Точность измерительных преобразователей
РГУ нефти
и газа имени И.М. Губкина
Реферат
по метрологии и стандартизации.
Тема: «Точность
измерительных преобразователей».
Выполнила: Горохова Дарья
Группа:
ГИ-08-4
Москва, 2010 г.
Введение.
Конкретные
методы измерений определяются видом
измеряемых величин, их размерами, требуемой
точностью результата, быстротой
процесса измерения, условиями, при
которых проводятся измерения, и
рядом других признаков. Каждую физическую
величину можно измерить несколькими
методами, которые могут отличаться
друг от друга особенностями как
технического, так и методического
характера. В отношении технических
особенностей можно сказать, что
существует множество методов измерения,
и по мере развития науки и техники,
число их все увеличивается. С
методической стороны все методы
измерений поддаются
1. Измерительные преобразователи.
Классификация, принцип
действия, электрические
схемы, режим работы,
метрологические характеристики
и области применения.
1.1
Метрологические термины
и определения
Измерения проводятся с помощью технических средств измерений. Основные виды средств измерений следующие:- мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера, например, мера массы – гиря;- измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором. - измерительный преобразователь –это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не подающейся непосредственному восприятию оператором. Измерительные преобразователи в зависимости от их назначения подразделяются на первичные, промежуточные, передающие, масштабные и другие.- первичный измерительный преобразователь – это преобразователь, к которому подведена измеряемая величина. Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, масштабный измерительный преобразователь – для изменения измеряемой величины в заданное число раз.
- измерительное устройство – это средство измерений, состоящее из измерительных приборов и измерительных преобразователей. В зависимости от назначения измерительные устройства подразделяются на первичные и вторичные. - измерительные информационные системы – это измерительное устройство, которое осуществляет многоканальное измерение и обработку информации по некоторому заданному алгоритму.
1.2 Физические основы
преобразователей.
1.2.1 Резистивные преобразователи
Реостатные преобразователи
Наиболее часто такие датчики применяются для измерения перемещений, для измерения уровня жидкости и пр.
Резистивные измерительные преобразователи.
Невысокая стоимость; небольшие габариты; высокая надежность при благоприятных условиях; доступность — массовый выпуск; широкая номенклатура; высокая точность.
Оптическое воздействие.
- довольно высокая
чувствительность возмущающего
воздействия возмущающих
- относительно
плохо работать в тяжелых
- большие температурные
погрешности; п/пров-ые
Реостатным преобразователем называют реостат, подвижный контакт которого перемещается в соответствии со значением измеряемой величины. Естественная входная величина реостатного преобразователя - перемещение, выходная - активное сопротивление.
Используют
реостатные преобразователи двух основных
типов: проволочные и пленочные.
Наибольшее распространение получили
проволочные преобразователи, схема
конструкции которых приведена
на рис. 1, а. На неподвижный каркас плотно
наматывают изолированный провод, который
образует обмотку с сопротивлением
R. Обмотка включается в цепь постоянного
напряжения V. На обмотке очищается от
изоляции "контактная дорожка", по
которой может перемещаться щетка 1, жестко
закрепленная в щеткодержателе 2. При этом
создается скользящая контактная пара:
щетка - контактная дорожка. Каркас преобразователя
изготавливают из изоляционных материалов:
эбонита, текстолита, радиокерамики и
других. Наиболее распространенными материалами
Рис. 1. Реостатные преобразователи
Провода
являются манганин, константан, а также
сплавы из благородных металлов; золота
с никелем, серебра с медью и других. Диаметр
провода изменяется, в пределах 0,03-0,1 мм
для прецизионных реостатов и достигает
0,3 мм в грубых реостатах. Щетку выполняют
в виде двух-трех проволочек диаметром
0,1-0,2 мм. Каркас может иметь не только прямоугольную,
но и более сложную форму. Для получения
нелинейной характеристики используют
фигурные каркасы (рис. 1,6).Статической
характеристикой реостатного преобразователя
является зависимость Rвых = f(x) или Uвых
= ψ(x), где х — перемещение щетки. Эти зависимости
могут быть линейными (рис. 1, а) и нелинейными
(рис.1, б). На рис.1, а сплошной линией показана
реальная характеристика проволочных
реостатных преобразователей. Ступенчатый
вид характеристики показывает, что при
движении щетки в момент перехода от одного
витка к другому сопротивление или напряжение
изменяется скачками. С помощью ступенчатой
кривой определяется порог чувствительности
или витковая погрешность преобразователя.
Для линейного реостата витковая погрешность
определяется.
Рис. 2. Схемы включения реостатных преобразователей
Наиболее
распространенные схемы включения
реостатных преобразователей приведены
на рис.2. Недостаток первых трех схем -
нелинейная зависимость тока от перемещения
движка. Значительно меньшую
Тензорезисторные преобразователи
В
основе работы тензорезисторных преобразователей
лежит явление тензоэффекта, заключающееся
в изменении активного
R
= ρ
где l - длина;
S — поперечное сечение;
ρ
- удельное сопротивление проволоки,
то при растяжении ее сопротивление
изменится на величину Δ R и составит
R + Δ R. Относительное изменение сопротивления
тензорезистора равно
= ( l + 2 μ)
где - изменение длины;
μ - коэффициент Пуассона:
=
:
- отношение относительного поперечного
сужения (растяжения) к относительному
продольному удлинению (сжатию). Частное
от деления относительного изменения
сопротивления
=
на относительное изменение проводника
=
- в пределах упругой деформации характеризуется
постоянной величиной, которая называется
коэффициентом тензочувствительности
:
=
= kт Коэффициент тензочувствительности
- основная характеристика тензорезистора.
Сопротивление преобразователя не должно
изменяться от действия внешних факторов
(температуры и других) более чем на сотые
доли процента. Для измерений приходится
применять высокочувствительную аппаратуру-
основной недостаток металлических тензорезисторных
преобразователей. Конструктивно проволочные
тензосопротивления представляют собой
спираль (решетку), состоящую из нескольких
петель (витков) проволоки, наклеенных
на тонкую бумажную (пленочную) основу
(рис. 3). Сверху решетка закрыта также тонкой
бумагой или пленкой. Длина петли lб
называется базой преобразователя. Обычно
lб = 8—15 мм. Применяются тензорезисторы
с меньшей базой (до 2,5 мм). Ширина преобразователей
от 3 до 10 мм, сопротивление порядка 50 -
150 Ом. Изготавливают преобразователи
и больших размеров (до 100 мм), имеющие сопротивление
800 - 1000 Ом.'Промышленность выпускает достаточно
разнообразный ассортимент проволочных
тензорезисторов.Более совершенные тензорезисторы
- фольговые. Они имеют решетку в виде тонких
полосок фольги прямоугольного сечения,
наносимых на лаковую основу. Из-за большей
площади соприкосновения полосы фольгового
тензорезистора с объектом измерения
и большой теплоотдачи, чем у проволочного,
он имеет большую чувствительность и по
нему можно пропустить больший ток. Кроме
того, преимущество фольговых тензорезисторов
в возможности изготовления решеток любого
рисунка, наиболее полно удовлетворяющего
условиям измерений
Рис.
3. Проволочный тензорезистор Рис. 4.
Фольговые тензорезисторы
Рис.
5. Схемы включения тензорезисторов.
Основа
полупроводниковых
Недостаток
полупроводниковых
Корректирующие сопротивления должны обладать как можно большим температурным коэффициентом, чтобы ею значение было меньше сопротивления тензорезистора. Этому требованию удовлетворяют только полупроводниковые материалы (термисторы).
Температурная
коррекция выполняется также
путем включения пар
Классы точности тензорезисторных измерительных преобразователей
избыточного
давления, разрежения и разности давлений
0,6;1,0; 1,5. Время установления выходного
сигнала при скачкообразном изменении
измеряемого параметра 0,5 и 2,5 с. Диапазоны
измерений: избыточного давления—от
0 —10-3 до 0 - 60 МПа; разряжения - от – 1 - 0
до – 10 - 0 кПа; абсолютного давления
- от 0 - 2,5 кПа до 0 - 2,5 МПа; разности давлений
- от 0 - 1кПа до 0 -2,5 МПа.
1.2.2 Электромагнитные преобразователи
Индуктивные преобразователи.
Преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности, называются индуктивными.
Индуктивный
преобразователь представляет собой
дроссель с изменяющимся воздушным
зазором (рис..6. а.) или изменяющейся
площадью поперечного сечения (рис.6.
б)
Рис.
6. Конструкция и схемы включения
индуктивных преобразователей.
Выходной параметр индуктивного преобразователя – изменение индуктивности L обмотки, надетой на сердечник, при изменении зазора δ или площади S.
Для
измерения больших перемещений
применяют индуктивные
Индуктивные преобразователи
В настоящее время индуктивные преобразователи являются элементами многих информацинно-измерительных и управляющих систем. Помимо задач линейно-угловых измерений они широко используются для измерения тех физических величин, которые могут быть предварительно преобразованы в механическое перемещение, что значительно расширяет область применения таких преобразователей при создании разнообразных систем автоматического контроля и управления.
Трансформаторные преобразователи.
Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности, называются трансформаторными.
На
рис.7. а и б показаны трасформаторные преобразователи
с подвижным сердечником.
Рис.7.
Конструкции и схемы включения трансформаторных
преобразователей
Достоинства
трансформаторных преобразователей :
достаточная мощность сигнала без
усилительных устройств, сравнительная
простота для измерения усилий и
давлений. Трансформаторные преобразователи
применяют в сочетании с
Магнитоупругие преобразователи.
Преобразователи, основанные на изменении магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называют магнитоупругими.Магнитоупругий преобразователь представляет собой ферромагнитный сердечник с одной или двумя обмотками, к которому прикладываются механические усилия. Усилие создает в сердечнике механическое напряжение, которое приводит к изменению магнитной проницаемости μ и, следовательно, к изменению магнитного сопротивления, что обуславливает изменение электрического сопротивления Z катушки. Таким образом, в магнитоупругом преобразователе имеется следующая цепь преобразований:F → σ → μ → R → Z или e. Магнитоупругий эффект объясняется дополнительным магнитным взаимодействием атомом вследствие искажения атомной решетки кристалла от воздействия механических усилий. В общем случае зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений имеет довольно нелинейный характер. Однако, выбирая оптимальные режимы работы, можно получить относительно линейную зависимость.
Существует
большое разнообразие конструктивных
форм магнитоупругих преобразователей.
Их можно разбить на две основные
группы: преобразователи дроссельного
и трансформаторного типов.В
Рис.8.
Конструкции магнитоупругих преобразователей.
Сердечник
преобразователя при измерении
сосредоточенных сил может
В преобразователях, приведенных на рис.8. а-д, используется эффект изменение магнитной проницаемости сердечника в одном направлении. В настоящее время широкое применение получили магнитоупругие преобразователи, в которых используется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. магнитная анизотропия сердечника. На рис.8. е показана конструкция магнитноанизотропного преобразователя со скрещенными обмотками. Первичная и вторичная обмотки расположены в сплошном магнитопроводе под прямым углом друг к другу. В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки не пересекают вторичную обмотку, в результате чего ЭДС вторичной обмотки равно нулю. При действии усилия вследствие изменения магнитной проницаемости материала магнитное поле вытягивается в направлении большей проницаемости, сжимается в направлении меньшей проницаемости и, сцепляясь со вторичной обмоткой, индуцирует в ней ЭДС, пропорциональную приложенному усилию.
Магнитострикционный эффект – четный эффект, т.е. знак деформации сердечника не меняется при перемене направления поля на обратное. Частота изменения деформаций или колебаний сердечника в 2 раза больше частоты переменного тока, протекающего через обмотку преобразователя. На магнитострикционном эффекте основана работа магнитострикционных ультразвуковых преобразователей или излучателей.
Основные достоинства магнитоупругих преобразователей: высокие мощность и уровень выходного сигнала, надежность, простота конструкции. Однако магнитоупругие преобразователи обладают довольно большими погрешностями. Основные источники погрешностей: температурная погрешность и магнитоупругий гистерезис. При быстроизменяющихся усилий следует учитывать также инерционность магнитоупругих преобразователей.
Индукционные преобразователи.
Преобразователи, в которых используется явление электромагнитной индукции, т.е. наведение ЭДС в электрическом контуре при изменении магнитного потока, называются индукционными. По принципу действия индукционные преобразователи подразделяются на две группы. В преобразователях первой группы магнитное сопротивление постоянного магнитного потока остается неизменным, а индуцированная ЭДС наводится из-за линейных или угловых перемещений сердечника катушки в зазоре ( рис. 9.).
Н1
UIII
К1
UII = UIII - UIIII
U1
Н2
UIIII
К2
От
ЧЭ Рис. 9. Индукционный преобразователь.
В некоторых конструкциях перемещается катушка. Конструктивно преобразователь представляет собой катушку, имеющую три обмотки.
Первичная обмотка равномерно распределена по всей длине. Две вторичные обмотки выполнены в виде отдельных секций с одинаковым числом витков. Внутри каркаса размещен сердечник, связанный со штоком чувствительного элемента. , где: - ЭДС верхней вторичной обмотки; - ЭДС нижней вторичной обмотки; К – коэффициент продолжительности; - частота переменного напряжения, подаваемого на первичную обмотку; - напряжение первичной обмотки; М – взаимоиндуктивность первичной и вторичных обмоток. Так как вторичные обмотки включены встречно, то суммарное напряжение на выходе преобразователя в среднем положении сердечникаравно нулю: .При изменении давления сердечник перемещается, например, вверх. Вследствие этого взаимоиндуктивность катушек изменяется на . ЭДС во вторичных обмотках будут иметь: На выходе преобразователя будет действовать напряжение
При
перемещении сердечника вниз на выходе
преобразователя действует
Таким образом, величина действующего напряжения Uii определяется перемещением сердечника и пропорциональна этому перемещению.
В
преобразователях второй группы магнит
и катушка неподвижны. А индуцированная
ЭДС наводится путем изменения
магнитного потока вследствие колебания
магнитного сопротивления магнитной
цепи, создаваемых чаще всего изменением
воздушного зазора этой цепи
Рис.
10. Конструкции индукционных преобразователей.
При
вращении ротора происходит изменение
сопротивления магнитной цепи с
частотой, определяемой скорость вращения
и числом зубцов. Индукционные преобразователи,
предназначенные для измерения скорости
вращения, называют тахогенераторами.
Тахогенераторы – это электрические машины,
работающие в генераторном режиме и служащие
для преобразования скорости вращения
в пропорциональный электрический сигнал.
1.2.3 Емкостные преобразователи
В основу работы емкостного преобразователя положено изменение его емкости под действием входной измеряемой величины. Емкость плоского конденсатора, как известно, выражается формулой
=
S / δ где
— диэлектрическая проницаемость
среды между обкладками; S — площадь поверхности
обкладки; δ - расстояние между обкладками,
или толщина диэлектрика. Таким образом,
изменение емкости преобразователя можно
получить, изменяя:1) расстояние между
обкладками (рис. 11, а); 2) площадь электродов,
образующих емкость (рис. 11,6); 3) диэлектрическую
проницаемость диэлектрика (рис. 11, в).
Как видно из формулы зависимость емкости
от диэлектрической проницаемости и площади
пластин имеет линейный характер, а от
расстояния между пластинами - нелинейный,
гиперболический характер.Если обозначить
емкость, в отсутствие измеряемой величины
через
, а в момент измерения
, то изменение емкости составляет:
=
–
Рис.11. Основные типы емкостных преобразователей
Емкостные
преобразователи с изменяющимся
воздушным зазором используют для
измерения малых перемещений (от
долей микрометра до долей миллиметра),
для измерения силы, давления при
наличии промежуточных

- Точность и логичность речи
- Точность и ясность речи
- Точность и ясность речи
- Точность определения координат точек местности
- Точность, ошибки и методы контроля данных статистического наблюдения
- Точность речи
- Точность речи
- Точка Фишера. Модифицированный уровень внутренней доходности. Критерии отбора в портфель инвестиционных проектов с разными сроками жизни
- Точки зрения на личность ивана грозного и опричнину
- Точно в срок
- Точное земледелие, система параллельного вождения
- Точность движений
- Точность измерения
- Точность измерения углов