнольдса.
Динамическая вязкость воды приведена в прил. 2, табл. П 2.5, П 2.6,
П 2.7; [12, табл. 2.12, газов – в табл. 14.8, пара – в табл. 2.13]. Динамическая вязкость газовых смесей определяется по эмпирической формуле Манна
(6.17)
где p – абсолютное давление потока перед диафрагмой, Па;
n=
4. Определяется модуль диафрагмы т, для воды – по величине тα,
для газа и пара – по (тα)ут из прил. 2, табл. П 2.4; [12, табл. 2.11
или рис. 2.11].
5. Определяется диаметр дроссельного отверстия диафрагмы, мм,
по формуле
Re =
Re =
0,354 Qн.срρ
D20µ
0,354 Qо.срρ
D20µ
0,354 Qм.срρ
D20µ
– для воды и газа,
(6.22)
– для пара и воды,
(6.23)
– для сухого газа при нормальных условиях, (6.24)
где Qо.ср – средний объемный расход, м3/ч; Qм.cp – средний массовый
расход, кг/ч; Qн.cp – средний расход при нормальных условиях.
7. Сравнивается полученное в п. 6 значение критерия Рейнольдса с минимальным и граничным значениями. Если Re < Re min , то при
принятых исходных данных измерение данным методом невозможно.
261
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
Если Re < Re гр , то необходимо изменить D или т так, чтобы соблюдалось соотношение Re > Re гр , повторив предшествующую часть расчетаа.
8. Подсчитывается максимальный перепад давления на диафрагме, Па, по формуле
∆p = 0,001 h20 max (ρ′у − ρ′) g .
(6.25)
Зная перепад давления, можно определить потерю давления
на диафрагме рп. При измерении расхода воды потери давления не должны превышать 0,2 МПа, а при измерении расхода газа – 200 Па
(в случае газоснабжения от сетей низкого давления) и 5 кПа (в случае
газоснабжения от сетей среднего давления). При измерении расхода
пара потеря давления не должна превышать 0,05 МПа. Снижение потери давления на диафрагме достигается уменьшением h20max, после чего
расчет следует повторить.
9. Определяется при полученном значении т ориентировочный
расход. Для этого из прил. 2, табл. П 2.4; [12, табл. 2.11] берется исходный коэффициент расхода αи. Ориентировочный массовый расход, кг/ч,
2
Qм = A20 α и d 20
h20 ρ ;
объемный расход, м3/ч,
2
Qо = A20α и d 20
h20 ρ .
10. Определяется минимальный расход, который может быть измерен дифманометром при рассчитанном диаметре дроссельного отверстия d20. Для этого подставляют перепад, равный 50 мм. Если полученный диапазон измерения расхода окажется недостаточным по условиям испытаний агрегата, то для измерения малых расходов к той
же диафрагме подключают второй дифманометр, заполненный рабочей жидкостью с меньшей плотностью. Средний расход за опыт подсчитывают по значению среднего перепада на дифманометре.
Средний перепад за опыт при измерении объемного расхода:
(
hρ
)ср = (1 n ) (
)
h1 ρ1 + h2 ρ 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + hn ρ n ;
262
(6.26)
при измерении массового расхода:
(
hρ
)ср = (1 n) (
)
h1ρ1 + h2 ρ 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + hn ρ n .
(6.27)
При использовании стационарных расходомеров для измерения
среды, параметры которой отличаются от параметров, принятых для
расчета, необходимо произвести пересчет действительного расхода по
формулам, приведенным в [12, п. 2.3].
6.5. Специальные сужающие устройства
К специальным сужающим устройствам относятся диафрагмы:
с входным конусом, с двойным конусом, двойные и прямоугольные.
Первые три типа диафрагм применяют для измерения расходов
при малых числах Рейнольдса, а прямоугольные – для измерения расходов воздуха (продуктов горения) в прямоугольных каналах. Применение приведенных выше сужающих устройств возможно только при
их предварительной индивидуальной градуировке.
Наиболее простой формой сужающего устройства для малых
чисел Рейнольдса является диафрагма с входным конусом.
Минимальный допустимый диаметр трубопровода для диафрагм
с входным конусом составляет, мм: 12,5 для гладких, 25 для сварных и
битуминизированных труб и 50 для труб, покрытых ржавчиной. Длина
прямого участка трубопровода перед диафрагмой (20...35)D , но не
менее 12D. После диафрагмы длина прямого участка трубопровода не
менее 5D.
Двойная диафрагма представляет собой две стандартные диафрагмы с разными диаметрами сужающих отверстий. Диафрагмы располагают на расстоянии (0,2…0,8)D друг от друга. Диаметр отверстия
d1 первой по ходу потока диафрагмы больше диаметра отверстия второй, основной, диафрагмы d. Отбор давления производится у передней
плоскости первой диафрагмы и задней плоскости второй диафрагмы.
Расход рассчитывается по диаметру основной диафрагмы. Диаметр
отверстия первой по ходу потока диафрагмы определяется в зависимости от диаметра основной диафрагмы в соответствии с нижеуказанными соотношениями:
263
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
d/D: 0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,5; 0,55; 0,6; 0,65; 0,7; 0,75; 0,8.
d1/D: 0,515; 0,596; 0,667; 0,73; 0,787; 0,837; 0,88; 0,914; 0,943;
0,965; 0,98.
Наиболее часто при испытании и исследовании используют прямоугольные диафрагмы. При установке прямоугольной диафрагмы давление отбирают на расстоянии 0,03Dэкв до и после диафрагмы. Массовый расход для прямоугольной диафрагмы, кг/ч,
Dм = 1,273 A20 αεk t′ f 20 h20 ρ ;
(6.28)
объемный расход, м3/ч,
Dо = 1,273 A20 αεk t′ f 20 h20 ρ ,
(6.29)
где f20 – площадь отверстия диафрагмы при 20 °С.
Отношение сторон отверстия прямоугольных диафрагм должно
быть равно отношению сторон канала, в котором они устанавливаются.
При исследовании в стендовых условиях широко пользуются градуированными диафрагмами. Это позволяет не предъявлять к их конструкции и качеству изготовления перечисленных выше требований,
которые часто трудновыполнимы. Специальные сужающие устройства
рассчитываются ориентировочно с последующей обобщенной градуировкой. В результате градуировки получают таблицы или графики, связывающие перепад давления на диафрагме с расходом или средней
по сечению скоростью. Градуировочная кривая пригодна только для
тех характеристик среды (состав, температура и давление), при которых проводилась градуировка.
Методика обобщенной градуировки приведена в работе [12]. Она
основана на зависимости
Eu Re 2 = f (Re ) .
(6.30)
Δp
d2
d

= f  wср  .
ν
ρν

2
(6.31)
Градуировка выполняется на любой среде, чаще всего ее проводят на воздухе или воде. При градуировке на воде можно применять
схему с мерным баком (см. рис. 6.2). Градуировку на воздухе проводят
путем измерения скоростного поля пневмометрической трубкой или
измерения расхода счетчиком.
Результаты первичной градуировки сводят в таблицу. Градуировку следует проводить при практически постоянной температуре среды
(отклонение от средней температуры не более ±2 °С). Для контроля
качества градуировки (по разбросу точек) строят зависимость перепада давления ∆р от средней скорости wcp (при использовании пневмометрической трубки) или расхода Q (при использовании счетчика
или мерного бака). Затем составляют вспомогательную таблицу для
различной температуры среды (или давления, или температуры и давления одновременно), которую будут измерять градуированной диафрагмой.
По данным таких таблиц строят для каждой постоянной температуры градуировочную зависимость:
∆pi = f (wср ) или ∆pi = f (Q ) .
(6.32)
Влиянием барометрического давления на градуировку диафрагм
можно пренебречь. Кроме того, при использовании градуировочных
кривых можно пренебречь изменением давления среды (газ, воздух) в
трубопроводе (по сравнению с тем, которое было при градуировке)
примерно до 5 кПа. Рассмотренный метод градуировки не учитывает
влияние температуры на изменение размеров сужающего устройства.
Поэтому его рекомендуется применять при температуре среды не выше
400 °С. Для проверки данных следует построить зависимость
Эта зависимость представляет обобщенную связь между перепадом
на диафрагме и средней скоростью потока:
Eu Re 2 = f (Re ) . Обобщенная градуировка в безразмерных координатах должна выражаться единой кривой в соответствии с этой зависимостью [12].
264
265
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
6.6. Приборы для измерения расхода
Ультразвуковые расходомеры жидкости
Расходомеры PORTAFLOW (рис. 6.7) –
это ультразвуковые приборы, состоящие
из электронного блока и двух датчиков. Они
используются для оперативного измерения
объемного расхода и скорости любой чистой
жидкости в технологических линиях, а также
в сетях холодного и горячего водоснабжения.
Датчики расходомеров устанавливаются
на наружной поверхности трубы и подключаются к электронному блоку, который нахоРис. 6.7. Переносной
дится у оператора. При работе с портативным
портативный
расходомером пользователю необходимо
ультразвуковой
знать только размеры трубопровода. Все осрасходомер жидкости
тальные параметры, необходимые для провеPORTAFLOW
дения измерений, расходомер определяет
самостоятельно.
Портативные ультразвуковые расходомеры серии PORTAFLOW
внесены в реестр средств измерений Российской Федерации № 15083–06.
Одноструйные счетчики воды METRON JS (рис. 6.8, 6.9) используются для измерения объема холодной (до 50 °С) и горячей (до 90 °С) воды.
Рис. 6.9. Счетчики исполнения КВ×1,5 ТРИТОН
Рис. 6.8. Одноструйные счетчики воды METRON JS
Счетчик воды METRON JS предназначен для измерения объема
холодной и горячей воды. Может устанавливаться на горизонтальном
(H) и вертикальном (V) участке трубопровода. Крыльчатка счетчика
приводится в действие одной замкнутой струей воды. Вращение крыльчатки передается на счетный механизм посредством торцевой магнитной муфты через пассивную металлическую пластину. Герметичный
счетный механизм индицирует данные в удобном для считывания цифровом виде, дополнительно оборудован индикатором движения, который позволяет автоматизировать регулировку. Регулировочное устройство защищено пломбой. Благодаря специальной конструкции подшипников, подбору материалов, устойчивых к коррозии и износу, счетчики
отличаются повышенным ресурсом. Конструкторское решение защищено патентом Патентного Учреждения ПР № 55729.
Счетчики предназначены для измерения объема питьевой холодной воды (далее по тексту – холодная вода) или горячей воды в системах горячего водоснабжения, протекающей по трубопроводу. Счетчики
применяются для коммерческого учета потребленной воды в коммунально-бытовой сфере.
Детали счетчиков, контактирующие с водой, изготовлены
из материалов, не ухудшающих качества воды, стойких к ее воздействию и допущенных к применению Министерством здравоохранения
и социального развития Российской Федерации.
Принцип действия счетчиков основан на преобразовании числа
оборотов крыльчатой турбины, вращающейся под действием потока
266
267
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 6. Приборы и методы измерения расходов
воды, протекающей через счетчики, в показания индикаторного устройства.
Счетчики состоят из корпуса с резьбовыми штуцерами для подключения к трубопроводу, крыльчатой турбины, магнитной муфты
и счетного механизма с редуктором и индикаторным устройством.
Измерительная полость и полость, в которой размещен счетный
механизм, герметично разделены.
Сертификаты на счетчики:
Сертификат об утверждении типа средств измерений
RU.C.29.022.A № 26855.
Зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений
№ 33952–07.
Сертификат соответствия № РОСС RU.ME48.B022166.
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.03.657.
П.006762.11.06 от 17.11.06.
Счетчики предназначены для измерения объема питьевой воды,
протекающей по трубопроводу при температуре 5…40 °C – для счетчиков холодной воды СХВ и 5…90 °C – для счетчиков горячей воды
СГВ при давлении не более 1,0 МПа (10 кгс/см2).
Счетчики холодной воды СХВ-15Д, СГВ-15Д, СХВ-20Д, счетчики горячей воды СГВ-20Д (рис. 6.10) имеют дополнительный дистанционный импульсный выход показаний. Такие счетчики подразделяются на крыльчатые, многоструйные и вентильные. Крыльчатые счетчики холодной воды устанавливаются в разрез трубопровода между
дополнительно установленными штуцерами, а вентильный счетчик
горячей воды помещается вместо запорного крана трубопровода.
Расходомеры газа компании Kytola Instruments
Овально-колесные
расходомеры
Расходомеры
Контроль уплотнительной жидкости
Регуляторы
постоянного потока
Измерительная
станция
Обратные
клапаны
Многотрубчатые
расходомеры
Измерители перепада
давления
Современные расходомеры газа – это приборы для измерения расхода – объема или массы среды, протекающей через прибор в единицу
времени. Так, расходомер газа используется для контроля и учета газа
при его производстве, отпуске, потреблении и хранении, а также служит для регулирования технологических и теплоэнергетических процессов в автоматических системах контроля и регулирования.
Рис. 6.10. Счетчик СХВ-15Д,
СГВ-15Д, СХВ-20Д
268
269
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 7. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И РЕГИСТРАЦИИ
УРОВНЯ. УРОВНЕМЕРЫ
Абсолютное значение уровня или отклонение уровня от номинального значения измеряется уровнемерами. Измерение уровня происходит как в открытых сосудах, так и в емкостях, находящихся под давлением. По принципу действия уровнемеры подразделяются на гидростатические, поплавковые, емкостные, радиоизотропные и другие,
получившие незначительное распространение.
Гидростатические уровнемеры основаны на измерении давления, создаваемого столбом жидкости, или веса жидкости, находящейся в конкретном сосуде.
Существует много разновидностей уровнемеров, которые измеряют давление столба или вес жидкости. Во всех этих уровнемерах,
как правило, главной является погрешность за счет изменения плотности жидкости, уровень которой изменяется в зависимости от температуры. Для уменьшения этой погрешности создаются сложные измерительные системы, одновременно измеряющие гидростатическое давление и плотность жидкости и корректирующие затем показания
уровнемера в соответствии с плотностью жидкости.
Все системы измерения уровня жидкостей гидростатическим методом требуют тщательного анализа измерительной системы, соединительных линий, их температурного режима, особенностей работы
измерительных преобразователей. Например, для одной и той же системы измерения уровня в барабане котла применение мембранных дифманометров вместо поплавковых существенно уменьшает возможные
погрешности измерения уровня.
В качестве уровнемеров используют серийные дифманометры –
поплавковые, мембранные и сильфонные. В ряде технологических процессов возможно использование пневмометрических уровнемеров,
в которых гидростатическое давление столба жидкости уравновешивается давлением воздуха (инертного газа). В качестве измерительного преобразователя, как правило, используются дифманометры, а при
измерении в открытых сосудах могут быть использованы напорометры и манометры.
270
Глава 7. Приборы контроля и регистрации уровня. Уровнемеры
Существенным преимуществом пневмометрических уровнемеров
является практическая независимость их показаний от температурного режима соединительных линий. Пневмометрические уровнемеры
широко применяются для измерения уровня агрессивных жидкостей.
В поплавковых уровнемерах измерение уровня основано на измерении положения поплавка или силы, воздействующей на поплавок,
при изменении уровня. Поплавковые уровнемеры являются одними
из наиболее простых и надежных. Однако они практически не могут
применяться при высоких давлениях и позволяют контролировать уровень жидкостей в широком диапазоне 50…2000 мм. К таким сигнализаторам предельных значений контролируемых уровней относятся поплавковые приборы типов РУС (реле уровня сильфонное), СУ (сигнализатор уровня), ДРУ (дистанционное реле уровня). На рис. 7.1 показан
общий вид прибора ДРУ-1. Поплавок 3 (полый металлический шар),
соединенный штоком 2 с микровыключателем 1, находится в контролируемой жидкости. При достижении максимального уровня на шар 3
действует предельная выталкивающая сила, заставляющая шток 2 подниматься и переключать микровыключатель, сигнализирующий аварийный уровень.
1
2
3
Рис. 7.1. Датчик реле уровня типа ДРУ-1:
1 – корпус датчика с микропереключателем;
2 – шток; 3 – поплавок
Основными неисправностями таких приборов являются нарушение герметичности шара, коррозия контактов переключателя вследствие
повышенной влажности контролируемой среды.
271
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
В буйковых уровнемерах измеряемый уровень жидкости определяется по архимедовой силе, действующей на цилиндр (буёк) в зависимости от его погружения в жидкость, т. е. от уровня. Буйковые уровнемеры могут работать при значительных давлениях. Применение
поплавковых и буйковых уровнемеров затруднено в агрессивных жидкостях и средах с выпадающими осадками. Для дистанционного измерения уровня жидкости применяются буйковые уровнемеры с унифицированным электрическим или пневматическим сигналом типов
УБ-Э и УБ-П. Измерительные схемы уровнемеров построены по принципу компенсации усилий. Прибор УБ-П имеет пневматический
выходной сигнал, позволяющий подключать к нему регистрирующий
манометрический прибор (для отсчета показаний уровня). Самостоятельно в качестве измерителя уровня уровнемер УБ-П не применяется,
а используется в качестве датчика.
На рис. 7.2 представлен принцип действия данного уровнемера.
Буек 10, помещенный в жидкость, через систему рычагов уравновешен в определенном положении противодействующим грузом Р1. При
изменении уровня жидкости меняется выталкивающая сила, действующая на поплавок. Вследствие этого нарушается равновесие измерительной системы «груз – противовес» и на чувствительном элементе
изменение уровня преобразуется в пропорциональное усилие, уравновешиваемое усилием сильфона обратной связи 8. Это давление и является пневматическим выходным сигналом уровнемера, которое изменяется в пределах 0,02–0,1 МПа.
Емкостные уровнемеры используют для измерения уровня
изменения емкости измерительного преобразователя, вызванного изменением уровня жидкости. Уровнемеры такого типа могут применяться для измерения как неэлектропроводных, так и электропроводных
жидкостей. Они пригодны для измерения уровня в широком диапазоне
давлений и температур агрессивных и неагрессивных измеряемых сред.
Их показания зависят от диэлектрической проницаемости среды, которая может изменяться с температурой. Применение компенсационных
емкостей позволяет существенно уменьшить это влияние, но не исключает его полностью. Электронная схема емкостных уровнемеров достаточно сложна, что ограничивает их широкое распространение.
Радиоизотопные уровнемеры используют для измерения уровня ослабления радиоактивного излучения в зависимости от толщины
272
Глава 7. Приборы контроля и регистрации уровня. Уровнемеры
или плотности просвечиваемого слоя. Конструкции многих уровнемеров предусматривают перемещение источника и приемника излучения
и «поиск» уровня или границы раздела. Радиоизотропные уровнемеры
устанавливаются вне аппарата или установки, они не имеют непосредственного контакта с измеряемой средой, и это является их принципиальным преимуществом по сравнению с другими методами. Радиоизотропный уровнемер типа УР-6 имеет пределы измерения 0…1000
и 0…2000 мм, основную погрешность не более 0,5 % и скорость слежения за уровнем 0,5 м/мин.
8
Р1
9
Рвых
7
6
5
4
3
2
1
Fвыт
10
Рвыт
Н1 Н
2
Р
Рис. 7.2. Схема работы уровнемера УБ-П:
1 – пружина корректора; 2 – Т-образный рычаг;
3 – подвижная опора; 4 – пневмореле; 5 – сопло;
6 – заслонка; 7 – Г-образный рычаг; 8 – сильфон обратной связи; 9 – груз-противовес; 10 – датчик-буёк
Другие методы измерения уровня, например термические, акустические, оптические и т. д., имеют пока очень ограниченное применение.
Электрические реле уровня типа РУ-Э3 (рис. 7.3, а) позволяют
контролировать одновременно три уровня среды – нижний, средний
и верхний. На плате 1 монтируются все три датчика уровня; расстояние между уровнями выбирается в зависимости от местных условий.
Блок 2 представляет собой электрическую схему реле. Электрическая
схема прибора (рис. 7.3, б) включает трансформатор Тр1, выпрямите273
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 7. Приборы контроля и регистрации уровня. Уровнемеры
ли Д1–Д4, реле сигнализации Р1 и зажимы для подключения датчиков.
Датчики – стальные стержни из нержавеющей стали Х18Н9Т – подключаются на зажимы 8, 9, 10 (соответственно нижний, средний и верхний).
Осуществляется сигнализация уровней (нижний, средний и верхний).
устанавливают под его опорами. Действие этих преобразователей основано на изменении магнитной проницаемости стальной пластины
преобразователя при упругой механической деформации.
Для дистанционного измерения и сигнализации уровня сыпучих
материалов в некоторых отраслях промышленности находят применение радиоактивные уровнемеры типа УР-8 и УДАР-5.
Вследствие отсутствия необходимых технических средств на ряде
ТЭС для измерения уровня угольной пыли в бункерах используются
несерийные электромеханические (лотовые) уровнемеры. Несмотря на недостатки этих уровнемеров, при дальнейшем их усовершенствовании и промышленном изготовлении они могут полностью обеспечить измерение уровня пыли в бункерах на ТЭС и автоматизацию
их загрузки.
В качестве примера рас3
2
смотрим электромеханический
1
(лотовый) уровнемер, использу4
емый на ТЭС. Кинематическая
6
U2
схема этого уровнемера приве8
11
дена на рис. 7.5.
9
7
5
10
При включении уровнеме12
ра в работу электронное реле
с помощью магнитного пускатеРис. 7.5. Кинематическая схема
ля замыкает цепь питания элекэлектромеханического уровнемера:
тродвигателя. Вал электродвига1 – электронное реле; 2 – магнитный
теля, кинематически связанный
пускатель; 3 – электродвигатель косо шкивом, вращает его в налонки дистанционного управления
правлении, при котором груз
(КДУ-1); 4 – реостатный преобразоопускается. Как только груз приватель; 5 – вторичный прибор; 6 – рыдет в соприкосновение с угольчажный механизм; 7 – кулачок;
8 – червячная пара; 9 – шкив из изоной пылью, в электронном реле
ляционного материала, закрепленный
происходит переключение цена оси редуктора КДУ вместо штурпей, управляющих магнитным
вала для ручного управления;
пускателем. Вследствие этого
10 – трос, намотанный на шкив,
электронное реле разрывает
на свободном конце которого подцепь питания первой обмотки
вешен металлический груз; 11 – скольмагнитного пускателя, а следозящий контакт; 12 – груз
вательно, и цепь питания элект-
б
a
2
1
Рис. 7.3. Реле уровня РУ-Э3:
а – общий вид: 1 – плата; 2 – блок; б – электрическая схема
В весовых уровнемерах
(рис. 7.4), применяемых для измерения уровня сыпучих тел, используются магнитоупругие преобразователи, которые обеспечивают достаточно высокую
точность измерения. Для преобразования силы тяжести бункера с заполняющим его материалом в электрический сигнал магнитоупругие преобразователи
R0
R1
R2
Рис. 7.4. Принципиальная схема
весового уровнемера с магнитоупругими преобразователями
274
275
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
родвигателя. Затем электронное реле замыкает цепь питания второй
обмотки магнитного пускателя, который включает в работу электродвигатель. Вал электродвигателя приводит в действие шкив, который,
вращаясь в обратном направлении, поднимает груз. Опускание и подъем
груза осуществляются через каждые 6 мин. Таким образом, этот уровнемер является периодически действующим с определенным интервалом времени. Перемещение груза, пропорциональное уровню пыли в
бункере, преобразовывается посредством червячной пары, кулачка,
рычажного механизма и реостатного преобразователя в напряжение,
которое измеряет вторичный прибор. Шкала вторичного прибора может быть отградуирована в единицах, удобных для контроля уровня
угольной пыли в бункере [71].
Глава 7. Приборы контроля и регистрации уровня. Уровнемеры
Глава 8. ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ
Водородный показатель (рН) – параметр, характеризующий концентрацию водородных ионов в растворе, т. е. степень его щелочности
или кислотности. Показатель рН может изменяться от 0 до 14. Раствор,
в котором рН=7, является нейтральным, ниже 7 – кислым, выше –
щелочным.
Группа воды по величине pH [108]
Группа воды
Величина рН
Сильнокислые воды………..< 3
Кислые воды……………….3…5
Слабокислые воды……….. 5...6,5
Нейтральные воды……….. 6,5...7,5
Слабощелочные воды………..
7,5...8,5
Щелочные воды……….….. 8,5...9,5
Сильнощелочные воды………..
> 9,5
В воде всегда присутствует немного катионов водорода и гидроксидионов, которые образуются в результате обратимой диссоциации [77]:
H 2O ⇔ H + + OH −
В 1 л чистой воды при комнатной температуре содержится
1 ⋅ 10–7 моль катионов водорода и 1 ⋅ 10–7 моль гидроксид-ионов. Для
количественной характеристики кислотности среды используется водородный показатель рН (от латинского «pundus hydrogenium» – «вес водорода»). Каждое значение рН отвечает определенному содержанию катионов водорода в 1 л раствора. В чистой воде и в нейтральных растворах, где
в 1 л содержится 1 ⋅ 10–7 моль катионов водорода, значение рН равно 7.
В растворах кислот содержание катионов водорода увеличивается,
а содержание гидроксид-ионов уменьшается, в растворах щелочей –
обратная картина. В соответствии с этим меняется и значение водородного показателя (рН). Кислоты, попадая в воду, диссоциируют,
и содержание катионов водорода в расчете на 1 л раствора становится
больше 1 ⋅ 10–7 моль. Сильные кислоты в водной среде диссоциируют
276
277
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 8. Водородный показатель
необратимо. Например, хлороводородная кислота полностью превращается в катионы водорода H+ и хлоридные анионы Cl–:
Оптимальная требуемая величина рН варьируется для различных
систем водоочистки в соответствии с составом воды, характером материалов, применяемых в системе распределения, а также в зависимости
от применяемых методов водообработки.
Для уничтожения бактерий необходимо поддерживать в воде
достаточное содержание остаточного хлора; но этот хлор в качестве
бактерицидного средства действует эффективно только в том случае,
если вода, в которой он растворен, имеет показатель рН от 7,2 до 7,6.
Поэтому для уничтожения бактерий так важно любой ценой поддерживать показатель рН на указанном уровне [78].
Кроме того, есть и другие факторы, которые делают обязательной
правильную величину показателя рН. При значениях, превышающих
7,6, растворенная кислота осаждается и делает воду мутной, придавая
ей молочный оттенок; появляется неприятный запах, быстро загрязняется фильтр. Если показатель рН ниже 7,6, вода обладает высокой коррозионной активностью, становится едкой, вызывая раздражение глаз
и носа, и может даже разрушать металлические детали фильтра [79].
Согласно Санитарным правилам и нормативам (СанПиН), регламентирующим качество питьевой воды в России, допустимая величина рН питьевой воды – не более 7. Если рН воды меньше 6 или больше
9, то это уже не «питьевая вода», а «напиток» или минеральная вода.
Так, например, рН газированных напитков (лимонадов) – 4,5…5. Следовательно, их кислотность выше, чем у питьевой воды.
рН воды из-под крана, к примеру, в Санкт-Петербурге равен 6,8,
т. е. практически идеален. При условии применения фильтра для очистки воды он не должен менять этот показатель и содержание полезных
минеральных веществ (например калия). Фильтр должен задерживать
только примеси, вредные для организма.
Однако в производстве некоторых фильтров для воды используется ионообменная смола в водородной форме. При контакте воды
с такой смолой содержащиеся в воде ионы кальция и магния частично
заменяются на ионы водорода. В результате вода подкисляется,
т. е. ее рН уменьшается, причем нередко приближается к пяти и выходит за рамки СанПиН «Питьевая вода».
HCl = H + + Cl −
Если в 1 л водного раствора содержится 1 ⋅ 10–2 моль HCl, то катионов водорода H+ в этом объеме тоже 1 ⋅ 10–2 моль. Значение водородного показателя (рН) для этого раствора равно 2. Когда в том же объеме раствора содержится 1 ⋅ 10–3 моль HCl, то катионов H+ становится
1 ⋅ 10–3 моль (рН = 3), если хлороводородной кислоты 1 ⋅ 10–4 моль,
то содержание H+ – 1 ⋅ 10–4 моль (рН = 4) и т. д.
Водородный показатель рН, меньший 7, отвечает кислотной среде раствора. Если рН находится в интервале 5…7, то среда раствора
считается слабокислотной, если рН меньше 5, то сильнокислотной: чем
сильнее кислота, тем ниже значение рН.
В результате диссоциации оснований в водном растворе появляются гидроксид-ионы, которые связывают катионы водорода, присутствующие в чистой воде, и уменьшают их количество в щелочном растворе:
NaOH = Na + + OH −
H + + OH − = H 2O
Растворение в 1 л воды 1 ⋅ 10–2 моль сильного основания – гидроксида натрия NaOH – приводит к появлению 1 ⋅ 10–2 моль гидроксидионов. Содержание катионов водорода в полученном растворе оказывается равным 1 ⋅ 10–12 моль, а рН принимает значение 12. В растворах
оснований содержание катионов водорода всегда меньше 1 ⋅ 10–7 моль
в 1 л, а водородный показатель (рН) – больше 7. Среда в таких растворах щелочная. Раствор считается слабощелочным при рН от 7 до 9
и сильнощелочным при рН выше 9.
Значения водородного показателя (рН) водных растворов
распространенных веществ обычно находятся в интервале от 1 до 13.
Приближенно оценить рН растворов можно с помощью кислотноосновных индикаторов. Для более точного измерения водородного
показателя используют приборы – рН-метры.
278
279
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 8. Водородный показатель
Стационарные pH-метры (рис. 8.1)
рH-013 – высокоточный лабораторный
прибор для измерения pH, RedOx-потенциала и температуры.
Область применения:
•измерение pH в аквариумах, бассейнах, в промышленных системах подготовки воды, при лабораторных исследованиях
и т. д.;
•измерение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в аквариумах,
бассейнах, в промышленных системах подготовки воды, при лабораторных исследованиях и т. д.;
• высокоточное измерение температуры в аквариумах, бассейнах, в промышленных системах подготовки воды, при лабораторных
исследованиях и т. д.
Техническая характеристика
Диапазон измерения pH……0…14, RedOx: 0±1999 mV: 0…100 °C;
Цена деления…………0,01 pH, 1 mV, 0,1 °C;
Встроенный сенсор для автоматической компенсации температуры (0…50 °C);
Погрешность…………±0,01 pH, ±0,1 %, ±0,4 °C;
Окружающая среда…..0…50 °C
Влажность…………… ≤ 95 %.
280
Глава 9. МЕТОД ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ
КАЧЕСТВА ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОГРАЖДАЮЩИХ
КОНСТРУКЦИЙ [49, 87]
Стандарт [49] распространяется на ограждающие конструкции
жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий и сооружений с нормируемой температурой внутреннего воздуха
помещений и устанавливает метод тепловизионного контроля качества
теплозащиты одно- и многослойных конструкций (наружных стен, перекрытий, в том числе стыковых соединений) в натурных и лабораторных условиях, определения мест и размеров участков, подлежащих
ремонту для восстановления требуемых теплозащитных качеств.
Стандарт не распространяется на светопрозрачные части ограждающих конструкций.
Пояснения к терминам, используемым в стандарте, приведены
в прил. 5.
Стандарт соответствует требованиям международного стандарта
ИСО 6781–83 в части выявления нарушений теплозащиты зданий.
1. Общие положения
1.1. Метод основан на дистанционном измерении тепловизором
полей температур поверхностей ограждающих конструкций, между
внутренними и наружными поверхностями которых создан перепад
температур, и вычислении относительных сопротивлений теплопередаче участков конструкции, значения которых, наряду с температурой
внутренней поверхности, принимают за показатели качества их теплозащитных свойств.
1.2. Температурные поля поверхностей ограждающих конструкций получают на экране тепловизора в виде черно-белого или цветного изображения, градации яркости или цвета которого соответствуют
различным температурам. Тепловизоры снабжены устройством для
высвечивания на экране изотермических поверхностей и измерения
выходного сигнала, значение которого функционально связано с измеряемой температурой поверхности.
1.3. Тепловизионному контролю подвергают наружные и внутренние поверхности ограждающих конструкций. По обзорной термограмме
281
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 9. Метод тепловизионного контроля качества тепловой изоляции ...
наружной поверхности ограждающих конструкций выявляют участки
с нарушенными теплозащитными свойствами, которые затем подвергают детальному термографированию с внутренней стороны ограждающих конструкций.
1.4. Линейные размеры дефектных участков определяют, используя геометрические масштабы термограмм.
2. Аппаратура и оборудование
2.1. Для контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций применяют тепловизоры марки АТП-44-М. Допускается применение тепловизоров других марок, отвечающих следующим требованиям:
диапазон контролируемых температур –20…+30 °С;
предел температурной чувствительности не менее 0,5 °С;
угловые размеры поля обзора 0,08…0,65 рад;
число элементов разложения по строке не менее 100;
число строк в кадре не менее 100.
2.2. При тепловизионном контроле дополнительно используют
следующую аппаратуру и материалы:
термощуп-термометр ЭТП-М с погрешностью не более 0,5 °С;
аспирационный психрометр М-34;
метеорологический недельный термограф М-16И по ГОСТ 6416–75;
ручной чашечный анемометр МС-13 по ГОСТ 6376–74;
измерительную металлическую рулетку по ГОСТ 7502–80;
фотоувеличитель, укомплектованный наклоняемым проекционным столиком;
сосуд Дьюара вместимостью 1–10 л;
полиэтилентерефталатную металлизированную пленку типа
ПЭТФ-С или ПЭТФ-H.
3. Подготовка к измерениям
3.1. Тепловизионные измерения производят при перепаде температур между наружным и внутренним воздухом, превосходящим минимально допустимый перепад, определяемый по формуле
где Θ – предел температурной чувствительности тепловизора, °С;
∆t min = ΘRоп
282
αr
,
1− r
(9.1)
Rоп – проектное значение сопротивления теплопередаче, м2 ⋅ °С/Вт;
α – коэффициент теплоотдачи, принимаемый равным: для внутренней
поверхности стен – по нормативно-технической документации; для
наружной поверхности стен при скоростях ветра 1, 3, 6 м/с – соответственно 11, 20, 30 Вт/(м2 ⋅ °С); r – относительное сопротивление теплопередаче подлежащего выявлению дефектного участка ограждающей
конструкции, принимаемое равным отношению значения, требуемого
нормативно-технической документацией, к проектному значению
сопротивления теплопередаче, но не более 0,85.
3.2. Тепловизионные измерения производят при режиме теплопередачи, близком к стационарному. Отклонение фактического режима
теплопередачи от стационарного оценивают согласно прил. 6.
3.3. Тепловизионные измерения производят при отсутствии атмосферных осадков, тумана, задымленности. Обследуемые поверхности не должны находиться в зоне прямого и отраженного солнечного
облучения в течение 12 ч до проведения измерений.
3.4. Измерения не следует производить, если значение интегрального коэффициента излучения поверхности объекта менее 0,7 (прил. 7).
3.5. Места установки тепловизора выбирают так, чтобы поверхность объекта измерений находилась в прямой видимости под углом
наблюдения не менее 60°.
3.6. Удаленность мест установки тепловизора L в метрах от поверхности объекта определяют по формуле
L≤
∆HN с
,
10 ϕ
(9.2)
где ϕ – угловой вертикальный размер поля обзора тепловизора, рад;
∆H – линейный размер подлежащего выявлению участка ограждающей
конструкции с нарушенными теплозащитными свойствами,
принимаемый при контроле внутренней поверхности – от 0,01 до 0,2 м;
при контроле наружной поверхности – от 0,2 до 1 м; Nс – число строк
развертки в кадре тепловизора.
3.7. Поверхности ограждающих конструкций в период тепловизионных измерений не должны подвергаться дополнительному тепло283
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 9. Метод тепловизионного контроля качества тепловой изоляции ...
вому воздействию от биологических объектов, источников освещения.
Минимально допустимое приближение оператора тепловизора
к обследуемой поверхности составляет 1 м, электрических ламп накаливания – 2 м.
3.8. Отопительные приборы, установленные на относе с расстоянием более 10 см от обследуемой поверхности или находящиеся
на примыкающих к ней поверхностях, следует экранировать пленочными материалами с низким коэффициентом излучения (см. п. 2.2).
3.9. На обследуемой поверхности выбирают геометрический
репер, которым может служить линейный размер откоса окна, расстояние между стыками панелей ограждающей конструкции.
4. Проведение измерений
4.1. Тепловизор устанавливают на выбранном месте, включают
и настраивают в соответствии с инструкцией по его эксплуатации.
4.2. Тепловое изображение наружной поверхности ограждающей
конструкции просматривают, снимают обзорные термограммы
и выбирают базовый участок. За базовый принимают участок ограждающей конструкции, имеющий линейные размеры свыше двух ее толщин и равномерное температурное поле, которому соответствует минимальное значение выходного сигнала тепловизора.
4.3. Участок с нарушенными теплозащитными свойствами выявляют при просмотре тепловых изображений наружной поверхности
ограждающей конструкции. К ним относят участки, тепловое изображение которых не соответствует модели термограммы, и участки, значения выходных сигналов тепловизора от поверхности которых больше на цену деления шкалы изотерм, чем для базового участка.
4.4. Поверхности контролируемых участков стен освобождают от
картин, ковров, отслоившихся обоев и других предметов, исключающих прямую видимость объекта.
4.5. Внутренние поверхности базового участка и участков с нарушенными теплозащитными свойствами подвергают детальному термографированию. Дополнительно термографируют участки примыкания пола и потолка к наружным стенам здания в помещениях первого
и верхнего этажей, а также угловые участки сопряжений наружных стен.
4.6. Перед измерениями температурных полей производят
градуировку тепловизора в соответствии с прил. 8.
4.7. При измерениях температурных полей на экране тепловизора получают и фотографируют последовательно тепловые изображе-
ния с высвеченными изотермическими поверхностями, начиная с минимального значения выходного сигнала тепловизора и кончая максимальным его значением. Значения выходных сигналов тепловизора для
изотермических поверхностей определяют по формуле
284
Lk = Lmin +
k −1
∆τ ,
A
(9.3)
где Lmin – минимальное значение выходного сигнала тепловизора;
k – порядковый номер изотермической поверхности; A – коэффициент
градуировочной характеристики тепловизора, °С (см. прил. 8);
∆τ – разница температур между соседними изотермами, принимаемая
равной 0,3…1 °С.
4.8. Температуры внутреннего и наружного воздуха измеряют
аспирационным психрометром.
4.9. Результаты измерения заносят в журнал записи тепловизионных измерений по форме, приведенной в прил. 9.
4.10. Сопротивление теплопередаче базового участка ограждающей конструкции определяют по результатам натурных измерений
в соответствии с ГОСТ 26254–84. При невозможности его определения значение сопротивления теплопередаче вычисляют согласно нормативно-технической документации по данным проекта ограждающей
конструкции.
5. Обработка результатов
5.1. Температуры изотермических поверхностей участков τв, °С,
определяют по формуле
τ в = AL + B ,
(9.4)
где A, B – коэффициенты градуировочной характеристики тепловизора
(см. прил. 8); L – выходной сигнал тепловизора от изотермической
поверхности.
5.2. Температурное поле изображают в виде семейства изотерм
на подготовленном в масштабе от 1:20 до 1:200 эскизе соответствующего участка ограждающей конструкции. На эскизе наносят прямоугольную сетку с координатными осями ОХ и ОY, начало координат
которой совмещают с характерной деталью этого участка.
285
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 9. Метод тепловизионного контроля качества тепловой изоляции ...
5.3. Для построения семейства изотерм негативное изображение
термограммы проецируют при помощи фотоувеличителя на подготовленный эскиз, помещенный на проекционный столик. Увеличение
и угол наклона проекционного столика выбирают так, чтобы проекция
геометрического репера совпала с его изображением на эскизе.
5.4. Последовательно заменяя в фотоувеличителе негативы детальных термограмм одного и того же участка ограждения с различными
изображениями изотерм, на эскиз переносят положение изотерм и проставляют на них значения температур. Линию изотерм на эскизе проводят по средней линии изображения изотермической поверхности.
Значения температур заносят в таблицу по форме (см. прил. 10).
5.5. Значения относительного сопротивления теплопередаче участка ограждения вычисляют по формуле
ловизора, принимаемая равной половине цены деления шкалы изотерм
тепловизора; A – коэффициент градуировочной характеристики тепловизора.
Значение случайной относительной погрешности определения
относительного сопротивления теплопередаче δr рассчитываютт
по формуле
t вб − τ бв
r ( x, y ) = б б
,
t в − t н t в − τ в ( x, y )
tв − tн
(9.5)
где tв, tн – температуры внутреннего и наружного воздуха в зоне
исследуемого фрагмента, °С; tвб , tнб – температуры внутреннего
о
и наружного воздуха в зоне базового участка, °С; τ бв – температура
внутренней поверхности базового участка, °С; τ в (x, y) – температура
изотермы, проходящей через точку с координатами (x, y), °С.
Результаты расчета относительных сопротивлений теплопередаче
заносят в таблицу по форме прил. 10.
5.6. Значение случайной абсолютной погрешности определения
температуры δτ, °С, участка ограждающей конструкции рассчитывают
по формуле
δτ =
(δτ р )2 + 2( AδL )2 ,
(9.6)
где δτр – абсолютная погрешность измерения температур реперных
участков, принимаемая равной половине цены деления шкалы измерительного прибора; δL – погрешность измерения выходного сигнала теп286
δr =
1
tв − τв
(δtв )2 + (δτв )2 + (δτб )2 ,
(9.7)
где tв, τв – температуры соответственно воздуха и поверхности, °С; δtв,
δτб, δτв – значения абсолютных случайных значений погрешности
определения температуры соответственно воздуха, базового участка,
контролируемого участка, °С.
Результаты измерений признают достоверными, если относительная погрешность δr не превышает 15 %.
5.7. Определение границ дефектного участка.
5.7.1. В качестве границы дефектного участка ограждающей конструкции, выявленного при термографировании внутренней поверхности, принимают:
изотерму, температура которой при расчетных условиях эксплуатации здания или сооружения равна температуре точки росы внутреннего воздуха;
контур участка с однородным температурным полем, линейные
размеры которого больше двух толщин ограждающей конструкции
и относительное сопротивление теплопередаче равно или меньше его
критического значения.
5.7.2. Температуру внутренней поверхности участка ограждения
по линии изотермы определяют при расчетных условиях эксплуатации
здания или сооружения по формуле
τ вр ( x, y ) = tвр −
tвр − tнр
,
α вр R0б r ( x, y )
(9.8)
о
где tвр , tнр – расчетные температуры соответственно внутреннего
и наружного воздуха, °С; α вр – коэффициент теплоотдачи внутренней
287
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
поверхности ограждающей конструкции, принимаемый согласно
нормативно-технической документации, Вт/(м2 ⋅ °С); R0б – значение
сопротивления теплопередаче базового участка, м2 ⋅ °С/Вт (п. 4.10).
5.7.3. Критическое значение относительного сопротивления теплопередаче rкр ограждающей конструкции по линии изотермы определяют по формуле
rкр =
R0тр
, но не более 0,85,
R0б
(9.9)
где R0тр – требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое по
нормативно-технической документации, м2 ⋅ °С/Вт.
5.7.4. При расположении дефектного участка в зоне стыкового
соединения стеновых панелей или оконного блока и панели следует
проверить сопротивление воздухопроницанию стыкового соединения
по ГОСТ 25981–83.
Теплотехнические показатели строительных материалов приведены в прил. 13, методика определения расчетных значений теплопроводности материалов – см. прил. 3.
288
Глава 10. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ
10.1. Методы измерения скорости
Классификация методов определения скорости потоков
Существующие методы измерения скорости потоков можно разделить на три основных: кинематические, динамические и физические.
При измерении кинематическими методами в среде создаются
метки, и с помощью прибора определяется скорость движения
их в среде. Метки могут быть как искусственными, так и естественно
существующими в потоке.
Динамические методы используют динамическое взаимодействие
потока и измерительного зонда прибора, а также взаимодействие
потока и магнитного или электрического поля. Взаимодействие может
быть гидродинамическим, термодинамическим или магнитогидродинамическим.
Для измерения скорости физическими методами применяют различные физические процессы, протекание которых в потоке однозначно и устойчиво связано со скоростью.
В практике натурных гидрофизических измерений преимущественно применяются динамические методы. В частности, для натурных измерений осредненных и пульсационных значений скоростей
потоков жидкости широко используют приборы, по термодинамическим и магнитогидродинамическим методам. Термодинамические методы измерения скорости основаны на зависимости теплообмена измерительного зонда и среды от скорости потока. Магнитогидродинамические методы применяют для измерения скорости эффекта
динамического взаимодействия потока исследуемой проводящей среды с магнитным полем, создаваемым измерительным преобразователем прибора в области измерения.
В настоящее время широкое распространение для измерения скорости получили термодинамические и магнитогидродинамические
методы. Термоанемометрия является одним из основных средств
289
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
измерения скорости газовых потоков, широко используется и для водных сред.
Согласно [66] для измерения давлений и скоростей движения воздуха в воздуховодах или каналах должны быть выбраны участки с расположением мерных сечений на расстояниях не менее шести гидравлических диаметров Dh, м, за местом возмущения потока (отводы,
шиберы, диафрагмы и т. п.) и не менее двух гидравлических диаметров перед ним.
При отсутствии прямолинейных участков необходимой длины
допускается располагать мерное сечение в месте, делящем выбранный
для измерения участок в отношении 3:1 в направлении движения воздуха. Гидравлический диаметр определяется по формуле
Измерений в каждой точке должно быть не менее трех. При использовании анемометров время измерения в каждой точке должно быть
не менее 10 с.
Для аэродинамических испытаний применяются приборы:
• комбинированный приемник давления – для измерения динамических давлений потока при скоростях движения воздуха более 5 м/с
и статических давлений в установившихся потоках (рис. 10.2);
• дифференциальные манометры класса точности от 0,5 до 1,0
по ГОСТ 11161–71, ГОСТ 18140–77 и тягомеры по ГОСТ 2648–78 –
для регистрации перепадов давлений;
• анемометры по ГОСТ 6376–74 и термоанемометры – для
измерения скоростей воздуха не менее 5 м/с;
• барометры класса точности не ниже 1,0 – для измерения
давления в окружающей среде;
• ртутные термометры класса точности не ниже 1,0 по
ГОСТ 13646–68 и термопары – для
измерения температуры воздуха;
• психрометры класса точности не ниже 1,0 по ГОСТ 112–78 –
для измерения влажности воздуха.
Рис. 10.2. Комбинированный приТрубки гидро- и пневмометемник давления – пневмометрическая трубка Пито – Прандтля
рические, устройства для измерения величины и направления скорости, а также расхода жидкости или газа, основанные на измерении
давления в потоке, применяются для измерения скоростей течения воды
в каналах, лотках и трубах, скоростей воздушных потоков, а также относительных скоростей движения судов и самолетов. Широко распространена комбинированная трубка Пито – Прандтля, которая представляет собой цилиндрическую трубку с полусферическим носиком
(рис. 10.3), ось которой устанавливается вдоль потока. Через центральное отверстие на полусфере (критическая точка) измеряется полное давление Pо; другое отверстие (или ряд отверстий) располагается на боковой поверхности трубки на расстоянии нескольких диаметров трубки
от носика и от державки и служит для измерения статического давления P. Геометрическая форма, форма отверстий и расстояние от них
Dh =
4F
,
П
(10.1)
где F – площадь, м2; П – периметр сечения, м.
Допускается размещать мерное сечение непосредственно в месте
внезапного расширения или сужения потока. Его размер в этом случае
принимают равным наименьшему размеру канала.
Координаты точек измерений давлений и скоростей, а также
количество точек определяются формой и размерами мерного сечения
по рис. 10.1. Максимальное отклонение координат точек измерений
от указанных на чертеже не должно превышать ±10 %.
D
2
1
Замерный люк
3
4
0,12D
Рис. 10.1. Координаты точек измерений давлений и скоростей
в воздуховодах цилиндрического сечения при 100 < D < 300 мм
290
291
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
до носика трубки выбираются так, чтобы давление в боковых отверстиях по возможности мало отличалось от статического давления в
исследуемой точке потока. Небольшое несоответствие давлений учитывается поправочным коэффициентом x, который определяют тарировкой. Зная P и Pо, вычисляют скорость потока v на основании уравнения Бернулли. При измерении скоростей воздуха выше 50–60 м/с
необходимо учитывать сжимаемость воздуха.
Для измерения скорости потока существует большое количество
модификаций трубки Пито – Прандтля (трубки Брабе, Лосиевского,
Престона и др.); кроме того, скорость измеряется трубкой Вентури
(рис. 10.4). Направление потока измеряют цилиндрическими и сферическими насадками, комбинациями из трех расположенных под углом
трубок Пито и т. д., показания которых очень чувствительны к направлению потока. Для исследования полей скоростей в пограничном слое
потока вязкой жидкости или газа вблизи твердой стенки применяется
трубка Стэнтона, измеряющая скоростной напор в потоке с большим
вертикальным градиентом скорости (рис. 10.5); она устанавливается
непосредственно на поверхности обтекаемого тела и перемещается по
вертикали с помощью микрометрического винта. Измеренное трубкой
давление относится к эффективному расстоянию от стенки, определяемому из тарировки. Скорость вычисляют по разности полного давления,
измеренного трубкой, и статического давления на стенке канала [25].
Скорость, измеренная пневмометрической трубкой Прандтля,
определяется по формуле
Рис. 10.3. Схема трубки Пито – Прандтля [81, 82]
V = k Pr
2gρ′y ( A − a0 ) sin α
2g(Po − P )
= k Pr
,
ρ
ρ
Рис. 10.4. Схема трубки Вентури:
1 – сопло; 2 – диффузор; Р1 и Р2 – давления
до и после сужения [81]
(10.2)
0,1 мм
где kPr – тарировочный коэффициент трубки; для трубки Прандтля при
аккуратном ее изготовлении и соотношении размеров kPr близок к единице; Po − P = h – динамический напор, мм вод. ст.; ρ – плотность потока, кг/м3; ρ′y – плотность жидкости, залитой в микроманометр, кг/м3; А –
показания микроманометра при измерении, мм; а 0 – начальное
показание микроманометра, мм; α – угол наклона трубки микроманометра.
292
Рис. 10.5. Схема трубки Стэнтона [81]
293
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
При проведении измерений [25] трубку Пито – Прандтля вставляют через измерительные лючки в стенках внутрь воздуховодов. Трубка устанавливается перпендикулярно к оси воздуховода так, чтобы
наконечник ее был направлен против потока воздуха, а ось наконечника была бы параллельна потоку воздуха.
U-образный водяной манометр позволяет измерить давление в кгс/м2.
Для получения давления в Па измеренное значение давления умножается на 9,81 м/с2. На рис. 10.6 показана схема измерения полного, статического и динамического давлений с помощью трубки Пито – Прандтля и трех водяных U-образных манометров.
При скоростях воздуха в воздуховодах менее 5 м/с используются
микроманометры. Схема присоединения трубки Пито – Прандтля
к микроманометрам показана на рис. 10.7, в левой части которого дана
схема присоединения шлангов приемника давления к микроманометру при измерении давлений на всасывающей стороне вентиляционной
установки. Так как при этом внутри воздуховода давление меньше
атмосферного, то нижний манометр, соединенный шлангом с концом
трубки статического давления, покажет статическое давление в миллиметрах водяного столба, и столбик жидкости в нем будет поднят атмосферным давлением на уровень пониженного давления в воздуховоде. На всасывающей стороне вентилятора статическое давление Ps
будет максимальным, но с отрицательным знаком.
I
Рs
II
Рd
Р
+Р
–Р
Рs
Рис. 10.6. Схема измерения полного, статического и динамического
давлений с помощью трубки Пито – Прандтля
294
+Рs
Рd
–Рs
Рис. 10.7. Схема соединения трубок Пито – Прандтля
с микроманометрами
Динамическое давление Pd (независимо от того, при каком избыточном статическом давлении движется воздух – положительном или
отрицательном) всегда положительно. Поэтому полное давление, равное алгебраической сумме статического и динамического давлений, по
показанию левого манометра будет по абсолютному значению меньше
статического и по знаку отрицательно.
Правый манометр присоединен к двум концам приемников давления и показывает разность полного и статического давлений:
Pd = − Pо − (− Ps ) = Ps − P = Pd .
III
Р
Глава 10. Измерение скорости
(10.3)
Этим подтверждается, что Pd положительно.
В правой части рис. 10.7 показано распределение давления в вентиляционной сети за вентилятором, где в воздуховоде давление воздуха больше атмосферного. Согласно этому условию максимальная разность высот уровней жидкости будет при измерении полного давления
на левом манометре, так как
(10.4)
Pо = Ps + Pd .
При положительном знаке Ps эта сумма увеличивается, давление,
показываемое правым манометром Ps, больше атмосферного.
295
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
Измерение скорости воздуха с помощью микроманометра
с наклонной трубкой типа ММН-240 и АБ (ЦАГИ) [83, 26]
Микроманометр ММН-240 [84, 16] (рис. 10.8) предназначен для
измерения скорости воздушного потока в аэродинамических трубах,
газоходах и вентиляционных системах, разностей давлений неагрессивных к стали, латуни и олову газов в диапазоне 0–240 кгс/м2, а также
в качестве лабораторного прибора при различных испытаниях в промышленности.
Область применения: контроль вентиляции производственных
помещений, экологический контроль выбросов различных производств,
технологический контроль газопылевых потоков, аэродинамические
исследования и др.; при различных лабораторных испытаниях, а также
в качестве эталона измерения рабочих приборов. Тип и основные
параметры соответствуют ГОСТ 11161–71.
Устройство. Состоит из наклонной измерительной трубки и штатива. Наклонная измерительная трубка имеет несколько фиксированных положений.
Прибор имеет пять пределов измерений, соответствующих пяти
углам наклона манометрической трубки. При использовании в качестве манометрической жидкости раствора красителя в этиловом спирте с плотностью 0,8095 ± 0,005 г/см3 измеряемое давление равно показаниям прибора, умноженным на константу прибора для данного предела измерения.
Принцип работы прибора основан на эффекте сообщающихся
сосудов. Измеряемое давление уравновешивается давлением столба
рабочей жидкости, которое образуется в измерительной трубке. В качестве рабочей жидкости в ММН-240 используется этиловый технический спирт. Шкала нанесена на склянку измерительной трубки
L = 300 мм.
Скорость воздушного потока по измеряемой микроманометром
разности давлений определяется по формуле, приведенной в технической документации.
Устройство прибора показано на рис. 10.9. На плите 1 укреплен
резервуар 2, герметически закрытый крышкой 3, на которой расположены трехходовой кран 4, регулятор нулевого расположения мениска
5 и пробка 6. К стойке плиты крепится кронштейн 7 со стеклянной
измерительной трубкой 8; шкала, нанесенная на стеклянную измерительную трубку, имеет длину 300 мм; наименьшее деление шкалы 1 мм.
Шланги 9, 10 соединяют измерительную трубку с резервуаром и краном. Для установки кронштейна на требуемый угол наклона к плите 1
прикреплена дуга 11 с пятью отверстиями, соответствующими определенным значениям постоянной прибора; ее величина обозначена
на дуге против каждого отверстия. Кронштейн 7 фиксируется на дуге
11 в нужном положении фиксатором.
Для проведения измерений в пробирку с двойными стенками наливается эталонная жидкость и включается термостат в положение
«начало отсчета». Затем опускается капилляр так, чтобы он едва коснулся поверхности жидкости, проверяется правильность установки
микроманометра по уровням. При открытом кране, соединяющем систему с атмосферой, проверяется установка жидкости на 0 и, если необходимо, корректируется ее положение за счет вращения рукоятки 5
в центре микроманометра. Закрыв кран, регулируют микрокраном скорость поднятия (около 1 мм/с) манометрической жидкости и устанавливают такой наклон микроманометра, при котором максимальная
296
297
Жидкостные чашечные однотрубные многопредельные микроманометры с наклонной трубкой типа ММН-240 и АБ (ЦАГИ) применяются для измерения давлений соответственно до 240 и 160 кгс/м2.
В микроманометры заливается спирт с удельным весом 0,81 г/см3,
очищенный от механических примесей.
Начальное положение устанавливается поршнем на нулевую отметку; в микроманометрах типа АБ начальное показание фиксируется
в протоколе измерений.
Рис. 10.8. Микроманометр ММН-240
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
высота поднятия составляет 150–200 мм. Затем прибор соединяется
с атмосферой, вторично проверяется правильность установки нуля, после чего закрывается кран и измеряется максимальная высота поднятия
для эталонной жидкости. Установившееся максимальное значение высоты поднятия и температура записываются.
3. Условия эксплуатации: температура окружающего воздуха
от 10…35 °C и относительная влажность 80 % при температуре +20 °C,
крепость спирта 80…95 %.
4. Габаритные размеры 450×210×200 мм.
5. Масса не более 3,0 кг.
6. Средний срок службы не менее 8 лет.
7. Вероятность безотказной работы не менее 2000 ч.
Перед работой с микроманометром необходимо:
установить опорную площадку прибора горизонтально
по уровню;
убедиться в герметичности соединительных шлангов, в отсутствии
в них капель воды или спирта и присоединить шланги к штуцерам
микроманометра;
проверить герметичность прибора, повышая давление поочередно
в бачке и трубке (путем нагнетания воздуха через резиновый патрубок).
Прибор достаточно герметичен, если уровень жидкости не меняется
в течение минуты при поочередном перекрытии соответствующего
штуцера.
1. Численные значения динамических давлений, кгс/м2, определяются по формулам:
для микроманометров типа ММН
4
5
6
11
3
К прибору
10
7
2
8
1
9
Рис. 10.9. Устройство микроманометра ММН-240
Эталонную жидкость заменяют на исследуемую жидкость, предварительно обмыв этой жидкостью пробирку и капилляр. Производится измерение высоты максимального подъема исследуемой жидкости
в капилляре при комнатной температуре, а также при 6–7 более высоких температурах (через 5…10 °С в интервале от 20 до 70 °С).
Для этого необходимо выполнить следующие действия:
а) присоединить кювету к термостату (трубка, идущая от верхнего выхода, присоединяется к всасывающей трубке насоса);
б) вращая магнит, расположенный на контактном термометре,
установить движок термометра на деление, соответствующее требуемой температуре;
в) включить термостат в сеть;
г) включить мотор термостата поворотом тумблера в положение Н3;
д) поворотом рукоятки «Подача воды» в положение «AUF» включить подачу воды в кювету.
Технические характеристики соответствуют ГОСТ 11161–71:
1. Класс точности 1,0.
2. Рабочая жидкость – спирт этиловый высшей очистки
ГОСТ Р 51652–2000, объем рабочей жидкости 150 см3.
где h0 – начальный отсчет столбика спирта, мм; k – тарировочный
коэффициент, приведенный в паспорте прибора.
298
299
Pd = h f ,
(10.5)
где h – длина столбика спирта, мм; f – фактор микроманометра (значение
фактора на дуге прибора), определяется по формуле
f = k γ sin α ,
(10.6)
где γ = 0,81 г/см3 – удельный вес спирта; sin – угол наклона трубки
микроманометра; k – тарировочный коэффициент прибора;
для микроманометров типа ЦАГИ
P = (hd − h0 )k γ sin α,
(10.7)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
В тех случаях, когда показания микроманометра отличаются друг
от друга не более чем в два раза, усредненная величина динамического
давления вычисляется как среднее арифметическое из «n» точек
в измеряемом сечении:
где D – диаметр (или ширина) воздуховода, мм; n – число точек
измерения.
Число точек измерений на каждой оси должно быть не менее шести. При шести точках вычисленную величину расхода воздуха следует умножить на поправочный коэффициент, равный 1,10 – для металлических и пластмассовых воздуховодов; 1,14 – для воздуховодов
из других материалов (асбоцемент, гипс и др.). При числе точек больше
шести поправочный коэффициент определяется из графика [83, 26, рис. 2].
4. При измерениях динамических давлений, требующих повышенной точности (определение величин валовых выбросов, определение
производительности местных отсосов, определение эффективности
улавливания газоочистных установок и т. п.), количество точек измерений зависит от размеров мерного сечения:
• для круглого сечения:
высота 100…300 мм – 4 точки;
более 300 мм – 8 точек;
• для прямоугольного сечения:
высота 100…200 мм – 4 точки;
более 200 мм – 16 точек.
5. Количество измерений в каждой точке не менее трех.
6. Пневмометрическая трубка, направленная приемным отверстием навстречу потоку воздуха, должна перемещаться вдоль каждой оси
от ближайшей стенки воздуховода до противоположной. В каждом
фиксированном положении пневмометрической трубки внутри воздуховода регистрируется величина давления в точке замера.
P
Pd = ∑ di ,
n
(10.8)
где Pdi – динамическое давление, измеренное в точке.
При больших расхождениях показаний микроманометра, а также
при нулевых значениях динамическое давление вычисляется по формуле
Pd =
Pd 1 + Pd 2 + ... + Pdn
.
n
(10.9)
2. При измерениях динамического давления в воздуховодах механической приточно-вытяжной вентиляции места замеров выбираются
на прямых участках на расстоянии не менее шести диаметров после
него по потоку.
Если прямолинейный участок необходимой длины выбрать невозможно, то допускается располагать мерное сечение в месте, делящем выбранный для измерения участок в отношении 3:1 в направлении потока воздуха.
Измерение в мерном сечении осуществляется по двум взаимно
перпендикулярным осям; а в сечениях, расположенных на расстоянии
более шести диаметров после местного сопротивления, измерение можно производить по одной, произвольно расположенной оси.
Допускается размещать мерное сечение непосредственно в месте
внезапного расширения или сужения потока. При этом за расчетный
размер сечения принимается наименьшее сечение канала.
3. При измерении давлений и скоростей в воздуховодах допускается использовать упрощенный метод определения координат – метод
равноотстоящих точек. Точки измерений располагаются на каждой оси
равномерно и расстояние между ними определяется из выражения
S=
D
,
n +1
300
(10.10)
Методика определения скорости и объемного расхода
газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников
загрязнения в газоходах и вентиляционных системах
со скоростью не менее 4 м/с [67]
1. Средства измерений, реактивы, оборудование:
Трубки напорные конструкции НИИОГАЗ (рис. 10.10).
Микроманометры типа ММН-240(5)-1,0 класса точности 1,0.
Термометр стеклянный технический по ГОСТ 28498–90.
Барометр класса точности не ниже 1,0.
Штангенциркуль по ГОСТ 166–89*.
301
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
Нутромер микрометрический по ГОСТ 10–88.
Рулетка металлическая по ГОСТ 7502–98.
Спирт этиловый по ГОСТ 5962–67, раствор плотностью 0,8095 г/см3.
Трубки медицинские резиновые типа 1 по ГОСТ 3399–76 или
полиэтиленовые по ГОСТ 18599–2001.
составлять не менее 4–5 эквивалентных диаметров De; если условие
минимальной длины не может
быть обеспечено, то следует увеличить количество точек измерений
в два раза.
2.4. Сбор схемы для проведения измерений (рис. 10.13), при этом
Рис. 10.12. Графическая зависиполости полного давления присоедимость отношения длин отрезков
няются к штуцеру микроманометра
газохода до и после измерительсо знаком «+», а статического давленого сечения
ния – к штуцеру со знаком «–».
Входные отверстия для измерений внутри газохода
(фланцы, штуцеры, термометрические гильзы и т. д.) в месте
измерений должны быть выполнены таким образом, чтобы
как можно меньше были нарушены поверхностные слои газохода (теплоизоляция, антикоррозийное покрытие и т. д.)
и не было утечки газа или подсоса воздуха.
Рис. 10.13. Схема установки приборов
Определяется количество
в газоходе:
точек измерения п.
1 – термометр; 2, 4 – контрольная и ра2.5. Площадь измерительбочая напорные трубки; 3, 7 – микроманого сечения условно делится нометры для измерений динамического
на составные равновеликие давления в контрольной и рабочих точплощадки, в центрах которых
ках; 5 – линейка; 6 – стальной пруток
находятся точки измерения.
2.5.1. Площадь поперечного сечения газохода круглого сечения
условно делится на равновеликие кольца и четыре равновеликих сектора (рис. 10.14). Точки измерения находятся на двух взаимно перпендикулярных прямых, пересекающихся в центре измерительного сечения.
Расстояние аi от внутренней стенки газохода до точки измерения п
в процентах от диаметра вычисляют по формуле
Рис. 10.10. Напорная трубка конструкции НИИОГАЗ:
1, 2 – полости для измерения полного и статического давления;
3 – наконечник трубки
газа.
2. Подготовка к проведению измерений.
2.1. Измерения проводят при установившемся движении потока
Измерительное сечение выбирается на прямом участке газохода
на достаточном расстоянии от мест, где изменяется направление потока газа (колена, отводы и т. д.) или
площадь поперечного сечения газохода (задвижки, дросселирующие устройства и т. д.).
2.2. Отрезок прямого участка газохода до измерительного сечения должен быть длиннее отрезка за измерительным сечением
Рис. 10.11. Место для измерения
(рис. 10.11); отношение длин отна трубопроводе:
L – длина прямого участка резков газохода до измерительногазохода, кратная De; А–А – измери- го сечения и за ним устанавливательное сечение; Lz – длина прямого ется согласно рис. 10.12.
участка газохода за измерительным
2.3. Минимальная длина прясечением, кратная De
мого участка газохода L должна
302
303
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
a i = k i D ⋅ 10 − 2 ,
(10.11)
где i – порядковый номер точки
измерения; k i – коэффициент,
определяемый по [67, табл. 2].
2.5.2. Площадь поперечного
сечения газохода прямоугольного
или квадратного сечения условно
делится на геометрические подобные равновеликие составные площадки (рис. 10.15). Точки измерения находятся в центрах тяжести
равновеликих площадок, прямоугольные координаты которых по
отношению к внутренней стенке
газохода вычисляют по формулам:
Рис. 10.14. Определение места
расположения точек измерения
для трубопровода круглого сечения:
1 – линии измерения; 2 – точки
измерения
Рис. 10.15. Определение места
расположения точек измерения
для трубопровода прямоугольного сечения:
1 – линии измерения; 2 – точки
измерения
Глава 10. Измерение скорости
Ai = A
2i A − 1
;
2n A
(10.12)
Bi = B
2i B − 1
,
2n B
(10.13)
где i A , i B – порядковый номер точки
измерения на линии измерения; nA, nB –
количество точек измерения на одной
линии измерения.
Для n =12 nA = 3, nB = 4.
2.6. Количество точек измерения в
измерительном сечении должно
соответствовать указанному в [67, табл. 1].
При этом эквивалентный диаметр
газохода круглого сечения равен его
внутреннему диаметру D, а для газохода
прямоугольного сечения его вычисляют
по формуле
304
De =
2AB
,
A+ B
(10.14)
где А, В – внутренние размеры газохода прямоугольного сечения, м.
3. Выполнение измерений.
3.1. Скорость v, м/с, и расход газов определяются методом
измерения динамического давления газа Рd по формуле
Pd = Po − Ps ,
(10.15)
где Рo – полное давление газа, Па; Рs – статическое давление газа, Па.
Скорость газа определяется по формуле
v=
2 Pd
,
ρ
(10.16)
где ρ – плотность газа при рабочих условиях, кг/м3.
3.2. Динамическое давление газа вычисляется по формуле
Pd = r b k т ,
(10.17)
где r – отсчет по шкале микроманометра, Па; b – коэффициент, зависящий от угла наклона измерительной трубки микроманометра; kт – коэффициент напорной трубки, определяемый при ее метрологической аттестации (для напорных трубок конструкции НИИОГАЗ kт равен 0,55–0,3).
3.3. Определение объемного расхода газа.
3.3.1. Объемный расход газа V, определяемый посредством средней скорости газа v , вычисляется по формуле
(10.18)
V = v s,
2
где s – площадь измерительного сечения газохода, м .
3.3.2. При выполнении измерений одна напорная трубка
устанавливается в контрольной точке на расстоянии 30–100 мм от оси
газохода. Рабочую напорную трубку перемещают по линии измерения,
последовательно устанавливая в точках измерения с погрешностью,
305
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
не превышающей ±2 мм, при этом наконечники напорных трубок должны
быть направлены навстречу газовому потоку. Измерения давления
обеими трубками производятся одновременно. Результаты измерений
фиксируются в журнале (см. прил. 11, [67, прил. 1]). В каждой точке
выполняется не менее трех измерений динамического давления; по
результатам измерений определяется среднее динамическое давление
для данной точки измерения.
При проведении измерений необходимо следить за отсутствием
отложений пыли на напорных трубках.
3.3.3. Одновременно измеряется температура газа и разрежение
(давление) в газоходе, а также атмосферное давление воздуха.
3.4. Определение площади измерительного сечения.
3.4.1. Измеряются внутренние размеры газохода микрометрическим нутромером. При наличии внутри газохода поверхностных слоев
в качестве расчетного сечения принимают действительно свободное
сечение.
3.4.2. При невозможности непосредственного измерения внутренних размеров допускается определять размеры измерительного сечения измерением наружных размеров газохода и толщины его стенки.
Измерения необходимо проводить измерительной рулеткой. Толщина
стенки измеряется штангенциркулем.
3.4.3. Для газохода круглого сечения диаметр измеряется не менее четырех раз с приблизительно равными углами между измерительными диаметрами. Если разность результатов измерений более 1 %,
число измерений удваивается. Диаметр газохода определяется как среднее арифметическое всех измерений.
3.4.4. Для газохода прямоугольного сечения ширина и высота измеряются на каждой измерительной горизонтали и вертикали. Если
разность результатов более 1 %, число измерений удваивается. Ширина и высота газохода принимаются равными среднему арифметическому значению измерений соответствующих величин.
4. Обработка результатов измерений.
Плотность газа при рабочих условиях вычисляется по формуле
где ρN – плотность газа при нормальных условиях, кг/м3; t – температура
газа в газоходе, °С; Pa – атмосферное давление воздуха, кПа.
Плотность газа, состоящего из j компонентов, при нормальных
условиях вычисляется по формуле
ρ = ρN
Pа + Ps
,
273 + t
306
(10.19)
ρN =
mj Ω j
1
,
∑
100 j 22,4
(10.20)
где mj – значения молекулярной массы j-го компонента газовой смеси;
Ωj – объемная доля j-го компонента газовой смеси, %; 22,4 – мольный
объем при нормальных условиях, м3/кмоль.
Если известны плотности компонентов газовой смеси при нормальных условиях ρ N j , то плотность газовой смеси вычисляется по
формуле
ρ=∑
ρN j Ω j
j
100
.
(10.21)
Для приближенных расчетов плотность дымовых газов принимается равной плотности воздуха (ρ = 1,29 кг/м3).
Среднюю скорость газового потока вычисляют по формуле
v =α
2 Pdк
,
ρ
(10.22)
где α – коэффициент поля скоростей в измерительном сечении;
Pdк – динамическое давление в контрольной точке измерительного
сечения, Па.
Коэффициент поля скоростей α вычисляется по формуле
α=
1 n Pdi
.
∑
n i =1 Pdк
(10.23)
5. Оценка погрешностей определения скорости и расхода.
Погрешность определения скорости и расхода производится
в соответствии с главой 1 и [67, п. 5]. Пример для расчета погрешностей
измерений приведен в [67, прил. 2].
307
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
10.2. Приборы для измерения скорости воздушного потока
Измерение скорости воздушного потока
с помощью цифрового анемометра
Исследования проводятся с помощью
цифрового переносного анемометра АП-1
(рис. 10.16).
Анемометр цифровой переносной предназначен для измерения средней скорости воздушного потока в промышленных условиях. Пример холодного стенда приведен на рис. 10.17,
10.18 [2].
Технические характеристики АП-1
Рис. 10.16. Анемометр
цифровой переносной
АП-1
Диапазон измерения скорости
воздушного потока, м/с……………………
0,3…20
Чувствительность, не более, м/с………………
0…0,2
Основная погрешность, м/с………………
±(0,1+0,05V)*
Время измерения, с……………………….
5
Время индикации показаний, с………………
3
Рис. 10.17. Схема измерения скорости воздуха [2]
* V – измеряемая средняя скорость воздушного потока, м/с.
Условия применения:
температура воздуха –10…+50 °С в диапазоне 0,3–5 м/с
и –30…+50 в диапазоне 1–20 м/с;
относительная влажность воздуха 65 % при температуре 20 °С;
время непрерывной работы при отрицательных температурах
не более 1 ч.
Анемометр цифровой переносной АП-1 состоит из следующих
составных частей:
первичный измерительный преобразователь АП 1-1;
цифровой измерительный прибор;
устройство выпрямительное зарядное УВЗ;
штанга.
Рис. 10.18. Холодный стенд для измерения скорости воздуха
308
309
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
Первичный измерительный преобразователь АП 1-1 (Л65.008.009)
имеет крыльчатый ветроприемник, размещенный на полой оси и вращающийся на струне. Принцип работы чувствительного элемента анемометра заключается в преобразовании скорости воздушного потока,
вращающего ветроприемник, в число импульсов. На полой оси ветроприемника закреплен обтюратор – диск с прорезями, который во время вращения преобразует световой поток в импульсы с частотой, пропорциональной скорости вращения ветроприемника. Импульс с фотодиода и резистора усиливается транзисторами и поступает на цифровой
измерительный прибор. Элементы преобразователя – транзисторы,
фотодиоды, светодиоды, резисторы, конденсатор, расположены на унифицированной печатной плате, устанавливаемой в преобразователе.
Несущая конструкция первичного измерительного преобразователя
АП 1-1 состоит из защитного кольца, предохраняющего ветроприемник от нежелательных повреждений и исключающего влияние боковых составляющих скорости воздушного потока. Ось ветроприемника
входит в корпус, в котором находятся обтюратор и плата преобразователя скорости воздушного потока в прямоугольные импульсы. Соединение первичного измерительного преобразователя с цифровым измерительным прибором осуществляется с помощью трехпроводного кабеля в винилхлоридной трубке.
Порядок работы прибора
Анемометр устанавливается перпендикулярно в измеряемом воздушном потоке. Значение скорости воздушного потока индуцируется
через 5 с в течение трех секунд. Первый отсчет показаний анемометра
производится через 30 с. Экспонирование анемометра в воздушном
потоке при дальнейших измерениях производится в течение одной или
двух минут. По истечении этого времени прибор отключают и записывают значение скорости с циферблата. В приборе происходит автоматическая коррекция погрешности от влияния температуры, давления
и наклона прибора. Основная приведенная погрешность 0,1–2 %.
Во время проведения экспериментов на холодном стенде воздух
подается с помощью вентилятора ВР-300.45-2.1. Воздушные режимы
меняются за счет изменения частоты вращения электродвигателя
вентилятора.
Анемометр крыльчатый АСО-3 (рис. 10.19)
310
Назначение: АСО-3 ГОСТ 6376–74 для
измерения средней скорости направленного
воздушного потока в промышленных условиях.
Анемометр изготавливается в исполнениях: У5 – для
работы в районах с умеренным климатом; Т5 – для
работы в районах с тропическим климатом. Условия
применения анемометра:
а) температура воздуха –10…+50 °С;
б) относительная влажность воздуха 90 % при
температуре 20 °С для исполнения У5 и 27 °С для Т5.
Технические характеристики анемометра АСО-3
Диапазон измерения скорости, м/с……………………
0,3–5
Чувствительность не более, м/с……………………
0,2
Основная погрешность, м/с……………………
±(0,1+0,5)
Время измерения, с……………………..…..5
Время индикации показаний, с……………………
3
Габаритные размеры со снятой ручкой
не более, мм…………………………………………
110×110×105
Масса не более, кг……………………..……0,45
Срок службы анемометра, лет……………………
6
Анемометр чашечный МС-13 [109] (рис. 10.20)
Назначение: МС-13 ГОСТ 6376–74 для
измерения средней скорости направленного
воздушного потока в промышленных условиях и
средней скорости ветра на метеорологических
станциях.
Условия применения:
а) температура воздуха –45…+50 °С;
б) относительная влажность воздуха 90 %
при температуре 20 °С.
311
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
Технические характеристики анемометра МС-13
Технические характеристики АТТ-1002
Диапазон измерения скорости, м/с……………
1–20
Чувствительность, не более, м/с……………
0,8
Основная погрешность, м/с……………±(0,3+0,5)
Габаритные размеры, мм…………………..
170×70×70
Масса, не более, кг…………………………
0,25
Срок службы анемометра, лет……………
6
Единицы измерения…………
m/s (м/с); km/h (км/ч); ft/min (фут/мин);
knots (морские мили в час);
Temp °С, °F (температура)
0…50
Рабочая температура, °С…………
Рабочая влажность, %…………
Не более 80
Структура датчика
скорости воздуха…………………
Обычная вращающаяся рычажная подвеска
и сферическая подвеска с малым трением
Температурный датчик…………
Термопарный зонд К-типа с открытым
шаровым спаем
Цифровой портативный анемометр АТТ-1002 [110]
(рис. 10.21)
Назначение: анемометр обеспечивает
быстрое и точное считывание данных с цифрового дисплея и позволяет проводить дистанционные измерения благодаря наличию выносного датчика. Прибор предназначен для работ
в процессах настройки, ремонта, лабораторных
исследований (табл. 10.21).
Прибор обладает следующими возможностями:
•
измерение скорости воздушного потока в м/с, км/ч, фут/мин, узлах;
• одновременные измерения температуры по шкале Цельсия или
Фаренгейта;
• использование температурного датчика, обеспечивающего
малое время установления при измерении температуры;
• с помощью сферической подвески крыльчатки с малым трением обеспечение точности на заданном уровне как на высоких, так
и на низких скоростях воздушного потока;
• наличие функции удержания показаний (DATA HOLD) для
запоминания на дисплее измеряемой величины;
• четкое считывание даже при высокой яркости внешнего освещения с помощью жидкокристаллического дисплея, несмотря на малое энергопотребление.
312
Таблица 10.1
Измерение скорости воздушного потока
Единицы измерения
Диапазон
m/s
0,4...30
km/h
1,4...108
ft/min
80...5910
knots
0,8…58,3
Измерение температуры
Измеряемый диапазон
0...60 °С
Разрешение
1 °С
Погрешность
0,8 °С
Разрешение
0,1 m/s
0,1 km/h
10 ft/min
0,1 knots
32...140 °F
0,1 °F
1,5 °F
Цифровой портативный анемометр АТТ-1003 [110]
(рис. 10.22)
Назначение: портативный крыльчатый анемометр позволяет быстро и точно измерить скорость
движения воздушного потока и передать результаты измерения в компьютер.
В приборе использован выносной датчиккрыльчатка, снабженный подвеской на шарикоподшипниках с малым трением и обеспечивающий дистанционное измерение скорости воздушного потока, его температуры и мгновенную индикацию
результатов на ЖК-дисплее.
313
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
Прибор отображает измеренные значения во всех принятых единицах измерения (м/с, км/ч, фут/мин, узлы, миля/ч). Последнее, максимальное и минимальное измеренные значения могут сохраняться
в памяти автоматически.
Возможности прибора:
• одновременное измерение скорости и температуры воздушного
потока;
• создание сбалансированной подвеской минимального сопротивления при всех значениях скорости воздушного потока;
• большой жидкокристаллический дисплей с регулируемой контрастностью;
• фиксация максимального, минимального и среднего измеренных значений;
• автовыключение;
• последовательный интерфейс RS-232;
• сенсор для температурных измерений с малым временем
опроса.
• телескопический зонд часто применяется для решеток и труб
вентиляционных систем;
• возможность измерения температуры воздуха;
• высококонтрастный ЖК-дисплей с двумя шкалами;
• связь с ПК по RS-232.
Цифровой термоанемометр АТТ-1004 [110]
(рис. 10.23)
Современная модель термоанемометра с возможностью температурных измерений и интерфейсом RS232, работающая по принципу охлаждения воздушным потоком нагретой нити.
Датчик – миниатюрный стеклянный термистор –
размещается в малогабаритной измерительной головке диаметром 12 мм на телескопической ручке.
Обеспечивает быстрые и точные измерения даже
при низком значении скорости движения воздушного потока.
Прибор отображает измеренные значения во всех принятых единицах измерения (м/с, км/ч, фут/мин, узлы, миля/ч). Последнее, максимальное и минимальное измеренные значения могут сохраняться
в памяти автоматически.
Возможности прибора:
• измерение малых скоростей движения воздушных потоков
(от 0,2 м/с);
314
Анемометр с зондом-крыльчаткой testo 417 [110]
(рис. 10.24)
Компактный анемометр testo 417 со встроенной
крыльчаткой диаметром 100 мм для измерения скорости воздуха и температуры, измерения скорости
потока, объемного расхода и температуры. Объемный
расход отображается напрямую на дисплее. Точный
расчет объемного расхода благодаря тому, что зонд
легко совмещается с воздуховодом. Легко переключается на отображение показаний текущей температуры. Направление потока, например, вытяжка или
приток, отображается на дисплее. Функция усреднения по времени
и количеству замеров позволяет получить усредненные значения объемного расхода, скорости потока и температуры.
Дополнительный комплект с воронкой обеспечивает эффективные измерения на вентиляционных решетках, круглых потолочных
диффузорах и тарельчатых клапанах воздуховодов. Минимальное
и максимальное значения показываются на дисплее. Функция Hold
позволяет зафиксировать текущие данные измерений на дисплее.
Анемометр с крыльчаткой testo 416 [110]
(рис. 10.25)
Компактный анемометр testo 416 со стационарно подсоединенным зондом-крыльчаткой с телескопической рукояткой (максимум 890 мм). Объемный
расход отображается непосредственно на дисплее.
Точный расчет объемного расхода благодаря
тому, что зонд легко помещается в воздуховод. Функция усреднения по времени и количеству замеров
315
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
позволяет получить усредненное значение объемного расхода. Минимальное и максимальное значения показываются на дисплее. Функция
Hold позволяет зафиксировать текущие данные измерений на дисплее.
температуры. Функция усреднения по времени и количеству замеров
позволяет получить усредненные значения объемного расхода, скорости
потока и температуры. Минимальные и максимальные значения можно
также увидеть на дисплее. Функция Hold позволяет зафиксировать
текущие данные измерений на дисплее.
Анемометр testo 435 [110]
(рис. 10.26)
Универсальный недорогой прибор с широким
спектром применения благодаря возможности подключения сменных зондов: термоанемометрических, крыльчатых, температурных и т. д. С высокой
точностью измеряет скорость воздушного потока,
расход, температуру воздуха, температуры поверхности и сыпучих материалов.
Прибор имеет функции удержания текущих
максимальных и минимальных показаний на дисплее, усреднения значений по времени и числу измерений. Дополнительно для измерения объемного расхода могут поставляться калиброванные воронки. Измеренные значения выводятся
на большом дисплее или распечатываются на инфракрасном портативном принтере.
Возможности прибора:
• измерение скорости (м/с) и расчет объемного расхода
(0…99 999 м3/ч);
• быстрая распечатка данных по месту замеров;
• 10 зондов для подключения к прибору.
Термальный анемометр testo 415 [110]
(рис. 10.28)
Портативные термоанемометры testo 415 предназначены для измерений скорости потока воздуха
и температуры потока внутри помещений. Измерительный зонд присоединен к корпусу. Одновременно
на большом экране индицируются значения скорости и температуры потока.
Приборы обладают функцией удержания текущих, максимальных и минимальных значений за время измерения, а также усреднения по времени и измерительным точкам.
Пневмометрическая трубка «ПИТО»
(рис. 10.29)
Термоанемометр testo 425 [110]
(рис. 10.27)
Компактный анемометр testo 425 со стационарно
подсоединенным обогреваемым зондом температуры/
скорости воздуха и телескопической рукояткой.
Объемный расход отображается непосредственно на
дисплее. Точный расчет объемного расхода, так как
зонд легко помещается в воздуховод. Также возможно
переключение на отображение показаний текущей
316
Трубка Пито предназначена для измерения полного, статического
и динамического давления газового потока. Она обеспечивает возможность измерения скорости движения воздушных потоков в вентиляционных системах и газоходах со скоростью 5–40 м/с.
Назначение: для эксплуатации при температуре окружающей среды –30…+50 °С и температуре газа в газоходе до 300 °С, относитель317
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 10. Измерение скорости
ной влажности до 100 %. Эксплуатируется в диапазоне давлений
в газоходе 101,3 ± 50 кПа.
Технические данные: конструкция трубки Пито представляет
собой согнутые по углом 90° две трубки диаметром 8 и 4 мм и спаянные между собой таким образом, что трубка диаметром 4 мм находится внутри трубки диаметром 8 мм. Общая длина трубки Пито может
варьировать от 0,3 до 1,5 м в зависимости от проводимых измерений.
Длина типовой трубки Пито 0,75 м.
Трубка Пито имеет два штуцера для присоединения различных
приборов и устройств, в том числе дифференциального манометра.
Полный установленный срок службы трубки Пито не менее восьми лет. Трубка Пито имеет метрологическое обеспечение с периодом
поверки 3 года.
аметром 10 мм с толщиной стенки 1 мм. Общая длина трубки НИИОГАЗ
может варьировать от 0,5 до 1,5 м. Выпускаются также сборные трубки НИИОГАЗ длиной 1,5–3 м.
Полный установленный срок службы трубки НИИОГАЗ не менее
8 лет. Трубка НИИОГАЗ имеет метрологическое обеспечение с периодом
поверки 3 года.
Микроманометр-анемометр ММА-3 [99]
(рис. 10.31)
Пневмометрическая трубка «НИИОГАЗ» [98]
(рис. 10.30)
Пневмометрическая трубка «НИИОГАЗ» (трубка НИИОГАЗ) предназначена для измерения полного, статического и динамического давления газового потока.
Трубка НИИОГАЗ обеспечивает возможность измерения скорости движения воздушных потоков в вентиляционных системах и газоходах со скоростью от 5 до 40 м/с.
Назначение: для эксплуатации при температуре окружающей среды
–30…+50 °С и температуре газа в газоходе до 300 °С (иногда до 600 °С),
относительной влажности до 100 %. Эксплуатируется в диапазоне давлений в газоходе 101,3 ± 50 кПа. Трубка НИИОГАЗ эксплуатируется
в газоходах с высокой химической агрессивностью.
Технические данные: трубка НИИОГАЗ состоит из двух сваренных между собой нержавеющих (сталь марки 12Х18Н9Т) трубок ди318
Назначение: для измерения избыточного давления, разрежения
и разности давлений воздуха, определения направления и измерения
скорости воздушных потоков.
Принцип действия микроманометра основан на измерении электрическими методами перемещения защемленной по контуру упругой
мембраны, возникающего под действием разности давлений.
Принцип действия анемометра основан на измерении величины
температурного дисбаланса чувствительного элемента датчика, возникающего при движении окружающего воздуха.
319
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Технические характеристики ММА-3
Измеряемые прибором перепады давлений, Па…………
Три диапазона с верхними пределами 150, 600,
3000 или 600, 3000,
12 000
Предел допускаемой основной приведенной
погрешности измерения перепадов давления, %.............
Не превышает 2,5
Основная абсолютная погрешность измерения
скорости воздушных потоков, м/с…………………………
± [0,1 + 0,1V ], где V –
величина измеряемой
скорости
Нормальные
условия
температура окружающей
эксплуатации:
среды, °С……………………..…20 ± 2
относительная влажность, %..........
30–80
атмосферное давление, кПа
(мм рт. ст.)…………………..… 100 ± 4 (720–780)
отсутствие механических
вибраций
Допустимое воздействие избыточного давления,
Па………………………………………………………Не более 40 000
Допустимая скорость воздушного потока для
датчика скорости, м/с……………………………………
Не более 50
Первичный преобразователь (датчик) помещается на конце телескопической штанги, длина которой регулируется от 0,25 до 1 м. Аккумулятор заряжается от сети 220 В с помощью встроенного зарядного
устройства. В комплект входит микроманометр-анемометр ММА-3
в футляре, паспорт, свидетельство о ведомственной поверке.
Глава 11. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
ПОТЕРЬ ТЕПЛОТЫ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Определение потерь теплоты в окружающую среду от нагретых
поверхностей (например, котельного агрегата) представляет некоторую
трудность. В справочной литературе приводятся различные методики,
а также графическая зависимость потерь теплоты в окружающую среду от производительности котельной установки. Данные, полученные
по существующим методикам, имеют противоречивый характер. Поэтому, обобщая все литературные и справочные данные, можно сделать вывод о целесообразности расчета по следующей методике.
Потери теплоты в окружающую среду определяются в соответствии с [17] по интенсивности теплоотдачи естественной конвекцией
на внешних поверхностях котла по формулам:
q5 =
Q5
100,
р
Qн ⋅Vгсух
(11.1)
где Q5 – количество теплоты, переданное конвекцией через наружные
р
нагретые поверхности ограждения, Вт; Qн – низшая теплота сгорания
сжигаемого топлива, кДж/м3; Vгсух – объемный расход сухой части влажного газа, м3/с;
Q5 = F α (t п − t в ),
(11.2)
где F − площадь рассчитываемой нагретой поверхности котла, м2;
α – коэффициент теплоотдачи исследуемой поверхности, Вт/(м2 ⋅ °С);
tп − температура поверхности котла, °С; t в − температура воздуха, °С.
Первый метод определения Q 5 – по известной температуре
нагретой поверхности котла (печи).
Для определения t п необходимо провести измерения температуры поверхности котла.
320
321
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 11. Методика исследования величины потерь теплоты в окружающую среду
При проведении замеров температуры внешняя поверхность котла разбивается на отдельные участки по сторонам котла: фронт котла,
боковая поверхность левая, боковая поверхность правая, тыльная поверхность и верхняя поверхность с взрывным клапаном. Таким образом, общие потери тепла в окружающую среду представляются в виде
Qпов = Qф + Qб.п.л + Qб.п.п + Qтыл + Qверх + кл .
(11.3)
Каждая из сторон котла представляется в виде суммы прямоугольных участков, размеры которых выбираются из условия геометрии котла
и сравнительно равномерного распределения по поверхности участка
температуры, полученной в предварительных замерах. Замер температуры проводится в центре каждого прямоугольника.
Фронтовая и боковая поверхности котла разбиваются на прямоугольники, например, для котла «Энергия 3» размером 710×490 мм
и 585×500 мм. На боковых поверхностях – прямоугольники размером
710×475 мм. Схема приведена на рис. 11.1.
Температура воздуха и поверхности нагрева определяется
с помощью пирометра оптического цифрового. Пирометр применяется для бесконтактного измерения температуры по тепловому (инфракрасному) излучению обследуемого объекта.
Температура поверхности измеряется на всех режимах работы
котла. Для проверки значений, получаемых пирометром, температура
поверхности котла измеряется с помощью контактного термометра,
например, марки GTH 175/МО.
Диапазон измерений –199,9…+199,9 °С.
Средняя температура внешней поверхности котла на каждой стороне котла вычисляется по формуле
tп =
t п1 ⋅ F1 + t п 2 ⋅ F2 + ... + t пi ⋅ Fi
,
Fп
(11.4)
где tп1, 2, ..., i – измеренное значение температуры поверхности котла
в опыте, °С; F1, 2, ..., i – площадь прямоугольных участков, на которые
разделена внешняя поверхность котла.
322
323
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 11. Методика исследования величины потерь теплоты в окружающую среду
Температура окружающей среды tв при определении потерь тепла q5 измеряется ртутным термометром с ценой деления 1 °С, шкалой
от 0 до 100 °С, а также при помощи пирометра оптического.
Коэффициент теплоотдачи определяется по методике, приведенной в [17] как коэффициент теплоотдачи от печей:
(11.5)
α = α л + αк ,
где α л – коэффициент теплоотдачи лучистого теплообмена, Вт/(м ⋅ °С);
2
α к – коэффициент теплоотдачи конвективного теплообмена, Вт/(м2 ⋅ °С).
α л = c пр
 273 + t п  4  273 + t в  4  1
;
 −
 

 100   100   t п − t в
α к = а 4 tп − tв ,
(11.6)
(11.7)
где спр = 4,9 Вт/(м 2 ⋅ К 4 ) – приведенный коэффициент излучения тел
в помещении; a – коэффициент, принимаемый для горизонтальной стенки
с тепловым потоком, направленным вверх, – а гориз = 3,26; направленным
вниз – 1,28; для вертикальной стенки – а верт = 2,56 ; для горизонтально
расположенной трубы – 2,09.
Второй метод определения Q5 – метод последовательных приближений (при неизвестной температуре нагретой поверхности).
Если температура нагретой поверхности неизвестна, то этой температурой задаются в первом приближении и расчет ведется
по формулам [17]:
Qприбл = k c (t в.п − t в )Fп ,
(11.8)
−1
 δ 1
kc =  ∑ +  ,
 λ α
теплопроводности λ, Вт/(м ⋅ °С) (прил. 13), и полученного в первом
приближении коэффициента теплоотдачи α, вычисленного по формулам
(11.5–11.7) [17].
Затем в первом приближении по формуле (11.2) определяется
количество тепла, отданного нагретой поверхностью Q5.
Если разница между Qприбл и Q5 больше 10 %, то расчет необходимо
повторить с уточнением значения tп. Если Q5 < Qприбл , то tп увеличивают,,
и наоборот [17].
Последовательные приближения производятся до тех пор, пока
будет удовлетворено неравенство
Q5 − Qприбл
Q5
< 0,1Q5 .
(11.10)
Третий метод определения количества тепла, поступающего от
нагретой поверхности, – приближенный. Согласно [17] ориентировочно количество тепла, поступающего от стенок котла (печи), можно принять 32–35 % от количества тепла, выделяемого сгораемым топливом.
Четвертый метод определения q5 – метод, приведенный в [7],
графический метод определения по рис. 11.2.
Тепловыделения от подов котлов (печей) определяются по формуле [17]
Q = mf
Fпд
D
λ(t в.пд − t в ),
(11.11)
где m = 0,5…0,7 – коэффициент, учитывающий долю тепла,
поступающего в помещение; f – коэффициент, учитывающий форму пода
(для круглого пода f = 4,1, для квадратного – 4,6, для пода вытянутой
где tв.п – температура внутренней поверхности стенки котла (печи), °С,
принимается на 5 °С ниже температуры газов в котле (печи) [17];
kc – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ⋅ °С), определяемый с использованием постоянных величин: толщины стенки δ, м, коэффициента
формы – 3,9); Fпд – площадь пода, м2; D = 1,13 Fпд – эквивалентный
по площади диаметр пода, м; λ – коэффициент теплопроводности
материала пода, Вт/(м ⋅ °С) (см. прил. 13); tв.пд и tв – температура
внутренней поверхности пода и воздуха, °С.
Количество тепла, поступающего от закрытого загрузочного
отверстия котла (печи) Qз.о, определяется как среднее арифметическое
324
325
(11.9)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 11. Методика исследования величины потерь теплоты в окружающую среду
тепла, проходящего через дверку отверстия, Qпр и отдаваемого дверкой
Qдв при ориентировочном значении температуры поверхности дверки tп.дв
Qз.о = 0,5 (Qпр + Qдв )
zз
,
60
(11.12)
где zз – время, в течение которого отверстие закрыто, мин.
Интенсивность тепловыделения при открытом загрузочном отверстии принимается равной 0,5Qз.о .
Интенсивность поступления лучистого тепла от нагретой поверхности определяется по формулам (11.2, 11.6) с исключением αк. При
температуре 400 °С интенсивность поступления лучистого тепла необходимо рассчитывать по формуле
4
 273 + t п 
Qл = c пр 
 Fп .
 100 
(11.13)
Выделение лучистого тепла от открытого загрузочного отверстия
котла (печи) рассчитывают, принимая коэффициент излучения абсолютно
черного тела c и = 5,76 Вт/(м2 ⋅ К 4 ), температуру газов в печи t п
и коэффициент диафрагмирования ϕотв (рис. 11.3) по формуле
Qл.о
Рис. 11.2. Определение потерь тепла в окружающую среду
от поверхности нагрева котла
4
T 
= cи  п  ϕ отв .
 100 
(11.14)
От продуктов сгорания, полностью выпускаемых в помещение,
в зависимости от теплотворной способности топлива Q р н, кДж/кг, и его
расхода Gт, кг/ч, количество выделяемого тепла определяется по формуле
Qп.с = 0,28G т Qнр η т (1 − η м ) ,
(11.15)
где ηт – коэффициент неполноты сгорания топлива, принимаемый 0,85
для твердого и 0,9…0,97 – для жидкого и газообразного топлива;
ηм – коэффициент, учитывающий эффективность местных отсосов
[17, гл. 5].
Рис. 11.3. Зависимость коэффициента диафрагмирования при излучении
из отверстия котла (печи) от отношения h/d:
h – толщина стенки печи; d – диаметр или высота отверстия
326
327
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 12. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ШУМА [86]
Приборы для измерения уровня шума включают измерители уровня шума, шумовые дозиметры и вспомогательное оборудование. Основным при этом является измеритель уровня шума – электронный
прибор, состоящий из микрофона, усилителя, различных фильтров,
спрямителя, экспоненциального усреднителя и индикатора уровня шума
в децибелах. Измерители уровня шума делятся на категории в зависимости от точности показаний от наиболее (тип 0) до наименее (тип 3)
точных. Измерители типа 0 обычно используются в лаборатории, тип 1 –
для других требующих точности измерений уровня шума, тип 2 является многоцелевым прибором общего назначения, а тип 3 – измеритель для обзорных исследований – не рекомендован для промышленного использования.
Измерители уровня шума (рис. 12.1) [86] оснащены также встроенными устройствами для определения частоты, представляющими
собой фильтры, которые, пропуская большинство частот, задерживают
при этом некоторые другие. Чаще всего в качестве фильтра используется А-нагрузочная сетка, моделирующая кривую реакции человеческого уха при умеренных уровнях шумового воздействия. Измерители
уровня шума обладают различной чувствительностью: замедленной
(с константой в 1 с), быстрой (с константой в 0,125 с) или импульсной
(с 35-миллисекундной реакцией на участке нарастания сигнала
и 1500-миллисекундной константой на участке затухания сигнала). Для
Рис. 12.1. Измерители уровня шума
328
Глава 12. Измерение уровня шума [86]
проведения более точного акустического анализа к современным
измерителям уровня шума могут быть присоединены или встроены
в них наборы фильтров полнооктавного диапазона или 1/3-октавного
диапазона. В настоящее время измерители уровня шума становятся все
более миниатюрными и удобными в использовании при постоянном
расширении их возможностей [86].
Наиболее удобным для измерения неустойчивых (периодических
или импульсных) шумовых воздействий является интегрирующий
измеритель уровня шума. Этот прибор может одновременно фиксировать эквивалентные, пиковые и максимальные звуковые уровни, а также автоматически вычислять, регистрировать и хранить несколько
величин. Дозиметр представляет собой интегрирующий измеритель
уровня шума, который можно поместить в карман или прикрепить
к одежде рабочего. Данные, полученные с помощью шумового дозиметра, могут быть заведены в компьютер, а затем распечатаны.
Приборы, измеряющие уровень шума, должны быть постоянно
откалиброваны. Акустическая проверка калибровки приборов проводится ежедневно до и после их использования.
Методы измерения [86]
Выбор того или иного метода измерения уровня шума зависит:
• от вероятности повреждения слухового аппарата;
• потребности в использовании технических средств борьбы
с шумом и подборе нужного их типа;
• «шумовой нагрузки», совместимой с характером выполняемых
работ;
• фонового уровня, необходимого для обеспечения общения
и техники безопасности.
Международный стандарт ISO 2204 предусматривает три метода
измерения уровня шума: обзорный, технический и прецизионный.
Обзорный метод требует наименьших затрат и оборудования. Уровни шума в рабочей зоне определяются с помощью измерителя уровня
шума с использованием ограниченного количества точек измерения.
Детальный акустический анализ при этом не производится – учету подлежат временные параметры, такие как постоянный или периодический
характер и продолжительность шумового воздействия на работников.
При техническом методе применяются измерения, произведенные с помощью полнооктавных или 1/3-октавных фильтров. Количе329
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 12. Измерение уровня шума [86]
ство точек измерения и диапазоны частот выбираются в соответствии
с целями измерения. Временные параметры также подлежат здесь учету. Этот метод используется для оценки помех по отношению к речевому общению путем вычисления уровня указанных помех, а также для
разработки программ по снижению уровня шума и для оценки слуховых и неслуховых воздействий шума.
Прецизионный метод используется в сложных ситуациях, где необходимо наиболее полное изучение проблемы, возникшей из-за наличия шума. Полномасштабные измерения уровня звука дополняются
полнооктавными или 1/3-октавными измерениями, фиксируются результаты наблюдений за определенные промежутки времени в соответствии с продолжительностью и колебаниями уровня звука. Например, может возникнуть необходимость в измерении пиковых звуковых
уровней импульсов с использованием режима «удержания пикового
значения» или в измерении уровней инфразвука или ультразвука, для
чего потребуются особые возможности в плане измерения частот, направленности микрофона и т. д.
При использовании прецизионного метода следует удостовериться, что динамический диапазон прибора достаточно велик, чтобы
не допустить зашкаливания при замере импульсов, и что частотная
характеристика позволяет производить инфра- и ультразвуковые измерения. Прибор должен обладать способностью к измерению низких
(до 2 Гц) частот для инфразвуковой части спектра и высоких
(до 16 кГц) частот для ультразвуковой части спектра, а также достаточно малыми микрофонами.
Для проведения измерений необходимо:
• изучить основные характеристики исследуемого шума (временные параметры, такие как постоянный, прерывистый или импульсный
характер; частотные характеристики – широкополосный шум, преобладающие тоны, инфразвук, ультразвук и т. д.), выделить наиболее важные из них;
• подобрать наиболее подходящие приборы (измеритель уровня
звука нужного типа, шумовой дозиметр, фильтры, магнитофон и т. д.);
• проверить калибровку инструмента и работу приборов (батареи, данные калибровки, настройку микрофона и т. д.);
• сделать описание или схему (если используется система) приборов, включая название модели и серийный номер;
• составить описание изучаемой шумовой среды, включая
основные источники шума, размер и характеристики помещения или
открытой площадки;
• измерить шум, полученный в результате измерения для каждой загрузочной сети или для каждой полосы частот, учитывая уровень чувствительности измерителя (типа «замедленная», «быстрая»,
«импульсная» и т. д.), а также величину колебаний в показаниях измерителя (например, ±2 дБ).
Если измерения производятся на открытом воздухе, необходимо
учесть метеорологические условия (ветер, температура и влажность).
Исследования на открытом воздухе, а также некоторые измерения
в помещении проводятся с использованием защитного ветрового стекла. Во избежание влияния таких факторов, как ветер, влажность, пыль,
наличие электрических и магнитных полей, которые могут сказаться
на показаниях приборов, необходимо точно выполнять инструкции
изготовителя используемой аппаратуры.
Методы измерения [86]
Существуют два основных подхода к измерению уровня шума
на рабочем месте:
измерение шумового воздействия на каждого работника или категорию работников. В этом случае предпочтительнее использование
шумового дозиметра;
измерение уровней шума на различных участках для создания
шумовой карты и определения областей риска. В этом случае необходимо измерить уровень шума в узлах сетки координат шумовой карты
при помощи измерителя уровня звука.
Оценка шумового воздействия на работников
Оценка риска потери слуха от определенных видов шумового воздействия производится согласно [Международному стандарту ISO 1999
(1990)]. Пример расчета такого риска содержится в [86].
Шумовые воздействия следует измерять около уха, и при расчете
относительной опасности, создаваемой шумовым воздействием, не
следует учитывать уменьшение шумового воздействия в результате
использования средств защиты органов слуха. Причиной этого является то, что уменьшение шумового воздействия, обеспечиваемое средствами защиты органов слуха, составляет меньше половины от величины, заявленной изготовителем этих средств. Это происходит пото-
330
331
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 12. Измерение уровня шума [86]
му, что данные изготовителя получены в лабораторных условиях.
В настоящее время не существует международного стандарта для оценки уменьшения уровня шумового воздействия, обеспечиваемого средствами защиты органов.
Критерии оценки шумового воздействия
Выбор критериев оценки шумового воздействия зависит от цели,
которую необходимо достичь, например, предотвратить потерю слуха
или возникновение напряжения и усталости. Максимально допустимый средний ежедневный уровень шумового воздействия различается
в разных странах и колеблется от 80 до 85 или до 90 дБ. В некоторых
странах, например в России, допустимые уровни шума установлены
в пределах от 50 до 80 дБ, в зависимости от характера выполняемой
работы с учетом умственной и физической нагрузки. Например, допустимый уровень шумового воздействия при работе с компьютером или при
выполнении сложной канцелярской работы составляет от 50 до 60 дБ [86].
Прибор Svan-959 является развитием прибора «Алгоритм 03». Он
имеет более мощный процессор, за счет чего появилась возможность
реализовать в нем дополнительные функции, недоступные в других
приборах.
Прибор Svan-958 в настоящее время не имеет аналогов в мире.
Этот прибор специально создан для измерения непостоянной транспортной, а особенно локальной вибрации в соответствии с новыми требованиями разрабатывающихся в России ГОСТов.
Svan-958 – четырехканальный прибор, позволяющий измерять
одновременно вибрацию по трем независимым каналам, а по четвертому – измерять шум (рис. 12.2).
Особое место среди комбинированных
приборов занимает шумомер Svan-912M.
Он измеряет все необходимые параметры, связанные с шумом и вибрацией. Это единственный прибор в мире, позволяющий измерять
высокочастотный ультразвук до 90 000 Гц
в 1/3-октавных полосах частот в реальном масштабе времени.
Этот прибор измеряет и анализирует шум
во всех требуемых диапазонах: инфразвук, слыРис. 12.2. Шумомер
шимый шум, ультразвук до 90 кГц.
Svan-958
Он также измеряет и вибрацию в таком же
частотном диапазоне, включая общую и локальную эквивалентно-корректированную вибрацию, для оценки воздействия ее на человеческий
организм.
Приборы для измерения уровня шума [111]
Шумомер «Алгоритм 01» предназначен для измерения и анализа
только шума. Он позволяет измерять общий эквивалентный корректированный уровень звука, а также анализировать в 1/1-октавных полосах частот инфразвук (1–20 Гц); слышимый диапазон частот
(20–10 000 Гц), а также низкочастотный ультразвук (10 000–20 000 Гц).
Виброметр «Алгоритм 02» предназначен для измерения только
вибрации. Прибор измеряет виброускорение, в том числе и корректированное виброускорение, в соответствии с требованиями российских
СН, виброскорость, виброперемещение, а также анализирует вибрацию в 1/1-октавных полосах частот.
Помимо приборов, измеряющих отдельно шум и отдельно вибрацию, есть три комбинированных прибора для измерения шума и вибрации. К этой группе относятся шумомеры, виброметры, анализаторы
спектра Svan-959, «Алгоритм 03» и Svan-912M.
Наиболее популярный прибор из этой группы – «Алгоритм 03».
Он обладает всеми функциями как классического шумомера, так и виброметра. Сочетание функций шумомера и виброметра в одном приборе дает ряд преимуществ и удобств для небольших лабораторий, в которых, как правило, измерение выполняет один или несколько исследователей.
332
Измеритель уровня шума HT 154
(рис. 12.3)
Назначение: для измерения уровня шума или
для определения низкочастотных шумов в режиме
FAST(быстро) или SLOW (медленно). Прибор также
фиксирует максимальное и минимальное значения.
333
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 12. Измерение уровня шума [86]
Модульный анализатор виброакустических
сигналов типа 2260 [110] (рис. 12.4)
того, как событие произошло. Маркеры сохраняются, как и данные
измерения, и если идет запись звука, файл с расширением .wav сохраняется в компьютере. Они могут быть выбраны в любом порядке и продолжительности. Оператор устанавливает все маркеры для того, чтобы автоматически завершить измерение после заранее определенного
времени или продолжать измерение до тех пор, пока оператор не остановит каждое измерение.
Модульный анализатор 2260 Bruel&Kjear – портативный анализатор виброакустических сигналов
в режиме реального времени – отличается разнообразием прикладных применений, благодаря этим особенностям прибор является самой совершенной
в мире портативной системой оценки для измерения
и анализа акустических и вибрационных сигналов.
Технические характеристики
Преполяризованный микрофон свободного поля тип 4189; номинальная чувствительность: 26 ± 1,5 дБ на 1 В/Па.
Запись результатов измерений на жесткий диск ПК с использованием серийного интерфейса.
Частотный диапазон: октавный анализ – 16 Гц…16 кГц;
1/3-октавный анализ – 8 Гц…20 кГц.
Динамический диапазон: 80 дБ.
Изображение, передаваемое на экран прибора, и результаты
измерения приведены на рис. 12.5–12.8.
Рис. 12.5. Дисплей прибора во время
измерения уровня шума
Рис. 12.6. Экран анализатора с тремя
маркерами
Рис. 12.7. Пример представления данных регистрации события
Рис. 12.8. Спектрограммы различных измерений
Кнопки маркеров позволяют оператору идентифицировать условия проведения измерений. В анализаторе предусмотрены четыре маркера плюс один маркер исключения. Существует возможность присвоить клавишам имена, чтобы идентифицировать тип события. Длина
маркера может быть изменена на экране дисплея до одной минуты после
334
335
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Комбинированный прибор – модель 2239B
Bruel&Kjear (рис. 12.9)
Назначение: определение эквивалентных
уровней с целью оценки вредных и раздражающих
воздействий шума; охрана труда и санитарный надзор; измерение шумов, создаваемых машинным
оборудованием; измерение вибрации машин и механизмов; оценка вибрации, воздействующей
на кисть руки человека.
Модульный интегрирующий шумомер 2238
Bruel&Kjear (рис. 12.10)
Применение: измерение уровней звука и уровней звукового давления; определение эквивалентных уровней для оценки вредных и раздражающих
воздействий шума; охрана труда и санитарный надзор; измерение шумов, создаваемых машинным
оборудованием; оценка эффективности шумозащитных конструкций и средств защиты от шума.
Два встроенных детектора дают возможность для одновременного определения среднеквадратичных, пиковых или импульсных
значений.
Модульная структура, позволяющая наращивать возможности
прибора в ходе эксплуатации.
Запись информации во внутреннюю память с возможностью просмотра информации на экране прибора.
Цифровой выход. Работа с компьютером при использовании прикладных программ.
Глава 12. Измерение уровня шума [86]
шума; охрана труда и санитарный надзор; оценка шума окружающей
среды от железнодорожных и автомобильных магистралей; измерение
шумов, создаваемых машинным оборудованием.
Особенности: соответствие требованиям IEC 60651 и 60804 ч. 1;
IEC 61672 класс 1; соответствие требованиям ANSI S1.4–1983 и S1.43–
1997 ч. 1; удобная и простая калибровка; наглядность отображения
измеряемых параметров; два детектора, работающих параллельно,
с одновременным измерением среднеквадратичных и пиковых значений.
Шумомер 2250 Bruel&Kjear (рис. 12.12)
Особенности: механизм автоматического определения типа используемого защитой экрана и соответственная корректировка измерения; второй встроенный
микрофон для записи комментариев и их синхронизация с результатами измерений; яркая световая сигнализация на передней панели. Зеленый – нормальный
режим, желтый – предупреждение, красный – перегрузка; эргономическая форма, вылепленная по настоящей руке, малый вес для уменьшения усталости, различные приспособления для захвата; применение
нескользящих материалов и использование легко обхватываемых углов в конструкции; использование сенсорного цветного экрана с высоким разрешением; использование личного пароля; применение шаблона для защиты от ненужных функций.
Интегрирующий шумомер 1-го класса – 2239A
Bruel&Kjear (рис. 12.11)
Применение: измерение уровней звука и уровней
звукового давления; определение эквивалентных уровней для оценки вредных и раздражающих воздействий
336
337
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 13. ИЗМЕРЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛА.
КАЛОРИМЕТРЫ [98]
Глава 13. Измерение количества тепла. Калориметры [98]
Калориметрические измерения
Изменение состояния (например, температуры) калориметрической системы позволяет измерить количество теплоты, введенное в калориметр. Нагрев калориметрической системы фиксируется термометром. Перед проведением измерений калориметр градуируют – определяют изменение температуры калориметрической системы при
сообщении ей известного количества теплоты (нагревателем калориметра или в результате проведения в камере химической реакции с известным количеством стандартного вещества). В результате градуировки получают тепловое значение калориметра, т. е. коэффициент,
на который следует умножить измеренное термометром изменение температуры калориметра для определения количества введенной в него
теплоты. Тепловое значение такого калориметра представляет собой
теплоемкость с калориметрической системы. Определение неизвестной теплоты сгорания или другой химической реакции Q сводится
к измерению изменения температуры ∆t калориметрической системы,
вызванного исследуемым процессом:
Калориметр – прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом
или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен
А. Лавуазье и П. Лапласом (1780).
Современные калориметры работают в диапазоне температур
0,1…3500 К и позволяют измерять количество теплоты с точностью
до 10–2 %. Устройство калориметров разнообразно и определяется
характером и продолжительностью изучаемого процесса, областью температур, при которых производятся измерения, количеством измеряемой теплоты и требуемой точностью.
Типы калориметров
Калориметр, предназначенный для измерения суммарного количества теплоты Q, выделяющейся в процессе от его начала до завершения, называется калориметр-интегратором. Калориметр для измерения
тепловой мощности (скорости выделения) L и ее измерения на разных
стадиях процесса – измерителем мощности или калориметр-осциллографом. По конструкции калориметрической системы и методу измерения различаются жидкостные и массивные калориметры, одинарные
и двойные (дифференциальные).
Жидкостный калориметр-интегратор переменной температуры
с изотермической оболочкой применяется для измерений теплоты растворения и теплоты химических реакций. Он состоит из сосуда
с жидкостью (обычно водой), в котором находятся: камера для проведения исследуемого процесса («калориметрическая бомба»), мешалка,
нагреватель и термометр. Теплота, выделившаяся в камере, распределяется затем между камерой, жидкостью и другими частями калориметра, совокупность которых называется калориметрической системой прибора.
У жидкостных калориметров изотермическую температуру оболочки поддерживают постоянной. При определении теплоты химической реакции могут возникнуть затруднения, связанные не с учетом
побочных процессов, а с определением полноты протекания реакции
и с необходимостью учитывать несколько реакций.
Обычно значение Q относится к массе вещества, находящегося
в камере калориметра.
Побочные процессы в калориметрических измерениях
Калориметрические измерения позволяют непосредственно
определить лишь суммарную теплоту исследуемого процесса и различных побочных процессов, таких как перемешивание, испарение
воды, разбивание ампулы с веществом и т. п. Теплота побочных процессов должна быть определена опытным путем или расчетом
и исключена из окончательного результата. Одним из неизбежных побочных процессов является теплообмен калориметра с окружающей
средой посредством излучения и теплопроводности. Для учета побочных процессов и, прежде всего, теплообмена калориметрическую систему окружают оболочкой, температуру которой регулируют.
В изотермическом калориметр-интеграторе другого вида –
изотермическом (постоянной температуры) – введенная теплота не
изменяет температуры калориметрической системы, а вызывает изменение агрегатного состояния тела, составляющего часть этой системы
338
339
Q = c∆t .
(13.1)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 13. Измерение количества тепла. Калориметры [98]
(например, таяние льда в ледяном калориметре Бунзена). Количество
введенной теплоты рассчитывается в этом случае по массе вещества,
изменившего агрегатное состояние (например, массе растаявшего льда,
которую можно измерить по изменению объема смеси льда и воды),
и теплоте фазового перехода.
Массивный калориметр-интегратор чаще всего применяют для
определения энтальпии веществ при высоких температурах (до 2500 °C).
Калориметрическая система у калориметров этого типа представляет
собой блок из металла (обычно из меди или алюминия) с выемками
для сосуда, в котором происходит реакция, для термометра и нагревателя. Энтальпию вещества рассчитывают как произведение теплового
значения калориметра на разность подъемов температуры блока, измеряемых после сбрасывания в его гнездо ампулы с определенным количеством вещества, а затем пустой ампулы, нагретой до той же температуры.
Теплоемкость газов, а иногда и жидкостей, определяют в так
называемых проточных лабиринтных калориметрах – по разности
температур на входе и выходе стационарного потока жидкости или газа,
мощности этого потока и джоулевой теплоте, выделенной электрическим нагревателем калориметра.
Калориметр – измеритель мощности в противоположность
калориметру-интегратору должен обладать значительным теплообменом, чтобы вводимые в него количества теплоты быстро удалялись
и состояние калориметра определялось мгновенным значением мощности теплового процесса. Тепловая мощность процесса определяется
из теплообмена калориметра с оболочкой. Такие калориметры, разработанные французским физиком Э. Кальве, представляют собой металлический блок с каналами, в которые помещают цилиндрические
ячейки. В ячейке проводится исследуемый процесс; металлический
блок играет роль оболочки (температура его поддерживается постоянной с точностью до 10–5…10–6 К). Разность температур ячейки и блока
измеряется термобатареей, имеющей до 1000 спаев. Теплообмен ячейки и ЭДС термобатареи пропорциональны малой разности температур, возникающей между блоком и ячейкой, когда в ней выделяется
или поглощается теплота. В блок помещают чаще всего две ячейки,
работающие как дифференциальный калориметр: термобатареи каждой ячейки имеют одинаковое число спаев, поэтому разность их ЭДС
позволяет непосредственно определить разность мощности потоков
теплоты, поступающей в ячейки. Этот метод измерений позволяет исключить искажения измеряемой величины случайными колебаниями
температуры блока. На каждой ячейке монтируют обычно две термобатареи: одна позволяет скомпенсировать тепловую мощность исследуемого процесса на основе эффекта Пельтье, а другая (индикаторная)
служит для измерения нескомпенсированной части теплового потока.
В этом случае прибор работает как дифференциальный компенсационный калориметр. При комнатной температуре такими калориметрами измеряют тепловую мощность процессов с точностью до 1 мкВт.
(Эффект Пельтьé – процесс выделения или поглощения тепла при
прохождении электрического тока через контакт двух разнородных
проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида
контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока,
т. е. от количества выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда.)
Обычные названия калориметров – «для химической реакции»,
«бомбовый», «изотермический», «ледяной», «низкотемпературный» –
имеют историческое происхождение и указывают главным образом
на способ и область использования калориметров, не являясь ни полной, ни сравнительной их характеристикой.
Общая классификация калориметров состоит из рассмотрения
трех главных переменных, определяющих методику измерений: температуры калориметрической системы Tс; температуры оболочки Tо,
окружающей калориметрическую систему; количества теплоты L, выделяемой в калориметре в единицу времени (тепловой мощности).
Калориметр с постоянными Tc и To называют изотермическим;
с Tc = To – адиабатическим; калориметр, работающий при постоянной
разности температур Tc – To, называют калориметром с постоянным
теплообменом; у изопериболического калориметра (его еще называют
калориметром с изотермической оболочкой) постоянна To, а Tc является функцией тепловой мощности L.
Важным фактором, влияющим на окончательный результат
измерений, является надежная работа автоматических регуляторов
температуры изотермических или адиабатических оболочек. В адиабатическом калориметре температура оболочки регулируется так, чтобы она была всегда близка к меняющейся температуре калориметрической системы. Адиабатическая оболочка – легкая металлическая
340
341
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 13. Измерение количества тепла. Калориметры [98]
ширма, снабженная нагревателем, – уменьшает теплообмен настолько,
что температура калориметра меняется лишь на несколько десятитысячных град/мин. Часто это позволяет снизить теплообмен за время
калориметрического опыта до незначительной величины, которой можно пренебречь. В случае необходимости в результаты непосредственных измерений вводится поправка на теплообмен, метод расчета которой основан на законе теплообмена Ньютона – пропорциональности
теплового потока между калориметром и оболочкой разности их температур, если эта разность невелика (до 3–4 °С).
Для калориметра с изотермической оболочкой теплота химической реакции может быть определена с погрешностью до 0,01 %. Если
калориметр имеет небольшие размеры, то его температура изменяется
больше чем на 2–3 °С и исследуемый процесс продолжителен.
При помощи адиабатического калориметра определяют теплоемкость твердых и жидких веществ в области от 0,1 до 1000 К. При комнатных и более низких температурах адиабатический калориметр, защищенный вакуумной рубашкой, погружают в сосуд Дьюара, заполненный жидким гелием, водородом или азотом. При повышенных
температурах (выше 100 °C) калориметр помещают в термостатированную электрическую печь [35–37].
Электромагнитные калориметры служат для измерения энергии электронов, позитронов и фотонов с энергией больше 100 МэВ
(они пригодны и для регистрации мюонов). Каскад вторичных частиц
развивается за счет генерации тормозного излучения и рождения электрон-позитронных пар. Толщина электромагнитного калориметра –
десятки сантиметров.
В адронных калориметрах первичный адрон производит главным образом вторичные адроны в реакциях неупругого взаимодействия.
Адронные калориметры имеют бóльшие размеры, чем электромагнитные (соответственно толщина адронного калориметра может достигать
нескольких метров). Кроме того, лишь небольшая доля энергии первичного адрона остается в детектирующем материале калориметра.
Поэтому энергетическое разрешение адронных калориметров в десятки раз хуже электромагнитных. Энергетическое разрешение калориметров ∆Е/Е пропорционально E–1/2, т. е. улучшается с ростом энергии.
Быстродействующий калориметр сжигания БКС-2Х
(рис. 13.1)
342
Назначение: для измерения количества
теплоты, выделяющейся при сжигании различного вида энергетического топлива (твердого, жидкого и газообразного) в среде кислорода при фиксированной температуре.
БКС-2Х может применяться для научных
и лабораторных исследований в химической,
металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности при
анализе состава образцов, их термической и окислительной стабильности, изучении термодинамики химических реакций.
Описание работы прибора. Принцип измерения количества теплоты, выделяющейся при сжигании вещества, основан на предварительном нагреве калориметрической бомбы с исследуемым веществом
в печи, находящейся в блоке управления, до температуры на 2…3 °С
выше рабочей температуры калориметра, внесении нагретой бомбы
в измерительную ячейку калориметра, далее, при спаде величины
теплового потока до регулярного уровня (т. е. когда кривая спада
теплового потока принимает экспоненциальный характер), производится «поджог» вещества и начинается интегрирование электрического сигнала, пропорционального тепловому потоку, идущему от измерительной ячейки с размещенной в ней бомбой к массивному блоку, причем
интегрирование заканчивается в момент времени, когда спад теплового потока от выделившейся энергии при сгорании вещества вновь достигает регулярного уровня сигнала. Величина измеренного «интеграла»
теплового потока является мерой количества теплоты сгорания вещества.
При данном методе значительно сокращается время измерений
на калориметре, делая его пригодным для экспресс-анализа теплотворной способности различного вида энергетического топлива (твердого,
жидкого и газообразного). Процесс измерения (после заправки калориметрической бомбы) полностью автоматизирован на основе персонального компьютера. Кроме того, программа работы БКС, кроме описанного выше метода измерения, позволяет проводить измерения при
полном интегрировании теплового потока, со временем измерения до
15 мин, с обеспечением максимальной точности (±0,2 %).
343
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Калориметр сжигания БКС-2Х одноячеечный, с воздушным термостатированием, настольного исполнения. Программное обеспечение
БКС-2Х позволяет осуществлять сквозную калибровку всего измерительного тракта прибора эталонным химическим веществом – бензойной кислотой марки К-3 ГОСТ 6413–77 по стандартной для бомбовых
калориметров методике.
Технические характеристики БКС-2Х
Рабочая температура калориметра, °C…………………………
32±1
Диапазон измеряемой теплоты, Дж…………………………
103…104
Предел допускаемой основной относительной
погрешности при измерении количества теплоты, %......±0,2
Объем калориметрической бомбы, см3………………… 157
Рабочее давление в бомбе, Па, max………….……………До 39 ⋅ 105
Время выхода на рабочую температуру после
включения, ч………………………………………………………
2,5
Время измерения от момента введения
калориметрической бомбы с веществом
в калориметр до появления цифрового результата,
мин, не более………………………………………………………
15
Время непрерывной работы, ч, не более………………… 700
Дифференциальные сканирующие калориметры (ДСК) [112]
измеряют тепловой поток, излучаемый или получаемый эталоном
и образцом, как функции температуры и времени. ДСК широко применяются для научных исследований, контроля и гарантии качества продукции, дефектологического анализа и оптимизации процессов, соответствуют международным стандартам DIN 51007, DIN 53765,
ISO / DIN L409 и ASTM D3418.
С помощью ДСК можно определить следующие характеристики
материалов: энтальпия, энергия плавления; удельная теплоемкость;
температура стеклования; степень кристалличности; энтальпия химических реакций; термостабильность; устойчивость к окислению; старение материалов; чистота кристаллических веществ; фазовые переходы; полиморфные превращения; идентификация продукта по его теплофизическим характеристикам.
344
Глава 13. Измерение количества тепла. Калориметры [98]
DSC РТ 10 (рис. 13.2)
Базовая модель для измерений в диапазоне температур –150…+700 °С характеризуется
высокой чувствительностью, исключительной
надежностью, простотой в эксплуатации.
Высокоточная ячейка PT 10 обеспечивает стабильность базовой
линии и высокую воспроизводимость получаемых результатов даже
после продолжительной эксплуатации прибора, что обеспечивается ее
особой конструкцией, устойчивой к механическим и химическим воздействиям.
Для расширения температурного диапазона могут использоваться различные системы охлаждения:
• охлаждение сжатым воздухом (до комнатной температуры);
• охлаждение жидким азотом при работе до –150 °С, обеспечивается дополнительная система контролируемого охлаждения;
• устройство охлаждения Intercooler с хладагентом до –30 °С;
• возможность проведения измерений в условиях программируемой смены продувочных газов.
Калориметр полностью управляется компьютером, полный пакет
программного обеспечения на русском языке обеспечивает автоматический сбор данных, обработку результатов и представление данных в
удобной форме.
Технические характеристики DSC РТ 10
–150…+700
Температурный диапазон, °С…………………………
0,1…50
Скорость нагрева/охлаждения, °С/мин……….
Точность температуры, °С…………………………
±0,2 (многоточечная калибровка)
Константа времени, с…………………………
4…8
Разрешение, мкВт…………………………..0,125
Скорость передачи данных, точка/с
0,1…3600
Атмосфера……………………………………………………
Инертная, окислительная,
восстановительная, определяется
выбором продувочного газа
Диапазон измерений, мВт …………………………
±2,5…±250
Калибровка……………………………………………………
1 раз в 6 мес.
345
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
DSC РТ 100 (рис. 13.3)
Низкотемпературная модель для измерений в диапазоне температур –80…+400 °С
характеризуется высоким разрешением
(0,03 мкВт), надежностью и простотой в эксплуатации.
Характеристики прибора:
• благодаря датчику высокой точности PT 100 – обеспечение
стабильности базовой линии и высокой воспроизводимости;
• концепция ячейки гарантирует высокую механическую и химическую стойкость;
• качественная изоляция ячейки – при продувке газов не образуется конденсат;
• возможность проведения измерений в особо чистых газах;
• использование регуляторов массового расхода обеспечивает
точный контроль потока газа;
• охлаждение жидким азотом при работе до –80 °С, требуется
дополнительная система контролируемого охлаждения;
• обширный пакет совместимого с MS Windows программного
обеспечения, состоящий из модулей контроля температуры, сбора и
обработки данных.
Технические характеристики DSC РТ 100
–80…+400 (стандарт)
Температурный диапазон, °С…………………………
0,1…50
Скорость нагрева/охлаждения, °С/мин…………………………
Точность температуры, °С…………………………
±0,2 (калибровка по веществу)
Константа времени, с…………………………
2…3
Разрешение, мкВт…………………………………
0,03
Скорость приема данных, точка/с ………. 0,1…3600
Атмосфера……………………………………………………
Инертная, окислительная,
восстановительная
Диапазон измерений, мВт…………………………
–250…+250
Калибровка……………………………………………………
Рекомендована с интервалом в 6 мес.
346
Глава 13. Измерение количества тепла. Калориметры [98]
DSC РТ 1600 (рис. 13.4)
Высокотемпературный дифференциальный
сканирующий калориметр разработан специально
для измерений в широком диапазоне температур. Диапазон –150…+1750 °С.
DSC PT 1600 наиболее часто применяется для
научно-исследовательских работ, качественного контроля материалов в металлургии, в производстве керамики, высокотехнологичных материалов. Обладает следующими особенностями:
• высокоточный датчик обеспечивает стабильность базовой
линии и воспроизводимость;
• прибор комплектуется легко заменяемыми печами для работы
в диапазонах от –150…+600 °С и от комнатной температуры до 1000,
1400, 1750 °С;
• сменные измерительные системы, включающие ДТА-сенсор
или два различных ДСК-сенсора;
• возможность проведения измерений в статической и динамической атмосфере, а также количественных измерений в чистой газовой атмосфере и в вакууме (до 10–5 мбар) благодаря вакуум-плотной
конструкции;
• охлаждение жидким азотом при работе с низкотемпературной
печью;
• устройство механического охлаждения Intercooler;
• программное обеспечение из модулей контроля температуры,
сбора и обработки данных;
• возможное сопряжение с ИК-Фурье-спектрометром и массспектрометром.
Технические характеристики DSC РТ 1600
–150…+1750 *
Температурный диапазон, °C…………………………
0,1…50
Скорость нагрева/охлаждения, °C/мин…………………
Точность измерения температуры, °C……………………
±0,5
Константа времени, с…………………………
7
Разрешение, мкВт……………………………….
0,3/0,4/1 **
Скорость приема данных, точка/с …………0,1…3600
347
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Скорость приема данных, точка/с …………0,1…3600
Атмосфера……………………………………………………
Инертная, окислительная,
восстановительная
Диапазон измерений, мВт…………………………
±250…±5000
Калибровка……………………………………………………
Рекомендована с интервалом 6 мес.
* Зависит от типа используемого нагревательного элемента.
** Зависит от типа сенсора.
Калориметр В-08МА [113]
(рис. 13.5)
Калориметры В-08МА предназначены для определения удельной теплоты сгорания топлива: твердого – по ГОСТ 147–
95, жидкого – по ГОСТ 21216–91 и газообразного – по ГОСТ 10062–75.
Вид климатического исполнения
УХЛ 4-2 по ГОСТ 15150–69.
Калориметр В-08МА«н» и калориметр В-08МА «автомат» представляют собой устройства, состоящие из собственно калориметра
В-08М и регистратора.
Регистратор для калориметра В-08МА«н» обеспечивает вывод
информации на цифровой индикатор, для калориметра В-08МА «автомат» представляет собой автоматизированное устройство, обеспечивающее автоматическое запоминание и обработку данных калориметрического опыта с выводом информации на цифровой индикатор
и цифропечать.
Принцип действия калориметра заключается в измерении изменения температуры калориметрической системы с заранее известным
энергетическим эквивалентом при сжигании строго определенного
количества исследуемого топлива. Первичными измерителями изменения температуры являются платиновые термометры сопротивления ТСП.
348
Глава 14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ВОДЫ
Загрязненность воды твердыми нерастворимыми примесями
определяет содержание взвешенных веществ, мг/л.
Сухой остаток – показатель, характеризующий содержание коллоидных и растворенных неорганических и частично органических
примесей в воде, мг/л. Для его определения необходимо упаривать
фильтрованную воду, а полученный осадок высушивать при температуре 105…110 °С.
Солесодержание – общая концентрация в воде катионов и анионов, подсчитываемая по общему постоянному составу, мг/л.
Окисляемость – показатель, характеризующий концентрацию
находящихся в воде легко окисляющихся органических примесей. Окисляемость выражается количеством перманганата (или O2), необходимого для окисления этих примесей (мг KMnO4 или мг/л O2).
Жесткость воды – общая жесткость Жо – суммарная концентрация находящихся в растворе ионов кальция и магния, выраженная
в эквивалентных единицах.
Единицей для измерения жесткости является миллиграмм-эквивалент на литр (мг-экв/л).
1 мг-экв жесткости отвечает содержанию 20,40 мг/л ионов Ca+2
или 12,16 мг/л ионов Mg+2.
Цель: ознакомление с основными методами определения свойств
воды (жесткость, щелочность, прозрачность).
Приборы: коническая колба емкостью 250 см3, проба сырой
и умягченной воды, реактивы (раствор трилона Б, индикаторы: фенолфталеин, метилоранж, аммиачная смесь, аммиачный буферный раствор,
растворы соляной или серной кислоты).
Пример. Вода р. Дон содержит 81,6 мг/л Ca+2 и 23,1 мг/л Mg+2.
Жо =
Ж Ca + 2
Ж Mg + 2
349
;
(14.1)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Жо =
81,6 23,1
+
= 5,96 мг-экв/л,
20,4 12,16
Глава 14. Определение свойств воды
(14.2)
где Ж Ca + 2 – кальциевая жесткость, обусловленная концентрацией ионов
кальция, находящихся в воде; Ж + 2 – магниевая жесткость, обусловMg
ленная концентрацией ионов магния, находящихся в воде.
Общая жесткость Жо делится на карбонатную и некарбонатную [1, 8]:
Ж о = Ж к + Ж нк ,
(14.3)
где Жк – карбонатная жесткость – часть общей жесткости, эквивалентная концентрации бикарбонатов и карбонатов; Жнк – некарбонатная
жесткость – величина жесткости, равная разности между общей и карбонатной жесткостью.
Природные воды по величине жесткости:
вода очень мягкая Жо до 1,5 мг-экв/л;
мягкая Ж о = 1,5...2,5 мг-экв/л;
средней жесткости Ж о = 2,5...5 мг-экв/л;
жесткая Ж о = 5...10 мг-экв/л;
сильно жесткая Жо > 10 мг-экв/л.
Общая щелочность воды Що – суммарная концентрация находящихся в растворе гидратов NaOH, карбонатов Na2CO3 и бикарбонатов
NaKCO3 фосфатов и других анионов слабых кислот, выраженная в эквивалентных единицах, мг-экв/л [1, 8],
Що = Щг + Щк + Щб + Щф ,
(14.4)
где Щ г – щелочность гидратная; Щ к – щелочность карбонатная;
Щб – щелочность бикарбонатная; Щф – щелочность фосфатная и т. д.
14.1. Методика определения жесткости и щелочности воды
Определение жесткости сырой воды производится комплексно –
метрическим методом, в основе которого лежит принцип образования
350
прочных внутрикомплексных солей кальция и магния с трилоном Б
в присутствии индикатора – темно-синего или синего кислотного хрома.
Пробу исследуемой воды в количестве 100 см3 поместить в коническую колбу емкостью 250 см3, прибавить 5 см3 аммиачной смеси,
5–6 капель индикатора и титровать 0,1%-ным раствором трилона Б, хорошо перемешивая до изменения окраски раствора от розовой до голубой.
Жесткость сырой воды, мг-экв/л, рассчитывается по формуле [1, 8]:
Ж=
1000 AНK
,
V
(14.5)
где V – объем пробы, взятой до титрования, мл (100); Н – нормальность
трилона Б; А – число миллилитров раствора трилона Б, израсходованного
на титрование данного объема пробы; K – поправочный коэффициент
раствора трилона к данной его нормальности.
Поправочный коэффициент раствора трилона Б к данной нормальности вычисляется по формуле
K=
10 K Mg
a
,
(14.6)
где a – расход трилона Б на титрование, мл; K Mg – поправочный коэффициент 0,01Н раствора соли магния (коэффициент сантинормальности при точности 0,01Н раствора K Mg = 1 ).
При использовании фиксанала поправочный коэффициент равен
единице.
Определение жесткости умягченной воды [1, 8].
К 100 см3 пробы умягченной воды добавить 5 см3 аммиачного
буферного раствора, 5–6 капель индикатора и медленно титровать
из микробюретки 0,01Н раствором трилона Б до изменения цвета
из голубого в сиреневый.
Жесткость умягченной воды, мг-экв/л, рассчитывается по формуле
Ж у = 0,1АK ,
(14.7)
где K – поправочный коэффициент 0,01Н раствора трилона Б; А – число миллиметров 0,01Н раствора трилона Б, израсходованного на титрование 100 мл пробы.
351
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 14. Определение свойств воды
Определение щелочности исходной, умягченной, питательной
воды [1, 8] производится титрованием их проб 0,1Н раствором соляной
или серной кислоты в присутствии индикаторов – фенолфталеина
и метилоранжа. Щелочность выражается в мг-экв/л. Численно она равна
объему 0,1Н раствора кислоты, см3, пошедшего на титрование.
В коническую колбу на 250 см3 поместить 100 см3 воды, прибавить
2–3 капли фенолфталеина и при появлении розовой окраски титровать
до полного обесцвечивания.
Если при прибавлении фенолфталеина к пробе воды нет окраски,
то необходимо прибавить к этой пробе 2–3 капли метилоранжа
и титровать 0,1Н раствором кислоты до перехода цвета раствора от
желтого к оранжевому.
Общий расход 0,1Н раствора кислоты, см3, на титрование 100 см3
анализируемой пробы с фенолфталеином и метилоранжем дает ее общую
щелочность, мг-экв/л.
Величина щелочности, мг-экв/л, определяется по уравнению
рить в 200 мл воды); натрий едкий ГОСТ 4328–77 (20 г NaOH растворить в 100 мл воды); натрий серноватистокислый (тиосульфат натрия
ТУ 6.09-2540–72 0,01Н или 0,0025Н растворы); крахмал растворимый
ГОСТ 10163–76 0,5%-ный раствор; серная кислота ГОСТ 4204–77 разработанная 1:1.
Порядок проведения измерения: в кислородную склянку, заполненную доверху пробой, ввести пипеткой 1 мл раствора соли марганца. Наполненную этим раствором пипетку необходимо погрузить
до самого дна кислородной склянки, открыть ее верхний конец и медленно вынуть пипетку. Затем другой пипеткой добавить 1 мл едкого
натрия, содержащего йодистый калий (1:1).
Склянку осторожно закрыть пробкой так, чтобы под пробкой не
оставалось пузырьков воздуха, и хорошенько перемешать, переворачивая вверх дном и обратно.
О содержании кислорода можно судить по окраске – чем темнее
окраска, тем больше кислорода.
Дать осадку собраться на дне склянки, открыть склянку и добавить 2 мл серной кислоты. Кислородную склянку закрыть пробкой
и перемешать содержимое. Закрытую склянку оставить в темноте
на 5–10 мин.
Выделившийся свободный йод оттитровать 0,1Н или 0,0025Н раствором серноватистокислого натрия до светло-желтой окраски. Добавить несколько капель раствора крахмала и продолжить титрование
до исчезновения окраски.
Содержание растворенного кислорода в мг/л определить по формуле
Що =
АН1000
,
V
(14.8)
где А – количество 0,1Н раствора, пошедшего на титрование воды, см3;
Н – титр 0,1Н раствора кислоты; V – объем пробы, взятой для титрования
(100 см3).
14.2. Измерение концентрации кислорода в воде.
Йодометрический метод Винклера
O2 =
Vo ⋅ K ⋅ N ⋅ 8 ⋅ 1000
,
V1 − V2
(14.9)
Йодометрический метод Винклера определения растворенного
в воде кислорода заключается в окислении растворенным кислородом
ионов марганца, которые окисляют ионы йода. Выделившийся йод оттитровывается раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала. Погрешность определения не менее ±1 % [1].
Необходимые реактивы и посуда: кислородные склянки с притертыми пробками емкостью 100–130 мл; пипетки; бюретки
ГОСТ 20251–91; калий йодистый ГОСТ 4232–74 (40 г KCl растворить
в 200 мл H2O); марганец хлористый ГОСТ 612–75 (90 г MgCl2 раство-
где Vo – объем раствора серноватистокислого натрия, израсходованного
на титрование; K – поправочный коэффициент для приведения раствора
тиосульфата к точной нормальности; N – нормальность раствора
тиосульфата; V1 – емкость кислородной склянки, мл; V2 – общий объем
реактивов, прибавленных в кислородную склянку при фиксации
кислорода, мл; 8 – эквивалент кислорода.
Титрование каждой пробы провести не менее двух раз, результаты
отдельных титрований не должны отличаться друг от друга более чем
352
353
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 14. Определение свойств воды
на 0,2 мл, за окончательный вариант принять среднее значение двух
титрований.
Йодометрический метод определения растворенного кислорода по
методу Винклера дает возможность определять кислород при
содержании его не менее 0,5 мг/л.
Концентрация кислорода определяется с помощью кислородомера.
Технические характеристики «Анион-4140»
Параметр
Диапазон
измерения
С(О2), мг/л....................0,01...20,00
С(О2), %.........................
0,0...100,0
0,0...50,0
Температура, °С....................
Погрешность
±0,5
±2,0
±0,5
14.3. Приборы для измерения концентрации кислорода в воде
Кислородомер АЖА-101М
(рис. 14.1)
Кислородомер промышленный «Кварц-О2»
(рис. 14.3 )
Прибор предназначен для оперативного
измерения концентрации кислорода и температуры в технологических растворах, природных
и сточных водах [1].
Технические характеристики АЖА-101М
Параметр
Диапазон
измерения
С(О2), мг/л………………..
0,00...19,99
0,0...30,0
С(О2), %……………………
0,0...200,0
0...320
0,0...50,0
Температура, °С…………
Погрешность
±(0,2+0,01А*)
±(0,4+0,01А*)
±(2+0,01А*)
±(4+0,01А*)
±0,5
*А – концентрация кислорода в анализируемом растворе.
Кислородомер «Анион-4140» (рис. 14.2)
Лабораторный прибор, предназначенный
для измерения концентрации и биохимического
потребления кислорода, а также температуры
растворов в лабораторных, промышленных
и полевых условиях при аналитическом контроле кислорода в химических и биотехнологических процессах.
354
Кислородомер «Кварц-О2» предназначен для измерения массовой концентрации кислорода, растворенного в воде и водных растворах, цифровой индикации результатов измерения и преобразования их
в стандартный выходной токовый сигнал и стандартные выходные цифровые интерфейсные сигналы.
355
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Условия применения кислородомера
Параметры
Температура окружающего
воздуха, °C
Температура контролируемой
среды, °C
Расход контролируемой среды,
л/ч
Концентрация нерастворимых
примесей в контролируемой
среде, мг/л
Концентрация нефтепродуктов
в контролируемой среде, мг/л
Условия работы кислородомера
Предельные
Нормальные Рабочие
(ГОСТ 24314–80)
+20 ± 2
5…40
0…60
+25 ± 2
10…50
5…60
10 ± 15
10…40
10…50
0,5
5
5
0,3
3
3
356
Глава 15. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЫЛИ
Пылемеры – приборы для определения концентрации и дисперсного состава, т. е. распределения по размерам взвешенных в атмосферном воздухе или промышленных газах твердых частиц (пыли, дыма),
аэрозолей.
Концентрация пыли измеряется с отбором пробы и без отбора
пробы запыленного газа [88]. В случае отбора пробы пыли необходимо, как правило, получать осадок пыли. Для некоторых приборов
наличие такого осадка не требуется.
Массовые пылемеры – ручные или автоматические приборы
периодического или непрерывного действия. Проба запыленного газа
отбирается через специальную трубку, установленную входным отверстием навстречу газовому потоку с соблюдением равенства скоростей
газа во входном сечении трубки и в потоке. Фиксированный объем пробы просасывают через фильтр, и по его привесу определяется масса
выделенной из газа пыли. Концентрация пыли определяется по отношению массы пыли к данному объему газа [88].
Применяются различные фильтрующие материалы – тонковолокнистые (стеклянные, синтетические или минеральные), фильтровальная бумага.
К массовым пылемерам относятся радиоизотопные приборы для
автоматического измерения концентрации пыли по приросту массы
осадка на фильтре. Действие их основано на пропускании излучения
через предварительно запыленный фильтр и нахождении степени
поглощения этого излучения. Непрерывная работа таких приборов достигается применением движущихся ленточных стекловолокнистых
фильтров.
Оптические пылемеры. В фотометрических пылемерах, используемых преимущественно для анализа атмосферного воздуха, масса
пыли оценивается по интенсивности света, рассеянного (поглощенного) осадком на фильтре (обычно ленточном). Для контроля концентраций промышленной пыли наиболее распространены оптические пылемеры. Луч света от источника проходит через газовый поток и, будучи
ослабленным за счет поглощения частицами пыли, попадает на один
357
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 15. Методы измерения концентрации пыли
из двух фотоприемников. Одновременно на другой фотоприемник
падает луч сравнения. Фотоприемники соединены по мостиковой схеме, в которой возникает сигнал рассогласования. Полученный сигнал
является функцией степени поглощения пучка света и, следовательно,
площади поверхности частиц пыли в потоке. Отличие пылемеров,
измеряющих общее рассеяние света запыленным газовым потоком,
состоит в том, что на фотоприемник поступают световые импульсы,
рассеянные отдельными частицами пыли (рис. 15.1). Оптические
пылемеры – автоматические приборы, требующие калибровки для каждого вида пыли, так как показания приборов зависят от дисперсного
состава и оптических свойств пыли. Нижний предел измерений этих
пылемеров 10 мг/м3.
Широкую группу пы2
лемеров составляют автома3
тические приборы, в кото1
рых отбираемые пробы газа
непрерывно анализируются
без получения пылевого
осадка [88].
9 10
4
Наиболее просты кон8
тактно-электрические
пы5
лемеры, действие которых
6
основано на приобретении
частицами пыли при трении
7
о внутреннюю поверхность
обычно пластмассовой трубРис. 15.1. Оптический пылемер:
ки электрического заряда.
1, 5 – защитные стекла; 2 – газоход; Величина заряда пропорци3, 4 – световые ловушки; 6, 10 – линзы;
ональна площади поверхно7 – мостовая измерительная схема; 8 – фости частиц. Недостатком татоприемник; 9 – источник света
ких пылемеров является зависимость концентрации пыли не только от распределения частиц
по размерам, но и от их электрических свойств.
Индукционные пылемеры. В таких пылемерах предварительно
заряженные пылевидные частицы пропускаются через измерительную
камеру со специальным электродом, на котором индуцируется заряд,
служащий мерой концентрации при условии постоянства дисперсного
состава пыли.
Емкостные пылемеры. В них запыленный воздух просасывается через трубку, внутри которой установлено устройство в виде двух
пластин; между ними помещена сетка, находящаяся под напряжением.
Устройство включено в контур генератора, частота колебаний которого f изменяется по мере осаждения частиц на сетке; изменение f – мера
массы осажденной пыли [88].
Фотоэлектрические счетчики применяются для измерения низких концентраций пыли, присутствующей в атмосферном воздухе.
Запыленный воздух пропускается через освещенную зону (от 0,03
до нескольких мм3). Световые импульсы, рассеянные отдельными частицами под углами до 90°, регистрируются с помощью фотоумножителя. Затем преобразуются в импульсы напряжения, которые посредством
электронной схемы сортируются по амплитудам на несколько диапазонов в соответствии с размерами частиц. Благодаря такой сортировке
в приборах с рассеянием под малыми углами снижается влияние различных факторов на показания счетчика, который без специальной калибровки одновременно определяет концентрацию и размеры частиц
(в интервале 0,3–20 мкм). Главный недостаток – ограниченный верхний предел счетной концентрации, который при использовании белого
света лампы накаливания близок к 108 частиц/м3 и увеличивается
в несколько раз в случае использования лазерного пучка. При концентрациях пыли более нескольких мг/м3 газ предварительно разбавляется чистым воздухом [88].
Определение дисперсного состава промышленных пылей, особенно при их высоких концентрациях (несколько десятков мг/м3 и более),
требует отбора пробы из газового потока с последующим суспендированием пыли в жидкой или газовой фазе, для чего используют специальные приборы.
Для измерений размеров частиц без нарушения их агрегатного
состояния (это важно для пыли конденсационного происхождения)
широко применяются ручные приборы – импакторы (рис. 15.2), в которых сепарацию пыли осуществляют непосредственно в ходе отбора
пробы, что позволяет оценивать размеры агрегированных частиц. Пыль,
присутствующая в пробе, разделяется на 5–8 фракций. Затем газ пропускается через последовательно установленные сопла постепенно
уменьшающегося диаметра. Частицы соответствующего размера осаждаются на плоских подложках, размещенных напротив сопл. Содержа-
358
359
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
10
1
2
9
3
8
4
7
6
5
Рис. 15.2. Импактор:
1, 5 – входной и выходной патрубки;
2 – корпус; 3 – пылевой осадок;
4, 7–10 – сопла; 6 – фильтр
ние фракций определяется
по привесу подложек за время
отбора пробы. Импакторы позволяют одновременно с дисперсным составом оценивать также
концентрацию пыли в газовом
потоке [88].
Для большинства пылемеров характерна погрешность измерений до 20 %. Наименьшей
погрешностью обладают радиоактивные приборы, а также
фотоэлектрические счетчики;
наибольшей – ручные массовые
пылемеры. При условии соответствующей калибровки пылемеры можно применять для
определения концентраций
и дисперсного состава туманов
[27–31].
Глава 15. Методы измерения концентрации пыли
Условия эксплуатации: температура окружающего воздуха
0…50 °С; влажность – до 95 % без конденсации влаги.
Рис. 15.3. Анализатор пыли 8520 в стандартном комплекте поставки
Насадка для
выхода пробы
Патрубок
Световая
заглушка
Фильтр
Собирающая
оптика
Приборы для измерения концентрации пыли
Пылемер (анализатор пыли) 8520 (рис. 15.3)
Прибор предназначен для измерения концентрации частиц пыли
в воздухе (рис. 15.4).
Технические характеристики пылемера 8520
Диапазон определения, мг/м3……………………
0…100 000
0,001
Разрешение, мг/м3……………………
Дрейф нуля…………………………..
0,001 мг/м3 за 24 ч
при экспозиции 10 с
Размер определяемых частиц,
мкм…………………………………………
0,1…10
Время экспозиции, с……………………
1…60
360
Фотодетектор
Лазерный
фотодиод
Вакуум
Фокусирующая
оптика
Рис. 15.4. Схема измерительного узла
Область применения:
• экология (мониторинг атмосферного воздуха);
• мониторинг жилых помещений;
• санитарный контроль производственных помещений (воздуха
рабочей зоны);
361
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 15. Методы измерения концентрации пыли
• контроль зон с высоким содержанием взвешенных частиц
(в том числе стройплощадки, полосы отчуждения железных дорог
и автодорог, свалки; наблюдения за пылевыми бурями, замеры количества вулканического пепла).
Измеритель пыли ИДИП-01
(рис. 15.5)
Описание прибора и принцип действия
В анализаторе пыли реализован принцип лазерной нефелометрии,
что определяет возможность измерений в широком динамическом
диапазоне концентраций. Конструктивно пылемер выполнен в едином
блоке.
Анализатор пыли состоит из измерительного узла и узла обработки информации, включающего микропроцессор со специальным
программным обеспечением.
Анализируемая проба поступает в прибор через насадку и специальный патрубок. В оптической ячейке проба облучается светом с длиной волны 780 нм, генерируемым лазерным источником. Рассеянный
свет собирается линзами, расположенными под углом 90° к потоку пробы и направлению излучения, и попадает на фотодетектор. Световой
сигнал преобразуется в электрический, пропорциональный размеру
и концентрации взвешенных частиц. Микропроцессор обрабатывает
сигналы фотодетектора и рассчитывает содержание пыли в воздухе.
Микропроцессор со специальным программным обеспечением и внутренняя память обеспечивают обработку и хранение полученных данных, доступ ко всем опциям и установкам пылемера через экранные
меню. На встроенном цифровом дисплее анализатора пыли высвечиваются концентрации в реальном времени. Одновременно эти значения записываются в память. Объема памяти достаточно для работы
пылемера в течение трех недель при одноминутном усреднении результатов.
Анализатор пыли имеет аналоговый и цифровой выходы. Хранящиеся в памяти данные могут быть переданы на удаленный персональный компьютер. В стандартный комплект входят импакторы на 1, 2,5,
10 мкм и циклон на 4 мкм [90].
362
Назначение: для оперативного
контроля содержания пыли в отходящих газах технологических процессов. Принципы действия прибора основаны на измерении ослабления или
рассеяния инфракрасного излучения
в анализируемой запыленной среде.
Пылемер состоит из измерительного зонда и блока индикации. Питание измерителей автономное, от аккумулятора, с подзарядкой от сети. Аппаратура имеет необходимые
виды аттестации.
Достоинства прибора:
• широкий диапазон измерений;
• автономное питание;
• сигнализация разряда аккумулятора;
• простота управления;
• небольшие размеры и вес;
• цифровая индикация.
Технические характеристики ИДИП-01
Диапазон измерений
концентрации пыли, г/м3…………………
0,1…7,0
Диапазон температуры
5…40
окружающей среды, °С…………………
Диапазон температуры
5…300
анализируемого газа, °С…………………
Время работы, ч…………………
4 от аккумулятора
Диаметр газохода в месте
измерения, мм…………………
Не менее 300
Габариты, мм……………………..
Блок обработки и управления:
128×80×37
Блок отражателя: d = 20×400
Масса, кг……………………………………
Не более 1,3
363
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 16. Исследование свойств твердого топлива
Глава 16. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
16.1. Метод приготовления лабораторной и аналитической
проб твердого топлива
Общие требования, предъявляемые к отбору пробы: отбор пробы и ее раздел осуществляются перед техническим анализом твердого
топлива.
К отбору пробы твердого топлива предъявляются следующие требования [1, 8]:
• проба топлива должна характеризовать среднее качество сжигаемого топлива за определенный период времени, для чего необходимо отобрать ряд порций из различных мест значительной массы топлива, находящегося на складе. Число отбираемых порций будет увеличиваться в зависимости от его количества и неоднородности;
• каждая порция должна быть представлена полным гранулометрическим составом топлива, то есть так, чтобы в ней были различной крупности куски, так как в неодинаковых по размеру кусках топлива содержание влаги и золы различное.
Число порций и весовая норма отбора первичной пробы приведены в табл. 16.1.
невозможно, поэтому необходимо уменьшить число проб, не нарушая
среднего состава всей пробы.
Первичная проба может отбираться в зависимости от способов
подачи топлива в котельные: из вагонеток, транспортеров, питателей.
Приборы: металлическая плита, две взаимоперпендикулярные
плоскости, ящик для хранения пробы, цилиндрические банки для
отбора лабораторной пробы из листового оцинкованного железа с плотно закрывающимися крышками, весы аналитические, ступа для размола топлива, сито № 30, сушильный шкаф.
Методика разделки первичной пробы и приготовления
лабораторной пробы
Из таблицы видно, что количество отбираемого для пробы топлива очень большое и подвергнуть его анализу в лабораторных условиях
Разделка первичной пробы твердого топлива для отбора лабораторной пробы состоит из операций [1, 8]: измельчение; перемешивание; сокращение пробы; отбор лабораторной пробы.
Все операции проводятся вручную или механизированным путем.
При ручной разделке пробы следует выполнить следующие
условия:
• измельчение на металлической плите;
• измельчение вcей первичной пробы, не допуская отбрасывания трудно измельчаемых кусков пробы;
• во избежание потерь влаги измельчение в возможно короткие
сроки;
• сокращение измельченной пробы по способу квартования, для
чего пробу собрать в конусообразную кучу и расплющить. Полученный цилиндр поделить двумя взаимоперпендикулярными плоскостями на четыре равных сектора. Два противоположных сектора отбросить, а два других перемешать, насыпать конусом, сплющить и снова
поделить и т. д.
Уменьшение веса угля производится до величин, приведенных
в табл. 16.2.
При механизированной разделке пробы измельчение топлива произвести дробилками, а перемешивание и сокращение – специальными
порционерами.
Первичную пробу измельчить до 25 мм, отобрать и сохранить
в специальном ящике.
364
365
Показатели первичной пробы
№
п/п
1
1
2
3
4
5
Размер
кусков, мм
Вес порции,
кг
Предельное
содержание
золы, %
2
0–25
0–50
0–75
0–100
0–150
3
1
2
3
4
5
4
До 10
10–15
15–20
20
22
Таблица 16.1
Максимальное
количество порций,
набираемых
в первичную пробу
5
60
90
120
150
150
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Таблица 16.2
Максимальные показатели пробы
Максимальный размер
кусков, мм
Максимальный вес пробы
после ее сокращения, кг
Глава 16. Исследование свойств твердого топлива
25
13
3
1
60
15
3,75
0,75 (лабораторная
проба)
Ускоренный метод приготовления аналитической пробы топлива
Лабораторную пробу весом в 500 г распылить на противень
слоем толщиной не более 10 мм и произвести сушку в сушильном шкафу в течение 15 мин при температуре 100 °С.
16.2. Определение влажности твердого топлива
Вес средней лабораторной пробы по табл. 16.2 для угля должен
быть не менее 0,75 кг с размером кусков не более 1 мм.
Лабораторную пробу отобрать в двух экземплярах – основную
и контрольную.
Банки для отбора лабораторной пробы должны быть изготовлены
из листового оцинкованного железа и снабжены плотно закрывающимися крышками. Форма банки – цилиндрическая.
На банках делаются пометки:
дата отбора пробы и номер;
вид пробы – основная или контрольная;
марка топлива;
подпись лица, производившего отбор пробы.
Приборы: сушильный шкаф, аналитические весы, бюксы, банка
для перемешивания топлива.
Все виды естественного твердого топлива содержат влагу. Содержание влаги в разных видах топлива колеблется в больших пределах:
от долей процента до 60 % и выше.
Общая влага Wt является вредным компонентом топлива, так как
снижает теплоту сгорания топлива, увеличивает транспортные расходы,
ухудшает загораемость, замедляет процесс горения и понижает его температуру, приводит к ухудшению или полной потере сыпучести, способствует самовозгоранию при хранении топлива. В общей влаге топлива
Wt содержится внешняя влага Wlx и влага воздушно-сухого топлива Wn.
Методика приготовления аналитической пробы
Методика определения влаги топлива
Аналитическая проба топлива готовится [1, 8] из лабораторной
пробы и представляет собой тонко измельченный порошок,
подсушенный до воздушно-сухого состояния.
Внешняя влага Wвн, теряемая топливом при подсушке его до
воздушно-сухого состояния, учитывается точно путем взвешивания
топлива до и после подсушки.
Размол высушенного топлива производится в лабораторной
мельнице или в ступе вручную.
Полученный порошок должен проходить через сито № 30
(900 отверстий на 1 см2).
Приготовленная таким образом аналитическая проба используется
в дальнейшем для анализа на гигроскопическую влажность, зольность,
выход летучих веществ и теплоту сгорания.
Аналитическая проба по ГОСТу должна иметь частицы топлива
размером менее 2,2 мм.
Сущность метода определения влажности топлива [1, 8] заключается в высушивании навески топлива в сушильном шкафу при температуре 105…110 °С и вычислении потери массы взятой навески.
Приготовление пробы. Внешняя влага Wlx удаляется с навески при
высушивании топлива до воздушно-сухого состояния.
Высушивание топлива осуществляется в сушильных шкафах
с температурой не более 40 °С для бурых углей и торфа и не более
50 °С для каменных углей. Продолжительность сушки пробы топлива
массой не менее 0,5 кг не более 8 ч.
Влагу воздушно-сухого топлива Wn, которая остается в нем после
высушивания до воздушно-сухого состояния, определяют по лабораторной пробе (диаметр зерна не более 3 мм, масса пробы не менее 0,5 кг)
после сушки ее в сушильном шкафу при температуре 105…110 °С.
Гидратная влага Wm, входящая в состав молекул некоторых минеральных примесей, например CaSO42H2O (гидратной влаги в топливе
366
367
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 16. Исследование свойств твердого топлива
менее 1 %), становится заметной лишь в многозольных топливах,
поэтому в величину общей влажности топлива Wt она не включается.
Удаление гидратной влаги происходит при дегидратации молекул
минерала в процессе нагрева до высоких температур (свыше 500 °С).
В ходе анализов топлива пользуются величиной влажности аналитической пробы Wa, которая отражает процентное содержание влаги в аналитической пробе с крупностью зерен менее 0,2 мм. Определение влаги аналитической пробы Wa выполняют параллельно на двух
пробах.
Длительность сушки для каменных углей, горючих сланцев, антрацитов – 30 мин, для других углей – 60 мин, торфа – 2 ч.
Контрольное просушивание устанавливается 30 мин. Навески
топлива просушивают контрольно до тех пор, пока разность масс при
двух последовательных взвешиваниях не станет менее 0,001 г.
Порядок проведения исследований
1. Взвесить стеклянные стаканчики с погрешностью ±0,002 г.
2. Аналитическую пробу топлива с частицами размером
не более 0,28 мм тщательно перемешать в закрытой банке путем встряхивания.
3. Взять две навески топлива массой 1–0,5 г на разной глубине
из 2–3 мест.
4. Стаканчики с навесками (бюксы) топлива поместить в сушильный шкаф, предварительно нагретый до температуры 105–110 °С,
и сушить при этой температуре.
5. Определить содержание влаги в аналитической пробе топлива, %, по формуле
16.3. Определение зольности твердого топлива
Wa =
∆M
⋅ 100,
M
(16.1)
где ∆M – убыль массы навески топлива после высушивания, г; M – масса
навески топлива до высушивания, г.
Вычисления результатов опыта выразить с точностью до 0,01 %.
За содержание влаги в аналитической пробе топлива Wa принимают
общую убыль массы ∆M, вычисленную в процентах к массе навески
топлива M.
368
Приборы: муфельная печь, тигли с крышками, термопара, аналитические весы, эксикатор.
Содержание минеральных примесей в твердом топливе в зависимости от условий его образования колеблется в очень широких пределах: для каменных и бурых углей – от 2 до 4 % и выше.
Минеральные примеси следует отличать от очаговых остатков.
Минеральные примеси твердого топлива – это сложная смесь,
основу которой в большинстве случаев составляют силикаты алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, а также глины. Часто
в минеральную массу топлива входят сульфиды железа, карбонаты кальция, магния, железа, а также окислы других металлов в виде органических кислот, фосфаты, хлориды и т. д.
Очаговые остатки – это конечные продукты, которые образуются в результате сложных физических и химических процессов, происходящих в самом топливе при его сжигании и в его неорганических
минеральных примесях.
Твердый негорючий остаток, получившийся после завершения
преобразований в минеральной части топлива при выжигании его
в лабораторных условиях, называется золой. Для оценки минерального вещества введен параметр «А» – зола топлива.
Методика определения зольности
Сущность метода определения зольности твердого топлива заключается в озолении навески топлива в муфельной печи и прокаливании зольного остатка при температуре 800 ± 25 °С (ГОСТ 11306–65).
При определении содержания золы в любом виде топлива необходимо соблюдать следующие условия [1, 8]:
1. Сжигание навески топлива следует производить при свободном доступе воздуха, т. е. в открытых тиглях или чашах, помещенных
в муфель с открытой передней стенкой и с отверстием в задней. Только
после окончания озоления можно закрыть переднюю стенку для получения возможно равномерного нагрева внутреннего пространства муфеля до температуры окончательного прокала. Временное прикрывание тиглей и чашек крышками рекомендуется лишь в особых случаях:
при недостаточном доступе воздуха в озоляемой навеске в тигле имеет
место процесс коксования, который проходит тем интенсивнее, чем
369
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Глава 16. Исследование свойств твердого топлива
меньше доступ воздуха и чем быстрее поднимается температура;
получающийся кокс трудно выжечь до конца, так как он для горения
требует более высоких температур.
2. Озоление навески должно проходить медленно без появления
пламени, навеска должна тлеть, а не гореть. Появившееся пламя следует немедленно потушить путем прикрытия на несколько секунд тигля или чашки крышкой. Прекращение свободного доступа воздуха
к навеске мгновенно потушит пламя.
3. Температура муфеля при окончательном провале золы должна
быть строго определенной. Для всех видов минерального твердого топлива муфель при окончательном прокаливании золы должен быть
нагрет до 800 ± 25 °С. Температура муфеля проверяется термопарой.
4. Доведение золы в тигле до постоянного веса должно быть достигнуто повторными контрольными прокаливаниями при заданной
максимальной температуре и последующим взвешиванием тигля
с золой.
Прокаливания повторяются до тех пор, пока изменение веса за
время последнего прокаливания не будет менее 0,1 % взятой навески
(то есть при навеске в 1 г – не менее 0,001 г). Это изменение веса может быть как в сторону его уменьшения, когда продолжается выгорание кокса, так и в сторону его увеличения за счет окисления соединений железа.
При анализе очаговых остатков вес золы иногда оказывается больше веса взятой навески. Это может иметь место при малом содержании горючих в очаговых остатках, когда реакция окисления закислого
и зачастую металлического железа дает больший привес, чем уменьшение веса из-за выгорания органической массы навески и других реакций.
Порядок проведения исследований
В предварительно прокаленный и взвешенный на аналитических
весах фарфоровый тигель насыпать 1–2 г аналитической пробы топлива и взвесить с точностью до 0,0002 г. Тигель с навеской поставить
в холодную или предварительно нагретую до температуры 300 °С
муфельную печь.
Затем температуру муфеля поднять до 800 ± 25 °С и при этой температуре прокаливать в течение двух часов. После прокаливания
тигель с зольным остатком вынуть из печи, охладить в течение пяти
минут на воздухе, а затем в эксикаторе до комнатной температуры
и взвесить, после чего тигель с зольным остатком вновь установить
в муфельную печь для контрольного прокаливания в течение 40 минут
при температуре 800 ± 25 °С. Затем, охладив, как указано выше, снова
взвесить.
Испытания закончить, когда при контрольном взвешивании разность в массе зольного остатка при двух последовательных взвешиваниях не будет превышать 0,001 г.
Зольность аналитической пробы топлива Aa , %, определяется
по формуле
370
Aa =
M4
100,
M
(16.2)
где M 4 − масса зольного остатка, г; M − масса навеска топлива, г..
Зольность топлива на сухую массу A d , %, по формуле
Ad = Aa
100
100 − W a
,
(16.3)
где W a − содержание влаги в аналитической пробе топлива, %.
За содержание золы в аналитической пробе топлива Aa принять
массу зольного остатка M 4 , выраженную в процентах по отношению
к массе взятой навески топлива М.
Вычисления результатов выполнить с точностью до 0,01 %.
Расхождения в результатах определения зольности топлива
в одной пробе при параллельном определении не должны превышать:
а) для бурого и каменного угля, антрацита:
0,2 % при зольности топлива до 8 %;
0,3 % при зольности топлива от 12 до 25 %;
0,5 % при зольности топлива более 25 %;
б) торфа:
0,2 % при зольности торфа до 8 %;
0,3 % при зольности торфа от 8 до 20 %;
0,5 % при зольности торфа более 20 %.
371
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
16.4. Определение выхода летучих веществ
Приборы: фарфоровый тигель с притертой крышкой, аналитические весы, аналитическая проба топлива, муфельная печь, термопара,
эксикатор.
Методика определения летучих веществ [1, 8]
Твердое топливо при нагревании без доступа воздуха под действием тепла разлагается на летучие вещества и твердый остаток – кокс.
В состав летучих веществ входят горючие компоненты: водород, окись
углерода, метан, углеводороды типа C, H, углекислота и некоторые
другие газы.
Количество летучих веществ и выход кокса выражаются в процентах. Для различных топлив выход летучих веществ колеблется
в широких пределах, уменьшаясь по мере увеличения возраста топлива.
Например, торф дает выход летучих веществ до 70 % по весу, бурые угли 30–60 %, каменные угли 8–30 %, антрациты 3–7 %.
Количество летучих горючих веществ является важнейшей характеристикой топлива.
Порядок проведения исследований
Метод определения выхода летучих веществ заключается в определении суммарного выхода летучих веществ в закрытом фарфором
тигле при температуре 850 ± 10 °С в течение семи минут (ГОСТ 6382–80).
Для проведения опыта применить фарфоровые тигли с притертой
крышкой. Крышка, по возможности, не должна препятствовать выходу летучих веществ, но должна затруднять проникновение в тигель
кислорода воздуха.
В предварительно прокаленный и взвешенный на аналитических
весах фарфоровый тигель с крышкой насыпать 1 г (±0,01 г) аналитической пробы топлива и взвесить с точностью до 0,0002 г.
Затем тигель с навеской топлива закрыть крышкой и на специальной подставке поместить в разогретую до температуры 850 ± 10 °С
муфельную печь.
Печь закрыть и при данной температуре тигель выдерживать
в ней в течение семи минут.
Температуру в печи контролировать с помощью термопары.
Через 7 мин тигель достать из печи, охладить в закрытом состоянии
5 мин на воздухе, а затем окончательно в эксикаторе до комнатной
температуры.
372
Глава 16. Исследование свойств твердого топлива
сить.
После охлаждения тигель с навеской, не снимая крышки, взве-
Убыль массы, вычисленная в процентах к массе навески топлива
за вычетом процента влаги Wa, принимается за выход летучих веществ
Va в аналитической пробе топлива.
Нелетучий остаток характеризуется по результатам опыта:
• горошкообразный;
• слипшийся – при легком нажиме пальцем рассыпается в порошок;
• слабослипшийся – при легком нажиме пальцем раскалывается
на отдельные куски;
• спекшийся, несплавленный – для раскалывания на отдельные
кусочки необходимо приложить усилия;
• сплавленный невспученный – плоская лепешка с серебристым
металлическим блеском поверхности;
• сплавленный вспученный остаток с серебристым металлическим блеском высотой менее 15 мм;
• сплавленный, сильно вспученный остаток с серебристым металлическим блеском высотой более 15 мм.
Выход летучих веществ в аналитической пробе топлива определяется, %, по формуле
Va =
(
)
∆M
100 − W a ,
M
(16.4)
где ∆M – убыль массы тигля с навеской топлива после нагрева, г;
M – масса навески топлива, г; Wa − содержание влаги в аналитической
пробе топлива, %.
Для характеристики топлива используется пересчет выхода летучих
веществ на сухое беззольное состояние, %, по формуле
V daf = Va
100
,
100 − (Wa + Aa )
где Aa – зольность аналитической пробы топлива, %.
373
(16.5)
Приближенное определение погрешностей
функции одного переменного [5]
№
п/п
Вид функции
Z = Z (a )
Абсолютная
погрешность ∆Z
1
ca, c = const
c ⋅ ∆a
2
a n , n<> 0
na (n −1)∆a
3
a
1+ a
a
1− a
(1 + a − a ) ∆a = ∆a
(1 + a )2
(1 + a )2
(1 − a + a ) ∆a = ∆a
(1 − a )2
(1 − a )2
4
5
n
a
6
ea / c , c = const
7
Aa / c , c = const
A = const
ln a
8
9
10
11
12
a
sin  , c = const
c
a
cos  , c = const
c
a
tg  , c = const
c
a
ctg  , c = const
c
1 (1 n−1)
1 na
a
⋅ ∆a = ⋅
⋅ ∆a
n
n a
∆a
ea c ⋅
c
∆a
A a c ln A
c
∆a
a
 a  ∆a
cos   ⋅
c c
 a  ∆a
sin  ⋅
c c
∆a
1
⋅
cos 2 (a c ) c
∆a
1
⋅
sin 2 (a c ) c
374
Приложение 1
Таблица П1.1
Относительная
погрешность
ε = ∆Z Z
∆a
a
∆a
n
a
∆a
a (1 + a )
∆a
a (1 − a )
1 ∆a
⋅
n a
∆a
c
∆a
ln A ⋅
c
∆a
ln a ⋅ a
 a  ∆a
ctg   ⋅
c c
 a  ∆a
tg   ⋅
c c
2
∆a
⋅
sin(2a c ) c
2
∆a
⋅
cos (2a c ) c
Приближенное определение погрешностей функции нескольких переменных [5]
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложения
Таблица П1.2
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
375
376
377
Примечания: 1. Допустимое давление воды для всех счетчиков 1 МПа.
2. Допустимая погрешность показаний при расходе более 15 % от номинального и до верхнего предела измерений
±2 % для всех счетчиков.
Счетчики холодной воды [12]
Таблица П2.1
Приложение 2
Окончание табл. П1.2
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
Таблица П2.2
Поправочный множитель kt [12]
Значения коэффициента A20 [12]
Температура
окружающего
воздуха, °С
–10
–5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Таблица П2.3
Заполнение дифманометра
Ртуть и над ней Вода и над ней газ Ртуть и над ней
газ или воздух
или воздух
вода
1,0030
–
–
1,0027
–
–
1,0017
–
–
1,0013
1,0008
1,0016
1,0009
1,0008
1,0009
1,0004
1,0008
1,0005
1,0000
1,0000
1,0000
0,9993
0,9998
0,9995
0,9989
0,9992
0,9993
0,9985
0,9984
0,9989
0,9980
0,9970
0,9980
0,9980
0,9960
0,9980
0,9970
0,9950
0,9980
0,9970
0,9940
0,9970
Таблица П2.4
Коэффициент расхода диафрагм [12]
378
m(mор)
αи
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,5978
0,6020
0,6078
0,6150
0,6238
0,6340
0,6459
0,6600
0,6764
0,6950
0,7160
0,7398
0,7679
0,8019
D = 50 мм
mα
α
0,6126 0,03063
0,6162 0,06162
0,6219 0,09328
0,1259
0,6293
0,1596
0,6385
0,1948
0,6492
0,2316
0,6617
0,2706
0,6764
0,3122
0,6938
0,3567
0,7134
0,4045
0,7355
0,4565
0,7608
0,5141
0,7909
0,5789
0,8270
379
D = 100 мм
mα
α
0,03045
0,6090
0,06118
0,6118
0,09253
0,6169
0,12480
0,6238
0,15810
0,6325
0,19280
0,6428
0,22920
0,6550
0,26780
0,6695
0,30880
0,6863
0,35280
0,7056
0,40000
0,7272
0,45130
0,7521
0,50800
0,7815
0,57180
0,8169
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
Окончание табл. П2.4
m(mор)
αи
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,5978
0,6020
0,6078
0,6150
0,6238
0,6340
0,6459
0,6600
0,6764
0,6950
0,7160
0,7398
0,7679
0,8019
D = 200 мм
mα
α
0,6041 0,03021
0,6069 0,06069
0,6117 0,09176
0,6183 0,12370
0,6267 0,15670
0,6368 0,19100
0,6488 0,22710
0,6631 0,26520
0,6798 0,30590
0,6987 0,34930
0,7201 0,39600
0,7445 0,44670
0,7733 0,50260
0,8079 0,56550
D = 300 мм
mα
α
0,03004
0,6008
0,06034
0,6034
0,09126
0,6084
0,12300
0,6150
0,15600
0,6238
0,19020
0,6340
0,22610
0,6459
0,26400
0,6600
0,30440
0,6764
0,34750
0,6950
0,39380
0,7160
0,44390
0,7398
0,49920
0,7679
0,56140
0,8019
Динамическая вязкость воды [12]
Температура, °С
0
5
10
15
20
25
µ, 10–6
Па ⋅ с
1786,25
1513,41
1304,28
1139,05
1003,23
892,88
µ, 10–6
Па ⋅ с
800,76
719,52
652,39
594,96
548,90
500,39
Температура, °С
30
35
40
45
50
55
380
Температура, °С
60
65
70
80
90
100
Таблица П2.5
Динамическая вязкость пара [12]
Температура,
°С
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
µ, 10–6 Па ⋅ с, при давлении, МПа
0,1
10
15
11,96
–
–
13,92
–
–
15,78
–
–
17,84
–
–
19,89
–
–
22,05
23,13
24,99
24,21
24,99
26,26
26,36
27,05
27,93
28,62
29,20
29,89
30,97
31,46
31,85
33,03
33,71
34,10
Таблица П2.7
Коэффициент вязкости газов
(0 °С и 101,3 кПа) [12]
Газ
µ, 10–6
Па ⋅ с
469,42
435,32
405,62
355,15
314,19
281,75
Таблица П2.6
Водород
Окись углерода
Метан
Этан
Пропан
н-бутан
Пропилен
Бутилен
Двуокись углерода
Кислород
Азот
Воздух атмосферный
Сероводород
Водяной пар при 100 °С
381
µ, 10–6
Па ⋅ с
8,35
16,93
10,55
8,77
7,65
6,97
7,82
7,78
14,09
19,58
16,93
17,53
11,82
8,70
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
Рис. П2.2. Потери давления в диафрагмах [12]
Рис. П2.1. График для определения модуля [12]:
а – m = f (mα ) ; б – m1 = f1 (mα )
382
383
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложение 3
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ А и Б
Методика предназначена для испытательных лабораторий и устанавливает
процедуру определения на основании лабораторных испытаний расчетных значений теплопроводности конкретных марок и типов строительных материалов
и изделий [56].
П3.1. Общие положения
Теплопроводность сухих и влажных материалов измеряется по ГОСТ 7076–99
(«Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме». М.: Госстрой России, 1999) при средней температуре образца (25 ±1) °С [(298 ±1) К].
Расчетные значения теплопроводности определяются на пяти образцах для
условий эксплуатации А и пяти образцах для условий эксплуатации Б, причем
образцы должны быть отобраны от пяти партий конкретной марки материала
или изделия по одному образцу от партии для каждого условия эксплуатации.
Допускается последовательное определение теплопроводности пяти образцов
для условий эксплуатации А, затем их доувлажнение и определение теплопроводности для условий эксплуатации Б.
Значения влажности исследуемого материала или изделия для условий
эксплуатации А и Б следует принимать по прил. 6 в случае, если данный вид
материала указан в его перечне, или по фактическим значениям влажности аналогичного теплоизоляционного материала в конструкции после 3–5 лет эксплуатации. Допускается за величину влажности для условий эксплуатации А принимать значение сорбционной влажности материала при относительной влажности воздуха 80 %, а для условий эксплуатации Б – значение сорбционной
влажности при относительной влажности воздуха 97 %.
Сорбционная влажность материала или изделия определяется
по ГОСТ 24816–81 («Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности». М.: Госстрой СССР, 1981). Статистическая обработка результатов измерения выполняется по ГОСТ 8.207–76 («Государственная система
обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения».
М.: Издательство стандартов, 1976) или по разделу 1 при доверительной вероятности 0,95 для нормального распределения результатов измерений. Неисключенная систематическая погрешность средств измерений принимается равной
не менее 3 % текущего значения теплопроводности.
384
Приложения
П3.2. Обозначения
При определении расчетных значений теплопроводности используются
следующие обозначения:
λoi – теплопроводность образца в сухом состоянии;
λom – среднее арифметическое значение теплопроводности из пяти образцов
материала или изделия в сухом состоянии;
λfi – значение теплопроводности образца материала при влажности wfi;
λА, Б – расчетные значения теплопроводности для условий эксплуатации А и Б;
kc – коэффициент учета влияния качества строительно-монтажных работ
на теплопроводность строительных материалов и изделий, а также старения
материала в реальных условиях эксплуатации; для жестких теплоизоляционных
материалов и изделий (предел прочности на сжатие не менее 0,035 МПа)
принимают равным 1,1, для мягких теплоизоляционных материалов и изделий
(предел прочности на сжатие менее 0,035 МПа) – 1,2, для остальных материалов
и изделий – 1;
kt – коэффициент учета разницы теплопроводности материала при средней
рабочей температуре материала в конструкции (в отопительный период) и при
средней температуре испытаний принимают равным 0,95 при температуре
в конструкции 10 °С;
wА, Б – влажность, % по массе, соответствующая значению расчетного
массового отношения влаги в исследуемом материале или изделии при условиях
эксплуатации А и Б;
moi – масса образца в сухом состоянии;
mw – расчетная масса образца с влажностью, соответствующей условиям
эксплуатации А или Б;
mbi – масса увлажненного образца материала, определенная непосредственно перед загрузкой образца в аппаратуру для измерения теплопроводности;
mei – масса увлажненного образца материала, определенная непосредственно после выемки образца из аппаратуры для измерения теплопроводности;
wbi – влажность образца материала, % по массе, определенная непосредственно перед загрузкой образца в аппаратуру для измерения теплопроводности;
wei – влажность образца материала, % по массе, определенная непосредственно после выемки образца из аппаратуры для измерения теплопроводности.
П3.3. Подготовка образцов для испытаний
Если позволяет однородность материала (поры раковины или инородные
включения не должны быть более 0,1 толщины образца), образцы изготавливаются толщиной 20–30 мм. Для трудноувлажняемых материалов (материалы
с закрытой мелкопористой структурой, например, экструзионный пенополистирол) допускается проводить испытания на образцах толщиной до 5 мм, соблю385
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
дая при этом те же требования к однородности структуры материала. Толщину
образца следует измерять по ГОСТ 17177–94 («Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний». М.: МНТКС, 1995).
Отобранные образцы высушиваются до постоянной массы при температуре,
указанной в НД на данный материал, либо в соответствии с ГОСТ 17177–94.
Образец считается высушенным до постоянной массы, если расхождение между
результатами двух последовательных взвешиваний не будет превышать 0,5 %,
при этом время сушки должно быть не менее 0,5 ч. По окончании сушки
определяют массу moi и теплопроводность λoi каждого образца.
чивается, затем устанавливается вертикально (на ребро) и выдерживается
до проведения испытаний на теплопроводность:
не менее 2 сут – материалы на основе стекловолокна и минерального
волокна;
не менее 14 сут – материалы на основе пенопластов и пенокаучуков.
П3.4. Увлажнение образцов материала
При наличии аналога по прил. 6 принимают значение влажности для условий эксплуатации А и Б испытываемого материала. При отсутствии аналога
в соответствии с ГОСТ 24816–81 определяют значение сорбционной влажности
испытываемого материала или изделия при 80 и 97 % относительной влажности
воздуха.
Рассчитывают для каждого образца материала массу, до которой его следует увлажнить, чтобы получить значения влажности, соответствующие условиям эксплуатации А или Б:
mwi = moi (1 + 0,01wА,Б ).
(П3.1)
Увлажнение производится на установках, обеспечивающих принудительное насыщение образца водяным паром или капельно-воздушной смесью.
Не допускается производить увлажнение капельно-воздушной смесью теплоизоляционных материалов на основе минерального волокна и стекловолокна.
Увлажнение образца паром производят, не допуская его нагрева до температуры, выше которой происходит деструкция образца. Пар или капельно-воздушная смесь должны пронизывать (не омывать) образец.
Одним из вариантов увлажнения образцов может быть его осуществление
на описанной ниже установке. Образец плотно устанавливается в прямоугольный короб на сетку. На короб устанавливается крышка с подсоединенным к ней
отсасывающим шлангом пылесоса. С противоположного конца короба в него
несколько минут (от 2 до 10) подается при работающем пылесосе пар или
капельно-воздушная смесь. Затем образец охлаждается при комнатной температуре и взвешивается. Процедуру насыщения повторяют, поворачивая каждый
раз образец другой поверхностью, до тех пор, пока не будет достигнута весовая
влажность в интервале между 0,7wА,Б и 1,3wА,Б. После достижения заданной влажности образец помещается в герметичный пакет и укладывается горизонтально
на плоскую поверхность. Ежечасно в течение четырех часов образец перевора386
П3.5. Определение теплопроводности
Определение теплопроводности сухих и влажных материалов производится
только при горизонтальном положении образца в приборах, работающих по симметричной схеме. Разность температуры лицевых граней образца измеряется
не менее чем четырьмя дифференциально соединенными термопарами (по два
измерительных спая на каждой стороне образца). ЭДС термопары измеряется
вольтметром, обладающим чувствительностью не менее 1 мкВ и погрешностью
измерения не более 2 % при ЭДС 100 мкВ. Отклонение от температуры термостатирования образца материала не более 0,1 °С.
Теплопроводность влажных образцов материала lfi определяется при градиенте температуры в образце не более 1 град/см, за исключением образцов
толщиной менее 20 мм, для которых допускается градиент температуры до 2 град/см.
До проведения измерений используемый для определения теплопроводности
прибор выводится на заданный режим испытаний при загруженном в нем
образце материала, аналогичном исследуемому. Влажный образец взвешивается перед помещением в прибор сразу после проведения измерения. Фактическая
влажность образца, % по массе, до испытания определяется по формуле
wbi =
100(mbi − moi )
moi
(П3.2)
100(mei − moi )
.
moi
(П3.3)
и после испытаний по формуле
wei =
Значение влажности, при которой определялась теплопроводность образца, вычисляется как среднее арифметическое значений влажности до и после
проведения измерений:
w fi = 0,5(wbi + wei ).
387
(П3.4)
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
Для снижения потери влаги в процессе измерения теплопроводности
образец устанавливается в аппаратуру заключенным в обечайку из материала
с низкой теплопроводностью (текстолит, полиэтилен, полипропилен, оргстекло
или другие аналогичные материалы) толщиной не более 0,5 мм. Измерения считаются удовлетворительными, если снижение влажности образца за время измерений не превысило 10 %.
При определении теплопроводности образцов толщиной менее 20 мм
на противоположных сторонах образца по центру (на пересечении диагоналей)
укрепляются термопары для измерения перепада температуры на термостатируемых поверхностях образца. Термопары выполнены из эмалированных проводов диаметром не более 0,2 мм. Образец испытываемого материала с укрепленными на нем термопарами размещается между двумя листами эластичной
резины толщиной 1 мм и дополняется с двух сторон до требуемой для конкретного прибора толщины образца слоями поролона.
Расчетное значение теплопроводности испытываемого материала для
условий эксплуатации А и Б вычисляется по формуле:
П3.6. Обработка результатов измерений
Рассчитывается среднее арифметическое значение теплопроводности
образцов материала в сухом состоянии:
10
5
1
1
λ om = 0,1∑ λ oi или λ om = 0,2∑ λ oi .
λ А,Б = k t (k c λ w + 2,571S ).
Пример расчета. Требуется определить значения λА, Б плит теплоизоляционных марки П-85 из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем. Данный вид теплоизоляционных изделий не приведен в прил. 13, однако имеется аналог – плита плотностью 50 кг/м3. Поэтому за значение влажности
wА, Б принимаются данные прил. 13: wА = 2 % и wБ = 5 %.
На испытания отобраны из пяти партий плит пять пар образцов размером
250×250×30 мм (пять образцов для определения λА и пять образцов для определения λБ). Результаты измерений и расчетов представлены в табл. П3.1.
Коэффициент kc принимаем равным 1,2, a kt – 0,95. Тогда в соответствии с
последней формулой для обработки результатов рассчитываются:
λ А = 0,95(1,2 ⋅ 0,0375 + 2,571 ⋅ 0,00054 ) = 0,0441;
λ Б = 0,95(1,2 ⋅ 0,0414 + 2,571 ⋅ 0,00082 ) = 0,0492.
(П3.5)
Для каждого образца вычисляют теплопроводность при значении влажности, соответствующей условиям эксплуатации А и Б:
λ wi = λ oi + (λ fi − λ oi )
wА,Б
w fi
.
(П3.6)
Рассчитывается среднее арифметическое значение теплопроводности для
пяти измерений для условий эксплуатации А и Б:
5
λ w = 0,2∑ λ wi .
1
(П3.7)
Определяется среднее квадратичное отклонение результатов пяти измерений теплопроводности для условий эксплуатации А и Б:
S = 0,2236
5
∑ (λ wi − λ w ) 2 .
1
388
(П3.9)
(П3.8)
389
390
Таблица П4.1
Коэффициент теплового излучения некоторых веществ E
Приложение 4
Таблица П3.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
391
Приложения
392
393
Продолжение табл. П4.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
394
395
Продолжение табл. П4.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
396
397
Продолжение табл. П4.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Примечания: 1. N – излучение в направлении нормали.
2. H – излучение в пределах полусферы.
3. Линейная интерполяция между точками достаточно точная.
Продолжение табл. П4.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
398
Приложения
399
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Термины и пояснения
Приложения
Приложение 5
Справочное
Тепловизор – по ГОСТ 25314–82 («Контроль неразрушающий тепловой.
Термины и определения». М.: Издательство стандартов, 1982).
Тепловое изображение – по ГОСТ 25314–82.
Термограмма – запись теплового изображения, например, фотография, видеозапись.
Обзорная термограмма – термограмма поверхности ограждающей конструкции или ее укрупненных элементов, получаемая для выявления участков
с нарушенными теплозащитными свойствами.
Детальная термограмма – термограмма поверхности фрагмента ограждающей конструкции, получаемая для оценки показателей качества его теплоизоляции.
Модель термограммы ограждающей конструкции – термограмма из альбома типовых термограмм или эскиз температурного поля поверхности, рассчитанного на ЭВМ по данным проекта ограждающей конструкции.
Выходной сигнал тепловизора – измеряемый тепловизором электрический сигнал, значение которого пропорционально плотности потока теплового
излучения контролируемого участка поверхности объекта.
Минимально допустимый перепад температур – разница температур внутреннего и наружного воздуха, при которой возможно выявление участков
ограждающей конструкции с нарушенной теплоизоляцией.
Реперные участки – участки поверхности ограждающей конструкции,
по температурам которых градуируют тепловизор.
Базовый участок ограждающей конструкции – участок ограждающей конструкции, состояние теплоизоляции которого принимают за эталон при контроле качества теплоизоляции других участков ограждающей конструкции.
Относительное сопротивление теплопередаче – показатель качества
теплоизоляции, равный отношению сопротивления теплопередаче контролируемого и базового участков.
Приложение 6
Справочное
Оценка отклонения режима теплопередачи от стационарного
1. Оценку отклонения режима теплопередачи от стационарного производят по критерию допускаемой погрешности определения относительного сопротивления теплопередаче, принимаемой равной 15 %, используя данные наблюдений за температурами внутреннего и наружного воздуха, данные о теплофизических характеристиках ограждающей конструкции согласно проекту и данные
о теплофизических характеристиках возможных нарушений теплоизоляции.
2. Минимальную длительность z0, сут, периода наблюдений за температурами внутреннего и наружного воздуха определяют по формуле
z1 D 2
z0 =
,
2π
(П6.1)
где D – тепловая инерция ограждающей конструкции при периоде колебаний
температуры воздуха z1, принимаемом равным 1 сут, округляя полученное при
расчете значение в большую сторону до целого числа.
3. Для наблюдения за температурами внутреннего воздуха в центре
помещений первого, верхнего и одного из промежуточных этажей обследуемого
здания на высоте 1,5 м от пола устанавливают метеорологические термографы.
4. Для наблюдения за температурой наружного воздуха метеорологический термограф устанавливают на расстоянии 20–1000 м от объекта.
5. Оценку максимального значения относительной систематической
погрешности определения относительного сопротивления теплопередаче δrс,
обусловленную нестационарными тепловыми воздействиями на ограждающую
конструкцию, подлежащую контролю качества теплоизоляции, производят
по формуле
δrс =
R α
 Rб α в Rд α в 
R α 
 _
1   z0
 + Aн  б в + д в  , (П6.2)
+
1,8 − 1∆ t н + Aв 
 υ
tв − t н   z1
υн, д 
υ в, д 

 н, б
 υв, б
где tр, tн – средние значения температур соответственно внутреннего и наружного
воздуха за период наблюдений, °С; Aв, Aн – амплитуды суточных колебаний
температуры накануне тепловизионного контроля соответственно внутреннего
и наружного воздуха, определяемые как разность между максимальными
и среднесуточными значениями температур воздуха, °С; ∆ tн – вариация
среднесуточных температур наружного воздуха, определяемая как разность между
400
401
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
максимальным и минимальным значениями среднесуточных температур
наружного воздуха за период предварительных наблюдений, °С; αв – коэффициент
теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемый
по нормативно-технической документации, Вт/(м2 ⋅ °С); Rб, Rд – сопротивление
теплопередаче соответственно базового участка и участка с нарушением теплоизоляции, вычисляемое по нормативно-технической документации, м2 ⋅ °С/Вт;
υв,б, υв,д – затухание амплитуды колебаний температуры внутреннего воздуха
относительно амплитуды колебаний температуры внутренней поверхности,
определяемое по ГОСТ 26253–84 («Здания и сооружения. Метод определения
теплоустойчивости ограждающих конструкций». М.: Госстрой СССР, 1984);
υн,б, υн,д – затухание амплитуды колебаний температуры наружного воздуха
относительно амплитуды колебаний внутренней поверхности соответственно
базового участка и участка с нарушением теплоизоляции, вычисляемое
по нормативно-технической документации.
402
Приложения
Приложение 7
Справочное
Интегральные коэффициенты излучения строительных
материалов в спектральном диапазоне 2…5,6 мкм
Наименование материала
Алюминий
Белая шпатлевка
Бумажные красные обои
Бумажные светло-серые обои
Гипсовая штукатурка
Красное дерево
Листовая сталь
Масляная серая глянцевая краска
Масляная серая матовая краска
Масляная черная глянцевая краска
Масляная черная матовая краска
Матовый лак
Облицовочный красный кирпич
Оцинкованное листовое железо
Пластиковые белые обои
Пластиковые красные обои
Серая штукатурка
Фанера
Фибровый картон
403
Коэффициент излучения
0,04–0,19
0,88
0,90
0,85
0,90
0,84
0,50–0,60
0,96
0,97
0,92
0,94
0,93
0,92
0,23–0,28
0,84
0,94
0,92
0,93
0,85
τ 2 − τ1
,
L2 − L1
(П8.1)
B = τ1 − AL1 .
(П8.2)
A=
Журнал записи определяемых параметров
1. Градуировку тепловизора производят перед измерением температурных полей каждого фрагмента поверхности объекта с постоянным коэффициентом излучения, а также при смене объектива или изменении расстояния.
2. Градуировку тепловизора производят для установления зависимости
между значением его выходного сигнала и температурой обследуемой поверхности ограждающей конструкции.
3. Для градуировки тепловизора на обследуемой поверхности ограждающей конструкции выбирают два так называемых реперных участка, доступных для измерения на них температур τ1 и τ2, °С, контактным методом.
4. Реперные участки на поверхности исследуемого фрагмента выбирают
по его тепловому изображению на экране тепловизора как изотермические участки, которым соответствуют минимальный и максимальный выходные сигналы тепловизора. Линейные размеры реперных участков должны составлять
не менее 10 % линейных размеров исследуемого фрагмента. Контуры реперных
участков на фрагменте отмечают мелом по указанию оператора, наблюдающего
за экраном. В качестве реперных допускается выбирать участки фрагмента,
которым соответствуют значения выходных сигналов, отличающиеся от экстремальных значений не более чем на 20 %.
5. Температуры реперных участков измеряют в соответствии
с ГОСТ 26254–84 («Здания и сооружения. Методы определения сопротивления
теплопередаче ограждающих конструкций». М.: Издательство стандартов, 1984)
или термощупом.
6. Значения выходных сигналов тепловизора для реперных участков устанавливают по шкале изотерм тепловизора в соответствии с инструкцией по
его эксплуатации.
7. Коэффициенты градуировочной характеристики вычисляют по формулам:
Приложение 10
Рекомендуемое
Приложение 8
Рекомендуемое
Форма записи результатов тепловизионных измерений
Градуировка тепловизора
Приложения
Приложение 9
Рекомендуемое
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
8. Результаты градуировки заносят в журнал измерений, форма которого
приведена в прил. 9.
404
405
406
Приложение 12
Схема проведения измерений на чугунном секционном котле «Энергия 3» с горизонтально-щелевой (подовой)
горелкой с принудительным дутьем (новой конструкции)
Форма записи результатов определения скорости
Приложение 11
Рекомендуемое
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
407
Приложение 13
Таблица П13.1
Нормируемые теплотехнические показатели строительных материалов и изделий
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
408
409
Приложения
410
411
Продолжение табл. П13.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
412
413
Продолжение табл. П13.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
414
415
Продолжение табл. П13.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
416
417
Продолжение табл. П13.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Приложения
418
419
Продолжение табл. П13.1
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Рекомендуемая литература
1. Бирюзова Е. А. Теплогенерирующие установки: учебно-метод. пособие / Е. А. Бирюзова, О. Н. Платыч. – СПб.: СПбГАСУ, 2007. – 65 с.
2. Бирюзова Е. А. Совершенствование сжигания природного газа на отопительных чугунных секционных котлах с горизонтально-щелевыми (подовыми) горелками: дис. на соиск. ... канд. техн. наук / Е. А. Бирюзова. – СПб.:
СПбГАСУ, 2004. – 265 с.
3. Беляйкина И. В. Водяные тепловые сети: справочное пособие по проектированию / И. В. Беляйкина, В. П. Витальев, Н. К. Громов и др.; под ред.
Н. К. Громова, Е. П. Шубина. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 376 с.
4. Кондратьев Г. М. Тепловые измерения / Г. М. Кондратьев. – Л.: Машгиз, 1957. – 244 с.
5. Майоров В. А. Методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований: учеб. пособие / В. А. Майоров. – Пенза: Пензенская
гос. архит.-строит. академия, 1998. – 34 с.
6. Чистяков С. Ф. Теплотехнические измерения и приборы / С. Ф. Чистяков, Д. В. Радун. – М.: Высшая школа, 1972. – 392 с.
7. Роддатис К. Ф. Котельные установки: учеб. пособие для студ. неэнергетич. спец. вузов / К. Ф. Роддатис. – М.: Энергия, 1977. – 432 с.
8. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Теплогенерирующие установки» / сост. Н. М. Макарова. – Пенза: Пензенский инж.-строит.
ин-т, 1987. – 41 с.
9. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Метрология». Обработка результатов измерений / сост. С. В. Баканова. – Пенза: Пензенская гос. архит.-строит. академия, 2001. – 30 с.
10. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена / В. А. Осипова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1969. – 392 с.
11. Технический анализ топлива: метод. указ. к провед. лаборат. работ. –
М., 1985.
12. Эстеркин Р. И. Теплотехнические измерения при сжигании газового
и жидкого топлива: справочное руководство / Р. И. Эстеркин, А. С. Иссерлин,
М. И. Певзнер. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Недра, 1981. – 424 с.
13. Ахмедов Р. Б. Математическое планирование эксперимента при исследовании газогорелочных устройств / Р. Б. Ахмедов, Д. А. Нуралиев, Н. Т. Токбаев и др. // Теория и практика сжигания газа. VI. – Л.: Недра. Ленинградское
отделение, 1967. –С. 264–271.
14. Хартман К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. – М.: Мир, 1977. – 552 с.
15. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник /
Е. В. Аметистов, В. А. Григорьев, Б. Т. Емцев и др.; под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. – М.: Энергоиздат, 1982. – 512 с.
16. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы /
В. П. Преображенский. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1978. – 660 с.
17. Торговников Б. М. Проектирование промышленной вентиляции: справочник / Б. М. Торговников, В. Е. Табачник, Е. М. Ефанов. – Киев: Будiвельник,
1983. – 256 с.
18. Граменицкий В. Н. Грузопоршневые измерительные приборы, манометры / В. Н. Граменицкий. – М.: Изд-во стандартов, 1973. – 144 с.
19. Сергеев А. В. Тепломеханическое оборудование котельных. Пособие
для персонала котельных / А. В. Сергеев. – СПб.: ДЕАН, 2002. – 256 с.
20. Гонек Н. Ф. Манометры / Н. Ф. Гонек. – Л.: Машиностроение. Ленингр.
отд., 1979. – 176 с.
21. Осипович Л. А. Датчики физических величин / Л. А. Осипович. – М.:
Машиностроение, 1979. – 159 с.
22. Полупроводниковые тензодатчики; под ред. М. Дина. – М.; Л.: Энергия, 1985. – 213 с.
23. Авдонин Е. Неон: как измерить пустоту // Вывески Реклама
OUTDOOR. – М.: Издательство «ООО Бизнес Медиа Коммуникации». –
2004. – № 10.
24. Стариковская С. М. Физические методы исследования. Семинарские
занятия: учеб. пособие / С. М. Стариковская. – М.: Изд-во МФТИ, 2005. – 50 с.
25. Физические измерения в газовой динамике и при горении / пер. с англ.;
под ред. Ю. Ф. Дитякина. Ч. 1–2. – М.: Изд-во иностр. лит., 1957. – 483 с.
26. Санитарно-гигиенический контроль систем вентиляции производственных помещений: метод. указ. (утв. Минздравом СССР 05.09.1987 № 4425–87). –
М.: Информационно-издательский центр Минздрава России, 1986. – 14 с.
27. Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей
и измельченных материалов / П. А. Коузов. – 2-е изд. – Л.: Химия, 1974. – 280 с.
28. Клименко А. П. Непрерывный контроль концентрации пыли /
А. П. Клименко, В. И. Королев, В. И. Шевцов. – Киев: Техніка, 1980. – 181 c.
29. Янковский С. С. Оптикоэлектронные методы изучения аэрозолей /
С. С. Янковский, Н. Г. Булгакова. – М., 1981.
30. Янковский С. С. Средства контроля запыленности газовых потоков
в промышленных условиях / С. С. Янковский. – М., 1985.
31. Сажин Б. С. Средства измерения массы и дисперсного состава частиц,
взвешенных в газовом потоке / Б. С. Сажин, С. С. Янковский. – М., 1990.
32. Горлин С. М. Аэромеханические измерения / С. М. Горлин, И. И. Слезингер. – М.: Наука, 1964. – 720 с.
33. Попов С. Г. Измерение воздушных потоков / С. Г. Попов. – М.; Л.: Гостехиздат, 1947. – 296 с.
420
421
Рекомендуемая литература
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
Рекомендуемая литература
34. Измерения в промышленности: справ. изд. в трех кн. Кн. 3. Способы
измерения и аппаратура / под ред. П. Профоса; пер. с нем. – 2-е изд., перераб.
и доп. – М.: Металлургия, 1990. – 344 с.
35. Попов M. M. Термометрия и калориметрия / M. M. Попов. – 2-е изд. –
M.: Издательство МГУ, 1954. – 942 с.
36. Скуратов С. M. Термохимия / С. M. Скуратов, В. П. Колесов,
А. Ф. Воробьев. – M.: Издательство МГУ, 1966. – Ч. 1. – 301 с.; ч. 2. – 433 с.
37. Кальве Э. Микрокалориметрия / Э. Кальве, А. Прат; пер. с франц.; под
ред. Л. А. Николаева, К. П. Мищенко. – М.: Издательство иностр. лит-ры, 1963.
– 477 с.
51. ГОСТ 12.1.005–88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования
к воздуху рабочей зоны. – М.: Изд-во стандартов, 1988.
52. ГОСТ 26629–85. Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций. – М.: Стройиздат, 1985.
53. ГОСТ 30494–96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. – М.: Стройиздат, 1996.
54. ГОСТ 31166–2003. Конструкции ограждающие зданий и сооружений.
Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи. – М.:
Стройиздат, 2003.
55. ГОСТ 31167–2003. Здания и сооружения. Методы определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций в натурных условиях. – М.: Стройиздат, 2003.
56. ГОСТ 31168–2003. Здания жилые. Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление. – М.: Стройиздат, 2003.
57. ГОСТ 8.207–76 ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. – М.:
Стройиздат, 1976.
58. ГОСТ 7025–91. Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы
определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости. – М.:
Стройиздат, 1991.
59. ГОСТ 7076–99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. – М.: Стройиздат, 1999.
60. ГОСТ 10499–95. Изделия теплоизоляционные из стеклянного штапельного волокна. Технические условия. – М.: Стройиздат, 1995.
61. ГОСТ 16381–77. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация и общие технические требования. – М.: Стройиздат, 1977.
62. ГОСТ 17177–94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний. – М.: Стройиздат, 1994.
63. ГОСТ 20916–87. Плиты теплоизоляционные из пенопласта на основе
резольных фенолформальдегидных смол. Технические условия. – М.: Стройиздат, 1987.
64. ГОСТ 23250–78. Материалы строительные. Метод определения удельной теплоемкости. – М.: Стройиздат, 1978.
65. ГОСТ 24816–81. Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности. – М.: Стройиздат, 1981.
66. ГОСТ 25380–82. Здания и сооружения. Метод измерения плотности
тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции. – М.: Стройиздат, 1982.
67. ГОСТ 26253–84. Здания и сооружения. Метод определения теплоустойчивости ограждающих конструкций. – М.: Стройиздат, 1984.
68. ГОСТ 26254–84. Здания и сооружения. Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. – М.: Стройиздат, 1984.
69. ГОСТ 12.3.018–79. Системы вентиляционные. Методы аэродинамичес-
422
423
∗∗∗
38. СНиП 2.09.04–87*. Административные и бытовые здания. – М.: Стройиздат, 1989.
39. СНиП 2.11.02–87. Холодильники. – М.: Стройиздат, 1987.
40. СНиП 23-01–99*. Строительная климатология и геофизика. – М.: Стройиздат, 2003.
41. СНиП 31-05–2003. Общественные здания административного назначения. – М.: Стройиздат, 2003.
42. СНиП 41-01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. – М.:
Стройиздат, 2003.
43. СанПиН 2.1.2.1002–2000. Санитарно-эпидемиологические требования
к жилым зданиям и помещениям. – М.: Инф.-издат. центр Минздрава России,
2000.
44. СанПиН 2.2.4.548–96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. – М.: Инф.-издат. центр Минздрава России, 1996.
45. СНиП 23-05–95. Естественное и искусственное освещение. – М.: Стройиздат, 1995.
46. СНиП 2.04.14–88*. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. –
М.: Стройиздат, 2003.
47. СНиП 2.08.01–89*. Жилые здания. Параметры микроклимата в помещениях жилых домов. – М.: Стройиздат, 2003.
48. СНиП II-3–79*. Строительная теплотехника. – М.: Стройиздат, 1987.
49. СНиП 23-02–2003. Тепловая защита зданий. – М.: Стройиздат, 2003.
50. СП 23-101–2000. Проектирование тепловой защиты зданий. – М.:
Стройиздат, 2001.
∗∗∗
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
ких испытаний. – М.: Стройиздат, 1979.
70. ГОСТ 17.2.4.06–90. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения. – М.: Издво стандартов, 1990.
∗∗∗
71. www.mgn.ru
72. www.kipstory.ru/pribori/razvitie
73. www.pribor-komplekt.ru
74. www.ardis.hi-edu.ru
75. www.signweb.ru
76. www.vacuumoil.ru
77. www.alhimik.ru
78. www.stroyler.ru
79. www.novsu.ru
80. www.omar.ru
81. www.cultinfo.ru
82. www.engineeringsystems.ru
83. www.pravo.levonevsky.org/baza/soviet/sssr1880.htm
84. www.velaspb.ru
85. www.rida-s.ru
86. www.base.safework.ru
87. www.vashdom.ru
88. www.xumuk.ru
89. www.pro-manometr.ru
90. www.energosila.ru
91. www.komoloff.ru
92. www.laninst.com
93. www.labsp.ru
94. www.etalon-servis.ru
95. www.energotest.ru
96. www.sick-rus.ru
97. www.optex.co.jp
98. www.chem.msu.su
99. www.granat-e.spb.ru
100. www.optec.ru
101. www.wikipedia.ru
102. www.zetlab.ru
103. www.sigmausb.ru
104. www.zetms.ru
424
Рекомендуемая литература
105.
106.
107.
108.
109.
110.
111.
112.
113.
www.omsketalon.ru
www.ecounit.ru
www.atmosfera-npk.ru
www.aquabar.ru
www.laborkomplekt.ru
www.pribor.ru
www.algoritm.ru
www.lab-instruments.ru
www.belprompribor.ru
425
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
Учебное издание
Бирюзова Елена Александровна
Ломакина Любовь Сергеевна
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
СИСТЕМ ТГС
Учебное пособие
Редактор В. А. Преснова
Корректоры М. А. Котова, К. И. Бойкова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 28.12.10. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 25,1. Тираж 200 экз. Заказ 155. «С» 128.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
426
427
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
428
429
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
430
431
Методы экспериментальных исследований систем ТГС
432
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
62 789 Кб
Теги
eksperimente, metod, lomakina, biryuzova, issled2010
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа