1 Что называется средством измерения?

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА города СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД
Учебно-методические
Редакция №___
материалы
по дисциплине
от «__» ________ 2014 г.
«Теплотехнический эксперимент»
УМКД 042-18-6.1154/03-2014
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ»
для специальности
«6М071700» – «Теплоэнергетика»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2014
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 2 из 69
Содержание
1 Глосарий.....................................................................................................................3
2 Лекции ........................................................................................................................4
3 Практические и лабораторные занятия ................................................................69
4 С амостоятельная работа обучающегося ..............................................................71
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 3 из69
1 ГЛОССАРИЙ
В настоящем УМКД использованы термины с соответствующими
определениями:
Абсолютная погрешность – это погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.
Барометры – это приборы для измерения атмосферного давления.
Вакуумметры – это приборы для измерения давления, меньше атмосферного.
Грубя погрешность измерения – это погрешность измерения существенно превышающая ожидаемую при данных условиях.
Дифференциальные манометры – это приборы для измерения разности давления.
Класс точности – это обобщенная характеристика средства измерения, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных
погрешностей, а также другими свойствами средств измерения, влияющими на точность.
Манометры – это приборы для измерения избыточного давления.
Объемные счетчики количества – это счетчики, определяющие количество вещества по числу объемов (порций, доз).
Относительная погрешность – это отношение оценки абсолютной
погрешности к действительному значению.
Оценка – это приближенное значение погрешности.
Погрешность – это отклонение результата измерения от истинного
значения измеряемой величины.
Расходомер – это прибор для определения количества вещества,
проходящего через измерительный участок в единицу времени (секунду,
час).
Систематическая погрешность – это составляющая погрешности
измерения, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины.
Скоростные счетчики количества – это счетчики, определяющие
количество вещества по числу оборотов ротора, просуммированное
счетным устройством.
Случайная погрешность – это составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.
Счетчик количества – это прибор для определения количества вещества, прошедшего через измерительный участок за промежуток времени (смену, сутки и т.д.).
Температура – это физическая величина, характеризующая степень
нагретости тела.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 4 из 69
2 ЛЕКЦИИ
Лекции – форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически
выдержанной форме.
Модуль 1. Средства измерения и приборы
Лекция 1
(1 час; 1 неделя)
Тема. Введение. Общие сведения об измерениях
Вопросы
1 Цель, содержание и структура курса «Теория и техника теплотехнического эксперимента». Основные понятия и определения.
2 Сущность и основные характеристики измерений.
3 Классификация измерений.
4 Погрешности измерений.
Измерением называется процесс получения опытным путем числового соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.
Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице
измерения, называется числовым значением измеряемой величины; оно
может быть целым или дробным, но является отвлеченным числом. Значение величины, принятое за единицу измерения, называется размером
этой единицы.
Уравнение (1) называют основным уравнением измерения:
x  Au .
(1)
Из этого уравнения следует, что значение A зависит от размера
выбранной единицы измерения u . Чем меньше выбранная единица, тем
больше для данной измеряемой величины будет числовое значение. Результат всякого измерения является именованным числом. Вследствие
этого для определенности написания результата измерения рядом с числовым значением измеряемой величины ставиться сокращенное обозначение принятой единицы.
При выборе единиц измерения необходимо учитывать фактор
«удобства», т.е. результат измерений по возможности должен выражаться «удобным» числом: не слишком большим и не слишком малым.
По способу получения числового значения искомой величины измерения можно разделить на два вида: прямые и косвенные.
К прямым измерениям относятся те, результат которых получается
непосредственно из опытных данных. При этом значение искомой величины получается либо путем непосредственного сравнения ее с мерами,
либо посредством измерительных приборов, градуированных в соответствующих единицах.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 5 из69
При прямых измерениях результат выражается непосредственно в
тех же единицах, что и измеряемая величина.
Прямые измерения являются весьма распространенным видом технических измерений. К ним относятся измерения длины – метром, температуры – термометром, давления – манометром и т.п.
К косвенным измерениям относятся те, результат которых получается на основании прямых измерений нескольких других величин, связанных с искомой величиной определенной зависимостью.
К косвенным измерениям относятся определение расхода жидкости, газа и пара по перепаду давления в сужающем устройстве и т.п.
Косвенные измерения применяются в технике и научных исследованиях в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно
измерить непосредственно путем прямого измерения или когда косвенное измерение позволяет получить более точные результаты.
При измерении любой величины, как бы тщательно мы ни производили измерение, не представляется возможным получить свободный
от искажения результат. Причины этих искажений могут быть различны.
Искажения могут быть вызваны несовершенством применяемых методов
измерения, средств измерений, непостоянством условий измерения и рядом других причин. Искажения, которые получаются при всяком измерении, обусловливают погрешность измерения – отклонение результата
измерения от истинного значения измеряемой величины.
Погрешность измерения может быть выражена в единицах измеряемой величины, т. е. в виде абсолютной погрешности, которая представляет собой разность между значением, полученным при измерении,
и истинным значением измеряемой величины. Погрешность измерения
может быть выражена также в виде относительной погрешности измерения, представляющей собой отношение к истинному значению измеряемой величины. Строго говоря, истинное значение измеряемой величины
всегда остается неизвестным, можно найти лишь приближенную оценку
погрешности измерения.
Погрешность результата измерения даст представление о том, какие цифры в числовом значении величины, полученном в результате измерения, являются сомнительными. Округлять числовое значение результата измерения необходимо в соответствии с числовым разрядом
значащей цифры погрешности, т. е. числовое значение результата измерения должно оканчиваться цифрой того же разряда, что и значение погрешности. При округлении рекомендуется пользоваться правилами
приближенных вычислений.
Погрешности измерения в зависимости от характера причин, вызывающих их появление, принято разделять на случайные, систематические и грубые.
Случайная погрешность — составляющая погрешности измерения,
изменяющаяся случайным образом в серии повторных измерений одной
и той же величины, проведенных в одних и тех же условиях. В появлении таких погрешностей не наблюдается какой-либо закономерности,
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 6 из 69
они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате
измерения, однако их влияние как правило можно устранить статистической обработкой. Описание случайных погрешностей возможно только
на основе теории случайных процессов и математической статистики.
Математически случайную погрешность можно представить как непрерывную случайную величину симметричную относительно 0, независимо реализующуюся в каждом измерении. Основным свойством случайной погрешности является возможность уменьшения искажения искомой
величины путем усреднения данных. Уточнение оценки искомой величины при увеличении количества измерений (повторных экспериментов)
означает, что среднее случайной погрешности при увеличении объёма
данных стремится к 0 . Часто случайные погрешности возникают из-за
одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельности слабо влияет на результат измерения. По этой причине часто полагают распределение случайной погрешности «нормальным». «Нормальность» позволяет использовать в обработке данных весь
арсенал математической статистики. Однако априорная убежденность в
«нормальности» на основании ЦПТ не согласуется с практикой — законы распределения ошибок измерений весьма разнообразны и, как правило, сильно отличаются от нормального. Случайные погрешности могут
быть связаны с несовершенством приборов (трение в механических приборах и т. п.), тряской в городских условиях, с несовершенством объекта
измерений (например, при измерении диаметра тонкой проволоки, которая может иметь не совсем круглое сечение в результате несовершенства
процесса изготовления).
Систематическая погрешность — погрешность, изменяющаяся во
времени по определённому закону (частным случаем является постоянная погрешность, не изменяющаяся с течением времени). Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, калибровка и т. п.), неучтёнными экспериментатором.
Систематическую ошибку нельзя устранить повторными измерениями.
Её устраняют либо с помощью поправок, либо «улучшением» эксперимента.
Грубая погрешность — погрешность, возникшая вследствие недосмотра экспериментатора или неисправности аппаратуры (например, если экспериментатор неправильно прочёл номер деления на шкале прибора или если произошло замыкание в электрической цепи).Надо отметить,
что деление погрешностей на случайные и систематические достаточно
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 7 из69
условно. Например, ошибка округления при определенных условиях может носить характер как случайной, так и систематической ошибки.
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения
материала данной лекции:
классификация измерений, погрешности измерений.
Вопросы для самоконтроля
1 Что изучает дисциплина «Теория и техника теплотехнического
эксперимента»?
2 Что понимают под точностью теплотехнических измерений?
3 Как классифицируют погрешности?
4 Что называется абсолютной погрешностью?
5 Что называют оценкой погрешности?
6 Какая погрешность называется относительной?
7 Какая погрешность называется систематической?
8 Какая погрешность называется случайной?
9 Какая погрешность называется грубой?
10 Что называется классом точности?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. - М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. –
М.: Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство
МЭИ, 2007. – 564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 1. Средства измерения и приборы
Лекция 2
(1 час; 2 неделя)
Тема. Сведения о средствах измерений
Вопросы
1 Классификация средств измерений.
2 Структурные схемы измерительных устройств.
3 Статические и динамические характеристики и параметры измерительных устройств.
4 Погрешности измерительных устройств.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 8 из 69
5 Реальные и номинальные функции преобразования.
6 Нормирование метрологических характеристик.
7 Надежность средств измерений.
8 Измерительные системы, структурные схемы и метрологические
характеристики систем.
Средствами измерения называют технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики – характеристики свойств измерений, оказывающие влияние на результат и погрешности измерений.
Основными видами средств измерений являются меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные
устройства.
Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения
физической величины заданного размера. Например, гиря есть мера массы; измерительный резистор – мера электрического сопротивления; температурная лампа является мерой яркостной или цветовой температуры.
Измерительным прибором называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины, называют аналоговым
измерительным прибором. Если показания прибора, автоматически вырабатывающего дискретные сигналы измерительной информации, представлены в цифровой форме, прибор называют цифровым.
Показывающим измерительным прибором называют прибор, допускающий только отсчитывание показаний. Если в измерительном приборе предусмотрена регистрация показаний, то его называют регистрирующим.
Самопишущим измерительным прибором называют регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрено печатание
показаний в цифровой форме, называют печатающим.
Измерительным прибором прямого действия называют прибор, в
котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т. е. без применения обратной связи, например, показывающий манометр, ртутно-стеклянный
термометр.
Измерительный прибор, в котором подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной, называют интегрирующим измерительным прибором.
Измерительным преобразователем называют средство измерений,
предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в
форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и
(или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию
наблюдателем. Измерительные преобразователи в зависимости от их
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 9 из69
назначения и функций могут быть подразделены на первичные, промежуточные, передающие, масштабные и другие.
Первичным преобразователем называют измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи. В качестве примера можно привести термоэлектрический термометр, термометр сопротивления, сужающее устройство расходомера. Измерительный преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного, называют промежуточным.
Передающим измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации.
Масштабным измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в
заданное число раз, например, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения, измерительный усилитель и т. п.
Измерительными устройствами называют средства измерений, состоящие из измерительных приборов и измерительных преобразователей. Измерительные устройства в зависимости от их назначения и
функций, могут быть подразделены на первичные и промежуточные измерительные устройства (приборы).
Под первичным измерительным устройством (первичным прибором) понимают средство измерений, к которому подведена измеряемая
величина. Промежуточным измерительным устройством (промежуточным прибором) называют средство измерений, к которому подведен выходной сигнал первичного преобразователя (например, перепад
давления, создаваемый сужающим устройством). Первичные и промежуточные приборы, снабженные передающими преобразователями, могут
быть выполнены с отсчетными устройствами или без них.
Вторичными измерительными устройствами (вторичными приборами) называют средства измерений, которые предназначены для работы
в комплекте с первичными или промежуточными приборами, а также с
некоторыми видами первичных и промежуточных преобразователей.
Кроме рассмотренных средств измерений применяются более
сложные измерительные устройства автоматического действия – так
называемые измерительные информационные системы. Под такими системами понимаются устройства с автоматическим многоканальным (во
многих точках) измерением, а в некоторых случаях и обработкой информации по некоторому заданному алгоритму.
Следует отметить, что одним из важных признаков новых разработок средств измерений и элементов для устройств автоматизации (автоматического контроля, регулирования и управления) является унификация выходных и входных сигналов преобразователей, первичных,
промежуточных и вторичных приборов. Унификация выходных и входных сигналов обеспечивает взаимозаменяемость средств измерений, позволяет сократить разновидность вторичных измерительных устройств.
Кроме того, унифицированные приборы и элементы существенно повышают надежность действия устройств автоматизации и открывают ши-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 10 из 69
рокие перспективы применения информационно-вычислительных машин.
Создание унифицированных средств измерений реализуется в Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Эта система строится по блочно-модульному принципу и делиться на три ветви, объединяющие приборы с пневматическим, электрическим постоянного и переменного тока и электрическим частотным
выходным и входным сигналами.
Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими
их функционального назначения. Согласно ГОСТ 8.009-84, метрологическими характеристиками называются технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня
и качества средства измерений, для определения результатов измерений
и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.
Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными. Ниже приведена номенклатура метрологических характеристик:
 Характеристики, предназначенные для определения результатов
измерений:
o Функция преобразования измерительного преобразователя, а
также измерительного прибора с наименованной шкалой;
o Значение однозначной меры;
o Цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;
o Вид выходного кода для цифровых средств измерений;
 Характеристики погрешностей средств измерений;
 Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим
величинам;
 Динамические погрешности средств измерений (переходная характеристика, АЧХ, АФХ и т.д.)
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения
материала данной лекции:
статические и динамические характеристики, измерительные системы, структурные схемы и метрологические характеристики систем.
Вопросы для самоконтроля
1 Что называется средством измерения?
2 Что понимают под погрешностью измерительных устройств?
3 Что понимают под метрологическими характеристиками?
4 Что называется измерительной системой?
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 11 из69
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. - М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. –
М.: Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство
МЭИ, 2007. – 564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 1. Средства измерения и приборы
Лекция 3
(1 час; 3 неделя)
Тема. Оценка и учет погрешностей при технических измерениях
Вопросы
1 Измерения с однократным и многократным наблюдениями.
2 Представление результатов измерений.
3 Обнаружение и исключение систематических погрешностей.
4 Оценивание результата и погрешности прямых косвенных, совокупных и совместных измерений с многократными наблюдениями.
5 Результаты и погрешности измерений с однократными наблюдениями.
6 Методы повышения точности и измерений и средств измерений.
7 Использование многократных и многоканальных измерений. Метод параметрической стабилизации.
8 Структурные методы повышения точности средств измерений.
9 Отрицательная обратная связь.
10 Методы инвариантности, вспомогательных измерений, обратного преобразования, метод образцовых сигналов и мер.
Под техническими измерениями практически постоянных величин,
широко применяемыми в промышленности и в лабораторных условиях,
понимаются измерения, выполняемые однократно с помощью рабочих
(технических или повышенной точности) средств измерений, градуированных в соответствующих единицах. При выполнении прямых технических измерений однократный отсчет показаний по шкале или диаграмме
измерительного прибора принимается за окончательный результат измерения данной величины. Точность результата прямого измерения при
применении измерительного показывающего прибора прямого действия
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 12 из 69
может быть оценена приближенной максимальной (или предельной) погрешностью, определяемой по формуле:
(1)
𝛿п = ±(𝛿 + 𝛿и.п + 𝛿м )
где δ – пределы допускаемой основной погрешности применяемого
измерительного прибора, % номинирующего значения измеряемой величины;
δм – методическая погрешность, % значения измеряемой величины;
δи.п – изменение показаний данного прибора (% нормирующего
значения измеряемой величины), вызванное отклонением влияющих величин за пределы, установленные для нормальных значений или для
нормальной области значений.
δи.п определяют согласно формуле:
𝑛
2
𝛿и.п = ±√∑ 𝛿и.п𝑖
(2)
𝑖=1
где δи.пi – изменение показаний прибора, вызванное отклонением iй влияющей величины, %.
При выполнении технических измерении случайные погрешности
в большинстве случаев не являются определяющими точность измерения, поэтому отпадает необходимость многократных измерений и вычисления среднего арифметического значения измеряемой величины, так
как в пределах допускаемых погрешностей рабочих средств измерений
результаты отдельных измерений будут совпадать. Следует также отметить, что технические измерения позволяют выполнять измерения различных величин с наименьшей затратой средств и сил, в наиболее короткий срок и с достаточной точностью.
Обычно измерения являются однократными. При обычных условиях их точности вполне достаточно.
Результат однократного измерения представляется в следующем
виде:
Qi = Yi + Δi
(3)
где Yi - значение i - го показания;
Δi - поправка.
Погрешность результата однократного измерения определяется
при утверждении метода проведения измерений.
В процессе обработки результатов измерений используются различные виды закона распределения (нормальный закон распределения,
равномерный закон распределения корреляционный закон распределения) измеряемой величины (в данном случае она рассматривается как
случайная).
Обработка результатов прямых измерений. Прямые измерения это измерения, посредством которых непосредственно получается значение измеряемой величины Равноточными или равнорассеянными
называют прямые, взаимно независимые измерения определенной величины, причем результаты этих измерений могут быть рассмотрены как
случайные и распределенные по одному закону распределения.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 13 из69
Обычно при обработке результатов прямых равноточных измерений предполагается, что результаты и погрешности измерений распределены по нормальному закону распределения.
После снятия расчетов вычисляется значение математического
ожидания по формуле:
(4)
где xi - значение измеряемой величины;
n - количество проведенных измерений.
Затем, если систематическая погрешность определена, ее значение
вычитают из вычисленного значения математического ожидания.
Потом вычисляется значение среднеквадратического отклонения
значений измеряемой величины от математического ожидания.
Оценивание систематических составляющих представляет достаточно трудную метрологическую задачу. Важность ее определяется тем,
что знание систематической погрешности позволяет внести соответствующую поправку в результат измерения и тем самым повысить его
точность. Трудность же заключается в сложности обнаружения систематической погрешности, поскольку она не может быть выявлена путем
повторных измерений (наблюдений). В самом деле, будучи постоянной
по величине для данной группы наблюдений, систематическая погрешность никак визуально не проявится при повторных измерениях одной и
той же величины и, следовательно, экспериментатор затруднится ответить на вопрос - имеется ли систематическая погрешность в наблюдаемых результатах. Таким образом, проблема обнаружения систематических погрешностей едва ли не главная в борьбе с ними.
Результаты наблюдений, полученные при наличии систематической погрешности, называются неисправленными. При проведении измерений стараются в максимальной степени исключить или учесть влияние
систематических погрешностей. Это может быть достигнуто следующими путями:
 устранением источников погрешностей до начала измерений. В
большинстве областей измерений известны главные источники систематических погрешностей и разработаны методы, исключающие их возникновение или устраняющие их влияние на результат
измерения. В связи с этим в практике измерений стараются устранить систематические погрешности не путем обработки экспериментальных данных, а применением средств измерений, реализующих соответствующие методы измерений;
 определением поправок и внесением их в результат измерения;
 оценкой границ неисключенных систематических погрешностей.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 14 из 69
Постоянная систематическая погрешность не может быть найдена
методами совместной обработки результатов измерений. Однако она не
искажает ни показатели точности измерений, характеризующие случайную погрешность, ни результат нахождения переменной составляющей
систематической погрешности. Действительно, результат одного измерения:
(5)
xi = xи + i + Δci
где
xи истинное
значение
измеряемой
величины;
случайная
погрешность;
i -i-я
Δci - i-я систематическая погрешность.
После усреднения результатов многократных измерений получаем среднее арифметическое значение измеряемой величины:
(6)
Если систематическая погрешность постоянна во всех измерениях, т.е. Δсi = Δc, то
(7)
Таким образом, постоянная систематическая погрешность не устраняется
при многократных измерениях.
Постоянные систематические погрешности могут быть обнаружены
лишь путем сравнения результатов измерений с другими, полученными с
помощью более высокоточных методов и средств. Иногда эти погрешности могут быть устранены специальными приемами проведения процесса
измерений.
Наличие существенной переменной систематической погрешности искажает оценки характеристик случайной погрешности и аппроксимацию ее
распределения. Поэтому она должна обязательно выявляться и исключаться из результатов измерений.
Для устранения постоянных систематических погрешностей применяют
следующие методы:
 метод замещения, представляющий собой разновидность метода
сравнения, когда сравнение осуществляется заменой измеряемой
величины известной величиной, причем так, что при этом в состоянии и действии всех используемых средств измерений не происходит никаких изменений.
Этот метод дает наиболее полное решение задачи. Для его реализации
необходимо иметь регулируемую меру, величина которой однородна измеряемой.
При данном методе уменьшения систематических погрешностей погрешность недостаточно точного измерительного прибора устраняется, а
погрешность измерения определяется только погрешностью самой меры
и погрешностью отсчета измеряемой величины по указателю меры.
 метод компенсации погрешности по знаку (метод двух отсчетов
или "вилочный" метод), предусматривающий измерение с двумя
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 15 из69
наблюдениями, выполняемыми так, чтобы постоянная систематическая погрешность входила в результат каждого из них с разными
знаками.
При этом методе выполняются два измерения, результаты которых
определяются выражениями:
х1 = хи+Δс и х2 = хи - Δс,
(8)
где хи - измеряемая величина.
Среднее значение из полученных результатов (х1 + х2)/2 = хи
представляет собой окончательный результат измерения, не содержащий
погрешности ± Δс . Этот метод часто используется при измерении экстремальных значений (максимума и нуля) неизвестной физической величины.
 метод противопоставления, являющийся разновидностью метода
сравнения, при котором измерение выполняется дважды и проводится так, чтобы в обоих случаях причина постоянной погрешности оказывала разные, но известные по закономерности воздействия на результаты наблюдений.
 метод рандомизации (от англ, random - случайный, беспорядочный; в переводе на русский означает: перемешивание, создание
беспорядка, хаоса)- наиболее универсальный способ исключения
неизвестных постоянных систематических погрешностей, основан
на принципе перевода систематических погрешностей в случайные.
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения
материала данной лекции:
метод параметрической стабилизации, структурные методы повышения точности средств измерений.
Вопросы для самоконтроля
1 Как представляют результаты измерений?
2 Как обнаруживают систематические погрешности?
3 Какое измерение называется косвенным?
4 Что понимают под структурными методами повышения точности
средств измерений?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. - М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. –
М.: Энергия, 1978. – 704 с.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 16 из 69
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство
МЭИ, 2007. – 564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 1. Средства измерения и приборы
Лекция 4
(1 час; 4 неделя)
Тема. Элементы теории вероятностей в математической статистики
Вопросы
1 Статистическое оценивание. Генеральная совокупность и выборка.
2 Понятия несмещенности, эффективности и состоятельности оценок.
3 Метод максимального правдоподобия.
4 Точечные оценки случайных величин.
5 Интервальные оценки.
6 Выборочные распределения.
7 Статистические гипотезы.
8 Критерии значимости.
9 Проверка статистических гипотез.
10 Постановка задачи регрессионного анализа. Предпосылки регрессионного анализа. Вычисление оценок коэффициентов линейной регрессии методом наименьших квадратов.
11 Свойства оценок. Оценка дисперсии воспроизводимости.
12 Статистический анализ результатов.
Принято различать три типа погрешностей, возникающих при эксперименте систематические, случайные и грубые.
Анализ случайных величин, полученных в результате эксперимента, производится с помощью теории и математической статистики.
Планирование эксперимента обеспечивает оптимальное исследование разнообразных объектов в смысле:
- минимизация числа опытов и, следовательно, времени и затрат;
- реализации специальных планов эксперимента, предусматривающих одновременное варьирование всеми переменными;
- использования аппарата математической статистики, позволяющего формализовать многие действия экспериментатора и принимать
обоснованные решения после каждой серии экспериментов.
Методы планирования эксперимента могут быть применены для
объектов, процессов, теплотехнических установок различного типа. Однако эффективность этих методов существенно повышается в случае, если характеристики объекта исследования удовлетворяют определенным
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 17 из69
требованиям. Все множество факторов, определяющих работу исследуемого объекта, можно разделить на:
- контролируемые управляемые переменные, которые в процессе
эксперимента могут изменятся в соответствии с некоторым планом, в
дальнейшем считаем, что эти переменные взаимно независимы и точность их установки достаточно высокая;
- контролируемые неуправляемые переменные;
- неконтролируемые возмущения;
- выходные переменные, целевые функции.
Целью полного и дробного факторного эксперимента является получение линейной и неполной квадратичной статистической модели исследуемого объекта – так называемого уравнения регрессии.
Смысл статистических методов заключается в том, чтобы по выборке ограниченного объема N, т.е. по некоторой части генеральной совокупности, высказать обоснованное суждение об ее свойствах в целом.
Иначе говоря, по вычисленным так называемым точечным оценкам x, s2,
которые сами будут являться случайными величинами, необходимо высказать определенные суждения о величинах М(х) и σх2.
Для оценивания и того же параметра θ можно использования разные статистики (оценки). Поскольку оценки вводится до некоторой степени произвольно, сами по себе они не являются правильными или неправильным. Такие требования характеризуются понятиями состоятельности, несмещенности и эффективности оценок.
Статистическая гипотеза – это некоторое предположение относительно свойств генеральной совокупности, из которой извлекается выборка.
Критерием проверки статистикой гипотезы является правило, позволяющее отвергнуть или принять данную гипотезу. При построении такого правила вычисляются некоторые функции результатов наблюдений,
составляющих выборку (статистики), которые сравниваются со значениями этих показателей, определенными теоретически в предложении, что
проверяемая гипотеза верна. Для критериев проверки выбираются
надлежащие уровни значимости (q=10; 5; 1 %), отвечающие события, которые считаются практически невозможными (маловероятными). Все
возможные значения вычисленных статистики для проверки той или
другой гипотезы делятся на две части, на область принятия гипотезы и
критическую область, вероятность попадания в которую в случае, если
гипотеза верна, в точности равна уровню значимости q.
Проверка статистической гипотезы сводится к выяснению, попадает или нет значение используемой статистики в критическую область:
если нет, гипотеза принимается как не противоречащая результатам
наблюдений, если да, то гипотеза отвергается.
Проверка статистической гипотезы о равенстве математического
ожидания заданному значению [М (х) = С]. Это одна из наиболее распространенных задач проверки статистических гипотез, аналогичная
сравнению центров распределения двух нормально распределенных величин х и у. Такого рода предположения называния «нулевой» гипотезой
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 18 из 69
и обозначается символом Н0. Если конкурирующей гипотезы нет, то критической областью при проверки «нулевой» гипотезы являются область
больших по абсолютному значению отклонений.
Свойство состоятельности означает, что последовательность оценок приближается к неизвестному параметру при увеличении количества
данных. Понятно, что при отсутствии этого свойства оценка совершенно
«несостоятельна» как оценка.
Ме́тод максима́льного правдоподо́бия или метод наибольшего
правдоподобия в математической статистике — это метод оценивания
неизвестного параметра путём максимизации функции правдоподобия[1].
Основан на предположении о том, что вся информация остатистической
выборке содержится в функции правдоподобия. Метод максимального
правдоподобия был проанализирован, рекомендован и значительно популяризирован Р. Фишером между 1912 и 1922 годами (хотя ранее он
был использован Гауссом, Лапласом и другими).
Оценка максимального правдоподобия является популярным статистическим методом, который используется для создания статистической модели на основе данных, и обеспечения оценки параметров модели.
Метод максимального правдоподобия соответствует многим известным методам оценки в области статистики. Например, вы интересуетесь таким антропометрическим параметром, как рост жителей России.
Предположим, у вас имеются данные о росте некоторого количества людей, а не всего населения. Кроме того предполагается, что рост является нормально распределённой величиной с неизвестной дисперсией и
средним значением. Среднее значение и дисперсия роста в выборке являются максимально правдоподобными к среднему значению и дисперсии всего населения.
Для фиксированного набора данных и базовой вероятностной модели, используя метод максимального правдоподобия, мы получим значения параметров модели, которые делают данные «более близкими» к
реальным. Оценка максимального правдоподобия даёт уникальный и
простой способ определить решения в случае нормального распределения.
Статистические гипотезы – это предположения исследователя о
результатах измерений, выраженные в формализованном лаконичном
виде.
Гипотезы как бы «дают заказ» на вывод исследования.
Статистические гипотезы разделяются на 4 типа.
Статистические гипотезы
1. Нулевые
2. Альтернативные
3. Направленные
4. Ненаправленные
Но – нулевая гипотеза
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 19 из69
Она делает предположение о том, что различия между сравниваемыми выборками отсутствуют. Её математический смысл состоит в том,
что Хср.1 –Хср.2→0, т.е. различие между выборками стремится к нулю.
На самом деле различия могут отклоняться от 0, но быть не достоверными или не доказанными.
Принятие нулевой гипотезы можно выразить такими словами:
«Достоверных различий между выборками не обнаружено».
Как правило, исследователь стремится опровергнуть нулевую гипотезу, и доказать следующее: во-первых, то, что различия между выборками
есть,
и,
во-вторых,
то,
что
они
достоверны.
Н1 (НА) – альтернативная гипотеза ( противостоящая нулевой гипотезе)
Её смысл заключается в том, что различия между выборками есть и
что они достоверны.
Как правил, легче получается отвергнуть нулевую гипотезу, чем
доказать альтернативную. Но если отвергли нулевую гипотезу, то это
ещё не означает, что автоматически следует принять альтернативную,
хотя на практике обычно поступают именно так.
С помощью доказательства альтернативной гипотезы, безусловно,
отвергается нулевая гипотеза. Если не смогли доказать альтернативную
гипотезу, то вынуждено принимается нулевая гипотеза.
Однако встречаются и такие случаи, когда исследователь пытается
доказать именно нулевую гипотезу, т.е. отсутствие достоверных различий между сравниваемыми выборками.
Ненаправленная гипотеза – доказываем то, что выборки достоверно различаются, но не доказываем чем именно.
Направленная гипотеза – под влиянием исследуемого фактора в
определенном направлении (больше или, наоборот, меньше) изменяется
исследуемый признак в экспериментальной выборке.
Анализ результатов эксперимента с помощью математической статистики часто сводится к проверке справедливости предположений, или
гипотез , относительно изучаемого физического явления и полученных в
эксперименте данных. Например, к проверке предположения о совпадении результатов измерений одной и той же постоянной физической величины, если измерения выполнены двумя независимыми исследователями на разных установках. Каждый измерил среднее и дисперсию:
и
– одинаковы ли результаты? Ответ на такой вопрос может быть дан только с определенной степенью вероятности, учитывающей распределения погрешностей результатов измерений. Ниже будет
показано, что один из способов анализа основывается на понятии доверительной вероятности, введенном при рассмотрении погрешности прямого многократного измерения.
Гипотезой, подлежащей проверке, может стать правомерность
применения физической модели, выбранной для описания эксперимента.
Поскольку модель позволяет теоретически предсказать вид функцио-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 20 из 69
нальной связи между измеряемыми величинами, то статистический анализ экспериментальной зависимости, проводимый с учетом выводов модели, дает информацию о том достаточно ли справедливо модельное
описание. Как и в предыдущем случае, вывод будет основываться на вероятностном подходе, который включает в себя использование статистических критериев, различных в случаях выполнения и невыполнения
первоначальной гипотезы. В каждом случае рассчитывают конкретную
вероятность, характеризующую возможность реализации полученного
набора экспериментальных данных. Поэтому статистика, оперирующая
вероятностными категориями, не дает и не может дать однозначных ответов
После завершения любого научного исследования, фундаментального или экспериментального, производится статистический анализ полученных данных. Чтобы статистический анализ был успешно проведен
и позволил решить поставленные задачи, исследование должно быть
грамотно спланировано. Следовательно, без понимания основ статистики
невозможно планирование и обработка результатов научного эксперимента. Тем не менее, медицинское образование не дает не только знания
статистики, но даже основ высшей математики. Поэтому очень часто
можно столкнуться с мнением, что вопросами статобработки в биомедицинских исследованиях должен заниматься только специалист по статистике, а врачу-исследователю следует сосредоточиться на медицинских
вопросах своей научной работы. Подобное разделение труда, подразумевающее помощь в анализе данных, вполне оправдано. Однако понимание
принципов статистики необходимо хотя бы для того, чтобы избежать некорректной постановки задачи перед специалистом, общение с которым
до начала исследования является в такой же степени важным, как и на
этапе обработки данных.
Прежде чем говорить об основах статистического анализа, следует
прояснить смысл термина «статистика». Существует множество определений, но наиболее полным и лаконичным является, на наш взгляд,
определение статистики как «науки о сборе, представлении и анализе
данных». В свою очередь, использование статистики в приложении к
живому миру называют «биометрией» или «биостатистикой».
Следует заметить, что очень часто статистику сводят только к обработке экспериментальных данных, не обращая внимания на этап их
получения. Однако статистические знания необходимы уже во время
планирования эксперимента, чтобы полученные в ходе него показатели
могли дать исследователю достоверную информацию. Поэтому, можно
сказать, что статистический анализ результатов эксперимента начинается
еще до начала исследования.
Уже на этапе разработки плана исследователь должен четко представлять себе, какого типа переменные будут в его работе. Все переменные можно разделить на два класса: качественные и количественные. То,
какой диапазон может принимать переменная, зависит от шкалы измерений. Можно выделить четыре основных шкалы:
1. номинальную;
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 21 из69
2. ординальную;
3. интервальную;
4. рациональную (шкалу отношений).
В номинальной шкале (шкале «названий») присутствуют лишь
условные обозначения для описания некоторых классов объектов,
например, «пол» или «профессия пациента». Номинальная шкала подразумевает, что переменная будет принимать значения, количественные
взаимоотношения между которыми определить невозможно. Так, невозможно установить математические отношения между мужским и женским полом. Условные числовые обозначения (женщины - 0, мужчины 1, либо наоборот) даются абсолютно произвольно и предназначены только для компьютерной обработки. Номинальная шкала является качественной в чистом виде, отдельные категории в этой шкале выражают
частотами (количество или доля наблюдений, проценты).
Ординальная (порядковая) шкала предусматривает, что отдельные
категории в ней могут выстраиваться по возрастанию или убыванию. В
медицинской статистике классическим примером порядковой шкалы является градация степеней тяжести заболевания. В данном случае мы можем выстроить тяжесть по возрастанию, но все еще не имеем возможности задать количественные взаимоотношения, т. е. дистанция между значениями, измеренными в ординальной шкале, неизвестна или не имеет
значения. Установить порядок следования значений переменной «степень тяжести» легко, но при этом невозможно определить, во сколько
раз тяжелое состояние отличается от состояния средней тяжести.
Ординальная шкала относится к полуколичественным типам данных, и ее градации можно описывать как частотами (как в качественной
шкале), так и мерами центральных значений, на чем мы остановимся
ниже.
Интервальная и рациональная шкалы относятся к чисто количественным типам данных. В интервальной шкале мы уже можем определить, насколько одно значение переменной отличается от другого. Так,
повышение температуры тела на 1 градус Цельсия всегда означает увеличение выделяемой теплоты на фиксированное количество единиц. Однако в интервальной шкале есть и положительные и отрицательные величины (нет абсолютного нуля). В связи с этим невозможно сказать, что
20 градусов Цельсия - это в два раза теплее, чем 10. Мы можем лишь
констатировать, что 20 градусов настолько же теплее 10, как 30 - теплее
20.
Рациональная шкала (шкала отношений) имеет одну точку отсчета
и только положительные значения. В медицине большинство рациональных шкал - это концентрации. Например, уровень глюкозы 10 ммоль/л это в два раза большая концентрация по сравнению с 5 ммоль/л. Для
температуры рациональной шкалой является шкала Кельвина, где есть
абсолютный ноль (отсутствие тепла).
Следует добавить, что любая количественная переменная может
быть непрерывной, как в случае измерения температуры тела (это непрерывная интервальная шкала), или же дискретной, если мы считаем коли-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 22 из 69
чество клеток крови или потомство лабораторных животных (это дискретная рациональная шкала).
Указанные различия имеют решающее значение для выбора методов статистического анализа результатов эксперимента. Так, для номинальных данных применим критерий «хи-квадрат», а известный тест
Стьюдента требует, чтобы переменная (интервальная либо рациональная) была непрерывной.
После того как будет решен вопрос о типе переменной, следует заняться формированием выборки. Выборка - это небольшая группа объектов определенного класса (в медицине - популяция). Для получения абсолютно точных данных нужно исследовать все объекты данного класса,
однако, из практических (зачастую - финансовых) соображений изучают
только часть популяции, которая и называется выборкой. В дальнейшем,
статистический анализ позволяет исследователю распространить полученные закономерности на всю популяцию с определенной степенью
точности. Фактически, вся биомедицинская статистика направлена на
получение наиболее точных результатов из наименее возможного количества наблюдений, ведь при исследованиях на людях важен и этический
момент. Мы не можем позволить себе подвергать риску большее количество пациентов, чем это необходимо.
Создание выборки регламентируется рядом обязательных требований, нарушение которых может привести к ошибочным выводам из результатов исследования. Во-первых, важен объем выборки. От объема
выборки зависит точность оценки исследуемых параметров. Здесь следует обратить внимание на слово «точность». Чем больше размеры исследуемых групп, тем более точные (но не обязательно правильные) результаты получает ученый. Для того же, чтобы результаты выборочных исследований можно было переносить на всю популяцию в целом, выборка
должна быть репрезентативной. Репрезентативность выборки предполагает, что в ней отражены все существенные свойства популяции. Другими словами, в исследуемых группах лица разного пола, возраста, профессий, социального статуса и пр. встречаются с той же частотой, что и
во всей популяции.
Однако перед тем как начать выбор исследуемой группы, следует
определиться с необходимостью изучения конкретной популяции. Примером популяции могут быть все пациенты с определенной нозологией
или люди трудоспособного возраста и т. д. Так, результаты, полученные
для популяции молодых людей призывного возраста, вряд ли удастся
экстраполировать на женщин в постменопаузе. Набор характеристик, которые будет иметь изучаемая группа, определяет «обобщаемость» данных исследования.
Формировать выборки можно различными путями. Самый простой
из них - выбор с помощью генератора случайных чисел необходимого
количества объектов из популяции или выборочной рамки (sampling
frame). Такой способ называется «простой случайной выборкой». Если
случайным образом выбрать начальную точку в выборочной рамке, а затем взять каждый второй, пятый или десятый объекты (в зависимости от
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 23 из69
того каких размеров группы требуются в исследовании), то получится
интервальная выборка. Интервальная выборка не является случайной,
так как никогда не исключается вероятность периодических повторений
данных в рамках выборочной рамки.
Возможен вариант создания так называемой «стратифицированной выборки», которая предполагает, что популяция состоит из нескольких различных групп и эту структуру следует воспроизвести в экспериментальной группе. Например, если в популяции соотношение мужчин и
женщин 30:70, тогда в стратифицированной выборке их соотношение
должно быть таким же. При данном подходе критически важно не балансировать выборку избыточно, то есть избежать однородности ее характеристик, в противном случае исследователь может упустить шанс найти
различия или связи в данных.
Кроме описанных способов формирования групп есть еще кластерная и квотная выборки. Первая используется в случае, когда получение полной информации о выборочной рамке затруднено из-за ее размеров. Тогда выборка формируется из нескольких групп, входящих в популяцию. Вторая - квотная - аналогична стратифицированной выборке,
но здесь распределение объектов не соответствует таковому в популяции.
Возвращаясь к объему выборки, следует сказать, что он тесно связан с вероятностью статистических ошибок первого и второго рода. Статистические ошибки могут быть обусловлены тем, что в исследовании
изучается не вся популяция, а ее часть. Ошибка первого рода - это ошибочное отклонение нулевой гипотезы. В свою очередь, нулевая гипотеза - это предположение о том, что все изучаемые группы взяты из одной
генеральной совокупности, а значит, различия либо связи между ними
случайны. Если провести аналогию с диагностическими тестами, то
ошибка первого рода представляет собой ложноположительный результат.
Ошибка второго рода - это неверное отклонение альтернативной
гипотезы, смысл которой заключается в том, что различия либо связи
между группами обусловлены не случайным совпадением, а влиянием
изучаемых факторов. И снова аналогия с диагностикой: ошибка второго
рода - это ложноотрицательный результат. С этой ошибкой связано понятие мощности, которое говорит о том, насколько определенный статистический метод эффективен в данных условиях, о его чувствительности.
Мощность вычисляется по формуле: 1-β, где β - это вероятность ошибки
второго рода. Данный показатель зависит преимущественно от объема
выборки. Чем больше размеры групп, тем меньше вероятность ошибки
второго рода и выше мощность статистических критериев. Зависимость
эта как минимум квадратичная, то есть уменьшение объема выборка в
два раза приведет к падению мощности минимум в четыре раза. Минимально допустимой мощностью считают 80%, а максимально допустимый уровень ошибки первого рода принимают 5%. Однако всегда следует помнить, что эти границы заданы произвольно и могут изменяться в
зависимости от характера и целей исследования. Как правило, научным
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 24 из 69
сообществом признается произвольное изменение мощности, однако в
подавляющем большинстве случаев уровень ошибки первого рода не
может превышать 5%.
Все сказанное выше имеет непосредственное отношение к этапу
планирования исследования. Тем не менее, многие исследователи ошибочно относятся к статистической обработке данных только как к неким
манипуляциям, выполняемым после завершения основной части работы.
Зачастую после окончания никак не спланированного эксперимента, появляется непреодолимое желание заказать анализ статистических данных
на стороне. Но из «кучи мусора» даже специалисту по статистике будет
очень сложно выудить ожидаемый исследователем результат. Поэтому
при недостаточных знаниях биостатистики необходимо обращаться за
помощью в статистическом анализе еще до начала эксперимента.
Обращаясь к самой процедуре анализа, следует указать на два основных типа статистических техник: описательные и доказательные
(аналитические). Описательные техники включают в себя методы позволяющие представить данные в компактном и легком для восприятия виде. Сюда можно отнести таблицы, графики, частоты (абсолютные и относительные), меры центральной тенденции (средние, медиана, мода) и
меры разброса данных (дисперсия, стандартное отклонение, межквартильный интервал и пр.). Другими словами, описательные методы дают
характеристику изучаемым выборкам.
Наиболее популярный (хотя и зачастую ошибочный) способ описания имеющихся количественных данных заключается в определении
следующих показателей:
 количество наблюдений в выборке или ее объем;
 средняя величина(среднее арифметическое);
 стандартное отклонение- показатель того, насколько широко изменяются значения переменных.
Важно помнить, что среднее арифметическое и стандартное отклонение - это меры центральной тенденции и разброса в достаточно небольшом числе выборок. В таких выборках значения у большинства объектов с равной вероятностью отклонены от среднего, а их распределение
образует симметричный «колокол» (гауссиану или кривую ГауссаЛапласа). Такое распределение еще называют «нормальным», но в практике медицинского эксперимента оно встречается лишь в 30% случаев.
Если же значения переменной распределены несимметрично относительно центра, то группы лучше описывать с помощью медианы и квантилей (процентилей, квартилей, децилей).
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения
материала данной лекции:
вычисление оценок коэффициентов линейной регрессии методом
наименьших квадратов.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 25 из69
Вопросы для самоконтроля
1 Что понимают под генеральной совокупностью и выборкой?
2 Что понимают под методом максимального правдоподобия?
3 Что называется интервальными оценками?
4 Что понимают под методом наименьших квадратов?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. - М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. –
М.: Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство
МЭИ, 2007. – 564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 1. Средства измерения и приборы
Лекция 5
(2 часа; 5, 6 недели)
Тема. Теплотехнические приборы и измерения
Вопросы
1 Измерение температуры. Основные сведения о температуре и
температурных шкалах. Передача размера единицы температуры от эталонов к образцовым и рабочим средствам измерений. Классификация
методов измерения.
2 Механические термометры. Термоэлектрический метод измерения температур. Вторичные приборы для измерения термо-э.д.с. Термометры сопротивления, лабораторные и автоматические мосты для измерения сопротивления. Логометры.
4 Методика измерения температуры контактными методами. Методические погрешности измерения температур контактными методами
и способы их снижения.
5 Лазерные, акустические и лазерно-акустические термометры.
6 Измерение температуры на поверхности и внутри твердых тел,
измерение температурных полей в потоках и внутри твердых тел.
7 Измерение температуры частиц и несущего газа в дисперсных
потоках. Измерение температуры тел по их тепловому излучению. Пирометры излучения. Методика применения пирометров излучения.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 26 из 69
8 Измерения давления и перепада давления. Жидкостные приборы
давления. Приборы давления с упругими чувствительными элементами.
Электрические приборы давления. Дифференциальные манометры.
9 Методы и средства измерения вакуумметрических давлений, малых избыточных и перепадов давления, быстроизменяющихся давлений.
10 Измерение расхода и количества жидкостей, газа, пара и тепла.
Расходомеры переменного перепада давления. Стандартные сужающие
устройства. Измерение расхода при малых числах Рейнольдса.
11 Измерение скорости и расхода напорными трубками. Расходомеры постоянного перепада давления. Ротаметры, тахометрические расходомеры и счетчики количества. Тахометрический и терморезисторный
анеометры. Индкуционные расходомеры.Какие существуют приборы для
измерения уровня?
12 Измерение количества и расхода тепла.
13 Специфика измерения расхода влажного пара. Измерение скорости частиц и несущего газа в дисперсных потоках.
14 Измерение уровня жидкости и сыпучих тел. Механические
уровнемеры. Измерение уровня с помощью дифференциальных манометров. Емкостные, акустические и ультразвуковые уровнемеры.
15 Измерение уровня жидкости и сыпучих тел. Механические
уровнемеры. Измерение уровня с помощью дифференциальных манометров. Емкостные, акустические и ультразвуковые уровнемеры.
16 Методика измерения уровня в сосудах, работающих подавлением.
17 Приборы для измерения уровня сыпучих тел. Методика и средства для измерения уровня сыпучих тел.
18 Контроль влажности газов, твердых и сыпучих материалов. Основные разновидности психрометров.
19 Высокочастотные, нейтронные, инфракрасные и ЯМР влагомеры. Тепловые и термовакуумные методы измерения влажности.
20 Пробоотборные и пробоформующие устройства периодического
и непрерывного действия.
21 Электрические методы измерения некоторых неэлектрических
величин.
22 Электрические методы измерения некоторых неэлектрических
величин.
23 Измерительные тензопреобразователи, датчики Холлаи Виганда. Оптические датчики.
24 Измерение скоростей и ускорений.
25 Измерение деформаций, напряжений и усилий.
26 Измерение крутящих моментов.
27 Измерение механической мощности и работы.
28 Измерение вибрации и шума.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 27 из69
29 Измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи измерительной информации.
30 Реостатные, дифференциально-трансформаторные, механоэлектрические измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи.
31 Реостатные, дифференциально-трансформаторные, механоэлектрические измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи.
32 Пневмосиловые преобразователи и пневматические системы
дистанционной передачи.
33 Электропневматические и пневмоэлектрические преобразователи.
34 Нормирующие преобразователи.
35 Принципы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования измерительной информации.
Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого
количества методов и технических средств для ее измерения.
Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. При
соприкосновении двух тел, например газообразных, переход тепла от
одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения
средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих
тел не будут равны. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем
изменяются также физические свойства тела. При данной температуре
кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу,
состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно.
К пространству со значительно разреженной материей статистические законы неприменимы. Температура в этом случае определяется
мощностью потоков лучистой энергии, пронизывающей тело, и равна
температуре абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.
Известно, что с развитием науки и техники понятие «температура»
расширяется. Например, при исследованиях высокотемпературной плазмы было введено понятие «электронная температура», характеризующее
поток электронов в плазме.
Возможность измерять температуру термометром основывается на
явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении термометрических (физических) свойств веществ при
нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной шкалы, казалось бы, возможно выбрать любое термометри-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 28 из 69
ческое свойство, характеризующее состояние того или иного вещества и
на основании его изменений построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как термометрическое свойство должно однозначно изменяться с изменением температуры, не зависеть от
других факторов и допускать возможность измерения его измерений
сравнительно простым и удобным способом. В действительности нет ни
одного термометрического свойства, которое бы в полной мере могло
удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.
Воспользуемся, например, для измерения температуры объемным
расширением тел при нагревании и возьмем ртутный и спиртовой термометры обычного типа. Если шкалы их между точками, соответствующими температурам кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, разделить на 100 равных частей (считая
за 0 точку таяния льда), то очевидно, что показания обоих термометров –
ртутного и спиртового – будут одинаковы в точках 0 и 100, потому что
эти температурные точки были приняты за исходные для получения основного интервала шкалы. Если этими термометрами будем измерять
одинаковую температуру какой - либо среды не в этих точках, то показания их будут различны, так как коэффициенты объемного теплового
расширения ртути и спирта различно зависят от температуры.
В жидкостно-стеклянных термометрах, применяемых в настоящее
время, не приходится сталкиваться с таким расхождением показаний, так
как на всех современных термометрах нанесена единая Международная
практическая температурная шкала, строящаяся по совершенно другому
принципу.
Те же затруднения возникли, если бы попытались осуществить
температурную шкалу на основе какой-либо другой физической величины, например электрического сопротивления металлов и т. д.
Таким образом, измеряя температуру по шкале, построенной на
произвольном допущении линейной зависимости между свойством термометрического тела и температурой, мы еще не достигаем однозначного численного измерения температур. Поэтому так измеренную
температуру (т. е. по объемному расширению некоторых жидкостей, по
электрическому сопротивлению металлов и т. д.) обычно называют
условной, а шкалу, по которой она измеряется – условной шкалой.
Следует отметить, что из числа старых условных температурных
шкал наибольшее распространение получила стоградусная температурная шкала Цельсия, градус которой равен сотой части основного температурного интервала. За основные точки этой шкалы приняты точка
плавления льда (0) и точка кипения воды (100) при нормальном атмосферном давлении.
В целях дальнейшего усовершенствования условной температурной шкалы проводились работы по изучению возможности использования для измерения температур газового термометра. Для изготовления газовых термометров воспользовались реальными газами (во-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 29 из69
дородом, гелием и другими) и при этом такими из них, которые по своим
свойствам сравнительно мало отличаются от идеального.
С помощью газового термометра температура может быть измерена по наблюдению либо за изменением давления газа в зависимости от
температуры при постоянном объеме, либо за изменением объема газа в
зависимости от температуры при постоянном давлении. Как показали
всесторонние исследования, большую точность обеспечивает способ, использующий изменения давления газа в зависимости от температуры при
постоянном объеме.
Путь к созданию единой температурной шкалы, не связанной с какими-либо частными термометрическими свойствами и пригодной в широком интервале температур, был найден в использовании законов термодинамики. Независимой от свойств термометрического вещества является шкала, основанная на втором законе термодинамики. Она предложена в середине прошлого века Кельвином и получила название термодинамической температурной шкалы.
В основании построения термодинамической температурной шкалы лежат следующие положения. Если в обратимом цикле Карно тело,
совершающее цикл, поглощает теплоту Q1 при температуре Т1 и отдает
тепло Q2 при температуре Т2, то отношение термодинамических (абсолютных) температур Т1/Т3 равно отношению количеств тепла Q1/Q2. Согласно положениям термодинамики значение этого отношения не зависит от свойств рабочего тела.
Термодинамическая температурная шкала Кельвина явилась исходной шкалой для построения температурных шкал, не зависящих от
свойств термометрического вещества. В этой шкале интервал, заключающийся между точкой таяния льда и точкой кипения воды (для
сохранения преемственности со стоградусной температурной шкалой
Цельсия), был разделен на 100 равных частей.
Д. И. Менделеев в 1874 г. впервые научно обосновал целесообразность построения термодинамической температурной шкалы не по
двум реперным точкам, а по одной. Такая шкала имеет значительные
преимущества и позволяет определять термодинамическую температуру
точнее, чем шкала с двумя реперными точками.
Однако термодинамическая температурная шкала, являющаяся чисто теоретической, не открывала еще в первое время путей ее практического использования. Для этой цели необходимо было установить
связь термодинамической шкалы с реальными приборами для измерения
температур. Из числа измерителей температуры наибольшее внимание
заслуживают газовые термометры, показания которых могут быть связаны с термодинамической температурной шкалой посредством введения
понятия шкалы идеального газа. Термодинамическая шкала, как известно, совпадает со шкалой идеального газа, если принять при нормальном
атмосферном давлении точку таяния льда за 0, а точку кипения воды за
100. Этой шкале было присвоено название стоградусной термодинамической температурной шкалы.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 30 из 69
Абсолютное значение уровня или отклонение уровня от номинального значения измеряется уровнемерами. Измерение уровня производиться как в открытых сосудах, так и в емкостях, находящихся под давлением.
По принципу действия уровнемеры подразделяются на гидростатические, поплавковые, емкостные, радиоизотонные и другие, которые
получили незначительное распространение.
Гидростатические уровнемеры основаны на измерении давления,
создаваемого столбом жидкости, или веса жидкости, находящейся в конкретном сосуде.
В поплавковых уровнемерах измерение уровня основано на измерении положения поплавка или силы, воздействующей на поплавок. при
изменении уровня
Емкостные уровнемеры используют для измерения уровня изменения емкости измерительного преобразователя, вызванного изменением
уровня жидкости
Радиоизотопные уровнемеры используют для измерения уровня
ослабления радиоактивного излучения в зависимости oт толщины или
плотности просвечиваемою слоя
Другие методы измерения уровня - тepмические, акустические, оптические и другие имеют пока очень ограниченное применение.
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 измеряется 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 схемы 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. Верхние пределы измерения
уровнемеров с односторонней шкалой или диапазон измерения с двусторонней симметричной шкалой должны выбираться из ряда 25. 40. 63.
100. 160, 250, 400. 630. 1000. 1600. 2500. 4000 и 6300 см высоты столба
той жидкости, уровень которой и измеряется
Для поплавковых дифманометров пределы измерения ограничиваются интервалом от 63 до 1000 см. Для мембранных дифманометров на
рабочее давление до 25 МПа.
В ряде технологических процессов возможно использование
пневмометрических уровнемеров, в которых гидростатическое давление
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 31 из69
столба жидкости уравновешивается давлением воздуха (инертного газа).
В качестве измерительного преобразователя, как правило, используются
дифманометры, а при измерении в открытых сосудах могут быть использованы напоромеры и манометры. Существенным преимуществом пневмометрических уровнемеров является практическая независимость их
показаний от температурного режима соединительных линий.
Пневмомегрические уровнемеры находят широкое применение для
измерения уровня агрессивных жидкостей.
Поплавковые уровнемеры являются одним из наиболее простых и
надежных. Однако они практически не могут применяться при высоких
давлениях. Широкое применение для измерения уровня мазута и других
нефтепродуктов получили поплавковые уровнемеры типа УДУ-10. Они
выпускаются на пределы измерения 0 – 12 и 0 – 20 м, основная допускаемая погрешность не превышает ± 4 мм. Плотность измеряемой жидкости от 0,7 до 1,2 г/см3, температура от – 50 до + 50ºС, давление от –
0,0015 до +0,003 МПа.
В буйковых уровнемерах измеряемый уровень жидкости определения по архимедовой силе, действующей на цилиндр (буек) в зависимости от его погружения в жидкость, т.е. от уровня Буйковые расходомеры
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 выходным сигналом типов УБ-Э и УБ-П. Измерительные схемы уровнемеров построены по принципу компенсации усилий.
Давление характеризуется силой, равномерно распределенный по
поверхности, а единица давления есть единица силы, действующая равномерно на единицу площади. Давление определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности: N Р ,
(3.1)F где Р – давление; N – нормальная сила, действующая на поверхность; F – площадь поверхности. За единицу давления в международной
системе единиц СИ принята единица Н/м 2 равная давлению, вызванному силой в 1 Н, равномерно распределенной по поверхности в 1 м 2 . Эта
единица называется Паскаль и обозначается Па. Временно допускаемая к
применению единица давления – бар. В России чаще всего приборы,
предназначенные для измерения давления, градуируются в кПа или в
МПа, а также в практической системе единиц кгс/м 2 или кгс/см2 . Кроме
того, в практике измерения давления используются и другие единицы
измерения давления.
Давление характеризуется силой, равномерно распределенный по поверхности, а единица давления есть единица силы, действующая равномерно на единицу площади. Давление определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности. При
измерениях различают абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое давления.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 32 из 69
Абсолютное давление – давление, значение которого при измере-нии отсчитывают от давления, значение которого равно нулю. Абсолютное
давление воздушной оболочки земли на ее поверхности называется атмосферным.
Избыточное давление определяется разностью между абсолютным
и атмосферным давлением. Если абсолютное давление меньше атмосферного, то избыточное давление отрицательное и называется вакуумметрическим или разрежением
По принципу действия приборы, предназначенные для измерения
давления, делятся на:
- жидкостные, в которых измеряемое давление уравновешивается
давлением столба жидкости;
- деформационные, где измеряемое давление определяется по величине деформаций различных упругих чувствительных элементов
или по развиваемой ими силе;
- грузопоршневые, в которых измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваем массой поршня и грузов;
- электрические, действие которых основано на измерении электрических свойств некоторых материалов при воздействии давления.
Приборы для измерения атмосферного давления, называются барометрами, избыточного давления – манометрами, вакуумметрического
давления – вакуумметрами, разности давлений – дифманометрами. Приборы, предназначенные для измерения малых давлений, разряжений,
давлений и разряжений газовых сред (до 40 кПа) называются напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами. Устройство перечисленных измерительных устройств давления разнообразно. Среди них можно выделить группу механических измерительных приборов и четыре группы
измерительных преобразователей, выпускаемых отечественной промышленностью: с дифференциально трасформаторными преобразователями, с компенсацией магнитных потоков, с электросиловой компенсацией и с тензо-преобразователями. В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается гидростатическим давлением столба жид-кости. В приборах используется принцип
сообщающихся сосудов. Жид-костные манометры отличаются простотой
устройства и повышенной точностью измерения. Применяются для поверки и калибровки приборов других систем, а также для технических
измерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, ртуть и
вода.
Двухтрубные жидкостные манометры. Для измерения давления и разность давлений используются двухтрубные манометры и
диф-манометры с видимым уровнем, часто называемыми U – образными.
Однотрубные (чашечные) манометры. Для повышения точности
отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные)
манометры, в которых одна из трубок заменена сосудом, диаметр которого минимум в 20 раз больше диаметра измерительной трубки.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 33 из 69
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:
классификация методов измерения.
Вопросы для самоконтроля
1 Что называется температурой?
2 Какие существуют температурные шкалы?
3 Чем руководствуются при выборе средств измерения температуры?
4 Какие бывают стеклянные термометры расширения?
5 На чем основан принцип действия манометрических термометров?
6 Что понимают под термометром сопротивления?
7 На чем основан принцип действия термоэлектрического термометра?
8 Какие существуют средства измерения температуры по излучению?
9 Что называется пирометром?
10 Что называется логометром?
11 Что называется давлением?
12 какие существуют приборы для измерения давления?
13 На чем основано действие приборов для измерения давления с упругими чувствительными элементами?
14 Какие существуют приборы для измерения расхода?
15 Какие существуют приборы для измерения уровня?
16 Как определяют скорости и ускорения?
17 Как определяют деформации?
18 Как определяют вибрацию?
19 Как определяют уровень шума?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 1. Средства измерения и приборы
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 34 из 69
Лекция 6
(1 час; 7 неделя)
Тема. Физико-химические измерения
Вопросы
1 Теоретические основы анализа состава бинарных и псевдобинарных
смесей жидкостей и газов.
2 Термохимические и термокондуктометрические, магнитные, сорбционные и оптические газоанализаторы. Измерительные и конденсационные анализаторы. Электрокондуктометрические и конденсационные анализаторы.
3 Электрокондуктометрические и потенциометрические анализаторы.
Плазменные ионизационные и фотометрические газоанализаторы.
4 Методика подготовки газовых проб для анализа. Специфика анализа состава газообразных продуктов сгорания органического топлива. Анализ состава
многокомпонентных жидкостей и газов.
5 Многопараметрические методы и приборы анализа состава. Методы и
средства анализа состава. Средства измерения фракционного состава нефтепродуктов и жидких топлив.
6 Методы технических средств контроля качества воды, пара, конденсата
и концентрации растворов. Кондуктометры, ионометры, фотоколориметры.
7 Анализаторы для определения растворенных в воде газов.
8 Термический анализ. Термогравиметрический, дифференциальнотермический дифференциальный термогравиметрический анализы. Дериватографы.
Для измерения состава газовых смесей в теплотехнических процессах получили распространение следующие разновидности газоанализаторов:
- химические (объемные), использующие уменьшение объема газовой
смеси в результате избирательного поглощения химическим путем анализируемого компонента для измерения содержания этого компонента,
- физические – термокондуктометрические, магнитные и оптические, основанные на использовании отклонения значения какого-либо физического
свойства анализируемого компонента от значения этих свойств у других составных частей газа.
Для изменения микроконцентрации применяются масс-спектрометра,
спектрофотометрические и фотоколориметрические газоанализаторы. Анализ
состава и концентрации многокомпонентные смесей осуществляется хроматографическими газоанализаторами.
Для измерения концентрация растворов наибольшее распространение получил кондуктометрический метод, в котором концентрация растворов элек-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 35 из 69
тролитов определяется по их электропроводности. Для измерения микроконцентраций применяются фотоколориметры.
Одним из методов контроля концентрации растворов является измерение
электродных потенциалов, разновидностью которых является измерение активной концентрации водородных ионов в единицах рН.
Газоанализаторы.
Химические газоанлизаторы выпускаются главным образом как переносные неавтоматические. Некоторое распространение получили стационарные автоматические химические газоанализаторы. В основе их работы лежит последовательное поглощение (или сжигание) определенных компонентов газовой
смеси из пробы определенного объема. Основные разновидности химических
газоанализаторов предназначены для определения содержания двух-трех компонентов (ГХГ-1-2. ГХП-3 и др), отдельные разновидности могут определять
содержание семи, восьми компонентов (ВТИ-2) Основным недостатком химических газоанализаторов является периодичность их действия Время, которое
требуется для проведения анализа, составляет от 5 до 40 мин. Кроме того, на
результаты анализа могут оказывать влияние «вредный» объем (объем распределительной гребенки и других соединительных частей), несоответствие уровней в измерительной бюретке и уравнительном сосуде, неполнота поглощения
газа реактивом, изменение температуры во время анализа и ряд других факторов. Погрешность анализа для газоанализаторов ВТИ-2 и ГХП-3 около
(0,1÷0,2) %. К преимуществам химических газоанализаторов следует отнести
их дешевизну, простоту и достаточно высокую избирательность при анализе.
Химические газоанализаторы используются в основном для анализа содержания следующих газов: СО2, СО, О2, SО2, NH3, Сl2, СnНm и СmH2n+2.
Термокондуктометрические газоанализаторы используют для измерения
концентрации одного из компонентов газовой смеси когда существенное отличие теплопроводности этого компонента от теплопроводности других газов
смеси. Для измерения теплопроводности газовой смеси создаются специальные
камеры, в которых практически исключен лучистый и конвективный теплообмен, а температура стенок постоянна. Температура нагревателя постоянной
мощности в этом случае будет однозначно связана с теплопроводностью. Термокондуктометрические газоанализаторы служат для измерения содержания
CO2, Н2, О2 в Н2, NH3, SO2, Сl2 и некоторых других газах.
Газоанализаторы типа ТП имеют электрическую схему, практически
устраняющую влияние напряжения питания и окружающей температуры.
Магнитные газоанализаторы применяются для измерений содержания
кислорода в газовых смесях. Эти газоанализаторы используют отличие магнитной восприимчивости кислорода от магнитной восприимчивости других газов.
Чаще всего применяются термомагнитные газоанализаторы, использующие явление термомагнитной конвекции, которая возникает в неоднородном магнитном поле при наличии температурного градиента. Термомагнитная конвекция
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 36 из 69
для конкретной конструкции газоанализатора при постоянном расходе, давлении и температуре газовой смеси определяется концентрацией кислорода.
Оптические газоанализаторы используют зависимость изменения какого-либо оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения содержания измеряемого компонента. Широкое распространение получили оптико-акустические газоанализаторы, которые применяются для измерения содержания многоатомных газов в сложных газовых смесях. В основу работы оптико- акустических газоанализаторов положено измерение степени поглощения
лучистой энергии в инфракрасной части спектра. Большинство многоатомных
газов имеет спектры поглощения, лежащие в инфракрасной области. Эти спектры поглощения могут частично накладываться друг на друга. Количество
энергии, поглощенное каким-либо компонентом газовой смеси, зависит от
спектра поглощения, толщины слоя поглощающего газа и от концентрации
данного компонента. Если в газовой смеси имеются составляющие, обладающие спектрами поглощения, частично накладывающимися на спектр поглощения анализируемого компонента или близко расположенными к нему, то в схеме газоанализатора предусматриваются фильтровые камеры, заполненные этими неанализируемыми компонентами. Эти фильтровые камеры позволяют
практически исключить влияние неанализируемых компонентов на результаты
измерения.
Фотоколориметрические газоанализаторы применяются для измерения
микроконцентрации газов (0,01 % и менее). В основе колориметрического метода лежит зависимость поглощения излучения от плотности окраса индикаторного раствора. В фотоколориметрические газоанализаторы газовая смесь
барботирует через индикаторный раствор, который обладает избирательной реакцией с анализируемым компонентом газовой смеси, приводящей к образованию цветовых соединений в растворе. Таким образом, концентрация анализируемого компонента определяет интенсивность окраски раствора, которая измеряется по поглощению лучистой энергии с помощью фоточувствительных
элементов. Приборы этого типа могут быть непрерывного и периодического
действия.
Термический анализ представляет собой метод физико-химического анализа, основанный на регистрации тепловых эффектов превращений, протекающих в исследуемом образце в условиях программируемого изменения температуры.
Качественный термический анализ является одним из наиболее распространенных методов, используемых, например, при построении диаграмм фазовых равновесий.
Количественный термический анализ широко используется для определения теплофизических характеристик веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости и т.д.).
Наибольшее распространение получил метод дифференциального термического анализа (ДТА), заключающийся в одновременной регистрации темпе-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 37 из 69
ратуры исследуемого образца и разности температур исследуемого вещества и
эталона, находящихся в одинаковых тепловых условиях.
Наряду с ДТА, широко развит метод исследования вещества и процессов,
происходящих при изменении массы, который носит название термовесового
или термогравиметрического анализа (ТГА). Метод заключается в регистрации
изменения массы образца при изменении условий, в которой находится навеска
исследуемого вещества.
Некоторые характерные задачи, решаемые при использовании метода
ДТА
-определение температур фазовых переходов 1-го рода (плавления, кристаллизации, кипения и проч.);
-определение теплофизических характеристик веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости и т.д.);
-изучение тепловых эффектов химического взаимодействия конденсированных веществ или конденсированных веществ и газовой фазы (окисление,
восстановление и проч.).
Некоторые характерные задачи, решаемые при использовании метода
ТГА
-определение растворимости газов в твердом или жидком веществе при
изменении температуры и состава газовой фазы;
-исследование скорости и глубины взаимодействия конденсированных
веществ или конденсированных веществ и газовой фазы (окисление, восстановление и проч.) при изменении температуры и состава газовой фазы;
-изучение условий термического или химического разложения (диссоциации) природных и синтетических химических соединений;
-изучение химической стойкости веществ к воздействию ряда газов при
изменении температуры среды.
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:
методы технических средств контроля качества воды, пара, конденсата и концентрации растворов.
Вопросы для самоконтроля
1 На чем основано действие термохимических и термокондуктометрических газоанализаторов?
2 На чем основано действие оптических газоанализаторов?
3 Описать методику подготовки газовых проб для анализа.
4 Как осуществляется анализ состава многокомпонентных жидкостей и
газов?
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 38 из 69
5 Какие существуют методы технических средств контроля качества воды, пара, конденсата и концентрации растворов?
6 Для чего предназначен прибор фотоколориметр?
7 Что понимают под термическим анализом?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 2. Методы экспериментальных исследований
Лекция 7
(1 час; 8 неделя)
Тема. Методы экспериментального изучения процессов
тепло– и массообмена
Вопросы
1 Экспериментальное исследование полей температуры, давления, скорости. Зондовые и бесконтактные методы измерения.
2 Методы исследования полей плотности и концентрации в потоках жидкости, газа и структуры двухфазных потоков.
3 Экспериментальное исследование конвективного тепло-и массообмена,
тепломеры и датчики тепловых потоков. Измерение нестационарных тепловых
потоков.
4 Методы определения коэффициентов теплоотдачи. Определение коэффициентов теплоотдачи методами стационарного и регулярного режимов. Альфакалориметры, Определение коэффициентов сопротивления трения при
внешнем обтекании тел внутри каналов.
5 Методы определения характеристик массообмена.
Натурные исследования проводятся на действующем объекте с целью
изучения его характеристик или отдельных частей под влиянием всей совокупности протекающих в нем и в окружающей среде процессов. Модельные иссле-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 39 из 69
дования проводятся на специально создаваемых стендах - экспериментальных
установках (ЭУ) с целью детального изучения отдельных процессов, протекающих в реальных объектах. В особо ответственных случаях (например, при
изучении надежности ядерных энергетических реакторов) создаются крупномасштабные ЭУ, максимально приближенные к натурным объектам. Опытный
участок (ОУ) или ячейка - основная часть ЭУ, в которой реализуется исследуемый процесс тепло- или массообмена.
Моделирование подразделяется на физическое и по методу аналогий. По
отношению к процессам в натурных объектах в ОУ осуществляется их моделирование на основе правил подобия:
- процессы в ОУ и в натурном объекте должны быть одинаковой физической природы (при физическом моделировании) или же могут быть разной
физической природы, но должны описываться одинаковыми математическими
уравнениями (при моделировании по методу аналогий);
- условия однозначности для процессов в ОУ и в натурном объекте должны быть подобными;
- безразмерные комплексы, составленные из размерных величин, входящих в описание условий однозначности, должны быть равны или изменяться в
одинаковых пределах.
Измерение полей температуры производится в основном подвижными
зондами, на конце которых располагаются датчики температуры: термоэлектрические преобразователи, термопреобразователи. Чувствительный элемент
датчика (спай термоэлектрического преобразователя, нить или пленка термопреобразователя сопротивления) находится в контакте с исследуемой жидкостью.
Форма и размер чувствительного элемента определяются особенностями
исследуемого поля температуры.
Модельная жидкость (МЖ), заменяющая рабочую среду натурного объекта, подбирается из соображений удобства при соблюдении правил моделирования. Учитывается доступность, нетоксичность, хорошая изученность теплофизических свойств. Во многих случаях в качестве МЖ используется вода. Если для изучаемого процесса характерна существенная зависимость от индивидуальных особенностей рабочей жидкости в сочетании со свойствами поверхности обтекаемого тела (например, при кипении), то при проведении таких исследований используют рабочую жидкость и материал поверхности натурного
объекта.
Метод аналогий применяют в случае, когда удается подобрать процесс,
существенно легче осуществляемый экспериментально, чем натурный, и когда
экспериментальные измерения проводят с большей точностью, чем в натурных
условиях. Так, для исследования температурных полей в твердых телах и неподвижных жидкостях широкое распространение получили электрические модели
(электроинтеграторы). Решение таких задач в строгой математической постановке осуществляется с использованием ЭВМ. На электрических моделях мож-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 40 из 69
но получить предварительные сведения об изучаемых полях. Результаты измерений можно также использовать в итерационных расчетах на ЭВМ в качестве
первого приближения.
Измерение полей температуры производится в основном подвижными
зондами, на конце которых располагаются датчики температуры: термоэлектрические преобразователи, термопреобразователи. Чувствительный элемент
датчика (спай термоэлектрического преобразователя, нить или пленка термопреобразователя сопротивления) находится в контакте с исследуемой жидкостью.
Форма и размер чувствительного элемента определяются особенностями
исследуемого поля температуры. Размер чувствительного элемента датчика δl
связан с градиентом температуры в исследуемой области течения.
Под теплопроводностью понимается обмен тепловой энергией между
непосредственно соприкасающимися разнонагретыми частицами тела. Здесь
имеет место молекулярный перенос тепла.
Конвективный теплообмен осуществляется путем перемещения конечных
масс тела в пространстве, которые являются в этом случае носителями тепловой энергии (молярный перенос тепла). Такой процесс переноса тепла может
иметь место только в жидкостях и газах.
В основе теплового излучения лежит процесс передачи энергии электромагнитными волнами.
В зависимости от конкретных условий отдельные способы передачи тепла могут сочетаться по-разному.
При изучении процессов тепло- и массообмена применяются два метода
исследований: аналитический и экспериментальный. Первый из них, основанный на положениях теоретической физики, для установления количественных
закономерностей исследуемого явления использует общие законы, которые
позволяют установить не менее общую связь между отдельными параметрами в
виде математической модели. Этой моделью служит дифференциальное уравнение или система дифференциальных уравнений. Во многих практических
случаях их решение оказывается трудным, а часто и невозможным. Получены
точные решения лишь для некоторых простых частных случаев. Рассматривая
наиболее общие стороны процесса, теоретическая физика оказывается не в состоянии определить значения отдельных конкретных параметров, характеризующих то или иное явление. Вместе с тем, она во многих случаях позволяет сознательно организовать и провести экспериментальное исследование. Экспериментальный же метод дает возможность получать физические параметры единичного явления с большой достоверностью, а также устанавливать непосредственную связь между изучаемыми величинами. Однако полученные экспериментальные данные отдельного опыта не могут быть использованы для других
явлений, если они в какой-то мере отличаются от изучаемого. В этом состоит
основной недостаток экспериментального метода — он требует постановки самостоятельных исследований для каждого явления или процесса.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 41 из 69
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:
температурное поле, зондовый метод измерения, бесконтактный метод
измерения.
Вопросы для самоконтроля
1 Что понимают под температурным полем?
2 Что понимают под зондовым методом измерения?
3 Что понимают под бесконтактным методом измерения?
4 Какие существуют методы экспериментального исследования теплообменных процессов?
5 Какими методами определяют коэффициент теплоотдачи?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 2. Методы экспериментальных исследований
Лекция 8
(2 часа; 9, 10 недели)
Тема. Экспериментальные исследования теплофизических свойств
веществ
1 Теоретические основы методов определения тепловых свойств различных материалов.
2 Измерение коэффициентов теплопроводности технических материалов
и металлов методами стационарного теплового потока.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 42 из 69
3 Измерения коэффициентов температуропроводности, теплопроводности
и удельной теплоемкости материалов, основанные на нестационарном, гармоническом и аперодическом тепловом режиме.
4 Учет нелинейных факторов при теплофизических измерениях.
5 Определение плотности твердых тел, жидкостей и газов.
6 Определение калорических свойств твердых тел, жидкостей, газов и паров.
7 Определение теплоты сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива.
8 Определение вязкости. Вискозиметры.
9 Определение термодинамических свойств фазового равновесия: давления насыщенных паров, температур, теплоты плавления и парообразования.
10 Изучение оптических свойств веществ.
11 Определение коэффициента теплового излучения.
Теплофизические свойства принято делить на несколько групп. Первую
группу составляют равновесные теплофизические свойства веществ, являющиеся функциями состояния физических тел. К этой группе принято относить так
называемые термодинамические свойства, которые в свою очередь подразделяются на термические и калорические.
К термическим свойствам относится плотность вещества ρ (или удельный
объем υ), выраженная как функция давления р и температуры Т. Наиболее общим выражением этой зависимости является термическое уравнение состояния.
(1)
𝐹(𝜌, 𝜗, 𝑇) = 0
К термическим свойствам относят также и любые частные производные,
составленные из этих трех величин.
К термическим свойствам с некоторой условностью относят поверхностное натяжение σ.
К калорическим свойствам относятся внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, энергии Гиббса и Гельмгольца, теплоемкости.
Ко второй группе теплофизических свойств веществ относятся транспортные, или переносные, свойства. Эти свойства характеризуют неравновесные процессы в физических средах. К ним относятся теплопроводность, вязкость, диффузия и так называемые перекрестные эффекты - термодиффузия и
концентрационная теплопроводность. Среди названных наиболее важными являются первые два.
В рамках допущений феноменологических теорий коэффициенты переноса однозначно определяются физической природой вещества и параметрами
состояния. С этой точки зрения они являются свойствами веществ.
В соответствии с определением плотность ρ равна
𝑚
𝜌= ,
(2)
𝑉
где V – полный объем, занимаемый веществом;
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 43 из 69
m – масса.
Величина, обратная плотности, называется удельным объемом: υ = l/ρ.
При определении плотности методом гидростатического вмешивания
выполняются три взвешивания. Образец подвешивается на весах на тонкой
проволоке. При первом взвешивании определяется вес образца в воздухе G1,
при втором - вес образца G2 в жидкости (обычно в воде), при третьем - вес проволоки G3 погруженной в ту же жидкость. Плотность образца равна:
𝐺1
𝜌обр =
(3)
(𝜌 − 𝜌возд ) + 𝜌возв
𝐺1 + 𝐺2 − 𝐺3 ж
Ошибка при тщательных измерениях не превышает (0,001÷0,0001) %.
Метод пикнометра широко применяется для определения плотности сыпучих материалов, нерастворимых в жидкости. Пикнометр - сосуд (стеклянный, кварцевый и др.) с трубкой для заполнения его жидкостью. На трубке
обычно наносится риска, фиксирующая некоторый объем пикнометра. Для массовых лабораторных измерений разработаны пикнометры вместимостью от 1
до 100 см3.
При использовании метода пикнометра выполняются три взвешивания.
При первом взвешивании определяется вес исследуемого сыпучего материала
G1 в воздухе, при втором – вес пикнометра G2, заполненного жидкостью до
риски. Перед третьим взвешиванием исследуемый сыпучий материал загружается в пикнометр, а излишки жидкости удаляют так, чтобы ее уровень находился напротив риски: затем определяется вес пикнометра G3.
Плотность исследуемого сыпучего материала. Плотность жидкостей и газов исследуется как функция температуры и давления.
Метод гидростатического взвешивания для жидкостей основан на определении веса твердого тела (поплавка) в воздухе, воде и исследуемой жидкости.
Метод пьезометра переменного объема относится к хорошо разработанным и широко используемых в исследовательской практике. Пьезометр – сосуд,
способный выдерживать полное давление в опыте.
Основная задача, возникающая в процессе планирования теплофизического эксперимента - это определение коэффициентов уравнения, описывающего исследуемое свойство - относится ко второму направлению. Она сводится к
поиску оптимального в смысле того или иного критерия оптимальности плана,
позволяющего найти искомые коэффициенты с наибольшей точностью при минимальном числе измерений.
Постановка такой задачи целесообразна лишь в таком эксперименте, в
процессе которого не преследуется цель обнаружить какие-либо особенности в
поведении вещества, а решается задача количественного описания поведения
теплофизических свойств того или иного вещества.
Подобные эксперименты в настоящее время проводятся во многих научно-исследовательских лабораториях и на их проведение отвлекаются значительные силы и средства. Оптимизация затрат на проведение таких исследова-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 44 из 69
ний позволит теми же силами провести значительно больший объем экспериментальных исследований [3].
Определение параметров плавления и кипения UO2
Проблема конструирования уравнения состояния диоксида урана в широком диапазоне температур и давлений сталкивается с недостатком экспериментальных данных по температурной зависимости давления его насыщенных паров в области давлений свыше 2 М Па. На установке, описанной выше, в Институте выполнены эксперименты до давлений 80 МПа и получены новые данные по температурной зависимости давления насыщенных паров диоксида урана на кривой равновесия жидкость-пар в не исследованном диапазоне параметров. Эти измерения могут быть использованы для прогнозирования и предотвращения возможного сценария тяжелой аварии реактора на быстрых нейтронах, сопровождающейся разрушением их активной зоны, поскольку для этого
требуются надежные данные по термодинамическим свойствам реакторных материалов в возможно более широком диапазоне пераметров, вплоть до критических
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:
тепловые свойства веществ, методы определения коэффициента теплопроводности, методы можно определения коэффициента температуропроводности, методы определения теплоемкости.
Вопросы для самоконтроля
1 Что понимают под тепловыми свойствами вещества?
2 Какими методами можно определить коэффициент теплопроводности?
3 Какими методами можно определить коэффициент температуропроводности?
4 Какими методами можно определить теплоемкость?
5 Какими методами можно определить плотность тел в различном агрегатном состоянии?
6 Как определяют свойства топлива?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 45 из 69
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 2. Методы экспериментальных исследований
Лекция 9
(1 час; 11 неделя)
Тема. Контроль качества сырья, топлива и продукции
теплотехнологических производств
Вопросы
1 Характеристики, определяющие качество сырья, топлива и продукции.
2 Методы и средства автоматического контроля качества. Структурные
схемы и сигналы автоматических анализаторов качества. Способы подключения автоматических анализаторов к технологическим потокам.
3 Агрегатный комплекс средств аналитической техники.
4 Анализ газового топлива.
5 Определение плотности, содержания влаги и компонентного состава.
6 Анализ жидкого топлива.
7 Определение плотности, содержания воды, зольности, вязкости, температур вспышки и воспламенения. Экспериментальное определение технологических характеристик твердого топлива.
8 Определение действительной и кажущейся плотности, пористости,
насыпной плотности, порозности, сыпучести и гранулометрического состава.
Определение гранулометрического состава топливной пыли.
Широкое внедрение в энергетику мощных энергоблоков на высокие и закритические параметры привело к необходимости организации надежного автоматического непрерывного и периодического химического контроля за водным режимом электростанций и работой установок водо- и конденсатоочистки.
Возросла также важность вопросов автоматизации процессов водоприготовления.
Применяемые на многих электростанциях ручные методы химического
контроля некоторых показателей качества не удовлетворяют современным повышенным требованиям. Эти методы требуют много времени, обладают недостаточной точностью результатов анализа и непригодны для оперативного контроля за водным режимом и автоматизации процессов водоприготовления.
Применение на электростанциях автоматических средств измерений (анализаторов жидкости) повышает надежность химического контроля за показателями качества питательной воды парогенераторов, пара и конденсата и процессами химического обессоливания добавочной воды и очистки конденсата турбин. Необходимые средства измерений для автоматического химического кон-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 46 из 69
троля за водным режимом электростанций и водоподготовительными установками.
Для осуществления контроля за водным режимом электростанций и работой установок очистки воды и конденсата необходимо измерять разнообразные
показатели качества отличающихся по химическому составу сред. Эти среды
находятся под различным избыточным давлением, имеют различную температуру, отличаются по количеству механических и других примесей. Вследствие
этого во многих случаях для снижения давления и температуры, а также для
удаления механических примесей или растворенных газов из пробы контролируемой среды необходимо перед первичным преобразователем устанавливать
специальные дополнительные устройства. Для отбора представительной пробы
среды используют различные пробоотборные устройства.
Измерение удельной электропроводности водных растворов получило
широкое распространение в лабораторной практике, при автоматическом химическом контроле водного режима паросиловых установок, эффективности работы установок очистки воды и промышленных теплообменных и других установок, а также различных показателей качества, характеризующих химикотехнологоическоие процессы.
Технические средства, предназначенные для измерения удельной электропроводимости водных растворов, принято называть кондуктометрическими
анализаторами жидкости. Шкалу вторичных приборов кодуктометров жидкости
(лабораторных и промышленных) для измерения удельной электропроводимости градуируется в единицах сименс на сантиметр (См·см-1) или микросименс
на сантиметр (мкСм·см-1). Кондуктометры жидкости, которые применяют в
производственных условиях для измерения показателей качества, характеризирующие содержание солей в паре, конденсате и питательной воде парогенераторов, обычно называют солемерами. Шкалу вторичных приборов солемеров
градуируют по NaCl (на условное содержание в растворе этих солей) в следующих единицах: миллиграмм на килограмм (мг/кг), микрограмм на килограмм
(мкг/кг) или миллиграмм на литр (мг/л) и микрограмм на литр (мкг/л). Кондуктометры жидкости, используемые для измерения концентрации растворов солей, кислот, щелочей и т.д., называют часто концентратомерами. Шкала вторичных приборов концентратомеров градуируется в процентах значения массовой концентрации. Кондуктометрические анализаторы жидкости используются
также и в качестве сигнализаторов.
При повышенных требованиях к показателям качества питательной воды,
пара и конденсата необходимо производить измерение малых значений электропроводности, не превышающих 5-6 мкСм·см-1, а при контроле концентрации
растворов реагентов – от 10-3 до 0,7 См·см-1.
Измерение электропроводности водных растворов обычно производят с
помощью электродного кодуктометрического измерительного преобразователя,
состоящего из двух электродов, расположенных в сосуде, который поступает
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 47 из 69
контролируемый водных раствор. Для измерения электропроводимости растворов широко применяют также безэлектродные кондуктометры жидкости.
В целях обеспечения надежной эксплуатации мощных блоков с высокими
и закритическими параметрами пара введены строгие ограничения на допустимое содержание растворенного кислорода в питательной воде. Известно, что
присутствие растворенного кислорода в питательной воде вызывает коррозию
металла внутренних поверхностей пароводяного тракта парогенераторов. Для
уменьшения коррозии металла необходимо ограничивать содержание растворенного кислорода в питательной воде до (7÷10) мкг/кг. Повышение надежности эксплуатации мощных парогенераторов в известной степени связанно с
возможностями автоматического точного и непрерывного измерения микроконцентраций растворенного в питательной воде кислорода.
В настоящее время из числа известных применяемых для автоматического измерения микроконцентраций растворенного в воде кислорода методов получили распространение фотокодореметрические, электрохимические и кондуктометрические.
Фотоколориметрические методы основаны на измерении оптической
плотности анализируемой воды, изменяющейся за счет окрашенных соединений, которые образуются в результате взаимодействия растворенного в воде
кислорода с вводимым в пробу реагентом. Интенсивность окраски зависит от
концентрации растворенного в воде кислорода.
Основным недостатком автоматических фотоколориметричеких анализаторов, предназначенных для измерения растворенного в воде кислорода, следует считать то, что они являются приборами дискретного действия. Возможно
осуществление непрерывных измерений, но это связанно со снижением точности и повышенным расходом реактива.
Электрохимические методы измерения основаны на применении электрохимических чувствительных элементов. Такой элемент состоит из двух электродов, помещенных в буферный водный раствор. Раствором может являться
сама анализируемая вода. При отсутствии в среде, где расположены электроды,
растворенного кислорода, происходит процесс поляризации электродов или за
счет электрохимических процессов, протекающих на поверхности электродов,
или приложенным внешним напряжением. При полной поляризации цепь электродов разомкнута, так как поверхность катода (отрицательно заряженного
электрода) покрыта пленкой молекулярного водорода и ток в цепи отсутствует.
Кислород является активным деполяризатором. При введении кислорода в раствор происходит частичная деполяризация поверхности катода, что приводит к
возникновению в цепи электродов электрического тока, значение которого
пропорционально в области малых концентраций содержанию кислорода.
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:
характеристики определяющие качество топлива.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 48 из 69
Вопросы для самоконтроля
1 Какие характеристики определяют качество топлива?
2 Какие существуют методы автоматического контроля?
3 Что понимают под агрегатным комплексом средств аналитической техники?
4 Как осуществляют анализ газового топлива?
5 Как осуществляют анализ жидкого топлива?
6 Описать экспериментальные методы определения технологических характеристик твердого толптива.
7 Как определяют гранулометрический состав топливной пыли?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 2. Методы экспериментальных исследований
Лекция 10
(1 час; 12 неделя)
Тема. Методы и средства контроля технических материалов
и металлов теплоэнергетических и теплотехнологических установок
Вопросы
1 Методы и средства контроля качества и состояния металлов, конструкционных материалов, теплоизоляционных и электроизоляционных материалов.
2 Дефектоскопия.
3 Методы неразрушающего контроля.
4 Контроль сварных соединений.
Дефектоско́п (лат. defectus недостаток + гр. ςκοπεω наблюдаю) – устройство для обнаружения дефектов в изделиях из различных металлических и неметаллических материалов методами неразрушающего контроля. К дефектам
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 49 из 69
относятся нарушения сплошности или однородности структуры, зоны коррозионного поражения, отклонения химического состава и размеров и др. Область
техники и технологии, занимающаяся разработкой и использованием дефектоскопов называется дефектоскопия. С дефектоскопами функционально связаны
и другие виды средств неразрушающего контроля: течеискатели, толщиномеры,
твердомеры, структуроскопы, интроскопы и стилоскопы.
Дефектоскопы используются в транспорте, различных областях машиностроения, химической промышленности, нефтегазовой промышленности, энергетике, строительстве, научно-исследовательских лабораториях для определения свойств твердого тела и молекулярных свойств и в других отраслях; применяются для контроля деталей и заготовок, сварных, паяных и клеевых соединений, наблюдения за деталями агрегатов. Некоторые дефектоскопы позволяют
проверять изделия, движущиеся со значительной скоростью (например, трубы в
процессе прокатки), или сами могут передвигаться с большой скоростью относительно изделия (например, рельсовые дефектоскопы, тележки и вагоныдефектоскопы). Существуют дефектоскопы для контроля изделий, нагретых до
высокой температуры.
Неразрушающий контроль (сокращённо НК) - контроль свойств и параметров объекта, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к
использованию и эксплуатации.
Неразрушающий контроль (англ. Nondestructive testing (NDT)), также
называется оценкой надёжности неразрушающими методами (англ.
nondestructive evaluation (NDE)), и проверка без разрушения изделия (англ.
nondestructive inspection (NDI)). НК особенно важен при создании и эксплуатации жизненно важных изделий, компонентов и конструкций. Для выявления
различных изъянов, таких как разъедание, ржавление, растрескивание используются различные методы НК, такие как рентгеновские лучи, на снимках с использованием которых хорошо видны трещины, каверны и неоднородности материала или сварочного шва. Или ультразвук, где трещины проявляют себя
всплесками эхо-импульсов на экране контроллера.
Контроль сварных соединений стальных конструкций необходимо вести
систематически в процессе сварки. По внешнему виду швы сварных соединений элементов конструкций, а также швы сварных соединений крепления сборочных и монтажных приспособлений должны удовлетворять следующим требованиям: иметь гладкую или равномерно чешуйчатую поверхность (без
наплывов, прожогов, сужений и перерывов), а в конструкциях, воспринимающих динамические нагрузки,- плавный переход к основному металлу, что
должно быть оговорено в чертежах КМ; допускаются подрезы глубиной до 5 %
толщины металла, но не более 1 мм; глубина удлиненных и сферических одиночных дефектов на поверхности шва не должна превышать 10 % толщины
свариваемого элемента, но не более 3 мм, длина не должна превышать 20 %
длины оценочного участка; глубина удлиненных и сферических дефектов на
поверхности шва, образующих цепочку или скопление, не должна превышать 5
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 50 из 69
% толщины свариваемого элемента, но не более 2 мм, длина - 20 % длины оценочного участка; длина цепочки или скопления не должна быть более удвоенной длины оценочного участка; расстояние между близлежащими концами соседних по длине шва дефектов (непроваров, цепочек, скоплений) должно быть
не менее 200 мм; все кратеры должны быть заварены. В швах сварных соединений конструкций, возводимых или эксплуатируемых в районах с расчетной
температурой ниже минус 40 °С, не допускаются несплавления, цепочки и
скопления наружных дефектов; допускаются местные подрезы поперек усилия
и подрезы вдоль усилия глубиной не более 0,5 мм при толщине свариваемых
элементов до 20 мм и не более 1 мм при большей толщине. Трещины всех видов и размеров в сварных соединениях не допускаются и должны быть устранены с последующей заваркой и контролем. Дефектные участки сварных швов
удаляют механизированной рубкой и шлифовкой. Допускается удаление дефектов сварных соединений ручной кислородной резкой или воздушно-дуговой
строжкой с обязательной последующей зачисткой (шлифовкой) поверхности
реза абразивным инструментом на глубину от 1 до 2 мм, удалением выступов и
наплывов. Все ожоги поверхности основного металла сварочной дугой зачищают абразивным инструментом на глубину (0,5÷0,7) мм. При удалении механизированной зачисткой (шлифовкой) дефектов сварных соединений, корня
шва и прихваток риски от абразивной обработки металла направляют вдоль
сварного соединения; при зачистке мест установки начальных и выводных планок - вдоль торцевых кромок свариваемых элементов конструкций; при удалении усиления шва - под углом (40÷50)° к оси шва. Ослабление сечения при обработке сварных соединений (углубление в основной металл) не должно превышать 3 % толщины свариваемого элемента и быть более 1 мм. При удалении
поверхностных дефектов с торца шва абразивным инструментом без последующей подварки допускается углубляться с уклоном не более 1 : 20 на свободной кромке в толщину металла на величину 0,02 ширины свариваемого элемента, но не более чем на 8 мм с каждой стороны; при этом суммарное ослабление
сечения (с учетом допустимого ослабления по толщине) не должно превышать
5 %. После обработки торцов швов необходимо закруглить острые грани. Исправление сварных соединений посредством чеканки не допускается. Швы
сварных соединений проверяют одним из следующих методов неразрушающего
контроля. стыковых соединений балок и ригелей друг с другом, а также тавровых с полным проплавлением соединений балок или ригелей с колоннами - радиографическим или ультразвуковым в объеме 5 % при ручной или механизированной сварке и 2 % при автоматизированной сварке (кроме случаев, особо
оговоренных в чертежах КМ) от длины швов, выполненных каждым сварщиком; стыковых соединений оболочечного типа - радиографическим или ультразвуковым в объеме 10 % при ручной или механизированной сварке и 5 % при
автоматизированной сварке от длины швов, выполненных каждым сварщиком.
В случае обнаружения недопустимого дефекта проводят дополнительный неразрушающий контроль сварного шва на длине по 300 мм от концов первона-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 51 из 69
чально проконтролированного участка. При обнаружении в этом случае хотя
бы на одном из двух участков недопустимого дефекта сварной шов, выполненный данным сварщиком, подвергают 100 %-му контролю неразрушающим методом. При наличии соответствующего требования приемочного контроля в
чертежах регламентируемые показатели прочности, пластичности и вязкости
металла шва и зоны термического влияния сварного соединения проверяют испытанием контрольных образцов. Требования к контрольным образцам и их
сварке аналогичны требованиям к пробным образцам.
Эффективность системы диагностики проявляется в выявлении зависимостей между критериями надёжности и оценка времени работы изделия до отказа. Время работы изделия до отказа в разработанной системе оценивается методами акустической эмиссии и методом автоциркуляции импульсов ультразвуковых волн. Для создания объективной системы диагностики необходимо
рассматривать влияние эксплуатационных факторов на свойства основного металла паропроводов. К одному из методов неразрушающего контроля, использующегося в последнее время в теплоэнергетике, относится акустическая эмиссия (АЭ) – метод, основанный на регистрации волн напряжений от распространяющихся дефектов независимо от их природы и причин, вызывающих их развитие. Основным достоинством АЭ является возможность ее применения непосредственно в процессе эксплуатации энергооборудования, а также возможность определения координат возникающих несплошностей материала и, после
дополнительных исследований для определения особенностей технологических
режимов контролируемого объекта, оценить степень опасности развивающихся
дефектов.
Получение полезной информации, которая может быть выделена из интегрального количества регистрируемых сигналов АЭ, осуществляется методами
математической обработки, при этом число возможных учитываемых параметров может быть достаточно большим. В связи с этим определенное значение
имеет выбор наиболее информативных параметров, несущих необходимую информацию о локальной динамической перестройке внутренней структуры твердых тел. В нашем случае контроль и эксперименты как в лабораторных, так и
производственных условиях осуществлялись регистратором сигналов АЭ с переменной полосой пропускания в двух диапазонах 0,1-0,6 и 0,6-1,2 МГц при
уровне шумов, приведенных ко входу менее 1,5 мкВ и ширине полосы пропускания 8 кГц. Прибор при этом может работать в двух режимах: регистратора
сигналов АЭ с переменной полосой пропускания (предназначен для измерения
активности, интенсивности и суммарного счета АЭ с дискриминацией по трем
уровням) и анализатора спектра последовательного действия.
При установке комплекса контроля на теплоэнергетическое да и на любое
другое промышленное оборудование априорно определяются участки паропроводов, подвергающиеся повышенным нагрузкам во время эксплуатации. При
запланированных ремонтах на элементах конструкций, подлежащих периодическому или постоянному контролю, устанавливаются волноводы, рабочая
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 52 из 69
часть которых выходит за слой теплоизоляции. При периодическом контроле
на волноводы устанавливаются преобразователи, расстояние между волноводами которых составляет 8-10 метров. Данная система обеспечивает обнаружение и локализацию развивающихся дефектов с погрешностью менее 5 %. Контроль корпусов турбин происходит аналогичным образом. В общем случае на
турбине устанавливается 8-12 волноводов на местах наиболее подверженных
образованию трещин по данным отдела технического контроля ТЭС. Были
произведены исследования корпуса вблизи предполагаемого дефектного участка. На данном месте в течение года осуществлялся периодический контроль по
измерению активности сигналов акустической эмиссии. На первоначальном
этапе активность сигналов акустической эмиссии от предполагаемого дефектного участка была в 2-3 раза выше, чем от остальных точек контроля. После
наработки около 9 000 ч активность увеличилась почти в пять раз, что говорит
о наличии развивающегося дефекта. При этом использовались лабораторные
данные, полученные при испытании образцов литой стали с регистрацией акустической эмиссии. Оценка степени опасности дефекта позволила предотвратить аварийный останов, и во время планового ремонта в районе контролируемого участка была устранена трещина, и, следовательно, удалось избежать
ущерба, который мог быть нанесен аварией. При эксплуатации тепловых электростанций в металле котлов, паропроводов, турбин, работающих при температурах 450-600°С наблюдаются процессы ползучести, т.е. с течением времени
накапливается остаточная деформация узлов. Величина её составляет несколько процентов, а скорость накопления порядка (10-6-10-5)%/час. Наиболее интенсивно ползучесть протекает в гнутых отводах и сварных стыках паропроводов, что в конечном итоге является причиной их разрушения. На последней
стадии ползучести на границах зерен возникают микропоры и клиновидные
трещины, причем со временем количество их растет и они сливаются друг с
другом, образуя цепочки микропор и микротрещин, что в конечном итоге приводит к зарождению одной или нескольких макротрещин. Насосы применяемые
в теплоэнергетике так же подвергаются деформации, не так сильно как оборудование работающее под высокими температурами, но все же.
Размер микропор не превышает несколько мкм, что значительно меньше
порога чувствительности классических методов дефектоскопии. Однако микропоры видны в оптический микроскоп при увеличении 500-1000 раз при металлографическом исследовании. Длительность стадии ползучести от возникновения пор до развития макротрещины для теплостойких сталей (12Х1МФ и
15Х1М1Ф) может достигать половины общего времени эксплуатации, которое
составляет величину (1-3) • 105 час (за год энергооборудование нарабатывает
(7-8) • 103 час). Поэтому информация о степени дефектности металла позволяет
определить ресурс работоспособности. В настоящее время диагностика проводится в основном металлографическими методами во время остановок энергоблоков на текущие или капитальные ремонты, при этом используются и другие
методы дефектоскопии, однако все они требуют больших временных затрат.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 53 из 69
Микроструктура исследуется на шлифе с помощью портативного микроскопа
или на оттиске со шлифа на стационарном микроскопе. Высокая трудоемкость
приготовления шлифов ограничивает проведения масштабных работ. Поэтому
необходимо разрабатывать новые прогрессивные экспресс-методы. Поэтому в
систему внедрён разработанный метод автоциркуляции ультразвуковых импульсов, оценивающий микроструктуру металла, степень дефектности и прогноз остаточного ресурса работоспособности.
Немногие технологии допускают использование методик УЗК по скорости изменения УЗ. И это обусловлено тем, что изменение скорости УЗ может
быть вызвано: наличием остаточных напряжений, непостоянством температуры
окружающей среды, шероховатостью, кривизной поверхности, наличием окалины, геометрической дисперсией. Однако, применяя специальные датчики и
устройства, а также методически учитывая влияние этих факторов можно измерить не саму скорость, а её изменение относительно эталона, или отношение
скоростей различных типов и по этим величинам оценить изменения в материале, возникшие в процессе его эксплуатации. Старение оборудования тепловых
электростанций, которые относятся к объектам повышенной опасности, на данном этапе становится одной из основных проблем отечественной энергетики.
Исходя из этого, были проведены исследования металла образцов сварных соединений вырезанных из одного итого же паропровода: первое после 329640
часов эксплуатации и второе после 361800 часов.
Результаты механических испытаний сварных соединений и основного
металла показывают, что механические характеристики имеют большой запас
по прочности. При этом даже несплавление в корне шва на момент изготовления не привело к развитию дефекта после наработки 361800 часов и последующему разрушению.
Стоит отметить, что, анализ одного из эксплуатационных параметров
(давление) в течение суток и в разное время года, приводит к тому, что паропровод испытывает малоцикловое нагружение. Перепады давления могут приводить к развитию усталостных трещин от дефектов в сварных швах, поэтому
необходимо применение методов неразрушающего контроля, что особенно актуально для паропроводов, отработавших расчетный срок.
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:
методы контроля качества и состояния теплоизоляционных материалов, дефектоскопия.
Вопросы для самоконтроля
1 Какие существуют методы контроля качества и состояния металлов?
2 Какие существуют методы контроля качества и состояния теплоизоляционных материалов?
3 Что понимают под дефектоскопией?
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 54 из 69
4 Какие существуют методы неразрушающего контроля?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 3. Основы планирования эксперимента
Лекция 11
(1 час; 13 неделя)
Тема. Основы теории планирования эксперимента
Вопросы
1 Основные понятия теории планирования эксперимента. Критерии оптимальности планов регрессионного анализа.
2 Планы I порядка. Однофакторный эксперимент, полный факторный
эксперимент, дробный факторный эксперимент.
3 Генерирующее соотношение. Выяснение системы смешивания.
4 Планы II порядка.
5 Оценивание параметров нелинейных регрессионных моделей.
6 Задача оптимизации в экстремальных экспериментах. Методы одномерного поиска. Многомерный поиск. Принципиальные отличия от задач одномерного поиска.
7 Градиентные методы поиска. Неградиентные методы. Поиск экстремума при наличии ограничений.
Планирование эксперимента – это процедура выбора числа и условий
проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной
задачи с требуемой точностью.
Планирование эксперимента обеспечивает оптимальное исследование
разнообразных объектов в смысле:
- минимизации числа опытов и, следовательно, времени и затрат;
- реализации специальных планов эксперимента, предусматривающих
одновременное варьирование всеми переменными;
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 55 из 69
- использования аппарата математической статистики, позволяющего
формализовать многие действия экспериментатора и принимать обоснованные
решение после каждой серии экспериментов.
Целью полного и дробного факторного эксперимента является получение
линейной и неполной квадратичной статической модели исследуемого объекта
(уравнения регрессии).
Дробным факторным экспериментом (ДФЭ) называется эксперимент, реализующий часть (дробную реплику) ПФЭ. ДФЭ позволяет получить линейное
приближение искомой функциональной зависимости в некоторой небольшой
окрестности точки базового режима при минимуме опытов.
Планированием эксперимента второго порядка называется такое планирование, которое позволяет получить математическую модель исследуемого
объекта в виде полного полинома второго порядка и аппроксимация его плоскостью не обеспечивает требуемую точность.
Планы второго порядка отличаются от линейный тем, что факторы варьируются на нескольких уровнях, как минимум на трех.
Планирование экстремальных экспериментов позволяет решать задачу
оптимизации объекта исследования, которая сводится к отысканию таких значений управляемых переменных х10, х20,…, хn0, при которых целевая функция
достигает экстремума. При эксперимантальном поиске стационарной точки х0
в факторном пространстве переменных Х осуществляется локальное изучение
поверхности отклика по результатам ряда экспериментов, специально спланированных вблизи текущей точки. Экстремальное значение отклика достигается
с помощью многократной последовательности процедуры изучения поверхности и продвижения в факторном пространстве.
Методы планирования эксперимента позволяют минимизировать число
необходимых испытаний, установить рациональный порядок и условия проведения исследований в зависимости от их вида и требуемой точности результатов. Если же по каким-либо причинам число испытаний уже ограничено, то методы дают оценку точности, с которой в этом случае будут получены результаты. Методы учитывают случайный характер рассеяния свойств испытываемых
объектов и характеристик используемого оборудования. Они базируются на методах теории вероятности и математической статистики.
Планирование эксперимента включает ряд этапов.
1. Установление цели эксперимента (определение характеристик, свойств
и т. п.) и его вида (определительные, контрольные, сравнительные, исследовательские).
2. Уточнение условий проведения эксперимента (имеющееся или доступное оборудование, сроки работ, финансовые ресурсы, численность и кадровый
состав работников и т. п.). Выбор вида испытаний (нормальные, ускоренные,
сокращенные в условиях лаборатории, на стенде, полигонные, натурные или
эксплуатационные).
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 56 из 69
3. Выявление и выбор входных и выходных параметров на основе сбора и
анализа предварительной (априорной) информации. Входные параметры (факторы) могут быть детерминированными, то есть регистрируемыми и управляемыми (зависимыми от наблюдателя), и случайными, то есть регистрируемыми,
но неуправляемыми. Наряду с ними на состояние исследуемого объекта могут
оказывать влияние нерегистрируемые и неуправляемые параметры, которые
вносят систематическую или случайную погрешность в результаты измерений.
Это — ошибки измерительного оборудования, изменение свойств исследуемого
объекта в период эксперимента, например, из-за старения материала или его
износа, воздействие персонала и т. д.
4. Установление потребной точности результатов измерений (выходных
параметров), области возможного изменения входных параметров, уточнение
видов воздействий. Выбирается вид образцов или исследуемых объектов, учитывая степень их соответствия реальному изделию по состоянию, устройству,
форме,
размерам
и
другим
характеристикам.
На назначение степени точности влияют условия изготовления и эксплуатации
объекта, при создании которого будут использоваться эти экспериментальные
данные. Условия изготовления, то есть возможности производства, ограничивают наивысшую реально достижимую точность. Условия эксплуатации, то
есть условия обеспечения нормальной работы объекта, определяют минимальные
требования
к
точности.
Точность экспериментальных данных также существенно зависит от объёма
(числа) испытаний — чем испытаний больше, тем (при тех же условиях) выше
достоверность
результатов.
Для ряда случаев (при небольшом числе факторов и известном законе их распределения) можно заранее рассчитать минимально необходимое число испытаний, проведение которых позволит получить результаты с требуемой точностью.
5. Составление плана и проведение эксперимента — количество и порядок испытаний, способ сбора, хранения и документирования данных.
Порядок проведения испытаний важен, если входные параметры (факторы) при
исследовании одного и того же объекта в течение одного опыта принимают
разные значения. Например, при испытании на усталость при ступенчатом изменении уровня нагрузки предел выносливости зависит от последовательности
нагружения, так как по-разному идет накопление повреждений, и, следовательно,
будет
разная
величина
предела
выносливости.
В ряде случаев, когда систематически действующие параметры сложно учесть
и проконтролировать, их преобразуют в случайные, специально предусматривая случайный порядок проведения испытаний (рандомизация эксперимента).
Это позволяет применять к анализу результатов методы математической теории
статистики.
Порядок испытаний также важен в процессе поисковых исследований: в зависимости от выбранной последовательности действий при экспериментальном
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 57 из 69
поиске оптимального соотношения параметров объекта или какого-то процесса
может потребоваться больше или меньше опытов. Эти экспериментальные задачи подобны математическим задачам численного поиска оптимальных решений. Наиболее хорошо разработаны методы одномерного поиска (однофакторные однокритериальные задачи), такие как метод Фибоначчи, метод золотого
сечения.
6. Статистическая обработка результатов эксперимента, построение математической
модели
поведения
исследуемых
характеристик.
Необходимость обработки вызвана тем, что выборочный анализ отдельных
данных, вне связи с остальными результатами, или же некорректная их обработка могут не только снизить ценность практических рекомендаций, но и привести к ошибочным выводам. Обработка результатов включает:
 определение доверительного интервала среднего значения и дисперсии
(или среднего квадратичного отклонения) величин выходных параметров
(экспериментальных данных) для заданной статистической надежности;
 проверка на отсутствие ошибочных значений (выбросов), с целью исключения сомнительных результатов из дальнейшего анализа. Проводится на
соответствие одному из специальных критериев, выбор которого зависит
от закона распределения случайной величины и вида выброса;
 проверка соответствия опытных данных ранее априорно введенному закону распределения. В зависимости от этого подтверждаются выбранный
план эксперимента и методы обработки результатов, уточняется выбор
математической модели.
Построение математической модели выполняется в случаях, когда должны быть получены количественные характеристики взаимосвязанных входных
и выходных исследуемых параметров. Это — задачи аппроксимации, то есть
выбора математической зависимости, наилучшим образом соответствующей
экспериментальным данным. Для этих целей применяют регрессионные модели, которые основаны на разложении искомой функции в ряд с удержанием одного (линейная зависимость, линия регрессии) или нескольких (нелинейные зависимости) членов разложения (ряды Фурье, Тейлора). Одним из методов подбора линии регрессии является широко распространенный метод наименьших
квадратов.
Для оценки степени взаимосвязанности факторов или выходных параметров проводят корреляционный анализ результатов испытаний. В качестве меры
взаимосвязанности используют коэффициент корреляции: для независимых или
нелинейно зависимых случайных величин он равен или близок к нулю, а его
близость к единице свидетельствует о полной взаимосвязанности величин и
наличии
между
ними
линейной
зависимости.
При обработке или использовании экспериментальных данных, представленных в табличном виде, возникает потребность получения промежуточных значений. Для этого применяют методы линейной и нелинейной (полиноминаль-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 58 из 69
ной) интерполяции (определение промежуточных значений) и экстраполяции
(определение значений, лежащих вне интервала изменения данных).
7. Объяснение полученных результатов и формулирование рекомендаций
по их использованию, уточнению методики проведения эксперимента.
Снижение трудоемкости и сокращение сроков испытаний достигается
применением автоматизированных экспериментальных комплексов. Такой
комплекс включает испытательные стенды с автоматизированной установкой
режимов (позволяет имитировать реальные режимы работы), автоматически
обрабатывает результаты, ведет статистический анализ и документирует исследования. Но велика и ответственность инженера в этих исследованиях: четкое
поставленные цели испытаний и правильно принятое решение позволяют точно
найти слабое место изделия, сократить затраты на доводку и итерационность
процесса проектирования.
Вопросы для самоконтроля
1 В чем заключается теории планирования эксперимента?
2 Что понимают под однофакторным экспериментом?
3 Что понимают под полным факторным экспериментом?
4 Как оценивают параметры нелинейных регрессионных моделей?
5 Что понимают под методами одномерного поиска?
6 Что понимают под методами многомерного поиска?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 3. Основы планирования эксперимента
Лекция 12
(1 час; 14 неделя)
Тема. Системы автоматизации экспериментальных исследований
Вопросы
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 59 из 69
1 Общие принципы построения систем автоматизации экспериментальных исследований.
2 Измерительно-вычислительные комплексы.
3 Ввод измерительной информации в устройства цифровой вычислительной техники.
4 Требования к устройствам сопряжения.
5 Алгоритмизация задач сбора и обработки измерительной информации.
Условия проведения научного эксперимента, связанного с исследованием
механизма физико-химических явлений, свойств веществ, технических машин
и агрегатов, требуют все большего объема измерений различных по своей природе параметров.
Усложнение задач экспериментального исследования приводит к необходимости применения достаточно сложных алгоритмов обработки результатов
измерений, управления экспериментом в ходе исследования, повышения требований к точности, достоверности и скорости измерений. Возможны три уровня
организаций САЭИ, отражающих тенденции их развития.
В системе первого уровня ЭВМ, используемые для обработки экспериментальной информации, непосредственно в нее не включена, в силу чего возможности такой системы ограничены.
САЭИ второго уровня предполагают использование ЭВМ в автономном
режиме обработки экспериментальных данных, при котором ЭВМ осуществляет управление устройствами сопряжения.
На третьем уровне весь комплекс аппаратуры строится как замкнутая автоматическая система, объединяемая общей программой функционирования. В
такой системе в задачу исследования входят контроль за выполнением программы эксперимента, ее текущая корректировка и физическая интерпретация
результатов, получаемых с блока СПИ.
Современные тенденции развития экспериментальных исследований
фундаментального и прикладного характера привели к созданию человекамашинных систем, включающих развитые ИВК.
Под ИВК следует понимать автоматизированное средство измерения и
обработки опытных данных и управления ходом эксперимента, предназначенное для исследования сложных объектов и процессов и представляющее собой
совокупность программных и технических средств, имеющих блочномодульную структуру.
Автоматизация эксперимента - комплекс средств и методов для ускорения сбора и обработки экспериментальных данных, интенсификации использования экспериментальных установок, повышения эффективности работы исследователей. Характерной особенностью А. э. является использование ЭВМ,
что позволяет собирать, хранить и обрабатывать большое кол-во информации,
управлять экспериментом в процессе его проведения, обслуживать одновременно неск. установок и т. д. Первые попытки А. э. возникли в 1950-е гг. в ис-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 60 из 69
следованиях, связанных с ядерной физикой. В последующие годы А. э. нашла
применение в др. областях физики и естествознания вообще: в физике элементарных частиц, термоядерных, космических и медико-биологических исследованиях, в геофизике, радиоастрономии и т. п. Используемые при этом автоматизированные системы (АС) экспериментальных исследований отличаются
большим разнообразием, однако можно выделить общие принципы, обеспечивающие их эффективность.
Общие принципы и требования:
1. Повышенные требования к быстродействию АС, поскольку такие системы предназначены для быстрого получения и анализа данных и быстрого
принятия решений.
2. Высокая надёжность АС, возможность длительной безотказной работы, что связано с увеличением стоимости совр. экспериментальных установок.
3. Простота эксплуатации АС и использование готовых унифицированных блоков.
4. Необходимость предварительного планирования исследований и разработка возможных вариантов.
5. Гибкость АС, допускающая изменение её структуры и состава в процессе работы.
6. Возможность коллективного обслуживания различие установок.
7. В АС должен быть предусмотрен диалоговый режим работы, когда
осуществляется непосредственная связь человека с системой с помощью спец.
языка.
8. В АС необходима простая и быстрая система контроля. Для контроля
системы в целом обычно вводят некоторый синтетический критерий, характеризующий работу системы в среднем. Таким критерием может быть результат
измерения известной величины: если полученные значения находятся в допустимых пределах, то состояние системы считается удовлетворительным.
ЭВМ в АС работают в режиме "реального масштаба времени", или "в
линию". При этом ЭВМ, получая от системы данные, обрабатывает их и выдаёт
результаты настолько быстро, что их можно использовать для воздействия на
систему (или объект исследования). В экспериментальных исследованиях чаще
применяют смешанный режим. Часть данных обрабатывают в реальном времени и используют для контроля и управления, а основной массив данных с помощью ЭВМ записывают на долговременный носитель и обрабатывают после
окончания сбора данных. Целесообразность такого режима обусловлена скорее
экономическим причинами, ибо невыгодно применять быстродействующее дорогое оборудование, к-рое успевало бы в реальном времени обрабатывать полный массив данных. Это связано с тем, что полностью автоматизированная обработка данных может производиться только в рутинных исследованиях по
уточнению некоторых констант, когда вся процедура обработки, все поправки
уже известны.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 61 из 69
При выполнении новых исследований трудно предусмотреть все тонкости измерений. В ходе исследования могут появиться неожиданные результаты,
которые необходимо уточнить или подтвердить. Для решения этой задачи с
помощью АС приходится проводить предварит. обработку данных в возможно
более короткие сроки (лучше в реальном времени), пусть даже по приближённым ф-лам, с худшей, чем окончат. обработка, точностью. Подобное оперативное изменение условий эксперимента на основании экспресс-обработки данных
получило назв. управление экспериментом, что не совсем точно, поскольку
происходит лишь изменение условий измерений на основании анализа полученных данных.
Математическое (программное) обеспечение АС разрабатывают на основе математических методов анализа данных. Математическое обеспечение на
алгоритмическом уровне практически не связано с конкретным типом ЭВМ, а
определяется особенностями исследования. Важно разработать такое математическое обеспечение, которое, с одной стороны, было бы адекватно выполняемым исследованиям, а с другой - не было бы слишком сложным. При создании
нового программного обеспечения следует учитывать, что наиб. эффективным
является такое распределение труда, при к-ром программисты разрабатывают
общие программы, имеющие чёткое математическое обоснование и не слишком
связанные с особенностями конкретного исследования. Спец. программы
должны разрабатывать исследователи, ибо они лучше всего знают особенности
исследования, которые к тому же заранее обычно нельзя строго формализовать.
Машинным (вычислительным) экспериментом наз. расчёт математической модели явления, построенной на основе науч. гипотезы. Если в основу модели положена строгая теория, то машинный эксперимент оказывается просто
расчётом. В тех же случаях, когда система становится настолько сложной, что
невозможно учесть все связи, приходится создавать упрощённые модели системы и проводить машинный эксперимент. Он в любом случае не может служить доказательством истинности модели, поскольку в его основу положена
гипотеза, которую можно проверить только при сопоставлении результатов моделирования с экспериментами на реальном объекте. Однако роль машинного
эксперимента иногда очень важна, ибо в результате можно отбросить заведомо
ложные варианты либо сравнить по тем или иным критериям различиям варианты подлежащих исследованию процессов.
Структура автоматизированной системы. Данные об исследуемом объекте от спец. датчиков измеряемых величин поступают в виде электрического
сигналов на измерит. аппаратуру, к-рая состоит из след. компонентов: защищённых от помех линий передачи, усилителей, преобразователей аналоговой
информации в цифровую и т. д., образующих канал измерения. Передача цифровой информации к ЭВМ происходит через т. н. интерфейс - сопрягающее
устройство для соединения различных блоков АС с ЭВМ. Данные в ЭВМ поступают через канал обмена. Обработка данных производится в центр. процессоре, в к-ром имеется устройство, где временно хранятся данные и программы,-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 62 из 69
т. н. оперативное з а-поминающее устройство. Если скорость работы центр.
процессора или ёмкость запоминающего устройства не позволяют полностью
обработать данные, они передаются в долговременную память ЭВМ или в др.
ЭВМ с большей производительностью. Если обработанные центр. процессором
данные и команды управления передаются на измерит. аппаратуру, можно получить автоматическое управление экспериментом
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:
системы автоматизации экспериментальных исследований.
Вопросы для самоконтроля
1 На чем основаны принципы построения систем автоматизации экспериментальных исследований?
2 Как осуществляется алгоритмизация задач сбора и обработки измерительной информации?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
Модуль 3. Основы планирования эксперимента
Лекция 13
(1 час; 15 неделя)
Тема. Метрологическое обеспечение экспериментальных
исследований
Вопросы
1 Передача размера единиц от эталона к образцовым рабочим средствам
измерений.
2 Градуировка и поверка средств измерений.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 63 из 69
3 Метрологическое обеспечение средств измерения температуры, давления, расхода, уровня, физико-химических свойств веществ, анализаторов качества и средств измерений состава и концентрации веществ.
4 Метрологическая аттестация средств измерений.
В современном обществе метрология как наука и область практической
деятельности играют большую роль. Это связано с тем, что практически нет ни
одной сферы человеческой деятельности, где бы не использовались результаты
измерений. Измерения являются неотъемлемой частью большинства трудовых
процессов. Затраты на обеспечение и проведение измерений составляют около
20 % от общих затрат на производство продукции.
Под метрологическим обеспечением понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм.
необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
Измерения физических величин, характеризующих состав веществ и материалов, характерны тем, что образцовые средства измерений и эталоны
должны опираться на основную «химическую» единицу - моль. Поскольку эталон моля в настоящее время не реализован, в физико-химических измерениях
не используется традиционный для других видов измерения способ обеспечения единства измерений с построением подробной поверочной схемы. Специфика измерений состава веществ и материалов заставляет основным методом
обеспечения единства измерений выбрать использование стандартных образцов
материалов и использование стандартных справочных данных о свойствах чистых веществ, их смесей, сплавов и т. д.
В измерениях влажности для градуировки и калибровки гигрометров используются либо термодинамические свойства воды, либо различного рода генераторы паровоздушных или парогазовых смесей, параметры которых также
определяются термодинамическими свойствами воды. Стандартные справочные данные позволяют вычислять разнообразные характеристики влажности.
Специфическим средством обеспечения единства измерений в гигрометрии являются генераторы относительной или абсолютной влажности. Существует несколько типов генераторов влажного газа: генераторы, работающие по
методу двух температур, по методу двух давлений и по методу двух расходов.
Во всех типах генераторов изначально создается насыщенный пар при известной температуре. Содержание воды определяется по уравнению упругости. Далее, в генераторе по двум температурам парогазовая смесь направляется в объем, температура которого выше, чем та, при которой проводилось насыщение
парогазовой смеси. В генераторе по двум давлениям измеряется давление в камере насыщения, где относительная влажность равна 100 %, и давление в рабочей камере, отличающееся от давления в камере насыщения. Далее, используя
газовые законы и считая, что абсолютное количество влаги в генераторе неизменно, вычисляется относительная влажность газа. В этом методе кроме уравнения упругости насыщенных паров необходимо пользоваться стандартными
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 64 из 69
справочными данными о коэффициентах сжимаемости водяного пара, характеризующих степень не идеальности парогазовой смеси.
Генераторы влажного газа по двум расходам представляют собой два
воздушных или газовых потока, один из которых насыщается влагой до значения относительной влажности, близкой к 100%. Второй газовый поток тщательно осушается пропусканием через селикагель или ловушку с пентаксидом
(пятиокись фосфора). Относительная влажность φ, %, рассчитывается в соответствии с соотношением:
Qвл

 100%
(1)
Qвл  Qсух
где Qвл – расход влажного газа;
Qсух – расход сухого газа.
В обеспечении единства измерений жидких сред и твердых образцов основным средством измерения являются стандартные образцы состава. Для металлов и сплавов это болванки диаметром в несколько сантиметров, изготовленные по технологиям, обеспечивающим однородность состава по всему образцу. При плавке образцов в цилиндрических печах неоднородности концентрируются по оси цилиндра. По этой причине при анализе не рекомендуют использовать центральные участки болванки. Некоторые производители высверливают в стандартном образце центральные зоны, где состав может отличаться
от состава остальных частей болванки.
Стандартные образцы жидких сред также приготавливаются специально и
хранятся либо в герметичной посуде, либо запаиваются в ампулы. Главным
моментом в создании стандартных образцов жидких сред является обеспечение
стабильности состава. Для этого нужно подбирать такие смеси, в которых не
шли бы химические реакции, не было бы фотолиза, не выпадал бы осадок. Специальные центры и лаборатории во многих странах мира занимаются исследованием и приготовлением стандартных образцов самого широкого назначения.
После изготовления стандартные образцы состава жидких сред или твердых образцов рассылаются в несколько аналитических лабораторий для аттестации. Затем результаты собираются воедино и сравниваются. При отсутствии
значительных расхождений составляется паспорт стандартного образца, ему
присваивается номер, а состав фиксируется в государственных реестрах стандартных образцов. При наличии расхождений в анализах различных лабораторий собирается согласительная комиссия, которая определяет наиболее надежные результаты аттестации стандартного образца. В Госреестр такой образец
заносится только после соответствующей экспертизы.
Под метрологической аттестацией средства измерений понимают признание этого СИ узаконенным для применения. С этой целью согласно ГОСТ
проводится экспертиза, в ходе которой тщательно исследуются метрологические свойства этого средства измерения.
Метрологическая аттестация может применяться к:
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014




Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 65 из 69
СИ, которые не подлежат государственным испытаниям;
опытным образцам;
измерительным приборам, которые выпускаются или ввозятся из-за границы либо единичными экземплярами, либо небольшими партиями;
измерительным системам и их каналам.
Основные задачи метрологической аттестации
К основным задачам, преследуемым в рамках проведения такой аттестации, относятся:
 определение метрологических характеристик СИ и установление их соответствия/несоответствия нормативным требованиям;
 установление тех из метрологических характеристик (МХ), которые подлежат контролю в процессе поверки этого СИ;
 опробование методики поверки.
Итог экспертизы СИ оформляется протоколом определенной формы. Если результаты положительные, то на средство измерений выдается установленной формы свидетельство о метрологической аттестации с указанием МХ.
Разновидности
 Различают метрологическую аттестацию:
 первичную;
 периодическую;
 повторную.
При первичной аттестации средства измерения устанавливается:
возможность воспроизведения им факторов и режимов функционирования
при проведении измерений в отношении конкретной продукции;
отклонение измерительных параметров от нормированных значений;
обеспечена ли безопасность персонала при проведении измерений посредством этого СИ и отсутствует ли вредное воздействие на окружающую
среду;
комплекс тех метрологических характеристик СИ, которые необходимо
проверять при периодической аттестации, в том числе посредством каких
методов, средств и с какой периодичностью она должна проводиться.
Периодическая аттестация проводится уже непосредственно в процессе
эксплуатации СИ и в том объеме, который требуется для подтверждения, что
его характеристики соответствуют нормативным требованиям и эксплуатационным документам. При получении положительных результатов также
оформляется соответствующий протокол, выдается аттестат и осуществляется запись в эксплуатационных документах.
Обеспечение единства измерений. Понятие «единство измерений» является достаточно емким. Именно на его достижение и поддержание направ-
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 66 из 69
лена работа метрологических служб. Эта характеристика отражает получение средством измерения результатов в узаконенных единицах и с погрешностями, которые либо известны с заданной вероятностью, либо не превышают установленных пределов.
Для обеспечения единства измерений требуется, чтобы единицы, в которых градуированы одной и той же величины средства измерений, были
тождественны. Под воспроизведением единицы физической величины понимают комплекс операций по материализации этой единицы с наивысшей
точностью с помощью либо государственного эталона, либо исходного, т.н.
образцового СИ.
Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:
поверка средств измерений, аттестация средств измерений.
Вопросы для самоконтроля
1 Как осуществляют поверку средств измерений?
2 Как осуществляется метрологическое обеспечение средств измерения
температуры, давления, расхода, уровня, физико-химических свойств веществ,
анализаторов качества и средств измерений состава и концентрации веществ?
3 Что понимают под аттестацией средств измерений?
Рекомендуемая литература
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.
Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. – М.:
Энергия, 1978. – 704 с.
Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под
общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: издательство МЭИ, 2007. –
564 с.
Электронная энциклопедия энергетики.
3 ПРАКТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Лабораторные и практические занятия – одна из форм учебного занятия,
направленная на развитие самостоятельности магистрантов и приобретение
умений и навыков.
Лабораторные и практические занятия должны способствовать углубленному изучению наиболее сложных вопросов дисциплины и служат основной
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 67 из 69
формой подведения итогов самостоятельной работы магистрантов. Именно на
этих занятиях магистранты учатся грамотно излагать проблемы и свободно высказывать свои мысли и суждения, рассматривают ситуации, способствующие
развитию профессиональной компетентности. Всё это помогает приобрести
навыки и умения, необходимые современному специалисту.
Практическое занятие 1
(3 часа; 1, 2, 3 недели)
Тема. Определение метрологических характеристик средств
измерения
Цель занятия. Изучить метрологические характеристики средств измерения.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты приводятся в методических указаниях. Изучить принцип, условия конструкции, назначение, условия эксплуатации и области применения деформационных приборов давления. Произвести проверку манометра с трубчатой пружиной. Освоить алгоритм поверки средств измерений
Практическое занятие 2
(3 часа; 4, 5, 6 недели)
Тема. Определение оценок коэффициентов линейной регрессии
методом наименьших квадратов
Цель занятия. Освоить оценку методом наименьших квадратов.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты приводятся в методических указаниях. Изучить связь линейной регрессий
между методом наименьших квадратов.
Практическое занятие 3
(3 часа; 7, 8, 9 недели)
Тема. Методы измерения термо- э.д.с.
Цель занятия. Изучит методы измерения термо-э.д.с.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты приводятся в методических указаниях. Измерение термо-ЭДС компенсационным путем. Изучить порядок выполнения работ при измерений.
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 68 из 69
Практическое занятие 4
(3 часа; 10, 11, 12 недели)
Тема. Определение теплофизических свойств металлов
Цель занятия. Изучит методы определения теплофизических свойств материалов.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты приводятся в методических указаниях. Метод плоских температурных волн.
Применение динамического метода для определения температуропроводности
металлов.
Практическое занятие 5
(3 часа; 13, 14, 15 недели)
Тема. Определение состава продуктов сгорания
органического топлива
Цель занятия. Изучить состав продуктов сгорания при сжиганий органического топлива
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты приводятся в методических указаниях. Расчет состава и количества продуктов горения топлива
Лабораторная работа 1
(7 часов, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 недели)
Тема. Анализ результатов исследования по определению коэффициента теплопередачи ограждений.
Цель занятия. Изучить сущность и основные характеристики измерений.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты лабораторной работы приводятся в методических указаниях к работе.
Лабораторная работа 2
(8 часов, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 недели)
УМКД 042-18-6.1.154/03-2014
Ред. № ____ от «__» _________ 2014 г.
Страница 69 из 69
Тема. Анализ результатов исследования по определению влажности
материалов.
Цель занятия. Изучить сущность и основные характеристики измерений.
Методические рекомендации по проведению работы, вопросы для защиты лабораторной работы приводятся в методических указаниях к работе.
4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ОБУЧАЮЩЕГОСЯ
При кредитной системе обучения предъявляются высокие требования к
повышению качества организации самостоятельной работы магистрантов, которая включает выполнение различных домашних заданий.
Перечень тем для самостоятельной работы магистрантов:
1 Теплотехнические приборы и измерения. (Реферат).
2 Методы экспериментального изучения процессов тепло – и массообмена. (Реферат).
3 Экспериментальные исследования теплофизических свойств веществ.
(Реферат).
4 Теория калориметрического опыта. Калориметры. (Реферат).
5 Методы и средства контроля технических материалов и металлов теплоэнергетических и теплотехнологических установок. (Реферат).
6 Системы автоматизации экспериментальных исследований. (Реферат).
7 Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований. (Реферат).