Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Электрические измерения неэлектрических величин. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 159 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>



щего напряжения U сигнал навыходе моста ΔU будет пропорционален измеряемому давлению p

. Подобные электрические манометры

(например, супругими чувствительными элементами наоснове монокристаллических подложек изискусственного сапфира с кремниевыми тензорезисторами) предназначены для измерения давления вшироком диапазоне значений (60Па…100МПа). При этом приведенная погрешность приборов непревышает 0,5%. Тензорезистивный метод измерения давления также используется визмерителях давления серии RTX. Например, измеритель RTX 1000 имеет диапазон измерений от2кПа до140МПа спогрешностью ±0,15%.

Эти датчики отличаются простотой конструкции, небольшими габаритами имассой, повышенной виброустойчивостью. Благодаря хорошим динамическим характеристикам тензорезисторные манометры могут применяться для измерения быстроменяющихся величин. Вэтом случае квыходу моста подключается электроннолучевой осциллограф.

Современной альтернативой традиционным измерителям давления являются микропроцессорные преобразователи давления серии САПФИР-22ЕМ. Они оснащены современными тензорезистивными или емкостными сенсорами. Тензорезистивные сенсоры имеют высокую перегрузочную способность— до500% отверхнего предела измерений. Емкостные сенсоры обеспечивают высокую стабильность метрологических характеристик. Преобразователи имеют следующие верхние пределы измерений: при измерении абсолютного давления — 4кПа…16 МПа, при измерении избыточного давления— 0,16кПа…60МПа, при измерении низкого давления (разрежения)— 0,1 кПа…100кПа, при измерении дифференциального давления— 0,16 кПа…16МПа сприведенной погрешностью ±0,5%. Преобразователи имеют универсальный спектр выходных токовых сигналов (4…20мА по 2- и 4-проводным схемам подключения или 0…5 мА по 4-проводной схеме подключения) одновременно сцифровым сигналом. Они оснащены многофункциональными 5-разрядными жидкокристаллическими индикаторами сподсветкой играфической шкалой, имеют модульную структуру: модуль сенсора имодуль электроники. Все модули одного вида взаимозаменяемы, что обеспечивает высокую ремонтопригодность.

Примером использования пьезоэлектрических датчиков может служить манометр АТТ-4007. Применяемый вэтом манометре пье-

-81-



зоэлектрический преобразователь под действием внешнего давления испытывает механическую деформацию, врезультате чего вырабатывается электрический сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Прибор используется для измерения давления воздуха, некорродирующих и неионизированных жидкостей игазов испособен измерять давление вплоть до700кПа сразрешением 0,1% отмаксимального значения. Время дискретизации порядка 0,8с. Быстрое иточное считывание результатов осуществляется благодаря отображению результатов измерений нацифровом дисплее. Среди дополнительных функций— запись максимального, минимального измеренных ирасчет среднего значений. Манометр имеет последовательный интерфейс RS-232 для связи скомпьютером, используемым в качестве регистратора данных, идругими современными системами измерения давления.

В измерителях давления серий LPX/LPM используется индук- ционный метод преобразования давления вэлектрический сигнал. Измерители этих серий предназначены для измерения сверхнизких дифференциальных или избыточных давлений. Минимальный верхний предел измерения составляет 10Па. Конструкция допускает возможность измерения знакопеременного давления иобладает высокой надежностью иустойчивостью кперегрузкам. Серия

LPM имеет потенциальный выходной сигнал, серия LPX— токовый выходной сигнал. Например, LPM 9000, LPX 9000— преци-

зионные сверхнизкопредельные измерители дифференциального давления— имеют диапазон измерения от10Па до 1 МПа при погрешности ±0,1%.

В измерителях серии STX применяется емкостной метод преобразования, основанный напреобразовании перемещения чувствительного элемента визменение емкости конденсатора, зависящее отзазора между обкладками, их площади, материала диэлектрика или диэлектрической проницаемости.

Приборы для измерения атмосферного (абсолютного) давления называются барометрами. Стандартными приборами, измеряющими такое давление, донедавнего времени считались жидкостные (ртутные) барометры, основанные науравновешивании атмосферного давления весом столба жидкости (ртуть благодаря большой плотности позволяет получить сравнительно небольшой столб жидкости, удобный для измерения); деформационные баро-

-82-



метры (анероиды), принцип действия которых основан наупругих деформациях мембранной коробки; атакже гипсотермометры (термобарометры), основанные наиспользовании зависимости точки кипения некоторых жидкостей, например воды, отвнешнего давления.

В последнее время все большее применение стали получать электронные ицифровые барометры. Так, новое поколение метеорологических измерительных приборов для измерения и регистрации атмосферного давления наметеостанциях представляет измеритель атмосферного давления МД-13. Принцип действия измерителя основан напрецизионном преобразовании линейных размеров традиционной анероидной барокоробки вэлектрический сигнал идальнейшей обработки его микропроцессорным устройством. Точность измерения сохраняется при изменении внешних температурных условий. Съем информации осуществляется спомощью микрокомпьютера PALM IIIe поинфракрасному каналу связи. Предусмотрена возможность трансляции и дальнейшей обработки полученной информации вперсональном компьютере. Предел измеряемого давления составляет 60…100кПа при абсолютной погрешности измерения 50Па.

Для измерения давления газов ниже атмосферного служат вакуумметры. Различные типы вакуумметров (каждый изкоторых рассчитан наизмерение в определенной области давлений) представлены нарис. 37: 1— жидкостный (гидростатический); 2— дефор- мационный; 3— компрессионный; 4— вязкостный; 5— тепловой; 6— электронный ионизационный; 7— магнитный электроразряд- ный; 8— радиоизотопный ионизационный.

Жидкостный вакуумметр представляет собой U-образную трубку, водном изколен которой газ находится под измеряемым давлением ри, вдругом— под известным так называемым опорным давлением роп. Разность давлений уравновешивается столбом жидкости. Обычно ри >> роп. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла) имеют при рабочей температуре малое парциальное давление пара и химически нейтральны по отношению к газам иматериалу трубки. Основными достоинствами жидкостных вакуумметров являются простота конструкции, наглядность измерений идостаточно высокая точность измерений (абсолютная погрешность непревышает 10Па). Кнедостаткам относятся проникновение паров

-83-



жидкости ввакуумную систему, небольшой диапазон определяемых давлений, большие габариты, недостаточная прочность конструкции, трудность автоматизации измерений. Всовременной технике вакуумметры данного типа применяются довольно редко, их успешно заменяют компактные иудобные виспользовании тепловые имембранные вакуумметры, например, Televac MP2AR, KVC700.

Рис. 37. Вакуумметры иобласти давлений, накоторые они рассчитаны

В деформационном вакуумметре измеряемое давление воздействует наупругий элемент (мембрану, сильфон, спиральную трубку), деформация которого пропорциональна давлению иопределяется оптическим или электрическим методами. Например, вмембранном вакуумметре разрежение можно определить поизменению емкости конденсатора, образованного мембраной инеподвижной пластиной. Упругий элемент вакуумметра может также принудительно возвращаться в исходное положение посредством электрического (или пневматического) источника силы. Вэтом случае критерием давления служит компенсирующая сила или какая-либо другая величина, связанная сэтой силой (например, напряжение или ток). Основное достоинство мембранных вакуумметров— простота и надежность конструкции, недостаток— небольшой диапазон измерений. Однако

-84-



всовременной вакуумной технике мембранные вакуумметры получили большое распространение благодаря высокоточному измерению давления разреженных газов вмикроэлектронной ихимической промышленности, поскольку относительная погрешность измерения уних непревышает 0,4%. Характерными представителями вакуумметров смембранно-емкостным принципом измерения являются вакуумметры Setra серий 700, 730, 760 ивакуумметр KVC700.

Высокой чувствительностью ималой погрешностью (≤ 0,1%) обладает вязкостный вакуумметр, принцип действия которого основан назависимости вязкости разреженного газа отдавления. Вдемпферном вакуумметре мерой давления является время затухания колебаний вгазе кварцевых нитей, закрепленных сдвух концов. Ввакуумметре свращающимися элементами (диски, коаксиальные цилиндры), где момент силы отбыстро движущегося элемента передается через газ кдругому элементу, подвешенному начувствительной подвеске, мерой давления является угол поворота неподвижного элемента. Современные вакуумметры данного типа отличаются высокой точностью, надежностью ивто же время сложной конструкцией ивысокой стоимостью, поэтому они неполучили широкого распространения.

Тепловой вакуумметр представляет собой герметичный баллон, внутри которого расположен нагреваемый электрическим током элемент. При изменении давления газа вбаллоне изменяется теплоотвод отнагревательного элемента, что приводит кизменению его температуры. Нагревательным элементом может служить тонкая металлическая проволока, температуру которой измеряют либо термопарой (термопарный вакуумметр), либо полупроводниковым термистором сбольшим температурным коэффициентом сопротивления. Однако показания тепловых вакуумметров зависят отсостава газа итемпературы окружающей среды, асами вакуумметры имеют большую инерционность. Наиболее популярные среди тепловых термопарные вакуумметры выпускаются как ввиде компактных моноблоков (например, вакуумметр MP2AR), так иввиде переносных (VacuGard) иклассических (MM200 иMC300) приборов.

Работа ионизационных вакуумметров основана наионизации молекул газа иизмерении ионного тока, который зависит отдавления газовой среды. Вэлектронном ионизационном вакуумметре ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых

-85-



нагреваемым катодом. Сетка-анод создает электрическое поле, которое ускоряет электроны. Натретий электрод— коллектор— подается отрицательный поотношению ккатоду потенциал, вследствие чего он собирает образующиеся вгазе положительные ионы. Таким образом, мерой давления газа служит ионный ток вцепи коллектора. Диапазон измерений составляет 10–5…10Па. Ограничение при высоких давлениях связано снарушением линейности градуировочной характеристики из-за возрастающей вероятности объемной рекомбинации ионов иувеличения тока вторичных ионов, также участвующих вионизации, при низких давлениях— состаточным фоновым током коллектора, независящим отдавления.

Для измерения сверхвысокого вакуума применяют вакуумметры, где фоновый ток коллектора значительно снижен. Так, ввакуумметре сосевым коллектором (вакуумметр Байярда— Альперта) катод расположен вне анодной сетки, а коллектор (тонкая проволока)— внутри нее исоосно с ней, что позволяет определять

–8

давление до10

Па. Модулируя ионный ток посредством дополнительного электрода (тонкий стержень, расположенный между анодом иколлектором), диапазон измерений удается расширить

–9

до10

Па. Ввакуумметре смагнитным полем (вакуумметр Лаферти) электроны перемещаются вмагнитном поле, что удлиняет их траектории иобеспечивает высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений такого вакуумметра— 10

–11

Па. Вследствие этого этот вакуумметр является одним изсамых распространенных вакуумметров для высоковакуумного диапазона. Этот же принцип измерения используется внаиболее совершенных широкодиапазонных вакуумметрах, таких как Televac CC-10 (США), для работы вдиапазоне высокого вакуума.

В радиоизотопных вакуумметрах для ионизации газа используют главным образом α-излучение. Вотличие отэлектронных ионизационных вакуумметров вних отсутствует электрод, ускоряющий α-частицы, поскольку их энергия при радиоактивном распаде очень велика. Основным достоинством радиоизотопных вакуумметров является строго линейная зависимость тока ионизации отдавления. Однако они имеют весьма невысокую чувствительность.

Работа магнитного электроразрядного вакуумметра основана на зависимости тока самостоятельного разряда, возникающего в разреженном газе в скрещенных магнитном и электрическом

-86-



полях, отдавления газа. Между анодом икатодом подается напряжение внесколько киловольт. Сами же электроды помещаются восевое магнитное поле. Врезультате действия электрического имагнитного полей образующиеся свободные электроны движутся позамкнутым траекториям в пространстве между катодом и анодом, сталкиваясь смолекулами газа ивызывая его ионизацию. Возникает газовый разряд. Образовавшиеся при столкновениях ионы, траектории которых слабо искривляются магнитным полем, двигаются каноду, аэлектроны продолжают вращаться в пространстве катод— анод, попадая на анод только вследствие столкновения с молекулами газа. Величина разрядного тока является критерием давления газа. Подобные вакуумметры могут измерять сверхвысокий вакуум

–12

(до10

Па). Электроразрядные вакуумметры вотличие отионизационных неимеют накаливаемого катода иобладают большей чувствительностью. Правда, при низких давлениях самостоятельный разряд возникает достаточно медленно, да ипогрешность магнитных электроразрядных вакуумметров достигает почти 60%.

В настоящее время среди ведущих мировых производителей вакуумного измерительного оборудования наблюдается тенденция кобъединению водном компактном корпусе измерительного блока ипреобразователя давления. Вакуумметры, имеющие такую конструкцию, получили название компактных моноблочных вакуумметров. Подобный принцип применяется для создания комбинированных широкодиапазонных вакуумметров, использующих несколько типов преобразователей для обеспечения измерения давления вшироком диапазоне. Данные вакуумметры представлены впервую очередь приборами, сочетающими инверсно-магнетронный идеформационный принцип измерения. Кним относится моноблочный вакуумметр Televac CC-10, измеряющий давление отатмосферного до10–7Па.

 

Определение уровня жидкости обычно требуется для того, чтобы судить обее количестве. Приборы для определения уровня жидкости называются уровнемерами. Существует несколько конструкций уровнемеров.

-87-



Уровнемер с поплавком постоянного погружения состоит изпоплавка, плавающего наповерхности жидкости, ипреобразователя (например реостатного, как нарис. 38) его вертикального перемещения вэлектрическую величину. Изменение сопротивлений R1 иR2 при перемещении движка реостата (вследствие изменения положения поплавка, определяемого уровнем жидкости) приводит к изменению токов вобмотках логометра иперемещению стрелки прибора, который может быть отградуирован вединицах уровня или количества жидкости.

Рис. 38. Уровнемер споплавком постоянного погружения

Разновидностью поплавкового уровнемера является ультразвуковой уровнемер РУ-ПТ3 (рис. 39) ствердым звуководом, вводимым врезервуар сконтролируемой жидкостью. Уровень отслеживается при помощи поплавка Р, перемещающегося вдоль звуковода З вместе суровнем жидкости. Излучатель ультразвука ИУ1 периодически возбуждает внем ультразвуковые волны (УЗВ) частотой 50 кГц. При каждом цикле возбуждения УЗВ измеряются временные интервалы между импульсами излучателей ИУ1 иИУ2, пропорциональные уровню жидкости. Момент достижения УЗВ поплавка фиксируется попоявлению электрических сигналов при взаимодействии поплавка созвуководом врезультате прохождения УЗВ. Сигналы снимаются или созвуковода, или снамотанных нанего однослойных катушек. Диапазон измерений— от0,4 до20 м, погрешность цифрового выхода— ±10мм, аналогового— ±0,5%.

-88-



Рис. 39. Схема, поясняющая принцип действия

ультразвукового уровнемера РУ-ПТ3

Широко применяются приборы с поплавком переменного погружения (буйковые уровнемеры). Входной величиной такого уровнемера является выталкивающая сила (вес жидкости, вытесненный поплавком).

Примером может служить уровнемер УБ-ЭМ. При изменении измеряемого уровня происходит изменение гидростатической выталкивающей силы, воздействующей на чувствительный элемент— буек. Это изменение через рычаг передается наиндуктивный преобразователь, размещенный в измерительном блоке, где линейно преобразуется в изменение его индуктивности. Верхний предел измерения уровня жидкости может доходить до 10 м. Допустимая основная погрешность— ±0,5%.

Еще одной разновидностью поплавкового уровнемера является магнитострикционный уровнемер АТ100. Принцип работы этого уровнемера основан наявлении магнитострикции (рис. 40).

Направляющая трубка 1содержит всебе провод, покоторому через фиксированные промежутки времени проходят импульсы тока 5. Взаимодействие импульса тока с магнитным полем поплавка 4 приводит к возникновению впроводе крутильной деформации вместе нахождения поплавка, которая ввиде механической волны 3 распространяется вдоль провода с известной скоростью воба конца. Пьезомагнитный чувствительный элемент 2, размещенный в корпусе прибора, преобразует полученные механические

-89-



волны в электрический импульс. Спомощью микропроцессорной электроники измеряется интервал времени между отправленным ипринятым импульсами, который пропорционален измеряемому уровню. Диапазон измерений уровня составляет 1…22м, погрешность измерений— 0,01% при повторяемости результата 0,005% отполного диапазона.

Рис. 40. Схема, поясняющая принцип действия

магнитострикционного уровнемера АТ100

Отметим, что показания магнитострикционного уровнемера практически независят отизменения плотности контролируемой жидкости вотличие отбуйковых уровнемеров. Так, при изменении плотности от0,8 до0,9 показания буйкового уровнемера изменяются на10%, вто время как уровнемер АТ100 изменяет свои показания лишь на0,27%.

Магнитный уровнемер КМ26 работает последующему принципу (рис. 41).

В выносной камере 1располагается поплавок 2. Внутри поплавка находятся сильные магниты. Магнитное поле поплавка взаимодействует с внешним индикатором. Индикаторы выпускаются двух типов— челнок ифлажки. Челнок 3— это легкий цилиндр, накотором закреплен магнит. Цилиндр смагнитом перемещается встеклянной трубке 4, откуда откачан воздух, под действием магнитного поля поплавка. Флажковый индикатор состоит избольшого количества двухцветных флажков, также располагающихся встеклянной

-90-

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 159 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]