ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТЫ МЕТРОЛОГИИ
С А М А Р А 2012
Курс лекций
министерство образования и науки
Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Кафедра «Теплотехника и тепловые двигатели»
Физические основы теплотехнических измерений
Курс лекций
Составитель доцент, к.т.н., В.Ю.Абрашкин
С А М А Р А
Издательство СГАУ
2012 г
Все стадии создания теплоэнергетических установок, двигателей наземных, плавающих и летательных аппаратов тесно связаны с большим объёмом научно-технических и экспериментальных исследований. В период проектирования и расчётов цель исследований заключается в отыскании новых эффективных путей организации основных процессов тепломассообмена.
Информация о результатах исследований получается с помощью измерительных приборов. Результаты любых измерений искажены погрешностями, характер и уровень которых зависят не только от индивидуальных особенностей применяемой аппаратуры.но и от режимов изучаемых процессов, взаимодействия измерительных систем с объектом исследования и внешних возмущений, воздействующих на объект и элементы измерительных цепей. Поэтому до проведения эксперимента необходимо согласовать свойства приборов со свойствами объекта на всех режимах работы последнего.
Метрология- наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
ТТИ -наука, изучающая способы измерений теплотехнических величин, устройства (ИП) для их реализации, оценку точности измерений, методы совершенствования измерительной техники.
Измерениемназывается экспериментальное определение соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу измерения.
Кратко это определение можно записать так:
где – измеряемая величина, - единица измерения, - численное значение измеряемой величины в принятых единицах измерения. Выражение (1.1) называется основным уравнением измерения. Как следует из этого уравнения, для того чтобы провести измерение, необходимо выбрать единицу измерения и иметь какое-то вещественное воплощение, называемое мерой.
В нашей стране обязательным является использование Международной системы единиц СИ, определяющей семь основных единиц измерений физических величин: длина (в метрах), масса (в килограммах), время (в секундах), сила электрического тока (в амперах), термодинамическая температура (в Кельвинах), сила света (в канделах), количество вещества (моль). Соответствующими международными соглашениями определены и уточненные меры этих величин. Например, мерой длины является метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения атома криптона 86. Это естественный эталон, который может быть многократно воспроизведен. На базе подобных эталонов производят менее точные, но более удобные для измерения образцовые и рабочие меры (например, обыкновенная линейка – мера длины, хотя и не очень точная, гири – мера массы и т.д.).
Любое измерение представляет собой процесс, структуру которого можно представить в виде следующей схемы:
Рисунок 1. Структурная схема измерения параметра Х
Непосредственное сравнение измеряемых величин с мерами в большинстве случаев невозможно, поэтому измерения проводятся с помощью измерительных приборов, т.е. устройств, служащих для сравнения измеряемых величин с единицей измерения.
В измерительном приборе, состоящем из рядов измерительных преобразователей, измеряемая величина претерпевает ряд изменений в более удобные для обработки, дальнейшего преобразования и хранения параметры. В большинстве измерительных приборов, применяемых в авиационной и ракетной технике, неэлектрические измеряемые величины (например, давление, температура, скорость и т.д.) преобразуются в электрические, усиливаются и регистрируются.
Преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, называется первичным преобразователем (датчиком). Например, термопара – датчик температуры, выходным сигналом которого является термоэ.д.с. Существуют датчики температуры, использующие другие принципы измерения – зависимость от температуры электрического сопротивления (термометр сопротивления), длины столба жидкости (жидкостный термометр) и т.д.
Выходной сигнал с датчика может быть, после необходимых преобразований, считан наблюдателем со шкалы прибора. Такой метод измерений называется методом непосредственной оценки. Широко распространены также дифференциальный (определяется разность измеряемой и известной величины), компенсационный (сравнение измеряемой величины с известной величиной) и нулевой методы измерения. Последний обладает наиболее высокой точностью, т.к. эффект действия измеряемой величины здесь полностью уравновешивается известной величиной и их результирующее действие становится равным нулю. Точность результата измерения, проводимого по нулевому методу, определяется в основном точностью применяемой меры и чувствительностью нулевого прибора. Например, взвешивание на равноплечных весах: измеряемая масса полностью компенсируется массой мерительных гирь, а весы служат лишь для установления факта равновесия. Точность взвешивания определяется чувствительностью весов и классом точности гирь.
Основными задачами измерения являются: определение численного значения измеряемой величины в выражении (1.1); оценка допущенной при измерении погрешности.
По способу решения этих задач различают прямые и косвенные измерения. Если измеряемая величина получена в результате непосредственного сравнения с мерами, либо с помощью прибора, градуированного в соответствующих единицах, то измерение называют прямым. Например, измерение длины - штангенциркулем, массы – гирями, температуры – термопарой и т.п.
В ряде случаев прямое измерение искомой величины затруднительно или невозможно и о ней судят по нескольким прямым измерениям, связанным с искомой величиной известной зависимостью Здесь x1,x2,x3 - прямые измерения, - косвенное измерение. Например, измерив радиус, высоту и массу цилиндра (прямые измерения), можно, произведя вычисления по известной формуле , определить плотность вещества (косвенное измерение).