Технические измерения и автоматизация в тепло- и электроэнергетике

  
 
 
 
 
 
В. П. Иванников 
 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ 
В ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
1 

УДК 621.311.22:681.5 
ББК 31.32 
И18 
 
 
Рецензент: 
доктор технических наук, профессор Ижевского государственного 
технического университета им. М. Т. Калашникова  
Щенятский Алексей Валерьевич 
 
 
 
 
 
Иванников, В. П. 
И18  
Технические измерения и автоматизация в тепло- и электроэнергетике : учебное пособие / В. П. Иванников. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. – 296 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1042-7 
 
Рассмотрены базовые понятия теоретической метрологии, принципы построения и вопросы создания измерительных систем и автоматизации измерений и управления процессами в теплоэнергетике. Приведены общие сведения о 
процедурах метрологического обеспечения и способах оценки погрешностей 
измерений. Рассмотрены принципы действия и особенности устройства современных средств измерения температуры, давления, скорости, количества и расхода жидкостей и газов, контроля уровня, состава и свойств веществ. Анализируются структурные и конструктивные особенности развития и совершенствования современных средств и систем управления сложными объектами и процессами, влияния программного обеспечения ИИС на результаты измерений. 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника». 
Может быть полезно специалистам, занимающимся созданием, эксплуатацией 
и метрологическим обеспечением измерительных систем в теплоэнергетике. 
 
УДК 621.311.22:681.5 
ББК 31.32 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1042-7 
” Иванников В. П., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................................... 6 
 
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ  
И КАЧЕСТВО ИЗМЕРЕНИЙ ................................................................................ 8 
I.1. Теоретические основы метрологии ............................................................... 8 
I.1.1. Физические свойства и физические величины ........................................ 10 
I.1.2. Шкалы измерений ...................................................................................... 12 
I.1.3. Измерение и его основные операции 
........................................................ 17 
I.1.4. Принципы, методы и средства измерений ............................................. 18 
I.1.5. Условия измерений ..................................................................................... 22 
I.2. Классификация измерений ............................................................................ 23 
I.3. Этапы, результаты и качество измерений ............................................... 27 
I.3.1. Этапы измерений ...................................................................................... 27 
I.3.2. Результаты измерений ............................................................................. 29 
I.3.3. Качество измерений .................................................................................. 31 
I.4. Случайные и систематические погрешности измерений ....................... 32 
I.4.1. Сложение случайных и систематических погрешностей .................... 40 
I.4.2. Обработка результатов при косвенных измерениях ............................ 41 
I.4.3. Запись результатов измерений. Точность расчетов ............................ 43 
I.4.4. Изображение экспериментальных результатов на графиках 
............. 44 
I.4.5. Проведение кривых через экспериментальные точки 
........................... 46 
I.4.6. Определение искомых параметров по результатам измерений .......... 48 
1.4.7. Оценка погрешностей при проведении теплотехнических  
измерений ............................................................................................................. 52 
 
ГЛАВА II. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ........... 54 
II.1. Измерение температуры ............................................................................. 54 
II.1.1. Температурные шкалы ............................................................................ 54 
II.1.2. Классификация средств измерения температуры .............................. 57 
II.1.3. Термометры расширения 
........................................................................ 58 
II.1.4. Манометрические термометры 
............................................................ 65 
II.1.5.  Термоэлектрические термометры 
....................................................... 72 
II.1.6.  Термопреобразователи сопротивления 
................................................ 79 
II.1.7. Бесконтактные методы измерения температуры 
............................. 90 
II.2. Измерение давления 
....................................................................................... 91 
II.2.1. Основные понятия ................................................................................... 91 
II.2.2. Классификация средств измерения давления ....................................... 95 
3 

II.2.3. Жидкостные манометры 
........................................................................ 99 
II.2.4. Деформационные датчики давления 
.................................................... 102 
II.2.5. Электрические датчики давления 
........................................................ 106 
II.2.6. Грузопоршневой манометр 
................................................................... 115 
II.3. Измерение количества и расхода 
.............................................................. 116 
II.3.1. Основные понятия, единицы измерения .............................................. 116 
II.3.2. Измерение расхода жидкости и газа .................................................. 117 
II.3.3. Расходомеры переменного перепада давления .................................   124 
II.3.4. Стандартные сужающие устройства ............................................... 128 
II.3.5. Расходомеры постоянного перепада давления 
................................... 132 
II.3.6. Электромагнитные расходомеры 
........................................................ 133 
II.3.7. Ультразвуковые расходомеры 
.............................................................. 137 
II.3.8. Расходомеры Кориолиса........................................................................ 140 
II.3.9. Вихревые и вихреакустические расходомеры ..................................... 143 
II.3.10. Калориметрические расходомеры ..................................................... 146 
II.3.11. Калориметрические расходомеры ..................................................... 150 
II.4. Измерение уровня 
......................................................................................... 153 
II.4.1. Основные понятия ................................................................................. 153 
II.4.2.  Классификация приборов для измерения уровня 
................................ 153 
II.4.3. Визуальные уровнемеры 
......................................................................... 155 
II.4.4. Поплавковые уровнемеры ...................................................................... 156 
II.4.5. Буйковые уровнемеры ............................................................................ 157 
II.4.6. Гидростатические уровнемеры ........................................................... 158 
II.4.7. Электрические уровнемеры .................................................................. 163 
II.4.8. Радиоизотопные уровнемеры ............................................................... 167 
II.4.9. Ультразвуковые уровнемеры ................................................................ 169 
II.4.10. Радарные уровнемеры.......................................................................... 171 
II.4.11. Волноводные уровнемеры .................................................................... 176 
II.4.12. Сигнализаторы уровня ........................................................................ 179 
 
ГЛАВА III. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ 
.................................................................................. 187 
III.1. Структура средств автоматизации ..................................................... 189 
III.2. Общие положения теории автоматического управления 
................. 190 
III.2.1. Обобщенная схема системы управления ........................................... 190 
III.2.2. Анализ и синтез системы управления ................................................ 195 
III.2.3. Основные этапы управления сложным объектом ........................... 197 
III.3. Основы теории автоматического управления (регулирования)  
объектами и процессами в теплоэнергетике 
................................................. 205 
4 

III.3.1. Первичные приборы для измерения параметров .............................. 207 
III.3.2. Структура объектов регулирования и автоматизации 
в теплоэнергетике ............................................................................................ 214 
III.3.3. Основные свойства теплоэнергетических объектов  
регулирования 
..................................................................................................... 217 
III.4. Основные законы регулирования 
.............................................................. 222 
III.4.1. Итегральный закон .............................................................................. 222 
III.4.2. Пропорциональный закон 
..................................................................... 223 
III.4.3. Пропорционально-интегральный закон ............................................. 223 
III.4.4. Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон ............. 223 
III.5. Структурная схема реализации аналоговой системы  
автоматического регулирования ...................................................................... 225 
III.6. Особенности реализации цифровых схем с программным 
обеспечением автоматического  регулирования 
............................................ 228 
III.6.1. Управление работой котла с помощью  
программно-технического комплекса (АСУ ТП) ........................................... 229 
 
ГЛАВА IV. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ  
СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ 
ОБЪЕКТАМИ И ПРОЦЕССАМИ ..................................................................... 232 
IV.1. Возможности использования персонального компьютера ................ 233 
IV.1.1. Вычислительные ресурсы персонального компьютера 
.................... 235 
IV.1.2. Информационные возможности персонального компьютера ........ 238 
IV.1.3. Профессионал-непрограммист вместо  
программиста-профессионала ........................................................................ 246 
IV.2. Совершенствование средств и методов управления сложными  
объектами или процессами 
................................................................................ 248 
IV.2.1. Информационно-измерительные системы 
........................................ 249 
IV.3. Современные измерительно-вычислительные комплексы 
средств автоматизации производственных предприятий 
......................... 265 
IV.4. Основные правила составления функциональных схем 
автоматизации в теплоэнергетике 
................................................................. 271 
IV.4.1. Основные понятия ................................................................................ 272 
IV.2.2. Порядок составления функциональных схем в теплоэнергетике ... 273 
IV.4.3. Условное обозначение приборов и средств автоматизации  
в теплоэнергетике ............................................................................................ 274 
 
ЛИТЕРАТУРА 
....................................................................................................... 276 
 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Задача измерения теплотехнических величин в теплоэнергетике многопланова: разработчику аппаратуры или исследователю необходимо, во-первых, 
определить совокупность физических явлений, которые можно использовать для 
получения оценок этих величин. Во-вторых, нужно проанализировать преимущества и проблемы практической реализации того или иного метода измерений 
и, наконец, выбрать конкретный способ измерений и соответствующие средства 
измерений, которые позволят наилучшим образом решить поставленную задачу. 
Разнообразие измерительных приборов – как универсальных, так и специализированных, обеспечивающих получение результата с известной погрешностью 
в различных условиях их применения, вызывает трудности при построении измерительных схем даже у опытных специалистов. Для тех, кто впервые знакомиться 
с этой проблемой, важно понять основные принципы функционирования измерительных приборов и особенности их применения, связанные с процессами выработки и потребления тепловой энергии: температуры, относительной влажности, 
тепловой энергии, давления, расхода, количества, уровня и состава веществ.  
Надежность и экономичная эксплуатация современных систем обеспечения параметров микроклимата, наружных тепловых сетей, котельных и технологического оборудования предприятий немыслима без применения значительного 
количества разнообразного по устройству, назначению и принципу действия измерительного оборудования. 
Большую роль измерения играют в устройствах автоматизации (автоматическое регулирование и управление, технологическая защита, сигнализация). 
Широкое применение в настоящее время в теплотехнических измерениях получили автоматические электронные измерительные приборы, отличающиеся высокой точностью, чувствительностью и быстродействием. 
Теплотехнические измерения служат для нахождения значений многих 
физических величин, связанных с процессами выработки и потребления тепловой энергии: температуры, относительной влажности, тепловой энергии, давления, расхода, количества, уровня и состава веществ. 
Обеспечение измерений теплотехнических величин в теплоэнергетике является многоплановой задачей: разработчику аппаратуры или исследователю 
необходимо, во-первых, определить совокупность физических явлений, которые 
можно использовать для получения оценок этих величин. Во-вторых, нужно 
проанализировать преимущества и проблемы практической реализации того или 
иного метода измерений и, наконец, выбрать конкретный способ измерений и 
соответствующие средства измерений, которые позволят наилучшим образом 
решить задачу. 
6 

В энергетической промышленности теплотехнические измерения используются для повседневного контроля и наблюдения за работой и состоянием 
установленного оборудования. Большую роль измерения играют в устройствах 
автоматизации (автоматическое регулирование и управление, технологическая 
защита, сигнализация). Надежность и экономичная эксплуатация современных 
систем обеспечения параметров микроклимата, наружных тепловых сетей, котельных и технологического оборудования предприятий немыслима без применения значительного количества разнообразного по устройству, назначению и 
принципу действия измерительного оборудования. 
Широкое применение в настоящее время в теплотехнических измерениях 
получили автоматические электронные измерительные приборы, отличающиеся 
высокой точностью, чувствительностью и быстродействием. 
Сведения, приведенные в учебном пособии, тесно связаны с содержанием 
специальных технических дисциплин, изучающих вопросы отопления, вентиляции, теплогазоснабжения, теплотехники, технической термодинамики, строительной теплофизики, кондиционирования воздуха и холодоснабжения, теоретических основ создания микроклимата в помещениях гражданских и промышленных зданий, и других базовых курсов. 
Учебное пособие можно структурно разделить на две части. В первой рассматриваются общие основы метрологии, положенные в основу методологии 
проведения современных измерений (глава 1). Во второй части рассматриваются 
методы и принципы работы, которые положены в основу современных методов 
и средств современных теплотехнических измерений (главы 2…7). 
Развернутая информация об измерительных приборах для проведения теплотехнических измерениях, в том числе их подробные технические характеристики, содержится в технических паспортах и инструкциях по эксплуатации, 
разработанных заводами-изготовителями. 
Учебное пособие предназначено для формирования общих и специальных 
знаний о методах измерения теплотехнических параметров, получения общих 
сведений о современных технических средствах измерений и овладения методами 
оценки погрешностей измерений и точности измерительных устройств у студентов, обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры по направлениям 
подготовки 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Тепломассообменные процессы и установки»; 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Возобновляемые источники энергии и энергоэффективность в зданиях»; 08.03.01 Строительство, профиль «Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение зданий, сооружений, населенных пунктов» и может 
быть полезно специалистам, занимающимся созданием, эксплуатацией и метрологическим обеспечением измерительных систем, включая системы учета тепловой 
и электрической энергии, расхода тепло- и энергоресурсов. 
7 

ГЛАВА  I 
 
ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕТРОЛОГИИ  
И КАЧЕСТВО ИЗМЕРЕНИЙ  
 
Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263–70 «ГСИ. 
Метрология. Термины и определения»: метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой 
точности. Греческое слово «метрология» образовано от слов «метро» – мера и 
«логос» – учение.  
Метрология делится на три самостоятельных и взаимно дополняющих 
раздела: теоретическая метрология, прикладная метрология и законодательная метрология. 
В разделе «теоретическая метрология» излагаются общие вопросы 
теории измерений.  
Раздел «прикладная метрология» посвящен изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований.  
В заключительном разделе «законодательная метрология» рассматриваются взаимосвязанные и взаимообусловленные комплексы общих правил, 
требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и 
контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений (СИ). 
 
I.1. Теоретические основы метрологии 
 
Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.  
Основное понятие метрологии в тело- и электроэнергетике – измерение. 
Без измерений не может обойтись ни одна наука, поэтому метрология как наука 
об измерениях находится в тесной связи со всеми другими науками.  
Любое «измерение», в сущности, представляет собой метод кодирования 
сведений и регистрации полученной в результате эксперимента информации, 
поэтому, среди методов познания место «измерения» определяется как основное, поскольку решает задачу формирования данных (фиксации результатов 
познания), обеспечивая достоверность исследований.  
Согласно ГОСТ 16263–70, измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических 
8 

средств. Возможности измерений обусловливаются предварительным изучением заданного свойства объекта, построением абстрактных моделей, как самого 
свойства, так и его носителя – объекта. 
Технический и технологический аспект измерения состоит в получении 
количественной информации об объекте управления или контроля, без которой 
невозможно точное воспроизведение всех заданных условий технического процесса, обеспечение высокого качества изделий и эффективного управления 
объектом.  
До 1918 г. метрическая система внедрялась в России факультативно, 
наряду со старой русской и английской (дюймовой) системами. Значительные 
изменения в метрологической деятельности стали происходить после подписания Советом народных комиссаров РСФСР декрета «О введении международной метрической системы мер и весов». Внедрение метрической системы в 
России происходило с 1918 по 1927 г. После Великой Отечественной войны и 
до сего времени метрологическая работа в нашей стране проводится под руководством Государственного комитета по стандартам (Госстандарт). 
Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности 
измерений является Государственная служба обеспечения единства измерений 
(ГСИ).  
Основные нормативные документы ГСИ í государственные стандарты. 
Принята Международная система единиц (СИ), на основе которой для обязательного применения разработан ГОСТ 8.417-2002. 
В СССР на базе Главной палаты мер и весов создано высшее научное 
учреждение страны – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ). В лабораториях института разрабатываются и хранятся государственные эталоны единиц измерений, определяются физические константы и свойства веществ и материалов.  
Тематика работ института охватывает линейные, угловые, оптические и 
фотометрические, акустические, электрические и магнитные измерения, измерения массы, плотности, силы, давления, вязкости, твердости, скорости, ускорения и ряда других величин. 
В 1955 г. под Москвой был создан второй метрологический центр страны – ныне Всероссийский научно-исследовательский институт физикотехнических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Он разрабатывает 
эталоны и средства точных измерений в ряде важнейших областей науки и техники: радиоэлектронике, службе времени и частоты, акустике, атомной физике, 
физике низких температур и высоких давлений. 
Третьим метрологическим центром России является Всероссийский 
научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) – 
9 

головная организация в области прикладной и законодательной метрологии. На 
него возложена координация и научно-методическое руководство метрологической службой страны. Кроме перечисленных существует ряд региональных 
метрологических институтов и центров [1]. 
К международным метрологическим организациям относится и Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), образованная в 
1956 г. При МОЗМ в Париже работает Международное бюро законодательной 
метрологии. Его деятельностью руководит Международный комитет законодательной метрологии. Некоторые вопросы метрологии решает и Международная 
организация по стандартизации (ИСО) [2]. 
«ХI Международная конференция по мерам и весам» в 1960 г. приняла 
Международную систему единиц физических величин (ФВ) – систему СИ. Сегодня система СИ узаконена более чем в 124 странах мира. 
 
I.1.1. Физические свойства и физические величины 
 
Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. 
Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими 
объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. 
Свойство – категория качественная. Для количественного описания различных 
свойств, процессов и физических тел вводится понятие величины. 
Величина – это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди 
других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной. 
Анализ величин позволяет разделить их на два вида: реальные и идеальные. 
Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются 
тем или иным способом. 
Реальные величины в свою очередь делятся на физические и нефизические.  
Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым 
в естественных (физика, химия) и технических науках.  
К нефизическим величинам следует отнести присущие общественным 
(нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и т. п. 
10