Методы и средства измерений и контроля. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов направления подготовки 27.03.01 – Стандартизация и метрол

собой гибкую пластину, закрепленную по окружности. При подаче давления в одну из камер, разделенных мембраной, центр ее окружности перемещается на величину Х. Статическая характеристика плоской мембраны имеет нелинейный вид, поэтому такие мембраны в приборах давления неиспользуют. Для линеаризации статической характеристики применяют гофрированные мембраны.

Чаще всего используют мембранные коробки, жесткость которых меньше, чем жесткость отдельной мембраны. Это приводит к росту крутизны статической характеристики и увеличению зоны перемещений, пропорциональных приложенному давлению.

Мембранные чувствительные элементы имеют статическую характеристику зависимости (ΔХ от Р) более крутую, чем сильфоны, что позволяет широко использовать их для измерения малых напоров и разрежений.

11.3.Электрические манометры

Вотличие от первичных приборов давления и приборов со встроенными преобразователями существуют электрические приборы давления, в чувствительных элементах которых происходит прямое преобразование давления в электрический измерительный сигнал.

Рассмотрим электрические манометры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления веществ от измеряемого давления. Их называют тензопреобразователями.

Тензопреобразователи изготовляют из полупроводников, константана, платины, сплавов меди и никеля. В приборах давления их используют в качестве чувствительных элементов, механически соединенных с мембраной или пружиной прибора, которая деформируется под действием измеряемого давления.

Впромышленности получили распространение приборы для измерения давления «Сапфир», в которых в качестве чувствительного элемента служит сапфировая мембрана с напылёнными полупроводниковыми сопротивлениями.

Тензопреобразователи из полупроводников по сравнению с металлическими обладают большей чувствительностью, малыми размерами и массой.

Для измерения высоких давлений (до 1000 МПа) применяют тензопреобразователи из манганина. В приборах для измерения давления чувствительные элементы из этого материала выполняют в виде катушек. Сопротивления катушек под давлением определяют с помощью мостовых измерительных схем, а при необходимости точных измерений – потенциометрами.

Недостатками приборов «Сапфир» являются необходимость индивидуальной градуировки и зависимость показаний прибора от температуры измеряемого объекта. Из-за последнего недостатка приходится вводить в измерительную схему приборов с тензопреобразователями устройства термокомпенсации.

Принцип действия других электрических приборов для измерения давления основан на использовании пьезоэлектрического эффекта. Этот эффект связан с появлением электростатических зарядов на гранях кристаллов кварца при их деформации вдоль оси перпендикулярно этим граням. Кристаллы выполня-

61

ют в виде двух пластин, механически соединенных с мембраной, на которую воздействует измеряемое давление.

Пьезокварцевые манометры позволяют измерять давление до 100 МПа и широко применяются при измерении циклически меняющихся давлений большой частоты. Чувствительность таких преобразователей можно повысить, используя большее количество кварцевых пластин, увеличивая активную площадь мембраны или удлиняя пластину.

Недостатками пьезокварцевых манометров является низкая точность измерения статического давления из-за утечки электрического заряда, а достоинством – низкая температурная погрешность.

11.4. Измерение давления в рабочих условиях

Метод и средства измерений давления выбирают в зависимости от требуемой точности, условий проведения измерений, диапазона измеряемых давлений, способов отбора давления и его подвода к измерительным приборам.

Исходя из надежности работы приборов, конечное значение их шкалы выбирают таким, чтобы оно превышало измеряемую величину при стабильном давлении в 1,5 раза, а при колеблющемся – в 2 раза. В обоих случаях минимальное измеряемое давление должно быть не меньше 1/3 диапазона шкалы прибора.

Показания манометров с упругими чувствительными элементами зависят от температуры, поэтому их устанавливают так, чтобы исключить влияние температуры измеряемой и окружающей среды. Дополнительная погрешность этих манометров составляет 0,4 % на каждые 10 °С.

Место отбора давления в жидких средах не рекомендуется выбирать в нижних и верхних точках трубопроводов (во избежание попадания шламов, взвесей и газов в импульсные линии, передающие измеряемый сигнал по давлению от отборного устройства к первичному прибору), а в газовых средах – в нижних точках (во избежание попадания влаги в импульсные линии). Длина импульсных линий не должна превышать 50 м, так как с ее ростом увеличивается запаздывание (инерционность) в показаниях приборов для измерения давления, при этом внутренний диаметр линий должен быть от 6 до 15 мм.

Давление на важных, с точки зрения надежной эксплуатации, технологических участках (давление питательной воды, перегретого пара) измеряют первичными манометрами, снабженными передающими преобразователями ко вторичным приборам, расположенным на БЩУ. Для контроля давления различных сред в вспомогательных объектах применяют показывающие манометры прямого действия, устанавливаемые по месту или на местном щите управления в удобных для монтажа и обслуживания пунктах, не подверженных действию вибраций, высокой температуры, агрессивных газов, водяных паров. Для показывающих манометров устанавливаются следующие рабочие условия эксплуатации: температура окружающей среды от 5 °С до 50 °С, влажность от 30 до 80 %; рабочее положение приборов вертикальное, штуцером вниз.

62

Приборы для измерения давления с дистанционной передачей измерительных сигналов должны быть удалены от источников магнитных полей (электродвигателей, трансформаторов).

Приборы для измерения давления лучше всего размещать так, чтобы на них дополнительно не действовало давление столба жидкости в линии, иначе в показания манометра вводится указываемая на приборе поправка со знаком «+» (если манометр расположен выше места отбора давления) и «–» (если прибор расположен ниже). При температуре среды более 25 °С также вводится поправка к показаниям на каждые 10 °С. При измерении пульсирующего давления (например, в напорной линии насосов) для его сглаживания перед манометром устанавливают дроссель.

В котлоагрегатах необходимо контролировать близкое к атмосферному давление газовых сред в топке, газоходах, воздухопроводах. С этой целью используют тягомеры, напоромеры или тягонапоромеры.

11.5. Измерение влажности

Влажность газов и твердых тел является одним из важных параметров, подлежащих контролю технологических процессов в различных отраслях промышленности. Влажность воздуха и газов при технических измерениях характеризуется следующими параметрами:

1)абсолютной влажностью, определяемой количеством водяного пара, содержащегося в единице объема газа (г/м3);

2)влагосодержанием – массой водяного пара, отнесенного к массе сухого газа (г/ кг);

3)температурой точки росы – температурой, при которой газ становится насыщенным содержащимся в нем водяным паром (°С);

4)относительной влажностью, определяемой отношением абсолютной влажности к влажности при данной температуре (%).

Влажность твердых и сыпучих тел характеризуется следующими параметрами:

1)влагосодержанием: отношением массы влаги к массе абсолютно сухого тела;

2)влажностью – отношением массы влаги к массе влажного тела. Эти величины выражаются главным образом в процентах.

Те или иные параметры, характеризующие влажность, применяют в зависимости от целей и задач конкретного технологического процесса.

Впроизводственной практике обычно используют параметр – влажность. Средства измерения влажности имеют многолетнюю историю. Создание

волосяного гигрометра относится к 1783 г., кондуктометрический метод был предложен в начале двадцатого столетия. Однако в последние годы в технологических процессах коренным образом изменились требования к приборам для измерения влажности и задачи измерений. Потребовались автоматические приборы контроля влажности, работающие в условиях агрессивных сред и радиационных воздействий.

63

Разработаны следующие методы измерения влажности: психрометрический, сорбционный, гигрометрический, метод точки росы и другие.

Для определения влажности твердых и сыпучих тел применяются прямые методы, позволяющие определить непосредственно массу влаги или массу сухого вещества в навеске и косвенные методы, позволяющие определять влажность путем измерения функционально связанной с ней величины.

Характерная особенность прямых методов – высокая точность. Однако прямые методы длительны по времени. Так, время высушивания навески до постоянной массы составляет 5–15 ч. Косвенные методы характерны быстрым определением влажности, но имеют значительно меньшую точность по сравнению с прямыми.

Впроизводственных условиях, когда требуется большое количество быстрых анализов, отдают предпочтение косвенным методам. Только эти методы позволяют автоматизировать контроль влажности. Из косвенных методов для автоматического непрерывного измерения влажности получили распространение кондуктометрический, емкостный, радиоактивный и ядерного магнитного резонанса методы.

Для измерения психрометрического эффекта психрометр имеет два одинаковых термометра, из которых у одного (мокрого) часть все время остается влажной, соприкасаясь с гигроскопическим телом, всасывающим воду из сосуда. При испарении влаги с увлажненной поверхности мокрого термометра его температура понижается. В результате между сухим и мокрым термометрами получается разность температур, называемая психрометрической разностью.

Вдатчиках электрических психрометров для определения температуры применяются термопары, полупроводниковые термосопротивления и металлические термометры сопротивления.

Термоэлектрические датчики изготовляются в виде термобатарей, разделенных на две группы, одна из которых смачивается. Термо-э. д. с., измеряемая на выводах термобатарей, пропорциональна психрометрической разности температур.

Методом точки росы можно измерять влажность газа при любых давлениях. При неизменном давлении точка росы не зависит от температуры исследуемого газа. Для определения момента наступления точки росы обычно используют охлаждаемое металлическое зеркало, температуру которого в момент выпадения конденсата на нем фиксируют как точку росы. Рабочая поверхность зеркала должна быть обезжирена. При наличии в исследуемом газе пыли, масел, тяжелых углеводородов и других загрязнений необходимо предусматривать автоматическую очистку поверхности зеркала.

Вавтоматических приборах появление точки росы на зеркальной поверхности определяется по ослаблению светового потока, отраженного от зеркала и воспринимаемого фотоэлементом. Зеркалом гигрометра является отполированная торцовая поверхность полого цилиндра из нержавеющей стали, помещенного в среде газа, влажность которого измеряется.

64

Внутренняя полость цилиндра охлаждается непрерывно протекающей жидкостью. Температура охлаждающей жидкости регулируется электрическим подогревателем.

Температура поверхности цилиндра (точка росы) измеряется термометром сопротивления или термопарой.

Влажность газа определяется по электропроводности ненасыщенных водных растворов электролитов, содержащихся во влагочувствительном элементе (электролитические гигрометры).

Для точного измерения влажности температура исследуемого газа должна быть ниже равновесной температуры чувствительного элемента, но выше точки росы. Обычно ограничиваются измерением точки росы до 60 °С при температуре газа не выше 100 °С.

Вторичный прибор, подключенный к термометру сопротивления, градуируется в единицах абсолютной влажности. В качестве вторичного прибора используется уравновешенный мост или логомер. При наличии второго термометра сопротивления, измеряющего температуру окружающей среды, можно измерять относительную влажность.

Влагомеры с подогревными датчиками могут применяться для любых газов, не воздействующих на раствор хлористого лития. Градуировка подогревных датчиков устойчива во времени, сами датчики взаимозаменяемы. Показания приборов не зависят от давления. Основной недостаток влагомеров с подогревными датчиками – узкие пределы их применения.

Емкостные влагомеры применяются как для твердых материалов, так и для жидкостей. Большинство капиллярно-пористых тел имеют диэлектрическую проницаемость ε = 1 - 6 (у воды ε = 81). Присутствие влаги в твердом материале значительно влияет на величину диэлектрической проницаемости. Обычно диэлектрическую проницаемость влажного материала определяют по изменению емкости конденсатора, между обкладками которого находится исследуемое вещество.

Датчики емкостных влагомеров выполняются в виде двух плоских пластин или двух концентрических цилиндров, пространство между которыми заполняется исследуемым материалом. Датчик заполняется обычно путем засыпки при свободном падении материала с определенной высоты. Опыт показывает, что при таком способе заполнения датчика обеспечивается наилучшая воспроизводимость результатов измерения.

11.6.Метод определения шумоизоляционных свойств тканей

идругих материалов

Акустические свойства тканей, обивочных и строительных материалов, характеризующих отношение материалов к звуку, существенным образом влияют на жизнь человека. Отношение к звуку определяется степенью поглощения или пропускания энергии, что определяет шумоизоляционные свойства. Человек постоянно находится в акустическом поле.

65

Водители автомобилей, лётчики, машинисты, рабочие производственных цехов и другие работники испытывают постоянное и длительное влияние звука, что может привести к нарушению психофизического состояния.

Драпировка театров, концертных залов, залов заседаний, аудиторий требует определённых качеств к поглощению или отражению энергии звука, что в конечном итоге определяет качество и принадлежность помещения. Звукоизоляционные свойства строительных материалов в жилых помещениях обеспечивают комфорт проживания.

Теория поглощения и отражения звука или взаимодействие энергии звука с веществом хорошо разработана и существует множество методов, позволяющих достаточно точно определить звукоили шумоизоляционные характеристики различных тканей и других материалов. В основе почти всех методов лежит принцип сравнения интенсивности отражённой энергии звука или прошедшей с интенсивностью исходной энергии. Более того, методы позволяют анализировать не только интенсивность звуковой энергии, но и спектральный состав. Была выяснено, что разные частоты неодинаково отражаются и поглощаются при взаимодействии с различными материалами. На основании этих исследований составляются шумовые карты улиц, помещений и различных залов.

Результаты измерений звуко- и шумоизоляционных характеристик материалов регламентируют выбор строительных и обивочных материалов, что способствует их эффективному использованию в производстве в повседневной жизни.

Заключение

Для описания явлений, процессов и свойств тел или систем используются количественные характеристики – физические величины. Понятие физической величины содержит качественные и количественные параметры, но чтобы получить количественные характеристики необходимо осуществить процесс измерения, иначе говоря, сравнить физическую величину с однородной, принятой за единицу.

Процесс сравнения оказался очень непростым даже для однородных основных величин. Размеры физической величины определяют метод измерения, и разнообразие размеров физических величин породило разнообразие методов.

Развитие и совершенствование методов измерений являются движущей силой науки и техники. Можно уверенно утверждать, что любые физические эксперименты есть не что иное, как методы измерения.

Следует отметить, что единицы измерения не являются объектами природы, а представляют лишь вспомогательный аппарат, применяемый для изучения явлений, процессов и свойств матери. Поэтому теоретически возможно бесконечное множество единиц измерения, но на практике удобно пользоваться единой системой единиц, являющейся в настоящее время фундаментальной основой образования всех производных единиц.

66

Библиографический список

1.Фокин, С. А. Обработка результатов измерений физических величин [Электронный ресурс]: учеб. пособие для лабораторного практикума по физике / С. А. Фокин, А. М. Бармасова, М. А. Мамаев. – Электрон. текстовые данные. – СПб.: Российск. гос. гидрометеорологическ. ун-т, 2009. – 63 c. – Режим досту-

па: http://www.iprbookshop.ru/17948. – ЭБС «IPRbooks».

2.Латышенко, К. П. Технические измерения и приборы. Ч. I [Электронный ресурс]: учеб. пособие / К. П. Латышенко. – Электрон. текстовые данные. – Саратов: Ву-

зовск. образование, 2013. – 480 c. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/20403. –

ЭБС «IPRbooks».

3.Латышенко, К. П. Общая теория измерений [Электронный ресурс] / К. П. Латышенко. – Электрон. текстовые данные. – Саратов: Вузовск. образова-

ние, 2013. – 300 c. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/20398. – ЭБС

«IPRbooks».

4.Серавин, Г. Н. Методы и средства измерения скорости звука в море [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Г. Н. Серавин, И. И. Микушин. – Электрон. текстовые данные. – СПб.: Судостроение, 2012. – 224 c. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/11374. – ЭБС «IPRbooks».

5.Новиков, Н. Ю. Теория шкал. Принципы построения эталонных процедур измерения, кодирования и управления [Электронный ресурс] / Н. Ю. Новиков. — Электрон. текстовые данные. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. – 502 c. – Ре-

жим доступа: http://www.iprbookshop.ru/33381. – ЭБС «IPRbooks».

6.Егоров, Ю. Н. Метрология и технические измерения [Электронный ресурс]: сб. тестовых заданий по разделу дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация» / Ю. Н. Егоров. – Электрон. текстовые данные. – М.: Московск. гос. строительный ун-т, ЭБС АСВ, 2012. – 104 c. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/16371. – ЭБС «IPRbooks».

7.Буркова, Л. А. Физические основы измерений и эталоны: учеб. пособие / Л. А. Буркова. – CПб.: СПГУТД, 2015. – 150 с. (тираж 40 экз.). http://library.sutd.ru.

67

Майбуров Сергей Павлович Иванов Константин Георгиевич Иванова Светлана Юрьевна

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

Издательский редактор Т. Н. Козлова

Учебное электронное издание сетевого распространения

Системные требования:

электронное устройство с программным обеспечением для воспроизведения файлов формата PDF

Режим доступа: http://publish.sutd.ru/tp_get_file.php?id=2017526, по паролю.

– Загл. с экрана.

Дата подписания к использованию 05.06.2017 г. Рег. № 526/17

ФГБОУВО «СПбГУПТД» Юридический и почтовый адрес:

191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18. http://sutd.ru/

68