скачать файл
ч. 1 ч. 2 ч. 3

НУ «ЛП»

ТЕХНОЛОГІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ та ПРИЛАДИ

Лекція 1
Основні відомості про вимірювання
Технологічні вимірювання – галузь науки і техніки, яка вивчає методи та прилади, що реалізують ці методи, які застосовуються для одержання інформації про хід технологічних процесів.

Під вимірюванням розуміють процес прийняття та перетворення інформації про вимірювану величину з метою отримання кількісного результату, порівняння його з прийнятою шкалою або одиницею вимірювання у формі, яка найбільш зручна для подальшого застосування.



Вимірюванням називається процес знаходження дослідним шляхом, з допомогою спеціальної технічних засобів, співвідношення між вимірюваною величиною і деяким її значенням прийнятим за одиницю порівняння.

Число, яке виражає співвідношення вимірюваної величини до одиниці вимірювання називається числовим значенням вимірюваної величини.



X вимірювана величина; q числове значення вимірюваної величини; qU результат вимірювання.


Лекція 2
Засоби вимірювань і їхні основні елементи
Засоби вимірювань являють собою сукупність технічних засобів, які застосовують при різних вимірюваннях і мають нормовані метрологічні властивості. Тобто відповідають вимогам метрології по одиницях і точності вимірів, надійності і відтворюваності одержаних результатів, а також вимогам щодо розмірів і конструкції.

Основними засобами вимірювання є міри, вимірювальні прилади, вимірювальні перетворювачі, вимірювальні системи.



Мірою називається засіб вимірювання, який призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру (гиря – одиниця маси, температурна лампа – міра яскравості, тощо).

Вимірювальним приладом або просто приладом називають засіб вимірювання, який призначений для формування сигналу про вимірювану інформацію (електричні, пневматичні, гідравлічні сигнали), у формі, яка доступна для безпосереднього сприйняття спостерігачем. По формі видачі інформації прилади діляться на:

  • аналогові, покази яких є неперервною функцією вимірюваної величини;

  • цифрові, покази яких є дискретними і подаються в цифровій формі.

Для сучасних приладів цей поділ досить умовний, бо аналогові величини перетворюються у цифрові і навпаки, по декілька разів в одному приладі.

Вимірювальний перетворювач – це засіб вимірювань, який призначений для формування сигналу про вимірювальну інформацію, у зручному вигляді для передачі і подальшому перетворенні, обробці і зберіганню, але не для безпосереднього спостереження за вимірюваною величиною. Тобто вимірюваний перетворювач може не мати жодного індикатора або мати примітивний індикатор.

Первиний перетворювач (давач, датчик) – до нього безпосередньо підводиться вимірювана величина – це пристрій, який стоїть першим у вимірюваному колі і сприймає інформацію про вимірюваний параметр (термометр опору, опір якого залежить від температури, звужуючий пристрій на потоці рідини, по перепаду тиску на якому визначають витрату). Первинні перетворювачі класифікують найчастіше по виду контрольованої величини (первинні перетворювачі температури, тиску, витрати, рівня, густини). Можуть бути і інші класифікації, наприклад, по принципу дії, по характеру вихідного сигналу (електричні, пневматичні, цифрові, може бути окрема група – інтелектуальні або SMART-перетворювачі). Важлива характеристика первинного перетворювача – це вигляд функціональної залежності між змінами вимірюваної величини і вихідним сигналом(вживаються і інші терміни – функція перетворення, функція передачі). Бажано, щоб ця залежність була лінійною.

Проміжний перетворювач (нормуючий) – призначений для здійснення всіх необхідних перетворень сигналу, підсилення, лінеаризація, формування уніфікованого вихідного сигналу.

Вимірювальні системи – це засоби вимірювань, які являють собою функціонально об’єднанні вимірювальні прилади, вимірювальні перетворювачі і інші допоміжні засоби, які з’єднанні одним конструктивним виконанням.

Вторинний вимірювальний прилад (пристрій) – це засіб вимірювання, який призначений для роботи в комплекті з вимірювальним приладом (шкальні, без шкальні, деякі види первинних і проміжних перетворювачів), тобто, вторинний прилад може працювати з уніфікованими сигналами всіх діапазонів зміни, з термометрами опору, термопарами.

По способу відліку вимірювані прилади діляться на показуючі, записуючі, комбіновані, інтегруючі.



Показуючі прилади – це прилади, в яких значення вимірюваної величини в момент виміру вказується на пристрої відліку. Як пристрої відліку найчастіше застосовуються шкали або шкальні пристрої. Шкали технічних приладів градуюють у відмітках, які кратні до одиниці виміру.

Шкали діляться на: рухомі і не рухомі. По формі: прямолінійні, дугові, кругові рівномірні, кругові нерівномірні, профільні, барабанні шкали.



Початок шкали (нижня межа показу приладу) – це відмітка, яка відповідає найменшому значенню вимірюваної величини по даній шкалі.

Кінець шкали (верхня межа показу приладу) – це відмітка, яка відповідає найбільшому значенню вимірюваної величини.

Нуль шкали – це відмітка, яка відповідає нульовому значенню вимірюваної величини, може бути посередині (-5 ч +5) або зміщений (-5 ч +10).

В залежності від того де знаходиться нуль шкали, шкали діляться на:



  • односторонні (0 ч 50 °С);

  • двосторонні (-50 ч +50 °С);

  • безнулеві шкали (-100 ч +200 °С).

Поділка шкали – проміжок між осями або центрами двох сусідніх відміток. Однакові довжини поділок – для рівномірних шкал, а для нерівномірних шкал довжини поділок неоднакові.

Записуючі або реєструючі прилади – мають пристрій для автоматичної фіксації на паперовій стрічці біжучого значення вимірюваної величини в часі. Запис може бути у вигляді неперервної стрічки або віддруку числових значень результатів вимірювання.

Комбіновані прилади – прилади, які виконують одночасно декілька функцій, наприклад, покази, запис, сигналізацію, регулювання (двопозиційне).

Зсумовуючі або інтегруючі прилади – виконують функцію інтегрування по часу. Найбільш поширене – інтегрування витрати.

Робочі засоби – всі міри, прилади, перетворювачі, які призначені для практичних вимірювань. Вони діляться на засоби підвищеної точності (лабораторні) і технічні (з допомогою яких здійснюють промислове вимірювання).

Зразкові міри, вимірювальні прилади і перетворювачі – призначені для перевірки і градуювання на них робочих засобів.

Еталони – призначені для відтворення і зберігання одиниць вимірювання з найбільшою точністю, яка досягнена при даному рівні науки і техніки, а також для перевірки мір, приладів і перетворювачів вищого розряду.

Перевірка – операція порівняння показів, засобів вимірювань із зразковими, з метою визначення їх похибок або поправок до їхніх показів.

Градуювання – операція з допомогою якої поділкам шкали надають значення у встановлених одиницях вимірювання (зразкові пружинні манометри мають 100, 250, 400 поділок).

Поріг чутливості, чутливість – з курсу метрології.
Похибки вимірювальних приладів.

Похибка вимірювального приладу – відхилення результату вимірювань від істинного значення вимірюваної величини.

Абсолютна похибка – це різниця між показами приладу (хП) і істинним значенням вимірюваної величини (хІ).

Розмірність – одиниця вимірювання. Замість істинного значення вимірюваної величини вводять її дійсне значення (хо).



Лекція 3

Абсолютну похибку можна зводити до виходу приладу, тоді абсолютна похибка буде дорівнювати різниці між фактичним вихідним сигналом та ідеальним очікуваним сигналом.

Відносна похибка дорівнює відношенню абсолютної похибки до дійсного значення вимірюваної величини. Може бути розрахована у відсотках (*100%) і може бути розрахована, як по входу, так і по виходу.

Відносна зведена (приведена) похибка – це відношення абсолютної похибки до нормованого значення вимірюваної величини (може бути *100%, і розрахована, або по входу, або по виходу).

В залежності від специфіки приладу, вибраних засобів для перевірки, зручності обробки результатів можна задавати дійсні значення вимірювальної величини для точок, які ми вибрали (розрахували) для перевірки, фіксувати відповідні їм значення вихідної величини. Тоді розрахунок абсолютної, відносної, відносної зведеної похибок ведуть по вихідному сигналу.

Можна також задавати змінні значення вимірюваної величини і підганяти значення вихідного сигналу до очікуваних розрахованих (цілих) значень в перевіюваних точках. Тоді розрахунок абсолютної, відносної, відносної зведеної похибок ведуть по значеннях вхідного сигналу.

Все це були основні похибки, які були визначені в нормальних умовах.


Основні похибки подаються у вигляді:


  1. Абсолютна похибка:

  2. Відносна зведена похибка:

  3. Відносна похибка:

a, b, c, d – постійні розмірні і безрозмірні величини;

x – вимірювана величина без врахування знаку;

xk – кінцеве значення діапазону вимірювання;

xN – нормоване значення вимірюваної величини.
Можуть бути наступні залежності перелічених вище типів похибок:

  1. Абсолютна похибка постійна у всьому діапазоні вимірювання (відносна міняється від найменшого значення в кінці діапазону вимірювання до максимального на початку). Це є більшість простих приладів.

  2. Відносна похибка постійна у всьому діапазоні вимірювання (вантажно-поршневий манометр).

  3. Проміжна залежність.

Абсолютна похибка вираховується по певній формулі від вимірюваної величини.



Приклад: 0-100 В – діапазон (вольтметр магніто-електричної системи), ,

Δ = 1 В


- з такою похибкою поміряємо 50 В.

- з такою похибкою поміряємо 1 В.
Для деяких мікропроцесорних приладів, а також лічильників відносна похибка постійна (крива 3).

Для ряду приладів відносна похибка розраховується по формулі:



Приклад: у цифрових вольтметрах і міліамперметрах присутнє позначення 0.1/0.06 – це значення коефіцієнтів c і d.

Діапазон вимірювання 0 – 10 В, міряємо 5 В.

(крива 2)

Висновок: при вимірюваннях треба правильно вибирати діапазон вимірювання приладів. Не можна робити великих запасів по діапазону вимірювання, крім випадків, коли прилади бояться перевантажень (пружинні манометри).


Додаткові похибки.

Це похибки, які виникають при роботі приладів в умовах відмінних від нормальних.

Для приладів зараз нормують межі або границі допустимої основної зведеної похибки.

Залежність для додаткових похибок вказують в документах на прилади (наприклад, 0.1% на кожні 10°С). При перевірці їх не завжди визначають.

Є ще параметр “клас точності”, але зараз ним користуються значно менше.

Клас точності – це узагальнена характеристика засобу вимірювальної техніки (засобу вимірювань), що визначається границями його допустимих основної та додаткових похибок, а також іншими характеристиками, що впливають на його точність, значення яких регламентуються.

Адитивна похибка – похибка, яка має постійну величину, і не залежить від вимірювальної величини.

Мультиплікативна похибка – похибка, яка пропорційна до значення вимірюваної величини (зміна коефіцієнта функції перетворення приладу).



Регламентування змін функцій перетворення приладів у часі або метрологічних характеристик часу.

Для більшості приладів встановлюють інтервал між перевірками, за який метрологічні характеристики не повинні вийти за допустимі межі (від 2 тижнів до 1 року, для деяких приладів – до10 років).

Для ряду високоточних приладів є статистичні методи нормування змін метрологічних характеристик. До них входить коефіцієнт запасу і встановлюють регламентований термін часу Т.

Перевірка допустимої основної зведеної похибки здійснюється наступним чином, її значення перемножують на коефіцієнт запасу і вважають придатним для експлуатації тільки ті прилади, в яких основна зведена похибка не перевищує допустиму, перемножену на коефіцієнт запасу.



Приклад: прилад з класом точності 0.1; Т = 1000 год; σ = 0.67 (95% приладів придатні).

0.10.67 = 0.067 % < 0.1, тоді через 1000 годин експлуатації зі 100 приладів для 95 приладів основна зведена похибка буде меншою за 0.1%.


Лекція 4
Загальні правила перевірки

При перевірці спочатку треба перевірити умову придатності зразкових засобів та правильність вибору їх діапазону вимірювання для кожного конкретного приладу. Ряди діапазонів вимірювання зразкових і робочих приладів не завжди співпадають.

Коефіцієнти запасу по точності вимірювання мають бути рівними 4 для давачів тиску або 3 при трьох вимірюваннях в кожній точці (3 ходи вверх-вниз з усередненням результатів або 3 при введенні коефіцієнту запасу 0.6 на основну допустиму зведену похибку).

Схема для перевірки має складатися із задавача вимірюваної величини (задавач тиску, для давачів тиску; термостат для термометра опору; піч для термопари та інші), зразкового приладу для вимірювання вхідного сигналу, зразкового приладу (-ів) для вимірювання вихідного сигналу.

Деякі прилади є суміщеними (наприклад, задавач і зразковий прилад при застосуванні вантажо-поршневого манометра – він виконує роль і задавача, і зразкового приладу).

Вимоги до задавача: дискретність задання значення вхідної величини не повинна перевищувати 0.2 від допустимої основної похибки перевірюваного приладу.

Прилад перевіряють у 5-6 точках, які рівномірно розподілені по діапазону вимірювання (інтервал між сусідніми значеннями не повинен перевищувати 30% від діапазону вимірювання).

Приклад:

4-20 мА : 4 8 12 16 20 0-20 мА: 0 5 10 15 20 0-5 мА: 0 1 2 3 4 5


Для деяких приладів, які мають механічний захист від перевантаження, передостання точка має бути менша на 10% від значення верхньої межі вимірювання.

Для ряду приладів при максимальному значенні вимірюваної величини потрібна витримка в часі, наприклад 5 хв або довше. Це прилади з можливим потенційним гістерезисом в конструкції. Іноді задається певне перевантаження протягом заданого часу і перевіряється робота зразу ж після зняття перевантаження.

Прилади зі шкалами перевіряють в оцифрованих відмітках. Зразкові прилади теж градуюють в оцифрованих відмітках.

Динамічні характеристики приладів.

Динамічною характеристикою приладів називають залежність показів приладу відвимірюваної величини в перехідному режимі.

tпр – час початку реагування;

tп – постійна часу перехідного процесу, якщо це експонента або ланка першого порядку, то tп=0.632·хвихп);

T – час перехідного процесу;

Тп – час повного встановлення показів.
Іноді оперують часом встановлення показів із заданою точністю.

Різниця між показами приладу і дійсним значенням вимірюваної величини в даний момент часу називається динамічною похибкою.



,

де Δд – динамічна похибка;



хд – покази приладу в динамічних умовах;

х – дійсне значення вимірюваної величини в даний момент часу.
При швидких змінах вимірюваної величини і нелінійній характеристиці приладу (наприклад, якщо вимірюють витрату стискуваного середовища, виникне зміщення середнього значення вимірюваного параметру). При вимірюванні витрати ця похибка інтегрується!
Вимірювання тиску. Основні визначення. Одиниці тиску.

Тиск – один з основних параметрів протікання хіміко-технологічного процесу. Від тиску залежать інтенсивність протікання хімічних реакцій, а також рівноважний стан обернених реакцій.

Під тиском розуміють відношення нормальної складової сили, що діє на одиницю площі:




Тиск характеризує напружений стан рідин, газів, пари і інших середовищ.

Розрізняють абсолютний тиск Ра, надлишковий тиск Рн, барометричний тиск Рб, розрідження Рв.

Ра = Рб + Рн Ра = Рб - Рв Ра< Рб

Розрідження завжди менше від барометричного тиску.



Також ще розрізняють тиск рухомого середовища або тиск Піто (динамічний тиск):



Повний тиск в рухомому середовищі складається зі статичного і динамічного тиску:



На вимірюванні цього тиску базується робота приладів для вимірювання швидкості рухомого середовища (напірні трубки, зонди Піто, Прантля і т.д.)


Одиниці вимірювання тиску

Основна системна одиниця (в СІ):

1Па=1Н/м2

Похідні від неї: 1 кПа; 1 МПа.

Також зараз широко застосовують зручні технічні одиниці, які є більш популярними.

1 мм.вод.ст. = 1 кгс/м2 = 9.81 Па (≈10 Па)

1 мм.рт.ст. = 13.6 мм.вод.ст. =133 Па (≈136 Па)

1 ат (технічна атмосфера) = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2­ = 104­­­ мм.вод.ст. = 10 м. вод.ст.

1 атм (фізична атмосфера) = тиск на березі моря = 760 мм.рт.ст. при густині ртуті ρрт =13.6 г/см3 і g=9.81 м/с2

1 бар = 750 мм.рт.ст.

1 ат = 0.1 МПа = 735.6 мм.рт.ст.

1 атм = 1.0336 ат = 10336 мм.вод.ст. =101325 Па



Одиниці вимірювання тиску Паскаль
(Pa,
Па)Бар
(bar,
бар)Технічна атмосфера
(at,
ат)Фізична атмосфера
(atm,
атм)Міліметр ртутного стовпчика
(
мм рт.ст.,mmHg, torr, торр)Метр водяного стовпчика
(
м вод. ст.,m H2O)Фунт-сила
на кв. дюйм
(psi)1 
ПаН/м2 105 10,197Ч106 9,8692Ч1067,5006Ч103 1,0197Ч104 145,04Ч106бар 105105 Н/мІ 1,0197 0,98692 750,06 10,197 14,504ат 98066,5 0,980665 1 кгс/см2 0,96784 735,56 10 14,223атм 101325 1,01325 1,0331 атм 760 10,33 14,696мм рт.ст. 133,322 1,3332Ч103 1,3595Ч103 1,3158Ч103 1 мм рт.ст. 13,595Ч103 19,337Ч103м вод. ст. 9806,65 9,80665Ч102 0,1 0,096784 73,556 1 м вод. ст. 1,42231 psi 6894,76 68,948Ч103 70,307Ч103 68,046Ч103 51,715 0,70307 1 lbf/in2Лекція 5

Основною одиницею в англомовних країнах є 1 psi.


1 psi = 1 Pound/Sq Inch (фунт сили / квадратний дюйм)

1 pound = 0.4536 kg

1 sq inch = 6.4516 см2

1 inch = 2.54 см

1 foot = 12 in = 0.3048 м

1 psi = 6.89476 кПа

1 кПа = 14.5038·10-2 psi

1 bar = 100 кПа

1 кПа = 10-2 bar

psid – різниця тисків; psia – абсолютний тиск; psig – надлишковий.


Прилади для вимірювання тиску.

Класифікація приладів:



  1. по роду вимірюваної величини;

  2. по принципу дії;

  3. по признаку, як побудована схема.



  1. По роду вимірюваної величини:

  1. Манометри, в тому числі і вимірювачі (манометри абсолютного тиску) – це прилади для вимірювання надлишкового і абсолютного тисків.

  2. Вакуумметри – прилади для вимірювання розрідження.

  3. Мановакуумметри - для вимірювання надлишкового тиску і розрідження (до -1 атм!!!).

  4. Напороміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих надлишкових тисків.

  5. Тягоміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих розріджень.

  6. Тягонапороміри (мікроманометри) – прилади для вимірювання малих розріджень і напорів.

  7. Диференційні манометри (дифманометри) – це прилади для вимірювання різниці тисків, але жоден з тисків не тиском оточуючого середовища.

  8. Барометри – це прилади для вимірювання атмосферного тиску.

  1. По принципу дії:

  1. Рідинні – принцип дії базується на зрівноваженні тиску тиском стовпчика рідини.

  2. Деформаційні – міряють тиск по деформації пружного елементу.

  3. Поршневі – міряють тиск по силі, яка діє на поршень з чітко визначеною площею.

  4. Електричні – принцип дії базується на зміні електричних параметрів під дією тиску (зміна опору, зміна електричної ємності, індуктивності або взаємоіндуктивності).

Рідинні прилади для вимірювання тиску в свою чергу поділяються на:



  1. U – подібні манометри;

  2. Чашкові манометри;

  3. Мікроманометри з похилою трубкою;

  4. Компенсаційні мікроманометри;

  5. Поплавцеві мікроманометри;

  6. Кільцеві манометри (дифманометри);

  7. Ковпакові або дзвонові манометри.



U – подібні рідинні манометри (двотрубні манометри).

Прилад являє собою скляну трубку, зігнуту у формі букви U (1). Між трубками розміщена шкала на дерев’яній площині (2). Трубка наповнена рідиною (вода, ртуть, спирт).

ρ – густина рідини; ρ1 – густина повітря.


Перевага: Прилад широко застосовується у лабораторній практиці, похибка при мм, Δ = 1 мм при d = 7-10 мм, δ = 0.1%.

Недоліки: прилад незручний у користуванні, жодного перетворювача в електричний (дистанційно) немає, треба робити два відліки.

Однотрубні або чашкові рідинні прилади.

Це модифікація двотрубного приладу, в якому одне з колін замінене широкою посудиною (чашкою). Перевага: потрібно один відлік.









, , то

Мікроманометри з похилою трубкою.

Це різновид чашкового манометра. Для підвищення точності вимірювання малих тисків трубку розміщують похило.


МАЛЮНОК








Прилад застосовується для вимірювань малих тисків і розріджень.



Лекція 6

Компенсаційні рідинні прилади.

Вони застосовуються виключно як зразкові прилади. Вони складаються з двох посудин, що з’єднані гнучкою трубкою, і пристроїв відліку, в тому числі оптичних. Значення вимірюваного тиску компенсують підніманням однієї з посудин на певну висоту. При цьому на результат вимірювання не будуть впливати похибки від відхилень геометричних розмірів конструкції приладу.

Для лабораторних приладів (наприклад, мікроманометр з діапазоном вимірювання 0 – 250 мм.вод.ст.) похибка не перевищує 0.02%.

Рідинний компенсаційний манометр Прандтля (Петрова)


МАЛЮНОК

1 – металева плита;


2 – регулювальні гвинти для встановлення вертикального положення;

3 – металева штанга довжиною 1 м з міліметровими поділками (1000 поділок);

4 – ноніус - пристрій для відліку десятих міліметра;

5 – прозора рухома посудина;

6 – мікрометричний гвинт з голкою, для відліку сотих міліметра (через 10 мікрон), ціна поділки у два рази більша ніж у звичайному мікроманометрі, бо відлік роблять по рівні в одній посудині;

7 – нерухома посудина;

8 – гнучка трубка, шланг;

9 – вентилі.

Посудин 5 і 7 є подвійний комплект: один для роботи на воді, другий на ртуті.

Є два варіанти роботи:



  1. Вимірювання невідомого тиску. Щоб поміряти невідомий тиск спочатку встановлюють нульове положення (мікрометричний гвинт в нуль, ноніус в нуль) і переміщенням посудини 7 досягають моменту торкання голкою мікрометричного гвинта поверхні рідини. Далі під’єднують до джерела тиску, піднімають посудину 5 на висоту при якій знову проходить торкання голкою поверхні рідини і роблять відлік по поділках штанги, ноніуса (десятих) і точний відлік обертанням мікрометричного гвинта 6.

  2. Робота в режимі із здавачем тиску. Виставляють нуль, посудину 5 піднімають на потрібну висоту і задавачем тиску досягають моменту торкання голкою поверхні рідини.


Поршневі манометри.

Принцип дії базується на зрівноваженні сили, яка виникає під дією тиску на не ущільненому поршні, силою ваги вантажів на цьому поршні. Це найточніші на сьогодні прилади для вимірювання і відтворювання тиску. В основу покладені два найточніші механічні вимірювання: вимірювання лінійних розмірів – діаметру (перерізу поршня) і вимірювання ваги.

Не ущільнений поршень (основний елемент) являє собою притертий циліндр правильної форми, який переміщується із зазором 1-5 мікрон у каналі циліндричної форми. Вся конструкція заповнена робочою рідиною (трансформаторне, приладне, силіконове масло, при роботі на кисні - вода).

Вся конструкція називається колонкою. Поршні бувають різної конструкції: простий, диференційний, поршень-мультиплікатор для високих тисків.

Найбільш поширеною конструкцією є вантажно-поршневий манометр або прес (або прес Рухгольца).

МАЛЮНОК

1 – колонка;

2 – поршень діаметром d;

3 – вантажі;

4 – посудина з запасом масла;

5 – перевіюваний прилад, може бути два місця для перевірки;

6 – вентилі;

7 – гвинтовий прес.

При тисках, що більші ніж 10 кгс/см2 забороняється проводити перевірку на повітрі, тому гвинтовий прес застосовують і інших приладах.

Для таких приладів класи точності: 0.02; 0.05; 0.2; в спеціальних приладах може бути 0.0005.

МП-60 0 – 60 кгс/см2 0 – 6 МПа кл.т. 0.02 або 0.05

Дискретність через 1 кгс/см2 ( D = 1 кгс/см2).
Деформаційні прилади.

Це дуже поширений клас приладів. Переваги – проста конструкція, не потребують живлення, висока надійність, може бути вібро- і ударостійкість, великий діапазон вимірювання, висока точність вимірювання.

Принцип дії базується на деформації різних пружних елементів, які сприймають тиск і перетворюють його в переміщення.
МАЛЮНОК


  1. З трубкоподібною (одновитковою) пружиною (трубкою, пружиною Бурдона).

  2. З гелікоподібною пружиною (для великих переміщень), застосовується у самописцях.

  3. З однією мембраною, мембрану гофрують (кільцеві канавки) для збільшення лінійної ділянки.

  4. З мембранною коробкою, може бути для вимірювання надлишкового тиску, розрідження, барометричного тиску, якщо коробка вакуумована.

  5. Блок анероїдних коробок, міряють барометричний тиск.

  6. Блок звичайних коробок.

  7. Чутливий елемент з еластичною мембраною (є жорсткий центр). Це найдешевша продукція.

  8. З сильфонним елементом, іноді всередині сильфона є пружина, щоб зменшити гістерезис.


Лекція 7
Манометри з трубкоподібною пружиною (трубкою Бурдона).

Прилад складається із скрученої по колу трубки овального перерізу. Під тиском трубка розгинається і переріз округлюється. До заглушеного кінця трубки під’єднаний механізм для збільшення переміщення.

Матеріал трубки – різні сплави латуні і бронзи, нержавіюча сталь (для великих тисків), сплави срібла.

Перерізи:

Це найпоширеніші прилади для вимірювання тиску.

Переваги: широкий діапазон вимірювання, проста конструкція, не потребує живлення, висока точність вимірювання. Виготовляються як технічні, так і зразкові прилади.

Недолік: прилади “бояться” перевантажень. Це єдині прилади, для яких треба вводити коефіцієнт запасу 0.65-0.75 по діапазону вимірювання (крім зразкових).

Приклад: діапазон вимірювання 0 – 1 кгс/см2

1/0.75 = 1.333, обираємо прилад з діапазоном вимірювання 0 – 1.6 кгс/см2.

Такі прилади виготовляються для вимірювання тиску пульсуючих потоків. На газоподібних потоках у штуцер вкручують дросель (гвинт з маленьким отвором), він чинить опір і разом з об’ємом пружини утворює фільтр, який згладжує пульсації. Для рідин весь механізм заливають в’язким прозорим маслом, який захищає деталі від вібрацій.

На агресивних середовищах такі прилади мають мембранні розділювачі. Завжди перевіряють комплект: прилад + розділювач для всіх приладів. Для систем захисту і блокування застосовують електроконтактні манометри – це трубка і два регульовані контакти: мінімум і максимум. Це звичайний пружинний механізм.

Ряди меж вимірювання приладів для вимірювання тиску.

Це рекомендовані значення.

Манометри (вакуумметри, мановакууметри): 1.0; 1.6; 2.5; 4.0; 6.0 10n, де n – ціле число (від’ємне або додатнє).
Приклад: 0 – 1.0 кгс/см2; 0 – 100 кгс/см2; 0 – 16 кгс/см2; -1 – 9 кгс/см2; -1 – 5 кгс/см2; -125 - +125 Па.
Дифманометри: 1.0; 1.6; 2.5; 4.0; 6.3 10n.
Приклад: 0 – 6.3 кПа.
В зразкових деформаційних приладах шкала має 0 – 100, 0 – 200, 0 – 400 поділок, клас точності – 0.16 (може бути).
Мембранні прилади.

Найпоширеніші – тягонапороміри, які застосовуються для вимірювання малих напорів і розріджень в різних технологічних апаратах. Це всі процеси спалювання, на вході має бути невеликий напір, а на виході – розрідження; різні апарати для спалювання і випалювання (в них процеси проходять під невеликим розрідженням).

Дуже часто їх виконують з дистанційною електричною подачею, найчастіше диференційно-трансформаторною. По цьому принципу можна виготовити прилади на дуже малі значення тисків і перепадів тиску.

1 – мембранна коробка, поверхні мембран спряжені і при перевантаженні лягають одна на одну;

2 – силіконова рідина;

3 – корпус;

4 – тонкостінна гільза з немагнітного матеріалу;

5 – осердя з магнітом’якого матеріалу;

6 – первинна навитка;

7, 8 – вторинні навитки, зустрічно-послідовно.


Лекція 8

При дії різниці тисків в одній половині мембранної коробки мембрани починають сходитись, в іншій розходитись. При цьому силіконова рідина перетікає з однієї половини мембранної коробки в іншу. При цьому переміщується магнітне осердя і на виході диференційного трансформатора з’являється напруга пропорційна до різниці тисків.

При перевантаженні мембрани спряженими поверхнями лягають одна на одну (в камері, яку перевантажили) і витісняють всю силіконову рідину в другу половину мембранної коробки. Після зняття перевантаження відновлюється нормальна робота.
МАЛЮНОК
Більш прості конструкції вимірювачів тиску, перепадів тиску або розрідження мають еластичну мембрану. Їх параметри гірші, але вони дешевші.
Електричні перетворювачі тиску.

Найбільш поширеними принципами для побудови електричних перетворювачів тиску є тензорезисторний, ємнісний, частотний та індуктивний (найпоширеніші – диференційно-трансформаторний).


Тензорезисторні перетворювачі тиску.

Належать до найбільш поширених електричних перетворювачів тиску (80 - 90%). Принцип дії полягає в зміні електричного опору внаслідок деформації чутливих елементів (при розтягу опір збільшується, при стискуванні зменшується). Такі чутливі елементи вмикають в мостикову вимірювальну схему, два елементи працюють на розтяг, а два інших – на стиск. Реально в тензоструктурі є до 12 чутливих елементів. Частина з них застосовується для термокомпенсації і т.д.

Їх ще називають п’єзорезисторні.

Застосовують металеві тензорезистори зі спеціальних сплавів: манганіт, константан, паладій-вольфрамовий сплав. Такі тензорезистори наклеюють на чутливий елемент (мембрану) і вони застосовуються для вимірювання великих тисків. Більш поширеними є напівпровідникові тензорезистори, що мають значно вищу чутливість, більшу ніж у 10 разів (20 – 30 р.). Серед них найпоширенішими є КНС – структури (кремній на сапфірі). Сапфір – монокристал Al2O3. Має таку саму кристалічну будову, як і кремній, тому кремній осаджується на сапфір, і він має з ним дуже міцне щеплення (адгезію). Сапфір має дуже добрі механічні властивості, він придатний для виготовлення пружних елементів. Сапфір паяється.

Основною особливістю КНС – структур є те що вони не мають p-n переходів, тому їхні метрологічні характеристики найвищі серед усіх напівпровідникових елементів.

Є декілька основних конструкцій тензорезисторних перетворювачів тиску в залежності від призначення і діапазону вимірювання. Найскладніша конструкція диференційних манометрів – в них застосовується двохмембранна конструкція і трьохмембранна (іноді називають одно мембранною, одна мембрана вимірювальна, а дві -розділюючі).



ПеретворювачіСапфир 22”.
НазваТип перетворювачаДіапазон вимірювання (від min до max)МодельПеретворювач надлишкового тиску“Сапфір - 22 ДИ”

або “МТ100Р”0.25 кПа – 100 МПа

(25 кгс/м2 – 100 кгс/см2)2130, 2140, 2150 ...Перетворювач абсолютного тиску“Сапфір - 22 ДА”

або “МТ100А”2.5 кПа – 16 МПа

(250 кгс/м2 – 160 кгс/см2)2020, 2030 ...Перетворювач розрідження“Сапфір - 22 ДВ”

або “МТ100R”0.25 кПа – 0.1 МПа

(25 кгс/м2 – 1 кгс/см2)2210, 2220 ...Вимірювальний перетворювач надлишкового тиску і розрідження“Сапфір - 22 ДИВ”

або “МТ100РR”0.125 кПа – 2.4 МПа

(12.5 кгс/м2 – 24 кгс/см2)2310, 2320, 2330 ...Перетворювач різниці тисків“Сапфір - 22 ДД”

0.25 кПа – 16 МПа

(25 кгс/м2 – 160 кгс/см2)

Рнадл: 4 10 25 МПа

(40 100 250 кгс/см2)2410, 2420, 2430 ...Перетворювач гідростатичного тиску“Сапфір - 22 ДГ”

2.5 кПа – 0.25 МПа

(250 кгс/м2 – 2.5 кгс/см2)

Рнадл: 4 МПа

(40 кгс/см2)2520, 2530, 2540 ...

В колонці діапазони вимірювань вказане найменше значення діапазону вимірювання (0 – 0.25 кПа – це для першого, і далі згідно ряду для манометрів 0 – 0.4 кПа; 0 – 0.6 кПа; 0 – 1 кПа і т.д. , 0 – 100 МПа - останній).

Електричний перетворювач тиску складається з тензорезисторного перетворювача і електронної схеми, яка перетворює сигнал від тензоструктури в уніфікований струмовий сигнал. Перетворювачі бувають найпростіші однодіапазонні, більш складніші, які переналагоджуються на декілька діапазонів шляхом переставлення перемичок; для здавачів надлишкового тиску можна переналагодити діапазон від 1 до 10. Найбільш складні – інтелектуальні або старт-перетворювачі. В них довільний вибір діапазону вимірювання в межах від 1 до 100, обробка сигналу в цифровій формі, всі корекції неінформативних параметрів, перевід одиниць вимірювання, додатково може бути цифровий вихідний сигнал, який накладається на аналоговий.

Структурна схема першого і другого типу перетворювачів.

1 – тензоструктура;

2 – стабілізатор струму;

3 – диференційний підсилювач;

4 – набір змінних і постійних опорів для регулювання початку діапазону вимірювання;

5 – проміжний підсилювач;

6 – набір постійних і змінних опорів і перемичок для регулювання кінця діапазону вимірювання;

7 – підсилювач-перетворювач напруга-струм;

8 – регулюючий транзистор;

9 – опір для вимірювання сили струму у вихідному колі;

10 – стабілізатор напруги;

11 – діод для захисту від неправильної полярності.


Лекція 9

На виході тензоструктури 1 з’являється напруга при дії тиску (різниці тиску, вакууму, надлишкового, абсолютного). Ця напруга підсилюється диференційним підсилювачем. З допомогою опорів 4 або набору опорів регулюються початкові покази. З допомогою опорів 6 регулюють К або кінець діапазону вимірювання. Вся схема споживає струм до 4 мА, а при зміні тиску від мінімального до максимального значення підсилювач 7 через транзистор 8 міняє струм в межах від 0 до 16 мА. Разом на виході схеми виходить 4 – 20 мА. Таким чином в цій схемі по двох провідниках подається живлення і передається вихідний сигнал. Схема може живитися напругою від 10 до 42 В (або 36 В), при цьому від напруги живлення буде залежати кількість вторинних приладів, які можна ввімкнути послідовно з давачем, тобто загальний опір навантаження і опір ліній (при 10 В - найменше).

Такий перетворювач можна ввімкнути по 2-ох або 4-ох провідній схемі під’єднання.

Якщо застосовується вихідний сигнал 0 – 20 мА або 0 – 5 мА перетворювач можна увімкнути лише по 4-ох провідній схемі (2 – живлення, 2 – вихідний сигнал).


Структурна схема інтелектуального перетворювача (SMART).

Такі перетворювачі мають розширені функціональні можливості (наприклад, виставлення діапазонів вимірювання без джерела тиску, довільний вибір одиниць вимірювання, компенсація адитивної мультиплікативної похибок, додатково може бути цифровий сигнал, який накладається на аналоговий). Найчастіше він застосовується для конфігурації віддаленого приладу.

1 – тензоструктура;

2 – EEPROM – електрично незалежна пам’ять комірки;

3 – підсилювач з програмованим коефіцієнтом підсилення;

4 – σ/Δ АЦП (буває до 24 бітів);

5 – EEPROM електронного блоку;

6 – мікропроцесор;

7 – приймач-передавач HART-модему (це спеціальний протокол і стандарт зв’язку для програмування віддаленого пристрою);

8 – цифро-аналоговий перетворювач формує сигнал 4-20 мА у вихідній лінії;

9 – набірне поле для конфігурації (3-4 кнопки);

10 – цифровий індикатор для відображення зміни вихідного сигналу;

11 – блок живлення.

В цій схемі сигнал від тензоструктури перетворюється в цифрову форму і вся обробка йде в цифровій формі на малопотужному мікро контролері. Потім цифровий сигнал знову перетворюється в аналогову форму 4 – 20 мА.

Крім того на аналоговий сигнал у вихідній лінії можна накласти цифровий.

Цифровий сигнал передається у вигляді синусоїди зі збереженням середнього значення. Частота 1200 Гц відповідає “0”, а 2400 Гц – “1”. Швидкість передачі невелика.

Така форма передачі цифрового сигналу застосовується лише для конфігурації приладу (виставлення параметрів на віддалі) або якщо є повільна зміна вхідного сигналу.

Для нормальної роботи в колі має бути загальний опір елементів не менше ніж 250 Ом.



Структурна схема під’єднання приладів при застосуванні перетворювача тиску HART стандарту.

1 – блок живлення;

2 – вторинний прилад (або декілька, може бути вхідний блок контролера);

3 – перетворювач тиску з HART – модемом;

4 – комунікатор.

Іноді є прилади з іншими стандартами цифрового зв’язку. Наприклад, ті, які підтримують протокол Profibus або Modbus.


Конструкції первинних перетворювачів.

МАЛЮНОК


1 – корпус з різьбовим з’єднанням;

2 – чутливий елемент сапфіру;

3 – тензорезистори;

4 – гермоввід

Така конструкція може мати розділювач для захисту від дії агресивного середовища. Застосовується для вимірювання тиску розрідження, абсолютного тиску, найбільш складні конструкції – для перетворювачів різниці тисків, вони мають витримувати великі перевантаження (наприклад, при обриві імпульсної лінії).
Двомембранна конструкція перетворювачів різниці тисків.

МАЛЮНОК


1 – корпус;

2, 3 – гофровані мембрани;

4 – стяжка;

5 – силіконова рідина;

6 – тензоструктура;

7 – гермоввід;

8, 9 – бокові кришки.

Придії різниці тисків перміщується стяжка 4 (вправо), до якої по колу приварені мембрани 2 і 3. Стяжка 4 зв’язана важелем з тензоструктурою 6 і при переміщенні її деформує. Це призводить до зміни опору чутливих елементів. При перевантаженні стяжка 4 лягає на основу корпуса 1, а мембрана 2 (3) ляже на спряжені поверхні стяжки 4 і корпусу 1.

При знятті перевантаження відновлюється нормальна робота приладу.

Ця конструкція має велику адитивну і мультиплікативну похибку при дії статичного тиску внаслідок неоднакової площі мембран 2 і 3.

Більш досконалі конструкції з однією вимірюваною мембраною і двома розділюючими.

В таких конструкціях застосовують як і тензорезисторні чутливі елементи, так і ємнісні.

МАЛЮНОК

1, 2 – дві половини корпуса;



3 – вимірювальна мембрана (плоска, працює при невеликих переміщеннях);

4 – тензорезистори;

5, 6 – захисні (розділюючі) мембрани, дуже тонкі;

7 – силіконова рідина;

8 – гермоввід.

Дуже подібна конструкція ємнісного перетворювача. В двох половинках корпусу 1 і 2 є вставки з кераміки, на яких напилені електроди. Разом вся конструкція являє собою диференційний конденсатор (два конденсатори, ємність одного ↑, а другого ↓).

Конструкція ємнісного перетворювача (конструкція типу “Saturn”, фірми “Rosemaund”) мають найкращі метрологічні характеристики. Стабільність в часі – найвища. Зміна параметрів може сягати 0.075% за 10 років.


ч. 1 ч. 2 ч. 3 следующая страница >>
скачать файл

Смотрите также: