Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова.

Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова.

Г.Б. Савченко.

ПРИБОРЫ И методы измерений.

Мониторинг.

(курс лекций)

Часть 1.

Санкт-Петербург

Г.

ПРИБОРЫ И методы измерений. мониторинг. (учебное пособие).

В пособии рассмотрены приборы и методы измерений параметров теплотехнических систем, физико-химических параметров, приборы и методы неразрушающего контроля, а также особенности мониторинга сложных технических систем и окружающей среды.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Двигатели летательных аппаратов» и «Инженерная защита окружающей среды».

Введение.

Для объективной оценки состояния окружающей среды (ОС) и сложных технических систем (СТС) недостаточно локальных сведений о каком-либо показателе. Так, при рассмотрении какого-либо конкретного природно-антропогенного комплекса в его структуре мы выделяем как среды обитания, характеризующиеся наличием условий и ресурсов жизни организмов, так и местообитания, в совокупности с населяющими их организмами. При рассмотрении СТС также приходится оценивать различные взаимосвязанные параметры, иногда разной физической природы.

Экологическая оценка природно-антропогенного комплекса предполагает достоверную оценку экологических ситуаций, складывающихся на разных структурных уровнях комплекса в разные периоды времени.

Под экологической ситуацией (обстановкой) мы понимаем непрерывную последовательность состояний окружающей среды, которая отражает совокупность обстоятельств и условий взаимодействия общества и природной среды. Эти обстоятельства взаимодействия всегда определены во времени и локализованы в пространстве. Для достоверного и полного описания экологической ситуации по какому-либо компоненту природно-антропогенного комплекса желательно иметь как можно больше экологической информации.

Экологическая информация понимается как любая информация о состоянии объектов окружающей среды и биосферы, факторах физических воздействий, состоянии здоровья и безопасности людей, условиях жизни людей, состоянии объектов природного и культурного наследия, а так же как информация о планируемой или текущей деятельности, затрагивающей перечисленное, включая подготовку и реализацию политических и административных решений. Получение экологической информации, как правило, немыслимо без выполнения измерений каких-либо параметров (физических величин, оценки уровня химических, радиационных или биологических параметров среды) или использования результатов чьих-либо уже выполненных измерений.

Учитывая, что экологическая оценка представляет собой обобщённую и систематизированную информацию, можно выделить два уровня интеграции экологических данных. Нижний уровень представлен данными по оценке состояния какого-либо компонента природно-антропогенного комплекса - воздушной среды, водных объектов, почвы и т.п. Верхний же уровень представлен совокупностью данных по результатам оценки экологического состояния соответствующих компонентов комплекса, с выделением тех факторов, которые имеют важнейшее и определяющее значение. При этом каждый влияющий (значимый) фактор экологического состояния имеет количественную характеристику и описание конкретных условий взаимодействия (метеорологических, гидрологических, хронологических, биотических и др.).

Именно поэтому в настоящее время широко развиваются методы и средства контроля окружающей среды.

Основные виды вредного воздействия (загрязнения среды), подлежащие контролю – это химическое загрязнение атмосферы, воды и почв, акустическое и радиационное воздействие, а также воздействие физических полей (электромагнитного, электростатического и пр.).

В целом экологический мониторинг может включать наблюдение как за природными объектами, так и за объектами, обусловленными человеческой деятельностью (промышленность, транспорт).

Причиной вредного воздействия может быть как нормальное функционирование объекта, так и аварийная ситуация. В любом случае и для количественного, и для качественного анализа, а также для поддержания заданных технологических процессов требуется проводить приборные измерения.

Конечной целью мониторинга является выявление источников вредного воздействия на среду и выработки мер и решений, позволяющих это воздействие минимизировать.

РАЗДЕЛ I. ИЗМЕРЕНИЯ. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

ГЛАВА 1. Общие сведения о ИЗМЕРЕНИЯХ и средствах измерений.

Понятие об измерении.

Измерением называют познавательный процесс, заключающийся в экспериментальном определении численного соотношения между измеряемой величиной и значением, принятым за единицу измерения.

Q=q*U,

Где Q – измеряемая величина, U – единица измерения, q – числовое соотношение в принятой единице измерений.

Если единица измерения представлена в виде конкретного образца, называемого мерой, то процесс измерения представляет собой эксперимент, при помощи которого производится сравнение измеряемой величины с мерой, как материальным выражением единицы измерения. В ряде случаев исключена возможность непосредственного сравнения измеряемой величины с мерой, и измерение может быть осуществлено только в сравнении с какой – либо другой физической величиной, однозначно связанной с измеряемой.

Классификация измерений.

С точки зрения общих приемов получения результатов измерения, их можно разделить на три вида: прямые, косвенные и совокупные.

Прямые называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опыта. Наибольшее распространение получили следующие методы прямых измерений:

а) метод сравнения с мерой, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями длин — линейкой и т. п.);

б) метод непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (измерений давления пружинным манометром, массы—на циферблатных весах и т. д.);

в) дифференциальный метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой мерой (измерение разности давлений дифференциальным манометром, разности силы токов — логометром и т. д.);

г) нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор доводят до нуля (измерение термо - ЭДС термопары потенциометром и т. п.).

Косвенные измерения - те, результат которых получается на основе опытных данных прямых измерений нескольких величин, связанных с искомой величиной определенным уравнением. (например измерение расхода вещества по перепаду давления.) При косвенных измерениях числовое значение измеряемой величины определяется по формуле

Y=ƒ(x₁,x₂,x₃…x_n)

Где Y – значение искомой величины; ƒ – функциональная зависимость, которая известна заранее; x₁,x₂,x₃…x_n – значения величин, измеряемых прямым способом.

Совокупные - измерения, состоящие из совокупности (ряда) прямых измерений одной или нескольких однородных величин, при этом одно измерение отличается от другого тем, что меняются или условия измерения, или сочетание измеряемых величин.

Кроме того, все измерения можно разделить на лабораторные и технические. Под лабораторными понимаются измерения, при выполнении которых производится учет точности измерений, а под техническими – измерения, для которых заранее принимается определенная точность, достаточная для данной цели.

Средства измерения.

Средство измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие или хранящие одну или несколько единиц физических величин, размеры которых принимаются неизменными в течение известного промежутка времени.

Средства измерения делятся на:

—меры, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера;

— измерительные приборы, представляющие собой устройства, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем;

— измерительные установки, представляющие собой совокупность приборов, преобразователей и других устройств для измерения одной физической величины;

— измерительные системы, представляющие совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенные для выработки, сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки и использования в автоматических системах управления;

— измерительно-вычислительные комплексы (характерно наличие ЭВМ).

По виду получаемой информации измерительные приборы делятся на:

— показывающие, допускающие только отсчитывание показаний;

— цифровые (дискретные), автоматически вырабатывающие дискретные сигналы, показания которых представлены в цифровой форме;

— аналоговые (непрерывные), показания которых являются непрерывной функцией измерений измеряемой величины;

— регистрирующие, в которых предусмотрена регистрация показаний, подразделяются на самопишущие, в которых запись показаний производится в форме диаграммы, и печатающие, в которых производится печатание показаний в цифровой форме.

По способу получения искомой величины измерительные приборы могут быть подразделены на:

— приборы прямого действия, в которых предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении (манометр, амперметр, жидкостный термометр и т. п.);

— приборы сравнения, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно (равноплечные весы, электроизмерительный потенциометр и т. д.);

— интегрирующие приборы, в которых подводимая величина подвергается интегрированию по времени или другой независимой переменной (суммарный счетчик числа оборотов);

— суммирующие приборы, показания которых функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к ним по различным каналам.

Измерительные преобразователи предназначены для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи на расстояние. Они могут быть аналоговыми, цифровыми, или аналогово-цифровыми.

1.6. Показатели качества средств измерения.

Показатели назначения.

Характеризуют свойства продукции, определяющие основные функции, для которых она предназначена, область ее применения. Они делятся на: показатели функциональной и технической эффективности, конструктивные показатели, показатели состава.

К показателям функциональной и технической эффективности средств измерения относятся метрологические характеристики. Их перечень составляется применительно к каждой группе средств измерения. Например: предел допускаемого значения основной погрешности или пределы допускаемых значений ее систематической составляющей, динамические характеристики, класс прибора. К этой группе показателей относятся показатели быстродействия, производительности, уровня автоматизации процесса измерений, максимальная продолжительность непрерывного времени работы.

Конструктивные показатели средств измерения – это границы нормальных рабочих областей измерения влияющих величин и неинформативных параметров входных сигналов (Тос, Ратм, влажность, частота питающей сети), требования к электропитанию, вес, габариты, характеристики прочности.

Показатели состава применяют для оценки качества стандартных образцов состава, свойств веществ и материалов.

Показатели надежности.

Это показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости средств измерений. Безотказность оценивают временем непрерывной работы до отказа. Долговечность – сроком службы или ресурсом. Ремонтопригодность показывает приспособленность средства измерения к предупреждению и обнаружению причин повреждения и проведения ремонта.

Эргономические показатели.

Производят учет свойств человека в процессе измерения. Это уровень шума, освещенность, температуры, которые проявляются от средств измерения.

Эстетические показатели.

Показатели технологичности.

Экологические показатели.

Показатели безопасности.

1.7. Погрешность средств измерения. Классы точности средств измерения.

У средств измерения выделяют комплекс метрологических характеристик, т.е. характеристик, которые необходимы для оценки точности результатов измерений.

Обобщенной метрологической характеристикой средства измерения является класс точности, определяемый пределами допускаемых погрешностей и другими свойствами средств измерений, влияющих на точность результатов измерений.

Классы точности определяются стандартами и техническими условиями, содержащими требования к средствам измерений. Класс точности присваивается средству измерения при разработке. В процессе эксплуатации метрологические характеристики средств измерений ухудшаются, поэтому допускается понижение класса точности средства измерения по итогам проверки и аттестации.

Метрологические характеристики, определяемые классом точности, нормируют следующим образом.

Пределы основной и дополнительной погрешностей выражают в форме приведенных относительных или абсолютных погрешностей. Если погрешность измерения выражают в единицах измеряемой величины, то пределы допускаемых погрешностей выражают в форме абсолютных погрешностей.

Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выражают в единицах измеряемой величины или в делениях шкалы выражают в виде:

Δ=±а, или

Δ=±(а+вх),

где х – значение измеряемой величины, а и в – положительные числа, независящие от х.

Пределы допускаемой приведенной основной погрешности устанавливают по формуле:

γ=Δ100/Х_N=±Р,

Где Х_N – нормирующее значение (часто принимается больший по модулю из пределов измерения прибора), Р – отвлеченное положительное число, Δ – значение предела допускаемой абсолютной основной погрешности.

Пределы допускаемой относительной основной погрешности определяют так:

δ=100Δ/Х=±q%,

Где Δ – предел допускаемой абсолютной основной погрешности, Х – значение измеряемой величины, q – отвлеченное положительное число.

(Р и q выбирают из ряда 1*10ⁿ; 1,5*10ⁿ; 2,5*10ⁿ; 4*10ⁿ; 5*10ⁿ; 6*10ⁿ (n=1;0;-1;-2;…).

Правила оценки погрешностей и примеры обозначения классов точности средств измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Правила оценки погрешностей и обозначение классов точности средств измерений

Пределы погрешности	Формула определения основной погрешности	Предел допускаемой основной погрешности, %	Обозначение класса точности на приборе
Предел допускаемой абсолютной основной погрешности	D=±a D=±(a+bХ)	±a ±(a+bx)	Римскими цифрами L
Предел допускаемой приведенной основной погрешности	g=100D/XN	±P	P
Предел допускаемой относительной основной погрешности	d=100D/X	±q

Очень часто за X_N устанавливают больший по модулю из пределов измерения.

Пример. Вольтметр класса точности 0,5 с верхним пределом измерений 1,5 В показывает в цепи напряжение 0.9В, тогда предел допускаемой относительной погрешности будет равен:

δ=1,5*0,5/0,9=±0,83%

(т.е. Р=0,5; X_N =1,5; Х=0,9; Р=100*Δ/ X_N, отсюда Δ=Р* X_N/100, отсюда δ=Р* X_N100/100*Х).

1.8. Метрологическая надежность средств измерения.

Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя с течением времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам, условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Показатели надежности нормируют для всех изделий.

Особенностью средств измерения, оказывающей влияние на их возможность отказа является нарушение работоспособности изделия. Время наступления отказа – величина случайная.

Метрологические отказы, заключающиеся в потере средством измерения метрологической исправности, наступают в тот момент, когда хотя бы одна из метрологических характеристик превышает установленную для нее норму. Это следствие процессов старения и разрегулировки элементов изделия. Есть два типа отказов – явные отказы функционирования и скрытые метрологические отказы, они обуславливают проведение различных мероприятий по поддержанию работоспособности средств измерения. Для явных отказов – это текущий ремонт, для скрытых – проверка и градуировка. Текущий ремонт выполняется через случайные промежутки времени наступления явных отказов, поверки и градуировки осуществляются периодически, при достижении заранее установленных календарных сроков. Необходимость определения параметров этих видов обслуживания требуют раздельного нормирования надежности по явным и метрологическим отказам.

Стабильность – это неизменность метрологических свойств средства измерения, определяемое его конструкцией и технологией изготовления.

Метрологическая надежность средства измерения зависит от стабильности, начальной точности и пределов допускаемых значений погрешности, а также от принятой системы метрологического обслуживания. Для рабочих средств измерения достаточно оценки метрологической надежности. В паспорт средства измерения вносится показатель метрологической надежности – вероятность работы без метрологических отказов, за время, равное межповерочному интервалу.

Единицы измерения давлений.

Давление – величина, характеризующая интенсивность сил, действующая на какую – либо часть поверхности тела по направлениям, перпендикулярным этой поверхности.

Р=F/S

В системе СИ единица давления Паскаль Па=Н/м².

Барометр - прибор, измеряющий атмосферное давление.

Манометр – прибор, измеряющий избыточное давление. Показывает разность между абсолютным и атмосферным давлением.

Вакуумметр – прибор, измеряющий разряжение (давление ниже атмосферного).

С физической точки зрения давление идеального газа на твердую стенку есть результат столкновения молекул газа со стенкой. Связь между давлением Р, температурой Т и плотностью ρ идеального газа определяется уравнением состояния

Р=ρgRT,

Где R – газовая постоянная.

Давление и температура полностью определяют термодинамическое состояние газа. Зная их можно определить плотность, вязкость, теплопроводность и другие физические величины, прямое измерение которых затруднено или невозможно.

1.2. Классификация приборов измерения давления.

По принципам действия все приборы, предназначенные для измерения давления можно разделить на пять основных групп: жидкостные, пружинные, комбинированные, поршневые и электрические. К группе комбинированных приборов относятся поплавковые, кольцевые, колокольные, т.е. все те приборы, у которых принцип действия носит смешанный характер.

Приборы пружинные и комбинированные выпускаются как механические, так и с электрической передачей показаний на расстояние.

В зависимости от их назначения они все по точности показаний разделяются на классы. Класс точности обозначают числом, которое соответствует величине допустимой погрешности, выражаемой обычно в процентах предельного значения класса прибора.

В зависимости от назначения приборы для измерения давления и разряжения разделяются на эталонные, образцовые и рабочие.

Некоторые возможные схемы манометров показаны в приложении.

1.2.1. Жидкостные приборы.

Жидкостные приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, широко применяют для измерения давления, разряжения и разности давлений. Они просты, дешевы, обладают относительно высокой точностью.

А). U – образный манометр.

Принцип действия этого прибора основан на непосредственном наблюдении разности уровней h рабочей жидкости (применяются ртуть и вода). При использовании стеклянных трубок малого диаметра вода из-за ее капиллярных свойств не применяется, а рабочим телом служит толуол или спирт.

Если одна из трубок манометра соединена с сосудом, где необходимо измерить давление, а другая остается соединенной с атмосферой, то величина измеряемого давления Р может быть определена по формуле

Р=hρ

Где Р – избыточное давление, h – разность уровней рабочей жидкости, ρ – плотность рабочей жидкости.

Если отсчет высоты столба по U – образному манометру проводят невооруженным глазом, то абсолютная погрешность оценивается в 1 мм при измерении высоты столба. Т.к. в U – образном манометре необходимо делать два отсчета, то в этом случае наибольшая абсолютная погрешность может достигать 2 мм. Для увеличения точности отсчета U – образные манометры снабжаются зеркальной шкалой, в этом случае при цене деления 1 мм отсчет высоты столба может быть произведен с погрешностью 0,25 мм. Если учесть, что измерений надо два, то общая погрешность будет не менее 0,5 мм.

Б). Чашечный манометр.

Рис. 2. Чашечный манометр.

Он представляет собой U – образный манометр, у которого одно колено трубки выполнено в виде сосуда с сечением большим, чем у второго колена. Измеряемое давление, действуя на поверхность рабочей жидкости в широком сосуде, заставляет ее подниматься вверх по стеклянной измерительной трубке.

Пусть под действием измеряемого давления жидкость в трубке поднимется на высоту h₁, а в широком сосуде опустится на высоту h₂. Тогда высота столба, соответствующая действительному давлению равна h = h₁+h₂. F₁ и F₂ – площади измерительной и широкой трубок соответственно. F₁h₁=F₂h₂. Сопоставив два равенства получим

h=h₁(1+F₁/F₂)=h₁(1=d²/D²)

где d и D– внутренние диаметры измерительной трубки и широкого сосуда.

Если ρ – плотность рабочей жидкости, то

Р=hρ=h₁ρ(1+d²/D²).

Основным достоинством чашечного манометра является то, что он позволяет проводить только один отсчет, т.к. разностью высот в широком сосуде можно пренебречь, или учесть с помощью введения поправки. Это уменьшит погрешность наполовину. При d=4мм и D=80мм 4²/80²=0,25%. Следовательно, если желательно учесть изменение уровня жидкости в широком сосуде, то измеренную высоту столба жидкости в измерительной трубке надо увеличить на 25%.

В). Грузопоршневой манометр.

Рис. 3. Поршневые манометры.

Поршневые манометры (рис.3) относятся к группе приборов с уравновешиванием силы измеряемого давления силой тяжести. Они обеспечивают высокую точность измерения, широко применяются для поверки и градуировки всех остальных типов манометров.

Давление под поршнем будет равно

,

где Gr – вес грузов; Gn – вес поршня с тарелью; Fв – вертикальная составляющая сил трения; Sn – поперечное сечение поршня.

Поршень и канал подгоняются друг к другу с зазором в несколько микрон. Утечка рабочей жидкости через зазор ничтожно мала. Силы жидкостного трения в зазоре поршневых систем также малы, в большинстве случаев они не зависят от вязкости жидкости, а определяются только давлением, поэтому можно записать:

,

где Sэф – эффективная площадь, SΔ – площадь кольцевого зазора между поршнем и цилиндром. Образцовые грузопоршневые манометры в нормальных условиях эксплуатации обеспечивают измерение давлений с основной допустимой погрешностью от ±0,05 до ±0,2%.

1.2.2. Манометры с упругим элементом.

Общим принципом для этой группы манометров является уравновешивание сил давления среды силой упругости чувствительного элемента прибора. Линейность рабочей характеристики давление – прогиб элемента этих приборов обеспечивается только в пределах упругих деформаций.

А). Манометры с трубчатой пружиной.

Рис. 4. Манометр с трубчатой пружиной.

Трубчатая пружина представляет собой полую трубку овального или эллиптического сечения, согнутую по дуге окружности. Свободный конец пружины запаян и соединен через систему поводков со стрелкой, второй конец пружины впаян в основание манометра с ниппелем. Из измеряемого объема среда попадает в полость пружины, и она под действием давления этой среды раскручивается и через систему поводков поворачивает стрелку. Перемещение свободного конца пружины а, следовательно, и угол поворота стрелки, практически будут пропорциональны созданному в ней давлению.

Явление раскручивания трубчатой пружины можно объяснить, если принять во внимание, что с ростом избыточного давления в трубчатой пружине малая ось эллипса пружины увеличивается в размерах, и если допустить, что длина пружины после деформации не меняется, т.е. длины дуг bа=b₁a₁ и a’b’=a₁’b₁'. Тогда R=ob’, r’=ob, j=b'oa'. Малая ось эллипса х=R – r. После деформации R’=ob’, r’=ob, j’=b₁’oa₁’, x’=R’ – r’, если мы положили, что длина пружины неизменна, то тогда: Rj=R’j’ и rj=r’j’. Вычтем одно из другого (R-r)j=(R’-r’)j’. Т.к. после деформации x’>x, то тогда xj>x’j’ и, следовательно, если x’>x, то j>j’, т.е. с ростом внутреннего избыточного давления в трубчатой пружине она будет раскручиваться: x’=x+Δx и j’=j – Δj.

Xj=(x+Δx)(j - Δj) или Δj=Δxj/(x+Δx)

Изменение угла Δj будет тем больше, чем больше первоначальный угол закрутки пружины j и чем меньше малая ось эллипса пружины х. Трубчатая пружина может использоваться для измерения давления от 0,03 до 10³МПа, сами пружины изготавливают из латуни и стали. Недостаток – в упругом последействии. Конец пружины после снятия нагрузки приходит в начальное положение лишь по прошествии некоторого промежутка времени, а не сразу.

Б). Мембранные манометры.

В качестве упругого элемента используется гофрированная стальная мембрана, зажатая между фланцами. Верхний фланец является частью корпуса манометра, а нижний представляет собой единое целое с ниппелем. Стрелка посредством передаточного механизма соединена с мембраной. Прогиб мембраны мод действием давления очень мал и достигает максимум 1,5-2мм, что делает прибор малочувствительным. Пределы давлений мембранных манометров ограничены в пределах 0,02 – 3 МПа.

Мембранные манометры удобны к применению в тех случаях, когда необходимо измерять давление вязких или агрессивных сред. В последнем случае мембрана изолируется от агрессивной среды за счет покрытия ее нижней стороны фольгой из коррозионностойкого материала.

В). Сильфонные манометры.

В этих приборах в качестве упругого элемента применяется гармошковая пружина (сильфон). Последняя представляет собой гофрированный цилиндр, выдавленный из тонкой металлической трубки. Ход гармошковой пружины практически пропорционален приложенному давлению. Для увеличения силы такой пружины внутрь нее помещают противодействующую винтовую пружину. Вследствие этого измеряемое давление уравновешивается силой упругой деформации гармошковой и винтовой пружин.

Манометры сильфонного типа применяют для измерения давлений от 0,05 до 0,5 МПа.

1.2.3. Электрические манометры.

Основные отличия приборов в этой группе связаны с конструкциями датчиков, в основу принципа работы которых положены различные физические явления. Основные достоинства электрических манометров в том, что они позволяют измерять быстропеременные давления, высокие и сверхвысокие давления, проводить измерения в агрессивных средах, передавать выходной сигнал прибора на значительные расстояния и выдавать измерительную информацию в форме, удобной для хранения и обработки.

А). Пьезоэлектрические датчики.

Рис. 5. Пьезоэлектрический датчик давления.

Действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда кристаллов (в основном используется SiO₂). Эффект заключается в том, что под действием давления кристалл поляризуется, т.е. на его поверхности появляются электростатические заряды, равные по величине и противоположные по знаку. При переходе от сжатия к растяжению и обратно знаки зарядов меняются в соответствии с изменением знака силы.

Схема датчика такова: в корпусе установлены две кварцевые пластины 1, которые обращены друг к другу сторонами с одинаковой полярностью. Они прилегают к контактной металлической пластине 2. Вторые стороны кварцевых пластин прилегают к металлическим опорам 3 и через них замыкаются на корпус. Металлические опоры вместе со столбиком кварца зажимаются между металлической мембраной 4 и гайкой 5. Шарик между опорой и гайкой способствует равномерному распределению давления на поверхности кварца. В нижней гайке имеется канал для подачи давления.

При изменении давления положительный заряд, появляющийся на границах кварцевых пластин, отводится на корпус, а отрицательный заряд снимается контактной пластиной 2 и с помощью провода 6 подается на измерительное устройство.

Пьезокварцевые датчики позволяют измерять давление до 100МПа и выше, широко применяются для измерения быстропеременных давлений. При этом, чем быстрее протекает исследуемый процесс, тем достовернее измерение. Недостатком является малая стойкость к ударным воздействиям и перегрузкам по давлению.

Б). Емкостные датчики давления.

Рис. 6. Емкостной датчик давления.

Здесь давление воспринимается закрепленной мембраной 1 и через соединительный шток 2 передается к рабочей мембране 3. Рабочая мембрана является подвижным электродом емкостного преобразователя малых возмущений. Неподвижный электрод конденсатора 4 закреплен в корпусе датчика.

Емкость плоского конденсатора с воздушным зазором

,

где S – площадь электродов, ε – диэлектрическая проницаемость.

При изменении воздушного зазора на величину Δℓ_В, изменение емкости

Если изменение зазора (прогиб мембраны) много меньше зазора ℓ_В, то , т.е. малые изменения емкости пропорциональны прогибу мембраны. Датчики типа ЕМD предназначены для измерения давлений 0-4*10⁵Па.

В). Индуктивные датчики.

Принцип действия основан на изменении индукции рабочей катушки за счет движения сердечника, связанного с мембраной. Датчики типа DD обеспечивают измерение давления в диапазоне от (5-10)*10⁵ до (2-3)*10⁷ Па, при частоте питания 10 кГц регистрируются без искажения колебания давления до 300 Гц.

Г). Потенциометрические датчики.

Принцип действия основан на изменении выходного сигнала датчика (напряжения), которое меняется за счет подвижных потенциометров. Чувствительным элементом датчика типа MDD является мембранная (анероидная) коробка, образованная двумя мембранами. Избыточное давление подается внутрь мембранных коробок, перемещение жестких центров которых с помощью рычажных систем передается движкам потенциометрических преобразователей, включаемых в мостовую схему. Датчики предназначены для измерения давлений и перепадов неагрессивных газовых сред.

1.2.4. Измерители высоких давлений и разрежений.

Для измерения давлений от 5*10⁷ до (3-4)*10⁹ Па применяются датчики, в основе действия которых лежит изменение омического сопротивления некоторых проводников и полупроводников при их объемном сжатии.

R=R₀(1+jP),

где R₀ – начальное сопротивление; Р – Давление; j – коэффициент, характеризующий чувствительность сопротивления проводника к изменению давления. Постоянное значение j в диапазоне от 0 до 3*10⁹Па имеют манганин (сплав Сu, 13% Mn, 3%Ni), j=2,5*10^-11Па^-1, вольфрам j=1,3*10^-11Па^-1.

Для измерения малых абсолютных давлений могут быть использованы различные явления. Известны вакуумметры, действие которых основаны на изменении вязкости, теплопроводности, степени ионизации и других свойств газа в связи с изменением его давления.

В вязкостных датчиках регистрируются параметры движения твердого тела, подверженного взаимодействию с газом, давление которого меняется (оценка затухания колебаний кварцевой нити или упругой пластины оптическими методами измеряет 10^-3 - 10^-7 мм рт. ст.).

При снижении давления газа увеличивается длина свободного пробега молекул. При соизмеримости длины пробега с геометрическими размерами системы коэффициент конвективной теплопередачи зависит от давления. Этот эффект позволяет измерять давление от 10^-3 до 10 мм рт. ст.

Кроме рассмотренных датчиков и схем, существуют и другие. Часть из них представлены на рисунках в таблице 2.

1.2.5. Особенности измерения давлений в сложных условиях.

Таблица 2

ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Принципиальная схема	пояснения
	Жидкостные манометры а — с вертикальной трубкой б —с наклонной трубкой h — высота столба жидкости Р1,Р2 —давления ρ-плотность S1,S2 — площади сечения α—угол наклона трубки
	Грузопоршневой манометр 1 — штурвал 2 — вспомогательный поршень 3 — калиброванные грузы 4 — поршень 5 — проверяемый манометр
	Механические манометры а — недистанционный манометр; б — мановакуумметр
	Манометр с гидравлической передачей 1 - приемники давления 2 — дистанционная гидравлическая передача 3 — манометрическая трубка
	Манометр с потенциометрическим преобразователем 1 – преобразователь; 2 — двухкатушечный логометр с подвижным магнитом
	Манометр с индуктивным преобразователем 1 — преобразователь; 2 - двухкатушечный логометр с подвижным магнитом
	Манометр с круговым потенциометрическим преобразователем 1 — преобразователь; 2 — четырехкатушечный логометр с подвижным магнитом
	Манометр с силовой компенсацией 1 — рычаг; 2 — преобразователь сигналов; 3 - силовой электромагнит
	Манометр с астатическим уравновешиванием 1 и 2 - индуктивные преобразователи &n 12345678910Следующая ⇒ Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор... Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: