Измерения в холодильной технике

Холодильная техника за период своего развития немногим более века (первая установка получения искусственного холода для замораживания мяса была построена в г. Сиднее в 1861 г.) прочно вошла в наш быт.

Сегодня трудно найти отрасль народного хозяйства, в которой холодильная техника не только не нашла применения, но и не определяла бы в той или иной степени перспективу дальнейшего развития.

Количество и мощность холодильных установок, работающих в народном хозяйстве, постоянно растет. Они стали одним из крупных потребителей энергии, металла и трудовых ресурсов, необходимых для обеспечения их производства и эксплуатации. Естественно поэтому большое значение придается энергетическому совершенству, снижению металлоемкости и повышению надежности и автоматизации холодильных установок. Повышается точность поддержания технологических режимов, которые должны обеспечиваться холодильной установкой. Таким образом, требования к потребительским свойствам холодильной техники постоянно растут. Определить же, насколько каждое конкретное изделие холодильного машиностроения соответствует предъявляемым требованиям, можно только с помощью измерения параметров, характеризующих его потребительские свойства. Без измерений нельзя получить достоверные результаты при научных исследованиях холодильного оборудования.

Измерения в холодильной технике проводятся на основе измерений физических величин, которые несут информацию о работе испытуемого объекта и позволяют рассчитать все необходимые показатели. Они базируются на научных и технических достижениях измерительной техники в целом. В последние годы создана стройная система организации и проведения измерений, обеспечивающих требуемую точность и достоверность результатов.

Основой современных измерений является метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В числе основных научно-технических проблем метрологии должны быть упомянуты следующие:

1. Создание и внедрение Международной системы единиц физических величин. Длительное время в науке и технике применялись различные системы единиц физических величин, что отрицательно влияло на унификацию методов и средств измерений. В результате большой работы, проведенной учеными многих стран, разработана и введена в действие Международная система единиц СИ.

2. Разработка методов и средств измерений. Это один из основных вопросов метрологии. Методы и средства измерений тесно взаимосвязаны между собой: средства измерений создаются на основе разработанных и апробированных методов, в свою очередь методы измерений могут существовать, опираясь на реальные средства измерений. Общие методы измерений разрабатываются специализированными метрологическими организациями, методы некоторых узкоспециальных измерений — самими организациями-потребителями.

Средства измерений создаются приборостроительными организациями и предприятиями. Каждое вновь созданное средство измерений проходит государственные испытания и вносится в государственный реестр. Средства измерений, создаваемые для собственных нужд (нестандартизованные средства измерений), подвергаются ведомственной аттестации.

3. Определение точности измерений. Проблема определения точности измерений сводится к созданию методов измерений и расчетов, позволяющих определить погрешность измерений с заданной вероятностью.

4. Обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений. Данная проблема состоит в создании и непрерывном функционировании общегосударственной системы организационно- технических мероприятий, включающих:

• создание и хранение эталонов и образцовых средств измерений;
• разработку и внедрение методов передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений к рабочим средствам измерений;
• создание системы поверок и ремонта средств измерений, надзор за ее функционированием.

Наряду с научно-техническими проблемами метрология решает законодательные вопросы, регулируя с помощью общих правил, требований и норм отношения между отдельными участниками измерений.

Современное состояние метрологии и техники измерений характеризуется интенсивным развитием методов измерений, быстрым ростом номенклатуры средств измерений, внедрением в их конструкцию последних достижений фундаментальных и прикладных наук. Наряду с простыми измерительными приборами в практику все шире входят сложные электронные цифровые приборы и комплексные информационно-измерительные и вычислительные системы. Все это создает трудности в правильном ориентировании специалистов, особенно занятых в определенной области техники.

Вместе с тем имеются и специфические особенности измерений в холодильной технике. Прежде всего, специфичны методы измерения показателей, характеризующих качество холодильного оборудования, таких, как холодопроизводительность машины или компрессора, тепловой поток в испарителе или конденсаторе и др. Для получения достоверных результатов при определении этих величин должны соблюдаться свойственные холодильной технике правила создания стенда, подбора и установки приборов, соблюдения режимов работы, обработки результатов измерений.

Кроме того, можно отметить весьма высокие требования к точности измерений. В частности, при измерениях перепадов температуры для вычисления холодопроизводительности допустимая погрешность не должна превышать 0,05–0,1 °С при разностях температур 3—7°С. Такую же точность должны иметь точечные измерители, позволяющие определить поле и градиенты температуры на теплопередающих поверхностях. Высокие требования к точности измерений давлений (погрешность не более ±1% измеряемой величины) обусловливают применение манометров абсолютного давления. Ряд особенностей имеют и измерения расходов холодильных агентов, относительной влажности воздуха и других величин.

Общие и специальные вопросы измерений различных величин, представляющие интерес для холодильной техники, опубликованы в многочисленных изданиях по теплотехническим, электрическим и метеорологическим измерением. Некоторые методические вопросы изложены в ГОСТах и международных стандартах и рекомендациях. В то же время ряд важных специфических вопросов не нашел отражения в печати, ответ на некоторые из них можно найти только в отраслевых стандартах и стандартах предприятий.

Настоящая работа является первой попыткой свести вопросы измерений, относящихся к холодильной технике, в одну книгу. Она имеет цель помочь специалистам, работающим в области исследования, создания и эксплуатации холодильного оборудования, в выборе средств и методов измерений, обеспечивающих необходимую точность.

В статье рассмотренны вопросы измерений, проводимых для оценки качества различного холодильного оборудования: централей, агрегатов, сплит-систем, чиллеров, в том числе методы измерения, требования к точности измерительных приборов, правила проведения испытаний. В книгу вошли главы, посвященные основным видам измерений: температуры, давления, расхода, влажности воздуха и электрических величин (силы тока, напряжения, мощности и сопротивления).

Классификация измерений

Измерения могут быть разделены по ряду признаков: виду измеряемой величины, способу получения результатов, характеру изменений измеряемой величины.

По виду измеряемой величины различают следующие измерения:

• механические, охватывающие измерения массы, силы, скорости (линейной и угловой), частоты вращения, ускорения, момента вращения, давления, механического напряжения, расхода протекающего вещества, уровня раздела сред и т. д.;
• тепловые, включающие измерения температуры, ее градиентов, тепловых потоков и т. д.;
• линейно-угловые, включающие измерения линейных размеров профилей, углов, дуг и т. п.;
• электрические, охватывающие измерения силы тока, напряжения, мощности, энергии, сдвига фаз, сопротивления и т. п.; разновидностью электрических являются радиотехнические измерения, относящиеся к области высоких частот;
• виброакустические, включающие в себя измерения уровней виброускорений и воздушного шума;
• физико-химические измерения состава и свойств веществ и смесей веществ; сюда относятся определение содержания газов в смесях, анализ жидких растворов, содержание влаги в газах и жидкостях и т. п.

В данную классификацию не вошли многие другие измерения, редко встречающиеся на практике либо не встречающиеся в холодильной технике. Приведенная классификация по виду измеряемых величин достаточно строга. Однако ее часто заменяют более условной, но отражающей содержание испытаний и исследований.

Величины, измеряемые в ходе теплотехнических испытаний холодильного оборудования, в приведенной классификации сводят в одну расширенную группу. В эту группу входят тепловые измерения и часть механических, такие, как измерения давления, расхода и количества протекающих сред, уровня раздела сред. В данной работе будут изложены лишь те виды измерений, которые находят применение при испытаниях, наладке и эксплуатации холодильного оборудования. Группы линейно-угловых и виброакустических измерений не включены в материал книги, так как этот обширный материал может быть изучен по специальным пособиям.

По способу получения результатов различают измерения прямые и косвенные (существуют и другие типы измерений, например совместные и совокупные, которые практически в холодильной технике не встречаются).

Прямыми называют измерения, результаты которых получают непосредственно из наблюдений за показаниями приборов. Так, измерения температуры термометрами, давления — манометрами, расхода — ротаметрами являются прямыми.

Косвенными называют измерения, результаты которых получают расчетным путем на основании двух или нескольких прямых измерений. Так, величина холодопроизводительности машины является косвенно намеренной.

По характеру изменений измеряемой величины различают измерения медленноменяющихся и быстроменяющихся величин. Такое разделение в большой степени условное и имеет смысл для конкретных условий и задач. В холодильной технике, которая в основном имеет дело с объектами, обладающими значительной тепловой емкостью, а следовательно, и инерцией, основной объем измерений падает на установившиеся режимы с длительностью несколько минут и даже часов. Величины, которые могут находиться в установившемся состоянии столь длительное время и изменения которых от режима к режиму происходят за время тех же порядков, относят к медленноменяющимся.

Вместе с тем в холодильной технике существуют величины, изменения которых происходят периодически или не периодически за относительно малые промежутки времени, исчисляемые сотыми и тысячными долями секунды. К таким быстроменяющимся величинам относятся давление и температура в полостях сжатия компрессоров, пульсации давления в полостях и трубопроводах машин, перемещение элементов компрессоров (например, клапанных пластин), значения периодически изменяющегося момента вращения на валу компрессора, изменение частоты вращения и тока в цепи двигателя компрессора при его запуске и т. д. Значение измерений указанных быстроменяющихся величин достаточно велико. При дальнейшем изложении материала под измерением будем понимать измерение медленно меняющейся величины, если быстрый, характер изменений специально не оговорен.

Определения и классификация

Средство измерения — это техническое устройство, предназначенное для выполнения намерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Средства измерений подразделяются на меры, приборы и преобразователи. В практике находят применение также измерительные системы.

Мера — это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относят такие средства, как гири (меры массы), резисторы (меры электрического сопротивления), сосуды (меры вместимости) и др. Учитывая ограниченное применение мер в практике измерений, ниже они специально не рассматриваются.

Измерительный прибор — это средство измерений, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы, которые непосредственно воспринимают измеряемую величину, называются приборами прямого, или непосредственного, отсчета. Измерительные приборы, воспринимающие измеряемую величину, предварительно преобразованную в другую величину, называются вторичными.

Различают измерительные приборы аналоговые и цифровые. В аналоговом приборе отсчет показаний производят по шкале, отражающей непрерывную зависимость между измеряемой величиной и перемещением отсчетного устройства. В цифровом приборе измерительная информация выдается с помощью цифрового отсчетного устройства.

Измерительные приборы могут быть показывающими, регистрирующими и комбинированными (показывающими и регистрирующими). Регистрация показаний может выполняться с помощью самопишущих или печатающих приборов.

Измерительный преобразователь — это средство измерений, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи и обработки. Разделяются измерительные преобразователи на первичные, промежуточные и передающие.

Первичным называют преобразователь, к которому подведена измеряемая величина. Иногда эти преобразователи называют датчиками.

Промежуточные и передающие преобразователи соответственно воспринимают сигналы, выработанные первичным преобразователем, и обеспечивают дистанционную передачу их.

Преобразователи бывают аналоговыми, если входной и выходной сигналы воспроизводятся в аналоговой форме, цифровыми (дискретными), если входной и выходной сигналы представляют собой последовательности импульсов (коды), а также аналого-цифровыми (вход аналоговый, выход цифровой) и цифроаналоговыми (вход цифровой, выход аналоговый).

Наиболее распространенным стандартным пневматическим сигналом является изменение давления в пределах от 0,02 до 0,1 МПа.

Измерительная система — это совокупность средств измерений, вспомогательных устройств и каналов связи, предназначенная для выработки, передачи и обработки измерительной информации. К таким системам относятся, в частности, измерительно-вычислительные комплексы, осуществляющие автоматический сбор и обработку экспериментальных данных. Ниже перечисляются основные метрологические характеристики средств измерений.

Градуировочная характеристика, или статическая функция преобразования,— зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерения в установившемся состоянии, представляемая в табличной, графической или аналитической форме.

Начальное и конечное значения отсчетного устройства (шкалы или цифрового отсчетного устройства) — наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины, указанные на шкале или воспроизводимые цифровым устройством.

Диапазон показаний — область, ограниченная начальным и конечным значениями отсчетного устройства.

Диапазон измерений (преобразований) — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности.

Пределы (верхний и нижний) измерений — наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений. Абсолютная погрешность — разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины либо разность между значением измеряемой величины, полученной на выходе преобразователя с помощью градуировочной характеристики, и действительным ее значением на входе.

Относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины. Может выражаться дробью или в процентах. Приведенная погрешность— отношение абсолютной погрешности к нормированному значению, например диапазону показаний или измерений.

Статическая погрешность — погрешность (абсолютная или относительная) при постоянной во времени входной величине.

Динамическая погрешность — составляющая погрешности, равная разности между погрешностью в динамическом режиме (при переменной входной величине) и статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени.

Основная погрешность — погрешность при условиях работы, принятых за нормальные.

Дополнительная погрешность — изменение погрешности, вызванное отклонением одной или нескольких влияющих величин от значений, принятых за нормальные.

Предел допускаемой погрешности — наибольшая погрешность, при которой средство измерений может быть признано годным (понятие применимо для основной и дополнительной погрешностей).

Класс точности — обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых погрешностей. В общем случае понятие класса точности устанавливается для каждого конкретного средства измерения его технической документацией. Однако в целом ряде случаев класс точности принимают численно равным пределу допускаемой приведенной погрешности относительно диапазона измерений.

Кроме приведенной классификации средства измерений разделяются по следующим основным признакам: назначению, виду измеряемой величины, числу пределов измерений.

По назначению средства измерений делятся на рабочие, образцовые и индикаторы.

Рабочие средства измерений в свою очередь разделяются на технические и лабораторные. Первые предназначаются для измерений в условиях эксплуатации холодильного оборудования, для контроля за ходом технологических процессов, работой систем автоматики, переналадки оборудования и средств автоматизации. Такие средства измерений имеют, как правило, невысокие точностные характеристики. По конструкции технические средства измерений приспособлены для установки на щитах, в шкафах и непосредственно на оборудовании.

Лабораторные средства измерений предназначаются для использования в научно-исследовательской практике, при испытаниях оборудования в стендовых условиях. Отличаются более высокими точностными характеристиками. Конструктивно выполняются обычно в переносном исполнении в основном для установки на лабораторных столах и стойках.

Образцовые средства измерений предназначаются для поверки рабочих средств или других менее точных образцовых в условиях специализированных измерительных лабораторий. По конструкции — это переносные приборы или стационарные установки.

По точностным характеристикам они выше остальных средств измерений. В некоторых случаях возникает необходимость использования в научно-исследовательских работах образцовых (по назначению) средств в качестве рабочих. Такая практика допускается. Однако при этом средство измерений считается не образцовым, а рабочим с соответствующей точностной характеристикой.

Индикаторами называют средства измерения, не имеющие нормированных точностных характеристик и служащие для ориентировочной оценки измеряемой величины.

По виду измеряемой величины средства измерений делятся в соответствии с классификацией измеряемых величин.

Название они получают по наименованию измеряемой величины (например, манометр, расходомер, частотомер и т. п.), единицы физической величины (амперметр, вольтметр) либо по характерному признаку своего устройства (например, измерительный мост, термоанемометр).

Широко распространены комбинированные средства измерений, предназначенные для измерения разных величин. Так, в электротехнике применяют ампервольтметры, вольтомметры и др.

По числу пределов измерений различают одно-, двух- и многопредельные средства измерений. Однопредельные средства позволяют измерить величину, лежащую в интервале между верхним и нижним пределами измерений. В двух- и многопредельных средствах предусматриваются специальные устройства для переключения пределов, в результате чего расширяется диапазон измерений.

Динамические характеристики

Задача средств измерений в условиях переменного входного сигнала состоит в воспроизведении сигнала с наименьшими искажениями. Действительно, в нее не входят как аргументы время или частота. Следовательно, такой элемент или цепь в целом воспроизведут на выходе изменяющийся во времени входной сигнал без всяких искажений, какую бы форму он ни имел.

В холодильной технике непосредственно с динамическими характеристиками измерительных цепей связаны измерения быстроменяющихся давлений и температур в полостях сжатия компрессоров, пульсаций давлений в полостях и трубопроводах.

Динамические характеристики могут представляться в виде переходных характеристик, частотных характеристик и передаточных функций.

Переходная характеристика — это аналитическое или графическое изображение поведения выходной величины во времени при изменении входной величины по заранее известному закону (чаще всего —в виде ступенчатой функции). Переходную характеристику получают путем решения дифференциального уравнения или экспериментально.

Частотные характеристики — это зависимость амплитуды и фазы выходной величины от частоты входного гармонического сигнала. Выбор динамической характеристики зависит от поставленных задач, а также от вида сигналов, поступающих на вход средства измерения. При измерениях, встречающихся в холодильной технике, приходится иметь дело с периодическими и непериодическими сигналами. Поэтому удобными оказываются частотные и переходные характеристики.

Результаты и погрешности измерений

Измерение считается завершенным, если определен его результат и произведена оценка точности. В связи с этим процесс измерения можно условно расчленить на следующие этапы:

• проведение наблюдений и определение их результатов; на этом этапе отсчитывают показания средств измерений, производят их первичную оценку и обработку, находят результат наблюдений;
• определение результата измерений путем обработки результатов наблюдений;
• оценка точности выполненного измерения путем вычисления погрешностей.

В некоторых случаях этапы могут совмещаться и видоизменяться.

Основой измерений являются наблюдения, которые осуществляются персоналом или автоматическими устройствами. Если для проведения одного измерения производят одно наблюдение, то такой метод измерений называется методом однократных наблюдений. При однократных наблюдениях результат измерения равен результату наблюдения.

Измерение дополняется оценкой точности, которая должна быть не хуже, чем определено требованиями.

В практике испытаний и исследований, где требуется более высокая точность, прибегают к нескольким наблюдениям для проведения одного измерения. Такой метод называется методом многократных наблюдений. С помощью этого метода удается учесть влияние некоторых случайных факторов. При многократных наблюдениях результат наблюдений, результат измерения, а также оценку точности получают методами статистической обработки случайных величин.

Существует также промежуточный метод, когда для исключения грубых ошибок и повышения надежности измерений выполняют несколько наблюдений, однако дальнейшую обработку проводят без применения статистических методов.

Мерой оценки точности измерения является погрешность. Погрешность характеризует отклонение измеренного значения некоторой величины от ее истинного (действительного) значения. Следует различать погрешность измерений, получаемую как результат обработки экспериментальных наблюдений, и нормированную погрешность средства измерения, являющуюся его технической характеристикой. Эти погрешности могут совпадать только в отдельных, частных случаях.

Систематическими называют погрешности, которые могут быть заранее обнаружены или предсказаны и которые принципиально могут быть исключены или уменьшены специальными мерами. Систематические погрешности, которые действуют в процессе измерения, называются не исключенными.

Случайными называют непредвиденные погрешности, которые могут быть выявлены только статистической обработкой многократных наблюдений. Частным случаем случайных погрешностей являются грубые ошибки наблюдений, которые выявляются при первичной обработке данных и затем отбрасываются.

Поскольку точное значение погрешности обычно не известно, пользуются понятием границы погрешности, т. е. предельной величиной, больше которой (без учета знака) погрешность быть не может.

Если погрешность определяется методом статистической обработки, то пользуются понятием доверительной границы погрешности, которая обозначает, что погрешность не выйдет за границу с доверительной вероятностью, равной заданной.

Систематические погрешности и методы

Классификация систематических погрешностей В зависимости от источника возникновения систематические погрешности подразделяются на следующие основные группы:

• инструментальные, которые свойственны средствам измерений и являются следствием дефектов их статических характеристик;
• методические, возникающие из-за несовершенства методики измерения либо из-за несоответствия методики поставленной задаче;
• субъективные, вызванные ошибками наблюдателя при отсчете показаний (небрежность, параллакс, ошибка при интерполяции).

В данном параграфе будут рассмотрены в основном инструментальные погрешности. Методические погрешности и методы их устранения рассматриваются в соответствующих главах, посвященных конкретным видам измерений.

Субъективные погрешности устраняются точным выполнением инструкций и методических указаний и потому в особых пояснениях не нуждаются.

В зависимости от характера систематические погрешности подразделяются на обнаруживаемые и не обнаруживаемые.

Обнаруживаемые систематические погрешности в свою очередь подразделяются на постоянные и переменные.

К постоянным относят погрешности, возникающие из-за неточностей в градуировке средства измерения, т. е. из-за отклонения фактической функции преобразования от номинальной. К постоянным также относят некоторые методические погрешности, величина которых не зависит от условий выполнения измерений.

К переменным относятся погрешности, возникающие из-за изменения внешних условий (нестабильность источников электропитания, изменения окружающей температуры, атмосферного давления, влажности, действия внешних полей и т. д.).

Необнаруживаемые систематические погрешности могут быть предсказаны либо выявлены при обработке результатов измерений. Появление не обнаруживаемых заранее погрешностей может быть связано с недостаточной информацией о характеристиках средств измерений, с неучтенными методическими погрешностями, а также с субъективными ошибками наблюдений.

Методы определения и уменьшения систематических погрешностей

Определение постоянных погрешностей. В основном этот вопрос касается инструментальных погрешностей средств измерений, которые характеризуются функцией преобразования, или градуировочной характеристикой с нормированными погрешностями. Нормированная погрешность является паспортной характеристикой средства измерения и может быть задана в виде абсолютной, относительной или приведенной погрешности. Если средство измерения исправно, соответствует предъявляемым к нему требованиям и эксплуатируется в нормальных условиях, его погрешность не должна выходить за установленные границы. Для поддержания средства измерения в рабочем состоянии и контроля за его фактическими погрешностями оно подвергается периодическим поверкам.

Средства измерений, поверка которых подтвердила, что фактические погрешности не превышают граничных значений, признаются годными для эксплуатации. Средства, имеющие погрешности выше заданных, из эксплуатации выводятся как непригодные и направляются в ремонт либо списываются.

В некоторых случаях, например при изготовлении не стандартизованных средств или при желании сузить пределы допустимой систематической погрешности, их подвергают индивидуальным градуировкам. Градуировки выполняют в соответствии с принятыми методиками и с применением соответствующих образцовых приборов.

Индивидуальная градуировка оформляется в виде градуировочных таблиц, графиков или аналитических функций либо в виде таблиц или графиков поправок к действующей градуировке. Средство измерения с индивидуальной градуировкой имеет собственную нормированную погрешность, зависящую от точности образцового средства, метода градуировки и рассчитываемую по соответствующим правилам.

Пределы допустимых погрешностей средств измерений (паспортные или индивидуальные) должны рассматриваться как границы основной неисключенной систематической погрешности.

Определение и уменьшение переменных погрешностей. Эти погрешности, как было показано выше, возникают из-за изменений условий эксплуатации средств измерении.

Для определения всех составляющих переменных погрешностей проводят специальные эксперименты, в которых поочередно меняют каждую из влияющих величин в заданных пределах.

Пределы не устраненных переменных погрешностей должны рассматриваться как границы дополнительной не исключенной погрешности.

Выявление и уменьшение влияния не обнаруживаемых погрешностей. Единственным путем выявления не обнаруживаемых систематических погрешностей является проведение измерений двумя или несколькими независимыми методами, обладающими приблизительно одинаковыми постоянными и переменными систематическими погрешностями. При нескольких методах измерений сравнивают их результаты, отбрасывают тот из них, который грубо отличается от остальных. По оставшимся определяют среднее арифметическое, которое принимают за окончательный результат измерения. Вероятная погрешность измерения может быть определена методом, применяемым для расчета случайных погрешностей. Если используются два независимых метода (этот способ наиболее распространен в холодильной технике), то грубое расхождение между результатами указывает на наличие в одном из каналов измерений недопустимой систематической погрешности. Измерительные каналы должны быть исправлены и измерения повторены.

Если грубых расхождений нет, то за окончательный результат измерения следует принять среднее арифметическое результатов двух независимых измерений. Бывают случаи, когда рассчитанные заблаговременно систематические погрешности принятых двух методов неравноценны, тогда сравнение результатов позволяет выявить лишь грубые погрешности, а результатом измерения следует считать (при отсутствии грубых расхождений) результат, полученный более точным методом.

Случайные погрешности и методы их определения

Случайные погрешности могут быть определены, если результаты получаются на основании многократных наблюдений величины, значение которой не изменяется в течение всего процесса измерений. Данное условие является важным, так как при его несоблюдении случайными окажутся не только результаты измерений, но и сама измеряемая величина. С достаточным основанием можно принять, что при числе наблюдений 20 и более распределение случайных величин происходит по нормальному закону, а при числе наблюдений меньше 20 — по распределению Стьюдента.

Грубые ошибки определяют на основании обработки результатов наблюдений. Пусть выполнено я наблюдений.

Некоторые сведения о динамических погрешностях

Как было указано в предыдущей главе, измерение быстроменяющихся величин связано с динамическими погрешностями. Только идеальная динамическая характеристика обеспечивает воспроизводство входного сигнала на выходе средства измерения или его элемента без искажений. Если регистрируется периодически изменяющаяся величина (именно этот случай встречается например, при индицировании компрессоров), то возможны искажения как по форме, так и по фазе.

Искажения могут быть предсказаны, если известны форма входного сигнала и динамические характеристики измерительной цепи. При отсутствии аналитических выражений динамических характеристик прибегают к экспериментальным исследованиям.

При любом способе анализа динамических свойств цепей или элементов необходимо принять один из двух методов оценки динамических погрешностей.

Первый метод состоит в определении относительной погрешности измерения, т. е. погрешности относительно текущего (мгновенного) значения измеряемой величины. Недостаток этого метода в том, что при знакопеременных величинах или при уменьшении измеряемой величины до малых значений (в пределе — до нуля) относительная погрешность возрастает и в пределе становится равной бесконечности.

Второй метод предусматривает определение приведенной погрешности, т. е. погрешности, отнесенной к некоторому нормализующему значению (например, к максимальному).

Погрешности динамических измерений могут быть использованы для оценки их влияния на конечный результат и для восстановления неискаженной измеряемой величины.

В первом случае зарегистрированный процесс принимается за конечный результат измерения, а ожидаемые погрешности используют при определении суммарных погрешностей косвенных измерений. Например, при осциллографировании давления в цилиндре компрессора ожидаемые погрешности позволяют оценить общую погрешность при вычислении индикаторной мощности, величин депрессий и т. д.

Второй случай касается результатов измерений, которые нецелесообразно использовать непосредственно. Так, если известно, что измерительная цепь вносит заметные фазовые искажения (запаздывание), то стремятся ввести соответствующую поправку в результат измерения, например перестроение осциллограммы, исключив погрешность и восстановив измеряемую величину.

В целом процедура учета динамических погрешностей достаточно трудоемка и громоздка. Поэтому основное направление создания аппаратуры и методик для динамических измерений состоит в том, чтобы характеристики аппаратуры и других элементов измерительных цепей не достигали тех граничных значений, которые могут вызвать заметные динамические погрешности. Так, принимают заведомо более широкие частотные полосы, чем это вытекает из приближенных расчетов, исключают элементы запаздывания (например, подводящие каналы к датчикам давления). Эти меры, естественно, вызывают определенное усложнение и удорожание измерительной техники. Но во многих случаях это оказывается более эффективно, чем поиски и исключение погрешностей.

Указанные меры не всегда могут быть реализованы. При измерении быстроменяющихся температур, например, остается проблема учета инерционности первичного преобразователя. В таких случаях разрабатываются специальные методы расчета погрешностей и внесения поправок.

Более подробно этот вопрос освещается в главе IX при описании конкретных методик.

Система обеспечения единства измерений

Поддержание единства измерений в масштабе всей страны — главная задача действующей системы метрологического обеспечения. Эта задача сводится к решению следующих подчиненных задач:

• осуществление государственных испытаний и аттестаций средств измерений;
• организация и проведение первичных и периодических поверок;
• осуществление учета и надзора за средствами измерении;
• разработка методов измерений и обработки экспериментальных данных.

Решение этих задач возложено на государственную и ведомственную метрологические службы. Ведомственные метрологические службы находятся в подчинении соответствующих министерств и ведомств.

Роль измерений в холодильной технике

При современном развитии науки и техники измерениям отводится важнейшая роль в процессе постоянного совершенствования всей машиностроительной продукции, в том числе и холодильного оборудования.

Одной из главных целей научно-технического прогресса в холодильном машиностроении является постоянное повышение эффективности применения холодильной техники в народном хозяйстве, т. е. непрерывное снижение приведенных затрат на выработку искусственного холода. Эта цель обычно достигается с помощью комплекса разнообразных мер: конструктивного совершенствования элементов машины, повышения качества и снижения трудоемкости изготовления путем внедрения новых технологических процессов и рациональной организации производства, применения научно обоснованной системы обслуживания и планово-предупредительного ремонта. Определить же эффективность всех проведенных мер можно только с помощью измерения параметров машины, характеризующих ее потребительские свойства. Причем, чем точнее будут выполнены измерения, тем достовернее может быть определена эффективность.

Очевидно, что любое нарушение нормальной работы машины должно вызвать изменение какого-либо потребительского параметра. Для обеспечения в период эксплуатации постоянства показателей эффективности, свойственных данному изделию, необходимо следить за показаниями приборов и сопоставлять их со значениями, соответствующими нормальной работе исправного оборудования. Поэтому процессы измерения и анализ изменения параметров работы холодильной машины проводятся в течение всего жизненного цикла каждой машины — от первых минут работы на испытательном стенде завода-изготовителя до снятия с эксплуатации.

Измерение параметров, характеризующих свойства холодильного оборудования, позволяет определить соответствие изделия требованиям технического задания, стандартов, технических условии и всей технической документации; оценить технический уровень, готовность производства к серийному выпуску продукции, стабильность показателей качества в процессе выпуска и тем самым осуществить объективный контроль за состоянием технического уровня и качества холодильной техники. Поэтому измерения должны сопровождать весь жизненный цикл каждого типоразмера холодильного оборудования — от испытания опытного образца до снятия с производства — и повторяться периодически в соответствии с действующими нормативными документами.

В настоящее время в соответствии с. ГОСТом изделия холодильного машиностроения, выпускаемые серийно или подготовляемые для серийного выпуска, проходят несколько видов испытаний с обязательным измерением параметров, позволяющих получить объективную оценку изделия и ответить на вопросы, обусловленные целью проведения испытаний.

Опытный образец или опытная партия новой продукции подвергаются вначале предварительным испытаниям, организуемым предприятием-разработчиком с привлечением предприятия-изготовителя и предприятий-соисполнителей, а затем, после доработки образца и корректировки технической документации по результатам предварительных испытаний,— приемочным испытаниям, организуемым предприятием-разработчиком при участии предприятия-изготовителя, заказчика, а также представителей головной организации, технической инспекции труда ЦК профсоюзов и органов Госстандарта.

Предварительные испытания опытного образца или опытной партии проводят для определения соответствия продукции техническому заданию, требованиям стандартов и технической документации и для решения вопроса о возможности представления ее на приемочные испытания. По результатам предварительных испытаний может быть проведена доработка опытного образца.

Приемочные испытания опытного образца или опытной партии проводят для определения соответствия продукции техническому заданию, требованиям стандартов и технической документации, оценки технического уровня и определения возможности постановки продукции на производство. Холодильная техника, выпускаемая серийно, подвергается приемо-сдаточным и периодическим испытаниям.

Приемо-сдаточные испытания проводят для определения соответствия стандартам и техническим условиям каждого образца продукции, выпущенного предприятием-изготовителем. Перечень измеряемых при испытании параметров и допустимые значения их указываются в стандартах или технических условиях. Количество измеряемых параметров должно быть минимальным, но по своей сути они должны быть такими, которые в максимальной степени позволяют выявить брак и дефекты при изготовлении. Например, у поршневых компрессоров холодопроизводительностью от 3,5 до 100 кВт промеряют объемную производительность и герметичность. Контроль за соответствием измеренных параметров допустимым осуществляют службы технического контроля предприятия-изготовителя.

Периодические испытания проводят с целью оценки соответствия продукции требованиям стандартов и технических условий, а также стабильности показателей качества, подтверждающих присвоенную категорию качества продукции, выпущенной за определенный период. Проводимые при испытании измерения должны обеспечить проверку соблюдения в процессе производства требований стандартов и технических условий. Продолжительность периодических испытаний компрессоров должна быть не менее 500 ч, машин — 300 ч. Испытания проводит предприятие- I изготовитель с приглашением при необходимости представителей предприятия-разработчика и заказчика.

Важнейшую роль играют измерения при экспериментальных исследованиях в процессе проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Они позволяют не только ответить на вопрос о соответствии испытуемой модели предъявляемым требованиям или ожидаемым результатам, но и вскрыть причины отклонений от них, понять физическую сущность протекающих в модели процессов, влияющих на значения анализируемых параметров.

Таким образом, на всех стадиях создания и в течение всего жизненного цикла машин и агрегатов холодильной техники измерения обеспечивают постоянный контроль за интересующими нас параметрами и позволяют дать объективную оценку как состоянию холодильной техники, так и качеству проведенной работы.

Достоверность полученных данных зависит от точности измерении, которая определяется рядом условий, обеспечиваемых при проведении измерений.

Основные измерения, проводимые для оценки качества холодильного оборудования

Эффективность изделий холодильной техники определяется по количественным значениям ряда показателей, характеризующих потребительские свойства изделий. Истинные значения этих показателей могут быть получены только в результате измерений при испытаниях в процессе изготовления или эксплуатации. Точность полученных при измерении показателей зависит не только от точности используемых для этой цели приборов, но и от выбранной методики проведения испытаний.

В настоящей главе представлены методы измерений, с помощью которых определяют основные параметры холодильных машин и агрегатов, позволяющие оценить их качество и потребительские свойства. Для этой цели с помощью измерений при установившемся режиме работы изделия определяют усредненные по времени значения ограниченного числа параметров: температуры, давления, расхода, мощности.

При исследовании, создании и доводке холодильного оборудования приходится проводить и ряд других измерений, которые позволяют выяснить причины несоответствия полученных при испытании характеристик выдвинутым техническим требованиям. Например, измерения мгновенных значений давления в цилиндре поршневого компрессора дают возможность судить о качестве работы клапанов. Методы измерения и приборы, применяемые при таких измерениях, чрезвычайно разнообразны и в каждом конкретном случае зависят от поставленной перед исследователем задачи. При этом используют как стандартизованные средства измерения, так и нестандартизованные, изготовленные и тарированные неспециализированными организациями. Описание таких методов измерений и применяемых средств измерений из-за своей специфичности, обусловленной многообразием видов холодильного оборудования (поршневой компрессор, центробежный компрессор, маслоотделитель и т. п.) и связанным с этим большим объемом материала, не могло быть включено в настоящий справочник. Авторы ограничились описанием стандартизированных средств измерений, применяемых для этих целей.