Технические измерения и приборы

Технические измерения и приборы

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Физической величиной называют свойство общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуально для каждого объекта.

Физическая величина, выбираемая для измерения, называется измерительной величиной.

Различают истинное и  действительное значение измеряемой величины. Истинное значение физической величины – это значение, которое идеальным образом отображало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить его всегда трудно (несовершенство конструкций технических средств, методов измерений, способов отображения информации и тому подобное). Действительное значение физической величины – это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

По способу получения  результатов измерений (виду уравнения) различают четыре класса:

1. Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Прямые измерения можно  выразить формулой:

 

                                         У = ƒ (Х)                                           (1.1)

 

где У – искомое значение измеряемой величины;

Х – значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

2. Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми (определенными, найденными) прямым измерениям.

Значение измеряемой величины определяют путем вычисления по формуле:

 

                              У = ƒ (X₁; X₂; … X_j;...X_m)                                       (1.2)

 

где X₁; X₂; … X_j;...X_m – значения величин, измеренных прямым способом;

ƒ – знак функциональной зависимости, форма которой и природа связанных ею величин заранее известны.

3. Совокупными называют производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величины находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин или ряда других величин, функционально связанных с измеряемыми.
4. Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Целью совместного измерения, как правило, является определение функциональной зависимости между величинами.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Давление является одним  из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо 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.

Жидкие и газообразные среды  характеризуются свойствами упругости   – обратимого изменения объема, то есть уменьшения объема среды при сжатии ее под давлением и восстановления исходного объема при снятии этого давления, и текучести – обратимого изменения формы.

Жидкости обладают наиболее меньшими свойствами сжимаемости, чем газы, следовательно, сжимаемость жидкостей не учитывается.

Давление бывает внешним и внутренним.

Внешнее давление Р на поверхность S жидкой или газообразной среды, равное отношению нормальной составляющей суммы сил F, приложенной извне, к площади поверхности S, передается внутрь среды без изменений и равномерно во все стороны.

                                               Р=∑F/S                                                     (2.1)

Внутреннее давление покоящихся жидких и газообразных сред зависит не только от внешнего давления, но и от веса самой среды. Эта зависимость наиболее существенна для жидкостей, обладающих большей плотностью, чем газы. Положение точки измерения относительно горизонтальных плоскостей – поверхностей равного давления – определяет весовую составляющую внутреннего давления – гидростатическое давление. Полное внутреннее давление в движущейся среде, например, горизонтального напорного трубопровода определяется суммой внешнего, гидростатического и гидродинамического давления – скоростного напорного давления, а также потерями давления на трение по всей длине трубы и вихревыми потерями при изменениях величины и направления потока в гидравлических сопротивлениях – коленах, задвижках, диафрагмах. В напорных трубопроводах с энергоносителями измеряется, как правило, статическое давление, которое является разностью полного и динамического давлений; при этом скоростные характеристики потока учитываются в расходомерах и счетчиках при измерениях расхода и количества среды.

Давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рисунок 1):

 

                                                                 

                                                                           

Рисунок 1– Виды  измеряемых давлений физического процесса

 

где Р – давление;

      Р_атм – давление барометрическое;      

     Р_абс – давление абсолютное

      Р_изб – давление избыточное;

      Р_вак – давление вакуумметрическое.

 

1. уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления;
2. уровня атмосферного, или барометрического, давления.

Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (Р_абс). Барометрическое давление (Р_атм) – это абсолютное давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного,  называют соответственно избыточным (Р_изб) или давлением разрежения, вакуумметрическим (Р_вак). При измерении разности давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, такую разность называют дифференциальным давлением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 КЛАССИФИФКАЦИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

По принципу действия:

1. Жидкостные;
2. Поршневые;
3. Деформационные;
4. Электрические.

По виду и величине суммарного давления:

1. Манометры (для измерения положительного давления)
2. Вакуумметры (для измерения отрицательного давления)
3. Мановакуумметры
4. Напоромеры (для измерения очень малых положительных давлений)
5. Тягомеры (для измерения очень малых отрицательных давлений)
6. Тягонапоромеры
7. Дифференциальные манометры (для измерения разности давлений)
8. Барометры (для измерения Р_атм)

 

Таблица 3.1–Соотношение между единицами давления различных систем

 

Переводимые ед. измерения	Единицы измерения, в которые переводятся
	Па (Н/м2)	Кгс/см2	бар	мм рт. ст.	мм. вод. ст.
Па (Н/м2)	1	1·10-5	1	735.	1·104
Кг/см2	105	1	1·10-5	7.5·10-3	0.1
бар	1	1·105	1	750	104
мм рт. ст.	1.36·10-5	133	133·10-5	1	13.6
мм. вод. ст	1·10-4	10	10-6	7.4·10-2	1

 

3.1 Деформационные манометры

Принцип действия деформационных манометров основан на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации чувствительных элементов. Различают три основных формы ЧЭ, получивших распространение в практике измерения: трубчатые пружины, сильфоны (гармониковые пружины) и мембраны (плоские пружины).

Трубчатая пружина представляет собой  упругую криволинейную металлическую полую трубку, один из концов которой (свободный) может перемещаться, и запаян, а другой – жестко закреплен. При подаче во внутреннюю полость трубки избыточного давления трубка раскручивается, а при разряжении – скручивается. Перемещение свободного конца трубки только до определенного предела пропорционально давлению. При дальнейшем повышении давления линейная зависимость нарушается. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещением свободного конца трубки и измеряемым давлением, называется пределом пропорциональности. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерений.

Сильфон (гармониковая пружина) представляет собой тонкостенный цилиндрический стакан с поперечными гофрами.

Мембрана (плоская пружина) представляет собой круглую плоскую или  гофрированную пластину, закрепленную по окружности и способную получить прогиб под действием давления. Статическая характеристика мембран изменяется не линейно с увеличением давления, поэтому в качестве рабочего участка используют не более 10% возможного хода. Гофрированные мембраны применяются при больших прогибах чем, плоские не гофрированные.

3.2 Электрические манометры

Электрические манометры – деформационные манометры, принцип действия которых основан на преобразовании измеряемого давления в электрический параметр, функционально связанный с давлением. Это манометры индуктивные, сопротивления, емкостные, тензорезисторные, пьезоэлектрические и другие.

Индуктивные измерительные преобразователи давления имеют в качестве чувствительного элемента следующую конструкцию (рисунок 2). Мембрана 1 воспринимает измеряемое давление Р. Жесткий диск 2 является подвижным якорем электромагнита 3. Перемещение диска вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента.

 

Рисунок 2– Чувствительный элемент индуктивного преобразователя давления

 

Если пренебречь активным сопротивлением катушки, магнитными потоками рассеяния и потерями в сердечнике, индуктивность преобразовательного элемента можно определить по уравнению:

           ,                                                  (3.1)

 

где n – число витков катушки;

  L_c и r_с – длина и площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;

  d – ширина воздушного зазора;

  m_с m₀ – магнитная проницаемость сердечника и воздуха;

  r – площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода.

Измерение индуктивности L обычно осуществляется мостами переменного тока или резонансными LC -контурами и имеют основную погрешность 0,2 – 5%.

Емкостные измерительные преобразователи давления имеют следующую конструкцию  (рисунок 3)

Рисунок 3– Чувствительный элемент ёмкостного преобразователя давления

 

Измеряемое давление воспринимается металлической мембраной 1, которая является подвижным электродом емкостного преобразовательного элемента. 2– жесткий диск. Неподвижный электрод 3 изолируется от корпуса с помощью кварцевых изоляторов 4. Зависимость емкости преобразовательного элемента от перемещения d мембраны имеет следующий вид:

,                                                  (3.2)

где e – диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродный зазор;

r – площадь электродов

d₀ – расстояние между электродами при давлении равном нулю.

Тензорезисторные измерительные преобразователи давления. Тензорезисторные чувствительные элементы представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану 1, на которой размещаются тензорезисторы 2. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу – изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком (рисунок 4).

Рисунок 4 –Чувствительный элемент тензорезисторного преобразователя давления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Для контроля и управления технологическими процессами широко используются системы дистанционной передачи  информации, которые предназначены для сбора  информации с удаленных от наблюдателя объектов. С помощью этих систем  измерительная информация  может быть передана на расстояние до нескольких десятков километров.

По виду энергии носителя  информации  системы передачи информации подразделяют на электрические, пневматические и гидравлические. В ГСП приняты следующие системы передачи, в которых информация передается в виде унифицированных сигналов: пневматическая, электрическая токовая, электрическая частотная. Реже в практике измерений используются следующие системы передачи информации: реостатная, индуктивная, дифференциально – трансформаторная, ферродинамическая, сельсинная и другие.