Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы измерений. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 319 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

С целью снижения чувствительности к помехам желательно, чтобы измеряемые величины представлялись непосредственно в виде частотно-модулированных сигналов. Это позволяет также полностью использовать высокую разрешающую способность. Частотномодулированные сигналы к тому же могут быть реализованы с меньшим дрейфом нуля, чем амплитудно-модулированные, и их можно сравнительно просто методом счета преобразовать в цифровую форму.

Передача сигналов Аналоговые амплитудно-модулированные сигналы чувствительны к аддитивным помехам. Поэтому при их передаче на значительные расстояния необходимы особые меры предосторожности, например, токовый сигнал или частотная модуляция. На информацию в виде цифровых сигналов аддитивные помехи почти не влияют. Поэтому для обеспечения минимальной погрешности нужно либо устанавливать ЭВМ по возможности ближе к контролируемому процессу, либо передавать сигналы в цифровой форме. В последнем случае возникает возможность дополнительно проверить правильность данных в приемном устройстве при помощи одновременно передаваемой избыточной информации.

Считывание Сигналы, подлежащие обработке, в большинстве случаев поступают в аналоговой форме. Это обусловливает необходимость их аналого-цифрового преобразования. Для этой цели сигнал считывается через некоторые промежутки времени ττττ,

кратковременно запоминается и затем преобразуется в цифровой сигнал. Аналоговый сигнал обычно считывается (дискретизируется) и фиксируется в каком-либо блоке памяти на время выполнения аналого-цифрового преобразования. Прямое преобразование аналогового сигнала (без дискретизации) возможно и имеет смысл лишь в том случае, если скорость считывания намного выше наибольшей частоты, содержащейся в сигнале.

Для цифрового кодирования аналоговых измерительных сигналов с целью их обработки на ЭВМ применяют аналогоцифровые преобразователи. Они преобразовывают входное напряжение U

одированный выходной сигнал Ua.

в к

Двоично-кодированный выходной сигнал может быть представлен в следующей форме:

−−−

......

ε+=+++=

)U/U(2a.....2a2aD

refe

причем

)1n(.)1n(

+−+−

+≤ε≤− ,

где n – число разрядов (бит) аналого-цифрового преобразователя; U

ref

сравнительное напряжение, т. е. диапазон входного сигнала; аi значения отдельных разрядов (0 или 1); ε — погрешность квантования, не превышающая по абсолютной величине половины ошибочного бита: |ε| ≤ 1/2 (LSB); аn—наименьший значащий бит (LSB), т. е. бит с наименьшим значением позиции (least significant bit).

Разрешающую способность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) обычно выбирают с таким расчетом, чтобы погрешность квантования имела бы такой же порядок величин, что и абсолютная погрешность входного сигнала Ue.

о принципу функционирования аналого-цифровые

П преобразователи подразделяют на параллельные и последовательные. Параллельные аналого-цифровые преобразователи определяют все коэффициенты a

одновременно. В последовательных

преобразователях все коэффициенты определяются один за другим. Такой процесс происходит медленнее, чем в параллельном преобразователе, однако затраты на схемную часть при этом значительно сокращаются. Кроме того, существуют различные способы, в которых используются комбинации обеих разновидностей АЦП.

С развитием технологии цифровых интегральных схем появилась возможность создания достаточно сложных и в то же время недорогих устройств обработки информации в виде компактных микросхем. Сравнительно недавно были созданы программируемые большие интегральные схемы (БИС), позволяющие изменять режим работы путем подачи определенных командных сигналов. Основным типом таких БИС являются микропроцессоры - программноуправляемые устройства обработки информации, выполненные в виде одной или нескольких микросхем. При использовании вспомогательных устройств, расширяющих возможности микропроцессорных систем (накопителей, дисплеев, клавиатуры и т.д.), называемых периферийными устройствами (ПУ), ввод информации осуществляется с клавиатуры, а вывод – посредством устройства отображения и регистрации (принтеры, дисплеи и т.п.).

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Методы измерения температуры. Под температурой

понимают основную физическую величину, определяющую

- законы изменения состояния идеального газа,

- коэффициент полезного действия идеального

термодинамического цикла Карно,

- среднюю кинетическую энергию хаотического (теплового)

движения молекул,

- мощность излучения абсолютно черного тела,

- определяющая распределение атомов по уровням энергии.

Термодинамическая температура определяется как параметр состояния при термодинамическом равновесии тел. Для идеального газа, под которым понимается ансамбль невзаимодействующих атомов, расстояния между которыми много больше их собственных размеров, справедлив закон Менделеева - Клапейрона, связывающий параметры состояния - температуру Т, давление р и объем V:

= ,

где m - масса газа и µ — молекулярный вес частиц газа.

В системе СИ основной единицей является Кельвин, который является единицей измерения в так называемой абсолютной термодинамической шкале. В системе СИ узаконен как производная единица градус Цельсия, определяемый как:

tºC=(T-273.15)К

Во многих странах Западного полушария и в первую очередь в США общепринятой является шкала Фаренгейта, в которой разность температур между таянием льда и кипением воды делится на 180 частей, а температуре таяния льда приписана температура 32 °F. Соответственно, разность температур в шкале Кельвина и Фаренгейта относятся как 100/180 или как 5/9 т.е:

TKΔ

100

FtΔ

180

Перевод °С в °F осуществляется по формуле:

C =

tº

(t-32) °F

В абсолютной термодинамической шкале температура в Кельвинах через температуру в градусах Фаренгейта будет представлена как:

TK = 255.38 +

t°F

Достаточно редко, встречаются термометры, отградуированные в градусах Реомюра. Шкала Реомюра строится таким образом, что разность температур плавления льда и кипения воды делится на 80 частей. Причиной этого является тот факт, что спирт с водой (основная термометрическая жидкость) расширяется между точками замерзания воды и точкой кипения на 8% своего объема. Размер градуса в шкале Реомюра можно воспроизвести изменением объема водно-спиртовой жидкости на 0,08/80 = 0,001 первоначального объема. Соответственно, температурные интервалы в шкале Кельвина и Реомюра относятся как

80 или как 5/4, т. е.

100/

TKΔ

100

RtΔ

Для пересчета температур:

tºC =

t°R

В системе СИ, основной величиной принята термодинамическая температура, а единица в разных температурных диапазонах определяется по так называемым реперным точкам — фиксированным значениям температур, соответствующих либо тройным точкам, либо плавлению, либо затвердеванию чистых веществ, в основном чистых металлов. Вещества с фиксированными температурными характеристиками делятся на определяющие реперные температурные точки и вторичные. Такое подразделение делается по той причине, что у некоторых веществ температуры плавления или отвердевания хорошо воспроизводятся, а для некоторых при воспроизведении наблюдаются заметные расхождения.

Для обеспечения единства измерений температуры в международном масштабе и максимального сближения единой практической температурной шкалы со шкалой термодинамической была установлена Международная температурная шкала (ITS - 90 – МТШ-90), введенная в действие с начала 1990 г. Эта шкала определена в диапазоне от 0,65 К до наибольших температур,

которые можно измерить по закону Планка при использовании монохроматического излучения (наивысшая температура плазмы 15000 К). Шкала МТШ-90 построена так, что по ее диапазону числовое значение температуры Т90 максимально приближено к значению термодинамической температуры Т в соответствии с лучшими оценками на период принятия шкалы (расхождение не превышает 1...3 мК).

Международная температурная шкала опирается на ряд значений температуры, приписанных реперным точкам, соответствующим определенным фазовым переходам. Для определения промежуточных значений температуры используются инерполяционные приборы. Для разных участков шкалы установлены стандартные интерполяционные функции. Совокупность реперных точек МТШ-90 представлена в табл.4.

Таблица 4 - Температуры реперных точек шкалы МТШ-90

Состояние фазового равновесия

Давление насыщенных паров изотопов гелия 3He и 4He 0.65… 5,0 Тройная точка равновесного водорода 13,8033 Давление насыщенных паров равновесного водорода 17,0 ….20,3 Тройная точка неона 24,5561 Тройная точка кислорода 54,3584 Тройная точка аргона 83,8058 Тройная точка ртути 234,3156 Тройная точка воды 273,16 0,01 Точка плавления галлия 302,9146 29,7646 Точка затвердевания индия 429,7485 156,5985 Точка затвердевания олова 505,078 231,927 Точка затвердевания цинка 692,677 419,527 Точка затвердевания алюминия 933,473 660,323 Точка затвердевания серебра 1234,93 961,78 Точка затвердевания золота 1337,33 1064,18 Точка затвердевания меди 1357,77 1084,62

Принятое значение

К °С

Государственная поверочная схема единицы температуры Кельвина - возглавляется двумя государственными первичными

эталонами единицы температуры: ГЭТ35-91(для диапазона температур от 0.8 до 273,16 К) и ГЭТ 34-98 (от 0 до 2500 °С).

Вторичные точки шкалы МТШ-90 следующие. Точки затвердевания: Hg, H2O, In, Al. Ag. Au, Cu.

Они используются в области высоких температур, что дает возможность продлить практическую температурную шкалу до точки затвердевания вольфрама - до 3660 К.

Тепловые приемники излучения. Общие характеристики.

Самые старые детекторы основаны на том, что поглощение электромагнитного излучения приводит к разогреву поглощающего тела. Это повышение температуры служит мерой поглощенной энергии излучения. Спектральная чувствительность такого детектора определяется только коэффициентом поглощения нагреваемого тела: при достаточной черноте поглощающей поверхности коэффициент поглощения равен единице, а нагрев детектора практически не зависит от длины волны. Детекторы такого типа нашли широкое применение для фиксации излучения в спектральной области от 0,2 мкм до 2 мм. В то же время детекторы такого типа применяются также в мягкой рентгеновской и в микроволновой областях спектра.

Температура датчика определяется, с одной стороны, подводом тепла за счет излучения, а с другой - теплоотводом через держатели и окружающую среду (конвекция воздуха). Если Р - поглощенная мощность излучения, Т - температура датчика, а Т0 -

емпература окружающей среды, то уравнение энергетического

т баланса имеет вид:

C0dT/dt = P – 1/R0 (T – Т0)

где C

- теплоемкость датчика, R0 - эффективное термическое

сопротивление установки. В стационарном состоянии повышение температуры датчика равно:

T - T0 = R0P

Абсолютный предел чувствительности всех термических детекторов определяется флуктуациями температуры датчика (тепловой шум). Наименьшая мощность излучения Р

мин

, к

оторую

можно зафиксировать тепловым детектором, определяется из отношения «сигнал - шум»: S/N =1.

Охлаждая детектор, можно понизить величину Р

температуры

термометры

термомет

ры

Повышение температуры можно измерить с помощью разных физических эффектов. В соответствии с этим тепловые детекторы разделяют на несколько типов. Различные способы измерения температуры вносят в измерительную систему дополнительные шумы, которые складываются с тепловыми шумами датчика.

Все типы термометров принято разбивать на два класса в зависимости от методики измерений (рис 24). Традиционный и наиболее массовый вид устройств - контактные термометры, отличительной особенностью которых является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Вторую группу составляют неконтактные термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений собственного теплового или оптического излучения (радиометры).

мин

Измерения

Контактные

Рисунок 24 - Классы и типы термометров

Неконтактные

Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются на:

а) Термометры контактные волюметрические, в которых измеряется изменение объема (volume) жидкости или газа с изменением температуры.

б) Термометры дилатометрические, в которых о температуре судят по удлинению различных материалов при изменении температуры. В некоторых случаях датчиком служит пластинка, изготовленная из двух металлов с разными температурными коэффициентами расширения и изгибающаяся при нагревании или охлаждении.

в) Термопары, представляющие из себя два разнородных, спаянных по концам проводника. При наличии разности температур спаев в термопаре возникает электрический ток, который и служит мерой изменения температуры. Температура измеряется по термоЭДС или по величине силы тока термопары.

г) Термосопротивления - термометры, принципом действия которых является измерения сопротивления проводника с изменением температуры.

Неконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями:

а) Радиометрия - измерение температуры по тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение в инфракрасном диапазоне.

б) Тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в телевизионное изображение. Позволяет измерить градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например температуру жидкостей в резервуарах и трубах.

в) Пирометрия - измерение температуры самосветящихся объектов, пламен, плазмы. Используется принцип сравнения либо яркости объекта со стандартом яркости (яркостный пирометри яркостная температура), либо цвета объекта с цветом стандарта

(цветовой пирометр и цветовая температура), либо тепловой энергии,

излучаемой объектом, с энергией, испускаемой стандартным излучателем (радиационный пирометр и радиационная температура).

Изменение объема веществ при нагревании является основой волюметрического метода измерения температуры. Согласно кинетической теории и определению шкал термометров объем жидкости или газа изменяется с температурой линейно:

Vt=V0(1+αT)

Для твердых тел с температурой линейно изменяется длина l:

lt=l0(1+µT)

Для металлов температурный коэффициент имеет порядок величины:

µ∼1·10-5 град-1

Соответствующая измерительная техника называется термометрами, если речь идет о невысоких температурах, или пирометрами, если речь идет о температурах пламени или плазмы (пироогонь, метр- измеряю). Производные тепловые величины так же измеряются специфическими приборами, которые будут упомянуты ниже.

Термометры, в которых используется принцип удлинения тел при нагревании, называются дилатометрическими. Частным случаем дилатометрических контактных термометров являются приборы с датчиками в виде биметаллических пластин, изготовленных из двух металлов с различными температурными коэффициентами расширения. При изменении температуры биметаллические пластины изгибаются и это качество позволяет широко их использовать в различных терморегуляторах и термореле.

Физическая суть методов неконтактной термометрии основана на известном факте, что все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля, излучают тепловую энергию. Создание средств измерения температуры, основанных на регистрации собственного теплового излучения тел составляет предмет неконтактных методов измерения температуры. При этом регистрируется либо полная энергия излучения (радиометры), либо спектральное распределение теплового излучения, либо яркость собственного излучения объектов

(пирометры).

Полная энергия теплового излучения, просуммированная для всех длин волн связана с температурой законом Стефана-Больцмана:

ω=σT4,

где ω - объемная плотность энергии, σ— постоянная СтефанаБольцмана, равная

σ = 5,67·10

-12

Вт·см-2·К-4.

Измеренная таким образом температура получила название радиационной в отличие от равновесной термодинамической температуры. Под абсолютно черным телом подразумевается излучение замкнутой полости в состоянии термодинамического равновесия через малое отверстие, площадь которого пренебрежимо мала в сравнении с площадью стенок полости при условии, что коэффициент поглощения электромагнитного излучения стенками полости (коэффициент черноты), близок к единице. В этом случае спектральная плотность излучения описывается законом Планка:

−

λ,e

где

L - спектральная плотность излучения АЧТ; λ - длина волны

λ,e

λd)T,λ(L

⋅=

, (6)

Tλ

−

изучения; T – термодинамическая температура, С1 и С2 – константы излучения АЧТ, равные:

С1 = 3,74·10

-12

Вт·см2

С2 = 1,4388 см·К.

Зависимость плотности излучения АЧТ от длины волны при разных температурах дана на рис. 25

Рисунок 25- Распределение энергии в спектре излучения

абсолютно черного тела (формула 6)

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 319 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]