Измерения массы

Процесс измерения массы относится к числу косвенных. Это связано с тем, что массу находят путем измерения веса тела; объема и плотности вещества тела; ускорения, сообщаемого телу определенной силой; периода колебаний тела.

Последние два способа применяют очень редко.

Процесс измерения массы путем измерения веса называется взвешиванием, а приборы весами.

Весы условно можно разделить на механические и электромеханические. К механическим весам относятся рычажные, пружинные и гидравлические приборы, а к электромеханическим тензометрические, индуктивные, частотные и т.д. по типу датчиков.

При взвешивании на рычажных равноплечных весах, когда на одной чашке находится тело массой , а на другой – гири массой измерение является прямым и массу тела определяют непосредственно по массе гирь.

Возможен вариант, при котором взвешивание производится гирями меньшей массы, но только с использованием неравноплечных весов.

Результаты взвешивания на рычажных весах не зависят от места нахождения весов на поверхности Земли. Если груз взвешен на рычажных весах на экваторе, а затем груз и гири перенесены на полюс, то и груз и гири изменяют свой вес одинаково, и взвешивание на полюсе даст тот же результат, что и на экваторе.

В случае взвешивания на пружинных весах вес тела воздействует на пружину, деформация которой через зубчатую рейку и колесо передается на стрелку. Очевидно, что показания таких весов будут зависеть от места измерения т.к. деформация пружины будет зависеть от g.

Измерение деформации и давления

Деформация – изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое напряжение.

Деформации разделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. Наиболее распространённый метод исследования деформации — с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются тензодатчики сопротивления, используются поляризационно-оптические методы исследования напряжения и рентгеновский структурный анализ.

Измерение давления наиболее часто необходимо для управления различными технологическими процессами, а также для обеспечения безопасности производства. Кроме того, этот параметр используется при косвенных измерениях других технологических параметров: уровня, расхода, температуры, плотности и т. д. В системе СИ за единицу давления принят паскаль (Па).

Все приборы для измерения давления можно разделить на манометры абсолютного давления и манометры относительного давления (дифманометры). Дифманометры измеряют DР = Р₂ - Р₁ .

В большинстве случаев первичные преобразователи давления имеют неэлектрический выходной сигнал в виде силы или перемещения и объединены в один блок с измерительным прибором. Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то применяют промежуточное преобразование этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический или пневматический. При этом первичный и промежуточный преобразователи объединяют в один измерительный преобразователь.

Для измерения давления используют: манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, датчики давления, дифманометры.

В большинстве приборов измеряемое давление преобразуется в деформацию упругих элементов, поэтому они называются деформационными.

Деформационные приборы широко применяют для измерения давления при ведении технологических процессов благодаря простоте устройства, удобству и безопасности в работе. Все деформационные приборы имеют в схеме какой-либо упругий элемент, который деформируется под действием измеряемого давления: трубчатую пружину, мембрану или сильфон.

Наибольшее применение получили приборы с трубчатой пружиной. Их выпускают в виде показывающих манометров и вакуумметров c максимальным пределом измерений.

Для дистанционной передачи показаний выпускают манометры с промежуточными преобразователями с токовым и пневматическим выходом, а также с дифференциально-трансформаторными преобразователями.

Изгиб мембраны может преобразовываться непосредственно в отклонение стрелки относительно шкалы или в электрический сигнал.

Для преобразования деформации мембраны в унифицированный токовый сигнал применяют также тензорезисторные промежуточные преобразователи, в которых сопротивление резистора изменяется при его растяжении или сжатии. В таких приборах тензорезистор укреплен на жесткой измерительной мембране. Деформация мембраны, пропорциональная приложенному давлению, приводит к деформации тензорезистора и изменению его сопротивления. Это сопротивление преобразуется измерительной схемой, включающей неуравновешенный мост, в выходной сигнал постоянного тока. Так как деформация жесткой мембраны мала, то применяют полупроводниковые кремниевые тензорезисторы, обладающие высокой чувствительностью.

Тензорезисторные преобразователи предназначены для преобразования давления, разрежения и разности давлений в пропорциональное значение выходного сигнала – постоянного тока.

Лекция 5. Преобразователи для измерения динамических величин

План лекции:

- Тензорезисторные преобразователи и их характеристики;

- Конструкции тензорезисторных чувствительных элементов;

- Пьезоэлектрические датчики;

- Магнитоупругие датчики.

Тензорезисторные преобразователи и их характеристики

Тензорезисторные преобразователи являются наиболее распространенными элементами.

В основе работы тензорезисторов лежит свойство некоторых проводниковых (металлических) и полупроводниковых материалов менять активное сопротивление при деформации за счет изменения геометрических размеров и удельного сопротивления.

К примеру, сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки длиной l, определяется выражением:

где ρ - удельное сопротивление материала проволоки;

S - площадь поперечного сечения проволоки.

Коэффициент относительной тензочувствительности характеризует отношение относительного изменения сопротивления тензорезистора к его деформации:

где R – сопротивление токопроводящего элемента;

l – длина токопроводящего элемента;

и – приращение сопротивления и длины под внешним воздействием;

- относительное изменение сопротивления;

– относительная деформация;

– коэффициент Пуассона, удельное сопротивление и приращение удельного сопротивления.

Коэффициент Пуассона для большинства металлов лежит в пределах от 0,2 до 0,4. Для части металлов деформация мало сказывается на величине удельного сопротивления. Именно такие металлы используются для построения тензорезисторов. Коэффициент относительной тензочувствительности у них близок 2.

Наряду с чувствительностью важными характеристиками тензорезисторов являются их статическая характеристика, механический гистерезис, ползучесть, функция влияния температуры на чувствительность, дрейф выходного сигнала. Характеристики преобразования тензорезистора в общем случае являются нелинейной функцией:

где R – сопротивление тензорезистора под действием деформации;

– исходное сопротивление тензорезистора.

Если сечение резистора S постоянно по его длине, то

Механический гистерезис, как и ползучесть, обусловлен упругим несовершенством основы и клея и численно определяется как приведенная к входу разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и плавном уменьшении. Для различных типов тензорезисторов механический гистерезис лежит в пределах 0,5-5%.

Ползучесть проявляется в виде изменения выходного сигнала при заданном и неизмененном значении деформации и определяется обычно как:

,

где - приведенное к входу изменение выходного сигнала при заданной относительной деформации

Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея. В пределах упругого диапазона деформаций ползучесть большинства тензорезисторов не превышает 1-1,5% за 6 ч.

Температурная нестабильность, или влияние температуры окружающей среды на основные параметры тензорезисторов, заключается, с одной стороны, в изменении сопротивления тензорезистора за счет его ТКС, а с другой – в появлении дополнительных механических напряжений вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали.

Основной динамической характеристикой тензорезисторов является их собственная частота, значение которой для наклеенных тензорезисторов лежит в пределах 100-300 кГц. Собственная частота тензорезистора определяет предельную частоту исследуемого процесса, при которой частотными погрешностями можно пренебречь. Для исследований переменных деформаций обычно выбирают тензорезистивный преобразователь, собственная частота которого хотя бы в 5-10 раз превышала частоту деформаций.