книги из ГПНТБ / Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях

Л. Л. Б О Ш Н Я К

ИЗМЕРЕНИЯ

ПРИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЯХ

ЛЕНИНГРАД

,, М АШ И Н О С ТРО ЕН И Е '1

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

1974

Б86

УДК-536.5 : 621

БОШНЯК Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-пие), 1974. 448 с.

В книге рассмотрены основные вопросы современной теории технических исследований: оценка совершенства процессов в объектах исследований, организация и плани­ рование экспериментов, выбор и использование измери­ тельной аппаратуры, регистрация и автоматическая об­ работка результатов измерений, а также некоторые мето­ дики статистического анализа экспериментальных данных.

Основное внимание уделено особенностям физических явлений, используемых в измерительной технике, методам теории подобия и аналогии между различными системами. Большинство характеристик приборов или датчиков пред­ ставлено в обобщенной форме, в виде зависимостей между критериями подобия процессов, что значительно упрощает исследование свойств и эксплуатацию информационно­ измерительных комплексов.

Книга предназначена для инженеров-теплотехников и машиностроителей, занимающихся вопросами измери­ тельной техники, а также может быть полезна студентам старших курсов различных специальностей, осваивающим методику научно-технических исследований.

Табл. 37. Ил. 175. Список лит. 185 назв.

Рецензенты: д-р техн. наук Г. А. Лукьянов и канд. техн. наук Н. Ф. Гонек

Редактор канд. техн. наук Л. Н. Бызов

30302—243 Б 038(01)—74 243—74

© Издательство «Машиностроение» , 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Все стадии создания теплоэнергетических установок, двигателей наземных, плавающих и летательных аппаратов тесно связаны с большим объемом научно-технических экспериментальных иссле­ дований. В период проектирования и расчетов объектов цели иссле­ дований заключаются в отыскании новых эффективных путей прове­ дения основных процессов энергообмена. Производство деталей и узлов агрегатов сопровождается испытаниями для проверки функг ционирования и оценки достигнутого качества агрегатов. И, наконец, отладка и настройка теплотехнических устройств производятся ис­ ключительно опытным путем.

Информация о результатах исследований получается с помощью измерительных приборов. Результаты любых измерений искажены погрешностями, характер и уровень которых зависят не только от индивидуальных особенностей применяемой аппаратуры, но и от режимов изучаемых процессов, взаимодействия измерительных систем с объектом исследования и внешних возмущений, воздей­ ствующих на объект и элементы измерительных цепей. Поэтому до проведения эксперимента необходимо согласование свойств при­ боров со свойствами объекта на всех режимах работы последнего. Аналитически такое согласование осуществляется на основе соответ­ ствующей математической модели единой сложной системы, включаю­ щей в себя как объект, так и средства получения информации.

Очевидно, что для разработки математической модели процессы в объекте и процессы в измерительной аппаратуре должны быть описаны единообразно. Предлагаемая вниманию читателя книга рассчитана прежде всего на инженеров-теплотехников или машино­ строителей, поэтому в основу описания процессов в элементах изме­ рительных цепей положены методы, традиционные для теплоэнерге­ тики. В частности, широко использован метод обобщенного анализа характеристик измерительных преобразователей. Теория подобия

и анализ размерностей, составляющие основу обобщенного анализа,

внастоящее время разработаны достаточно полно и широко исполь­ зуются при постановке и обработке экспериментатов. Замена свя­ зей между размерными параметрами какого-либо процесса связями между безразмерными комплексами, составленными из этих парамет-

ров, не только значительно сокращает число переменных, включае­ мых в систему уравнений математической модели, но во многих слу­ чаях способствует лучшему пониманию физического смысла описы­ ваемых явлений.

Некоторые практические затруднения при использовании методов обобщенного анализа вызывает то обстоятельство, что чем сложнее рассматриваемая задача (т. е. чем больше размерных параметров ис­ пользуется для описания изучаемого процесса), тем больше может быть получено разнообразных форм безразмерных комплексов. Неод­ нозначность этих форм усложняет сравнение результатов, получен­ ных различными авторами, и задерживает разработку единых норма­ тивных документов на представление характеристик приборов (или других функциональных элементов) в обобщенном виде. На основе современного системного подхода к описанию процессов автором раз­ работана некоторая стандартная процедура определения безразмер­ ных комплексов — координат обобщенных характеристик измери­

Поскольку книга предназначена для исследователей, не обладаю­ щих, как правило, достаточным опытом в приборостроении и метро­ логии, то ее построение подчинено цели ознакомления читателя с ком­ плексом вопросов, которые необходимо согласовывать при осущест­ влении технических экспериментов.

Выполнение измерений при исследованиях теплотехнических объектов также тесно связано с планом экспериментов и методами об­ работки полученной информации. В первом разделе — «Экспери­ мент и свойства измерительных систем» — последовательно рассмо­ трен ряд проблем, решение которых предшествует проведению экспе­ риментов: особенности процессов в теплотехнических объектах, оценка совершенства процессов, переход к обобщенным параметрам и планирование технических исследований. Придерживаясь в ос­ новном традиционного изложения, автор пытался дать новое обос­ нование необходимости линейных характеристик измерительных цепей и их элементов. Подробно рассмотрен вопрос о линеаризации реальных характеристик. Использование понятия о коэффициенте преобразования позволило изложить многие вопросы, ранее слабо связанные между собой, с единых позиций и показать достаточно наглядно связь между различными характеристиками приборов и характеристиками объектов исследования.

Второй раздел — «Построение измерительных цепей и регистра­ ция сигналов» — знакомит читателя с физическими явлениями, ис­ пользуемыми в измерительной технике, аналогией в математическом описании процессов в различных системах, а также с теорией и тех­ никой автоматической регистрации и обработки измерительных сигна­ лов, получаемых в процессе проведения эксперимента. Здесь помимо подробного обсуждения технических возможностей универсальных регистраторов различного принципа действия освещены проблемы, связанные с унификацией разнородных сигналов и синхронизацией многопараметрической регистрации, актуальные при исследованиях

4

современных сложных теплотехнических объектов. В связи с тем, что в книге вообще не рассматриваются особенности технологических измерений в промышленных условиях, в гл. VII приводятся лишь сведения о задачах и способах обработки измерительных сигналов на универсальных ЭВМ; для более глубокого ознакомления с су­ ществующими машинами централизованного контроля, управле­ ния и регистрации читатель отсылается к соответствующим литера­ турным источникам.

В третьем разделе — «Измерительные системы» — подробно рас­ смотрены особенности измерителей температур, перемещений, ско­ ростей движения, напряжений в материалах, давлений, усилий, мо­ ментов сил и расходов потоков, т. е. параметров, наиболее характер­ ных для теплотехнических объектов. Основной акцент сделан на определении координат обобщенных характеристик приборов и на физических особенностях процессов в приборах, определяющих области и режимы использования аппаратуры различного принципа действия. Как и во второй части, здесь кроме описательного мате­ риала приводятся некоторые справочные данные по измерительным приборам и датчикам, доступным для экспериментатора.

Раздел четвертый — «Статистическая обработка результатов из­ мерений» (написанный канд. техн. наук О. П. Березиным) — содержит ряд рекомендаций (и примеров их использования) по приложениям вероятностно-статистических методов к наиболее типичным задачам обработки результатов измерений. Новым является изложение мето­ дов (гл. XIV, п. 4) экспериментальной оценки точности приборов без использования эталонов или образцовых приборов и установок. Несмотря на то что эти методы еще проходят опытную проверку, уже имеется уверенность в их эффективности для строго линейных градуировочных зависимостей при достаточно больших объемах

В настоящее время происходят интенсивное развитие и формиро­ вание общей теории эксперимента, причем многие публикации огра­ ничиваются рассмотрением лишь вероятностно-статистических аспек­ тов этой теории. В действительности общая теория эксперимента должна охватывать более широкий круг вопросов и, в первую очередь, теорию информационно-измерительной техники и приборостроения. Не претендуя на полное освещение указанной теории, данная книга может рассматриваться как попытка обобщения некоторых вопросов получения информации при исследованиях на основе физико-энер­ гетического подхода к описанию процессов в элементах измеритель­ ных устройств.

Во время работы над книгой постоянно осуществлялся полезный обмен мнениями с многочисленными специалистами и коллегами. Автор считает себя многим обязанным кандидатам технических наук М. С. Попову, О. П. Березину, Б. М. Бошняку, Ю. В. Петрову,

5

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ЭКСПЕРИМЕНТ И СВОЙСТВА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

ГЛАВА I

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Особенности процессов в теплотехнических объектах

Использование энергии топлива, солнечного излучения и атом­ ной энергии для прикладных целей включает в себя в качестве про­ межуточной или конечной стадии преобразования тепловую форму энергии. Устройства, содержащие элементы, которые используют тепло как форму передачи энергии, относятся к категории тепло­ технических установок. Они могут быть как стационарными, так и мобильными и широко применяются почти во всех отраслях совре­ менной техники. Во всех подобных устройствах имеются выполняю­ щие однотипные функции агрегаты: предназначенные для выделения тепловой энергии — топки, камеры сгорания, активные зоны ядерных реакторов; обеспечивающие теплообмен между рабочими те­ лами ■— котлы, теплообменники; осуществляющие перемещение ра­ бочих тел за счет изменения давления в жидкостях и газах — насосы, компрессоры; преобразующие энергию рабочих тел в механическую энергию — поршни, диски турбин, и, наконец, агрегаты, обеспе­ чивающие передачу рабочих тел, — гидравлические, газовые, паро­ вые и пневматические трубопроводы с их запорной и регулирующей арматурой.

Современное развитие теплотехнических устройств характери­ зуется рядом общих особенностей. С целью повышения экономичности тепловых процессов неуклонно повышается мощность как отдель­ ных агрегатов, так и установок в целом. Однако при прочих равных условиях по мере увеличения мощности из-за роста числа однотип­ ных элементов (лопаток турбин, сварных швов и т. п.) надежность агрегатов снижается. Рабочими телами теплотехнических систем являются газы, получающиеся в результате сжигания топлива, или газы и жидкости, играющие роль энергоносителей. При данном коли­ честве тепла, участвующем в процессе получения технической работы, в теплотехнических установках необходимо так проводить процесс, чтобы достигалась наибольшая возможная разница в энергетических уровнях начального и конечного состояния рабочего тела. Отсюда следует вывод о том, что по мере развития тепловых систем кроме использования все более эффективных химических топлив неизбежно будут расти параметры начальных состояний рабочих тел (давления

7

и температуры) и снижаться их уровни в конечных состояниях про­ цессов. Уже сейчас в камерах сгорания ракетных двигателей при дав­ лениях в 107—1,5-107 Па и более температура продуктов сгорания доходит до уровня 4300 К- В крупных блоках тепловых электростан­

высокими давлениями и производительностями. Типичным приме­ ром в этом случае также могут служить ракетные двигатели на

насосов и других элементов транспортирующих магистралей таких двигателей является весьма сложной технической задачей, тре­ бующей почти в каждом конкретном случае специального науч­ ного решения.

Применение криогенных топливных компонентов, фазовые превра­ щения рабочих тел и энергоносителей требуют использования послед­ них достижений гидромеханики и термодинамики. Важной отличи­ тельной особенностью теплотехнических установок является стрем­ ление к повышению регенерации тепла и вызванная этим связанность входных и выходных параметров рабочего тела основного контура.

Основные и вспомогательные контуры в современных сложных системах, в свою очередь, взаимосвязаны. Влияние выходных пара­ метров подсистем проявляется не только на входах других подси­ стем, но существуют обратные связи высоких уровней, охватываю­ щие как отдельные агрегаты, так и системы в целом. Поэтому иссле­ дование и отработка процессов в отдельных подсистемах не гаранти­ руют нормальной работы всей установки — необходимы весьма слож­ ные исследования и коррекция взаимовлияния.

Как известно, с ростом коэффициента усиления системы, режимы ее работы приближаются к границе устойчивости и при некоторых значениях коэффициента усиления переходят эту границу. Проблемы, связанные с подавлением нежелательных автоколебаний или аперио­ дической неустойчивости параметров режима, в настоящее время

втеплотехнике весьма актуальны и труднорешаемы.

Всвете отмеченных особенностей теплотехнических систем осо­ бое значение приобретают разработка современных методов расчета

иотработки агрегатов и возможность прогнозирования надежности их функционирования по данным испытаний отдельных агрегатов и по результатам неразрушающих методов контроля их работы.

От правильной организации и проведения измерений при тепло­ технических исследованиях зависят качество информации о процес­ сах и часто возможность создания новых современных систем.

2. Оценка совершенства процессов

Совершенство процессов в различных теплотехнических устрой­ ствах принято оценивать величинами, традиционными для отдель­ ных объектов. Однако привлечение элементарных представлений со-

8

временной теории систем позволяет внести некоторое единообразие терминологического плана и, как следствие этого, указать общие ме­ тоды оценки и пути совершенствования технических агрегатов и устройств.

Любое теплотехническое устройство (или его отдельный агрегат), исходя из функциональных признаков, можно условно изобразить так, как показано на рис. 1. Здесь процесс (или составляющие его отдельные процессы), происходящий в устройстве, условно за­ менен связью входных воздействий с характеристиками результата процесса — выходными параметрами. Что конкретно понимать под входом и выходом условного элемента, зависит от свойств исходного объекта, важно только, что между входом и выходом должна сущест­

ного устройства и функционирования данного условного элемента характеризуются некоторыми величинами zx, z2, .. ., zn, составляю­ щими вектор Z = (z x, z2, . . ., zn), то существует система уравнений

M X , Y, Z, 0 = 0;

M X , Y, Z, 0 = 0;

fw (X, Y, Z, 0 = 0,1

которая описывает связи между X, Y, Z во времени t. Если эта система уравнений замкнута относительно Y (т. е. т = w), то отно­ шение между состояниями входов и выходов условного элемента выражается как преобразование вектора X в вектор Y и записы­ вается символически в виде

где Я ху —• вектор-функция преобразования. Если к тому же ис­ ходная система уравнений линейна по X и Y, то для значений выхо­ дов находятся решения в виде

9