Метрология, стандартизация и технические измерения

№ 585 
московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 
^ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра теплофизики и экологии металлургического производства 

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И 
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 

Лабораторный практикум 

для студентов специальностей 110300, 110500, 110700 и 330200 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института в качестве учебного пособия 

МОСКВА 2001 

УДК 536.6.08 
М54 

М 54 
Авторы: A.M. Беленький, В.Ф. Бердышев, С.А. Герасименко, 
Р.Э. Найденов, СВ. Семянников, КС. Шатохин. 

Метрология, стандартизация и технические измерения: Лабораторный 
практикум 
/ 
A.M. Беленький, 
В.Ф. Бердышев, 
С.А. Герасименко, Р.Э. Найденов, СВ. Семянников, К.С. Шатохин. М.:МИСиС,2001.-89с. 

В каждой лабораторной работе приведены: краткие теоретические 
сведения; указания по выполнению экспериментов; контрольные вопросы и 
задачи, предназначенные для проверки усвоения материала. 

Лабораторный практикум предназначен для студентов специальности 110300 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей», изучающих курс «Метрология, стандартизация и технические измерения», а также специальностей 110500 и 110700 «Металловедение и термическая обработка металлов», изучающих курс «Автоматизация нагрева и контрольно-измерительные приборы», и специальности 330200 «Инженерная 
защита окружающей среды в металлургии», изучающих курс «Основы автоматизации технологических процессов, очистки газов и воды». 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС),2001 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Лабораторная работа 1 
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ 
6 

Лабораторная работа 2 
ПИРОМЕТРИЧЕСКИЕ МИЛЛИВОЛЬТМЕТРЫ 
16 

Лабораторная работа 3 
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ 
24 

Лабораторная работа 4 
ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ 
МОСТЫ 
33 

Лабораторная работа 5 
ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ 
42 

Лабораторная работа 6 
МАНОМЕТРЫ И ДИФМАНОМЕТРЫ. ДИСТАНЦИОННЫЕ 
СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ПОКАЗАНИЙ 
57 

Лабораторная работа 7 
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА И ЖИДКОСТИ 
70 

Лабораторная работа 8 
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ СОСТАВА 
МЕТАЛЛА 
81 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Градуировочная характеристика 

термоэлектрического термометра градуировки ХА.... 8 5 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Градуировочная характеристика 

термоэлектрического термометра градуировки ХК.... 86 
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Исходные коэффициенты расходастандартных 

диафрагм и сопл 
86 

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Номограммы для определения поправочного 

множителя на расширение струи 
87 

3 

Предисловие 

Цель лабораторного практикума - изучение методики технических измерений. Каждая работа выполняется в течение 2 часов 
бригадой, состоящей из 2 студентов. 

До начала выполнения практикума преподавателем проводится инструктаж по правилам техники безопасности, относящимся к 
работе с экспериментальными установками и напряжением до 
1000 В. Перед началом лабораторной работы студенты должны ознакомиться с приборами по представленным на стенде наглядных пособий (см. схему на с. 5) образцам, используя описание работы и 
схему установки. Приступать к измерениям следует лишь после того, 
как будут составлены схемы соединений и усвоена последовательность проведения экспериментов. 

Студентам запрещается включать электрический ток, воздух, 
воду и газ, не получив на это разрешения преподавателя или лаборанта. Запрещается производить переключения и ремонт приборов, 
включенных в электросеть. Каждый студент должен производить с 
достаточной точностью и тщательностью необходимые записи, связанные с наблюдениями, расчетами, составлением схем и замечаниями до ходу работы. 

л 

ЛАТР 

Схема лабораторного щита: А - амперметр; В - вольтметр; 

ИО - излучающий объект, Л - логометр; ЛАТР - лабораторный 

автотрансформатор; MB - милливольтметр; Н1, ГО и НЗ - электронагреватели; 

НП1. НТО - напоромеры; Р - ротаметр; СП - стационарный 

фотоэлектрический пирометр; Т1 - контрольная термопара; 

Т2 - изучаемая термопара; ТСМ - медный термометр сопротивления; 

ЭМ - электронный автоматический мост; ЭП - электронный 

потенциометр 

5 

Лабораторная работа 1 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ 

1.1. Цель работы 

Изучить устройство термоэлектрических термометров (термопар), принцип действия потенциометров и методику измерения 
температуры комплектом, состоящим из термопары и переносного 
потенциометра. 

1.2. Теоретическое введение 

1.2.1. Термоэлектрические 
термометры 

Термоэлектрический термометр (термопара) - это измерительный преобразователь, предназначенный для измерения температуры на основе термоэлектрического эффекта и состоящий из двух 
разнородных проводников в керамической изоляции, имеющих рабочий спай. 

Схема термоэлектрической цепи приведена на рис. 1.1. Она 
состоит из термопары с термоэлектродами А и В, измерительного 
прибора ИП, медных соединительных проводов С и компенсационных проводов Ai и Вь Рабочий спай подвергается воздействию измеряемой температуры t2, а свободные концы находятся при температуре/,. 

ИП 

А 
h 
А, 
к 
С 

h 
< 
< 

В 
h 
в, 
к 

Рис. 1.1 

С 

При h = to развиваемая термопарой термоэлектродвижущая 
сила (термо-э.д.с.) определяется уравнением 

Ялв('2>'1) = еАв('2)-еАв('1). 
(11) 

где еАв (0 - разности потенциалов проводников А и В при соответствующей температуре. 

Таким образом, термо-э.д.с. термопары является функцией 
температуры ее рабочего спая и свободных концов. Когда t\ = О, зависимость £дв (/2; 0) =/(/) называют градуировочной характеристикой термопары. Ее получают экспериментально, измеряя термо-э.д.с. 
при известной температуре рабочего спая и поддерживая свободные 
концы при 0 °С. 

Если t\ Ф 0 °С, то для определения температуры в измерение 
термо-э.д.с. следует ввести поправку на основе соотношения 

ЕАВ(Ь, /I) = £АВ('2, 0) - £АВ('2, 0) . 
(1.2) 

В производственных условиях для устранения необходимости 
введения поправок в термоэлектрических цепях применяют так называемые компенсационные провода, т.е. разнородные провода, которые в 
паре между собой развивают такую же термо-э.д.с, как и электроды 
термопары в интервале от 0 до 100 °С, но имеют меньшую стоимость. 

Наибольшее распространение получили термопары стандартных градуировок: платинородий - платина (1111); хромель-алюмель 
(ХА) и хромель - копель (ХК). Платинородий-платиновые термопары 
применяют для измерения температуры до 1500 °С, хромель алюмелевые - до 1000 °С и кратковременно до 1300 °С; хромель копелевые - до 600 °С и кратковременно до 800 °С. Электроды 
платинородий-платиновых термопар изготавливают из проволоки 
диаметром до 0,5 мм; электроды стандартных хромель-алюмелевых и 
хромель-копелевых термопар - из проволоки диаметром 0,7 ... 3,2 мм. 
Электроды изолируют друг от друга фарфоровыми трубками и 
помещают в защитный чехол. Для платинородий-платиновых 
термопар применяют защитные чехлы из фарфора или карборунда, 
для хромель - алюмелевых и хромель - Копелевых - из жароупорной 
стали. В головке термопары 
помещается 
пластмассовая 
или 
фарфоровая панель с клеммами, к которым изнутри присоединяют 
электроды 
термопары, 
а 
снаружи 
- 
соединительные 
или 
компенсационные провода (последние - с соблюдением полярности). 

7 

Для измерения очень высокой температуры (более 1600 °С) 
применяют термопары из тугоплавких материалов: платинородий платинородий, вольфрам-рений, вольфрам-молибден и др. 

В комплекте с термопарами работают показывающие и регистрирующие приборы - потенциометры и милливольтметры. 

1.2.2. Переносной потенциометр 

Потенциометрический или компенсационный метод измерения термо-э.д.с. основан на том, что сигнал термопары уравновешивается равным по величине, но обратным по знаку напряжением от 
вспомогательного источника тока, которое затем измеряется с большой точностью. В потенциометре с ручной компенсацией (рис. 1.2) 
имеется источник питания Б, регулировочное сопротивление Re для 
установки рабочего тока, реохорд Rp со скользящим контактом С, 
сопротивление нормального элемента /?„» гальванометр НП, являющийся нуль-прибором, нормальный элемент НЭ. 

~'^3 л Ф" 7 

л? 

"*tyF 

Рис. 12 

8 

Электродвижущая сила нормального элемента строго постоянна и равна при / = 20°С 1,0185 В. Термопара включается таким 
образом, чтобы развиваемая ею термо-э.д.с. была направлена навстречу э.д.с. сухого элемента Б. 

Перед началом измерений стандартизуют ток сухого элемента (установка рабочего тока /р в цепи реохорда). Для этого переключателем П замыкают контакт К и ползунком сопротивления R& регулируют ток в цепи батареи Б до тех пор, пока падение напряжения на 
сопротивлении Rm не сравняется с э.д.с. нормального элемента, т.е. 
будет отсутствовать ток в цепи НЭ. При этом стрелка нуль-прибора 
НП займет нулевое положение. Необходимость в периодической регулировке рабочего тока возникает из-за непостоянства напряжения 
источника питания Б. 

Для измерения переключатель П ставят в положение И; отключается цепь НЭ и подключается цепь термопары. Перемещением 
подвижного контакта С вдоль реохорда Rp находят такое положение, 
при котором падение напряжения на участке ВС уравновесит развиваемую термопарой термо-э.д.с. (/,* = Ет.. Тогда в контуре электрической цепи термопары не будет проходить ток и стрелка НП займет 
нулевое положение. Ток в цепи реохорда 

/ р = ^ , 
(1.3) 

следовательно, в момент компенсации термо-э.д.с. справедливо соотношение 

Er-IpRn^^-R*, 
(1.4) 

т.е. измеренная величина термо-э.д.с. пропорциональна величине R^, 
так как значения Ею и /?„, постоянны. В момент измерения ток в цепи 
отсутствует, и потому сопротивления проводов, термопары не оказывают влияния на результат измерения. 

Реохорд потенциометра градуируют в милливольтах (мВ). В 
показания переносных потенциометров следует вводить поправку на 
температуру свободных концов термопары. 

9 

1.3. Лабораторная установка 

Схема лабораторной установки приведена на стенде. Она 
включает в себя контрольную Т1 и изучаемую Т2 термопары, электронный ЭП и переносной ПП потенциометры, электронагреватели 
HI и Н2, стеклянный термометр для измерения температуры свободных концов. 

1.4. Порядок выполнения работы 
и указания по технике безопасности 

1.4.1. Правила техники 
безопасности 

Нагреватели HI и Н2 и электронный потенциометр питаются 
от автотрансформатора напряжением 220 В, частотой 50 Гц. 

При выполнении работы необходимо руководствоваться следующими правилами техники безопасности. 

1. Студентам запрещается самостоятельно, без разрешения 
преподавателя или лаборанта, включать рубильник на распределительном щите лаборатории. Включать питание лабораторной установки разрешается только после контроля лаборантом тщательности 
сборки термопары и правильности ее установки в нагревателях. 

2. После установки термопары и включения питания сети запрещается трогать клеммы, соединяющие термопары с потенциометрами. Соединение и отсоединение термопар с потенциометрами разрешается только при выключенном питании сети. 

3. При отсутствии напряжения в установке после ее включения студент должен немедленно сообщить об этом преподавателю 
или лаборанту. 

1.4.2. Ознакомление с конструкциями 
термопар 

На стенде наглядных пособий детально ознакомиться с конструкциями стандартных термоэлектрических термометров различных типов. 

10 

1.4.3. Сборка термопары 

Получить у лаборанта термопарную проволоку (электроды) и 
керамические изоляторы. Собрать термопару, нанизав изоляторы на 
электроды и образовав рабочий контакт скруткой. 

1.4.4. Освоение методики измерения 
термо-э.д.с. 

Собранную термопару помещают в нагреватель HI. Включая 
и выключая нагреватель, осваивают методику измерения термо-э.д.с. 
переносным потенциометром, как при возрастании, так и при падении температуры. При этом следует: 

а) включить питание потенциометра; 
б) установить корректором нуль-прибора стрелку на 0; 
в) установить рабочий ток потенциометра; 
г) убедиться в правильности установки переключателей: диапазона измерений, режимов работы, полярности сигнала. 

Данный раздел работы заканчивается проверкой усвоения 
студентами правил пользования переносным потенциометром, после 
чего преподаватель разрешает продолжить работу. 

1.4.5. Градуировка 
термопары 

Регистрируют показания контрольной Т1 и градуируемой Т2 
термопар через каждые 50 °С при нагреве и охлаждении. Результаты 
измерений записывают в протокол поверки и вычисляют погрешности. 

Протокол поверки 

№ 
Показания контрольной 
термопары, °С 

Термоэ.д.с. 
градуируемой 
термопары, 
мВ 

Показания градуируемой 
термопары, °С 

Погрешность 
№ 
Показания контрольной 
термопары, °С 

Термоэ.д.с. 
градуируемой 
термопары, 
мВ 

Показания градуируемой 
термопары, °С 

абсолютная, 
°С 

Относительная, % 

1 

2 

и т.д. 

11