Основы экспериментальных исследований. Часть 1. Теплотехнические измерения

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 
 

Серия «Учебники ТГАСУ» 

 
 

Т.Н. Немова, В.С. Рекунов 

 
 

ОСНОВЫ  

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 

 

ЧАСТЬ 1. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 

 
 
 

Рекомендовано Учебно-методическим советом ТГАСУ  

в качестве учебного пособия для студентов всех форм обучения 

для бакалавриата по направлениям:  

08.03.01.06 «Теплогазоснабжение и вентиляция»,  

20.03.01 «Техносферная безопасность», специалитета:  

08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» 

 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2021 

 

УДК 536.5–0.47.37(075.8)
ББК 22.317.1в642я73

Н506
 

Серия «Учебники ТГАСУ» основана в 2013 году 

 

Немова, Т.Н. 

Основы экспериментальных исследований. Часть 1. Те
плотехнические измерения : учебное пособие / Т.Н. Немова, 
В.С. Рекунов. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 
2021. – 128 с. – Текст : непосредственный. 

ISBN 978-5-93057-967-3 

 

Пособие соответствует рабочим программам дисциплин Б1.В.ДВ.03.02 

«Основы экспериментальных исследований», Б1.О1.38 «Физико-химические 
основы горения топлива». 

В первой части учебного пособия рассмотрены вопросы выбора мето
дов и средств измерения параметров технологических процессов. Главное 
внимание уделено принципам работы и параметрам конкретных средств измерения. Приведены вопросы для самопроверки. 

Предназначено для студентов всех форм обучения уровня бакалаври
ата по направлениям: 08.03.01.06 «Теплогазоснабжение и вентиляция», 
20.03.01 «Техносферная безопасность», специалитета: 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений». 
 

УДК 536.5–0.47.37(075.8)
ББК 22.317.1в642я73

 
Рецензенты: 
В.И. Биматов, докт. физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой 
«Баллистика» ТГУ; 
Н.В. Барановский, канд. физ.-мат. наук, доцент Научнообразовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы 
энергетики НИ ТПУ. 
 
 

ISBN 978-5-93057-967-3
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2021

© Немова Т.Н., Рекунов В.С., 2021

Н506

ВВЕДЕНИЕ 

Современный уровень развития энергетики и новые подхо
ды в организации теплоснабжения населенных мест и предприятий, в частности повышение эффективности проводимых мероприятий предъявляют особые требования к методам и средствам, 
контролирующим процесс теплоснабжения и теплопотребления. 

В первой части пособия как основа научного исследования 

рассматривается диалектический процесс познания сущности 
процессов и явлений окружающей действительности. Так как методы исследования определяются имеющимися на данный момент средствами исследования, рассмотрены физические явления, 
лежащие в основе работы теплотехнических средств измерения, 
применяемых как в теплоснабжении, так и в других областях 
(теплоэнергетике, строительстве и др.). Измерение рассматривается как совокупность работы чувствительных элементов (датчиков), преобразователей и измерительных приборов с учетом влияния различных факторов. Проведен анализ принципов, лежащих 
в основе работы методов и средств измерения температуры, давления, расхода теплоносителей, уровня жидкостей и сыпучих веществ, состава газовых смесей и жидкостей, а также рассмотрены 
современные средства измерения параметров. В конце каждого 
раздела приведены вопросы для самопроверки. 

Представленный материал не претендует на полноту осве
щения рассмотренных вопросов вследствие большого количества информации, но дает основания для правильного выбора 
методов и средств измерения для решения конкретных технических задач. 

Пособие может быть полезно для всех специалистов, занима
ющихся экспериментальным исследованием тепловых процессов. 

 

 
 

1. МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 

Процесс познания является основой любого научного ис
следования и представляет собой сложный диалектический процесс постепенного воспроизведения в сознании человека сущности процессов и явлений окружающей его действительности. 

Теория познания есть учение о закономерностях процесса 

познания окружающего мира, методах и формах этого процесса, 
истине, критериях и условиях ее достоверности. 

В теории познания существуют два основных направления: 

материалистическое и идеалистическое. 

Идеализм отрицает проникновение в сущность вещей 

и определяется как «самопознавание» «мирового духа» (Г. Гегель) 
и анализ «комплекса ощущений» (Д. Беркли). 

Материализм определяет познание как отражение реально
го мира, окружающего человека. 

Домарксовский материализм был по природе метафизиче
ским и созерцательным. Он не раскрывал диалектического характера процесса познания. 

К. Маркс и Ф. Энгельс впервые установили, что познание 

изучаемого предмета начинается с его непосредственного созерцания. 

Следующая ступень – анализ, который заключается в мыс
ленном расчленении исследуемого объекта, предмета или явления на составные части. Анализ позволяет изучить строение 
объекта, его структуру, отделить существенное от второстепенного, познать часть как элемент сложного целого. 

Следующая ступень – синтез объекта или целостное вос
создание его на основе предшествующего анализа. 

Таким образом, диалектика человеческого познания заклю
чается в движении мышления от реального исходного конкретного к абстрактному, а затем в восхождении от абстрактного 
к мысленно воссоздаваемому конкретному. 

В.И. Ленин конкретизировал общую формулу познания ис
тины: «…истина проходит в развитии три ступени: 1) жизнь; 
2) процесс познания, включающий практику человека и технику; 
3) полную истину. В более широкой формулировке: «От живого 
созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике – 
таков диалектический путь познания истины». Ленин впервые 
установил неразрывную связь трех ступеней процесса познания – непосредственного (чувственного) созерцания, абстрактно-теоретического мышления и практики. 

Особую роль Ленин уделял практике как критерию истины 

и сфере приложения результатов, достигнутых наукой, – основному стимулу самого процесса познания. 

Этапы процесса научного познания характеризуют общие 

диалектические принципы подхода к изучению законов развития природы и общества. В конкретных случаях процесс осуществляется с помощью определенных методов научного исследования. 

Метод исследования – совокупность приемов, способ
ствующих изучению окружающей действительности или практическому осуществлению явления или процесса. Применяемый 
метод зависит от характера исследуемого объекта. 

Метод исследования определяется имеющимися на данный 

период средствами исследования. 

Методы делятся на всеобщие, общенаучные и конкретно
научные. 

Всеобщим методом является материалистическая диалек
тика, определяющая сущность исследования. 

К общенаучным методам относятся анализ, синтез, ин
дукция, дедукция, аналогия, моделирование и абстрагирование. 
Методы имеют ограниченную область применения. Например, 
наблюдение и эксперимент широко используются в технических 
науках на всех этапах познания; идеализация и формализация 
применяются, как правило, на этапе теоретического исследования, но в различных областях знаний. 

Конкретно-научные методы исследования характерны для 

какой-то конкретной области знаний (математики, химии, физики и т. д.). 

Для современной науки характерно проникновение от
дельных методов исследования из одной области знаний в другую, а также применение группы конкретно-научных методов 
для исследования одного объекта (например, в молекулярной 
биологии одновременно используются методы физики, химии, 
математики и кибернетики). 

В каждом научном исследовании можно выделить два ос
новных уровня: 1) эмпирический, на котором происходит процесс чувственного восприятия, установления и накопления фактов; 2) теоретический, на котором достигается синтез знания 
в виде создания научной теории. Поэтому общенаучные методы 
исследования можно разделить на три группы: 

1) методы эмпирического уровня исследования; 
2) методы теоретического уровня исследования; 
3) методы эмпирического и теоретического уровней иссле
дования. 

 
 
1.1. Методы эмпирического уровня исследования 

К основным методам эмпирического уровня исследования 

относятся наблюдение, измерение и эксперимент. 

Наблюдение есть целенаправленное и организованное вос
приятие объекта исследования, позволяющее получить первичный материал для изучения. 

Метод используется как самостоятельно, так и в сочетании 

с другими методами. Широко используются различные приборы. 

Требования к методу: наблюдение ведется для определен
ной четко поставленной задачи; в первую очередь рассматриваются интересующие исследователя стороны явления; наблюдение должно быть активным; надо искать определенные черты 

явления; наблюдение ведется по определенной схеме и должно 
подчиняться определенной тактике. 

Наблюдения могут привести к важным открытиям. 
Наблюдения широко используются при исследовании теп
лоэнергетических процессов и проявляются в виде качественных опытов. 

Измерение есть процедура определения численного значе
ния характеристик исследуемых материальных объектов (массы, 
скорости, температуры, количества теплоты и т. д.). Измерения 
проводятся с помощью измерительных приборов и сводятся 
к сравнению измеряемой величины с некоторой величиной, принятой за эталон. 

Измерения дают количественно определенные описания 

свойств тел, на основании которых могут быть установлены 
факты и сделаны эмпирические открытия, приводящие к коренному изменению взглядов в определенной области знаний. 

При измерениях большое внимание уделяется оценке по
грешности измерений. 

В теплоэнергетических исследованиях вопросы измерения 

занимают первостепенное место; измеряют температуру, давление, влажность, скорость, расход топлива и другие параметры 
рабочей среды. 

Эксперимент есть система операций, воздействий и наблю
дений, направленных на получение информации об объекте при 
исследовательских испытаниях, которые могут осуществляться 
в естественных и искусственных условиях при изменении характера протекания процесса. 

Эксперимент используется на заключительной стадии иссле
дования и является критерием истинности теорий и гипотез. Однако эксперимент во многих случаях является источником новых 
теоретических представлений, развиваемых на основе данных проведенного опыта, или законов, следующих из эксперимента. 

Эксперимент включает в себя выделение объекта исследо
вания, создание необходимых условий для его выполнения, ак

тивное воздействие на объект исследования, процессы наблюдения и измерения. 

Преимущества: явление может изучаться в чистом виде бла
годаря устранению побочных факторов; возможно изучение 
свойств объекта в экстремальных условиях (сверхвысокие и сверхнизкие температуры и давление); повторяемость (возможность 
проведения желаемого числа исследований). 

Эксперименты могут быть натурными и модельными. 
Натурный эксперимент изучает явления и объекты в их 

естественном состоянии, модельный – моделирует эти процессы 
в широком диапазоне изменения определяющих факторов. 

И натурный, и модельный эксперименты широко исполь
зуются в исследовании теплоэнергетических процессов. 

 
 
1.2. Методы теоретического уровня исследования 

На этом уровне используются такие методы, как идеализа
ция, формализация, принятие гипотез, создание теории. 

Идеализация есть мысленное создание объектов и условий, 

которые не существуют в действительности и не могут быть созданы практически. 

Это позволяет лишить реальные объекты некоторых при
сущих им свойств или мысленно наделить нереальными свойствами, давая возможность получить решение задачи в конечном 
виде. Например, при исследовании процессов теплопередачи 
используются понятия абсолютно черного, белого тела, идеального газа и идеальной жидкости. 

Любая идеализация правомерна лишь в определенных 

пределах. 

Формализация – метод изучения различных объектов, при 

котором основные закономерности явлений и процессов отображаются в знаковой форме, с помощью формул или символов. 
Формализация обеспечивает обобщенность подхода к решению 

различных задач, позволяет устанавливать закономерности между изучаемыми фактами. 

Гипотеза – научно обоснованная система умозаключений, 

посредством которой на основе ряда факторов делается вывод 
о существовании причины явления. Гипотеза является формой 
перехода от фактов к законам. Ввиду своего вероятностного характера гипотеза требует проверки, после которой она видоизменяется, отвергается (отрицательный результат проверки) или 
становится научной теорией. Гипотезой является закон Фурье 
в теории теплопроводности. 

В своем развитии гипотеза проходит три стадии. 
Эмпирическое познание. Происходит накопление фактиче
ского материала, на основе которого высказываются некоторые 
предположения. 

Формирование гипотезы. Из сделанных предположений 

развертывается предположительная теория. 

Проверка гипотезы. Уточнение и проверка гипотезы. 
Таким образом, гипотеза превращается в научную теорию 

посредством практики. 

Гипотезы бывают обычные и математические. 
В обычной гипотезе делается предположение о физических 

свойствах объекта, на основании которого проводится его математическое описание. Пример обычной гипотезы – закон теплопроводности Фурье. 

Математическая гипотеза заключается в распространении 

на новую область известных математически выраженных законов какой-либо смежной области. 

Основные правила выдвижения и проверки гипотезы: 
1. Она должна согласовываться со всеми факторами, кото
рых касается. 

2. Предпочтительнее та гипотеза, которая объясняет боль
шее число фактов. 

3. Следует выдвигать возможно меньшее число гипотез, 

связь между которыми должна быть более тесной. 

4. Необходимо помнить о вероятностном характере гипотез. 
5. Противоречащие друг другу гипотезы не могут быть 

вместе истинными. Исключение составляют гипотезы, которые 
объясняют различные стороны и связи одного и того же объекта. 

Теория является наиболее высокой формой обобщения 

и систематизации знаний. Создание теории основывается на результатах эмпирического уровня исследований, которые приводятся в стройную систему с общей идеей. На основании результатов выдвигается гипотеза, которая после проверки практикой 
становится научной теорией. 

В отличие от гипотезы теория имеет объективное обосно
вание. Она должна быть адекватной явлению (правильно воспроизводить его), что позволяет в определенных пределах заменить экспериментальные исследования теоретическими; объяснять взаимосвязи между различными компонентами системы; 
обеспечивать связи между различными положениями; соответствовать эмпирическим данным. 

Законом называется теория, обладающая большой надеж
ностью и подтвержденная экспериментально. Закон выражает 
общие отношения и связи для данного рода явления и существует независимо от сознания людей. Частные законы действуют 
в определенных областях (второй закон термодинамики), общим 
законам подчиняются большая группа явлений (закон сохранения и превращения энергии), всеобщие (универсальные) законы 
действительны для всех областей знаний (закон диалектики). 

 
 
1.3. Методы теоретического  

и эмпирического уровня исследования 

На этих уровнях исследования используются: анализ, синтез, 

индукция, дедукция, аналогия, моделирование и абстрагирование. 

Анализ – метод познания, заключающийся в мысленном 

расчленении предмета или явления на составные, более простые 
части и выделении отдельных свойств и связей.