Метрология, технические измерения и приборы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

№ 604

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

С.В. Коминов

Метрология,
технические измерения
и приборы

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета

Москва     Издательский Дом МИСиС     2010

УДК 681.511.2
 
К63

Р е ц е н з е н т
канд. техн. наук, доц. Г.Г. Шапкарина

Коминов С.В.
К63  
Метрология, технические измерения и приборы: Лаб. практикум. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 117 с.

В лабораторном практикуме лабораторные работы изложены по способам измерения технических параметров при производстве черных металлов. Рассматриваются измерения температуры термопарами, термометрами 
сопротивления и пирометрами излучения, а также измерения расхода газа 
масс-тензорезисторами, давления, линейных и угловых перемещений, состава 
металла по температуре ликвидус, активности кислорода, проводится анализ 
статических и динамических погрешностей измерения, контроля конвертерного процесса по акустическому сигналу. Лабораторные работы реализованы 
на современном оборудовании с использованием электронных мнемосхем и 
элементов управления с применением контроллеров и персональных компьютеров. В разработке лабораторных работ принимали участие Астапенко А.Н., 
Белякова М.Н., Греков Н.Н., Гусев А.А., Казаков С.В., Коминов С.В., Окороков Б.Н., Ронков Л.В., Шаповалова Е.Д., Шестаковский С. А.
Предназначен для бакалавров, магистров направлений «Металлургия», 
«Автоматизация технологических процессов и производств».

 
© С.В. Коминов, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа 1. Градуировка термоэлектрических 
термометров ....................................................4
Лабораторная работа 2. Градуировка тензометрических весов..........9
Лабораторная работа 3. Градуировка термометра сопротивления ...15
Лабораторная работа 4. Изучение принципа действия и работы 
переносного потенциометрапостоянного 
тока ПП-63 ....................................................21
Лабораторная работа 5. Измерение расхода газа ...............................29
Лабораторная работа 6. Изучение работы реостатного 
измерительного преобразователя ...............36
Лабораторная работа 7. Изучение устройств контроля положения 
фурмы кислородногоконвертера и наклона 
дуговой сталеплавильной печи ...................44
Лабораторная работа 8. Устройство и принцип действия 
магнитоэлекерического гальванометра ......54
Лабораторная работа 9. Изучение принципа измерения
температуры металлическими и 
полупроводниковыми термометрами 
сопротивления ..............................................64
Лабораторная работа 10. Поверка манометров ....................................69
Лабораторная работа 11. Измерение температуры пирометрами 
излучения ......................................................78
Лабораторная работа 12. Определение состава металлапо 
температуре ликвидус ..................................84
Лабораторная работа 13. Моделирование процесса возникновения 
динамической составляющей
погрешности при измерении
температуры ..................................................90
Лабораторная работа 14. Контроль конвертерного процесса
по резонансной частоте акустических 
колебаний ......................................................96
Лабораторная работа 15. Определение активности кислорода
в металле с помощью устройства контроля 
окисленности стали (УКОС) .....................103
Библиографический список ................................................................. 113
Приложения ........................................................................................... 114

Лабораторная работа 1

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 
ТЕРМОМЕТРОВ

Цель работы. Определить тип поверяемой термопары, провести 
ее градуировку, изучить влияние температуры холодных спаев на показания термопары.

1.1. Теоретическое введение

П р и н ц и п  и зм е р е н и я  температуры термопарами основан на 
явлении Зеебека: в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников (термоэлектродов), места 
соединения которых (спаи) имеют различную температуру, возникает 
термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), величина которой зависит 
от температуры спаев и природы проводников и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Схема термопары представлена на рис. 1.1. 

Термоэлектроды 
Спаи 

t1 

t0 

Рис. 1.1. Схема термопары

Для изготовления термоэлектродов промышленных термопар используются платина, сплавы платины с родием, хромель, алюмель, 
копель, сплавы вольфрама с рением, медь. В целях экономии дорогостоящих сплавов для соединения рабочих (основных) термоэлектродов с измерительными устройствами используются удлинительные 
термоэлектроды, изготовленные из более дешевых материалов. На 

рис. 1.2 показана схема рабочей термопары, а в прил. 1. приводятся 
характеристики промышленных термопар.

ИУ 

Основные 
термоэлектроды 

Удлинительные  
термоэлектроды 

t1 

t0 
t0 

t2 
t2 

Рис. 1.2. Схема рабочей термопары

Требования к удлинительным термоэлектродам:
между собой удлинительные термоэлектроды должны развивать 
 •
такую же термоЭДС, как и рабочие термоэлектроды;
места соединения рабочих и удлинительных термоэлектродов 
 •
должны иметь одинаковую температуру.
В качестве измерительного устройства (ИУ) используются технические средства, в которых применяется компенсационный метод 
измерения, так как термоЭДС, развиваемая термопарой, имеет небольшую величину. Такой метод позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результаты измерения.

1.2. Описание установки

Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.3.
В состав установки входят два автоматических потенциометра 
типа КСП-4:
№ 1, шкала 0…5 мВ, для измерения термоЭДС образцовой тер –
мопары ТПП;
№ 2, шкала 0…50 мВ, для измерения термоЭДС поверяемой тер –
мопары X1 или Х2.

КСП №1 
КСП №2 

X1      К1    X2 

                     Печь 1 

                        Печь 2 
 
 
       ПП                                  Х1                              Х2 

       К2 
       К3 

Вкл. 

Выкл. 

К0 

Рис. 1.3. Схема лабораторной установки

Подключение термопар X1 и Х2 осуществляется при помощи тумблера К1. Холодные спаи термопар X1 и Х2 находятся в печи 1, температуру в которой регулируют при помощи реостата (ручка К3). 
Горячие спаи термопар находятся в печи 2, температуру которой регулируют при помощи реостата (ручка К2).

1.3. Порядок проведения работы

Определение типа термопары и проведение контрольноповерочных измерений (опыт 1)

Выбрать индивидуальное задание в соответствии с указанием 
1. 
преподавателя (см. табл. 1.2). Значения К2 внести в табл. 1.1, столбец 2.
Включить установку тумблером K
2. 
0, выставить ручки К1 и К2 в 
соответствии с вариантом, а К3 в положение «0». 
После стабилизации температуры (10 мин) снять показания потенциометров и занести в табл. 1.1 (столбцы 3 и 5). 
Измерения повторить при других температурах, заданных в варианте (ручка К2).

Определение влияния температуры холодных кон цов
на результаты измерения (опыт 2)

Согласно варианту (см. табл. 1.2) выставить значения К
1. 
1, 
К2, К3.
После стабилизации температуры (10 мин) снять показания 
2. 
приборов и занести в табл. 1.1 (столбцы 3 и 5).
Измерения повторить для других значений К2.

Таблица 1.1

Результаты измерений

№ 
опыта
К2
Показания
термопары ТПП tп

Показания
термопары X1
или X2, tх

Погрешность
Δ = tх – tп
Исправленные 
значения

мВ
°С
мВ
°С
°С
°С
1
2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
Опыт 1

Опыт 2

1.4. Обработка результатов измерений

Определить методом интерполяции значения температуры 
1. 
образцовой термопары ТПП (см. прил. 2) и занести результаты в 
табл. 1.1 (столбец 4).
Определить тип неизвестной термопары 
2. 
Хi (см. прил. 2), методом интерполяции определить значения температуры и занести результаты в табл. 1.1 (столбец 6).
Определить погрешность измерения Δ
3. 
 = tх – tп, а результаты 
внести в табл. 1.1 (столбец 7).
По правилам выявления систематической составляющей по4. 
грешности измерений [2, № 4] провести обработку результатов измерений. Исправленные результаты измерений внести в табл. 1.1 
(столбец 8).
По результатам опыта 1 присвоить класс точности поверяемой 
5. 
термопаре. 
По заданию преподавателя выполнить расчет измерительной 
6. 
схемы автоматического потенциометра [2, № 6].

Контрольные вопросы 

Принцип измерения температуры термопарами.
1. 
С какой целью используются удлинительные термоэлектроды?
2. 
Сформулируйте требования к материалам для изготовления уд3. 
линительных термоэлектродов.
Метод измерения, применяемый при измерении температуры 
4. 
термопарами.

Варианты индивидуальных заданий

Таблица 1.2

№ варианта
 Положения переключателей
 К1
 К2
К3  для опыта 2
 1
 Х1
 1
 3
 4
 5
1
 2
 Х1
 2
 7
 8
 9
2
 3
 Х1
 3
 7
 8
 10
3
 4
 Х1
 1
 4
 5
 9
4
 5
 Х1
 1
 5
 7
 8
5
 6
 Х2
 1
 3
 4
 9
6
 7
 Х2
 2
 7
 8
 9
7
 8
 Х2
 3
 7
 8
 10
8
 9
 Х2
 1
 4
 5
 9
9
 10
 Х2
 1
 5
 7
 8
10
 11
 Х1
 2
 6
 8
 10
10
 12
 Х1
 1
 5
 9
 10
9
 13
 Х1
 4
 6
 7
 8
8
 14
 Х1
 2
 4
 5
 10
7
 15
 Х1
 5
 7
 8
 9
6
 16
 Х2
 2
 6
 8
 10
5
 17
 Х2
 1
 5
 9
 10
4
 18
 Х2
 4
 6
 7
 8
3
 19
 Х2
 2
 4
 5
 10
2
 20
 Х2
 5
 7
 8
 9
1

Лабораторная работа 2

ГРАДУИРОВКА ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕСОВ

Цель работы. Изучить способы градуировки тензометрических 
весов при следующих условиях.
Условия проведения градуировки:
в качестве измерительной схемы используется схема неуравно –
вешенного четырехплечного моста;
градуировка проводится при одном или двух тензорезисторах, 
 –
включенных в смежные плечи моста;
градуировка выполняется при комнатной температуре и повы –
шенной температуре.

2.1. Теоретическое введение

Тензорезисторы – измерительные преобразователи, предназначенные для измерения усилий.
П р и н ц и п  и зм е р е н и я  массы на тензометрических весах основан на тензоэффекте – изменение электрического сопротивления 
проводника под воздействием механического напряжения. Основным 
показателем, характеризующим явление тензоэффекта, является коэффициент относительной тензочувствительности

= ε
ε ,
R
l
k

где εR – относительное изменение электрического проводника под 
действием деформации, εR = ΔR/R;

 
εl – относительное изменение длины проводника под действием 
деформации, εl = Δl/l.

После преобразований получаем

=
+ ν +
(1 2 )
,
k
m

где m – коэффициент, учитывающий изменение удельного электрического сопротивления проводника под действием деформации;
 
ν – коэффициент Пуассона, определяемый как

ν = –εb /εl,

здесь εb – относительное изменение поперечного размера проводника 
под действием деформации, εb = Δb/b.

Для твердых материалов коэффициент Пуассона изменяется в пределах 0,24…0,40. В табл. 2.1 приводятся значения коэффициента относительной тензочувствительности и удельного электрического сопротивления некоторых материалов, применяемых для изготовления 
тензорезисторов. На рис. 2.1. приводится общий вид тензорезистора.

Рис. 2.1. Схема тензорезистора

Таблица 2.1

Характеристики материалов,
применяемых для изготовления тензорезисторов

Материал
Состав
k

Удельное 
электрическое 
сопротивление
ρ · 106, Ом · м
Манганин
Cu + Mn(1,5...13,5 %) + Ni(2,5...3,5 %)
2,0
0,40...0,45
Константан
Cu + Mn(1...2%) + Ni(39...41 %) + Fe(0,5 %)
2,0
0,46...0,50
Нихром
Ni(65...70 %) + Cr(10...30 %)
2,0
1,12

Измерение масс на тензометрических весах позволяет вырабатывать электрический сигнал измерительной информации, удобный для 
передачи в ЭВМ, автоматической обработки, снижения с помощью 
специальных программ погрешности измерений.
В качестве измерительной обычно используется схема четырехплечного уравновешенного или неуравновешенного моста.

2.2. Описание установки

Принципиальная схема устройства тензовесов представлена на 
рис. 2.2. На деформируемую металлическую пластину из пружинной 

стали с двух сторон наклеивают тензорезисторы. Такая схема изготовления тензовесов позволяет повысить их чувствительность, так 
как при этом сигналы тензорезисторов суммируют ся. Кроме того, за 
счет включения тензорезисторов в смежные плечи моста компенсируется температурный дрейф. Один конец пластины крепится жестко, а 
к другому подвешива ется чашка весов. Тензорезисторы располагаются в печи, температуру в которой регулируют с помощью реостата по 
показаниям поме щенной внутри нее термопары ВР 5/20.

Термопара 

Чашка весов 

Печь 

Деформируемая  
металлическая  
пластина 

Тензорезисторы 

Рис. 2.2. Принципиальная схема устройства тензовесов

Схема лабораторной установки представлена на рис. 2.3.

КСП 

  К1 

Rб 
К2 
Д2 

 К3 

А 

Г 

В 

Б 

Мост 

Термопара 

Uстаб 

Установка 
нуля Rус 

Rб 
Rб 

Д1

Д2

К0 

Вкл. 

Выкл. 

Рис. 2.3. Схема лабораторной установки