Электрические измерения неэлектрических величин

           Министерство образования  и   науки  Российской федерации

 

                       Федеральное агентство по образованию 

                 Государственное образовательное учреждение

                        высшего профессионального образования   

       «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 

                                  Транспортный факультет 

     Кафедра « Метрология, стандартизация и сертификация » 
 

                                           РЕФЕРАТ 

по дисциплине «Физические основы измерений»

Электрические измерения неэлектрических величин, на примере давления 

           

                       

                                  ГОУ ОГУ 200503 8010 03Р 

                                                                 

                                                                

                                                                          Руководитель работы

                                           ______________Третьяк Л.Н

                                           «____» ____________ 2011 г. 

                                                                          Исполнитель

                                                                        студент гр. 09СС

                                           _______________Борисов А.П

                                                                        

                                                                         «____» ____________ 2011 г. 

Оренбург 2011

 

       

                                 Аннотация                                                                               

 
 

        В данном реферате  отражены методы и средства измерения неэлектрических величин на примере массы, объема и плотности  . В данной теме имеются таблицы, рисунки. Применение различных способов измерения и их характеристика

                                         Содержание Введение…………………………………………………………………………….4

1 Основные понятия и определения…………………........................................5

2 Классификация измерительных преобразований ……..…………………….6

3 Жидкостные манометры…………………………………………………………7

4 Деформационные  манометры. …………………..………………………………9

5 Методы косвенных  измерений давления……………………………………….11

Заключение…………………………………………………………………………14

Список использованных источников …………….…………….…………….…..16 
 
 
 
 
 

                                       Введение

 
 

         Почти 70 % всех измерений, выполняемых в науке, промышленности и сельском хозяйстве, связаны с измерениями давления, расхода, количества и уровня веществ.

       Давление  и расход являются основными рабочими параметрами, точность и надежность измерения которых определяет ценность результатов экспериментальных исследований в гидро- и газодинамике; качество технологических процессов в химической, пищевой и бумажной промышленности; оптимальные режимы работы объектов в ракетной технике и авиации, энергетике и транспорте; эффективность систем добычи и переработки нефти и нефтепродуктов.

       Точные  измерения количества и уровня веществ лежат в основе учета и планирования продукции, определяют рациональные режимы транспортирования и распределения нефти и нефтепродуктов, необходимы для дальнейшего развития химической и топливной промышленности.

 

       

1 Основные понятия и определения 

       

          Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к

поверхности силы на площадь этой поверхности 

            Абсолютное давление — давление, значение которого при измерении 

отсчитывается от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздушной 

оболочки  Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением. 

         Избыточное давление — разность давлений, одно из которых, принятое за 

начало  отсчета, является абсолютным давлением  окружающей среды. В 

большинстве случаев абсолютное давление окружающей среды — это 

атмосферное давление в месте измерений. 

            Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для  

Измерения давления или разности давлений с непосредственным отсчетом их  

значения. 

          Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный 

преобразователь, выходной сигнал которого функционально  связан с из 

меряемым  давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика 

вторичными  приборами преобразуется в показания  значения давления или 

поступает в различные системы управления и регулирования.

              В соответствии с видами измеряемого давления применяют следующие виды средств измерения давления:

              Манометр абсолютного давления — манометр для измерения абсолютного давления;

              Барометр — манометр для измерения атмосферного давления;

             Манометр избыточного давления — манометр для измерения положительного избыточного давления,

               Вакуумметр* - манометр для измерения отрицательного избыточ ного давления:

                Мановакуумметр — манометр для измерения как положительного, так и отрицательного избыточного давления;

               Дифференциальный манометр (дифманометр) — манометр для измерения разности двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давления;

                Микроманометр — дифференциальный манометр для измерения малых разностей двух давлений, каждое из которых существенно больше их разности. 
 

       2 Классификация измерительных преобразований 

      Существующие преобразователи электрических величин в неэлектрические основаны на различных физических явлениях. Одним из основных классификационных признаков является физический принцип, построены в основу построения преобразователей.

      Потенциометрические (реостатные) преобразователи. В основу их построения заложено преобразование измеряемой физической величины в изменение омического сопротивления. При этом измеряемая механическая величина предварительно преобразуется в линейное или угловое перемещение.

      Электромагнитные преобразователи. К этой группе относятся преобразователи, использующие взаимодействие магнитных потоков, создаваемых протекающим по контурам электрическим током. В свою очередь электромагнитные преобразователи подразделяются на:

     индуктивные;

     трансформаторные (взаимоиндуктивные);

     индукционные.

     Тензорезисторные (тензометрические) преобразователи. В основе их работы лежит явление тензоэффекта, сущность которого состоит в изменении активного сопротивления проводника (тензорезистора) при его механической деформации.

     Термоэлектрические преобразователи. Основаны на явлении возникновения термозависимой ЭДС в спаянных или сваренных разнородных проводниках (электродах).

     Механотронные преобразователи - электронный преобразователь механических величин в электрический сигнал 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       

           3 Жидкостные манометры 

           

           Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а

особую актуальность приобрели с развитием городов и появлением в них

различного  вида производств. При этом все более  актуальной становилась 

проблема  измерения давления воды, т. е. напора, необходимого не только для

обеспечения подачи воды через систему водоснабжения, но и для приведения

в действие различных механизмов. Честь первооткрывателя принадлежит

крупнейшему итальянскому художнику и ученому Леонардо да Винчи (1452-

1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения

давления  воды в трубопроводах. К сожалению, его труд „О движении и

измерении воды" был опубликован лишь в XIX веке. Поэтому принято

считать, что впервые жидкостный манометр был создан в 1643 г.

итальянскими учеными Торричелли и Вивиаии, учениками Галилео Галилея,

которые при исследовании свойств ртути, помещенной в трубку обнаружили

существование атмосферного давления. Так появился ртутный барометр. В

течение последующих 10—15 лет во Франции (Б. Паскаль и Р. Декарт) и

Германии (О. Герике) были созданы различные разновидности жидкостных

барометров, в том числе и с водяным  заполнением. В 1652 г. О. Герике

продемонстрировал весомость атмосферы эффектным опытом с откачанными

полушариями, которые не могли разъединить две упряжки лошадей

(знаменитые  „магдебургские полушария").

             Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемы;: до настоящего времени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной технике, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удельный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, вероятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях).

              В зависимости от вида измеряемого давления, диапазона и точности измерений существенно отличаются конструкции жидкостных манометров. К числу простейших жидкостных манометров относятся U-образные манометры

Двухтрубный мановакуумметр типа MB состоит из стеклянной U-образной трубки, закрепленной на основании скобами. Уровни жидкости (дистиллированная вода или ртуть) отсчитываются по шкале , отградуированной в мм. При отсутствии разности давлений в обеих трубках уровни жидкости располагаются вблизи нулевой отметки. Манометр достаточно универсален и позволяет измерять как положительное и отрицательное избыточные давления, так и разность давлений. Мановакуумметры типа MB при их заполнении водой выпускаются на диапазоны измерений от 0-10 гПа (0—100 мм вод. ст.) до 0—100 гПа (0—1000 мм вод. ст.). Погрешность измерений при температуре (20±5)°С составляет ±0,2 гПа (±2 мм вод. ст.).

В двухтрубном манометре абсолютного давления типа AМ в отличие от предыдущего левое колено стеклянной трубки б запаяно, а правое стеклянным краном 4 подключается к ниппелям 5 для соединения с откачивающим устройством и измеряемым абсолютным давлением. Стеклянная трубка, заполненная ртутью 3, с краном и присоединительными ниппелями скобами 2 закреплена на основании 1, а шкала 7 смонтирована на держателе 8, который может смещаться относительно основания при регулировке нулевого положения. U-образная трубка перед заполнением ртутью откачивается, что обеспечивает в ее запаянном конце достаточно полный вакуум. Манометры типа AM выпускаются с диапазонами измерений 0-130 гПа (0-100 мм рт.ст.) и 0—210 гПа (0-160 мм рт.ст.) при погрешности измерений ±2 гПа (± 1,5 мм рт. ст.).

             Очень часто к жидкостным манометрам относят приборы, измерительная система которых хотя и содержит в качестве одного из элементов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкостных манометров. К таким приборам относится дифференциальный манометр типа „кольцевые весы"состоящий из тороидального корпуса, внутренняя полость которого в верхней части разделена перегородкой, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью . Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые через гибкие шланги подаются измеряемые давления. Корпус может поворачиваться относительно опоры, расположенной в его геометрическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес.

              По мере развития науки и техники и дальнейшего совершенствования деформационных манометров и измерительных преобразователей давления различных типов применение жидкостных манометров при технических измерениях в народном хозяйстве страны будет все более и более ограничиваться. Однако благодаря фундаментальности принципа действия и высокой стабильности показаний жидкостных манометров во времени перспективность их применения в качестве образцовых и эталонных приборов в барометрии (до 100—150 кПа) и в микроманометрии (до 2,5—4 кПа) не вызывает сомнений.

               В первую очередь, развитие жидкостных манометров будет идти в направлении повышения точности, автоматизации процесса измерений и введения поправок в показания приборов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

          

           

          4 Деформационные манометры 

           По мере развития промышленности, особенно в связи с появлением паровых машин и железных дорог, потребовались более удобные, чем жидкостные манометры приборы.

           Первый деформационный манометр с трубчатым чувствительным элементом был изобретен случайно. Рабочий, при изготовлении змеевика для дистилляционного аппарата, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстановить форму трубки, один конец ее заглушили, а в другой конец насосом дали давление воды. При этом часть трубки с деформированным сечением приняла цилиндрическую форму, а спираль на этом участке разогнулась. Этот эффект был использован немецким инженером Шинцем, который в 1845 г. применил трубчатый чувствительный элемент для измерения давления. Эту дату и принято считать днем рождения деформационных манометров, хотя идея создания деформационного барометра - анероида еще в 1702 г. была предложена немецким философом и математиком Лейбницем (1646—1716 гг.), а патент на него получен Види в 1844 г. Промышленное производство трубчатых деформационных манометров было организовано французским фабрикантом Бурдоном, получившим в 1849 г. патент на изобретение одновитковой трубчатой пружины, именем которого она до сих пор часто называется („Бурдоновская трубка"). В 1850 г. Примавези и Шеффер изобрели мембранный манометр, а несколько позже в 1881 г. Клейманом получен патент на сильфонный манометр.

           Простота и компактность деформационных манометров, возможность их применения в различных условиях эксплуатации очень быстро поставили их на первое место в технике измерения давления практически во всех отраслях народного хозяйства.

           Диапазон измерений деформационных манометров охватывает почти 10 порядков, простираясь от 10 Па (1 мм вод.ст.) до 1-2 ГПа (более 10000 кгс/см²). При этом достигается высокая точность измерений, в отдельных случаях погрешности измерений не превышают 0,02—0,05 %.

            Принципиальное отличие деформационных манометров от жидкостных и поршневых состоит в применении упругого чувствительного элемента (УЧЭ) в качестве первичного преобразователя давления. Чувствительный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая оболочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напряжения, уравновешивающие действующее на нее давление.

Понятие „деформационный  манометр" в общем виде может  быть сформулировано следующим образом. Деформационный манометр — манометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую оболочку УЧЭ, уравновешивается напряжениями, которые возникают в материале упругой оболочки. Таким образом УЧЭ преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую измерительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно выбрать в качестве выходной величины в зависимости от принципа действия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления.

             Выбор того или иного выходного сигнала УЧЭ определяет способы его дальнейшего преобразования для получения результатов измерения давления, а следовательно, и принцип действия деформационного манометра.

             Исторически первыми получили развитие деформационные манометры, в которых мерой давления является деформация УЧЭ (перемещение заданной точки его упругой оболочки). Эти манометры широко применяются и в настоящее время благодаря относительной простоте преобразования перемещения в информацию об измеряемом давлении. Вместе с тем, широкое распространение получили деформационные манометры, основанные на непосредственном преобразовании в информацию об измеряемом давлении напряжений (методы прямого преобразования), а также способы силовой компенсации измеряемого давления (методы уравновешивания). Однако во всех случаях применяются одни и те же типы УЧЭ. Основные типы УЧЭ: мембраны, мембранные коробки, сильфоны и трубчатые пружины.

              В связи с широким внедрением ЭВМ в системы контроля, регулирования и управления производственными и технологическими процессами . наметилась тенденция разработки совместных с ними миниатюрных микропроцессорных аналого-цифровых преобразователей, встроенных в полупроводниковые датчики (например, датчик ST-3000 с погрешностью 0,1 %, разработанный американской фирмой „Honeuwell". Однако указанное не исключает дальнейшее развитие современных относительно дешевых полупроводниковых датчиков. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

               5 Методы косвенных измерений давления 
 

               В отличие от методов прямых измерений давления, на которых основаны рассмотренные ранее жидкостные, поршневые и деформационные манометры, методы косвенных базируются на измерении физических величин (температуре, объеме), значения которых связаны с давлением известными физическими закономерностями, или на изменении физических свойств измеряемой среды под действием давления (теплопроводности, вязкости, электропроводности и пр.). Косвенные методы, как правило, находят применение в тех случаях, когда прямые методы измерения давления трудно осуществимы, например, при измерении весьма малых давлений (вакуумные измерения) или при измерениях сверхвысоких давлений. Указанные области техники измерения давления в силу своей специфики выходят за рамки данной книги, поэтому целесообразно ограничиться кратким рассмотрением косвенных методов, нашедших применение при измерении давления.

            Для определения давления находят также применение методы, основанные на зависимости от давления различных физических свойств жидкостей и газов и протекающих в них процессах. При этом были использованы результаты исследований влияния давления на плотность и вязкость, диэлектрическую проницаемость, скорость распространения ультразвука, теплопроводность и другие свойства измеряемой среды.

            В области высоких и средних давлений указанные методы широкого распространения не получили в связи с их относительной сложностью и трудоемкостью по сравнению с другими методами (применение манганинового манометра сопротивления в области высоких давлений, прямые методы измерений в области средних давлений).

             В области вакуумных измерений указанные методы применяются практически    повсеместно. Зависимость теплопроводности разреженного газа от давления используется в тепловых и термопарных манометрах; зависимость тока положительных ионов от измеряемого давления — в ионизационных манометрах. Используется также зависимость от давления вязкости газа, кинетической энергии молекул, концентрации молекул и пр.

Наибольшее распространение  в вакуумной технике (около 70 %) получили термопарные и ионизационные  манометры.

Термопарный манометр так же, как и тепловой, основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Манометр содержит стеклянную или металлическую колбу 3, в которой помещены нагреватель 1 и впаянная в него термопара 2. Нагреватель питается от источника переменного тока, и его температура, а следовательно, и температура термопары, определяется теплоотдачей в окружающий разреженный газ. Чем меньше давление газа, тем меньше его теплопроводность и тем больше температура, а следовательно, ЭДС на выходе термопары, которая и является мерой измеряемого давления. Шкала прибора 4 для измерения ЭДС градуируется, как правило, в единицах давления. Данный принцип наиболее эффективен при давлениях от 0,1 до 100 Па. При давлениях, меньших 0,1 Па, все большая доля тепла передается излучением, а при давлениях, больших 100 Па, увеличение теплопроводности газа резко замедляется. В обоих случаях существенно уменьшается чувствительность прибора. Погрешность измерений составляет 10-30 %. На градуировочную характеристику существенно влияет состав газа. Поэтому для уточнения показаний термопарного манометра необходима индивидуальная градуировка.

           Принцип действия ионизационного манометра основан на зависимости от давления тока положительных ионов, образованных в результате ионизации разреженного газа. Ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим или магнитным полями, а также посредством излучения радиоизотопов. При одном и том же количестве электронов, пролетающих через газ, или постоянной мощности излучения степень ионизации газа пропорциональна концентрации его молекул, т. е. измеряемому давлению.

            В простейшем случае наиболее употребим ионизационный манометр с горячим катодом содержащий стеклянную колбу , в которую впаяны анод  и катод . Благодаря разогреву катода источником постоянного тока , его поверхность испускает электроны, которые разгоняются напряжением между катодом и анодом -и ионизируют находящийся между ними газ. Сила тока положительных ионов, измеряемая гальванометром 5, является мерой измеряемого давления.

             Для увеличения степени ионизации между катодом и анодом помещена сетка, на которую подается напряжение, сообщающее дополнительное ускорение потоку электронов. Манометры этого типа охватывают диапазон от КГ⁷ до 1 Па, дополняя диапазон измерений термопарного манометра. Погрешности измерений составляют также 10—30 %.

            Следует отметить, что рассмотренные выше газовые барометры в связи с появлением высокоточных деформационных барометров аналогичного назначения в настоящее время практически не применяются. В отличие от этого в области вакуумных измерений указанный принцип находит широкое применение. Компрессионные („компрессия" — сжатие) и экспансионные („экспансия" — расширение) манометры являются основными средствами воспроизведения и передачи единицы давления в области вакуумных измерений в диапазоне от 10~³ до 10³ Па (10~⁵ — 10 мм рт. ст.).

Принципиальная  схема компрессионного манометра, представленная на, была предложена МакЛеодом еще в 1874 г. Манометр состоит из стеклянного сосуда , в верхнюю часть которого впаян измерительный капилляр . По трубке сосуд сообщается с вакуумной системой, в которой измеряется давление газа. Заполненный ртутью резервуар присоединен к прибору гибким шлангом и трубкой 5. Параллельно измерительному капилляру  к трубке припаян сравнительный капилляр .

             Перед измерением давления р в вакуумной системе резервуар опускается до тех пор, пока мениск ртути в трубке не расположится ниже уровня I—I При этом давление газа в сосуде будет равно давлению в вакуумной системе.

          Экспансионные манометры (установки с калиброванными объемами) в отличие от компрессионных основаны на понижении известного давления от требуемого значения. Для этого в сосуде с относительно небольшим объемом Vi создается давление, достаточное для точных измерений.