Первичные измерительные преобразователи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Контрольная работа

Первичные измерительные преобразователи

по дисциплине

Измерение неэлектрических величин

Выполнил студент Шмырин С.С.

Томск 2013

1. Классификация измерительных преобразователей

Измерительный преобразователь (ИП) -- СИ, предназначенное для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

По расположению в измерительной цепи различают первичные и промежуточные измерительные преобразователи.

Первичный измерительный преобразователь, называемый также датчиком, -- это тот измерительный преобразователь, на который непосредственно действует измеряемая величина. Остальные измерительные преобразователи называют промежуточными. Они расположены после первичного измерительного преобразователя и могут выполнять различные операции преобразования измерительного сигнала.

Как правило, к ним относятся:

* изменение физического рода величины;

* масштабное (линейное или нелинейное) преобразование;

* масштабно-временное преобразование;

* аналого-цифровое преобразование;

* цифро-аналоговое преобразование;

* функциональное преобразование (любые математические операции над значениями величины).

Следует иметь в виду, что указанная классификация достаточно условна. Во-первых, в одном СИ может быть несколько первичных измерительных преобразователей (например, термопара в цепи термоэлектрического термометра). Во-вторых, специфика аналитических измерений также приводит к нарушению указанного принципа классификации.

Аналитические измерения представляют собой преобразование измеряемой величины, являющейся информативным параметром анализируемой среды (информативный параметр -- параметр, несущий информацию о измеряемой величине), и сравнением ее с мерой. Обычно они проводятся с помощью совокупности измерительных преобразователей, включающей следующие виды измерительных преобразователей:

* ИП1: измерительный преобразователь типа состав - состав, обеспечивающие масштабные преобразования анализируемой пробы. Проба характеризуется информативным параметром С(содержанием измеряемого компонента) и комбинацией неинформативных параметров Сн, к которым относятся содержание неопределяемых (мешающих) компонент и термодинамические параметры анализируемой среды. При прохождении через ИП1происходят процессы очистки, сушки, изменения температуры и давления смеси до требуемых величин и, после этих преобразований анализируемой среды, отбор ее требуемого количества. ИП1 обычно называют блоком отбора и подготовки пробы;

* ИП2: измерительный преобразователь типа состав - свойство, обеспечивающие преобразование измеряемой величины С в то или иное физико-химическое свойство, удобное для последующего измерения и регистрации. Во многих случаях это преобразование идет в два этапа: получение промежуточного продукта в жидкой либо твердой фазе с содержанием компонента Ynpом(C), а затем его преобразование в свойство Ф(Ynpом)

* ИП3: измерительный преобразователь типа свойство - выходной сигнал, обеспечивающие преобразование измеряемой величины в выходной измерительный сигнал W. Обычно это преобразование также осуществляется в два этапа: в промежуточный сигнал Wnpом(Ф) и затем в выходной сигнал W(Wnpом). При этом преобразование Wnpом в W-- это преобразование одной электрической величины в другую.

Получив с помощью совокупности измерительных преобразователей выходные сигналы от анализируемого объекта, по калибровочной зависимости производят сравнение измеряемой величины с мерой и вырабатывают оценочные значения С измеряемой величины С. Эта совокупность измерительных преобразователей не укладывается в приведенную классификацию, т. к. измеряемая величина непосредственно воздействует не только на первый измерительный преобразователь измерительной цепи, но и на их совокупность, включающую ИП1, ИП2 и первый преобразователь группы ИП3. При этом только второй преобразователь группы ИП3 является промежуточным. Отсюда следует, что в аналитических приборах роль первичного измерительного преобразователя выполняет совокупность измерительных преобразователей, осуществляющая последовательное, в несколько этапов, преобразование измеряемой величины в измерительный сигнал.

2. Требуется измерить параметры вибрации вибростенда, на котором должен быть размещен датчик. Предложить вариант конструкции. Какое соотношение должно выполняться между частотой вибрации щ и частотой собственных колебаний ИП щ₀? Чем обеспечивается значение щ₀?

1. Устройство и принцип работы

Генератор 1 вырабатывает переменное напряжение с фиксированными частотами 45, 64 и 79,6 Гц. Напряжение генератора поступает на вход усилителя мощности 2, к выходу которого подключена катушка возбуждения электродинамического возбудителя механических колебаний 3. Корпус возбудителя крепится к основанию вибростенда через подвесную систему с жесткостью с и коэффициентом затухания h.



Рисунок 1.

На подвижном столе возбудителя установлен пьезоэлектрический вибродатчик 4, вырабатывающий электрический сигнал, пропорциональный виброускорению. Сигнал с вибродатчика поступает на вход измерительного блока 5. По индикаторам измерительного блока 5 производится отсчет параметров воспроизводимых механических колебаний (размах виброперемещения, среднее квадратическое значение виброскорости, амплитуда виброускорения и частота).

Подвесная система возбудителя предназначена также для уменьшения влияния внешних магнитных помех на погрешность калибровки и для уменьшения передачи колебаний от вибростола на основание. Для передачи колебаний на основании не более 2 % от колебаний вибростола собственная частота подвесной системы выбрана ? 8 Гц. Тем не менее, с целью снижения погрешности поверки виброаппаратуры следует стремиться обеспечить минимальное воздействие местной вибрации на вибростенд.

В вибростенде применена электромеханическая обратная связь по виброускорению и виброскорости, которая позволяет корректировать собственную частоту подвесной системы крепления вибростола к корпусу возбудителя (на рис. эта подвесная система не показана).

2.Подсоединение вибростенда

Вибростенд должен быть соединен с испытуемой конструкцией таким образом, чтобы возбуждающая сила воздействовала только в нужной точке и в нужном направлении. Конструкция должна иметь возможность свободно совершать механические колебания в этой точке с другими пятью степенями свободы без ограничения вращательного или поперечного перемещения. Хорошим способом является соединение вибростенда и датчика силы с помощью тонкого штока (толкателя).

В таком случае обеспечивается высокая жесткость в осевом направлении, но низкая поперечная и вращательная жесткость, что способствует точному определению направления возбуждения. Еще одним достоинством данного метода является то, что толкатель действует как механический предохранитель между конструкцией и вибростендом, защищая их и датчик от перегрузок.

3.Датчики для измерения реакции

При измерениях реакции может учитываться любой параметр движения - перемещение, скорость или ускорение. В качестве датчика лучше всего использовать пьезоэлектрический акселерометр, так как он обладает следующими преимуществами:

* хорошие линейные характеристики

* малая собственная масса (масса датчика может быть менее 1г)

* широкий рабочий динамический диапазон (160дБ)

* широкий рабочий частотный диапазон (от 0,2 Гц до более 10 кГц с отклонением от линейности менее 5%)

* прочная и простая конструкция (акселерометры некоторых типов могут выдержать ударные нагрузки свыше 200000м/с²)

* высокая стойкость в отношении неблагоприятных окружающих условий (особенно акселерометры марки Delta Shear1"; фирмы Брюль и Къер)

* малая поперечная чувствительность

* возможность применения простых методов крепления.

Скорость и перемещение могут быть получены путем электрического интегрирования пропорционально ускорению сигнала, с помощью снабженного интеграторами усилителя-формирователя сигнала. Или с помощью устройств для последующей обработки данных, имеющихся в анализаторе.

4.Крепление датчика

Для обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик акселерометра наилучшим методом его крепления является применение стальной шпильки с резьбой. Допуски для монтажных поверхностей и рекомендуемые установочные моменты обычно указываются изготовителями акселерометров. Этот метод не всегда является удобным, возможным или рациональным. Хорошие результаты могут быть получены при креплении с помощью магнита или тонкого слоя пчелиного воска, накладываемого на основание акселерометра перед тем, как он прочно прижимается к конструкции. Такие методы крепления могут привести к сужению полезного частотного диапазона акселерометра, но это редко когда приводит к возникновению проблем при анализе мод колебаний. При испытаниях, в результате которых необходимо получить формы мод в масштабе, измерения должны быть проведены в точке приложения силы. При этом возникает проблема, как провести возбуждение конструкции и измерение реакции в одной и той же точке и в том же направлении. В случае крупных конструкций измерения обычно могут быть проведены без возникновения каких-либо значительных ошибок путем приложения силы возбуждения вблизи датчика. На небольших конструкциях часто бывает возможным приложить силу и датчики для замера в точке приложения силы, но на противоположной стороне конструкции. Возможным вариантом является применение импедансной головки, которая содержит в общем корпусе датчик силы и акселерометр.

5.Обусловливаемая датчиками нагрузка испытуемых объектов

После выбора датчиков следует принять во внимание механические нагрузки, обусловливаемые закрепленными датчиками. Влияние нагрузки может проявляться в виде изменения массы, жесткости и/или затухания.

Наиболее заметное влияние оказывается вследствие нагрузочной массы, обусловливающей уменьшение частот резонансов исследуемых конструкций. Динамическая нагрузка, вызванная установкой акселерометра, зависит от локальных динамических свойств конструкции. Динамическая масса и вызванный ею сдвиг частоты пропорциональны квадрату локального модального перемещения соответствующей моды колебаний.

Эмпирическое правило говорит о необходимости применения легких датчиков на легких конструкциях для снижения до минимума нагрузки. Осторожность следует соблюдать также при испытаниях тяжелых конструкций, так как даже акселерометр с малой массой (20 г) может значительно изменить локальный резонанс.

Рисунок 2

Следует рассмотреть также влияние добавочной жесткости и затухания на монтажной поверхности вследствие изгиба или трения. Опять действует правило, что при работе в области высоких частот следует использовать небольшие датчики и методы крепления, требующие минимальной площади механического контакта.

3. Какие измерительные преобразователя по-своему принципу действия работают только в динамическом режиме?

Динамический конденсатор, или емкостной вибрационный преобразователь

Применяется для измерения мало меняющихся во времени малых токов или напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением.

Неподвижные электроды 1 и 2 укреплены на изоляторах 3 (рис. 3.4). Мембрана 4 служит подвижным электродом. К электроду 1 через резистор R₁ подводится измеряемое напряжение U_х. К электроду 2 подводится возбуждающее напряжение U_?, под действием которого между электродами 2 и мембраной 4 возникает электростатическая сила.

Рисунок 3. Конструкция динамического конденсатора

Достоинства: простота, дешевизна. Недостатки: дрейф напряжения между электродами конденсатора

Принцип постоянного перепада давлений (динамический)

Принцип хорошо просматривается в ротаметре - расходомере, состоящем из конической трубки и поплавка, перемещающемся вверх под действием потока. Принцип рассмотрен на рисунке 4. По мере подъема поплавка кольцевой зазор между расходомером и внутренней поверхностью трубки увеличивается до тех пор, пока подъемная сила, действующая на поплавок, не уравновешивает его вес:

Vпgсп = Vпgсс + cSпссн2 /2, (14)

Где Vп - объем поплавка;

сп и сс - соответственно плотность поплавка и среды;

н - скорость потока на поверхности поплавка;

Sп - максимальная площадь сечения поплавка;

с - коэффициент сопротивления, зависящий от геометрических размеров измерительного устройства и числа Рейнольдса .

Рисунок 4. Схема ротаметра

Поплавок имеет спиральную нарезку, благодаря которой он вращается в потоке жидкости, что уменьшает трение и центрирует поплавок по оси конической трубы.

Достоинствами являются простота конструкции, дешевизна, не возникают потери давления в трубопроводе. В приборах возникают погрешности градуировки и возможность изменения свойств вещества - плотности, вязкости. Суммарная погрешность 1 - 1,65 %.

Другой разновидностью является тахометрический принцип, основанный на преобразовании расхода жидкости или газа в скорость вращательного или возвратно-поступательного движения различных тел (турбинка, поршень, шарик). Обычно турбинный расходомер состоит из турбинки, установленной в поток, и индукционного или индуктивного, ионизационного, оптоэлектронного преобразователя частоты вращения турбинки в электрический сигнал. Основные погрешности возникают от нестабильности трения в подшипниках и изменения вязкости среды.

При измерении малых расходов возникает погрешность за счет тормозного момента, который имеет место в случае использования электромагнитных (индукционных, индуктивных) преобразователей скорости. Тормозной момент исключается применением радиоактивных, фотоэлектрических или емкостных преобразователей.

Существует также вибрационный принцип, основанный на зависимости параметров (частота и амплитуда колебаний, коэффициент успокоения) механического трубчатого резонатора от массового расхода проходящего через резонатор потока. Трубчатый резонатор работает в режиме свободных колебаний или в режиме автоколебаний.

4. Требуется измерить перемещение от 10^-3 мм до 10 мм. Какие электромагнитные ИП (схематично изобразить конструкционные варианты) смогут перекрыть этот диапазон?

Из всех, электромагнитных ИП которые, смогли бы измерить заданное перещение, подходит индуктивный преобразователь. На (рисунок. 5а) изображен наиболее распространенный преобразователь с малым воздушным зазором д,который изменяется под действием измеряемой величины Р. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором составляет 0,01-10 мм. В этих преобразователях могут быть использованы ферритовые элементы 2, выпускаемые промышленностью, для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента 2, стенки которого сошлифовываются.

Одним из основных достоинств инду4ктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1-5 В·A), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления. Лишь при малогабаритных преобразователях приходиться прибегать к включению усилителя.

Рисунок 5.

В практике индуктивные преобразователи всегда выполняются дифференциальными. На рисунке 6а, показана схематическая конструкция преобразователя для измерения малых перемещений, на рисунке 6б- для измерения больших перемещений. В том и в другом преобразователе происходит перемещение сердечника 1 и при перемещении в направлении стрелки - увеличение сопротивления Z₂ и уменьшение сопротивления Z₁. Наиболее распространенной измерительной цепью является неравновесный, измерительный мост, в два плеча которого включены две половины дифференциального преобразователя.

Рисунок 6

5. Привести сравнительный анализ терморезисторов разных видов

Для измерения температур используются терморезисторы из материалов, обладающих высокостабильным ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до плюс 650°С выражается соотношением

R_И=R₀(1+AИ+BИ²)

R₀- сопротивление при 0°С

И- температура, °С

Промышленные платиновые термометры согласно ГОСТ6651-78 используются в диапазоне от минус 260 до плюс 1100°С.

Миниатюрные высооомные платиновые терморезисторы изготовляют путем выжигания или нанесения иным путем платиновой пленки на керамическое основание 1-2 мм. При ширине пленки 0,1-0,2 мм и длине 5-10мм сопротивление терморезистора лежит в пределах 200-500 Ом. Такого рода термочувствительные элементы при нанесении пленки с обеих сторон используются для измерения температурного градиента и имеют порог чувствительности (1-5)·10^-5 К/м.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне температур от минус 50 до плюс 1800°С можно пользоваться формулой

R_И=R₀ +(1+бИ), где

б=4,26·10^-3 К^-1

R₀- сопротивление при 0°С/

Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление R_И(при температуре И₂) по известному сопротивлению R_И1(при температуре И₁), то следует пользоваться формулой

R_И2=R_И1(1+бИ₂) /(1+бИ₁)

Медный терморезистор можно применять только до температуры 200°С в атмосфере, свободной от влажности и коррозирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен минус 200°С, хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до минус 260°С.

6. Предложить ИП, для измерений сил, давлений

Измерительные преобразователи для измерений сил

Для измерения сил используют различные физические эффекты, для которых характерна определенная зависимость между силой и упругой величиной, например деформацией (относительной или абсолютной), давлением, магнитострикцией и т.д. Наиболее распространенным методом измерения силы является использование упругой деформации пружинных элементов (например, пружинные весы).

Деформацию чаще всего измеряют электрическими, оптическими или механическими методами. В зависимости от выбранного метода и диапазона измерения деформируемый чувствительн7ый элемент (воспринимающий деформацию) выполняют таким образом. Что деформация воспроизводиться в виде растяжения или сжатия, т.е. изменение начальной длины. Упругий элемент совместно с приданными ему элементами, выполняющими функции преобразования, защитным корпусом и т.д. образует преобразователь силы (динамометр). измерительный преобразователь вибростенд датчик

Механические динамометры

Применяются преимущественно для единичных измерений в особо суровых условиях эксплуатации, а также там, где допустима сравнительно небольшая точность.

Гидравлические динамометры

Используются для измерений со средней точностью в тяжелых условиях эксплуатации. В качестве показывающих приборов в них применяют измерители давления с трубкой Бурдона. Их, как правило, монтируют непосредственно на динамометре, в случае надобности они могут быть соединены с динамометром капиллярной трубкой длиной в несколько метров. Такие измерительные устройства допускают подключение самопищущих приборов.

Электрические динамометры

Среди динамометров наибольшее значение, в том числе, в качестве датчиков веса, имеют электрические динамометры.

Различаются:

· тензорезисторные динамометры (характеризуются высокой точностью измерения, имеют необычайно широкий диапазон измерения от 5 Н до более чем 10МН. Выпекаются погрешностью меньше 0,03% и даже 0,01%.)

· индуктивные динамометры (характеризуются большим измерительным сигналом, и поэтому их охотно используют в лабораторной и испытательной практике для статистических и динамических измерений. Выпускаются классом точности от 0,2 до 1%).

· магнитоупругие динамометры (может быть выполнен в виде катушки с замкнутым сердечником из магнитомягкого материала. Эти динамометры предназначены для грубых квазистатических промышленных измерений. Класс точности от 0,1 до 0,2%).

· Пьезоэлектрические динамометры (применяют для измерения динамических и квазистатических сил, они не пригодны для измерения статических сил. Чувствительными элементами в них являются пластинки из пьезокварца. Выпускаются классом точности 1%.)

· Струнные динамометры (в струнных динамометрах применяются струнный тензометр. Они служат для измерения как растягивающих, так и сжимающих сил в диапазоне нагрузок от 200 Н до 5 МН. Класс точности лежит в пределах 1%.Используются преимущественно для измерения статистических сил и динамических не более 25 Гц.

Измерительные преобразователи для измерения давления

Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определения расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологических целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, используемых на предприятии.

Преобразователи давления - это аналоговые или электронные устройства, основной функцией которых является постоянное и непрерывное преобразование физического показателя давления в унифицированный выходной сигнал электрического тока. В основном прибор используется для таких типов давления, как абсолютное или избыточное давление, давление разрежения, гидростатического давления, а также для измерения разности давлений для нейтральной и агрессивной среды.

Преобразователи давления в основном используются в промышленности на автоматизированном производстве, для постоянного автоматического контроля и регулирования давления различных жидкостей и газов, необходимых для нормальной работы, а также для передачи сигнала о состоянии того или иного газа (или жидкости) в центр автоматической системы управления.

Данные приборы остро необходимы даже в таких опасных отраслях промышленности, как взрывоопасная нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности, и в энергетике (в атомных электростанциях).

Преобразователи давления выпускаются для измерения относительного (избыточного) или абсолютного давления. Разница - относительное не учитывает давление атмосферы. То есть в помещении, на улице, в баке без давления он будет показывать 0 бар. Абсолютное давление - в таких же условиях будет показывать 1 атмосферу. Наиболее часто используются преобразователи давления для измерения относительного давления.

Преобразователи давления очень просты в конструктивном исполнении, следствием чего и является их надежность, точность измеряемых показаний и дешевизна. Датчик представляет собой единую конструкцию, состоящую из первичного мембранного тензопреобразователя давления 1 (тензопреобразователя) и электронного блока 2. Измеряемое давление воздействует непосредственно через мембрану на тензопреобразователь.

Электрический сигнал тензопреобразователя передается в электронный блок, в котором он преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал.

Рисунок 7

Рекомендации по выбору оборудования для измерения давления

1. Выбор первичных (измерительных преобразователей давления или цифровых манометров с унифицированным электрическим сигналом) средств измерения давления и вторичных средств АСУ ТП или АСКУЭ предприятия должен производиться не случайным, фрагментарным, а системным образом в рамках единого и полного проекта, учитывающего как существующее, ранее смонтированное оборудование, так и установку нового.

2. Выбор первичных средств измерения давления должен осуществляться в зависимости от их применения для коммерческого или технического учета энергоносителей, а также от их использования для измерения давления в расчетных или технологических целях. В случае коммерческого учета следует выбирать приборы более высокого класса по точности, надежности и стабильности, чем в случае технического и тем более технологического контроля.

3. Выбор или модернизация первичных средств измерения давления должен обязательно выполняться с учетом их совместимости (информационной, электрической, сетевой) с устройствами среднего уровня АСУ ТП или контроллерами, многофункциональными преобразователями.

4. Выбор первичных средств измерения давления должен производиться с учетом соответствия их характеристик конкретным задачам, условиям и особенностям эксплуатации (вид среды, предполагаемый диапазон давления и температуры, требуемая точность, наличие дестабилизирующих факторов, необходимый тип выходного сигнала и т.п.). Следует особое внимание уделять анализу характеристик надёжности и помнить, что самый дорогой путь - это выбор устройства по минимальной стоимости.

5. Монтаж первичных средств измерения давления должен производиться с учетом всех дестабилизирующих факторов и с использованием, если необходимо, дополнительных средств: вентильных блоков, разделителей мембранных, сосудов уравнительных, соединительных трубок и т.д.

7. Что такое оптроны? Привести схематические варианты оптронов для измерения двух, каких либо неэлектрических величин.

Оптрон представляет собой комбинацию миниатюрного источника света и приемника излучения. Между элементами оптронной пары отсутствует электрическая связь, а преобразование входного сигнала в выходной происходит по схеме: электрический сигнал - оптический сигнал- электрический сигнал.

Пространство между светодиодом и фотоприемником залито прозрачным компаундом.

Основные свойства оптрона: практически полная электрическая развязка входных и выходных цепей, высокая электрическая прочность (104--105 в), однонаправленность потока информации, отсутствие обратной реакции приёмника на излучатель, широкая полоса пропускания (начиная от постоянного тока), большой срок службы, малые габариты и масса. Оптроны получили широкое применение как элементы схем измерительных приборов, позволяющие осуществить гальваническую развязку цепей.

Список использованных источников

1. Ю. Р. Носов, С.В. Свечников., Элементы оптоэлектроники, М., 1971.

2. Вибростенд переносной. Руководство по эксплуатации

3. Оле Дэссинг, БрюльиКъер. Испытания конструкций Часть 1. Измерения механической подвижности

4. Левшина Е.С. Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи.

5.Справочник по ред. П Профоса. Способы измерения и аппаратуры, М., 1990

6. Ж.Аж с соавторами. Датчики измерительных систем, перевод с французского под ред.канд.физ.-мат.наук А.С.Обухова

7 Николаева Е.В. Физические основы получения информации: Измерительные преобразователи. Принципы измерения физических величин: учеб. пособие/ Е.В. Николаева, В.В. Макаров. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.- 96с.

Размещено на Allbest.ru