Метрология и теплотехнические измерения

Москва  2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра энергоэффективных и ресурсосберегающих 
промышленных технологий

 

МЕТРОЛОГИЯ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ 
ИЗМЕРЕНИЯ

Учебник

Под редакцией А.М. Беленького

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

УДК  006.91+536.5 
М54

Р е ц е н з е н т : 
д-р техн. наук, проф. А.Б. Гаряев,  
(ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»)

А в т о р ы : 
А.М. Беленький, А.Н. Бурсин, В.В. Курносов, С.И. Чибизова, К.С. Шатохин

 
Метрология и теплотехнические измерения: учеб. / А.М. БеМ54  
ленький [и др.]; под ред. А.М. Беленького. – М. : Изд. Дом 
НИТУ «МИСиС», 2018. – 396 с.
ISBN 978-5-906953-23-0

В учебнике изложены основные положения метрологии, измерительной 
техники и автоматизации контроля основных параметров теплотехнических 
процессов. Рассмотрены методы и устройства для контроля температуры, давления, расхода, состава и других параметров, характеризующих работу теплотехнических агрегатов в металлургии. 
Значительное место уделено особенностям контроля важнейшего параметра, определяющего эффективность функционирования всего металлургического производства, – температуре.
Приведены основные измерительные схемы и конструкции, описаны 
принципы действия, методики измерения и поверки основных измерительных 
средств.
Предназначен для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 22.04.02 «Металлургия». 

УДК 006.91+536.5


Коллектив авторов, 
2019
ISBN 978-5-906953-23-0

НИТУ «МИСиС», 2019

Прекрасен лес и горы, и цветы,
Прекрасен плёс и лодка у причала!
Но в мире нет прекрасней красоты,
Чем красота горячего металла!
Лев Ошанин
«Песня о горячем металле»

ДАР
студентам Московского института стали и сплавов  
в честь 100-летия лучшего металлургического вуза в мире!
С пожеланиями успехов в освоении древнейшей  
и вечно юной инженерной профессии – МЕТАЛЛУРГ!

Предисловие ..........................................................................................7
Перечень принятых сокращений .......................................................10

Глава 1. Основы метрологии и измерительной техники .....................12
1.1. Основные понятия метрологии и измерительной техники ......12
1.2. Классификация методов и средств измерения ..........................17
1.3. Погрешность измерений .............................................................25
1.4. Подготовка и планирование измерительного  
эксперимента .......................................................................................43
1.5. Поверка измерительных средств ................................................59

Глава 2. Контактные методы измерения температуры ........................66
2.1. Понятие о температуре и температурных шкалах. 
Классификация методов и приборов для измерения  
температуры ........................................................................................66
2.2. Термометры расширения ............................................................70
2.3. Манометрические термометры  ..................................................77
2.4. Электрические термометры сопротивления .............................82
2.5. Термоэлектрические термометры ..............................................91
2.6. Вторичные приборы систем измерения температуры ............ 113
2.7. Поверка термометров сопротивления  
и термоэлектрических термометров ...............................................123

Глава 3. Бесконтактные методы измерения температуры .................128
3.1. Основные понятия и законы излучения ...................................128
3.2. Принцип действия и устройство  
пирометров излучения ......................................................................134
3.3. Поверка пирометров излучения ...............................................146

Глава 4. Измерение температуры в металлургии ...............................151
4.1. Задачи и особенности контроля температуры в чёрной 
металлургии .......................................................................................151
4.2. Промышленный печной агрегат как объект контроля 
температуры ......................................................................................159
4.3. Измерение температуры в металлургических агрегатах .......164

Глава 5. Измерение давления и перепада давления ...........................227
5.1. Общие сведения. Единицы измерения давления ....................227
5.2. Жидкостные приборы ................................................................229
5.3. Манометры с упругими чувствительными элементами 
(деформационные манометры) ........................................................232

5.4. Электрические манометры и вакуумметры .............................239
5.5. Дифференциальные манометры ...............................................244
5.6. Правила установки приборов измерения  
и отбора давления  ............................................................................249
5.7. Поверка приборов для измерения давления  
и разрежения......................................................................................253

Глава 6. Измерение расхода и количества газа, жидкости и пара.....257
6.1. Классификация методов измерения  
расхода и количества ........................................................................257
6.2. Тахометрические скоростные и объёмные устройства 
для измерения расхода и количества ...............................................259
6.3. Измерение расхода методом постоянного перепада  
давления .............................................................................................273
6.4. Измерение расхода методом динамического напора ..............278
6.5. Измерение расхода методом переменного перепада  
давления .............................................................................................284
6.6. Измерение расхода специальными сужающими  
устройствами .....................................................................................301
6.7. Общие указания по измерению расхода.  
Схемы соединительных линий при установке  
сужающих устройств ........................................................................305
6.8. Ультразвуковые расходомеры ...................................................312

Глава 7. Измерение состава и концентрации вещества .....................319
7.1. Общие сведения. Классификация методов и средств 
определения состава и концентрации вещества ............................319
7.2. Объёмно-химические газоанализаторы ...................................320
7.3. Оптико-акустические газоанализаторы ...................................322
7.4. Магнитные газоанализаторы ....................................................326
7.5. Тепловые газоанализаторы .......................................................328
7.6. Устройства для анализа многокомпонентных газов ...............334
7.7. Устройства для отбора, очистки и транспортирования  
проб ....................................................................................................337
7.8. Влагомеры для газов, твёрдых и сыпучих тел ........................338
7.9. Оперативный контроль состава, сырьевых материалов,  
шлака металла ...................................................................................347

Глава 8. Измерение уровня и тепловых потоков ................................356
8.1. Измерение уровня жидких и сыпучих сред .............................356

8.2. Измерение тепловых потоков ...................................................365
8.3. Калориметры для жидкого и газообразного топлива .............374
8.4. Тепловизоры ...............................................................................376

Глава 9. Автоматизация средств измерений .......................................380
9.1. Цели и задачи автоматизации измерений ................................380
9.2. Развитие средств автоматизации измерений ...........................381
9.3. Автоматизация измерительного процесса ...............................382
9.4. Реализация автоматизации измерений в информационноуправляющих системах ....................................................................384

Библиографический список .................................................................392

Измеряй всё доступное измерению и 
делай доступным всё недоступное ему.
Г. Галилей 

Искусство измерения является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в 
законы природы и подчинения её сил нашему господству.
Академик Б.С. Якоби

ПРЕДИСЛОВИЕ

Промышленное производство непрерывно расширяет свои масштабы. Увеличивается не только объём выпускаемой продукции, но и 
разнообразие технологических процессов и агрегатов. Подавляющее 
большинство таких процессов проходит с использованием теплоты 
и связано с протеканием технологических процессов, определяемых 
тепловым, температурным и газовым режимами. Качество и себестоимость чугуна, стали, цветных металлов и сплавов, продукции машиностроения, стекла, огнеупорных материалов, продуктов, извлекаемых при термической переработке угля и нефти, и т.п., в конечном 
счёте определяется правильностью организации процессов их получения и обработки в агрегатах, различающихся как по конструкции, 
так и уровнем температур (низко-, средне- и высокотемпературные 
технологии). Разнообразие тепловых и технологических процессов, 
высокий уровень температур, агрессивное воздействие среды в агрегатах на средство измерения, высокая взрывоопасность и токсичность, высокая скорость протекания процессов и другие особенности 
печных агрегатов привели к необходимости создания специального 
раздела науки и техники – «Теплотехнические измерения и приборы».
Теплотехнические измерения и приборы образуют обширную совокупность методов, средств измерений и представления информации о параметрах тепловых агрегатов в промышленном производстве и теплоэнергетике и обеспечивают их высокопроизводительное, 
экономичное и безопасное функционирование. Системы автоматического контроля необходимы для создания эффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ 
ТП) в чёрной и цветной металлургии, машиностроении, производстве 
строительных материалов, турбинных установок ТЭЦ и др. Измери

тельные средства необходимы для проведения пуско-наладочных работ, а также прикладных научных исследований, направленных на совершенствование технологических процессов, конструкций агрегатов 
и разработку математических моделей тепло-массообменных процессов и алгоритмов систем управления.
Наряду с другими научными и практическими дисциплинами фигурирует и метрология. Метрология – наука об измерениях, методах 
и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Она является синтетической дисциплиной, включающей в себя научный, практический и административно-правовой 
аспекты.
Развитие теорий и их практическое применение немыслимо без первичной информации, полученной путём измерений в процессе научного познания и обеспечения функционирования технических систем, 
реализующих на практике созданные в процессе развития общества 
технологические процессы и агрегаты. В части методов измерений, 
установления и воспроизведения размера единиц и шкал измерений 
метрология тесно связана с естественной наукой – фундаментальной 
или теоретической. Практическая (прикладная) часть метрологии, занимающаяся разработкой, применением эталонов единиц и шкал измерений всех уровней и реализацией единства измерений в стране, имеет 
признаки технической дисциплины (приборостроения).
За последние годы существенно расширилась номенклатура используемых в промышленности средств измерений. Количество измеряемых параметров на современных высокопроизводительных агрегатах исчисляется тысячами.
В учебнике рассмотрены основные физические явления и принципы измерения, которые положены в основу работы того или иного 
средства измерения. Измерение представляется как единый процесс 
совместного функционирования чувствительных элементов, преобразователей и вторичных измерительных приборов, на которые влияют 
различные внешние и внутренние факторы. 
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия», и полностью соответствует программе курса 
«Метрология и измерительная техника». Он может быть использован 
студентами и аспирантами других специальностей при изучении теплотехнических и технологических измерений, а также инженернотехническими работниками, связанными с проектированием, наладкой и эксплуатацией теплотехнических объектов. 

Авторы выражают искреннюю благодарность рецензенту Андрею 
Борисовичу Гаряеву, ценные замечания которого позволили улучшить 
материал, излагаемый в учебнике.
Все замечания и предложения просим направлять по адресу: 
119049, Москва, Ленинский проспект, дом 4, НИТУ «МИСиС», институт экологии и инжиниринга, кафедра «Энергоэффективные и 
ресурсосберегающие промышленные технологии», или на e-mail: 
energomet@misis.ru.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АДП – автоматизированный диспетчерский пункт.
АИУС – автоматизированная информационная 
управляющая 
система.
АНО – агрегат непрерывного отжига стальной полосы.
АРМ – автоматизированное рабочее место.
АРТ – автономный регистратор 
температуры металла в печах.
АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом.
АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
АЧТ – абсолютно чёрное тело.
БП – башенная печь непрерывного 
отжига стальной полосы.
ГКУД – графическая консоль удалённого доступа.
ГСИ – Государственная система 
обеспечения единства измерений Российской Федерации.
ГМС – Государственная метрологическая служба Российской 
Федерации.
ГОСТ – государственный стандарт.
ГП – горизонтальная печь непрерывного отжига стальной полосы.
ГСИ – государственная система, 
обеспечивающая единство измерений.
ДДН – диафрагма дисковая нормальная.
ДКН – диафрагма дисковая камерная.

ДСП – дуговая сталеплавильная 
печь.
ДП – доменная печь.
ЖК – жидкокристаллический монитор.
ЗТТ – зональный термоэлектрический термометр.
ИБП – источник бесперебойного 
питания.
ИК – инфракрасное излучение.
КИПиА – контрольно-измерительные приборы и автоматика.
КК – кислородный конвертер.
КП – колпаковая печь.
КТНН – нихросил-нисиловый кабельный 
термоэлектрический 
термометр. 
КТТ – контактный термоэлектрический термометр.
КТХА – хромель-алюмелевый кабельный 
термоэлектрический 
термометр. 
КХС – коробка холодных спаев.
ЛВС – локально-вычислительная 
сеть.
ММ – математическая модель.
МНЛЗ – машина непрерывного 
литья заготовок.
МПА – металлургический печной 
агрегат.
МРВ – монитор реального времени.
НВ – неметаллические включения.
НСХ – номинальная стандартная 
характеристика.
ОТК – отдел технического контроля.
ПА – печной агрегат.

ПЗС-матрица – прибор с зарядовой связью.
ПИ – пирометр излучения.
ПИР – закон пропорционально-интегрального регулирования.
ПИД – закон пропорциональноинтегрально-дифференциального регулирования.
ПК – промышленный компьютер.
ППИ – пирометр полного излучения.
ПСО – пирометр спектрального 
отношения.
ПЧИ – пирометр частичного излучения.
РТ – радиационная труба.
САКР – система автоматического 
контроля и регулирования. 
САР – система автоматического 
регулирования.
СИ – средство измерения.
СКО – среднее квадратическое отклонение.
СУ – сужающее устройство.
СУБД – система управления базами данных.
ССУ – стандартное сужающее 
устройство.
СХП – стан холодной прокатки.
Т – тепловизор.
ТВР (А) – вольфрамрений-вольфрамрениевый 
термоэлектрический термометр. 
ТНН – нихросил-нисиловый термоэлектрический термометр. 
ТО – термообработка. 
ТПП (S) – платинородий-платиновый термоэлектрический термометр. 

ТПР (B) – платинородий-платинородиевый термоэлектрический 
термометр. 
ТС – термометр сопротивления.
ТСМ – термометр сопротивления 
медный.
ТСП – термометр сопротивления 
платиновый.
ТТ – термоэлектрический термометр.
ТТСБ – термоэлектрический термометр со сменными блоками.
ТУ – технические условия.
ТХА (K) – хромель-алюмелевый 
термоэлектрический 
термометр. 
ТХК (L) – хромель-копелевый термоэлектрический термометр. 
ТЭДС – термоэлектродвижущая 
сила.
ТЭП – технико-экономические показатели.
УГЭ – управление главного энергетика.
ФВ – физическая величина.
ХТО – химико-термическая обработка.
ЧМ – чёрная металлургия.
ЦЛК – центральная лаборатория 
комбината.
ЦМ – цветная металлургия.
ШПС ГП – широкополосный стан 
листовой горячей прокатки.
ЭВМ – электронная вычислительная машина. 

Глава 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ 
И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

1.1. Основные понятия метрологии 
и измерительной техники

Измерения и метрология

Важнейшей стороной существования современного общества 
является информация, значительную часть которой представляет информация измерительная. Измерению подвергаются более 
2000 физических величин, общее число измерений насчитывает сотни миллиардов в год. На измерения в разных отраслях производства 
расходуется от 20 до 70 % трудовых затрат, в том числе около 15 % 
в машиностроении и 15…25 % в металлургии. Брак продукции вследствие неправильно назначенных для измерения средств достигает 
45 %, неумелое использование приборов и отсутствие квалифицированного персонала приводят к выпуску некачественной продукции 
в 51 случае из 100 случаев брака.
Анализ тенденций развития науки, техники и технологии позволяет 
сделать вывод о том, что возрастают требования к точности измерений 
и их оперативности. Усложняются сами измерительные приборы и системы. Автоматизация производства и расширение использования гибких производств предопределили необходимость интеллектуализации, 
роботизации и полной автоматизации процесса измерения.
В области теплотехнической науки и практики требуется повышение точности и расширение диапазона измеряемых температур, 
тепловых потоков, спектральных характеристик элементов, участвующих в теплообмене; кардинальное перевооружение систем контроля 
расходов, концентраций и качественных параметров продукции, подвергаемой тепловой обработке.
Измерения отличаются от других видов оценивания тем, что в них 
гносеологическая ценность неизмеримо выше вследствие установления твёрдой однозначности между физическими величинами. Количественная оценка позволяет глубоко изучить закономерности 
физических явлений, учитывать материальные ресурсы, качество и 
объёмы производимой продукции.
Д.И. Менделеев считал, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять, а точная наука немыслима без меры». Именно на

личие меры позволяет получить количественный результат, объективность которого гарантирует весь комплекс специальных методов 
и средств измерения, условий и процедур осуществления измерения.
Измерение следует рассматривать с технической, метрологической 
и гносеологической точек зрения. С технической стороны измерение 
представляется как совокупность операций по применению технического средства для измерения, с метрологической – как сравнение 
измеряемой физической величины с её единицей. Гносеологический 
аспект сводится к получению значения и погрешности измеряемой 
величины в удобной для дальнейшего использования форме.
Измерение является наиболее полным способом объективного 
количественного выражения физических величин. Суть измерения 
заключается в проведении эксперимента, который позволяет установить однозначное соответствие между единицей измеряемой физической величины [Q] и самой величиной 
[ ]
Q
q Q
=
, где q – отвлечённое 
число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины. Метрология рассматривается как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их 
единства и способах достижения требуемой точности при измерениях. Метрология изучает измерения физических величин (ФВ) и образующие измерение элементы: физические величины и их единицы, 
методы и методики измерений, погрешности средств и результатов 
измерений.
В стране насчитывается почти 160 государственных и более трёхсот вторичных эталонов, парк образцовых приборов. Метрологические правила и нормы изложены Государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ). Передача размера единиц измерения 
средствам измерения осуществляется по поверочным схемам, представляющим пирамиды с государственными эталонами в вершине и 
рабочими средствами измерений в основании. Иерархическая схема 
передачи размера единицы измерения представляется в следующем 
виде: государственный эталон → вторичные эталоны → образцовые 
средства измерений → рабочие средства измерений.
Метрология связана с разработкой унифицированных методик измерения, включающих единые требования к методу и условиям измерений, а также к квалификации персонала, нормированию пределов 
погрешностей измерения, установлению границ их достоверности.
Метрология, как и любая наука, состоит из фактов, образующих 
науку; представлений, их вызывающих, и слов, их выражающих.