Технические измерения и приборы
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
И.Г. Друзьякин, А.Н. Лыков
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
УДК 681.2.04 Д76
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
доктор экономических наук, профессор Р.А. Файзрахманов (Пермский государственный технический университет);
кандидат технических наук Г.А. Сторожев (ООО «Тяжпромэлектропроект-Пермь»)
Друзьякин, И.Г.
Д76 Технические измерения и приборы: учеб. пособие / И.Г. Друзьякин, А.Н. Лыков. – Пермь: Изд-во Перм. гос.
техн. ун-та, 2008. – 412 с.
ISBN 978-5-398-00109-9
Рассмотрены основы средств измерений и приборов. Даны характеристики средств измерений температуры, давления, уровня, расхода, движения.
Рекомендуется для студентов направлений 220300 «Автоматизированные технологии и производства», 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», а также для техников и инженеров.
УДК 681.2.04
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»
ISBN 978-5-398-00109-9 |
© ГОУ ВПО «Пермский государственный |
|
технический университет», 2008 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. |
7 |
Измеряемые и регулируемые величины ................................................................... |
8 |
1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ............................................... |
11 |
1.1. Основные понятия и определения ГСП ........................................................... |
12 |
1.2. Принципы построения ГСП .............................................................................. |
14 |
1.3. Классификация средств измерения и автоматизации ГСП ............................ |
18 |
1.3.1. Функциональные группы изделий ГСП ................................................. |
19 |
1.3.2. Примеры агрегатных комплексов........................................................... |
20 |
1.4. Основные ветви системы................................................................................... |
22 |
Контрольные вопросы .............................................................................................. |
25 |
2. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ................................. |
26 |
2.1. Классификация средств измерения .................................................................. |
26 |
2.1.1. Классификация компонентов измерительных устройств ..................... |
28 |
2.2. Типовые структурные схемы средств измерений ........................................... |
32 |
2.2.1. Структурные схемы средств измерения неэлектрических величин .... |
33 |
2.2.2. Структурные схемы измерительных систем.......................................... |
36 |
2.3. Статические характеристики и параметры измерительных устройств ......... |
37 |
2.4. Динамические характеристики измерительных устройств ............................ |
41 |
2.5. Погрешности средств измерений...................................................................... |
48 |
2.6. Нормирование метрологических характеристик средств измерений ..... |
58 |
2.6.1 Нормирование метрологических характеристик измерительных |
|
устройств .................................................................................................. |
59 |
2.6.2. Нормирование метрологических характеристик измерительных |
|
систем........................................................................................................ |
61 |
Контрольные вопросы .............................................................................................. |
64 |
3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ................................ |
65 |
3.1. Основные понятия об измерительных информационных системах .............. |
65 |
3.1.1. Поколения измерительных информационных систем .......................... |
66 |
3.1.2. Классификация ИИС................................................................................ |
67 |
3.1.3. Требования, предъявляемые к ИИС ....................................................... |
69 |
3.1.4. Основные компоненты ИИС ................................................................... |
69 |
3.2. Виды информационно-измерительных систем................................................ |
71 |
3.2.1. Измерительные системы.......................................................................... |
71 |
3.2.1.1. Многоканальные ИС ............................................................ |
72 |
3.2.1.2. Сканирующие ИС ....................................................................... |
72 |
3.2.1.3. ИС параллельно-последовательного действия |
|
(многоточечные) ................................................................... |
73 |
3.2.2. Системы автоматического контроля ...................................................... |
74 |
3.2.3. Системы технической диагностики........................................................ |
77 |
3.2.4. Система телеизмерения ........................................................................... |
79 |
3.2.5. Перспективы развития ИИС.................................................................... |
80 |
Контрольные вопросы .............................................................................................. |
81 |
3
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ .............................................. |
82 |
4.1. Аналоговые средства измерений ...................................................................... |
84 |
4.1.1. Электромеханические приборы.............................................................. |
85 |
4.1.1.1. Приборы магнитоэлектрической системы ............................... |
88 |
4.1.1.2. Гальванометры ........................................................................... |
92 |
4.1.1.3. Приборы электромагнитной системы ...................................... |
94 |
4.1.2. Компенсаторы постоянного тока ......................................................... |
101 |
4.1.3. Электронные аналоговые вольтметры ................................................. |
103 |
4.2. Цифровые электронные вольтметры.............................................................. |
109 |
4.2.1. Цифровой вольтметр с ГЛИН............................................................... |
112 |
4.2.2. Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования ... |
114 |
4.3. Измерение параметров элементов электрических цепей ............................. |
120 |
4.3.1. Метод вольтметра-амперметра............................................................. |
120 |
4.3.2. Метод непосредственной оценки ......................................................... |
124 |
4.3.2.1. Электромеханические омметры.............................................. |
124 |
4.3.2.2. Электронные омметры............................................................. |
126 |
4.3.3. Компенсационный метод измерения сопротивлений......................... |
129 |
4.3.4. Метод дискретного счета ...................................................................... |
130 |
4.4. Электронно-счетный частотомер ................................................................... |
133 |
Контрольные вопросы............................................................................................ |
136 |
5. ПЕРЕДАЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ... |
138 |
5.1. Дифференциально-трансформаторные преобразователи............................. |
139 |
5.2. Передающие преобразователи с магнитной компенсацией ......................... |
145 |
5.3. Электросиловые преобразователи.................................................................. |
151 |
5.4. Измерительные тензопреобразователи .......................................................... |
153 |
Контрольные вопросы............................................................................................ |
156 |
6. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ........................................................................... |
158 |
6.1. Практические температурные шкалы ............................................................ |
159 |
Средства измерения температур .................................................................... |
161 |
6.2. Термометры расширения ................................................................................ |
162 |
6.2.1. Стеклянные жидкостные термометры ................................................. |
162 |
Технические электроконтактные термометры ................................... |
165 |
6.2.2. Манометрические термометры............................................................. |
167 |
6.2.2.1. Газовые манометрические термометры ................................. |
168 |
6.2.2.2. Жидкостные манометрические термометры ......................... |
169 |
6.2.2.3. Конденсационные манометрические термометры ................ |
170 |
6.3. Термоэлектрические термометры .................................................................. |
171 |
6.3.1. Характеристики материалов для термоэлектрических |
|
преобразователей................................................................................... |
177 |
6.3.2. Конструкция термоэлектрических термометров ................................ |
186 |
6.3.3. Удлиняющие термоэлектродные провода ........................................... |
189 |
6.4. Термометры сопротивления ........................................................................... |
191 |
6.4.1. Медные термометры сопротивления ................................................... |
192 |
6.4.2. Никелевые термометры сопротивления .............................................. |
193 |
6.4.3. Платиновые термометры сопротивления ............................................ |
194 |
4
6.4.4. Неметаллические термометры сопротивления.................................... |
198 |
6.4.5. Устройство термометров сопротивления............................................. |
201 |
6.4.6. Способы подключения термометров сопротивления ......................... |
203 |
6.4.6.1. Двухпроводная схема подключения ....................................... |
204 |
6.4.6.2. Трехпроводная схема подключения ....................................... |
206 |
6.4.6.3. Четырехпроводная схема подключения ................................. |
208 |
6.5. Динамическая характеристика термопреобразователей ............................... |
209 |
6.6. Промышленные термопреобразователи......................................................... |
210 |
6.6.1. Преобразователи термоэлектрические ТХА «Метран-201» |
|
и ТХК «Метран-202» ............................................................................ |
210 |
6.6.2. Термопреобразователи сопротивления медные взрывозащищенные |
|
ТСМ «Метран-253» (50М) и ТСМ «Метран-254» (100М) ....................... |
210 |
6.6.3. Термопреобразователи сопротивления платиновые ТСП |
|
«Метран-245»; «Метран-246» ............................................................... |
211 |
6.6.4. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом |
|
ТХАУ «Метран-271», ТСМУ «Метран-274», ТСПУ «Метран-276» ..... |
211 |
6.6.5. Термопреобразователи микропроцессорные ТХАУ «Метран-271МП», |
|
ТСМУ «Метран-274МП», ТСПУ «Метран-276МП».............................. |
212 |
6.6.6. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281», |
|
«Метран-286» ........................................................................................ |
213 |
Контрольные вопросы ............................................................................................ |
215 |
7. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ................................................................................ |
217 |
7.1. Классификация манометров............................................................................ |
218 |
7.1.1. По виду измеряемого давления............................................................. |
218 |
7.1.2. По принципу преобразования измеряемого давления ........................ |
219 |
7.2. Деформационные манометры ......................................................................... |
221 |
7.2.1. Трубчато-пружинные манометры......................................................... |
224 |
7.2.2. Электроконтактные манометры............................................................ |
226 |
7.2.3. Манометры с ДТП.................................................................................. |
227 |
7.2.4. Манометры с компенсацией магнитных потоков ............................... |
228 |
7.2.5. Преобразователи давления с силовой компенсацией ......................... |
229 |
7.2.6. Сильфонные манометры и дифманометры .......................................... |
230 |
7.2.7. Мембранные манометры и дифманометры ......................................... |
231 |
7.3. Пьезоэлектрические манометры ..................................................................... |
234 |
7.4. Манометры с тензопреобразователями .......................................................... |
235 |
7.5. Методика измерения давления и разности давлений.................................... |
242 |
Контрольные вопросы ............................................................................................ |
247 |
8. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ...................................................................................... |
248 |
8.1. Уровнемеры с визуальным отсчетом.............................................................. |
248 |
8.2. Гидростатические уровнемеры ....................................................................... |
249 |
8.3. Поплавковые и буйковые уровнемеры........................................................... |
257 |
8.4. Емкостные уровнемеры ................................................................................... |
261 |
8.5. Индуктивные уровнемеры............................................................................... |
264 |
8.6. Ультразвуковые уровнемеры .......................................................................... |
265 |
Контрольные вопросы ............................................................................................ |
269 |
5
9. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА .................................................................................. |
270 |
9.1. Требования к расходомерам и счетчикам...................................................... |
271 |
9.2. Методы измерения расхода ............................................................................ |
271 |
9.3. Измерение расхода по переменному перепаду давления ............................. |
273 |
9.3.1. Расходомеры с сужающими устройствами....................................... |
273 |
9.3.2. Измерение расхода по переменному перепаду давления |
|
в осредняющей трубке ..................................................................... |
280 |
9.4. Расходомеры постоянного перепада .............................................................. |
283 |
9.4.1. Ротаметры ............................................................................................ |
283 |
9.4.2. Тахометрические расходомеры ......................................................... |
287 |
9.4.3. Электромагнитные расходомеры....................................................... |
294 |
9.4.4. Ультразвуковые расходомеры ........................................................... |
300 |
9.4.5. Вихревые расходомеры ...................................................................... |
307 |
9.4.6. Вихреакустические расходомеры ...................................................... |
309 |
9.4.7. Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры .................... |
312 |
9.5. Обзор имеющихся расходомеров. .................................................................. |
321 |
Контрольные вопросы............................................................................................ |
336 |
10. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ, СКОРОСТИ, УСКОРЕНИЯ ......................... |
337 |
10.1. Электромашинные датчики угла поворота.................................................. |
337 |
10.1.1. Вращающиеся трансформаторы ...................................................... |
339 |
10.1.1.1. Режим СКВТ ....................................................................... |
342 |
10.1.1.2. Режим ЛВТ.......................................................................... |
344 |
10.1.1.3. Преобразователь координат .............................................. |
346 |
10.1.1.4. Режим фазавращателя ........................................................ |
346 |
10.1.1.5. Дистанционная система передачи угла |
|
с использованием ВТ ...................................................... |
354 |
10.1.2. Индуктосины ..................................................................................... |
356 |
10.1.3. Редуктосины ...................................................................................... |
360 |
10.1.4. Сельсины ........................................................................................... |
360 |
10.2. Фотоэлектрические преобразователи положения ....................................... |
368 |
10.3. Кодовые датчики положения ........................................................................ |
375 |
10.4 Тахогенераторы............................................................................................... |
378 |
10.2.1. Асинхронный тахогенератор ........................................................... |
379 |
10.2.2. Тахогенераторы постоянного тока ................................................. |
382 |
10.4.3. Импульсные датчики скорости ........................................................ |
387 |
10.5. Инерционные датчики ускорения, скорости, положения........................... |
388 |
Контрольные вопросы............................................................................................ |
390 |
11. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ.............................. |
392 |
11.1. Передача размера единиц измерения ........................................................... |
394 |
11.2. Регулировка, градуировка и поверка средств измерений........................... |
396 |
11.3. Метрологическое обеспечение средств измерений давления .................... |
400 |
Грузопоршневые манометры ....................................................................... |
401 |
Контрольные вопросы............................................................................................ |
403 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................... |
404 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................................... |
408 |
6
«В физике существует только то, что можно измерить»
Макс Планк
ВВЕДЕНИЕ
Производством измерений человечество занимается с давних времен, еще за четыре тысячелетия до нашей эры древние вавилоняне проводили астрономические измерения. Строительство египетских пирамид было бы невозможным без производства измерений. Развитие науки и производства требовало увеличения количества измерений, повышения их точности, включения в круг измеряемых все новых и новых величин. Исторически развитие измерительной техники неразрывно связано с развитием потребностей общества. Современные условия характеризуются ускоренным развитием науки и промышленного производства, что немыслимо без широчайшего применения самых разнообразных измерений и измерительных устройств.
Под понятием «измерять», с одной стороны, в быту понимают простейшую операцию получения либо численного значения какойлибо величины, либо операцию сравнения: «больше», меньше», которые без труда выполняются с помощью простых средств. С другой стороны, современные фундаментальные научные исследования требуют проведения сложнейших измерений, постановку и выполнение которых осуществляют целые научные организации, располагающие специалистами высшей квалификации.
Общей для всех измерений является осуществляемая при каждом измерении экспериментальная операция, состоящая в сравнении измеряемой физической величины с одноименной ей величиной, принятой за единицу. Целью такого сравнения является определение количественной оценки измеряемой величины в виде определенного числа принятых для нее единиц. За внешней простотой указанной
7
экспериментальной операции скрываются глубокие философские концепции, связанные с материалистическими представлениями о познаваемости явлений природы.
Затраты на измерительную технику в конце двадцатого века составляли 10…15 % всех материальных затрат на общественное производство, а в таких отраслях промышленности, как радиоэлектроника, авиастроение, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, эти затраты доходили до 25 %.
В СССР ежедневно проводилось более 20 млрд измерений. Выполнением измерений и связанных с ними операций контроля было занято более 3 млн трудящихся. В настоящее время без измерений не может обойтись практически ни одна область деятельности человека.
Основной потребитель измерительной техники – промышленность. Здесь измерительная техника является неотъемлемой частью технологических процессов, так как используется для получения информации о многочисленных режимных параметрах, определяющих ход процессов. На использовании разнообразных и часто сложных измерительных устройств и установок базируется в промышленности контроль качества продукции и сырья.
ИЗМЕРЯЕМЫЕ И РЕГУЛИРУЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Набор измеряемых параметров зависит от специфики технологических процессов.
В зависимости от характера технологического процесса все производства можно разделить на две группы: производства с непрерывным и производства с дискретным (штучным) характером технологических процессов.
К первой группе относятся производства таких отраслей промышленности, как нефтеперерабатывающая, газоперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, металлургическая, теплоэнергетическая, ко второй группе – таких отраслей, как машиностроение, приборостроение, радиоэлектронная, пищевая.
8
Приближенное представление о том, какие параметры и в каком относительном количестве измеряются на производствах с непрерывным и дискретным характером технологических процессов, поможет составить таблица.
Процент измеряемых параметров в различных производствах
|
Число измерений для каждого |
||
Параметр |
из производств, % |
||
|
непрерывное |
штучное |
|
|
|
|
|
Температура |
50 |
8 |
|
|
|
|
|
Расход (массовый, объемный) вещества |
15 |
4 |
|
Количество (масса, объем) вещества |
5 |
5 |
|
|
|
|
|
Давление |
10 |
4 |
|
|
|
|
|
Уровень |
6 |
4 |
|
Число изделий |
|
25 |
|
|
|
|
|
Размер, положение, расстояние |
|
25 |
|
|
|
|
|
Время |
4 |
15 |
|
|
|
|
|
Состав веществ |
4 |
|
|
|
|
|
|
Прочие (физико-химические свойства, |
6 |
10 |
|
напряжение, ток, скорость) |
|||
|
|
||
|
|
|
|
Из таблицы видно, что на производствах с непрерывным характером технологических процессов измерения давления, температуры, расхода, уровня и количества вещества составляют более 86 % от общего числа всех измерений. Оставшиеся 14 % измерений составляют измерения состава, физико-химических свойств вещества и электрических величин.
Виды технических измерений
–теплотехнические – измерение давления, температуры, расхода и уровня;
–физико-химические – измерение состава и физико-химичес- ких свойств вещества;
–электрические – измерение электрических величин.
9
Современное производство характеризуется сложностью, значительной мощностью технологических аппаратов и большим числом различных параметров, от которых зависит протекание технологического процесса. Все это определяет тот факт, что проведение современных технологических процессов без их частичной или полной автоматизации невозможно.
Автоматизация технических процессов и производств базируется на ряде измерений технологических параметров.
Получение достоверных результатов в процессе измерения технологических параметров обеспечивает не только эффективное протекание технологического процесса, но и безопасность производства. При современном росте единичной мощности производственных установок этот аспект принимает особое значение.
10