Специальные средства измерения

При режимной наладке и ис­пытании теплотехнического обо­рудования приходится измерять расход, скорость, давление, тем­пературу и состав продуктов го­рения и газообразного топлива, тепловой поток и другие вели­чины, характеризующие протека­ние физических процессов. Кро­ме стандартных приборов и ме­тодов, применяются специальные средства и методы измерений.

Для измерения расхода жидкостей (при расходах до 3 т/ч) и тарировки сужающих устройств при испытании могут приме­няться мерные баки. На рис. 10-1 показана схема двухкамер­ного бака с тарировочным устройством. Мерный бак состоит из двух камер 2 и 6, разделенных перегородкой 5. Жидкость через сливное отверстие //, закрываемое клапаном, поступает в расходный бак 12. Камеры мерного бака и расходный бак имеют указатели уровня /, 10, 13. Для стабилизации уровня в каждой камере установлены успокоители 3 и 7, позволяющие произвести отсчет. Поступление жидкости в камеры мерного бака осуществляется по перекидному лотку 4. Для тарировки мерного бака на весы 9 устанавливается тарировочный бак 8. Для измерения расхода воды открытые мерные баки можно применять при температуре воды не более 40 — 45 °С. При та­рировке и измерении расхода воды следует вводить поправку на ее испарение. При определении расхода жидкости и тари­ровке для введения температурных поправок необходимо изме-

рять температуру жидкости в мерном баке и около средней ча­сти указательного стекла.

Массовый расход жидкости (в кг/ч)

Л

где р_и, р_т — плотность жидкости при измерении и тарировке, кг/м³; Pi — температурный Коэффициент материала бака (для стали |3i = 12-10-⁶ К^-1); Рг — то же для материала шкалы водоуказательного стекла (для шкалы из латуни р₂ = 19 -10—⁶ Кг¹); ТУ ТУ — температура жидкости при измерении в баке и около средней части указательного стекла, К; Тт, ТУ — темпе­ратура жидкости при тарировке в баке и около средней части указательного стекла, К; G_M' — массовый расход жидкости с поправкой на испарение, кг/ч.

При измерении расхода жидкого топлива его плотность оп­ределяется ареометром, весами Вестфаля или пикнометром при температуре 293 К- Приведение плотности (в кг/м³) к тем­пературе, отличающейся от 293 К, производится по формулам:

где р— температурный коэффициент, принимаемый из табл. 10-1.

Для измерения расходов при испытании широко применя­ются дроссельные расходомеры, состоящие из стандартного сужающего устройства и дифференциального манометра. Изго­товление и установка стандартных сужающих устройств (диаф­рагм и сопл) регламентировано «Правилами 28-64». В усло­виях испытаний не всегда имеется возможность выполнить требования этих «Правил». Диафрагмы, выполненные с отступ­лением от «Правил», требуют специальной градуировки. Для

использования градуировочных кривых при измерении потоков в условиях, отличающихся от условий, при которых произво­дилась градуировка (состав, температура, давление), приме­няют методику обобщенной градуировки. Она основана на за­висимости EuRe² = f(Re). Эта зависимость представляет собой обобщенную связь между перепадом давления на диафрагме и средней скоростью потока:

где Ар — перепад давления на диафрагме, Па; d — диаметр дроссельного отверстия диафрагмы, м; р — плотность среды, кг/м³; v — кинематическая вязкость, м²/с; а>_ор — средняя ско­рость потока, м/с.

Градуировку можно выполнить на любой среде, однако чаще всего ее производят на воздухе или воде. В качестве примера на рис. 10-2 показана градуировка на воде. Результаты первич­ной градуировки обычно сводят в таблицу (табл. 10-2). Граду­ировку следует производить при практически постоянной тем­пературе среды (отклонение от средней температуры не более

±2 °С). Для контроля качества градуировки строят зависи­мость перепада давления Ар от расхода G₀. То, что все экспе­риментальные точки, полученные при градуировке, ложатся на одну кривую, указывает на удовлетворительное качество гра­дуировки. Затем составляют вспомогательную таблицу

(табл. 10-3) для различной температуры среды (или давления,

или температуры и давления одновременно), которую будут измерять градуированной диафрагмой.

Используя столбцы 7 и 9 из табл. 10-2 и столбцы 5 и 6 из табл. 10-3, для каждой температуры составляют таблицы по типу табл. 10-4. По данным таких таблиц строится зависимость перепада давления на диафрагме от расхода для каждой по-

размеров). Поэтому такой метод применяют при температуре среды не более 400 °С. Для проверки данных, полученных в табл. 10-4, обычно строят зависимость EuRe² = f(Re), исполь-

зуя величины, приведенные в столбцах 8 и 9 табл. 10-2. Все точки указанной зависимости должны ложиться на одну кри­вую, как показано на рис. 10-4.

В ходе испытания теплотехнического оборудования часто бывает необходимо измерять скорости и давления в различных точках движущегося потока. Для этого применяют различные пневматические зонды. Измерения посредством зондов осно­ваны на определении давления на поверхности зонда, установ-

Рис. 10-5. Пневмометрическая трубка и схема ее установки

/ — воздухопровод; 2 — пневмометрическая трубка; 3 — канал для измерения полного давления; 4 — канал для измерения статического давления; 5 — канал для отвода ста­тического напора; 6 — канал для отвода полного напора; 7 — кольцо для установки пневмометрической трубки; 8 — разрезной сальник; 9 — резиновый шланг; 10 — тройник; 11— U-образный манометр; 12 — микроманометр

ленного в различных точках потока. Зонды выполняются в виде трубок, а также цилиндрических или шаровых насадков. Для измерения скоростного и статического напора одномерного потока чаще всего применяют пневмометрическую трубку с по­лусферической головкой (трубка Прандтля), показанную на рис. 10-5. Трубка Прандтля состоит из полусферического на­садка с двумя каналами; один канал направлен навстречу потоку, а второй перпендикулярно ему. Каждый канал через дер­жавку выведен отдельно. Канал полусферического насадка, на­правленный навстречу потоку, предназначен для измерения полного давления, и вывод его обозначен знаком плюс. Канал, расположенный перпендикулярно потоку, предназначен для из­мерения статического давления, и вывод его обозначен знаком минус. Для измерения скорости потока в месте установки трубки каналы ее резиновым шлангом соединяют с соответст­вующими штуцерами микроманометра и, кроме того, канал, из­меряющий статическое давление, соединяют через тройник с U-образным манометром. Микроманометр измеряет разность полного и статического давления, а U-образный манометр — статическое давление. Разность полного и статического напора представляет собой скоростной напор (динамический напор), по которому подсчитывается скорость (в м/с) в месте уста­новки трубки:

где Кр_г—тарировочный коэффициент трубки Прандтля; при тщательном ее изготовлении в соответствии с рекомендованными в специальной литературе соотношениями он близок к единице; йд — динамический напор, Па; р — плотность среды измеряе­мого потока, кг/м³; р_м—плотность жидкости, которой заполнен микроманометр, кг/м³; А — показания микроманометра при из­мерении, мм; ао — начальное показание микроманометра, мм; а — угол наклона трубки микроманометра к горизонтали; обычно sin а называют масштабом микроманометра и указы­вают в паспорте или на шкале прибора для каждого угла на­клона трубки.

При измерении трубкой Прандтля необходимо следить за правильностью ее установки. Полусферический насадок трубки должен быть направлен навстречу потоку параллельно его оси. Угол смещения трубки относительно оси потока не должен пре­вышать 15°. Для определения направления и скорости двумер­ного потока применяются цилиндрические зонды, а трехмер­ного — шаровые зонды. Однако измерение посредством ци­линдрических и шаровых зондов в эксплуатационных условиях сложно, поэтому они применяются только при исследованиях. Описание цилиндрических и шаровых зондов, *а также мето­дика измерений приведены в специальной литературе*.

Для определения средней скорости потока необходимо выя­вить средний динамический напор по сечению. Для этого сече­ние трубопровода разбивают на равновеликие площадки. Круг-

* Эстеркин Р. И., Иссерлин А. С, Певзнер М. И. Методы теплотехниче­ских измерений и испытаний при сжигании газа и мазута. 2-е изд. Л.: Недра, 198

лое сечение разбивают на равновеликие кольца, прямоуголь­ное— на квадраты или прямоугольник с длиной стороны 150— 200 мм. Число колец, на которое разбивается круглое сечение, зависит от диаметра трубопровода. Трубопроводы диаметром от 300 до 1000 мм разбивают соответственно на 6 —16 колец. В круглом трубопроводе измерения динамического напора про­изводят по одному из диаметров, в каждом кольце в двух точ­ках, "расположенных симметрично по обе стороны от центра трубопровода.

Расстояние точки замера в каждом кольце от центра тру­бопровода (в мм)

Точность измерений трубкой Прандтля среднего динамиче­ского напора в значительной мере зависит от расположения сечения, в котором производятся измерения, по отношению к различным местным сопротивлениям (повороты, шиберы, вне­запные изменения сечения и др.). Сечение, в котором произво­дится измерение, должно быть расположено на прямом участке длиной около четырех диаметров трубопровода (два диаметра до места установки трубки и два за ним). Перед измерениями следует проверить плотность микроманометра и соединитель­ных линий. Для этого поочередно подключают каждую из ли­ний к микроманометру и, создавая в них давление (или разре­жение), пережимают соединительный шланг возможно ближе к трубке Прандтля. Если в течение 2—3 мин показания микро­манометра останутся неизменными, соединительная линия и микроманометр герметичны. В спирте, залитом в микромано­метр, не должно быть пузырьков воздуха. Удаление пузырьков достигается перемещением спирта взад и вперед по наклонной трубке микроманометра (12 на рис. 10-5). Перед началом из­мерений следует также проследить, чтобы в соединительных линиях не было капелек воды или спирта.

При наладке и испытании теплотехнического оборудования необходимо измерение температуры различных потоков. Кроме приборов, выпускаемых промышленностью, при отдельных из­мерениях приходится применять нестандартные приборы, пред­назначенные для измерения высоких температур, температур газового потока, твердого тела, факела и т. д. Для указанных целей широко применяются термопреобразователи, конструи­руемые и изготовляемые персоналом наладочной организации. При конструировании и изготовлении нестандартных термопре­образователей необходимо выбрать термоэлектроды и термо­электродные провода, их изоляцию, вторичный прибор и изго­товить рабочий спай. В настоящее время в различных наладоч­ных организациях и институтах накоплен опыт применения нестандартных термопреобразователей для разных измерений.

При измерении температур в твердом теле применяют тер­мопреобразователи, изготовленные из проволоки диаметром 0,1—0,2 мм. Для измерения температуры поверхности металла, обогреваемого с одной стороны и охлаждаемого с другой (раз­личные теплообменные аппараты, экранные трубы паровых котлов, поверхности нагрева бойлеров и других подогревате­лей или охладителей жидкости), установку термопреобразова­теля производят посредством его зачеканки или приварки. Для этого на поверхности металла делают канавку глубиной 0,5— 0,6 мм и длиной не менее 50 диаметров термоэлектрода. Укла­дывая термопреобразователь в заготовленную канавку, изоли­руют его термоэлектроды тонкой слюдой или зубным цементом. Затем сверху канавку закрывают пластинкой, изготовленной из материала стенки. Для плотного примыкания пластинки к телу ее зачеканивают или приваривают.

При измерении термопреобразователями температур не­загрязненных продуктов горения, горячего воздуха, кислорода и других «чистых» газов возможны погрешности, обусловлен­ные передачей тепла к термоприемнику или от него за счет излучения; отводом тепла от термоприемника путем теплопро­водности; превращением кинетической энергии в тепловую вследствие торможения потока термоприемником (скоростная погрешность).

где 5,69 — постоянная излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²-К⁴); е — степень черноты спая; Т_сп — температура спая термопреобразователя, К; Тст—-температура стенки канала, по которому движется поток, К; φ_к — коэффициент теплоотдачи конвекцией от потока к термопреобразователю, Вт/(м²-К). Из этого уравнения ясно, что для уменьшения погрешности сле­дует увеличивать температуру стенки (Т_ст) и коэффициент теп­лоотдачи конвекцией (φ_к) или уменьшать степень черноты (е). Увеличение температуры стенки достигается путем ее тщатель­ной изоляции в месте производства измерений (на длине, при­мерно равной трем диаметрам трубопровода в обе стороны от термопары). Уменьшение степени черноты термопреобразова­теля довольно затруднительно, так как для стандартных тер­моэлектродов ε = 0,8-f-0,93. Для уменьшения степени черноты рекомендуется покрывать спай и прилегающие к нему элек-

троды металлами, имеющими малую степень черноты (серебро, золото, платина). Однако этот прием при наладочных испыта­ниях не применяется. Чаще всего для уменьшения радиацион­ной погрешности устанавливают между термопреобразователем и стенкой камеры защитные экраны, отсасывая через них по­ток с большими скоростями, что приводит к заметному повы­шению коэффициента теплоотдачи конвекцией. Термоприем­ники, использующие этот принцип, принято называть отсасы­вающими пирометрами.

На рис. 10-6 показан двухканальный отсасывающий пиро­метр, рекомендуемый для измерения температуры до 1400 °С в незапыленных газовых потоках.

Снижение погрешности, обусловленной отводом тепла от термоприемника, достигается увеличением длины рабочего участка термопары. Во избежание заметной скоростной по­грешности скорость отсоса потока у горячего спая термопары не должна превышать 150 м/с.

10-3. ПОНЯТИЕ О ПРИРОДЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОШИБОК

В процессе наладочных работ и эксплуатации теплотехни­ческого оборудования приходится измерять различные вели­чины (температуру, расход, состав продуктов горения и т. д.). При измерении любой величины мы никогда не получаем ее истинного значения, так как результаты любых измерений со­держат погрешность. В результате измерений удается получить лишь приближенное значение измеряемой величины. Под из­мерением понимают сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения.

При наладке и испытании теплотехнического оборудования выполняют прямые и косвенные измерения. При прямых изме­рениях определяемая величина сравнивается с единицей изме­рения непосредственно или при помощи измерительного при­бора, например при измерении длины линейкой, промежутков времени секундомером, температуры каким-либо термоприем­ником. При косвенных измерениях определяемая величина вы­числяется на основании прямых измерений, например потеря тепла с уходящими газами определяется по измеренной темпе­ратуре и составу уходящих газов.

При различных экспериментальных работах очень важно правильно выбрать класс точности используемых измеритель­ных приборов. Под точностью прибора понимают его свойство, характеризующее степень приближения показаний данного прибора к действительным значениям измеряемой величины. Обычно точность прибора задается классом точности прибора или указывается в его паспорте. Очевидно, что чем точнее прибор, тем меньше его погрешность и выше стоимость. Поэтому при планировании экспериментальных работ и выборе прибо-

ров для их выполнения анализ ошибок должен быть на пер­вом плане.

При измерении любой физической величины обычно прихо­дится выполнять следующие операции: проверку и установку . приборов, отсчет их показаний, обработку результатов измере­ний и оценку погрешности.

Погрешности измерений определяются разностью измерен­ной и истинной величин и зависят от ряда причин. Погрешно­сти разделяются на две группы: систематические и случайные (погрешности, вызванные неисправностью прибора или не­брежностью экспериментатора, не рассматриваются).

Систематические погрешности обусловлены ограниченной точностью прибора, неправильным выбором метода измерения, неправильной установкой прибора или недоучетом некоторых внешних факторов, например теплообмена калориметра с внеш­ней средой при определении теплоты сгорания топлива. Таким образом, систематическая погрешность наблюдается в тех слу­чаях, когда среднее значение последовательных отсчетов от­клоняется от известного точного значения и продолжает от­клоняться независимо от числа последовательных отсчетов. Пусть, например, при измерении частоты вращения электро­двигателя среднее значение получилось равным 950 об/мин, а эталонное значение или значение, полученное при калибровке тахометра, 1000 об/мин. Из этих данных можно сделать вывод, что тахометр неточен, даже если при измерении был малый разброс показаний. Определение систематической погрешности может быть произведено калибровкой прибора или его по­веркой.

Случайные погрешности обусловлены большим числом раз­личных случайных причин и имеют место, когда при последо­вательных измерениях постоянной величины получают различ­ные численные значения этой величины. Случайные погрешно­сти вызываются вибрацией, незначительным движением воздуха, явлением параллакса и т. д. Погрешность от параллакса про­является при неточном расположении глаз наблюдателя по от­ношению к шкале или указателю прибора (или уровню рабо­чей жидкости прибора). Случайную погрешность, даже если известно, что она имеется, никогда нельзя исключить и опре­делить ее абсолютное значение по одному измерению. Однако математическая теория случайных явлений позволяет умень­шить влияние этих погрешностей и разумно установить их зна­чение.

При экспериментальных работах следует учитывать, что если случайная погрешность, полученная по данным измере­ний, окажется значительно меньше погрешности, определяемой точностью прибора, то нет смысла пытаться еще уменьшить случайную погрешность, так как результаты измерений от этого не станут точнее. Наоборот, если случайная погрешность больше приборной (систематической), то измерения следует

произвести несколько раз, чтобы уменьшить случайную по­грешность данной серии измерений и сделать эту погрешность меньше погрешности прибора или одного порядка с ней.

Существенным этапом любых экспериментов является пер­вичная обработка результатов наблюдений, которая состоит в разметке результатов наблюдений и определении средних значений параметров, измеренных в течение опыта. Целью раз­метки является обнаружение и исключение ошибочных изме­рений или измерений, которые вызывают сомнения. Редкий эксперимент обходится без того, чтобы не появилось хотя бы одно резко выделяющееся значение. Наличие такой грубой по­грешности (промаха) может заметно исказить среднее значе­ние измеряемой величины. Поэтому из окончательного резуль­тата необходимо этот промах исключить. Обычно промах имеет значение, резко отличающееся от других. Однако это отклоне­ние от других результатов измерений не дает еще права ис­ключить это измерение, пока не проверено, не является ли это отклонение следствием статистического разброса.

Для выявления промахов применяется критерий

где а_п — наибольшее значение измеренной величины в серии Из п измерений; а — среднее значение измеренной величины в серии из п измерений; ∆S_n² — выборочная дисперсия (ко­рень квадратный из выборочной дисперсии определяет сред­нюю квадратическую погрешность отдельного измерения). Выборочная дисперсия определяется уравнением

где п — число измерений.

В табл. 10-5 приведены максимальные возможные значения критерия v, возникающие вследствие статистического разброса, соответствующие заданной надежности. Из таблицы ясно, что вероятность больших отклонений, возникающих вследствие ста­тистического разброса, растет при увеличении числа измерений.

Если значение критерия v, подсчитанного для резко выде­ляющегося измерения, окажется больше максимального воз­можного оэмак, определенного из табл. 10-5, то данное измере­ние можно считать промахом и следует исключить при под­счете среднего значения. Наоборот, если υ<_мак, то резко выделяющееся измерение является следствием статистического разброса и нет основания считать его промахом. В этом случае оно не исключается при подсчете среднего значения.

Методику выявления промаха рассмотрим на конкретном примере. Пусть в результате анализа продуктов горения полу­чены значения R0₂, указанные во втором столбце следующей таблицы.

Из табл. 10-5 находим для n = Q и надежности р = 0,95 зна­чение т;мак=2,00. Ясно, что ■и₅>'и_Мак- Это означает, что пятое измерение (R0₂= 11,0) является промахом и его следует ис­ключить при подсчете среднего значения. Таким образом, сред­нее значение RO2 будет 51,5 : 5= 10,3.

Аналогично описанному исключаются из подсчета среднего заниженные значения из серии измерений. При этом использу­ется критерий:

После разметки результатов наблюдений производится под­счет средних значений измеренных параметров. При вычисле­нии среднего арифметического какого-либо параметра не тре­буется суммировать все результаты измерений. Для облегче­ния расчетов пользуются преобразованным уравнением для определения среднего арифметического

где а₀ — произвольное число, близкое к среднему арифметиче­скому значению; Х₁, х₂, х₃, ..., х_п — результаты, полученные при измерении; п — число измерений.

Для примера рассмотрим, как производится подсчет сред­ней температуры (в °С) продуктов горения за котлом по дан­ным измерений (табл. 10-6). Из данных значений х видно, что первые две цифры во всех отсчетах одинаковы, от измерения к измерению меняется только последняя цифра. В связи с этим при подсчете среднего арифметического первые две цифры можно не принимать во внимание, учитывая их только в конеч­ном результате. Последняя цифра значения х в таблице обо­значена а. Эти цифры можно рассматривать как результат

измерения температуры (х) и для них провести вычисления. Из данных а выбираем приблизительно число, близкое к сред­нему арифметическому (допустим а₀= 5). Затем подсчитываем разность последней цифры измеренной температуры и принятого среднего арифметического, т. е. аi—а₀. Сумму аi—а₀ для всех измерений легко подсчитать и затем определить среднее ариф­метическое, которое в примере равно 4,5 (см. ниже). Очевидно, что среднее арифметическое измеренной температуры составит 314,5 °С. Для контроля над правильностью вычислений следует выбрать из данных а другое число, близкое к среднему ариф­метическому (ранее было выбрано число 5, а теперь выберем число 2). Для этого случая в таблице приведена разность аi—а'о, а внизу — сумма разностей для всех измерений. Если вы­числения верны, то среднее арифметическое в обоих случаях, разумеется, получится одним и тем же при использовании аi—а₀ и аi —а'₀. Описанные вычисления имеют вид

При обработке результатов испытаний необходимо оценить точность, с которой следует производить подсчеты. Числовой

материал должен обрабатываться с точностью, соответствую­щей точности произведенных измерений. При расчетах следует придерживаться такого правила: ошибка, получающаяся при расчетах, должна быть примерно в 10 раз меньше суммарной ошибки результатов измерений.

Значащие цифры несут информацию об измеренных пара­метрах, поэтому число десятичных знаков должно соответст­вовать точности измерений. Если, например, измеренное избы­точное давление в сосуде составило 5,3 МПа, т. е. известны две значащие цифры, то этот факт не изменится при записи 5 300 000 Па. Однако при такой записи возможна путаница, так как можно подумать, что давление измерено с точностью до седьмого знака. Во избежание недоразумения следует запи­сать 53-10⁵ Па.

Точность подсчета средних величин, наиболее часто встре­чающихся при испытании котельных установок, указана ниже:

Расход газа по счетчику или расходомеру, м³.................................................... 0,1

Перепад давления по дифференциальному манометру при измерении

расхода газа, пара, питательной воды, Па....................................................... 14,0

Давление пара, Па.................................................... ,............................................ 1000

Температура пара, питательной воды, газа и воздуха, °С.................................. 0,1

Состав продуктов горения, %.............................................................................. 0,01

Давление газа и воздуха, разрежение по газовому тракту, сопро­тивлению отдельных элементов газового и воздушных трактов,

Па.......................................................................... » . . ».................................. 1,0

Динамический напор при измерении пневмометрическими трубками,

соединенными с микроманометром, Па . . . . ;.......................................... 0,1

Перепад давлений при измерении диафрагмами, соединенными с
микроманометром, Па , . ,......................................... , , , ,....................... 0,1