Методы измерений механических напряжений, сил, моментов и давления, движения жидких и газообразных веществ, температуры, концентрации вещества

Измерения параметров движения жидких и газообразных веществ широко применяются в нефтегазодобывающих и транспортирующих системах (магистральных трубопроводах), при контроле нефтеперерабатывающих, химических, теплотехнических и других технологических процессов, в газоводоснабжении, пищевой промышленности и во многих других областях народного хозяйства. Основными параметрами движения потоков жидких, газообразных веществ и плазмы являются расход, определяемый как количество вещества, протекающее через сечение трубопровода (канала) в единицу времени, и полный расход, т.е. общее количество протекающего вещества. В ряде случаев необходимо определять скорость потока.

Единицы расхода могут быть объемными – метр кубический в час, в секунду, литр в секунду и т.д. и массовыми – килограмм в секунду, в час и т.д. Измерения расхода веществ составляют около 20% всех проводимых измерений, а число эксплуатируемых расходомеров и счетчиков – несколько миллионов штук. Погрешность измерения расхода 'в производственных условиях в настоящее время составляет 1–2% и более. В ряде отраслей требуется измерять расход с погрешностью 0,2–0,5%. Измерение расхода необходимо производить в очень широких пределах. Диапазоны измерений расхода жидкостей разделяются на три поддиапазона: малые расходы – от 0 до 15∙10^-4 м³/с, средние расходы – от 15∙10^-4 до 0,5 м³/с и большие расходы – от 0,5 м³/с и выше.

Приборы для измерения расхода называются расходомерами, для измерения количества вещества – счетчиками, а для измерения скорости потоков – анемометрами.

Здесь главным образом рассматриваются методы и средства измерений расхода и скорости жидких и газообразных веществ. Измерение количества вещества электрическими методами производится путем интегрирования расхода за определенный интервал времени.

Обычно измеряются средние значения расхода и скорости, но в некоторых случаях требуется измерять мгновенные значения этих величин. Кроме того, иногда надо определить скорость в заданных точках потока или среднюю по всему сечению. Такие измерения необходимы для исследования эпюры скоростей и характера движения различных потоков.

Существующие электрические методы и средства измерений расхода можно разделить на бесконтактные и контактные. К первым относятся методы и средства измерений, в которых отсутствуют какие-либо нагружения потока, а также не используются подвижные или вращающиеся элементы, помещенные внутрь потока.

Расход относится к величинам, которые пока не поддаются непосредственному измерению с помощью электрических методов. Большинство методов измерений расхода основано на измерении каких-либо параметров потока вещества (развиваемое усилие, перепад давлений, скорость потока, частота завихрений и др.), которые несут информацию о расходе. Наиболее распространенные электрические методы измерения расхода можно разделить на гидродинамические (силовые), основанные на силовом взаимодействии потока и помещенного в него тела, и скоростные (кинематические), основанные на измерении скорости потока, которая прямо пропорциональна объемному расходу. Гидродинамические (силовые) методы в основном являются контактными методами со свойственными им погрешностями за счет «энергетического» взаимодействия объекта (потока) и средства измерения. Значительное число скоростных методов относится к неконтактным методам, для которых характерно малое или незначительное взаимодействие средства измерения и потока.

Температура наряду с давлением и объемом представляет собой одну из трех основных величин, характеризующих термодинамическое состояние вещества; и непосредственно связана с его внутренней энергией. Практически нет ни одной области деятельности человека, где бы не требовалось измерять и регулировать температуру, поэтому она является одной из наиболее часто измеряемых физических величин. Температура – это статистическое понятие, которое применимо к системам, состоящим из большого числа частиц, находящихся в тепловом равновесии. Энергия частиц, усредненная по их числу, и определяет температуру системы (объекта).

Температура – латинское слово, обозначающее «смесь». При взаимодействии двух равновесных систем, имеющих разные температуры, происходит переход энергии от системы с большим энергосодержанием в систему с меньшим энергосодержанием, пока обе системы не примут новое состояние равновесия. Общим для всех видов частиц первоначально разделенных систем является температура.

Диапазон существующих температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов: сверхнизкие температуры (0 – 4,2 К), низкие (4,2 – 273 К), средние (273 – 1300 К), высокие (1300 – 5000 К) и сверхвысокие (от 5000 К и выше). Сверхнизкие и низкие температуры необходимо измерять при проведении различных физических экспериментов, и особенно при исследовании сверхпроводимости и ее техническом применении, в криогенной технике и др. За верхний предел сверхнизких температур условно принята температура, при которой проводники переходят в сверхпроводящее состояние. Наиболее часто измеряемые температуры лежат в области низких, средних и высоких температур. Такие измерения имеют место в различных отраслях народного хозяйства, при научных исследованиях, в медицине и др.

Потребность в измерении сверхвысоких температур непрерывно возрастает, особенно в связи с развитием плазменных методов обработки материалов, ракетной и космической техники, а также исследований управляемых термоядерных реакций. Диапазон сверхвысоких температур начинается примерно с 4000 – 5000 К, т.е. с температур, при которых все вещества при нормальном давлении переходят в газообразное состояние. Температуры, находящиеся в начале диапазона сверхвысоких температур (4000 – 20000 К), имеют место при слаботочных электрических дуговых разрядах, в газоразрядных лампах, в ракетных двигателях, на поверхности Солнца (примерно 6000 К), на тепловом щите космических аппаратов, в плазмотронах для обработки материалов (5000 – 20000 К) и т.д.

Температуры порядка 5∙10⁴ – 10⁵ К имеют место в стационарных электрических дугах и сверхзвуковых потоках плазмы, при кратковременных электрических разрядах в фокусе плазмы. При ядерных реакциях, внутри Солнца и звезд температуры достигают 10⁸ К. Еще более высокие температуры наблюдаются при неуправляемых термоядерных реакциях (водородная бомба).

Необходимо отметить, что температура принадлежит к физическим величинам; точность измерения которых еще невелика. При проведении научных исследований, в частности при определении фундаментальных физических констант, необходимо измерять температуру с погрешностью 10^-2 – 10^-4.В промышленности также имеется необходимость в повышении точности измерения температуры. Сейчас промышленные приборы обеспечивают измерение температуры с погрешностью 0,5 – 1%и более. Повышение точности измерения температуры, например, при разливке стали на 0,1% дает возможность улучшить на 5 – 10% качественные показатели стали.

При выращивании монокристаллов, изготовлении интегральных микросхем и получении чистых металлов необходимо поддерживать температуру с погрешностью 0,01 – 0,1%. Снижение погрешности измерения температуры в диапазоне 1500 – 1800˚ С до 3 – 5 К позволяет повысить мощность атомных электрических станций на 3 – 5%. Современная практика кроме повышения точности выдвигает и другие требования к термометрии: измерение переменных температур в широком диапазоне частот, температуры многофазных потоков, при высоких давлениях, в агрессивных средах, в сильно магнитных полях, измерение параметров температурного поля протяженных объектов и т.д.

Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры.

В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные. Такая классификация основана на наличии или отсутствии непосредственного контакта (касания) термочувствительного элемента с объектом измерения.

Более полно раскрывает особенности отдельных методов классификация по механизму передачи энергии от объекта исследования к термопреобразователю, в соответствии с которой методы и средства измерений температуры можно разделить на термометрические, пирометрические и спектрометрические.

Термометрические методы, как правило, являются контактными методами, при которых энергообмен между объектом исследования и термопреобразователем осуществляется главным образом путем теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции. Теплообмен посредством излучения при этом играет малую роль, а в ряде случаев является мешающим фактором, обусловливающим появление дополнительной погрешности. Термометрические методы основаны на температурной зависимости свойств различных веществ, используемых в качестве термометрического тела (термопреобразователя), которое находится в непосредственном контакте с объектом исследования и температура которого принимается равной измеряемой температуре.

По используемым термометрическим свойствам вещества или физическим явлениям термометрические методы разделяются на терморезистивные, термоэлектрические, термомагнитные, термошумовые, термочастотные и др. Некоторые из этих методов в зависимости от используемых типов преобразователей имеют ряд разновидностей, например термочастотный метод – на основе механических, акустических, ядерных и других резонаторов.

Неконтактные методы измерений температуры основаны на энергообмене путем излучения между объектом исследования и измерительным преобразователем. Все тела излучают в окружающее пространство электромагнитные волны различных длин. В зависимости от вида излучения и его определяемых параметров неконтактные методы можно разделить на пирометрические, применяемые в основном для измерения температур от низких до 4000 – 6000 К по тепловому излучению исследуемых объектов, и спектрометрические, используемые для измерения сверхвысоких температур, главным образом температуры плазмы. При температурах до 4000 – 6000 К имеет место одна из разновидностей электромагнитного излучения – тепловое излучение, обусловленное тепловым движением в твердых, жидких или газообразных веществах или в плазме. В этой области температур происходит излучение в широком спектре длин волн, характерное для серого излучателя, у которого излучательная способность мало зависит от длины волны.

При более высоких температурах излучение обусловлено процессами диссоциации и ионизации. При этом вещества находятся в виде плазмы, состоящей из различных частиц, которым приписывается своя температура (молекулярная температура, электронная температура, температура возбуждения и др.). Спектр излучения плазмы состоит в основном из отдельных линий, и только небольшая часть его составляет непрерывный спектр, так что прямая пирометрия неприменима для измерения температуры плазмы. Для этой цели используют различные спектрометрические методы, основанные на измерении параметров отдельных спектральных линий или других величин, зависящих от спектральных свойств излучения исследуемого объекта.

Аналитические измерения, задачей которых является определение состава и концентрации веществ, широко применяются для контроля технологических процессов, в химических, биологических, геологических, космических исследованиях, в сельском хозяйстве, медицине, криминалистике и в ряде других областей. Объектами рассматриваемых измерений практически являются все существующие вещества и химические элементы, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях. О масштабности аналитических измерений говорит тот факт, что только в химической промышленности необходимо производить анализ более 75 тысяч различных веществ и материалов. Особое значение аналитические измерения имеют для охраны труда и решения проблемы охраны среды обитания. Диапазон измеряемых концентраций чрезвычайно широк. Так, для измерения влажности и концентрации ряда чистых веществ в производственных условиях требуются приборы с верхним пределом измерения 100%. При изготовлении полупроводниковых материалов, волоконных световодов и чистых металлов необходимо определять примеси, концентрация которых составляет 10^-6 – 10^-8 %. Развитие новых отраслей науки и техники, технология производства новых материалов и веществ с наперед заданными свойствами выдвигают все возрастающие требования к аналитическим измерениям. Например, при исследовании материалов для ядерной энергетики необходимо определять примеси, концентрация которых не превышает 10^-10.

Регулирование ряда сложных технологических процессов по косвенным параметрам (расход, температура, давление) уже недостаточно эффективно – требуются быстродействующие и точные средства измерений, которые в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами обеспечивали бы измерения параметров, непосредственно определяющих состав и свойства вырабатываемых материалов.

Множество анализируемых веществ и широкий диапазон измеряемых концентраций обусловили возникновение многочисленных и чрезвычайно разнообразных методов, основанных на использовании различных физико-химических явлений и свойств вещества. Всеболее широко используются внутриатомные и внутриядерные эффекты, позволяющие создавать наиболее чувствительные и избирательные методы анализа.

Особенностью аналитических измерений является сильная зависимость результатов измерений от общего состава вещества, его агрегатного состояния, внешних условий (давление, температура, скорость перемещения и др.). Эти факторы особенно влияют на точность методов, основанных на использовании таких интегральных свойств вещества, как электропроводность, теплопроводность, магнитная и диэлектрическая проницаемость. Все это ограничивает возможности таких отдельно взятых методов измерений, каждый из которых, за небольшим исключением, пригоден для измерения концентрации одного компонента при известном и не особенно сложном составе анализируемой смеси.

Современная тенденция развития аналитического приборостроения – это более широкое применение селективных, комбинированных и многопараметрических методов, которые позволяют создавать чувствительные и точные средства определения состава и измерений концентраций многокомпонентных веществ. Селективные методы в отличие от интегральных позволяют переходить от измерения свойств веществ в целом к определению характеристик отдельных компонентов. Среди них особенно перспективны многие спектрометрические методы, основанные на использовании «глубинных» внутриатомных и ядерных явлений, на которые практически не влияют изменения внешних условий.

Для анализа многокомпонентных веществ широко применяются такие комбинированные методы, как массспектрометрические, хроматографические и их сочетание или многопараметрический метод, основанный на одновременном или последовательном измерении ряда параметров исследуемого вещества и совместной математической обработке полученных результатов для определения концентрации каждого компонента. Успешному использованию этих методов способствует широкое применение средств вычислительной техники как для автоматизации самого процесса измерения, так и для обработки результатов измерений. Встроенные микропроцессоры и микро-ЭВМ позволяют не только повысить точность аналитических измерений, но и существенно увеличить быстродействие комбинированных средств измерений, которые применяются не только для научных исследований, но и в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Весьма сложной является задача метрологического обеспечения аналитических измерений, особенно в связи с повышением требований к точности таких измерений. Большое число объектов исследования и разнообразие используемых методов и средств измерений затрудняют унифицированный подход к метрологическому обеспечению этой области измерений. Для большинства методов и средств аналитических измерений метрологическое обеспечение осуществляется на основе использования стандартных образцов состава или поверочных смесей с заданными свойствами и нормированных выходных сигналов, а для других – на основе эталонов, образцовых средств измерений и соответствующих поверочных схем.

В системе СИ в качестве основной единицы количества вещества введена единица – моль, которая определяется как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг(СТ СЭВ 1052 – 78). Эта единица должна быть положена в основу обеспечения единства измерений состава и концентрации всех веществ и материалов в жидком, газообразном и твердом состояниях, включая аэрозоли и гидрозоли. Однако в настоящее время нет возможности точного воспроизведения моля в соответствии с его определением. Поэтому основой обеспечения единства аналитических измерений являются чистые вещества, абсолютные методы их аттестации и создаваемые на их основе меры концентрации – стандартные образцы(СО) состава в виде образцовых жидких, твердых и газовых смесей известного состава и их комбинаций.

Многие методы измерений концентрации веществ основаны на сравнении свойства анализируемого объекта с мерой свойств с последующим переходом к определению концентрации по известной зависимости состав – свойство. Поэтому аналитические приборы могут иметь «шкалу свойств» и «шкалу концентраций». Приборы со шкалой свойств градуируются и поверяются по СО свойств или мерам физических величин, воспроизводящим соответствующие величины, например, с помощью магазинов сопротивлений, емкостей и др. Приборы сошкалой концентраций градуируются и поверяются по СО состава, которые являются наиболее эффективным средством обеспечения единства и требуемой точности измерений. Так, например, средства измерений состава, основанные на хроматографическом методе, обычно градуируются по газовым смесям, представляющим собой упрощенную модель реально анализируемой газовой смеси. В некоторых случаях СО состава могут быть выполнены в виде бинарных газовых смесей, состоящих из анализируемого газа и инертного газа-носителя.

Для поверки гигрометров – приборов для измерения влажности газов применяются генераторы влажного газа, обеспечивающие получение непрерывного потока парогазовой смеси с известными значениями влажности, определяемой путем измерения температуры и давления.

В качестве основных средств поверки влагомеров используются СО влажности или эквивалентные меры влажности, соответствующие требованиям ГОСТа 8.376 – 80, ГОСТа 8.326 – 78, ГОСТа 8.382 – 80 и др.