Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические измерения неэлектрических величин. Учебное пособие
.pdf
ние в жидкость и прием изнее ультразвуковых импульсов под
углом коси трубопровода. Движение жидкости вызывает изменение времени полного распространения ультразвуковых сигналов
попотоку ипротив него. Участок трубопровода сустановленными
пьезоэлектрическими преобразователями называется ультразвуковым преобразователем расхода. Электронный блок (вторичный
преобразователь) обеспечивает формирование ипреобразование
ультразвуковых импульсов, вычисление расхода жидкости ивывод
информации, полученной наоснове измеренных времен распространения ультразвуковых импульсов. Расходомер применяется
для измерения икоммерческого учета расхода жидкости (температурой до200°С), протекающей под напором вплоть до25МПа
втрубопроводе диаметром от15 до2 000мм спогрешностью 0,5%.
Основными достоинствами US-800 являются гальваническая
развязка первичного преобразователя от электронного блока,
высокая помехозащищенность ибезопасность влюбых, даже самых
тяжелых условиях эксплуатации, вывод информации по цифровым каналам связи наперсональный компьютер, поGSM-модему,
намобильный телефон.
Ультразвуковой расходомер US-800 широко используется
всоставных теплосчетчиках, производимых популярными вРоссии
компаниями: СПТ (ЗАО«НПФ Логика»), ТСК (ООО «НПФ Теплоком»),
Эльф (ЗАО «НПФ Уралтехнология»), СТД (ООО «НПФ Динфо») идругими производителями.
При измерении малых расходов используются тепловые расхо-
домеры, измеряющие зависящий отрасхода эффект теплового воздействия напоток или тело, контактирующий спотоком. Восновном тепловые расходомеры используются при измерении расхода
газа, ноиногда ипри измерении расхода жидкости. Поконструкции тепловые расходомеры отличаются способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода), характером функциональной зависимости между расходом иизмеряемым
сигналом. Основной способ нагрева— электрический омический.
Индуктивный нагрев используется редко. Иногда применяется
нагрев спомощью электромагнитного поля. Поспособу теплового
взаимодействия спотоком тепловые расходомеры можно разделить накалориметрические, термоконвективные итермоанемометрические. Укалориметрических итермоконвективных расхо-
-101-

домеров измеряется разность температур газа или жидкости (при
постоянной мощности нагрева). Утермоанемометров измеряется
сопротивление нагреваемого тела (при постоянной силе тока).
Первыми для вычисления местных скоростей потоков стали
применяться термоанемометрические расходомеры, далее— калори-
метрические расходомеры свнутренним нагревом. Потом стали внедряться термоконвективные расходомеры снаружным расположением
нагревателя. Достоинством калориметрических итермоконвективных расходомеров является то, что они измеряют массовый расход
при постоянной теплоемкости среды, атакже отсутствие контакта
сизмеряемой средой. Недостаток термоконвективных расходомеров заключается в их большой инерционности. Погрешность термоконвективных расходомеров находится впределах ±(1,5…3) %.
Укалориметрических расходомеров погрешность равна ±(0,3…1) %.
Иногда используют тепловые расходомеры снагревом электромагнитным полем. Достоинство этих расходомеров— относительно
низкая инерционность. Их применяют для измерения расхода
электролитов идиэлектриков. Электромагнитное поле создается
спомощью излучателей энергии высокой частоты или инфракрасного диапазона. Предел использования термоконвективных расходомеров— 150…200°С, реже 250°С, при использовании нагрева
электромагнитным полем— до450°С.
Работа калориметрических расходомеров основана назависимости среднемассовой разности температур потока отмощности
нагрева. Калориметрический расходомер состоит изнагревателя, расположенного внутри трубопровода, идвух термопреобразователей
для измерения температур доипосле нагревателя. Распределение
температур пообе стороны отисточника нагрева будет зависеть
отрасхода вещества. При отсутствии расхода температурное поле
симметрично. При появлении расхода эта симметрия нарушается.
Возникает разность температур, которая при малых значениях расхода растет почти пропорционально расходу вплоть доскорости
потока 0,2м/с. Затем этот рост замедляется, и после достижения
максимума начинается падение разности температур погиперболическому закону.
Калориметрические расходомеры не получили распространения впромышленности из-за малой надежности работы вэксплуатационных условиях нагревателей итермопреобразователей,
-102-

располагаемых внутри трубопровода. Они более пригодны для
исследовательских иэкспериментальных работ. Кроме того, целесообразно применять их вкачестве эталонных приборов для поверки
иградуировки других расходомеров. Оценивая погрешность измерения мощности нагрева значениями ±(0,1…0,15) % , аизмерения
разности температур— значениями ±(0,1…0,2) % , можно обеспечить измерение расхода сотносительной приведенной погрешностью ±(0,3…0,5) %.
Термоконвективными называются тепловые расходомеры,
укоторых нагреватель итермопреобразователь размещаются снаружи трубопровода, что увеличивает эксплуатационную надежность расходомеров и удобно при применении. Передача тепла
отнагревателя кизмеряемой среде производится засчет конвекции через стенку трубы. Различают две разновидности термоконвективных расходомеров: квазикалориметрические расходомеры
ирасходомеры пограничного слоя. Первые имеют градуировочные
характеристики, аналогичные калориметрическим расходомерам,
и применяются преимущественно для труб диаметром порядка
0,5…1,0мм (при малых диаметрах прогревается весь поток, издесь
так же, как ивкалориметрических расходомерах, измеряется разность температур потока стой и другой стороны нагревателя).
Вторые измеряют разность температур пограничного слоя. Эти
расходомеры отличаются отранее рассмотренных тем, что тепло
отнагревателя недостигает термопреобразователя, который расположен первым по ходу потока. Кроме того, уних отсутствует
прогрев центральной части потока, так как применяют их для труб
сдиаметром неменее 50мм. Врезультате вних измеряется неразность средних температур потока доипосле нагревателя, аразность
температур собеих сторон пограничного слоя. Тепловые расходомеры термоконвективного типа, неимеющие контакта сизмеряемым веществом, весьма удобны для измерения малых расходов
как жидкостей, так игазов при любом давлении последних. Однако
существенным недостатком рассмотренных термоконвективных
(икалориметрических) расходомеров является их большая инерционность.
Принцип работы термоанемометра основан назависимости
между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела искоростью
газа или жидкости, вкоторых это тело находится. Основное назна-
-103-

чение термоанемометров— измерение скорости. Но они могут
служить идля измерения расхода, когда известно соотношение
между местной исредней скоростью потока. Преобразователь термоанемометрического расходомера отличается отпреобразователя обычного термоанемометра тем, что чувствительный элемент
находится невкакой-то одной точке потока, аравномерно распределен повсему его сечению. Погрешность прибора— ±2,5%. При
измерении расхода воды во избежание выделения изнее растворенного газа, атакже образования пара вместо нагрева полупроводникового терморезистора можно производить наоснове эффекта
Пельтье его охлаждение. Кдостоинствам термоанемометров относятся большой диапазон измеряемых скоростей, начиная отвесьма
малых, ивысокое быстродействие, позволяющее измерять скорости, изменяющиеся счастотой внесколько тысяч герц.
Для измерения очень малых расходов применяются тепловые расходомеры специальных конструкций. Например, водном
изних втрубе диаметром 4мм установлен термистор, нагреваемый
импульсами тока длительностью 1мс. Генератор импульсов включается тогда, когда температура термистора снижается донекоторого
заданного значения. Таким образом, частота включения импульсов
является мерой расхода: сувеличением расхода частота возрастает.
Измеряемый расход жидкости лежит впределах от0,03 до0,3см3/с.
3
Для измерения очень малых расходов газа (до10мм
/с) можно
использовать две тонкие нагреваемые проволоки, расположенные
близко походу потока ивключенные вдифференциальную мостовую схему. Свозрастанием расхода первая походу проволока будет
охлаждаться, а вторая— нагреваться. Для нагрева служат проволоки, расположенные рядом сизмерительными.
В последнее время для более точного измерения расхода все
чаще применяются не просто измерительные приборы, ацелые
измерительные системы сиспользованием высокоточной цифровой техники. Примером может служить профессиональная цифровая система учета энергии иэнергоносителей «F15-Скорпион»,
воснове работы которой лежит способ высокоточного дифференциально-интегрирующего измерения разности масс. Эта система
является совместной разработкой компаний «Иокогава Электрик
СНГ» (Москва) и ЗАО «ФОРУС» (Санкт-Петербург). Она предназначена для высокоточного расчета тепловой энергии иколиче-
-104-

∆= − ≈
UE U
≈=
E U IR
ства теплоносителя (атакже для измерения перепадов давления
настандартных сужающих устройствах, давления втрубопроводах, измерения температуры теплоносителя) сметрологическими
характеристиками, превосходящими метрологические характеристики существующих систем учета вдесятки и сотни раз взависимости от режима работы тепломагистралей. Относительная
погрешность измерения разности масс равна ±0,5% вдиапазоне
расходов 1:10; точность измерения разности температур составляет
±0,02°С; погрешность измерения перепадов давления— ±0,04%;
предел относительной погрешности вычислений массового расхода, массы, объема, тепловой мощности иколичества тепловой
энергии вусловиях эксплуатации— нехуже ±0,001%.
...
p
Приборы для измерения водородного показателя pH называются pH-метрами. Они состоят изгальванического преобразователя и электроизмерительного прибора. Выбор гальванического
преобразователя определяется пределами измерения pH иусловиями эксплуатации. ЭДС преобразователя измеряют спомощью
компенсационной схемы (см. рис. 3).
Электронный лабораторный измеритель pH-121 построен
посхеме, изображенной нарис. 47. Навходы усилителя Уподаются
ЭДС E
ющее напряжение Uк цепи обратной связи усилителя срезистора R.
При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя
ток I ипоказания измерительного прибора ИП будут определяться
значением pH раствора. Диапазон измерений pH-метра лежит впределах от–1 до+14 при основной погрешности ±0,5единиц pH.
сти величины E
морезистор, который вместе сэлектродами гальванического преобразователя помещается вконтролируемый раствор. Сопротивление
терморезистора выбирается таким, чтобы при изменении температуры E
свыхода гальванического преобразователя ГП икомпенсиру-
x
0
и
êx
. Так как величина Ex зависит отpH, то
êx
Для автоматической компенсации температурной погрешно-
вкачестве резистора R используют медный тер-
x
иUк взаимно компенсировались.
x
-105-

Рис. 47. Схема электронного лабораторного измерителя pH-121
В настоящее время широкое распространение получили цифровые pH-метры, например АТТ-3507. Этот портативный прибор
с ЖК-дисплеем позволяет измерять показатель pH впределах
0…14савтоматической температурной компенсацией при помощи
температурного датчика винтервале температур 0…+65°С, записывает максимальное, минимальное измеренные и вычисляет
среднее значения. Кроме того, он снабжен встроенной функцией
измерения потенциала уменьшения окисления идругих высокоточных измерений (в мВ), имеет последовательный интерфейс
RS-232 для связи сперсональным компьютером.
Принцип работы pH-метра Нитрон-pH основан наприменении метода прямой потенциометрии. Прибор предназначен для
измерения активности ионов водорода (pH), окислительно-восстановительного потенциала и температуры водных растворов.
Диапазон измерения pH— 0…14ед. pH, дискретность— 0,01ед. pH,
погрешность— ±0,02ед. pH. Диапазон измерения потенциалов—
±3 600мВ, дискретность— 1мВ, погрешность— ±2мВ. Диапазон
измерения температуры— 0…+100°С, дискретность— 0,1°С, погрешность— ±0,5°С. Возможно использование вкачестве высокоомного
милливольтметра.
Диапазон измерений микропроцессорного pH-метра ИТ-1101
составляет –2,00…16,00ед. pH при дискретности 0,01 ипогрешности ±0,05ед. pH. Прибор имеет автономное питание иможет применяться как влабораториях научно-исследовательских учреждений или промышленных предприятий, так ивполевых условиях.
-106-

Приборы для измерения силы называются динамометрами.
Существуют различные конструкции электрических динамометров:
одни непосредственно измеряют силу (магнитоупругие ипьезоэлектрические динамометры), другие преобразуют силу в перемещение (динамометры спреобразователями перемещения) или
деформацию (тензорезисторные динамометры).
В магнитоупругих динамометрах используется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), который заключается визменении
намагниченности магнетика под действием механических деформаций (растяжения, кручения, изгиба и т. д.). Магнитоупругий
эффект объясняется тем, что при действии механических напряжений изменяется доменная структура ферромагнетика, определяющая его намагниченность.
Магнитоупругий силоизмерительный датчик может быть выполнен ввиде катушки сзамкнутым сердечником измагнитомягкого
материала. Воздействие силы приводит кпоявлению механических
напряжений всердечнике, которые изменяют его намагниченность
имагнитную проницаемость, что влияет наэлектрический параметр
датчика (например, индуктивность). Для существенного изменения
магнитной проницаемости необходимо создавать значительные
механические напряжения в магнитопроводе, что возможно при
измерении больших величин сил вплоть до50 МН. Класс точности
магнитоупругих динамометров лежит впределах от0,5 до2,0.
Применение пьезоэлектрических динамометров ограничено
измерением динамических и квазистатических сил; они непригодны для измерения статических сил. Чувствительным элементом
вних является пластинка изпьезокварца. При механическом воздействии наповерхностях пластины появляется заряд, пропорциональный нагрузке. Поскольку этот заряд быстро «стекает», имеет
место вышеуказанное ограничение вприменении пьезоэлектрических динамометров.
Пьезоэлектрические силоизмерительные преобразователи
отличаются большой жесткостью, и поэтому под воздействием
силы деформируются всего нанесколько микрометров. Сих помощью измеряют динамические силы на частотах свыше 100 кГц.
Высокая чувствительность позволяет исследовать незначительные
-107-

повеличине динамические нагрузки. Однако при измерении необходимо обеспечивать хорошую изоляцию токоведущих проводников, соединяющих пьезоэлемент сусилителем. Класс точности пьезоэлектрических динамометров— 1,0.
Более широкое применение нашли динамометры с промежу-
точным преобразованием силы в перемещение. Основной элемент
такого прибора— пружина, чья деформация (перемещение) пропорциональна приложенной силе. Перемещение пружины преобразуется вэлектрическую величину спомощью преобразователя
перемещения: реостатного, индуктивного, трансформаторного
(пружина перемещает либо движок реостатного преобразователя,
либо якорь индуктивного или трансформаторного преобразователей, изменяя при этом их электрический выходной параметр—
сопротивление или индуктивность соответственно).
Эти преобразователи характеризуются большим измерительным
сигналом. Например, уиндуктивного силоизмерительного датчика
при нагрузке 1% отноминальной можно получить полное показание
шкалы. При этом измеряемая деформация составит всего 1…2мкм.
Диапазон измерений срасчетом наноминальные силы (растяжения
или сжатия) составляет 10мН…1 МН, класс точности— от0,2 до1,0.
Правда, подобные преобразователи имеют довольно существенную
температурную погрешность, вследствие чего взависимости оттипа
прибора их применение допустимо лишь до+200°С. Индуктивные
силоизмерительные датчики сравнительно недороги.
Все большей популярностью визмерительной практике пользуются динамометры с промежуточным преобразованием силы
вдеформацию материала. Наибольшее применение при этом получили датчики сопротивления супругим элементом итензорезисторными решетками. Тензорезисторы включаются всхему измерительного моста так, что в двух противоположных его плечах
оказываются тензорезисторы, решетки которых направлены вдоль
оси стержня или перпендикулярно ей. При приложении нагрузки
упругий элемент и тензорезисторные решетки деформируются,
врезультате чего происходит разбалансировка токов моста. Этот
сигнал усиливает изаписывает вторичный прибор сошкалой, градуированной вединицах силы.
Кроме тензорезисторов, всхему измерительного моста входят
дополнительные схемные элементы, служащие для компенсации
различных зависящих оттемпературы эффектов, таких, например,
-108-

как нестабильность нуля, изменение модуля упругости итеплового
расширения материала чувствительного элемента, изменение чувствительности тензорезистора, атакже линеаризации характеристики тензорезисторного силоизмерительного датчика.
В целях лучшего распределения напряжений упругий элемент
часто выполняют ввиде трубы, атензорезисторы наклеивают
наего внутреннюю инаружную поверхности.
Тензорезисторные силоизмерительные датчики пригодны как
для статических, так идля динамических измерений. Они всегда
работают набазе четырехплечевого моста (Уитстона) сиспользованием неменее четырех активных тензорезисторов. Диапазон измерения тензорезисторных преобразователей лежит впределах от5 Н
до5 МН. Однако основным их достоинством является высокая точность измерения, которая может быть меньше 0,03%. Использование
новейших технологий наклейки тензорезисторных решеток вкомплексе смикропроцессорными измерителями сделало тензорезисторные динамометры надежными идолговечными приборами.
В настоящее время широкое распространение получили динамометры растяжения серии ДОР-3, динамометры сжатия серии
ДОС-3 иуниверсальные динамометры серии ДОУ-3, предназначенные для измерения статических идинамических сил. Они представляют собой тензометрические датчики, соединенные кабелем
связи сцифровыми измерительными индикаторами. Их диапазон
измерений в целом лежит в пределах от наименьшего предела
измерений в10 Н (при дискретности отсчетного устройства 0,02 Н)
донаибольшего предела 2 МН (при дискретности 0,5 Н). Предел
допускаемой относительной суммарной погрешности— ±0,45 %.
Только для измерения статических сил применяются электронные
динамометры серий АЦДР (растяжения), АЦДС (сжатия) иАЦДУ
(универсальные), диапазон измерений которых лежит впределах
от0,1 кН до2МН, апредел допускаемой относительной суммарной
погрешности равен ±0,24%.
Измерение скорости при малых линейных перемещениях
может осуществляться спомощью индукционных преобразователей. Одна часть преобразователя (катушка или магнитная система
-109-

спостоянным магнитом) закрепляется наподвижном объекте, другая часть остается неподвижной. Выходная ЭДС такого преобразователя будет пропорциональна скорости перемещения подвижной
части. Поскольку перемещение является интегралом отскорости,
то для получения сигнала, пропорционального перемещению,
достаточно проинтегрировать выходное напряжение преобразователя, что можно осуществить с помощью интегрирующего усилителя (интегратора). Для получения сигнала, пропорционального
ускорению, выходное напряжение преобразователя необходимо
продифференцировать, что можно сделать спомощью дифференциального усилителя. Подобные преобразователи применяются
вприборах для измерения параметров вибрации (виброметрах).
При измерении скорости набольших линейных перемещениях,
когда нельзя использовать индукционный преобразователь, линейная скорость преобразуется вугловую. Для этого можно использовать колеса ирейки сзубчатым или фрикционным соединениями.
Подобным образом в угловую скорость преобразуется линейная
скорость различных транспортных средств.
Приборы для измерения угловой скорости (числа оборотов
вединицу времени) называются тахометрами. Вэлектрическом
тахометре измерение скорости осуществляется путем подсчета
количества импульсов, поступивших отдатчика, длительности
паузы между импульсами, атакже порядка поступления импульсов
отдатчика. Измеренная величина может быть заранее программно
масштабирована вреальные единицы измерения. Например, цифровой тахометр ЦД9902 предназначен для измерения угловой
скорости вращающихся частей машин имеханизмов с передачей
данных результатов измерения накомпьютер. Диапазон измерений скорости вращения составляет 1,000…9 999 об/мин, основная погрешность измерения— 0,025 % отдиапазона измерений.
Результат измерения может быть представлен в виде частоты
и периода следования импульсов. Унифицированный токовый
выходной сигнал— 0…20 мА при погрешности преобразования
неболее 0,25% отдиапазона измерений.
Лазерный портативный цифровой фототахометр АТТ-6000 предназначен для бесконтактного измерения скорости вращения втруднодоступных узлах иагрегатах вдиапазоне от10 до99 999 об/мин
спогрешностью ±(0,05% + 1единица младшего разряда). Как все
-110-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
