Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Методы измерений: непосредственной оценки и сравнения с мерой

Метод измерений представляет собой совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Различают два метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Первый метод - при котором результат измерения получается по отсчетному устройству приборов прямого действия (прибор прямого действия - измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации движется в одном направлении, а именно с входа на выход).

Метод сравнения с мерой - метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой с мерой.

Методы сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяют на нулевой и дифференциальный.

Нулевой метод - это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (прибор сравнения, или компаратор, - измерительный прибор, предназначенный для сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно).

Дифференциальный метод -- это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой.

Как в нулевом, так и в дифференциальном методе могут быть выделены методы противопоставления, замещения и совпадения.

Метод противопоставления-- в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Метод замещения -- метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадения -- метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Процесс измерения по методу непосредственной оценки характеризуется быстротой, что делает его часто незаменимым для практического использования. Однако точность измерения обычно оказывается невысокой из-за воздействия влияющих величин и необходимости градуировки шкал приборов.

Метод замещения является самым точным, так как несовершенство конструкции и изготовления средства измерения одинаково влияет как при измерении физической величины, так и величины воспроизводимой мерой.

2. Погрешности измерений их классификация

В процессе измерения получают некоторую оценку значения физической величины в принятых единицах, а истинное значение физической величины всегда остается неизвестным, из-за чего нельзя определить истинное значение погрешности измерения. Для приближенной оценки погрешности используют понятие действительного значения физической величины, которое находят более точными методами и средствами.

Действительное значение - значение ф.в., найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что может быть использовано вместо него.

Абсолютная погрешность - разность между полученным при измерении (Хизм) и истинным значением физ. Величины (Хи).

= Хизм - Хи Хизм - Хд



В зависимости от причин возникновения, характера и условий проявления принято выражать абсолют. погрешность, как сумму двух составляющих, называемых случайной и систематической :

= + .

Относительная погрешность измерения - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

=/Хи /(Хд)*100%.

Приведенная погрешность измерения - отношение абсолют. погрешности к некоторой нормированной величине (диапазон измерений):

=/(Хв-Хн)*100%

Хв - верхнее значение;

Хн - ниж. значение

Систематическая погрешность (с.п.) - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Выявление и оценка систематических погрешностей являются наиболее трудным моментом любого измерения и часто связаны с необходимостью проведения исследований. Обнаруженная и оцененная систематическая погрешность исключается из результата введения поправки. В зависимости от причины возникновения различают следующие систематические погрешности.

Методы исключения систематической погрешности:

1) обнаружение с.п., а также их источников до начала измерения. Этот способ включает поверку и градуировку до начала процесса измерения, правильность установки средства измерения и учет внешних влияющих факторов.

2) исключение погрешности в процессе измерения. Это возможно при проведении повторных измерений. При этом необходимо, чтобы физ. величина была постоянна. Чаще всего дополнительное измерение проводится с помощью средства измерения, основанного на другом методе.

3) метод инвариантности. Метод при котором средства измерения содержат дополнительный канал, к входу которого не подключается измеряемая величина, но который находится под воздействием внешних влияний.

4) устранение с.п. с помощью поправки. Для этого к результату прибавляется некоторое значение либо умножается на коэффициент.

Там где с.п. не может быть устранена полностью - она должна быть оценена.

Случайная погрешность измерения (сл.п.) -- составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

3. Средства измерений. Основные понятия и определения, классификация, структурные схемы

Средство измерений - это техническое средство, предназначенное для измерений имеющее нормированные метрологические характеристики воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.

Средства измерений делят на: меры, измерительные устройства, измерительные установки и измерительные сис-мы.

Мера - это средство измерений, предназначенное на воспроизведение и хранение размера физической величины.

Измерительные устройства:

1. измерительные преобразователи - средство измерения, необходимое для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для передачи и обработки, но не доступное для непосредственного восприятия оператора.

2. измерительные приборы - средство измерения, необходимое для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для восприятия оператора.

Измерительная установка - совокупность средств измерений и вспомогательного оборудования, предназначенные для получения информации в форме доступной оператору и расположенная в одном месте.

Измерительная система - совокупность средств измерений и вспомогательного оборудования, объединенных каналами связи, расположенных в разных местах и необходимых для получения информации в виде удобном для хранения, передачи и обработки.

В зависимости от способа соединения элементов различают приборы прямого действия и компенсационного.

Прибор прямого действия - это такой прибор, у которого сигнал измерительной информации передается только в одном направлении с входа на выход.

Измерительные преобразователи бывают: передающие, первичные и промежуточные.

Структурная схема может быть изображена следующим образом, где:

1 - первичный измер. преобразователь

2 - промежуточный преобразов. (усилитель)

3 - нормирующий преобразователь (если си измерительный преобразователь)

4-измерительный механизм (если си измерительный прибор)

Компенсационные приборы строятся по следующей схеме

В таких системах часть сигнала с выхода поступает на вход. Такие приборы называют приборами с ОС.

ПИП - это преобразователь, находящийся под непосредственным воздействием физической величины. ПИП делятся на активные и пассивные.

Активные ПИП - это такие, в которых в результате преобразования вырабатывается электрическая величина (термопара).

4. Метрологические характеристики средств измерения. Назначение, классификация, способы нормирования

Метрологические характеристики - это характеристики, от которых зависят результаты измерений.

Метрологические характеристики можно разделить на несколько групп:

1) характеристики, влияющие на результат - шкала прибора, статическая характеристика (функция преобразования), предел чувствительности.

2) характеристики погрешности - абсолютная погрешность, относительная погрешность, приведенная погрешность, вариация, аддитивная погрешность и т.д.

3) характеристики, связанные с внешними устройствами - входной или выходной импеданс (внутреннее или внешнее сопротивление).

4) характеристики влияния внешних величин - влажность, плотность, давление и т.д.

Погрешность по входу:

,

где - действительное значение входной величины;

- функция, обратная номинальной функции преобразования СИ, называемая его градуировочной характеристикой.

Некоторые СИ обладают вариацией показаний, под которой понимается разность показаний в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к ней со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.

Важной характеристикой СИ является чувствительность S - свойство, определяемое отношение изменение выходного сигнала к вызывающему его изменению входного сигнала.

Различают абсолютную и относительную чувствительность.

Наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которой может осуществляться ее измерение, называется порогом чувствительности данного СИ.

Импедансные характеристики - характеристики описывающие свойства СИ отбирать или отдавать энергию через свои входные или выходные цепи.

Воздействия влияющих величин на метрологические характеристики СИ описывается функцией влияние.

Все метрологические характеристики могут быть нормированы. Нормы на метрологические характеристики устанавливаются либо в виде номинальных функций преобразования либо с помощью допустимых пределов (для погрешностей, чувствительностей и д.р.). Если нормирование осуществляется в виде функций преобразования, то эта функция задается в виде формулы или таблицы. Если нормы устанавливаются в виде пределов, то этот предел выбирается из ряда (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5)10ⁿ, где n - это положительное или отрицательное целое число (n= -3 ч +1). Обычно погрешность выражается одной значащей цифрой, реже двумя, если эта значащая цифра меньше 3.

5. Погрешность средств измерения: класс точности, размах, вариация, аддитивная, мультипликативная

Погрешности средств измерений по характеру проявления делят на систематические и случайные; по форме представления; на абсолютную, относительную и приведенную.

Основная погрешность - погрешность средств измерения при его использовании в нормальных условиях (такие условия, при которых влияющие величины имеют номинальные значения, не выходят за установленные пределы). Погрешность, которая возникает при отличии условий эксплуатации от нормальных условий, называется дополнительной погрешностью. Для определения зависимости погрешности от измеряемой величины используют понятие номинальной и реальной функций преобразований.

Номинальная функция преобразования - функция, присущая данному типу прибора и используемая при проведении измерений.

Реальная функция преобразования - функция, которой обладает конкретный прибор. В зависимости от различий между номинальной и реальными функциями преобразований различают следующие виды погрешностей: аддитивную и мультипликативную. Аддитивная - погрешность, которая остается постоянной при любых значениях измеряемой величины (погрешность уставки). Причины возникновения: трение в опорах механических средств измерения, шумы электрических устройств, контактные сопротивления, дрейф нуля.

Мультипликативная - погрешность, которая увеличивается (уменьшается) при увеличении измеряемой величины. Причина - изменение коэффициента передачи элементов средств измерения.

Погрешность нелинейности - номинальная функция линейная, а реальная нелинейная. Погрешность гистерезиса - связано с тем, что реальная функция преобразования при увеличении измеряемой величины не совпадает с реальной функцией преобразования при уменьшении измеряемой величины. Для оценки погрешности гистерезиса применяют вариацию. Вариация - средняя разность между выходными значениями соответствующими одному и тому же значению и полученными при многократном, разностороннем подходе к этой величине. Выражается в абсолютных значениях либо в виде приведенного значения.

Причина погрешности гистерезиса являются люфт в механических элементах, гистерезис в магнитных элементах, поляризация в электрических.

Класс точности - это обобщенная характеристика СИ, выражаемая пределами допускаемых значений его основной и дополнительной погрешностей, а так же другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности не является непосредственной оценкой точности измерений, выполняемых этим СИ, поскольку погрешность зависит еще от ряда факторов: метода измерений, условий измерения и т.д. Класс точности лишь позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ данного типа.

6. ГСП: принципы построения

Сигналы делятся на:

1) детерминированные - для которых в любой момент времени параметры могут быть предсказаны с вероятностью равной 1;

2) случайные - у которых характеристики меняются случайным образом и не могут быть заранее предсказаны.

Сигналы могут быть непрерывные (такие у которых функция является непрерывной величиной) и дискретные (цифровые). Единицей цифровой информации является бит. Процесс изменения параметров сигнала называется - модуляцией. Сигналы передаваемые с помощью постоянного тока называются непрерывными сигналами. При переменном токе:

i=I*sin(w*t+); u=U*sin(w*t+),

могут меняться 3 типа параметров (3 типа модуляции: амплитудная - изменение амплитуды; частотная - меняется частота сигнала; фазовая (не нашла применения в технике)). Используются также и импульсные сигналы (ШИМ - модуляция; ФИМ - модуляция). Модуляция используется в основном для передачи информации по радио каналам. В зависимости от рода используемой энергии системы передачи информации делятся на: 1) электрические (большая дальность передачи, большая пропускная способность, но плохая пожаро- и взрывобезопасность); 2) пневматические (малая пропускная способность, необходимость в сжатом воздухе, малая длина линий связи); 3) гидравлические; 4) оптические (безопасны, большая скорость и дальность передачи, наиболее развивающиеся).

Все средства измерений в связи с этим строго унифицированы по входному и выходному сигналу. Связь между этими видами средств измерения осуществляется при помощи преобразователей. Этим обеспечивается создание комбинированных СИ. Обеспечивается это на основе видов унифицированных сигналов в ГСП:

Вид сигнала	Физическая величина	Параметры сигнала
Электрический	Пост. ток	05мА 020мА 420мА -505мА
	Пост. напряжение	010 020 -10010 мВ 01 010 -101 В
	Перем. напряжение	02 -101 В
	Частота	28 кГц
Пневматический	Давление	0.020.1 Мпа
Гидравлический	Давление	0.16.4 Мпа

7. ПИП

К резистивным ПИП относятся: реостатные, пъезорезистивные, тензорезистивные.

Реостатные в них реализуется функция сопротивления реостата R=f(x). В зависимости от строения реостата они бывают линейные и угловые. В реостате реализуется функция управления R=сl/S. Отметим, что Uвых определяется сложной зависимостью. Этот недостаток можно устранить несколькими способами:

1 если Rн взять намного больше Rреостата, то нелинейность перестает сказываться и достигает 1-2%.

2 изготавливают каркас резистора с профилем обратным. Длина каждого витка разная и таким образом реализуется статическая хар-ка.

3 для точного изготовления резистора R его наматывают на каркасе из вольфрама, манганина.

Недостатки: искрение, износ поверхности, увеличение сопротивления в месте контакта.

Тензорезистивный преобр-ль. Для измерения мех. напряжений исп-ся преобразователь, действие кот-го основано на изменении сопротивления под действие мех деформации. Тензодатчики исп-ся в виде проводников, кот-ые жестко приклеиваются на исследуемую пов-ть

К=ДRl/ДlR - коэфф-ент тензочувствительности,

где ДR/R - относительное сопротивление,

Дl/l - относительное удлинение.

У полупроводниковых мат-ов К=500-200.

В связи с большой зависимостью от температуры исп-ся только для малых напряжений, деформации. Мех-ое напряжение у пропорционально модулю упругости на относительное удлинение у=ЕДl/l. Т.о. статическая хар-ка тензорезистивного преобразователя:

ДR/R=Ку/Е.



Пъезорезистивные преобразователи

Появление поляризации под дейст-ем мех напряжения. Все эти элементы вып-ся из полупроводниковых мат-ов, диапазон сопротивления кот-ых изменяется от 10 до 10⁸ Ом. Это позволяет непосредственно вкл-ть пъезорезистивный преоб-ль в прибор. Недостатком явл. сильная температурная зависимость и наличие точки Кюри.

Магниторезистивный преоб-ль

Принцип действия: при помещении в магнитное поле полупроводниковой пластинки образуется ток. Величина напряжения, снятого с пластинки определяется зависимостью U=K_xIB/S, где К_х - коэф-нт Холла. Сущ-ют другие типы резистивных преоб-ей:

8. Мостовые измерительные схемы: уравнов, неуравнов, частотнозав. мосты

В комплекте с ТП для измерения ЭДС используются милиВольтметры и потенциометры. Для компенсации температуры окр. среды используют специальное корректирующее устройство.

Одно из наиболее распространенных устройств - неуравновешенный мост.

R₁, R₂, R₃ - выполнены из манганиновой проволоки (материал, сопротивление которого не зависит от температуры); R₄ - медный резистор; Е_АВ=f(t). Резисторы подбираются таким образом, чтобы разность потенциалов в измеряемой диагонали моста соответствовала ЭДС термопары, при температуре холодного спая R₀. R₀ служит для установки рабочего тока, который зависит от номинальной статической характеристики термопары.

Уравновешенный мост: Реохорд включается таким образом, что возникающее сопротивление контакта оказывается включенным одновременно в смежные плечи моста, что не будет нарушать его равновесие. Параллельно реохорду включается сопротивление шунта и подгоночное.

Для обеспечения линейности хар-ки реохорд делают двойным. Такое включение реохорда обеспечивает более высокую чувствительность моста:

(R1+R*p(1-m))(Rt+Rл)=R2(R3+Rл+R*рm) - ур-е равновесия

Если из этого выражения найти Rt=f(m), то окажется, что сопротивление проводов полностью не исключается. Однако вносимая этим погрешность при изменении т-ры окружающей среды приблизительно на 50 град. гораздо меньше, чем погрешность от не учтенного переходного сопротивления реохорда.

9. Компенсационные измерительные схемы: пр-п действия, хар-ки

ТС (термометры сопротивления) могут подключаться к вторичным приборам по двух-, трех- и четырехпроводной схемах. Двух-, трех- проводная схемы используются при подключении к измерительным мостам и логометрам, четырехпроводная схема используется для измерения падения напряжения на резисторе.

Чтобы компенсировать влияние на показания сопротивлений соседних проводов и температур, то ТС подключают по 4-х проводной схеме. Т.е. одна пара проводов подключается к источнику тока, а другая к напряжению.

Если ТС подключается к измерительному мосту, то используется 3-х проводная схема подключения. В результате этого получается

R1(Rt+2Rл)=R2Rp;

R1(Rt+Rл)=R2(Rp+Rл) - (равновесие моста),

R1=R2, Rt =Rp_.

Недостатком этой схемы является то, что в подвижном контакте реохорда может возникнуть дополнительное сопротивление (попадание пыли, стирание и др.) составляющее десятые доли Ома.

В промышленных мостах используется другая схема. Реохорд включается таким образом, что возникающее сопротивление контакта оказывается включенным одновременно в смежные плечи моста, что не будет нарушать его равновесие. Параллельно реохорду включается сопротивление шунта и подгоночное.

Для обеспечения линейности хар-ки реохорд делают двойным. Такое включение реохорда обеспечивает более высокую чувствительность моста:

(R1+R*p(1-m))(Rt+Rл)=R2(R3+Rл+R*рm) - ур-е равновесия

Если из этого выражения найти Rt=f(m), то окажется, что сопротивление проводов полностью не исключается. Однако вносимая этим погрешность при изменении т-ры окружающей среды приблизительно на 50 град. гораздо меньше, чем погрешность от не учтенного переходного сопротивления реохорда.

Логометры

Это приборы магнитной системы, которые состоят из двух жестко скрепленных между собой рамок, вращающихся в магнитном поле. Магнитное поле создается магнитной системой, состоящей из двух полюсов и сердечника. Зазор между сердечником и полюсами увеличивается от оси ОО к краям магнитной сис-мы. Такой изменяющийся зазор реализуется или с помощью круглого сердечника либо гиперболических полюсов, либо с помощью овального сердечника или цилиндрических полюсов. Иногда используются цилиндрич. полюса и сердечник устанавливается эксцентрично. Рамки логометра включ. в цепь таким обр., что возникающие в них моменты направлены друг к другу М1=к(I₁,B₁); М2=к(I₂,B₂).

11. Деформационные манометры

Принцип действия основан на том, что усилие давления уравновешивается силами упругого противодействия чувствительного элемента. Наиболее часто в них используются следующие виды чувствительных элементов: мембраны, сильфоны, трубчатые пружины. Мембрана - круглый, тонкий диск, получающий прогиб под действием давления. Различают плоские и гофрированные.

Величина прогиба зависит от многих факторов и имеет эмперический характер, определяется:

;

С - конструктивный коэффициент, в который входят параметры, определяющие форму мембраны, число и размер гофров. Для увеличения чувствительности мембраны изготавливают мембранные коробки:

Общий недостаток мембран - нелинейность характеристики. В случае гофрированных мембран она зависит от величины гофров. Чем больше глубина, тем линейней статическая характеристика. Класс точности манометров 1,5-2;

Сильфон - цилиндрический стакан с поперечными гофрами. Такое устройство даёт значительное перемещение дна стакана в зависимости от действующей силы на дно, которая определяется

;



- перепад давления, возникающий на сильфоне.

Недостатком в связи с остаточным механическим напряжением имеет гистерезисную статическую характеристику. Для устранения этого эффекта внутрь сильфона вставляют пружинный элемент.

Трубчатые пружины предназначены для преобразования измеряемого давления в пропорциональное перемещение свободного конца трубки. Под действием Р_изб ось в увеличивается, сечение стремиться приобрести форму окружности, в результате чего изменяется угол закручивания трубки. В известных пределах перемещения свободного конца трубки пропорционально давлению. Для увеличения чувствительности применяют многовинтовые пружины. Изменение угла поворота пружины может доходить до 40-60⁰. На основе таких пружин создаются манометры без передаточных механизмов и к свободному концу пружины может прикрепляться стрелка.

12. Термометры расширения

Ср-ва измерения тем-ры классифицируются по используемому термометрическому св-ву и подразделяются на:

- термометры расширения (жидкостные термометры, дилатометрические, биметалические);

- манометрические термометры;

- термопреобразователи сопротивления; -термоэлектрические преобразователи;

- оптические.

Термометры расширения принцип действия основан на зависимости линейных размеров и объема тел от тем-ры.

Биметаллические - представляют собой 2 пластины скрепленные м/ду собой, к-рые имеют различные коэф-ты линейного расширения. При повышении температуры пластинка разгибается и с помощью секторно-рычажного передаточного механизма передает движение стрелке, кот. показывает величину измеряемой температуры. Эти термометры применяются для защиты эл. двигателей от тепловых перегрузок, а также в качестве электрических преобразователей или температурных реле. Пределы измерения температуры этими термометрами - 150 ч +700єС, погрешность приборов не превышает 1-1,5%. Преимущества: простота конструкции и дешевизна.

Недостатки: большая погрешность 1-5% невозможность передачи информации на расстояние.

Дилатометрические - конструктивно состоят из стакана, выполненного из материала с малым линейным коэф-ом расширения. Внутри этого стакана помещен стержень из материала с высоким коэф-ом линейного расширения. При повышении температуры трубка значительно удлиняется, чем стержень, вследствии чего свободный конец стержня, а с ним и концы рычагов перемещаются вниз. Движение передается стрелке, которая и указывает измеряемую температуру в объекте. Преимущества и недостатки те же. Они используются в основном как сигнализаторы и регулирующие приборы.

13. ТЭП (термоэлектрические преобразователи)

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте, суть которого состоит в следующем, в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает электрический ток, если места соединения этих проводников, которые называются спаями, находятся при различной температуре.

Если такую цепь разорвать, то можно измерить ЭДС, которая называется контактной ЭДС, зависящей от температуры. Возникновение контактной ЭДС объясняется тем, что концентрация свободных электронов являющаяся носителем тока в разных металлах различна. Под действием разности концентрации электроны перемещаются из обл. с большей концентрацией в обл. с меньшей и та обл., из они переходят заряжается положительно. При этом возникает эл. поле, препятствующее этому перемещению и возникает другая противодействующая сила. Со временем эл. поле растет, а концентрации выравниваются. В некоторый момент времени наступает динам. равновесие, при котором кол-во электронов переходящих в одном направлении = кол-ву электронов переходящих в обр. направлении. Этому равновесию соотв. контактная разность потенциалов, однозначно зависящ. от температуры. Электрод А-положительный, В- отрицательный.

Измерить контактную ЭДС можно двумя способами:

1. разрываем место спая при t=t₀ и подключим прибор. Тот спай, который находится при более низкой температуре назыв. холодным спаем, а при более высокой температуре (или измеряемой температуре) - горячим спаем. К холодному спаю подключается прибор. Контактная ЭДС обозначается е_АВ(t).

Е_АВ(t,t₀)=е_АВ(t)+е_ВА(t₀);

е_АВ(t₀)=-е_ВА(t₀);

е_АВ(t)=-е_АВ(t₀)

- это основное уравнение ТЭП. В нашем случае:

Е_АВ(t,t₀,t₀)=е_АВ(t)+е_ВС(t₀)+е_СА(t₀);

Е_АВ(t₀,t₀,t₀)=е_АВ(t₀)+е_ВС(t₀)+е_СА(t₀)=0 - при одинаковых температурах;

е_ВС(t₀)=-е_АВ(t₀)-е_СА(t₀); Е_АВ(t,t₀,t₀)=е_АВ(t)-е_АВ(t₀).

2. разрываем один из электродов (проводников) и эти точки находятся при какой-то третьей температуре. В этом случае:

Е_АВ(t₀,t₁,t₁,t₁)=е_АВ(t)+е_ВС(t₁)+е_СВ(t₁)+е_ВА(t₀) =е_АВ(t)-е_АВ(t₀).

ТП измеряет разность температур. Если принять температуру окруж. среды за некоторую постоянную, то можно написать, что ЭДС, которую будет развивать ТП, будет пропорционально температуре, но только в том случае, если t=const. В качестве постоянной принимаем t₀=0⁰C.

Любая пара материалов образует ТЭП. Существует несколько пар, которые наиболее хорошо обеспечивают наибольшую чувствительность и воспроизводимость, а также линейность статической хар-ки:

1) хромель - копель (ХК). Эти термопары измеряют температуру до 600 ⁰C и развивают ЭДС приблизительно равную 7мВ на 100 градусов.

2) хромель - алюмель (ХА). Эти ТП позвол. измерять температуры до 1000 градусов, а ЭДС - 4 мВ на 100 град.

3)платинародий - платина (ПП), платинородий - платинородий (ПР), диапазон температур до 1500 ⁰C и ЭДС 0,4 мВ на 100 град.

14. Измерение температуры с пом. термопреобразователей сопротивления (ТС)

Принцип действия термометров сопротивлений основан на способности различных материалов (в первую очередь металлов) изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Параметр, характеризующий изменение электрического сопротивления с температурой, называют температурным коэффициентом электрического сопротивления. Для материалов, у которых температурный коэффициент не зависит от температуры, он может быть определен как

,

где R_t и R₀ -- сопротивление при температуре t и 0єС.

Для материалов, у которых температурный коэффициент зависит от температуры, он может быть определен только для каждого значения температуры как

Температурный коэффициент выражается в єС^-1 или К^-1. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент находится в пределах 0,0035--0,0065 К^-1.

Термометры сопротивлений из чистых металлов, как правило, изготавливают путем специальной намотки тонкой проволоки на каркас из изоляционного материала. Для предохранения от повреждения проволоку вместе с каркасом помещают в защитную оболочку.

В качестве металлов для металлических термометров используется медь, платина и реже никель. Эти материалы выбраны по тому, что позволяют повышать чувствительные элементы со стабильной характеристикой, и обладают высокой воспроизводимостью.

Медные термометры сопротивления имеют линейную характеристику, которая описывается выражением:

R_t=R₀(1+бt),

где R_t-сопротивление датчика при температуре t ⁰C, R₀ - сопротивление при 0. Номинальная статическая хар-ка (НСХ) медных приборов - бCu=1,426, бCuґ=1,428; W100Cu=1,426, W100Cuґ=1,428. В зависимости от сопротивления при 0 град. могут быть следующие НСХ Cu₁₀₀, Cu₅₀₀. Для термометров вводится еще и такая хар-ка: W₁₀₀=R₁₀₀/R₀.

Для платиновых термометров W100ptґ=1,391, W100pt=1,385. НСХ платиновых:

R_t=R₀(1+At+Bt²) - хар-ка нелинейная

Они обладают наибольшей чувствительностью.

Медные термометры позволяют измерять температуры до 180-200 град. Ограничения вызваны тем, что при этих температурах медь начинает интенсивно окисляться

Погрешность термометров сопротивления задается абсолютной погрешностью: Д=±(A+Bt). В зависимости от значений А и В различают три класса точности А, В, С.

Для класса А платинового термометра Д=±(0,15+0,002t). Конструктивно термометр представляет собой тонкую проволоку, намотанную бифилярно на стеклянный или керамический каркас. Бифилярная обмотка - такая, при которой ток в соседних витках течет в противоположных направлениях при этом индуктивные сопротивления отсутствуют. Платиновые термометры используются в качестве образцовых.

15. Вторичные приборы, работающие с ТС: мосты, логометры, пирометры. Цветовые и радиационные пирометры

см. вопр. 8,9,16

метрология измерение погрешность поверка

16. Пирометрия. Оптические, цветовые и радиационные пирометры: принцип действия, метрологические характеристики

Область применения контактных методов измерения температуры ограничена значениями 2200-2500єC. При более высокой температуре используют безконтактные методы. Эти методы основаны на способности физических тел излучать электромагнитные волны если температура тела выше температуры абсолютного нуля. Наука изучающая излучение тел называется пирометрия, а средства измерений, основанные на измерении интенсивности излучения - пирометры. Интенсивность излучения связана с температурным соотношением:

E^*=C*T⁴ - з-н Ст.Больцмана

E^* - полная энергетическая светимость абсолютно черного тела. Из формулы видно что интенсивность излучения резко возрастает с увеличением температуры поэтому (до недавнего времени) пирометрическими методами пользовались при высокой температуре.

Полная энергетическая светимость зависит не только от температуры, но и от длины волны:

,

Е-спектральная энергетическая светимость.

E^*=C₁*^-5*e^-c2/T - Закон Вина.

E*=C₁*^-5/(e^-c2/T-1) - Закон Планка.

Интенсивность излучения на разных длинах волн различна и эта зависимость имеет максимум

- закон смещения Вина

Пирометры классифицируются по принципу измерения и делятся на: оптические (яркостные) цветовые, радиационные.

Принцип действия яркостных пирометров основан на измерении интенсивности монохроматического излучения (при одной длине волны).

1 - объект измерения, 2 - объектив, 3- серый светофильтр, 4- нить накаливания, 5- красный светофильтр, 6 - окуляр, 7- миллиамперметр.

С помощью R устанавливают светимость вольфрамовой нити, а амперметр отсчитывает показания. С помощью пирометров определяют не истинную температуру, а температуру, которая называется яркостной, световой, радиационной. Для того чтобы определить истинную температуру необходимо знать степень черноты тела. При высоких температурах (выше 1500^oС) вольфрамовая нить разгоняется. При высокой температуре используется дополнительный, серый светофильтр.

При измерениях 3 случая:

Такие пирометры используются для измерения температура от 800-6000⁰C. Класс точности от 1 до 4.

17. Методы измерения уровня. Поплавк., буйк., гидростатич., емкостные

Уровень - это высота заполнения технологического аппарата жидкой или сыпучей средой. СИУ называются уровнемерами. Они делятся: 1- непрерывного действия - для измерения массы количества в-ва; 2- сигнализаторы предельных значений. СИУ классифицируют по диапазону измерения: широкого и узкого. 1^ые предназначены для учета кол-ва продукции и определяют уровень в диапазоне 0,5-20м. 2^ые - для САУ, диапазон 0-100-450мм. СИУ классифицируют по принципу действия: поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые, весовые, радиоизотопные, визуальные, акустические.

Поплавковые СИУ. Представляют собой полые шары d=80-200мм, плавающие по поверхности. Разделяют на широкого и узкого диапазона. 2^ые делятся на фланцевые и камерные. Класс точности 1,5.

1^ые уравнение описывается состоянием равновесия:

G_гр=G_п- с*g*h₁

Повышение или понижение уровня изменяет h₁ и на него начинает действовать дополнительная сила выталкивания. В результате этого груз опускается до тех пор, пока глубина не станет = h₁. Для передачи информации о величине уровня используется сельсинная с-ма передачи информации. Диапазон измерения 0,12-0,20м, класс точности 0,14.

Буйковые уровнемеры. В основу положено яв-ие, описываемое законом Архимеда. Чувствительный элемент - цилиндрический буёк, находящийся в ж-сти вертикально. Он частично погружён в ж-сть, изготовлен из материала большей плотности, чем плотность среды. При изменении уровня будет изменяться масса буйка. Преобразование веса буйка в электрический сигнал осущ-ся с помощью преобразователя сила-давление, сила-ток.

Гидростатические

Принцип действия основан на измерении давления, созданного столбом ж-сти:

Р= с*g*h,

его измеряют следующим образом:

1- манометр подключается на высоте min уровня ж-сти; 2- с помощью дифманометра, подключенного к min уровню ж-сти и газовому пространству над уровнем ж-сти, используется в закрытых резервуарах. Для измерения уровня раздела фаз устанавливается уравнительный сосуд1, в к-ый выдавливается ж-сть и вновь переливается в резервуар. Перепад давления определяется как: ДР=с*g*(h_мах-h), при h=0 ДР =мах, h= h_мах ДР=0.

18. Акустические, радиационные, весовые уровнемеры

Акустические уровнемеры. Акустический элемент испускает сигнал на границу раздела фаз, затем отражается и попадает на приёмник излучения. Измеряется время: t=2s/v. Для устранения недостатков измерения проводят в ультразвуковом диапазоне до 200кГц. Используются уровнемеры под названием «Эхо». Глубина залегаемого уровня среды не превышает 10м, класс точности 2,5. Позволяет измерять уровни в закрытых средах до 4МПа.

Радиоизотопные уровнемеры. В случае тяжёлых условий (запыление, агрессивные среды) и использование традиционных методов затруднено, используют излучение некоторых тяжёлых металлов с целью получить хар-ку, связывающую уровень среды с интенсивностью поглощённого в среде излучения. В качестве источников излучения используются: кобальт, цезий; в качестве приёмников- газоразрядные датчики, сценциляционные, полупроводниковые. Выпускают уровнемеры РРП3, ГРП-1. Погрешность измерения ⁺_-20мм.

Весовые уровнемеры. Устанавливают ёмкость на трёх опорах для того, чтобы под любую из опор поместить датчик, чувствительный элемент, определяющий давление. Эксперимент-ым путём определяется зависимость: h=f(p).

19. Измерение расхода Ж,Г. Расходомеры перем. перепада

Под расходом понимают кол-во вещества, проходящее ч/з данное сечение в единицу времени. В зависимости от единиц измерения кол-во вещества делятся на объемные (м³/с) и массовые (кг/с). Счетчик - прибор, производящий определение объема или массы жидкости, которое проходит за определенный отрезок времени ч/з сечение. Если выходной сигнал расходомера не зависит от плотности, то такой расходомер наз. объёмный, если зависит, то массовый. Если выходной сигнал пропорционален скорости потока, то такие расходомеры наз. скоростными.

К расходомерам предъявляют различные требования, что привело к появлению большого разнообразия методов измерения расхода:

1. высокая точность измерений - основное требование.

2. надежность определения времени, в течение которого расходомер сохраняет свои метрологические хар-ки и работоспособность.

3. независимость результатов измерений от плотности вещества.

4. быстродействие характеризует динамические свойства расходомеров и оценивается постоянной времени. Современные расходомеры имеют постоянную времени от 5-30 сек.

5. большой динамический диапазон измерения, который оценивается Qmax/Qmin.

6. независимость показания от фазового состава среды.

7. большой измеряемый диапазон значений расхода.

Методы измерения расхода:

а) гидродинамические (метод переменного перепада (уровня), обтекания, вихревые)

б) с непрерывно движущимся телом (силовые, с автоколеблющимся телом)

в) физические методы (тепловые, эл.магнитные, акустические и оптические).

Расходомером переменного перепада давления называется измерительный комплекс, основанный на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого преобразователем расхода, установленным в трубопроводе. В состав измерительного комплекса входят: а) первичный преобразователь расхода; б) первичная линия связи - соединительные трубки и вспомогательные устройства на них; в) дифманометр. В случае необходимости передачи показаний на значительное расстояние к этим элементам добавляются: а) вторичный преобразователь перемещения подвижного элемента дифманометра в электрический или пневматический сигнал; б) вторичная линия связи -- электрические провода или соединительные трубки; в) вторичный измерительный прибор.

Достоинства: 1) Простота и надёжность конструкции; 2) отсутствие движущихся частей; 3) лёгкость серийного изготовления; 4) невысокая стоимость. Недостатки: 1) доп. конструктивные элементы в трубопроводе; 2) невысокая точность, относительная погрешность > 2%; 3) небольшой динамический диапазон; 4) нелинейная статическая характеристика.

Расходомеры переменного перепада давления имеют следующие разновидности, в зависимости от вида преобразователя расхода: 1) с сужающими устройствами; 2) с гидравлическим сопротивлением; 3) центробежные; 4) с напорными устройствами; 5) с напорными усилителями; 6) ударно-струйные.

20. Расходомеры обтекания. Ротаметры (постоянного перепада давления)

К ним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрические расходомеры. Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры, которые имеют ряд преимуществ перед расходомерами переменного перепада давления:

а) потери Р_п незначительны и не зависят от расхода;

б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы. Также к преимуществам относят: простота конструкции, дешевизна, наглядность показаний, возможность измерения жидкости и газа. Недостатки: зависимость показаний от плотности, вязкости, наличие дисперсных фаз, невозможность измерения расхода непрозрачных сред, нелинейная статическая хар-ка.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип действия основан на измерении положения Н поплавка, вращающегося в расширяющейся кверху трубке под влиянием направленной вверх струи.

Q - расход, проходящего через трубку газа или жидкости, - угол наклона стенок трубки.

Зависимость Q от Н не линейная, но в начальном и среднем участках равномерность делений шкалы искажается в незначительной степени.

Отсутствие прямой зависимости между Q и Н требует индивидуальной градуировки каждого прибора. Ротаметрические трубки обычно изготавливаются из стекла, на которое наносится шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска.

21. Тахометрические расходомеры. Турбинные, шариковые, камерные. Счетчики. Аккустические и электромагнитные

Тахометрические расходомеры. Принцип действия основан на скорости перемещения чувствительного элемента (чаще всего вращения) от расхода измеряемой среды. Такие расходомеры делятся на: 1) с оксиальной турбиной; 2) с тангенциальной турбиной.

1) Турбина представляет собой многозаходный винт, который вращается в опорах. При работе задний подшипник испытывает воздействие более сильное или передний. Чтобы разгрузить его обтекатель переднего подшипника делается таким образом, чтобы скорость потока в сечении 1 была больше, чем в сечении 2.

Достоинства: тахометрические расходомеры с оксиальной турбиной имеют погрешность 0.25-0.5 %. Динамический диапазон = 1:10. Недостатки: зависимость показаний от плотности среды и температуры. Возникает дополнительная погрешность, если появляется дисперсная фаза. Необходимость установки перед расходомером фильтров.

2) Те же преимущества и недостатки.

Передача частоты вращения от турбины к отсчетному устройству осуществляется либо с помощью магнитной муфты, либо индуктивным или оптическим способом.

Эти расходомеры используются в основном для измерения расхода жидкости.

Объемные счетчики с овальными шестернями - при работе шестерни вращаются под действием момента, обусловленного разностью давлений P1 и P2. В указанном на рисунке положении нижняя шестерня является ведущей, а верхняя - ведомой. За 1 оборот шестернями перемещается объем Q=4V. Эти счетчики имеют высокую точность, показания слабо зависят от плотности среды, след-но их называют объемными счетчиками.

Электромагнитные расходомеры (ЭМР).

Принцип действия основан на зависимости тока возникающего в проводнике движущемся в магнитном поле. В ЭМР используют постоянное и переменное магнитное поле. Конструктивно ЭМР представляет собой участок трубопровода из немагнитного материала и футированного изнутри диэлектриком.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера:

1-труба; 2-полюса электромагнитные; 3-электроды.

22. Непрерывные методы измерения плотности ж-сти весовым, гидростатическим, поплавковым и вибрационным методами

Весовые СИП. Принцип действия состоит в непрерывном взвешивании постоянного объёма анализируемого в-ва, т.е. плотность выражается через удельный вес. Плотномер с V-образной трубкой. Для установления нулевого значения установлен противовес. Статической хар-кой яв-ся зависимость: с=г/g=P/V*g, где г- удельная плотность. Т.к. объём, заключённый в этой области, и g=const, то на рычаг действует сила P~ с. Особенностью яв-ся динамическая хар-ка- это уравнение 2^го порядка, описывающее функцию колебательного звена: W(p)=k/(T₂² p²+T₁p+1). Диапазон измерения 0,5-2,5г/см³. Температурный диапазон измерения до100^оС, класс точности 1-1,5.

Поплавковые СИП. Принцип действия основан на непрерывном измерении выталкивающей силы. Р_выт=V*г/. Равновесие под действием веса и выталкивающей силы: G=m*g; N=V*с_ж*g; Техническая реализация автоматического плотномера яв-ся плотномер с переливом ж-сти. При изменении с_ж положение поплавка будет изменяться, т.е. изменяться величина l. Величина N=(N+l*S)* с_ж*g. Из условия равновесия G=N. Тогда l=(m-V* с_ж)/S*g=m/S* с_ж-V/S. Величина l связана с плотностью, а значит с величиной ДU_вых. С увеличением с l уменьшается. Интервал измерения плотности 0,5-1,2г/см³. Погрешность 1,5-3% от диапазона измерения.

Гидростатические СИП. Принцип действия основан на зависимости давления столба ж-сти от плотности: P=с*g*h, с=ДP/g*h- статическая хар-ка. Плотномер с сильфонами, расположенными на разной высоте.

23. Измерение плотности газов

Аэростатический плотномер

Плотномер состоит из 2-х вертикальных трубок, вставленных друг в друга. Внутренние полости образуют столбы газа и воздуха. Воздух подается над постоянным давлением. Внизу трубок на одинаковой высоте сделаны отводы, подключаемые к Манометру. Шток колокола соединен с преобразователем. Статическая характеристика колокольного дифманометра представляет собой зависимость перемещения штока Н от площади поперечного сечения колокола.

- площадь стенок

- плотность рабочей жидкости

- плотность газовой среды

Колокольный манометр обладает высокой чувствительностью, используется для измерения малых перепадов давления.

Диапазон измерения: 0-3 кг/м³.

Погрешность: 0,01 кг/м³.

Более совершенен и наиболее часто используется плотномер с использованием механических и тепловых эффектов.

Газодинамический плотномер

Принцип действия основан на сообщении потоку кинетической энергии и изменении параметров, связанных с этим эффектом.

Через камеру прокачивается исследуемый газ и получает ускорение от турбины вентиляционного типа, вращаемой синхронным двигателем. Поток газа поступает к приемной турбине и создает на ней вращающий момент:

М_вр=К•щ²?с

Под действием этого момента турбина поворачивается до уравновешивания пружиной. Далее угол преобразуется в унифицированный сигнал. Угол поворота пропорционален плотности ц~с.

Класс точности: 0,5; 1,5.

24. Измерение вязкости: методы, источники погр-ти. Капилярный вискозиметр, в-р с падающим телом

Вязкость - внутреннее трение или св-во текучих тел оказывать сопротивление перемещению слоёв относительно друг друга. Закон вязкого течения описывается функцией Ньютона: F=з*S*dV/dn. F- тангенциальная составляющая или касательная сила, вызывающая сдвиг слоя. Эта сила определяется: площадью слоя, градиентом скорости по нормали з- коэф-нт, связывающий S и dV/Dn- динамическая вязкость. 1/з=ц- текучесть. Кинематическая вязкость м=з/с. Единица измерения вязкости в с-ме СИ яв-ся Па*с; в с-ме СГС-10^-1 ПА*с, её называют пуаз. Единица измерения кинематической вязкости в СИ яв-ся м²/с, 10^-4м²/с=Ст. Си динамической и кинематической вязкости наз вискозиметры.

Капилярный вискозиметр истечения

Основан на истечении ж-сти через капилляр. Эта закономерность описывается законом Пуазейля:

Q=р*(d²/128*з*l)*(P₁-P₂);

Q - объёмный расход;

d,l - параметры капилляра;

P₁,P₂ - давление до и после капилляра.

Если обеспечить подачу ж-сти с постоянным Q, то можно написать уравнение:

P₁-P₂=k*з

Реализуется это выражение с помощью схемы:

Исследуемая ж-сть с помощью насоса, обеспечивающий постоянный объёмный расход, переносится в змеевик для увеличения времени прохождения ж-сти по термостату с маслом и получения постоянной температуры. После этого ж-сть поступает в капилляр, образовавшийся перепад ДР преобразуется в унифицированный сигнал ~ динамической вязкости. Диапазон измерения вязкости (2-1000)*10^-3Па*с.

Вискозиметры с падающим телом

Принцип действия основан на изменении скорости движения шарика под действием сил тяжести и трения в анализируемой ж-сти. Такое движение описывается з-ном Стокса:

,

где V- скорость равномерного падения шарика,

R- радиус шарика.

В технике определяют скорость как время прохождения расстояния и реализуют такое устройство следующего вида:

Анализируемая ж-сть прокачивается по трубке сверху вниз из немагнитного материала. Поток ж-сти поднимается от нижней до верхней сетки. При выключении двигателя, поток останавливается и шар падает в анализируемую ж-сть. С помощью измерителя временных интервалов определяется время, за к-ое шар проходит расстояние l. Блок управления служит для вкл/выкл двигателя. Класс точности 2.

25. Измерение влажности. Виды связи влаги с вещ-вом. Психрометрич. м-д

Концентрация паров хар-ся абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная - массовое или объёмное кол-во водяного пара в единице объёма [кг/м³]*H₂O. Относительная - отношение массы паров в единице объёма мах возможной при этой же температуре, выраженное в %.

Ц = А_абс/А_мах,%.

Обычно относительную влажность определяют по парциальному давлению паров ж-сти в газе и по давлению насыщенных паров ж-сти в газе.

Ц = Р_пар/Р_нас, %.

Психрометры. Метод основан на зависимости интенсивности испарения влаги от влажности газовой среды. Простейшим психрометрическим методом яв-ся метод 2^ух температур: сухого и влажного термометра. 1^ый измеряет температуру воздуха, влажность к-ого измеряется, а 2^ой увлажнён и с его пов-сти постоянно испаряется влага и его температура уменьшается.

...