КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Измеряемые и регулируемые величины

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

 

Технические измерения и приборы

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

ПЕРМЬ 2012

 

Оглавление

Введение. 6

Измеряемые и регулируемые величины.. 7

1. Государственная система приборов. 9

1.1. Основные понятия и определения ГСП.. 10

1.2. Принципы построения ГСП.. 11

1.3. Классификация средств измерения и автоматизации ГСП.. 13

1.3.1. Функциональные группы изделий ГСП.. 14

1.3.2. Примеры агрегатных комплексов. 15

1.4. Основные ветви системы.. 16

Контрольные вопросы.. 18

2. Общие характеристики средств измерения. 19

2.1. Классификация средств измерения. 19

2.1.1. Классификация компонентов измерительных устройств. 21

2.2. Типовые структурные схемы измерительных устройств. 23

2.2.1. Структурные схемы средств измерения неэлектрических величин. 23

2.2.2. Структурные схемы измерительных систем. 26

2.3. Статические характеристики и параметры измерительных устройств. 27

2.4. Динамические характеристики измерительных устройств. 29

2.5. Погрешности средств измерений. 34

2.6. Нормирование метрологических характеристик средств измерений. 41

2.6.1. Нормирование метрологических характеристик измерительных устройств 41

2.6.2. Нормирование метрологических характеристик измерительных систем 43

Контрольные вопросы.. 45

3. Измерительные информационные системы.. 46

3.1. Основные понятия об измерительных информационных системах. 46

3.1.1. Поколения измерительных информационных систем. 46

3.1.2. Классификация ИИС.. 47

3.1.3. Требования, предъявляемые к ИИС.. 48

3.1.4. Основные компоненты ИИС.. 49

3.2. Виды информационно-измерительных систем. 50

3.2.1. Измерительные системы.. 50

3.2.2. Системы автоматического контроля. 53

3.2.3. Системы технической диагностики. 55

3.2.4. Система телеизмерения. 56

3.2.5. Перспективы развития ИИС.. 57

Контрольные вопросы.. 58

4. Электрические измерения и приборы.. 59

4.1. Аналоговые средства измерений. 60

4.1.1. Электромеханические приборы.. 60

4.1.2. Компенсаторы постоянного тока. 72

4.1.3. Электронные аналоговые вольтметры.. 74

4.2. Цифровые электронные вольтметры.. 77

4.2.1. Цифровой вольтметр с ГЛИН.. 79

4.2.2. Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования. 81

4.3. Измерение параметров элементов электрических цепей. 85

4.3.1. Метод вольтметра-амперметра. 86

4.3.2. Метод непосредственной оценки. 88

4.3.3. Компенсационный метод измерения сопротивлений. 91

4.3.4. Метод дискретного счета. 93

4.4. Электронно-счетный частотомер. 95

Контрольные вопросы.. 97

5. Передающие преобразователи неэлектрических величин. 98

5.1. Дифференциально-трансформаторные преобразователи. 99

5.2. Передающие преобразователи с магнитной компенсацией. 103

5.3. Электросиловые преобразователи. 107

5.4. Измерительные тензопреобразователи. 109

Контрольные вопросы.. 111

6. Измерение температур. 112

6.1. Практические температурные шкалы.. 112

Средства измерения температур. 115

6.2. Термометры расширения. 115

6.2.1. Стеклянные жидкостные термометры.. 115

Технические электроконтактные термометры.. 117

6.2.2. Манометрические термометры.. 119

6.3. Термоэлектрические термометры.. 122

6.3.1. Характеристики материалов для термоэлектрических преобразователей 127

6.3.2. Конструкция термоэлектрических термометров. 131

6.3.3. Удлиняющие термоэлектродные провода. 134

6.4. Термометры сопротивления. 135

6.4.1. Медные термометры сопротивления. 136

6.4.2. Никелевые термометры сопротивления. 137

6.4.3. Платиновые термометры сопротивления. 137

6.4.4. Неметаллические термометры сопротивления. 139

6.4.5. Устройство термометров сопротивления. 140

6.4.6. Способы подключения термометров сопротивления. 142

6.5. Динамическая характеристика термопреобразователей. 146

6.6. Промышленные термопреобразователи. 147

6.6.1. Преобразователи термоэлектрические ТХА «Метран-201» и ТХК «Метран-202» 147

6.6.2. Термопреобразователи сопротивления медные взрывозащищенные ТСМ «Метран-253» (50М) и ТСМ «Метран-254» (100М) 147

6.6.3. Термопреобразователи сопротивления платиновые ТСП «Метран-245»; «Метран-246». 148

6.6.4. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом ТХАУ «Метран-271», ТСМУ «Метран-274», ТСПУ «Метран-276». 148

6.6.5. Термопреобразователи микропроцессорные ТХАУ «Метран-271МП», ТСМУ «Метран-274МП», ТСПУ «Метран-276МП». 148

6.6.6. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281», «Метран-286» 149

Контрольные вопросы.. 151

7. Измерение давления. 152

7.1. Классификация манометров. 153

7.1.1. По виду измеряемого давления. 153

7.1.2. По принципу преобразования измеряемого давления. 153

7.2. Деформационные манометры.. 154

7.2.1. Трубчато-пружинные манометры.. 157

7.2.2. Электроконтактные манометры.. 158

7.2.3. Манометры с ДТП.. 159

7.2.4. Манометры с компенсацией магнитных потоков. 159

7.2.5. Преобразователи давления с силовой компенсацией. 160

7.2.6. Сильфонные манометры и дифманометры.. 162

7.2.7. Мембранные манометры и дифманометры.. 162

7.3. Пьезоэлектрические манометры.. 164

7.4. Манометры с тензопреобразователями. 165

7.5. Методика измерения давления и разности давлений. 170

Контрольные вопросы.. 174

8. Измерение уровня. 175

8.1. Уровнемеры с визуальным отсчетом. 175

8.2. Гидростатические уровнемеры.. 176

8.3. Поплавковые и буйковые уровнемеры.. 181

8.4. Емкостные уровнемеры.. 184

8.5. Индуктивные уровнемеры.. 187

8.6. Ультразвуковые уровнемеры.. 187

Контрольные вопросы.. 190

9. Измерение расхода. 191

9.3. Измерение расхода по переменному перепаду давления. 191

9.3.1. Расходомеры с сужающими устройствами. 191

9.3.2. Измерение расхода по переменному перепаду давления в осредняющей напорной трубке. 196

9.4. Расходомеры постоянного перепада. 198

9.4.1. Ротаметры.. 198

9.4.2. Тахометрические расходомеры.. 202

9.4.3. Электромагнитные расходомеры.. 206

9.4.4. Ультразвуковые расходомеры.. 211

9.4.5. Вихревые расходомеры.. 216

9.4.6. Вихреакустические расходомеры.. 217

9.4.7. Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры.. 219

9.5. Обзор имеющихся расходомеров. 225

Контрольные вопросы.. 227

10. Измерение положения, скорости, ускорения. 228

10.2. Фотоэлектрические преобразователи положения. 228

10.3. Кодовые датчики положения. 232

10.5. Инерционные датчики ускорения, скорости, положения. 234

Контрольные вопросы.. 236

11. Метрологическое обеспечение измерений. 236

11.1. Передача размера единиц измерения. 237

11.2. Регулировка, градуировка и поверка средств измерений. 238

11.3. Метрологическое обеспечение средств измерений давления. 241

Контрольные вопросы.. 242

Заключение. 243

Список литературы.. 245

 

 

 

«В физике существует только то, что можно измерить»

Макс Планк

Введение

Производством измерений человечество занимается с давних времен, еще за четыре тысячелетия до нашей эры древние вавилоняне проводили астрономические измерения. Строительство египетских пирамид было бы невозможным без производства измерений. Развитие науки и производства требовало увеличения количества измерений, повышения их точности, включения в круг измеряемых все новых и новых величин. Исторически развитие измерительной техники неразрывно связано с развитием потребностей общества. Современные условия характеризуются ускоренным развитием науки и промышленного производства, что немыслимо без широчайшего применения самых разнообразных измерений и измерительных устройств.

Под понятием «измерять», с одной стороны, в быту понимают простейшую операцию получения либо численного значения какой-либо величины, либо операцию сравнения: «больше», меньше», которые без труда выполняются с помощью простых средств. С другой стороны, современные фундаментальные научные исследования требуют проведения сложнейших измерений, постановку и выполнение которых осуществляют целые научные организации, располагающие специалистами высшей квалификации.

Общей для всех измерений является осуществляемая при каждом измерении экспериментальная операция, состоящая в сравнении измеряемой физической величины с одноименной ей величиной, принятой за единицу. Целью такого сравнения является определение количественной оценки измеряемой величины в виде определенного числа принятых для нее единиц.

Затраты на измерительную технику в конце двадцатого века составляли 10÷15 % всех материальных затрат на общественное производство, а в таких отраслях промышленности, как радиоэлектроника, авиастроение, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, эти затраты доходили до 25 %.

В СССР ежедневно проводилось более 20 млрд. измерений. Выполнением измерений и связанных с ними операций контроля было занято более 3 млн. трудящихся. В настоящее время без измерений не может обойтись практически ни одна область деятельности человека.

Основной потребитель измерительной техники – промышленность. Здесь измерительная техника является неотъемлемой частью технологических процессов, так как используется для получения информации о многочисленных режимных параметрах, определяющих ход процессов. На использовании разнообразных и часто сложных измерительных устройств и установок базируется в промышленности контроль качества продукции и сырья.

Измеряемые и регулируемые величины

В зависимости от характера технологического процесса все производства можно разделить на две группы: производства с непрерывным и производства с… К первой группе относятся производства таких отраслей промышленности, как… Приближенное представление о том, какие параметры и в каком относительном количестве измеряются на производствах с…

Государственная система приборов

Совокупность ГСП составляют средства измерения (СИ), средства автоматизации (СА), средства управляющей вычислительной техники и программные… Результатом создания ГСП явилась возможность построения на единой элементной… В состав ГСП входят изделия, необходимые и достаточные как для построения систем контроля, регулирования и управления…

Основные понятия и определения ГСП

Измерительная техника – совокупность технических средств, служащих для выполнения измерений, методов и приемов проведения измерений и интерпретации их результатов.

Технологические (технические) измерения – область измерительной техники, объединяющая измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах.

Измерительные устройства, установки, системы – специальные технические средства для проведения измерений, различаются по сложности и принципам действия.

Приборы и средства автоматизации (ПрСА) – совокупность технических средств (ТС) ГСП, включающих в себя средства измерения (СИ) и средства автоматизации (СА) отраслевого назначения, предназначенные для восприятия, преобразования и использования информации для контроля, регулирования и управления.

Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для получения сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки или хранения. Измерительный преобразователь, как правило, не имеет устройства индикации.

Естественный сигнал – сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения которого определяются физическими свойствами преобразователя и диапазоном изменения измеряемой величины.

Виды естественных сигналов ГСП: перемещение, угол поворота, усилие, интервалы времени, постоянное и переменное напряжение, активное и комплексное сопротивление, электрическая емкость, частота.

Унифицированный сигнал – сигнал, у которого вид носителя информации, диапазон его изменения не зависят от вида измеряемой величины, метода измерения и диапазона изменения измеряемых величин.

Совместимость ТС – возможность автоматического взаимодействия ТС в заранее предусмотренных сочетаниях при построении более сложных комплексных устройств и систем без необходимости применения дополнительных или изменения используемых средств.

Нормирующий преобразователь – служит для преобразования естественного сигнала в унифицированный сигнал.

Интерфейс – совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств цифровой вычислительной системы и (или) программ (по ГОСТ 15971–90).

Работоспособность устройства – состояние устройства, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения своих заданных технических характеристик в определенных фиксированных пределах, называемых областью работоспособности.

Системы автоматизации – совокупность систем автоматического контроля, регулирования и управления (САКРиУ), подразделяются на следующие категории: локальные, централизованные, автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Иерархический принцип управления в технике – принцип построения многоступенчатых систем управления, при котором функции управления распределяются между соподчиненными частями системы.

Нормативно-техническая документация (НТД) – графические и текстовые конструкторские и технологические документы, устанавливающие обязательные и рекомендуемые требования, нормы, методы или конструкцию изделия, используемые при проектировании, изготовлении, испытаниях, эксплуатации или ремонте. К основным видам НТД относятся стандарты всех категорий, методические указания, руководящие технические материалы и методики институтов, общие технические требования, правила и руководства по применению, типовые технологические процессы, типовые методики испытаний, ограничительные перечни.

Принципы построения ГСП

Блочно-модульный принцип – это возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более простых унифицированных… 1) модуль – техническое устройство, реализующее одну элементарную функцию; 2) блок – техническое устройство, реализующее строго определенный набор функций и состоящее из нескольких модулей;

Классификация средств измерения и автоматизации ГСП

Технические средства ГСП классифицируют по следующим признакам:

- по выполняемой функции – изделия получения, передачи, ввода и вывода информации; изделия преобразования, обработки и хранения информации; изделия использования информации; вспомогательные изделия (например, источники питания);

- по виду энергии носителя сигналов в канале связи – электрические изделия; пневматические изделия; гидравлические изделия; комбинированные изделия; изделия, работающие без использования вспомогательной энергии;

- по метрологическим свойствам: 1) средства измерений; 2) изделия, не являющиеся средствами измерений, которые подразделяются: а) на изделия, имеющие нормируемые точностные характеристики (влияние на точность выдаваемых управляющих воздействий); и б) изделия, не имеющие точностных характеристик;

- по эксплуатационной законченности – изделия первого, второго и третьего порядка;

- по защищенности от воздействия окружающей среды – подразделяются по исполнению изделий: обыкновенное; защищенное от попадания внутрь изделия твердых тел; защищенное от попадания воды внутрь изделия; защищенное от агрессивной среды; взрывозащищенное;

- по устойчивости к механическим воздействиям – подразделяются по исполнению изделий – виброустойчивое, вибропрочное, удароустойчивое;

Исполнение – совокупность изделий одного типа, обладающих конструктивными особенностями, которые влияют на эксплуатационные характеристики. Например, имеется тропическое исполнение многих изделий, которое отличается повышенной влагостойкостью пропиточных и изоляционных материалов, устойчивостью к разрушающему воздействию живых тропических организмов.

Функциональные группы изделий ГСП

Первая функциональная группа – устройства получения информации о состоянии технологического процесса. В группу входят датчики и нормирующие… Вторая функциональная группа – устройства приема, преобразования и передачи… Третья функциональная группа – устройства обработки информации, формирования команд управления и предоставления…

Примеры агрегатных комплексов

Агрегатный комплекс средств контроля и регулирования (АСКР)

Функциональный состав. Центральные устройства обработки информации (аналого-цифрового преобразования, программной обработки цифровой информации). Устройства преобразования информации в аналоговой форме. Устройства уплотнения информации и передачи ее по каналам связи. Устройства связи с оператором. Установки непрерывного избирательного контроля и позиционного регулирования, многоточечной цифровой регистрации, централизованного контроля и многоканального регулирования.

Области применения. Централизованный контроль и управление работой перекачивающих агрегатов для магистральных газопроводов, турбо- и гидрогенераторов, циклических агрегатов текстильных производств, процессов выращивания моно- и поликристаллов, регулирование термоконстантных помещений.

Микропроцессорные средства диспетчеризации, автоматики, телемеханики (Микро-ДАТ)

Выполняемые функции. Сбор, хранение и первичная обработка технологической информации. Прямое цифровое регулирование, цифровая коррекция уставок локальных регуляторов. Программно-логическое управление. Ручной ввод и отображение технологической информации. Активное устройство связи УВМ с объектом и оперативным персоналом. Управление исполнительными устройствами объекта.

Области применения. Распределенные АСУ ТП в черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, в энергетике, машиностроении и приборостроении. В непромышленной сфере: коммунальное хозяйство, транспорт, контроль окружающей среды.

Агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ)

Функциональный состав. Устройства сбора и преобразования информации. Коммутаторы. Аналого-цифровые преобразователи. Преобразователи цифровых кодов. Цифро-аналоговые преобразователи. Устройства измерения: показывающие и регулирующие. Устройства представления информации аналоговые, цифровые, показывающие, регистрирующие.

Области применения. Системы управления. Научные исследования. Испытательные и проверочные работы. Техническая диагностика

Агрегатный комплекс щитовых пневматических средств регулирования «Старт»

Функциональный состав. Регулирующие аналоговые и позиционные устройства. Функциональные блоки, вспомогательные устройства.

Области применения. Технологические процессы с агрессивной и пожароопасной средой с преимущественной реализацией локальных систем контроля и регулирования.

Агрегатный комплекс средств гидравлического контроля и регулирования (АСГР)

Функциональный состав. Гидравлические аналоговые и дискретные элементы. Гидравлические датчики и регуляторы. Гидравлические поршневые исполнительные механизмы.

Области применения. Локальные системы регулирования при необходимости реализовывать большие перестановочные усилия в исполнительных устройствах

Основные ветви системы

В аналоговых системах контроля и регулирования используют непрерывные измерительные сигналы (например, ток, напряжение, световой поток, давление),… В цифровых системах контроля и регулирования применяется кодирование сигнала.… Одновременно с формированием измерительной информации сигналы связи обеспечивают дистанционную связь ТС системы.

Контрольные вопросы

1. С какой целью создавалась государственная система приборов и средств автоматизации?

2. Каков состав измеряемых и регулируемых величин ГСП?

3. Что включает понятие «измерительная техника»?

4. Что такое измерительный преобразователь?

5. Чем отличается унифицированный сигнал от естественного?

6. В чем заключается иерархический принцип управления в технике?

7. Что обеспечивает блочно-модульный принцип?

8. Какова суть принципа агрегатирования?

9. Какие существуют виды совместимости?

10. По каким признакам классифицируются технические средства ГСП?

11. На какие группы разделяют технические средства ГСП по функ­цио­нальному признаку?

12. На какие ветви делятся устройства ГСП?

13. Какие основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП?

 

 

Общие характеристики средств измерения

Классификация средств измерения

В метрологии средства измерения принято классифицировать по виду, принципу действия и метрологическому назначению.

Различают следующие виды средств измерения: меры, измерительные устройства; измерительные установки и измерительные системы (рис. 2.1).

Мера – средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Самым многочисленным видом средств измерения являются измерительные устройства, применяемые самостоятельно или в составе измерительных установок и измерительных систем. В зависимости от формы представления сигнала измерительной информации измерительные устройства подразделяют на измерительные приборы и измерительные преобразователи.

Классификация по наиболее важным признакам измерительных приборов отражена на рис. 2.1.

В зависимости от используемого метода измерения и способа представления величины измерительные преобразователи классифицируются аналогично измерительным приборам (см. рис. 2.1).

По роду измеряемой величины измерительные устройства подразделяют на типы: амперметры – для измерения тока, термометры – для измерения температуры, манометры – для измерения давления и т.п.

По степени защиты измерительные устройства подразделяются по виду исполнения.

По характеру применения измерительные приборы подразделяют на стационарные или щитовые и переносные.

Кроме рассмотренной классификации средств измерения по виду существенной является классификация по принципу действия.

Принцип действия – физический принцип, положенный в основу построения средств измерения данного вида. Принцип действия обычно находит отражение в названии средства измерения, например: термоэлектрический термометр, деформационный манометр, электромагнитный расходомер.

Существенной с позиции метрологии является классификация средств измерения по метрологическому назначению.Различают образцовые и рабочие средства измерения.

Образцовое средство измерения – это мера или измерительное устройство, служащее для поверки по нему других (как рабочих, так и образцовых меньшей точности) средств измерений и утвержденное в качестве образцового средства.

Рабочее средство измерения – средство, применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единиц измерения.

 

 

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных измерительных и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте и предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия человеком. Измерительные установки обычно используются в различных лабораториях: научно-исследовательских, контроля качества, метрологических, ремонтных.

Измерительная система – совокупность измерительных и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. Измерительные системы рассматриваются как один из классов информационных измерительных систем.

Классификация компонентов измерительных устройств

Измерительные устройства состоят из составных частей, предназначенных для выполнения определенных функций: преобразование сигнала по форме или виду энергии; успокоение колебаний; защита от помех; коммутация цепей; представление информации.

Основные составные части измерительных устройств:

1) преобразовательный элемент – элемент, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований измеряемой величины;

2) чувствительный элемент – первый в измерительной цепи преобразовательный элемент, находящийся под непосредственным воздействием измеряемой величины;

3) измерительная цепь – совокупность преобразовательных элементов, обеспечивает осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации;

4) измерительный механизм – состоит из совокупности элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение;

5) отсчетное устройство – предназначено для представления значения измеряемой величины наблюдателю;

6) регистрирующее устройство – предназначено для записи показаний.

Отсчетное устройство представляет собой цифровое табло или шкалу со стрелочным или оптическим указателем. Внешний вид одного из вариантов шкальных отсчетных стрелочных устройств, приведен на рис. 2.2

Числовые или оцифрованные отметки шкалы – отметки шкалы, у которых проставлено числовое значение.

Деление шкалы – промежуток между двумя соседними отметками шкалы.

Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Равномерная шкала – шкала с постоянными делениями и постоянной ценой деления.

Показания измерительного прибора – значения измеряемой величины, определяемые по отсчетному устройству и выраженные в принятых единицах измеряемой величины.

 

Рис. 2.2. Стрелочное отсчетное устройство

Начальное и конечное значение шкалы – наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, указанное на шкале, соответственно.

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.

Диапазон измерения прибора или преобразователя – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Применительно к измерительным устройствам вообще диапазон измерений часто называют рабочим диапазоном преобразования.

Пределы измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений.

Шкалы приборов бывают односторонними, двусторонними и безнулевыми. В односторонних шкалах один из пределов измерения прибора равен нулю, например шкала 0…100 °C. В двусторонних шкалах нулевое значение расположено внутри шкалы, например шкала минус 50…0…100 °C. В безнулевых шкалах на шкале нет нулевого значения, например шкала 200…600 °С.

При оценке значения физической величины по шкале измерительного прибора необходимо учитывать, что число делений шкалы согласовано с классом точности измерительного прибора в первом приближении в соответствии с формулой

, (2.1)

где n – число делений, L – класс точности.

Поэтому не следует пытаться на глаз оценить доли деления и приводить их в результате измерения. Известно, что при определении долей деления на глаз операторы допускают систематическую ошибку, доходящую до 0,2 деления. По указанным причинам значение измеряемой величины должно быть считано по шкале с погрешностью в половину деления. При этом необходимо пользоваться правилами округления:

- если указатель располагается в середине деления (рис. 2.3, а), слева (рис. 2.3, б) или справа (рис. 2.3, в) от нее, то в значении измеряемой величины указывается половина деления;

- если указатель располагается вблизи отметки шкалы справа (рис. 2.3, г) или слева (рис. 2.3, д) от нее, то результат округляется до значения, соответствующего этой отметке.

 

Рис. 2.3. Типичные случаи определения показаний измерительных приборов

Типовые структурные схемы измерительных устройств

Измерительные средства разделяются по методу преобразования на устройства прямого действия, или прямого преобразования, или непосредственной оценки и на средства уравновешивающего преобразования, или компенсационного преобразования, или сравнения. Структурные схемы измерительных устройств электрических и неэлектрических величин определяются используемым методом преобразования.

Структурные схемы средств измерения неэлектрических величин

В приборах прямого преобразования результат измерения получается после ряда последовательных преобразований измеряемой величины (рис. 2.4).    

Структурные схемы измерительных систем

Измерительная система, построенная по схеме 2.8,а, обеспечивает одновременное измерение и регистрацию всех величин объекта измерения, а…    

Статические характеристики и параметры измерительных устройств

Статическое состояние (режим работы) измерительного устройства – состояние, при котором значения входного X и выходного Y сигналов не изменяются,… Статическая характеристика измерительного устройства – функциональная… . (2.2)

Динамические характеристики измерительных устройств

Большинство измерительных устройств имеют в своем составе инерционные элементы, например, подвижные механические узлы, электрические или… Инерционные свойства измерительных устройств определяются динамической… Динамическая характеристика измерительного устройства – зависимость выходного сигнала от входного в динамическом…

Погрешности средств измерений

Наиболее существенные составляющие погрешности измерений обусловлены как свойствами самих используемых СИ, так и их взаимодействием с контролируемым… Инструментальные погрешности классифицируются по следующим признакам: 1) по характеру проявления при повторных измерениях одного и того же значения физической величины;

Форма представления погрешности измерительных преобразователей

При определении этих погрешностей необходимо знать приписанную данному измерительному преобразователю функцию преобразования или градуировочную… Номинальная функция преобразования – функция преобразования, которая приписана… Реальная функция преобразования – функция преобразования, которой обладает конкретный экземпляр измерительного…

Нормирование метрологических характеристик средств измерений

Средства измерений допускаются к применению только в том случае, если нормированы их метрологические характеристики, т.е. установлены нормы. Сведения о них приводятся в технической документации на средства измерений.

Нормирование метрологических характеристик обеспечивает взаимозаменяемость средств измерений и единство измерений в государственном масштабе. Реальные значения метрологических характеристик средств измерений определяются при их изготовлении, а затем периодически проверяются в процессе эксплуатации. При наличии отклонений хотя бы одной нормированной метрологической характеристики от нормы средство измерений регулируется, подвергается ремонту или бракуется и изымается из обращения.

Нормирование метрологических характеристик измерительных устройств

Основная погрешность устройства для технических измерений нормируется путем установления предела допускаемой абсолютной, относительной или… , (2.37) , (2.38)

Нормирование метрологических характеристик измерительных систем

1) пространственная распределенность технических средств, поэтому изделия системы находятся в различных условиях эксплуатация; 2) наличие каналов связи, подверженных воздействию помех; 3) многофункциональность и многоканальность, следовательно, наличие измерительных коммутаторов, промежуточных…

Контрольные вопросы

1. Какие существуют виды средств измерения?

2. Что такое образцовое средство измерения?

3. Что такое рабочее средство измерения?

4. В чем отличие измерительной системы от измерительной установки?

5. Какие основные составные части измерительных устройств?

6. Какова структурная схема прибора прямого преобразования?

7. Какова структурная схема прибора сравнения?

8. Какова структурная схема прибора с электрической отрицатель­ной обратной связью (ООС)?

9. Какова структурная схема прибора с компенсацией погреш­ностей?

10. Какую структуру имеют схемы измерительных систем?

11. Какие статические характеристики имеют измерительные уст­ройства?

12. Какие динамические характеристики свойственны измерительным устройствам?

13. По каким признакам классифицируются инструментальные пог­решности?

14. В чем отличие систематической и случайной составляющей инструментальной погрешности?

15. Какие виды инструментальной погрешности свойственны нормальным и рабочим условиям применения?

16. Как определяется абсолютная, относительная и приведенная погрешность измерительных приборов?

17. Как определяется абсолютная, относительная и приведенная погрешность измерительных преобразователей?

18. Как оценивается приведенная погрешность измерительных систем?

 

Измерительные информационные системы

Основные понятия об измерительных информационных системах

Измерительные информационные системы (ИИС) – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, преобразования, обработки с целью представления потребителю, в том числе ввода в АСУ ТП, либо для автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностики, идентификации.

Назначение ИИС – целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем и систем высшего уровня достоверной информацией.

Основные функции ИИС – получение измерительной информации от объекта исследования, обработка, передача, предоставление информации оператору или ЭВМ, запоминание, отображение и формирование воздействий для управления процессом измерения.

Назначение измерительной информационной системы, необходимые функциональные возможности, технические характеристики и другие требования определяются объектом исследования, для которого данная система создается.

Разновидности реализации ИИС в зависимости от выполняемых функций:

- измерительная система;

- система автоматического контроля;

- система технической диагностики;

- система распознавания образов (идентификации);

- телеизмерительная система.

В системы автоматического контроля, технической диагностики и распознавания образов измерительная система входит как подсистема.

Поколения измерительных информационных систем

Системы первого поколения – это системы в основном централизованного циклического получения измерительной информации с элементами вычислительной… Второе поколение – использование адресного сбора информации и обработка… Элементную базу здесь представляют микроэлектронные схемы малой и средней степени интеграции. Этот период (70-е годы)…

Классификация ИИС

Измерительные информационные системы обычно классифицируют (по Н.П. Цапенко) по следующим характеристикам:

1. По разновидности входных величин (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1. Разновидности входных величин

Классификационный признак	Классы
Поведение во времени	Неизменное	Изменящееся
Расположение в пространстве	Сосредоточенное	Распределенное
Характер величин	Непрерывный	Дискретный
Энергетический признак	Активные	Пассивные
Взаимосвязь помех с входными величинами	Независимые помехи	Помехи, связанные с входными величинами

 

2. По выходной информации:

- измерительные системы – на выходе количественная измерительная информация;

- контрольно-диагностические и распознающие системы – на выходе количественные суждения о состоянии объекта.

3. По принципам построения (см. табл. 3.2).

Таблица 3.2. Принципы построения ИИС

Классификационный признак	Классы
Наличие специального канала связи	Отсутствует	Имеется
Порядок выполнения операций получения информации	Последовательный	Параллельный
Агрегатирование состава системы	Агрегатированный	Неагрегатированный
Использование стандартного интерфейса	Не используется	Используется
Наличие программно-управляемых вычислительных устройств (микропроцессоры, ПЭВМ и пр.)	Отсутствуют	Имеются

 

Окончание табл. 3.2

Классификационный признак	Классы
Наличие контуров информационной обратной связи	Разомкнутые	Одно- и многоконтурные системы
Изменение скоростей получения и выдачи информации	Без изменения	С изменением скоростей
Сигналы, используемые в ИИС	Аналоговые	Кодоимпульсные
Структурная и информационная избыточность	Безызбыточные системы	Избыточные системы
Адаптация к исследуемым величинам	Неадаптивные	Адаптивные

 

По способу организации передачи информации между функциональными блоками различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры измерительных информационных систем (рис. 3.1).

 

 

а) Цепочечная

 

 

б) Радиальная в) Магистральная

Рис. 3.1. Основные структуры измерительных информационных систем

Требования, предъявляемые к ИИС

Общие требования, предъявляемые к ИИС. Измерительная информационная система должна: 1) выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и… 2) управлять измерительным процессом в соответствии с принятым критерием функционирования;

Основные компоненты ИИС

Это преобразование выполняется либо автоматически комплексом технических средств (КТС), либо совместно – оперативным персоналом и КТС в сложных… Упрощенная схема взаимодействия основных компонентов ИИС представлена на рис.… Организационное обеспечение – инструкции и правила, определяющие оптимальное совместное функционирование оперативного…

Виды информационно-измерительных систем

Измерительные системы

Измерительные системы могут быть ближнего или дальнего действия. На вход системы поступает множество изменяющихся во времени и/или распределенных в… Наиболее распространены системы для прямых измерений, обобщенная структура… Для всех ИС основными элементами являются первичные преобразователи {Д}, элементы сравнения {С}, меры {М} и элементы…

Многоканальные ИС

Многоканальные ИС параллельного действия – один из наиболее распространенных видов ИИС, обладающих наиболее высокой надежностью и более высоким быстродействием при одновременном получении информации, возможностью подбора средств измерений к измеряемым величинам, что позволяет исключить обязательную унификацию сигналов. Такие системы отличаются повышенной сложностью и стоимостью. Структурные схемы измерительных систем параллельного действия с цифровой нормой показаны на рис. 3.4, а, б.

 

 

а)

 

 

б)

Рис. 3.4. Структурная схема многоканальной измерительной схемы:

а – сравнение величин в аналоговом виде; б – сравнение величин в цифровом виде

Сканирующие ИС

Сканирующие ИС выполняют последовательно измерения множества величин с помощью одного канала. В состав системы входит сканирующее устройство (СкУ), которое перемещает датчик в пространстве (рис. 3.5).

 

 

Рис. 3.5. Структурная схема сканирующей измерительной системы

 

Различают два способа сканирования – пассивное и активное. Пассивное сканирование – движение по заранее заданной траектории. Активное сканирование – траектория изменяться в зависимости от результатов измерения.

Примеры применения сканирующих систем – измерение температурных полей, нахождение экстремальных значений исследуемых полей (давлений, механических напряжений), нахождение одинаковых значений параметра. Недостаток систем – малое быстродействие.

ИС параллельно-последовательного действия (многоточечные)

В этих системах при множестве датчиков {Дi} имеется либо один измерительный тракт (см. рис. 3.6, а) и измерительный коммутатор SW, либо множество… Измерительные коммутаторы служат для согласования параллельных и… Контактные измерительные коммутаторы – лучшие показатели по точности (10–5…10–6), но имеют низкое быстродействие,…

Системы автоматического контроля

При автоконтроле, в отличие от автоматических измерений, нет необходимости предоставлять численные значения контролируемых величин, достаточно… Система автоматического контроля – комплекс устройств, осуществляющих… Промышленные системы автоконтроля различают в зависимости от того, что контролируется, – сырье, готовая продукция,…

Системы технической диагностики

Техническая диагностика – автоматический поиск и локализация неисправностей, относятся к автоконтролю, так как при этом устанавливается соответствие между состоянием объекта контроля и заданной нормой. Однако в системах автоконтроля устанавливался только факт работоспособного и неработоспособного состояния, т.е. наличие параметров в границах нормы или за ее границами. В системах технической диагностики ставится более сложная задача – не только установить факт неработоспособности, но и найти местоположение отказа, т.е. локализовать неисправность. Это достигается специальными методами и способами поиска неисправностей, реализующимися алгоритмами диагностики.

Восстановление отказавшей системы или устройства в результате нахождения места повреждений достигается в современной аппаратуре заменой отказавшего модуля. Разделение на типовые модули упрощает поиск неисправностей и эксплуатацию аппаратуры.

Общее число возможных состояний объекта контроля S при разделении его на N функциональных элементов для принятых условий поиска определяется формулой

. (3.1)

Определение такого большого числа состояний уже при N > 7 связано с техническими трудностями, поэтому ограничено предположением, что отказал только один из N функциональных элементов, т.е. ограничено одиночными отказами, число которых S_О = N.

Для поиска неисправностей применяются последовательный, комбинационный и различные сочетания последовательно-комбина­ци­он­ного метода, в соответствии с которыми разрабатывается программа поиска.

Последовательный метод. Поиск неисправностей заключается в последовательном вводе информации о состоянии отдельных функциональных элементов и логической обработке.

Реализация метода требует определения очередности контроля выходных параметров функциональных элементов. Поиск может быть организован по жесткому или гибкому алгоритму. При жестком алгоритме программа контролирует выходные параметры функциональных элементов в заранее определенной последовательности. Гибкий алгоритм изменяет содержание и порядок последующих проверок в зависимости от полученных результатов. Реализация гибкого алгоритма требует более сложной логической обработки результатов контроля и применения более производительных ЭВМ.

Комбинационный метод. Поиск неисправностей заключается в предварительном вводе всех результатов контроля параметров, а затем в последующей логической обработке. Данный метод требует более сложной обработки.

Для поиска неисправностей в реальных системах требуются большой объем исходной информации о состоянии объектов контроля и сложная логическая обработка результатов, кроме того, возможно большое разнообразие программ поиска неисправностей. Поэтому разработаны приближенные способы построения оптимальных программ поиска неисправностей. Эти программы в основном представляют собой многошаговый процесс поиска с выбором на каждом шаге лучшего варианта по экстремуму заданной функции предпочтения.

Система телеизмерения

Вариант структурной схемы системы телеизмерений представлен на рис. 3.8.    

Перспективы развития ИИС

Виртуальные измерительные системы. Под виртуальными системами и комплексами понимается совокупность аппаратных и программных средств, решающих… - формирования структуры измерительной системы; - задания всех функциональных связей между ее элементами;

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначена измерительная информационная система (ИИС) и каковы ее основные функции?

2. Какие виды обеспечений входят в ИИС?

3. Для чего предназначена измерительная система (ИС), какие существуют виды ИС?

4. Каково назначение систем автоматического контроля?

5. Для чего предназначены системы технической диагностики?

6. Что представляют собой системы телеизмерения?

 

Электрические измерения и приборы

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значений и определении полярности. Целью измерения переменных напряжения и… Переменный ток промышленной частоты имеет синусоидальную форму и…  

Аналоговые средства измерений

Аналоговые средства измерений – средства измерений, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Электромеханические приборы

Общим термином «электромеханические приборы» обозначают средства измерений, структурная схема которых представлена на рис. 4.2.   Рис. 4.2. Структурная схема электромеханических приборов

Приборы магнитоэлектрической системы

  Рис. 4.4. Устройство прибора магнитоэлектрической системы  

Гальванометры

Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих… В гальванометрах с подвижной частью на кернах рамка снабжена двумя полуосями с…  

Приборы электромагнитной системы

При включении прибора под действием магнитного поля катушки сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех…   Рис. 4.9. Устройство прибора электромагнитной системы

Компенсаторы постоянного тока

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе.… Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 4.13.  

Электронные аналоговые вольтметры

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры… По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения,…

Цифровые электронные вольтметры

  Рис. 4.17. Дискретизация и квантование непрерывной величины  

Цифровой вольтметр с ГЛИН

Упрощенная структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра постоянного тока приведена на рис. 4.19. Наряду с блоками СУ, ГЛИН в схему входят…   Рис. 4.19. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра

Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования

, где RC – постоянная времени интегратора; t – независимая переменная величина… В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора

Измерение параметров элементов электрических цепей

Реальные элементы электрической цепи кроме своих основных параметров имеют и дополнительные параметры, так называемые остаточные или паразитные.… Если на результат измерения влиянием паразитных параметров нельзя пренебречь,… Наиболее распространенными методами измерения параметров элементов электрической цепи являются следующие методы:…

Метод вольтметра-амперметра

Метод может быть использован для измерения активного и полного сопротивления, индуктивности и емкости. Измерение активных сопротивлений производится на постоянном токе, при этом…  

Метод непосредственной оценки

Метод непосредственной оценки реализуется в приборах для измерения сопротивления постоянному току – электромеханических и электронных омметрах.

Электромеханические омметры

  а б Рис. 4.28. Электромеханический омметр

Электронные омметры

Схема измерения сопротивления по методу стабилизированного тока приведена на рис. 4.29, а.   а б

Компенсационный метод измерения сопротивлений

Измерение падения напряжения на резисторах осуществляется, как правило, потенциометром. В этом случае напряжение питания не влияет на результаты… Для удобства применения компенсационного метода измеряемые и образцовые…  

Метод дискретного счета

Для этого используются закономерности апериодического процесса, возникающего при подключении заряженного конденсатора или катушки с током… Структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления приведена на…  

Электронно-счетный частотомер

. Структурная схема электронно-счетного частотомера изображена на рис. 4.34.…  

Контрольные вопросы

1. Какова структурная схема электромеханических приборов?

2. Каков принцип работы приборов магнитоэлектрической системы?

3. Каков принцип работы приборов электромагнитной системы?

4. Как расширяют пределы измерения приборов магнитоэлектри­ческой электромагнитной системы?

5. Каков принцип работы термоэлектрических приборов?

6. Каков принцип действия компенсатора постоянного тока?

7. Что такое электронные аналоговые вольтметры?

8. Каков принцип действия цифрового вольтметра с двойным интег­рированием?

9. Какова область применения метода вольтметра-амперметра?

10. Какие методы измерения используются в электронных омметрах?

11. В чем заключается компенсационный метод измерения электри­чес­кого сопротивления?

12. Каков принцип действия цифрового измерителя емкости и сопро­тивления?

13. Какой вид имеет структурная схема электронно-счетного частото­мера и каков принцип его действия?

14. В каких приборах и как реализуется метод непосредственной оценки?

 

Передающие преобразователи неэлектрических величин

Первичный преобразователь устанавливается в непосредственном контакте с контролируемой средой. Он преобразует измеряемую величину в сигнал, удобный… Если сигнал удобен для передачи на расстояние, то передается к вторичному… Если чувствительный элемент преобразует измеряемую величину в физическую, которую нельзя передать на расстояние,…

Дифференциально-трансформаторные преобразователи

Преобразователь представляет собой трансформатор (рис. 5.2,а), имеющий обмотку возбуждения 3 и две секции 1 и 2 вторичной обмотки, включенные… Создаваемый током возбуждения Iв магнитный поток обмотки возбуждения…  

Передающие преобразователи с магнитной компенсацией

    Рис. 5.6. Структурная схема преобразователя с магнитной компенсацией:

Электросиловые преобразователи

Электросиловые преобразователи выпускаются с линейной и квадратичной характеристикой. Преобразователи с линейной характеристикой ЭЛП используются в первичных… Принцип работы электросиловых преобразователей показан на примере измерительного преобразователя давления (ИПД),…

Измерительные тензопреобразователи

Тензопреобразователи выполняются из металлической проволоки или фольги. Наиболее перспективными являются полупроводниковые тензопреобразователи. Они… Кремниевые тензопреобразователи используются в качестве передающих в… Металлические тензорезисторы широко применяются в качестве первичных преобразователей для измерения деформации в…

Контрольные вопросы

1. Как устроен дифференциально-трансформаторный преобразователь (ДТП)?

2. На каком принципе действует ДТП?

3. Для чего предназначен ДТП?

4. Каково устройство передающего преобразователя с магнитной компенсацией?

5. Каков принцип действия преобразователя с магнитной компенсацией?

6. Каково устройство и принцип действия электросилового преобразователя?

7. В чем проявляется преимущества электросилового преобразователя?

8. На чем основан принцип действия измерительных тензопреобразователей?

9. Какие существуют разновидности тензопреобразователей?

10. Какова область применения измерительных тензопреобразователей?

 

Измерение температур

При соприкосновении двух тел переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии… С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется… При данной температуре кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от средней…

Практические температурные шкалы

Единица измерения температуры Кельвин (К) – 1/273,16 часть термодинамической температуры равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами воды… Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия, – градус Цельсия (°C),… Температура в градусах Цельсия определяется из выражения , где T0 = 273,15 К.

Средства измерения температур

Пирометр – средство для измерения температуры по тепловому электромагнитному излучению, применяется для бесконтактного измерения температуры. В настоящее время применяются десятки различных способов измерения температуры…  

Термометры расширения

Стеклянные жидкостные термометры

Стеклянные термометры по своей конструкции бывают палочные и с вложенной шкалой. Термометр с вложенной шкалой состоит из стеклянного резервуара и… Палочные стеклянные термометры изготавливаются из толстостенных капилляров, к… Среди жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные стеклянные термометры.

Технические электроконтактные термометры

Технические электроконтактные термометры применяют для сигнализации и регулирования температуры в интервале от –30 °С до +300 °С. Эти термометры изготовляют с заданной температурой контактирования (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК).

Технические электроконтактные термометры могут работать в цепях переменного и постоянного тока. Коммутируемая мощность ≤ 1 В×А, ток коммутации ≤ 0,04 А, напряжение ≤ 200 В.

Замыкание электрической цепи между контактами в контактных термометрах происходит вследствие расширения ртути при нагревании нижней части термометра.

Термометры типа ТЗК (рис. 6.2) выпускают с постоянными впаянными в капилляр 1 металлическими контактами 2, к которым припаяны медные провода, присоединенные к зажимам 3, Термометры могут иметь одну, две или три точки контактирования. Контакты впаивают в капилляр термометра в местах, соответствующих определенным значениям температуры контактирования.

Минимальные интервалы между двумя соседними контактами обычно составляют не менее 5, 10, 20 и 30 °С для температуры контактирования соответственно до 50, 100, 160 и 300 °С.

Термометр типа ТПК показан на рис. 6.3. Он имеет один неподвижный контакт 11, соединенный с термометрической жидкостью и один подвижный контакт 10, выполненный из тонкой вольфрамовой проволоки, верхний конец которой соединен с гайкой 9. Нижний конец вольфрамовой проволоки, находящейся в измерительном капилляре, является подвижным контактом термометра. Вверху термометра расположена вспомогательная шкала 4, указателем которой при настройке термометра является гайка 9, последняя может перемещаться по винту 5 вверх и вниз. Вращение винта 5, а следовательно, и перемещение гайки 9, осуществляют с помощью подковообразного магнита 3 с ручкой 2. Внизу термометра расположена основная шкала 6. При перемещении гайки 9 по винту 5 на определенную отметку верхней шкалы нижний конец подвижного контакта установится против соответствующей отметки основной шкалы. Неподвижный контакт 11 и подвижный контакт 10 соединены с зажимами 1.

Рис. 6.2. Термометры тип ТЗК: 1 – капилляр; 2 – металлические контакты;3 – зажимы	Рис. 6.3. Термометры типа ТПК: 1 – зажимы для подключения; 2 – ручка для вращения магнита; 3 – подковообразный магнит; 4 – вспомогательная шкала; 5 – подвижный винт; 6 – основная шкала; 7 – капилляр; 8 – баллон с ртутью; 9 – гайка; 10 – подвижный контакт; 11 – неподвижный контакт

 

При нагревании нижней части термометра до заданной температуры ртуть в капилляре 7 соединит неподвижный контакт с подвижным контактом. В результате происходит переключение внешней электрической цепи, соединенной с зажимами 1.

Стеклянные термометры являются одним из наиболее точных средств измерения температуры.

Манометрические термометры

  Рис. 6.4. Манометрический термометр  

Газовые манометрические термометры

, где pt и p0 - давление газа при температурах 0 и t °C; b – температурный… Уравнение шкалы газового манометрического термометра будет также линейным,

Жидкостные манометрические термометры

В качестве рабочего вещества применяют, например, ртуть, пропиловый спирт, метаксилол. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров… В жидкостных манометрических термометрах погрешность, вызванная изменением… В жидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая погрешность, возникающая при различных…

Конденсационные манометрические термометры

Термобаллон термометра примерно на 3/4 объема заполнен низкокипящей жидкостью, а остальная его часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. В качестве рабочей жидкости применяются фреон-22, пропилен, хлористый метил,… Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей…

Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические преобразователи – устройства с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенные для измерения… Принцип действия термоэлектрических термометров основан на зависимости… Термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве…

Характеристики материалов для термоэлектрических преобразователей

К материалам, используемым для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляется целый ряд требований, которые делятся на обязательные и… Обязательные требования: - стабильность градуировочной характеристики;

Конструкция термоэлектрических термометров

При этом преследуются следующие цели: - электрическая изоляция термоэлектродов; - защита термоэлектродов от вредного воздействия измеряемой и окружающей сред;

Удлиняющие термоэлектродные провода

Если расположить свободные концы в головке термоэлектрического термометра там, где кончаются термоэлектроды термометра, то невозможно обеспечить… Удлиняющие провода должны обладать определенными свойствами, чтобы исключить… В табл. 6.8 приведены типы термопар, рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные провода, их обозначения и расцветка…

Термометры сопротивления

Температурная чувствительность термометрического материала характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). В общем виде температурный коэффициент сопротивления определяется следующим… ,

Медные термометры сопротивления

Сопротивление меди изменяется от температуры практически линейно для довольно широкого диапазона температур, . Температурный коэффициент сопротивления медной проволоки (a) составляет 4,28×10-3 K-1, отношение R100/R0 равно…

Никелевые термометры сопротивления

Никель обладает высоким температурным коэффициентом, достигающим a = 6,75×10-3 К-1, большим удельным сопротивлением r = 1,28×10-7… Номинальные статическая характеристика преобразования для никелевых… ,

Платиновые термометры сопротивления

Платина отвечает обязательным требованиям, предъявляемым к материалам для изготовления термометров сопротивления. Диапазон использования платины от минус 269 до плюс 1100 °C. Термометрическая… .

Неметаллические термометры сопротивления

Угольный термометр сопротивления имеет высокое удельное электрическое сопротивление и значительный отрицательный температурный коэффициент.… Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным… Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100 °С, определяется…

Устройство термометров сопротивления

От чувствительного элемента идут выводы к зажимам головки термометра, к которым подсоединяются провода, идущие затем к измерительному прибору.…    

Способы подключения термометров сопротивления

Чтобы минимизировать влияние дополнительного сопротивления на результаты измерения, используют различные способы, которые зависят от схемы… Применяется двух-, трех- и четырехпроводная схема подсоединения термометров…  

Двухпроводная схема подключения

При двухпроводной схеме включения термометр сопротивления и сопротивление соединительных проводов последовательно включены в измерительную схему (см. рис. 6.17, а). Подгонка сопротивления соединительных проводов до градуировочного значения чаще всего осуществляется следующим образом.

После того как собрана схема и проложены (смонтированы) соединительные провода, последовательно с термометром и соединительными проводами включаются подгоночная катушка R_п.к (рис. 6.18) и эквивалентное сопротивление R_экв.

 

 

а б

Рис. 6.18. Схема подгонки сопротивления двухпроводной линии

 

Значение эквивалентного сопротивления соответствует сопротивлению термометра при определенной температуре, например 50, 100, или 250 °C. Зажимы термометра закорачивают, и ветвь измерительной схемы состоит из сопротивления реальных соединительных проводов R_л, эквивалентного сопротивления,

имитирующего сопротивление термометра при определенной температуре, R_экв и подгоночного сопротивления R_п.к (рис. 6.18, б). Затем включают измерительную схему и изменяют R_п.к до тех пор, пока измерительный прибор не встанет на отметку шкалы, соответствующую температуре, на которую рассчитано эквивалентное сопротивление.

После этого эквивалентное сопротивление либо отключается, либо закорачивается, а закоротка с зажимов термометра снимается.

Таким образом, подгоняют сопротивление соединительных проводов термометра до расчетного (градуировочного) значения.

Однако если в процессе эксплуатации температура соединительных проводов будет отличаться от их температуры при подгонке сопротивления, то и само сопротивление этих проводов будет отличаться от градуировочного значения. Погрешность, вызванная неправильностью подгонки или изменением сопротивления с температурой, независимо от диапазона измерения измерительного прибора для двухпроводной схемы подключения термометра, может быть определена из выражения

,

где Dt – погрешность измерения, °C; R_л^экс – значение сопротивления линии в условиях эксплуатации, Ом; R_л^грд – градуировочное значение сопротивления линии. Ом; S – коэффициент преобразования термометра в области измеряемой температуры, Ом/°C.

Для уменьшения погрешности, вызываемой несоответствием сопротивления соединительных проводов градуировочному значению, применяют трехпроводную или четырехпроводную схему подключения термометров сопротивления.

Трехпроводная схема подключения

Принцип уменьшения влияния сопротивления соединительных проводников при трехпроводном подключении показан на примере мостовой схемы измерения активного сопротивления.

Четырехплечий измерительный мост показан на рис. 6.19.

 

Рис. 6.19. Схема одинарного моста

 

Условие равновесия четырехплечего моста постоянного тока

.

Измеряемое сопротивление считается включенным в первое плечо моста, тогда из условия равновесия R₁ определяется

.

Мост приводится в равновесие сопротивлением R₃, отношение R₂/R₄ является масштабным множителем, который выбирается равным 10ⁿ, где n целое положительное или отрицательное число, или ноль.

Третье плечо моста называется плечом уравновешивания, а второе и четвертое – плечами отношения, с помощью которых задается предел измерения.

Трехпроводная схема подключения термометра показана на рис. 6.17, б. Соединительные провода от головки термометра идут к измерительной ветви, сравнительной ветви и источнику питания. В симметричных уравновешенных схемах, когда сопротивления измерительной и сравнительной ветвей одинаковы, изменение температуры соединительных проводов не вызывает погрешности, так как сопротивление проводов изменяется на одну и ту же величину. Подгонка сопротивления соединительных проводов осуществляется последовательным измерением попарно соединенных проводов.

Трехпроводная схема включения показана на рис. 6.20, где r₁, r₂, r₃, – сопротивления соединительных проводов.

Найдем условие, при котором сопротивления соединительных проводов не влияют на результат измерения сопротивления R₁.

 

Рис. 6.20. Трехпроводная схема включения измеряемого сопротивления

 

Для уравновешенного моста справедливо уравнение

,

из которого

.

Соединительные провода выполняются одинаковым сечением, следовательно, r₂ = r₃ = r, тогда

.

При выполнении условия влияние изменения сопротивления соединительных проводов на результат измерения будет исключено.

Условие равновесия моста выполняется при R₁ = R₃, откуда следует, что уравновешивание моста достигается регулировкой R₃ или введением регулировочного сопротивления в первое плечо моста и выбором его значения так, чтобы оно компенсировало изменение R₁. Предпочтение отдают второму способу.

Четырехпроводная схема подключения

Радикальным методом борьбы с влиянием проводов соединительной линии является использование четырехпроводного включения терморезистора (рис. 6.17, в). Схема измерения при четырехпроводном включении показана на рис. 6.21.

 

 

Рис. 6.21. Четырехпроводная схема включения термометра сопротивления

 

Через терморезистор протекает ток I₀, задаваемый генератором стабильного тока с большим внутренним сопротивлением. Таким образом, сопротивления проводов r₁ и r₄, а также изменение сопротивления R_Q не влияют на ток I₀. Если для измерения напряжения U_вых использовать вольтметр с высоким входным сопротивлением, то в измерительной цепи ток отсутствует и сопротивления проводов r₂ и r₃ также не влияют на результат измерения. Так обеспечивается практически полное исключение погрешностей, вызванных нестабильностью сопротивлений проводов соединительной линии, а напряжение U_вых определяется простым соотношением U_вых = I₀R_Q.

Динамическая характеристика термопреобразователей

, где K – коэффициент преобразования; T и t – постоянная времени и время… Значения постоянной времени Т и транспортного запаздывания t зависят от конструктивных размеров и используемых…

Промышленные термопреобразователи

Преобразователи внесены в Госреестр средств измерений. Назначение: преобразователи термоэлектрические ТХА «Метран-201» и ТХК… Преобразователи имеют разборную конструкцию, состоящую из внутреннего чувствительного элемента, изготовленного на базе…

Контрольные вопросы

1. Сравните по точностным показателям и диапазону применения средства измерения температуры.

2. Какие средства измерения температуры являются эталонными для градуировки рабочих средств измерений по Международной практической температурной шкале?

3. Достоинства и недостатки:

– ртутных стеклянных термометров;

– манометрических термометров;

– термопар;

– термосопротивлений.

4. Как учесть температуру холодного спая термоэлектрического термометра?

5. Какие термопары самые распространенные и почему?

6. Назначение термоэлектродных проводов.

7. Сферы применения медных, платиновых, полупроводниковых термосопротивлений.

8. В каких случаях применять двухпроводную, трехпроводную, четырехпроводную схемы подсоединения термосопротивлений?

9. Как определить динамическую характеристику термо­электри­ческих и терморезисторных термометров?

10. Назовите фирмы, выпускающие промышленные средства изме­рения температуры.

11. Какие тенденции развития средств измерения температуры для современных микропроцессорных систем автоматизации?

 

Измерение давления

Контроль давления используется при протекании большинства технологических процессов в тепловой и атомной энергетике, металлургии, химии. Давление определяется нормально распределенной силой, действующей со стороны… Если действующая среда – жидкость или газ, то давление является одним из основных параметров состояния, характеризуя…

Классификация манометров

По виду измеряемого давления

Прибор, предназначенный для измерения абсолютного давления, называют манометром абсолютного давления. Приборы, измеряющие избыточное или вакуумметрическое давление, называются… Прибор, измеряющий малое избыточное давление (например, давление воздуха, подаваемого в топку котла), называется…

По принципу преобразования измеряемого давления

По устройству приборы для измерения давления можно разделить на пять основных групп общепромышленных измерительных приборов и преобразователей… 1) механические, 2) с дифференциально-трансформаторными преобразователями,

Деформационные манометры

Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рис. 7.1, к их числу относятся трубчатые пружины (рис. 7.1,а), сильфоны…   Рис. 7.1. Упругие чувствительные элементы

Трубчато-пружинные манометры

Схема показывающего трубчато-пружинного манометра представлена на рис. 7.2.    

Электроконтактные манометры

    Рис. 7.4. Электроконтактный манометр

Манометры с ДТП

На рис. 7.5 представлена схема трубчато-пружинного манометра МЭД с дифференциально-трансформаторным преобразователем 1, имеющего на выходе сигнал переменного тока частотой 50 Гц.

 

 

Рис. 7.5. Схема манометра МЭД с ДТП

 

Выпускаются модификации манометров МЭД с отсчетным устройством, класс точности обеих модификаций – 1, верхние пределы измерения – от 0,1 до 160 МПа по стандартному ряду, на базе манометров МЭД выпускаются манометры МП, имеющие на выходе унифицированный токовый сигнал.

Для его получения в прибор введен усилитель, преобразующий

изменения взаимной индуктивности в пропорциональный токовый сигнал. Предельная приведенная погрешность не превышает 1 %.

Манометры с компенсацией магнитных потоков

    Рис. 7.6. Схема пружинного манометра МПЭ

Преобразователи давления с силовой компенсацией

    Рис. 7.7. Схема электрического манометра с силовой компенсацией типа МПЭ

Сильфонные манометры и дифманометры

В приборах внутри сильфона может находиться пружина, определяющая диапазон измерения прибора. Сочленение рабочей точки сильфона с показывающим или регистрирующим… Сильфонные манометры имеют диапазон измерения более узкий, чем пружинные. Так, верхний предел измерения у приборов МС…

Мембранные манометры и дифманометры

Схема профильного напоромера типа НМП и его внешний вид представлены на рис. 7.8.   Манометр с мембранной коробкой

Пьезоэлектрические манометры

  Рис. 7.10. Схема пьезоэлектрического манометра  

Манометры с тензопреобразователями

Представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при… Они проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент… В настоящее время получили широкое применение приборы давления серии «Сапфир» и «Метран» (промышленная группа…

Методика измерения давления и разности давлений

При выборе пределов измерения манометра руководствуются значениями измеряемого давления и характером его изменений. При стабильном измеряемом… Правила установки манометров на промышленных объектах, отбора давления и его… Манометры показывающие и с дистанционной передачей показаний, как правило, устанавливаются вблизи точек отбора…

Контрольные вопросы

1. Манометр показывает давление 2,3 технических атмосферы. Какое это давление в других единицах: МПа, бар, кгс/см², кгс/м², мм вод. ст, мм рт. ст?

2. Как называются приборы, измеряющие атмосферное, абсо­лют­ное, разностное, избыточное давление или разряжение?

3. Сравните по точностным показателям и диапазону применения средства измерения давления.

4. Назовите фирмы, выпускающие промышленные средства изме­рения давления.

5. Каковы тенденции развития средств измерения давления для современных микропроцессорных систем автоматизации?

6. Достоинства и недостатки:

– деформационных трубчато-пружинных манометров с электроконтактными или дифференциально-трансформаторными преобразователями;

– мембранных и сильфонных манометров;

– манометров с тензопреобразователями.

7. Каковы способы снижения погрешности измерений давления от изме­нения температуры?

 

Измерение уровня

Измерение уровня жидкостей играет важную роль при автоматизации технологических процессов, особенно если поддержание уровня связано с условиями безопасной работы оборудования.

Уровнемеры могут использоваться либо для контроля над отклонением уровня от номинального, и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу, либо для определения количества жидкости (в сочетании с известными размерами емкости), и в этом случае они имеют одностороннюю шкалу.

В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом (указательных стекол).

При необходимости дистанционного измерения уровня используются более сложные уровнемеры: гидростатические, буйковые и поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические.

Уровнемеры с визуальным отсчетом

    Рис. 8.1. Схема уровнемера с визуальным отсчетом

Гидростатические уровнемеры

. (8.1) Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости… Схема подключения дифманометра к открытому резервуару, находящемуся под атмосферным давлением, изображена на рис.…

Поплавковые и буйковые уровнемеры

- сила тяжести поплавка G, - выталкивающая сила газовой и жидкой фаз, - силы сопротивления в подвижных элементах уровнемера.

Емкостные уровнемеры

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости,… На рис. 8.5, а изображен конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных…  

Индуктивные уровнемеры

Преобразователи трансформаторного типа удобно использовать в качестве сигнализаторов предельных значений уровня.

Ультразвуковые уровнемеры

Распространение ультразвуковых (> 20000 Гц) колебаний в твердых, жидких, газообразных средах зависит от свойств среды. Скорость распространения… Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных… Примеры ультразвуковых измерительных систем:

Контрольные вопросы

1. Сравните по точностным показателям и диапазону применения средства измерения уровня.

2. Порекомендуйте способы измерения уровня агрессивной высо­котемпературной жидкости под давлением.

3. Какие уровнемеры применить для многокомпонентных сред типа «газ–нефть–вода»?

4. Приведите примеры ультразвуковых измерительных систем.

5. Назовите фирмы, выпускающие промышленные средства изме­рения уровня.

6. Какие тенденции развития средств измерения уровня для совре­менных микропроцессорных систем автоматизации?

 

Измерение расхода

Количество вещества можно измерять либо в единицах массы [килограмм (кг), тонна (т)], либо в единицах объема [кубический метр (м3), литр (л)]. Производится измерение либо массового расхода Qм (единицы кг/с, кг/ч, т/ч и… Переход от объемных единиц к массовым и обратно производят по формуле

Измерение расхода по переменному перепаду давления

Расходомеры с сужающими устройствами

Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по… Использование рассматриваемого метода измерения требует выполнения… - характер движения потока до и после сужающего устройства должен быть стационарным, должны быть предусмотрены прямые…

Измерение расхода по переменному перепаду давления в осредняющей напорной трубке

Например, современные микропроцессорные датчики могут компенсировать влияние на погрешность температуры, давления, линеаризовать характеристики. Один из подобных расходомеров – «Метран-350», принцип действия, которого… Основной элемент расходомера – осредняющая трубка Annubar Diamond II+, на которой возникает перепад давлений,…

Расходомеры постоянного перепада

Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами) находят наибольшее распространение в промышленности. Из-за существующих ограничений на применение стандартные сужающие устройства используются не всегда. В этих случаях используются другие типы расходомеров, наиболее употребительные из которых рассмотрены ниже.

Ротаметры

Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы измерения… В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую…  

Тахометрические расходомеры

В большинстве случаев рабочее тело – преобразователь расхода (турбинка, шарик) – под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства… Тахометрические преобразователи расхода могут использоваться как в счетчиках… Тахометрические приборы измеряют объемные расходы. При необходимости измерения массовых расходов они должны снабжаться…

Электромагнитные расходомеры

10–3 См/м). На рис. 9.8 показана принципиальная схема электромагнитного расходомера.  

Ультразвуковые расходомеры

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что, во-первых, скорость звука в среде зависит от ее физико-химических… Ультразвуковые расходомеры применяются главным образом для измерения расхода… К первой группе относятся расходомеры с излучением, перпендикулярным потоку (рис. 9.9): пьезоэлемент 1, возбуждаемый…

Вихревые расходомеры

, (9.21) где k – коэффициент, который в относительно широком диапазоне его значений не… При образовании вихря у одной стороны плохообтекаемого тела скорость потока увеличивается, а давление падает, а у…

Вихреакустические расходомеры

  9.12. Схема проточной части расходомера «Метран 300 ПР»  

Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры

Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (или сенсора) и преобразователя (рис. 9.13). Сенсор напрямую измеряет расход, плотность и… Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины,…  

Обзор имеющихся расходомеров

Среди преобразователей расхода, используемых для теплосчетчиков (по состоянию на 2002 г.): 28 % – тахометрические датчики, 24 % – электромагнитные,… По межповерочному интервалу (МПИ) только 30 % счетчиков воды и 40 %… Стоимость счетчиков воды зависит от диаметра трубопроводов и изменяется от 20 у.е. для Ду = 15 мм до 1200 у.е. для Ду…

Контрольные вопросы

1. Сравните по точностным показателям и диапазону применения различные расходомеры: объемные, переменного уровня, обте­кания, переменного перепада давления, тахометрические, вихре­вые, электромагнитные, ультразвуковые.

2. Достоинства и недостатки различных расходомеров:

– тахометрических;

– на основе сужающих устройств и дифманометров;

– ротаметров;

– электромагнитных расходомеров;

– ультразвуковых расходомеров на основе эффекта Доплера и корреляционных.

3. Особенности построения расходомеров с вычислением массы (счетчики газа) или вычислением теплоты (теплосчетчики).

4. Особенности измерения расхода для вязких и сыпучих сред, для стоков с незаполненным коллектором.

5. Назовите фирмы, выпускающие промышленные средства изме­ре­ния расхода.

6. Каковы тенденции развития средств измерения расхода для сов­ре­менных микропроцессорных систем автоматизации?

 

Измерение положения, скорости, ускорения

Фотоэлектрические преобразователи положения

Конструкция и принцип работы кругового фотоэлектрического датчика ВЕ-178 показаны на рис. 10.27. Он состоит из трех частей: механической, оптической…   Рис. 10.27. Основные конструктивные элементы фотоэлектрического преобразователя

Кодовые датчики положения

Кодовые датчики положения позволяют сразу после включения питания дать информацию о положении внутри оборота. Все кодовые датчики работают в коде… Код Грея – двоичный код датчика положения, в котором между двумя соседними… Для четырехразрядного числа обычный код и код Грея имеют следующий вид:

Импульсные датчики скорости

В астатических системах стабилизации скорости точность поддержания средней скорости определяется стабильностью сигналов задания и обратной связи,… В точных электроприводах в одно время нашли применение частотные формы задания… В системах точного электропривода широкий диапазон регулирования скорости достигается применением несущей частоты fнес…

Инерционные датчики ускорения, скорости, положения

Наиболее распространенным исполнением датчика ускорения является датчик сейсмического типа, отличительной особенностью которого является отсутствие… Датчик состоит из корпуса, которому сообщается входное перемещение х со…  

Контрольные вопросы

1. Сравните по точностным показателям и диапазону применения средства измерения положения, скорости, ускорения.

2. Выделите области применения электромашинных датчиков положения: сельсинов, вращающих трансформаторов, редуктоси­нов, индуктосинов.

3. Приведите примеры применения кодовых датчиков положения, работающих в коде Грея.

4. Особенности применения датчика положения ротора для вентиль­ных двигателей.

5. Каким образом в фотоэлектрических датчиках положения и ско­рости определяется направление перемещения, исправность кана­лов, повышается разрешающая способность?

6. Области применения тахогенераторов переменного и постоянного тока.

7. Принцип действия инерционных датчиков положения, скорости, ускорения.

8. Назовите фирмы, выпускающие промышленные средства измере­ния положения, скорости, ускорения.

9. Какие тенденции развития средств измерения положения, ско­рости, ускорения для современных микропроцессорных систем автоматизации?

 

Метрологическое обеспечение измерений

Понятие «метрологическое обеспечение» неразрывно связано с понятием «метрологическая служба». Метрологическая служба России представляет собой одно из звеньев… Метрологическая служба России подразделяется на государственную и ведомственную.

Передача размера единиц измерения

Названные технологические процедуры осуществляются с помощью эталонов и образцовых приборов. Назначение эталонов – воспроизведение и хранение единиц физических величин.… Передача размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерений осуществляется с помощью образцовых средств…

Метрологическое обеспечение средств измерений давления

Государственный первичный эталон единицы давления представляет собой комплекс средств измерений, включающий группу из пяти поршневых приборов… Воспроизведение единицы измерения давления с наивысшей точностью в области… Последовательность и точность передачи единицы измерения давления от эталонов к рабочим средствам с указанием способов…

Грузопоршневые манометры

Схема поршневого манометра, имеющего диапазон измерения 6 МПа (МП-60), представлена на рис. 11.3. Поршень 1 с тарелкой 2 для грузов 3 перемещается… При таком зазоре, даже при высоких давлениях, скорость опускания поршня, из-за… Внутренняя полость поршневого манометра тщательно заполняется рабочей жидкостью (керосином, касторовым или…

Контрольные вопросы

1. Какие основные задачи решает метрологическая служба России?

2. Что понимают под единообразием средств измерений?

3. Что такое поверка средств измерений?

4. Для чего предназначены эталоны?

5. Что понимается под поверочной схемой?

6. На какие виды подразделяются поверочные схемы?

7. С какой целью проводится регулировка средств измерений?

8. Какую регулировку проводят для уменьшения аддитивной и мультипликативной погрешности?

9. Что такое градуировка или тарировка средств измерений?

10. Как выбирают соотношение между допустимыми погреш­нос­тями образцового и поверяемого средства измерения?

11. Какой принцип действия грузопоршневого манометра?

 

Заключение

В основе выбора датчика для обеспечения тех или иных измерений лежит принцип максимального соответствия требований измерений и возможностей (характеристик) датчика.

Адекватный выбор требует априорных знаний как об объекте измерений, так и о датчиках, из числа которых должен быть сделан выбор. Если требуемого соответствия достичь не удается, то необходимо убедиться, что требования к датчику являются принципиально реализуемыми, т.е. не противоречат природе вещей. При наличии такой уверенности приступают к разработке (заказу) недостающего датчика.

Последовательность логических шагов в реализации принципа максимального соответствия требований и возможностей схематически сводится к следующему.

1. Формулируются исходные данные, принципиально очерчивающие область поиска. К их числу относятся ожидаемый диапазон изменения измеряемого параметра и агрегатное состояние объекта измерения, например:

1) содержание газовой фазы в криогенной жидкости 0…100 %;

2) температура жидкого водорода –255…–250 °С;

3) температура воздуха –50…+150 °С.

Результатом этого шага является констатация наличия, как правило, обширной области (совокупности) датчиков определенного назначения, основанных на разных принципах преобразования, диапазон работы которых включает в себя требуемый диапазон измерений.

С каждым последующим шагом возможности выбора будут сокращаться, так как будет сужаться область поиска. Общим объединительным мотивом на всех этапах выбора необходимого датчика является непротиворечивое выполнение требований данного измерения.

2. Проводится обоснование выбора мест измерений параметра на объекте. Здесь может быть несколько важных соображений – экстремальность параметра в данном месте; представительность данного места для описания общей картины процессов на объекте; корреляция данного параметра в данном месте с другими параметрами, измерение которых намечается, и т.д.

Немаловажное значение имеет доступность данного места для размещения датчика. На этом шаге целесообразно рассмотрение альтернативных реализаций измерения требуемого параметра в данном месте.

Например, пусть необходимо измерить температуру потока криогенной жидкости в магистрали малого диаметра при высоком давлении. Анализ может привести к нежелательности нарушения целостности магистрали и приварки к ней штуцера для размещения датчика. Кроме того, может оказаться нежелательным создание гидравлических потерь на погружаемой в поток части датчика. Значит, может рассматриваться альтернативное измерение температуры на внешней стенке магистрали, и задача измерения температуры жидкости модифицируется в задачу идентификации температуры жидкости по измеряемой температуре внешней стенки магистрали.

Однако будем исходить далее из того, что место выбрано и прямое измерение возможно.

3. Из числа известных датчиков для измерений данного параметра выбираются датчики, размещение которых по геометрическим присоединительным размерам возможно. При этом выбираются датчики, имеющие нужную глубину погружения чувствительного элемента, а также, исходя из соображений локальности или осредненности измеряемого параметра, выбирают датчики с чувствительными элементами с сосредоточенными в нужной области параметрами.

4. Из выбранных датчиков отбираются работоспособные в эксплуатационных условиях (механическая надежность). При этом необходимо учитывать как общие климатические (температура окружающей среды, давление, влажность и т.д.), механические (вибрации, удары, линейные и угловые ускорения и т.д.), так и всю совокупность специальных требований (агрессивность среды, скорость набегающего потока, температура и давление среды, цикличность и многоразовость воздействий, проникающая радиация и т.д.).

Необходимо понимать, что совокупное воздействие всех факторов на датчик существенно жестче, чем раздельное воздействие каждого фактора. Датчик должен обладать, по крайней мере, 25%-ным запасом прочности по отношению ко всей совокупности воздействий в течение всего времени эксплуатации.

5. Для квазистатических измеряемых параметров отбираются датчики, обеспечивающие необходимую точность (стабильность функции преобразования в допустимых пределах) в условиях эксплуатации (метрологическая надежность). На этой стадии отбираются датчики, принцип преобразования в которых обеспечивает необходимое метрологическое качество. При этом могут оказаться конкурентоспособными несколько принципов преобразования. Но может оказаться, что ни один из принципов преобразования не подходит по точности. В этом случае может быть предпринята попытка использования наилучших вариантов с последующей необходимостью коррекции результатов измерений. Для этого требуется знание функций влияния и необходима информация о поведении дестабилизирующих факторов в процессе измерений.

6. Для динамических измерений параметров отбираются датчики по динамическим характеристикам на соответствие динамике измеряемого параметра. Динамическая погрешность отобранных датчиков должна соответствовать допустимым значениям. В случае несоответствия должна быть рассмотрена возможность введения корректирующих поправок в результат измерений. Процедура введения поправок предполагает априорные знания о динамике процесса и динамических характеристиках выбранного датчика. Иногда лимитирующим фактором является кратковременность исследуемого процесса.

Вместе с тем точность и динамичность датчика находятся в постоянном противоречии с его механической и метрологической надежностью. В борьбе за выживаемость датчика нередко приходится жертвовать его быстродействием и точностью.

На квазистатические и динамические измерения распространяется принцип дополнительности. Измерительный эксперимент обеспечивает либо высокую точность измерений квазистатического (медленно меняющегося) параметра, либо малую динамическую погрешность (правильное воспроизведение поведения высокодинамичного параметра во времени) при сравнительно невысокой точности измерений. В этом случае точность и динамические свойства взаимно дополняют друг друга и могут «обмениваться» в измерительном эксперименте

7. Отбор датчиков по принципу системной совместимости. Если в результате отбора по предыдущим пунктам остаются еще альтернативные варианты датчиков, то последним соображением для выбора является принцип системной совместимости. В современной технике измерения, как правило, проводятся как многопараметрические, коллективные, тогда отдельные измерительные средства (датчики, коммутаторы, усилители, устройства мультиплексирования, регистрирующие устройства и т.д.) комплектуются в информационно-измерительные системы (ИИС). Применительно к выбору датчиков крайне желательным является единство принципа преобразования в используемых датчиках (по крайней мере, минимальное число принципов преобразования).

 

Список литературы

1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: учеб. пособие / Э.Г. Атамалян. – М.: Высшая школа, 1982. – 223 с.

2. Датчики теплофизических и механических параметров: справочник в трех томах. Т. I (кн. 1) / под общ. ред. Ю.Н. Коптева; под ред. Е.Е. Багдатьева, А.В. Гориша, Я.В. Малкова. – М.: Изд-во ИПРЖР, 1998. – 458 с.

3. Измерения в электронике, справочник / под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

4. Информационно-измерительная техника и технологии: учеб. для вузов / В.И. Калашников, С.В. Нефедов, А.Б. Путилин [и др.]; под ред. Г.Г. Раннева. – М.: Высшая школа, 2002. – 454 с.

5. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / К.Б. Клаассен. – М.: Постмаркет, 2000. – 352 с.

6. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи): учеб. пособие для вузов / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. – 320 с., ил.

7. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов» / В.П. Преображенский. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1978.

8. Промышленные приборы и системы автоматики: справочник / под ред. В.В. Черенкова. – М.: Изд-во ЭАИ, 1987.

9. Промышленные приборы и средства автоматизации: справочник / под ред. В.В. Черенкова. – Л.: Машиностроение, 1987.

10. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений / С.А. Спектор. – Л.: Энергоатомиздат, 1987.

11. Справочник по средствам автоматики / под ред. В.Э. Низе и И.В. Антика. – М.: Энероатомиздат, 1983. – 504 с.

12. Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы: учеб. для вузов / Н.Г. Фарзане. – М.: Высшая школа, 1989. – 456 с.

13. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы / М.П. Цапенко. – М.: Энергоатомиздат, 1985.