Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Электрические измерения неэлектрических величин. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
08.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

ние в жидкость и прием изнее ультразвуковых импульсов под углом коси трубопровода. Движение жидкости вызывает измене­ние времени полного распространения ультразвуковых сигналов попотоку ипротив него. Участок трубопровода сустановленными пьезоэлектрическими преобразователями называется ультразву­ковым преобразователем расхода. Электронный блок (вторичный преобразователь) обеспечивает формирование ипреобразование ультразвуковых импульсов, вычисление расхода жидкости ивывод информации, полученной наоснове измеренных времен распро­странения ультразвуковых импульсов. Расходомер применяется для измерения икоммерческого учета расхода жидкости (темпе­ратурой до200°С), протекающей под напором вплоть до25МПа втрубопроводе диаметром от15 до2 000мм спогрешностью 0,5%.
Основными достоинствами US-800 являются гальваническая развязка первичного преобразователя от электронного блока, высокая помехозащищенность ибезопасность влюбых, даже самых тяжелых условиях эксплуатации, вывод информации по цифро­вым каналам связи наперсональный компьютер, поGSM-модему, намобильный телефон.
Ультразвуковой расходомер US-800 широко используется всоставных теплосчетчиках, производимых популярными вРоссии компаниями: СПТ (ЗАО«НПФ Логика»), ТСК (ООО «НПФ Теплоком»), Эльф (ЗАО «НПФ Уралтехнология»), СТД (ООО «НПФ Динфо») идру­гими производителями.
При измерении малых расходов используются тепловые расхо- домеры, измеряющие зависящий отрасхода эффект теплового воз­действия напоток или тело, контактирующий спотоком. Воснов­ном тепловые расходомеры используются при измерении расхода газа, ноиногда ипри измерении расхода жидкости. Поконструк­ции тепловые расходомеры отличаются способом нагрева, располо­жением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода), характе­ром функциональной зависимости между расходом иизмеряемым сигналом. Основной способ нагрева— электрический омический. Индуктивный нагрев используется редко. Иногда применяется нагрев спомощью электромагнитного поля. Поспособу теплового взаимодействия спотоком тепловые расходомеры можно разде­лить накалориметрические, термоконвективные итермоанемо­метрические. Укалориметрических итермоконвективных расхо-
-101-

домеров измеряется разность температур газа или жидкости (при постоянной мощности нагрева). Утермоанемометров измеряется сопротивление нагреваемого тела (при постоянной силе тока).
Первыми для вычисления местных скоростей потоков стали применяться термоанемометрические расходомеры, далее— калори- метрические расходомеры свнутренним нагревом. Потом стали вне­дряться термоконвективные расходомеры снаружным расположением нагревателя. Достоинством калориметрических итермоконвектив­ных расходомеров является то, что они измеряют массовый расход при постоянной теплоемкости среды, атакже отсутствие контакта сизмеряемой средой. Недостаток термоконвективных расходоме­ров заключается в их большой инерционности. Погрешность тер­моконвективных расходомеров находится впределах ±(1,5…3) %. Укалориметрических расходомеров погрешность равна ±(0,3…1) %. Иногда используют тепловые расходомеры снагревом электромаг­нитным полем. Достоинство этих расходомеров— относительно низкая инерционность. Их применяют для измерения расхода электролитов идиэлектриков. Электромагнитное поле создается спомощью излучателей энергии высокой частоты или инфракрас­ного диапазона. Предел использования термоконвективных расхо­домеров— 150…200°С, реже 250°С, при использовании нагрева электромагнитным полем— до450°С.
Работа калориметрических расходомеров основана назави­симости среднемассовой разности температур потока отмощности нагрева. Калориметрический расходомер состоит изнагревателя, рас­положенного внутри трубопровода, идвух термопреобразователей для измерения температур доипосле нагревателя. Распределение температур пообе стороны отисточника нагрева будет зависеть отрасхода 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 доскорости потока 0,2м/с. Затем этот рост замедляется, и после достижения максимума начинается падение разности температур погипербо­лическому закону.
Калориметрические расходомеры не получили распростра­нения впромышленности из-за малой надежности работы вэкс­плуатационных условиях нагревателей итермопреобразователей,
-102-

располагаемых внутри трубопровода. Они более пригодны для исследовательских иэкспериментальных работ. Кроме того, целесо­образно применять их вкачестве эталонных приборов для поверки иградуировки других расходомеров. Оценивая погрешность изме­рения мощности нагрева значениями ±(0,1…0,15) % , аизмерения разности температур— значениями ±(0,1…0,2) % , можно обеспе­чить измерение расхода сотносительной приведенной погрешно­стью ±(0,3…0,5) %.
Термоконвективными называются тепловые расходомеры, укоторых нагреватель итермопреобразователь размещаются сна­ружи трубопровода, что увеличивает эксплуатационную надеж­ность расходомеров и удобно при применении. Передача тепла отнагревателя кизмеряемой среде производится засчет конвек­ции через стенку трубы. Различают две разновидности термокон­вективных расходомеров: квазикалориметрические расходомеры ирасходомеры пограничного слоя. Первые имеют градуировочные характеристики, аналогичные калориметрическим расходомерам, и применяются преимущественно для труб диаметром порядка 0,5…1,0мм (при малых диаметрах прогревается весь поток, издесь так же, как ивкалориметрических расходомерах, измеряется раз­ность температур потока стой и другой стороны нагревателя). Вторые измеряют разность температур пограничного слоя. Эти расходомеры отличаются отранее рассмотренных тем, что тепло отнагревателя недостигает термопреобразователя, который рас­положен первым по ходу потока. Кроме того, уних отсутствует прогрев центральной части потока, так как применяют их для труб сдиаметром неменее 50мм. Врезультате вних измеряется нераз­ность средних температур потока доипосле нагревателя, аразность температур собеих сторон пограничного слоя. Тепловые расходо­меры термоконвективного типа, неимеющие контакта сизмеря­емым веществом, весьма удобны для измерения малых расходов как жидкостей, так игазов при любом давлении последних. Однако существенным недостатком рассмотренных термоконвективных (икалориметрических) расходомеров является их большая инер­ционность.
Принцип работы термоанемометра основан назависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела искоростью газа или жидкости, вкоторых это тело находится. Основное назна-
-103-

чение термоанемометров— измерение скорости. Но они могут служить идля измерения расхода, когда известно соотношение между местной исредней скоростью потока. Преобразователь тер­моанемометрического расходомера отличается отпреобразова­теля обычного термоанемометра тем, что чувствительный элемент находится невкакой-то одной точке потока, аравномерно распре­делен повсему его сечению. Погрешность прибора— ±2,5%. При измерении расхода воды во избежание выделения изнее раство­ренного газа, атакже образования пара вместо нагрева полупрово­дникового терморезистора можно производить наоснове эффекта Пельтье его охлаждение. Кдостоинствам термоанемометров отно­сятся большой диапазон измеряемых скоростей, начиная отвесьма малых, ивысокое быстродействие, позволяющее измерять скоро­сти, изменяющиеся счастотой внесколько тысяч герц.
Для измерения очень малых расходов применяются тепло­вые расходомеры специальных конструкций. Например, водном изних втрубе диаметром 4мм установлен термистор, нагреваемый импульсами тока длительностью 1мс. Генератор импульсов включа­ется тогда, когда температура термистора снижается донекоторого заданного значения. Таким образом, частота включения импульсов является мерой расхода: сувеличением расхода частота возрастает. Измеряемый расход жидкости лежит впределах от0,03 до0,3см3/с.
3
Для измерения очень малых расходов газа (до10мм
/с) можно использовать две тонкие нагреваемые проволоки, расположенные близко походу потока ивключенные вдифференциальную мосто­вую схему. Свозрастанием расхода первая походу проволока будет охлаждаться, а вторая— нагреваться. Для нагрева служат прово­локи, расположенные рядом сизмерительными.
В последнее время для более точного измерения расхода все чаще применяются не просто измерительные приборы, ацелые измерительные системы сиспользованием высокоточной цифро­вой техники. Примером может служить профессиональная циф­ровая система учета энергии иэнергоносителей «F15-Скорпион», воснове 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 иколиче-
-104-

∆= − ≈
UE U
≈=
E U IR
ства теплоносителя (атакже для измерения перепадов давления настандартных сужающих устройствах, давления втрубопрово­дах, измерения температуры теплоносителя) сметрологическими характеристиками, превосходящими метрологические характери­стики существующих систем учета вдесятки и сотни раз взави­симости от режима работы тепломагистралей. Относительная погрешность измерения разности масс равна ±0,5% вдиапазоне 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 иколичества тепловой энергии вусловиях эксплуатации— нехуже ±0,001%.
 
...
p
Приборы для измерения водородного показателя pH называ­ются pH-метрами. Они состоят изгальванического преобразова­теля и электроизмерительного прибора. Выбор гальванического преобразователя определяется пределами измерения pH иусло­виями эксплуатации. ЭДС преобразователя измеряют спомощью компенсационной схемы (см. рис. 3).
Электронный лабораторный измеритель pH-121 построен посхеме, изображенной нарис. 47. Навходы усилителя Уподаются ЭДС E ющее напряжение Uк цепи обратной связи усилителя срезистора R. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя
ток I ипоказания измерительного прибора ИП будут определяться значением pH раствора. Диапазон измерений pH-метра лежит впре­делах от–1 до+14 при основной погрешности ±0,5единиц pH.
сти величины E морезистор, который вместе сэлектродами гальванического преоб­разователя помещается вконтролируемый раствор. Сопротивление терморезистора выбирается таким, чтобы при изменении темпера­туры E
свыхода гальванического преобразователя ГП икомпенсиру-
x
0
и
êx
. Так как величина Ex зависит отpH, то
êx
Для автоматической компенсации температурной погрешно-
вкачестве резистора R используют медный тер-
x
иUк 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 впределах 0…14савтоматической температурной компенсацией при помощи температурного датчика винтервале температур 0…+65°С, запи­сывает максимальное, минимальное измеренные и вычисляет среднее значения. Кроме того, он снабжен встроенной функцией измерения потенциала уменьшения окисления идругих высоко­точных измерений (в мВ), имеет последовательный интерфейс RS-232 для связи сперсональным компьютером.
Принцип работы pH-метра Нитрон-pH основан напримене­нии метода прямой потенциометрии. Прибор предназначен для измерения активности ионов водорода (pH), окислительно-вос­становительного потенциала и температуры водных растворов. Диапазон измерения pH— 0…14ед. pH, дискретность— 0,01ед. pH, погрешность— ±0,02ед. pH. Диапазон измерения потенциалов— ±3 600мВ, дискретность— 1мВ, погрешность— ±2мВ. Диапазон измерения температуры— 0…+100°С, дискретность— 0,1°С, погреш­ность— ±0,5°С. Возможно использование вкачестве высокоомного милливольтметра.
Диапазон измерений микропроцессорного pH-метра ИТ-1101 составляет –2,00…16,00ед. pH при дискретности 0,01 ипогрешно­сти ±0,05ед. pH. Прибор имеет автономное питание иможет при­меняться как влабораториях научно-исследовательских учрежде­ний или промышленных предприятий, так ивполевых условиях.
-106-


Приборы для измерения силы называются динамометрами. Существуют различные конструкции электрических динамометров: одни непосредственно измеряют силу (магнитоупругие ипьезо­электрические динамометры), другие преобразуют силу в пере­мещение (динамометры спреобразователями перемещения) или деформацию (тензорезисторные динамометры).
В магнитоупругих динамометрах используется магнитоупру­гий эффект (эффект Виллари), который заключается визменении 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 ввиде катушки сзамкнутым сердечником измагнитомягкого материала. Воздействие силы приводит кпоявлению механических напряжений всердечнике, которые изменяют его намагниченность имагнитную проницаемость, что влияет наэлектрический параметр датчика (например, индуктивность). Для существенного изменения магнитной проницаемости необходимо создавать значительные механические напряжения в магнитопроводе, что возможно при измерении больших величин сил вплоть до50 МН. Класс точности магнитоупругих динамометров лежит впределах от0,5 до2,0.
Применение пьезоэлектрических динамометров ограничено измерением динамических и квазистатических сил; они непри­годны для измерения статических сил. Чувствительным элементом вних является пластинка изпьезокварца. При механическом воз­действии наповерхностях пластины появляется заряд, пропорци­ональный нагрузке. Поскольку этот заряд быстро «стекает», имеет место вышеуказанное ограничение вприменении пьезоэлектриче­ских динамометров.
Пьезоэлектрические силоизмерительные преобразователи отличаются большой жесткостью, и поэтому под воздействием силы деформируются всего нанесколько микрометров. Сих помо­щью измеряют динамические силы на частотах свыше 100 кГц. Высокая чувствительность позволяет исследовать незначительные
-107-

повеличине динамические нагрузки. Однако при измерении необ­ходимо обеспечивать хорошую изоляцию токоведущих проводни­ков, соединяющих пьезоэлемент сусилителем. 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 вэлектрическую величину спомощью 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, уиндуктивного силоизмерительного датчика при нагрузке 1% отноминальной можно получить полное показание шкалы. При этом измеряемая деформация составит всего 1…2мкм. Диапазон измерений срасчетом наноминальные силы (растяжения или сжатия) составляет 10мН…1 МН, класс точности— от0,2 до1,0. Правда, подобные преобразователи имеют довольно существенную температурную погрешность, вследствие чего взависимости оттипа прибора их применение допустимо лишь до+200°С. Индуктивные силоизмерительные датчики сравнительно недороги.
Все большей популярностью визмерительной практике поль­зуются динамометры с промежуточным преобразованием силы вдеформацию материала. Наибольшее применение при этом полу­чили датчики сопротивления супругим элементом итензорези­сторными решетками. Тензорезисторы включаются всхему 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, врезультате чего происходит разбалансировка токов моста. Этот сигнал усиливает изаписывает вторичный прибор сошкалой, гра­дуированной вединицах силы.
Кроме тензорезисторов, всхему измерительного моста входят дополнительные схемные элементы, служащие для компенсации различных зависящих оттемпературы эффектов, таких, например,
-108-

как нестабильность нуля, изменение модуля упругости итеплового расширения материала чувствительного элемента, изменение чув­ствительности тензорезистора, атакже линеаризации характери­стики тензорезисторного силоизмерительного датчика.
В целях лучшего распределения напряжений упругий элемент часто выполняют ввиде трубы, атензорезисторы наклеивают наего внутреннюю инаружную поверхности.
Тензорезисторные силоизмерительные датчики пригодны как для статических, так идля динамических измерений. Они всегда работают набазе четырехплечевого моста (Уитстона) сиспользова­нием неменее четырех активных тензорезисторов. Диапазон изме­рения тензорезисторных преобразователей лежит впределах от5 Н до5 МН. Однако основным их достоинством является высокая точ­ность измерения, которая может быть меньше 0,03%. Использование новейших технологий наклейки тензорезисторных решеток вком­плексе смикропроцессорными измерителями сделало тензорези­сторные динамометры надежными идолговечными приборами.
В настоящее время широкое распространение получили дина­мометры растяжения серии ДОР-3, динамометры сжатия серии ДОС-3 иуниверсальные динамометры серии ДОУ-3, предназна­ченные для измерения статических идинамических сил. Они пред­ставляют собой тензометрические датчики, соединенные кабелем связи сцифровыми измерительными индикаторами. Их диапазон измерений в целом лежит в пределах от наименьшего предела измерений в10 Н (при дискретности отсчетного устройства 0,02 Н) донаибольшего 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) иАЦДУ (универсальные), диапазон измерений которых лежит впределах от0,1 кН до2МН, апредел допускаемой относительной суммарной погрешности равен ±0,24%.

Измерение скорости при малых линейных перемещениях может осуществляться спомощью индукционных преобразовате­лей. Одна часть преобразователя (катушка или магнитная система
-109-

спостоянным магнитом) закрепляется наподвижном объекте, дру­гая часть остается неподвижной. Выходная ЭДС такого преобразо­вателя будет пропорциональна скорости перемещения подвижной части. Поскольку перемещение является интегралом отскорости, 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 спомощью дифферен­циального усилителя. Подобные преобразователи применяются вприборах для измерения параметров вибрации (виброметрах).
При измерении скорости набольших линейных перемещениях, когда нельзя использовать индукционный преобразователь, линей­ная скорость преобразуется вугловую. Для этого можно использо­вать колеса ирейки сзубчатым или фрикционным соединениями. Подобным образом в угловую скорость преобразуется линейная скорость различных транспортных средств.
Приборы для измерения угловой скорости (числа оборотов вединицу времени) называются тахометрами. Вэлектрическом тахометре измерение скорости осуществляется путем подсчета количества импульсов, поступивших отдатчика, длительности паузы между импульсами, атакже порядка поступления импульсов отдатчика. Измеренная величина может быть заранее программно масштабирована вреальные единицы измерения. Например, циф­ровой тахометр ЦД9902 предназначен для измерения угловой скорости вращающихся частей машин имеханизмов с передачей данных результатов измерения накомпьютер. Диапазон измере­ний скорости вращения составляет 1,000…9 999 об/мин, основ­ная погрешность измерения— 0,025 % отдиапазона измерений. Результат измерения может быть представлен в виде частоты и периода следования импульсов. Унифицированный токовый выходной сигнал— 0…20 мА при погрешности преобразования неболее 0,25% отдиапазона измерений.
Лазерный портативный цифровой фототахометр АТТ-6000 пред­назначен для бесконтактного измерения скорости вращения втруд­нодоступных узлах иагрегатах вдиапазоне от10 до99 999 об/мин спогрешностью ±(0,05% + 1единица младшего разряда). Как все
-110-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]