Градуировка сужающего устройства.

Для сужающего устройства градуировка заключается в нахождении коэффициента расхода и его зависимости от числа Рейнольдса.

Оценка погрешности для коэффициента расхода позволит установить, является ли зависимость от числа Рейнольдса значимой в выбранном диапазоне расхода.

В опытах градуировочные значения расхода устанавливаются по разности уровней воды  в трубках стеклянного дифманометра. Минимальное значение  должно быть не менее 100 мм, а максимальное ограничивается только размахом шкалы дифманометра. В этом диапазоне требуется получить не менее пяти опытных точек с разными значениями расхода.

Перепад давления на диафрагме рассчитывается по формуле

                           ,                                  (1.4)

где   – перепад давления, Па;

– разность уровней воды в трубках дифманометра, м;

– ускорение свободного падения, м/с²;

,  – плотности воды и воздуха в дифманометре, кг/м³.

Коэффициент расхода и его зависимость от числа Рейнольдса определяются на основе формул (1.1) – (1.4).

Во всех формулах, кроме (1.4), теплофизические свойства воды следует брать при температуре потока в расходомерах. При расчете перепада давления по формуле (1.4) значения плотности воды и воздуха следует брать при температуре окружающей среды.

Температура воды, протекающей в расходомерах и температура окружающей среды измеряются в конце работы.

Данные по градуировке сужающего устройства заносятся в табл. 1.2.

 

                                                                               Т а б л и ц а   1.2

Данные по градуировке сужающего устройства

№ опыта	, кг	, с	h1, м	h 2, м	, Па
1 2 …

 

Градуировка ротаметра.

Для ротаметра градуировка заключается в построении таблицы расхода по фиксированным отметкам шкалы при той температуре воды, какая установилась в период проведения работы.

Сравнение с заводской градуировкой (выполненной при температуре 18 °С) позволит определить соответствие прибора своему классу точности по основной и дополнительной погрешности измерений.

В опытах градуировочные значения расхода устанавливаются по тем же отметкам шкалы ротаметра, что приняты для заводской градуировки (см. табл. 1.1). Данные по градуировке ротаметра заносятся в табл. 1.3.

 

                                                                               Т а б л и ц а 1.3

Данные по градуировке ротаметра

Отметка шкалы	0	20	40	60	80	100
, кг
, с
Объемный расход , л/ч

 

Объемный расход рассчитывается по формуле .

Заметим, что для сравнения с заводской градуировкой объемный расход в табл. 1.3 надо перевести в единицы измерения л/ч.

 

1.5 Содержание отчета

· Привести краткое описание схем и принципов работы сужающего устройства и ротаметра.

· Привести протокол опытных данных и результаты их обработки.

· Для сужающего устройства привести таблицу градуировки и график зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса. Оценить погрешность измерения коэффициента расхода.

· Для ротаметра привести таблицу градуировки. Оценить погрешность в сравнении с заводской градуировкой. Определить соответствие прибора своему классу точности по основной и дополнительной погрешности измерений.

· Для ротаметра на основе таблицы градуировки построить график зависимости расхода от значений отметок условной шкалы. Оценить погрешность при аппроксимации графика линейной зависимостью.

 

1.6 Контрольные вопросы

· Каков принцип измерения расхода жидкости с помощью сужающего устройства?

· Что такое стандартное сужающее устройство?

· Каков принцип работы ротаметра?

· В чем заключается весовой способ измерения расхода жидкости?

_______________________________

 

 

Курс ЭМИ

Введение

Курс ЭМИ связан с рядом научных технических задач, в том числе рассчитан на обеспечение некоторого вида инженерной деятельности. Для пояснения этой деятельности рассмотрим техническое устройство (экспериментальная установка, технологическая линия), которая:

а) состоит из нескольких блоков (Блок 1, Блок 2 и др. – Рис. 1),

б) содержит циркулирующее рабочее тело,

в) содержит средства измерения, которые служат для определения свойств рабочего тела (Р - давление, Т – температура и др.); свойства (Р, Т...) меняют свои значения при переходе от блока к блоку.            

Рис. 1. Техническое устройство и средства измерения

Квадраты – средства измерения (СИ) для определения значений свойств ({ T_i, P_i }, C, G, Х);

Р.Т. – рабочее тело, Блок 1, Блок 2 и т.д. – части установки.

 

Рассмотрим техническую задачу 1, которая стоит перед оператором (инженер, исследователь, Рис. 1), работающим с техническим устройством (экспериментальная установка, технологическая линия) (Рис. 1) и снимающим показания СИ. В техническом устройстве циркулирует рабочее тело (вещество, техническая среда). Задача 1 имеет следующее содержание: оператору нужно получить информацию о свойствах, Q, рабочего тела экспериментальным путем. Этими свойствами являются

Q = (T, P, C, G, Х....),

где Т – температура, Р – давление, С – концентрация компонентов, состав, G - расход рабочего тела, Х – некоторое свойство.

Введем параметр A, который представляет сбой действительное значение теплофизического свойства Q, относящегося к рабочему телу (вещество, рабочая среда). Для установки (Рис. 1) оператор фиксирует (A_i) - числа для свойств Q = (T_i, P_i, C_i … Х _i …) рабочего тела, среди которых находятся параметры состояния (T_i, P_i,) для свойства Х (например, Х = ρ, здесь ρ – плотность рабочего тела).

Подчеркнем определения и термины:

а) рабочее тело (Р.Т.) (исследуемое вещество, рабочая среда, …)

б) свойства, Q, среди них Q = (T, P, C, G, λ (теплопроводность) …),

в) значение свойства A,

г) измерение свойства, Q, экспериментальный путь определения Q,

д) средства измерения (датчики, измерительные приборы, преобразователи …).

В общем случае этапы решения задачи 1 (измерить величину, А, для свойства Q) включают:

а) выбор метода измерения или исследования заданного свойства, Q,

 б) выбор средства измерения или аппаратурного воплощения метода измерения,

 в) измерение свойства Q, то есть определение численного значения, A, при взаимодействии рабочего тела с блоками/деталями CИ, то есть установление численной связи

Q A.                                             (1)

 

Операция (1) осуществляется в соответствии с некоторым методом измерения или экспериментальным методом исследования.

Подчеркнем упомянутые определения и термины:

1) метод исследования или измерения,

2) средства измерения:

а) датчик (первичный прибор, преобразователь),

б) вторичный прибор,

в) измеритель

Выбор метода относится к теоретической части решения задачи. Метод тесно связан с физическими явлениями и процессами, которые происходят в зоне контакта (К) при взаимодействии СИ и Р.Т.

2.09.19 Модернизированная схема экспериментальной установки, включающая экспериментальную установку, средства измерения и средства автоматизации измерений, представлена на Рис. 2. 

Рис. 2. Схема экспериментальной установки, средств измерения и средств автоматизации

Квадраты Д – датчики, которые вырабатывают сигналы(Y_i), соответствующие свойствам (Q_i);

Q = ({ T_i, P_i }, C, G, Х) - давление (P_i), (T_i) - температура,    C - состав, G - расход, Х – некоторое свойство,

Р.Т. – рабочее тело,

Блок 1, Блок 2 и т.д. – части установки, ЛС – линии связи,

КС – кондиционер сигналов ( устройство, которое преобразующее сигналы (Y_i) к сигналам (Z_i); последние являются однозначной функцией, Z_i = f(Y_i), и отвечают заданным условиям (цифровая форма, масштаб и т.д.);

ПИ – подсистема измерения (система, согласующая сигналы (Z_i));

ЭВМ – компьютер, адаптированный для:

1) записи сигналов (Z_i),

2) программной обработки,

3) управления установкой (линии связи для управления установкой не показаны, блоки управления не показаны),

П – оператор (пользователь, клиент).

 

Формулировки, отражающая метод определения

 свойства Q

Формулировка 1. Рассмотрим формулировку для «метода измерения свойства Q, изложенную в ГОСТе: «Метод представляет собой совокупность приемов использования различных физических принципов и средств измерения (базовая формулировка, ГОСТ 16262 - 70).

 

Рис. 3. Схема для пояснения термина «метод исследования»

Р.Т. – рабочее тело, D – дисплей, устройство отсчета,

К – зона контакта, (α _i) – действия,

(ß _i) – первичные параметры, 1,2,3,4 – ручки/тумблеры управления,

Q – свойство, Р.Т. – рабочее тело.

 

В литературе можно встретить следующую информацию: «Принцип измерения это есть физическое явление (или физический эффект), на котором основано измерение заданного свойства». Принципами измерения являются, например:

а) использование силы тяжести в методе измерении массы путем взвешивания на рычажных весах; силы тяжести, действующие на тело и гири, находятся в равновесии,

б) использование эффекта Доплера при измерении скорости,

в) использование термоэлектрического эффекта Зеебека для определения температуры Р.Т.,

г) использование спектральных характеристик оптического излучения для определения высоких температур Р.Т.,

д) использование поворота пружины Бурдона под действием внутреннего давления для определения давления Р.Т.,

е) использование поворота катушки с током в магнитном поле для измерения силы тока.

В метрологии, экспериментальной физике и измерительной технике известно всего около 1500 различных принципов/ эффектов.

Формулировка 2, отражающая метод определения свойства Q рабочего тела

Рассмотрим формулировку 2 (рабочая формулировка):

«Метод измерения свойства Q представляет собой совокупность действий (α _i) ( рис. 3), которые производятся средством измерения ( рис. 3), и оператором при взаимодействии СИ и рабочего тела с целью получения (записи) первичных параметров (ß _i) ( рис. 3); значения (ß _i) должны быть подставлены в расчетное уравнение f (ß), с использованием которого вычисляют результат А или значение свойства Q вданном методе».

Например, оператор реализует метод измерения температуры воды с помощью термометра сопротивления. В этом эксперименте он выполняет ряд действий (α _i), в том числе измерят (получает, фиксирует, записывает) значение напряжения, U, на терморезисторе.

Расчетное уравнение метода можно представить в форме

А = f (ß).                                     (2)

Например, оператор реализует метод измерения температуры, Т, воды с помощью терморезистора (термометр сопротивления). В этом эксперименте он измеряет R и применят расчетное уравнение f (R) в виде

T = T ₀  + a(R - R ₀) + b(R - R ₀)²,                           (2 б)

 

где R ₀ - сопротивление проводника при температуре T ₀, выбранной за начало отсчета.

Подчеркнем термин «измерение». На этом этапе мы говорим о термине «измерение», понимая под ним:

1) познавательный процесс, который дает численное значение А, относящееся к свойству Q;

2) экспериментальное исследование или эксперимент, в котором:

а) взаимодействуют СИ, Р.Т. и оператор,

б) оператор получает численную информацию, А, о свойстве Q.

Измерение дает А, то есть численное отношение между исследуемым свойством Q и однородным свойством U, принятым за единицу измерения. Значение А входит в «уравнение измерения» для заданного свойства Q

Q = AU,                                                   (3)

где Q – измеряемое свойство (величина), A – числовое значение свойства, U – единица измерения или эталон.

Модель средства измерения

Модель реального СИ можно представить графически (Рис. 4).

 

 

Рис. 4. Модель реального СИ

х – входной сигнал, у(х) – выходной сигнал.

 

С помощью СИ оператор измеряет свойство х и фиксирует число, y. Параметры (х, y), относящиеся к модели реального СИ (Рис. 4), связаны уравнением

у = х/ [ x ],                                         (4)

где [ x ] – эталон, х – входной сигнал.

 

Пример реального СИ

 

Рис. 4б. Часть реальной экспериментальной установки. Виден трубчатый манометр (1902 г.)

Технический университет, г. Грац, Австрия

 

 

Примеры средств измерения.

На нескольких примерах СИ проследим связи между характеристиками физического явления, которое реализуется в СИ, и методом измерения, а также выявим путь преобразования свойства Q в некоторое значение A.

Примера 1. Выберем поршневой манометр, предназначенный для определения свойства Q = P _избили избыточного давления в веществе, представляющем собой жидкость или газ.

Рис. 5. Поршневой манометр

П – невесомый поршень, M – груз - разновес,

F – сила, действующая на поршень со стороны груза,

S - площадь поршня, F_p  – сила, действующаяна поршень снизу, В – атмосферное давление.

 

Силу F_p, действующую на поршень со стороны Р.Т., можно рассчитать, если привлечь определение давления из физики

P = F_p /S.                              (5)