2. Электрические величины

Основные методы измерения электри­ческих величин:

1. Непосредственной оценки.

1. Сравнения: дифференциальный; нулевой; замещения;противопоставления; совпадения.

При методе непосредствен­нойоценкизначение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству. На использовании этого ме­тода основаны все показывающие при­боры (амперметры, вольтметры, ват­тметры и т. д.). Измеряемая величина сравнивается с единицей измерения опо­средованно путем градуировки прибора по образцовым средствам измерений. Наиболее точными приборами этой груп­пы являются приборы класса точнос­ти 0,05.

При методе сравнения изме­ряемая величина определяется на основе сравнения воздействия измеряемой вели­чины с воздействием меры.

Дифференциальныйметод заключается в том, что прибором оцени­вается разность между измеряемой вели­чиной и образцовой мерой .Этот метод позволяет полу­чать результаты измерений с высокой точностью даже при применении сравни­тельно неточных приборов. На исполь­зовании этого метода основана работа измерительных мостов постоянного и переменного тока. Чем ближе значение меры к истинному значению измеряе­мой величины, тем выше точность из­мерений.

Частным случаем дифференциально­го метода является нулевой ме­тод,заключающийся в том, что резуль­тирующий эффект воздействия измеря­емой величины и меры на прибор сравне­ния доводится до нуля. Метод исполь­зуется при измерении напряжения по­стоянного тока компенсатором (потен-

циометром) постоянного тока, при из­мерениях электрического сопротивления мостом с полным уравновешиванием и других измерениях.

Методзамещенияявляется разновидностью дифференциального или нулевого метода. При этом методе из­меряемая величина сравнивается с мерой разновременно. Метод используется при измерении сопротивлений, емкости и др.

Методпротивопоставле­ниязаключается в том, что измеряе­мая величина и противопоставляемаяей мера одновременно воздействуют на прибор сравнения. По показаниям при­бора устанавливают соотношение меж­ду измеряемой величиной и мерой.В схеме измерения имеются два источ­ника энергии. Примером метода проти­вопоставления служит метод частичного или полного уравновешивания (компен­сационный) двух ЭДС или напряжений.

Методсовпаденийсостоит в измерении разности между искомой величиной и мерой с использованием совпадения отметок шкал или перио­дических сигналов. Метод применяют для измерения частоты.

Технические характеристики средств измерения (СИ), влияющие на резуль­таты и погрешности измерений, назы­ваются метрологическими характеристи­ками (ГОСТ 22261-82, ГОСТ 8.009-84 и т. д.).

Технические характеристики СИ нор­мируются в определенных условиях эк­сплуатации.

Подаваемый на вход СИ сигнал харак­теризуется несколькими параметрами. Информативный параметр входного сиг­нала СИ функционально связан с изме­ряемой величиной и используется для передачи ее значения или является сам измеряемой величиной. Неинформатив­ный параметр входного сигнала СИ функционально не связан с измеряемой величиной (является одним из видов влияющих величин).

Вследствие неисправностей СИ или из-за грубых ошибок оператора возни­кают погрешности, значительно превы­шающие присущие данному СИ систе­матические и случайные погрешности. Такие погрешности называютпромахом. Эти погрешности выявляются при статис­тической обработке наблюдений, и ре­зультаты должны быть исключены как неверные.

Погрешности, возникающие в нор­мальных условиях работы СИ, называют­ся основными. Изменение основной по­грешности, обусловленное изменением внешних условий относительно нормаль­ных, вызывает появлениедополнитель­ных погрешностей.

При нормировании погрешностей СИ устанавливают пределы допускаемых по­грешностей (основной и всех дополни­тельных), а также нормальные условия и допускаемые отклонения от нормаль­ных значений для всех влияющих вели­чин. Обобщенной характеристикой пре­делов допускаемых погрешностей явля­ется класс точности СИ.

Важными характеристиками СИ яв­ляются, кроме того, диапазон и преде­лы измерений, стабильность, чувстви­тельность, быстродействие и др.

Диапазон измерений представляет со­бой область значений измеряемой! вели­чины, для которой нормированы допус­каемые погрешности СИ, и наибольшее значение диапазона измерения является пределом измерения. В многопредель­ных приборах диапазон измерений раз­бивается на поддиапазоныI-XI, при­чем их верхние значения выбираютсятак, чтобы снизить относительную по­грешность измерений 5 (рис. 1).

Постоянство во времени метрологи­ческих характеристик обусловливает ста­бильность СИ.

Чувствительность СИ представляет со­бой способность реагировать на изменение входного сигнала. Она определяется отношением изменения сигнала на выхо­де СИ(АА_П) к вызывающему его изме­нению измеряемой величины(АА) :

Быстродействие СИ Характеризуется интервалом времени, требуемым для реализации единичного измерения. Быстродействие современных СИ имеет широкий диапазон значений. Так, анало­говые приборы со стрелочным отсчетом позволяют осуществлять одно измере­ние за несколько секунд, в то время как цифровые приборы могут обеспе­чить до сотен тысяч измерений в се­кунду.

Мощность, потребляемая СИ от изме­ряемой цепи, характеризует степень вза­имодействия СИ и измеряемого объекта, влияние СИ на характеристики объекта измерения или другие приборы и устрой­ства при их подключении друг к другу. Потребляемая мощность характеризует­ся значениями входного сопротивления СИ, При повышении частоты измеряемо­го сигнала входное сопротивление явля­ется комплексным, зависящим от часто­ты. Это сопротивление характеризуется активной и реактивной составляющими (омическим сопротивлением, емкостью и индук7гивностью).

Современные электроустановки в большой степени характеризуются не­линейными вольтамперными характерис­тиками, что ведет к появлению нелиней­ных искажений в электрических цепях, т. е. к искажению синусоидальной формы кривых напряжения и тока. Значитель­ные искажения синусоидальной формы кривой могут привести к нежелательным последствиям: к возникновению резо-

нансных явлений на частотах, кратных измеряемой, к опасным для изоляции пиковым повышениям напряжения, к дополнительным потерям электроэнер­гии в сетях, к помехам в устройствах автоматики, телемеханики и линиях связи и т. д. В связи с изложенным выявление нелинейных искажений и выбор СИ, обеспечивающих получение требуемого результата, являются необ­ходимыми.

В зависимости от системы исполь­зуемого СИ и градуировки шкалы показания прибора могут соответство­вать среднему, среднеквадратическому или амплитудному значению измеряе­мой величины (напряжения тока или мощности). Большинство СИ перемен­ного тока градуируют в среднеквадра-тических значениях. Среднее, средне-квадратическое и амплитудное значе­ния измеряемых величин в зависимости от закона их изменения (формы кривой) приведены в табл. 2.

В зависимости от вида выработки сиг­налов измерительной информации сред­ства измерения электрических величин делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы характеризуют­ся большой номенклатурой выпускае­мых СИ для широкого диапазона значе­ний и параметров. Однако уже достиг­нуты определенные пределы точности измерений, обеспечиваемые средствами аналоговой техники.

Представление измерительной инфор­мации у цифровых измерительных при­боров (ЦИП) в виде кода обеспечивает необходимый переход ее единичных из­мерений к массовым, т. е. к получению, переработке и регистрации больших по­токов информации в сочетании с высо­кой точностью и высоким быстродейст­вием.

Наиболее распространены измерения напряжения постоянного и переменного тока и силы постоянного и пе­ременного тока

Л11

Показания аналоговых электроизме­рительных приборов (АЭП) являются

непрерывными функциями изменений измеряемых величин. Эти приборы ха­рактеризуются простотой конструкции, низкой стоимостью, удобством отсчета и информативностью данных о направ­лении изменения измеряемого сигнала.

Различия в методах сравнения изме­ряемой величины с мерой обусловли­вают различные принципы построения СИ: приборы прямого действия и при­боры сравнения.

У АЭП прямого преобразования) измерительная информация преобразуется только в одном направ­лении от входа к выходу. Измеряемая величинаА_х измерительным преобразо­вателем (ИП)1 преобразуется в на­пряжение или ток, которые воздей­ствуют на электромеханический изме­рительный механизм 2, вызывая поворот его подвижной части и получение количественного результата измерений. Градуировка прибора про­водится путем подачи на его вход из­вестных значений измеряемой величины с требуемой точностью. Сравнение изме­ряемой величины с единицей измерения осуществляется косвенно, так как ме­ра в процессе измерения непосредствен­но не участвует.

АЭП сравнения предна­значены для непосредственного сравне­ния измеряемого значения с известным значением измеряемой величины. Устрой­ство 4 сравнивает значение, полученной от ИП1, и образцовой величины, вос­производимой многозначной мерой6. Результат сравнения оценивается инди­катором5 при достижении равенства значений величин на входах устройст­ва4. Результат сравнения отображается на указателе3.

Автоматический АЭП сравнения аналогичен предыдущему

СИ с той лишь разницей, что многознач­ная мера управляется устройством 7. АЭП обеспечивают измерение напряже­ния, тока, мощности, сдвига фаз, час­тоты, параметров электрических цепей и т. д. и в зависимости от измеряемой величины могут применяться для изме­рений как в цепях постоянного, так и переменного тока.

АЭП непосредственной оценки клас­сифицируют по принципу действия (сис­темам) .

М аг н итоэлектрические (М Э) приборы. Подвижная часть приборов этой системы отклоняется в результате взаимодействия поля постоян­ного магнита и контура с протекающим по нему током. Магнитоэлектрические приборы имеют высокую чувствитель­ность, малую потребляемую мощность, равномерную шкалу, хорошее успокое­ние. МЭ приборы применяют как само­стоятельные, так и в сочетании с раз­личными преобразователями перемен­ного тока в постоянный для измерений на переменном токе.

Электромагнитные (ЭМ) при б о р ы. Подвижная часть прибо­ров этой системы отклоняется в резуль­тате взаимодействия магнитного поля катушки с протекающим по ней током

и ферромагнитного сердечника. Шкалы ЭМ приборов неравномерны в начальной части (20 %А_И) и в конце. Электромаг­нитные приборы пригодны для работы на постоянном и переменном токе, устойчивы к перегрузкам, отличаются простотой конструкции и, как следствие, имеют низкую стоимость. Недостатком этих приборов является низкая чувстви­тельность (погрешность измерений не превышает ± 0,5 %), значительная по­требляемая мощность, влияние на точ­ность измерений таких факторов, как частота измеряемого сигнала, внешние магнитные поля и температура окру­жающей среды.

Электродинамические (Э Д) приборы. Их принцип дейст­вия основан на взаимодействии подвиж­ной и неподвижных катушек с проте­кающими по ним токами. Шкалы ЭД приборов неравномерны, что зависит от формы катушек и их взаимного рас­положения.

Преимущество ЭД приборов - воз­можность работы в цепях постоянного и переменного тока с расширенным диа­пазоном частот. Вместе с тем приборы этой системы имеют большую потреб­ляемую мощность и низкую чувстви­тельность.

Ферродинамические(ФД) приборы. Приборы этой системы являются разновидностью ЭД приборов и отличаются от них выполнением не­подвижных катушек на магнитопроводе из магнитомягкого материала. У ферро-динамических приборов потребляемая мощность меньше, чем у ЭД приборов, меньше влияние внешних магнитных полей и механических воздействий. При применении ФД приборов на постоян­ном токе появляется погрешность от гистерезиса, которая проявляется в виде различных показаний прибора в зави­симости от возрастания или убывания тока нагрузки.

Измерительные преобра­зователи (ИП) предназначены для линейного преобразования основных па­раметров электрических сетей постоян­ного и переменного тока, (в частности, силы постоянного,силы переменного то­ка, напряжения постоянного тока, напря­жения переменного тока, частоты, угла сдвига фаз и коэффициента мощности, активной и реактивной мощностей как однофазных, так и трехфазных цепей, а также сопротивления изоляции) в уни­фицированные сигналы ГСП: напряже­ние постоянного тока 0 - 10 В на нагруз­ке 2 кОм и выше и силу постоянного то­ка 0 — 5 мА на нагрузке до 2,5 кОм. Наиболее точными и распространенными являются преобразователи мощности (ПМ), основанные на принципе двойной модуляции. На рис. 5 в качестве примера приведена схема ПМ, который состоит из широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 1, ключа 2, инвертора3 и усред­няющего блока4. На вход ШИМ подает­ся напряжениеU_T от шунта, влкючен-ного во вторичную обмотку измеритель­ного трансформатора тока. На вход бло­ка амплитудно-импульсного модулятора (АИМ) 5 подается напряжениеU_H с из­мерительного трансформатора напряже­ния. С помощью схемы ШИМ напряжениеU_T преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов переменной длительности. В связи с тем, что ампли­туда импульсов в АИМ изменяется про­порциональноU_n, а их длительность функционально связана с /_н, в блоке АИМ осуществляется перемножение входных сигналов. Среднее значение вы-

ходной величины (напряжения U_% или тока /_в) на выходе АИМ пропорциональ­но активной мощностиР_н При любых сочетаниях тока и напряжения сети в пределах соответственно 0 — 200 % и 50 - 150 % номинальных значений и лю­бых фазовых сдвигах между ними ос­новная приведенная погрешность может находиться в пределах ± 0,2 %.

Электрическая цепь представляет со­бой соединенные источники электричес­кой энергии и нагрузок, по которым протекает электрический ток. При опре­деленных допущениях цепь можно рас­сматривать как состоящую из сосредо­точенных линейных элементов — резис­торов, конденсаторов, катушек индук­тивности и т. п. Для оценки электричес­ких свойств цепи необходимо измерять параметры ее компонентов. Параметром резистора является сопротивление, кон­денсатора — емкость, катушки индуктив­ности — индуктивность.

В зависимости от объекта измерений, требуемой точности результата, диапазо­на рабочих частот, допустимого напряже­ния на измеряемом объекте применяют различные методы измерений. Наиболь­шее применение при измерении парамет­ров линейных элементов получили метод вольтметра-амперметра, метод непосред­ственной оценки и мостовой метод.

Метод вольтметра-амперметра являет­ся косвенным, так как сводится к расчету по закону Ома параметров цепей на осно­вании результатов измерений.

Этот метод используется при измере­нии активного и полного сопротивлений, емкости, индуктивности или взаимной индуктивности.

Метод непосредственной оценки реа­лизуется в приборах прямого действия и используется для измерения сопротив­ления , емкости и индуктивности.

Для измерения параметров линейных элементов широкое распространение на­ходят СИ, основанные на мостовом ме­тоде измерений. Мостовые СИ характе­ризуются высокой точностью, широким диапазоном измеряемых значений, вы­сокой чувствительностью, возможностью измерения различных величин и т. д.

Мостовая схема в общем случае может быть представлена (рис. 6) в виде четы­рех сопротивлений, образующих четырех­полюсник, к двум зажимам которого (диагональ питания) подключен источ­ник питания U, а к двум другим (изме­рительная цепь) — указатель равновесия схемы. Если в одно из плеч моста вклю­чено неизвестное сопротивление, то его можно определить из соотношенияZ_x = =Z_x =Z₂2₃/Z₄. В качестве указателей равновесия в мостах постоянного тока используются МЭ гальванометры, в мос-

тах переменного тока — электронно-лу­чевые индикаторы, вибрационные галь­ванометры и т. д.

Л12

Лекция 12

Мостовые схемы постоянного тока используются для измерения активных сопротивлений. В схеме моста, приведен­ном на рис. 6. а, комплексные сопротив­ленияZl - Z4 можно заменить активны­ми сопротивлениямиRl —R4. Измере­ние сопротивленияR_x осуществляется методом сравнения с образцовыми со­противлениями, часть из которых долж­ны быть регулируемыми. Если измеряе­мая величина определяется при нулевом отклонении указателя равновесия, то мост называется уравновешенным. В не­уравновешенных мостах измеряемое со­противление определяется по значению тока индикатора, отградуированного в единицах сопротивления. Одинарные мосты используются для измерения со­противлений от десятков Ом и выше. При измерении малых сопротивлений возникают погрешности, обусловленные влиянием соединительных проводов и переходных сопротивлений контактов. Для исключения влияния этих сопротив­лений измеряемое сопротивлениеR_x (рис. 6,б) присоединяется по четырех-зажимной схеме включения: двумя то­ковыми зажимами оно включается в цепь источника питания моста, а двумя потенциальными — в измерительную цепь. Аналогичное включение имеет так­же образцовое сопротивлениеR₀q„- Та­кие мостовые схемы обеспечивают из­мерение сопротивление от 10'⁸Ом. Погрешность измерения мостовых схем в зависимости от измеряемых сопротив­лений находится в диапазоне от тысяч­ных долей процента до единиц про­центов.

Для измерения емкости, индуктив­ности и других параметров цепей пере­менного тока используются мосты пере­менного тока. Схемы мостов перемен­ного тока отличаются разнообразием. Особенностью мостов переменного тока является необходимость при уравнове­шивании регулирования не менее двух

параметров моста. Процесс уравнове­шивания заключается в попеременном регулировании этих параметров. Все большее распространение получают тран­сформаторные мосты переменного тока, имеющие ряд преимуществ по сравнению с обычными мостами.

Новым направлением создания СИ па­раметров цепей является разработка при­боров с микропроцессорами, выполняю­щими функции управления процессом измерения, улучшающими технические и метрологические характеристики, расши­ряющими функциональные возможности приборов.

В цифровых измерительных приборах (ЦИП) непрерывный сигнал преобразует­ся в дискретный выходной сигнал, пред­ставленный в цифровой форме (рис. 7). Преимущества ЦИП перед аналоговыми приборами обусловлены малой погреш­ностью измерений, высокой чувствитель­ностью, большим быстродействием, от­сутствием субъективной ошибки отсчета результата измерений, возможностью ав­томатизации процесса измерения и про­стой реализации возможности докумен­тирования результата измерений.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполняет операции квантования аналоговой величины по уровню и по времени. На его выходе вырабатывается дискретный сигнал, который в виде кода вводится в ЭВМ или преобразуется в от-счетном устройстве в цифровой отсчет. Схемная реализация АЦП и алгоритм его работы определяется видом входной и выходной величины и заданными харак­теристиками прибора.

ЦИП обеспечивают измерения напря­жения постоянного тока; силы постоян­ного тока; напряжения переменного то­ка; силы переменного тока; временных параметров (частоты, периода, времен­ного интервала, фазы); параметров эле­ментов электрических цепей — сопротив­ления, емкости, индуктивности.

АЦП предназначены для ввода ин­формации, представленной в виде дис­кретных сигналов, в ЭВМ или другие

устройства. АЦП должны обладать вы­соким быстродействием, определяемым скоростью изменения измеряемой вели­чины, и не имеют отсчетного устройства. АЦП выполняют обычно однопредель-ными и наряду с цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) их исполь­зуют в качестве модулей различных измерительных устройств. Современные ЦИП имеют достаточно высокие техни­ческие характеристики, которые реа­лизуются в связи с использованием достижений современной элементной ба­зы и схемотехники. Предельные техни­ческие характеристики ЦИП приведены в табл. 5.

Значительному прогрессу цифровых СИ способствует применение микропро­цессоров (МП). На их основе создаются новые поколения программируемых при­боров, универсальных многофункцио­нальных приборов. Помимо пяти основ­ных величин (постоянные и переменные напряжения, токи и сопротивление) они могут измерять емкость, проводимость, частоту следования импульсов, электри­ческую мощность, угол сдвига фаз и т. д. В ЦИП микропроцессоры могут выполнять автокалибровку, самодиаг­ностику, математическую обработку ре­зультатов измерений, линеризацию ха­рактеристик измерительных преобразо­вателей, коррекцию нуля. Кроме того, МП управляют временем измерения и процессом преобразования, осущест­вляют автоматический выбор диапазона и выполняют функции интерфейса.

Алгоритмы калибровки МП измери­тельного тракта могут быть разнымипо внетреннему и внешнему источникам эталонного напряжения и по внутренним образцовым мерам, значения парамет­ров которых запоминаются калибровоч­ным запоминающим устройством, но при любом способе автокалибровки устра­няется влияние многих факторов на погрешность и точность измерений по­вышается. Благодаря автоматической коррекции смещения нуля точность из­мерений повышается также. Применение МП для автоматизации калибровки и коррекции погрешностей позволяет су­щественно снизить метрологические тре­бования к элементной базе и блокам аналоговой части прибора, сократить число калибровочных операций и выде­лить прецизионные элементы в само­стоятельный блок, который можно по-

верять (аттестовывать) отдельно от при­бора.

В процессе автоматической диагности­ки в память МП заносится программа, определяющая порядок тестовых опера­ций, заключающихся в подаче на функ­циональные узлы прибора контрольных сигналов и сравнении реальных сигналов на выходе с номинальными. Благодаря МП можно осуществлять многократные измерения и проводить статистическую оценку данных, что значительно снижает влияние помех, а точность и качество измерений повышает.

Вследствие использования МП в ЦИП существенно упрощаются традиционные способы.обращения с прибором. Благо­даря МП оптимальный предел измере­ния выбирается автоматически последо­вательно ступенями либо скачкообразно. При этом быстродействие приборов с МП увеличивается в несколько раз. В некоторых моделях ЦИП предусматри­вается отключение отсчетного устройства до момента установления предела изме­рения, что избавляет оператора от не­приятного мелькания цифр. ПрименениеМП обеспечивает возможность програм­мной реализации интерфейсных функ­ций. Цифровые мосты с МП позволяют измерять не только сопротивление, емкость и индуктивность, но и опреде­лять активную проводимость, доброт­ность и тангенс угла потерь. МП вычис­ляет процентные отклонения измеряе­мых величин от номинальных значений и контролирует заданные пределы изме­рения, что позволяет сортировать эле­менты цепей по допускам. МП обеспе­чивает выбор режима измерений (одно­кратный, непрерывный или усреднен­ный), уровня сигналов на измеряемомэлементе, рабочей частоты и скорости измерений.

Измерительные информационные сис­темы (ИИС). Измерительно-вычислитель­ные комплексы (ИВК). Под ИИС пони­маются автоматизированные средства ис­следования объектов, имеющие сложнуюструктуру, предназначенные для решения следующих задач: а) прямых, косвенных или совокупных измерений физических (электрических) величин - параметров объекта; б) управления процессом ис­следования, воздействия на объект с целью исследования его свойств; в) об­работки результатов исследования и представления их экспериментатору в требуемом виде.

Измерительные информационные сис­темы появились в связи с усложнением объекта исследования, увеличением мно­гообразия и числа измеряемых парамет­ров; переходом к испытаниям (и по­лучению их результатов) в реальном времени как к средству сокращения числа испытаний; необходимостью ав­томатизации измерений, как средства решения указанных выше задач, воз­можностью адаптироваться к объекту

программным путем, гибко менять структуру и параметры системы.

Можно выделить ядро ИИС, инва­риантное к конструктивным особеннос­тям, объекта, причем на основе одного типа такого устройства можно компо­новать ИИС для различных объектов. Это ядро ИИС называется измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

По назначению и широте применения различают ИВК:

1)типовые, предназначенные для автоматизации измерений и исследова­ ний, независимо от области применения;

2. проблемно-ориентировочные, пред­назначенные для исследования в кон­кретной, достаточно широкой области, например исследования двигателей внут­реннего сгорания, исследования физико-механических свойств материалов и т. д.;

3. специализированные, предназначен­ные для автоматизации экспериментав узкой области, например ИВК для испытаний конкретных образцов техни­ки, выпускаемых крупными сериями.

Типовая структура ИВК и его место в структуре ИИС приведена на рис. 8.

ИВК состоит из двух основных частей:

управляюще-вычислительной, реали­зуемой, как правило, на универсальной ЭВМ (управляющей, персональной и др.), либо на свободно программируе­мом процессоре (микропроцессорном комплексе);

сбора данных, содержащая многока­нальные тракты ввода-вывода измери­тельных сигналов, ввода-вывода анало­говых сигналов и данных, представлен­ных в виде цифровых и дискретных сигналов.

Вычислительная часть ИВК содержит, как правило, полный набор периферий­ных устройств, обеспечивающих пользо­вателю возможность управления комп­лексом в автоматическом и ручном режимах, представления оперативной ин­формации и результатов эксперимента оператору в требуемом виде, создания и отладки специального прикладного программного обеспечения (программ

пользователя) — дисплеи, оперативное запоминающее устройство, накопитель на гибких магнитных дисках или маг­нитной ленте, АЦП и др.

Подсистема сбора данных содержит цепочки последовательно соединенных компонентов, каждая из которых обра­зует тракт ввода (вывода) соответ­ствующих величин (сигналов, парамет­ров объекта и др.), причем измери­тельные тракты отличаются нормирова­нием метрологических характеристик (точности, быстродействия, дипазона из­мерения, параметров входных и выход­ных цепей и т. д.). Каждый тракт рас­считан на измерение (преобразование) определенной величины (напряжения низкого или среднего уровней, темпера­туры, сопротивления и др.) и можетиметь несколько входов (каналов), к которым подключаются датчики этих величин.

Обе части ИВК (вычислительная и под­система сбора данных) могут либо вы­ходить на общую магистраль обмена данными, либо иметь различные магист­рали: магистраль ЭВМ и машинонезави-симую магистраль обмена данными меж­ду ЭВМ.

В последнем случае обмен данными между ЭВМ и подсистемой сбора данных осуществляется через блоки-контрол­леры.

Важнейшим компонентом ИВК явля­ется программное обеспечение (ПО), включающее системное ПО и общее прикладное ПО.

Системное ПО содержит операцион­ную систему, обеспечивающую отладку и выполнение программ пользователя в требуемом режиме, например диалого­вом, а также драйверные программы, обеспечивающие управление аппаратны­ми компонентами ИВК, и программы

Л13

Лекция 13

Масса и сила

1. Механические методы измерения массы:

гравитационное сравнение масс (взвешивание) : гирное; коромысловое; маятниковое; одноквадратное; двух-квадратное; комбинированное: с на­кладными гирями; со встроенными гирями измерение силы гравитации: гир оскопическ ое;

упругое; пружинное; торсионное; кру­тильное 2. Электромеханические методы измере­ния массы:

инерционный: измерение ускорения; измере­ние частоты или периода колебаний; измере­ние объема и плотности

магнитоэлектрические, электродинамические, электростатические (тензорезисторные, вибро­стержневые, магнитоупругие, пьезоэлектричес­кие и прочие).

Наиболее распространенным методом измерения массы является гравитацион­ный, основанный на уравновешивании силы гравитационного притяжения тела к Земле некоторой другой силой и изме­рении последней.

Гравитационный метод измерения масс разделяют на метод сравнения масс (гравитационное уравновешивание) и метод измерения силы гравитационного притяжения тела к Земле. Способ урав­новешивания является одним из основ­ных принципов классификации весоиз­мерительных приборов по конструктив­ным признакам.

Взвешивающие приборы, использую­щие метод измерения сравнением масс, делятся на гирные (наложение гирь), коромысловые (перемещение груза по коромыслу) и маятниковые или квад­рантные (поворот маятника). Отличи­тельной особенностью приборов с гра­витационным уравновешиванием явля­ется независимость их показаний от ус­корения свободного падения в точке их расположения, т. е. от места нахож­дения весов на поверхности Земли.Обладая высокой точностью при срав­нительной простоте приборы, исполь­зующие метод сравнения, получили наи­более широкое распространение.

Более высокой производительностью обладают весы с маятниковым (квад­ратным) уравновешивающим механиз­мом. Результаты измерения отсчиты­вают по шкале циферблата. Для расши­рения диапазона взвешивания на весах с маятниковым уравновешивающим ме­ханизмом применяют накладные гири, а также указатели с многооборотной стрелкой и автоматическим переклю­чением диапазонов. В случае исполь­зования гирь результат взвешивания определяется как сумма массы, опре­деленной по шкале циферблата, и мас­сы, уравновешенной накладными ги­рями.

Квадрантные весы могут быть одно-квадрантными и двухквадрантными, с ручным наложением гирь и встроенными гирями. Разновидностью весов с квад­рантным уравновешивающим устрой­ством являются проекционные весы, имеющие подвижную шкалу, проецируе­мую с помощью увеличительной опти­ческой системы на экран с неподвиж­ным указателем. Проекционная система позволяет увеличить разрешающую спо­собность циферблата и уменьшить цену деления шкалы.

Квадрантные уравновешивающие уст­ройства, в которых подвижная система весов приводится в равновесие с по­мощью ее внутренней энергии, нашли

применение благодаря простоте и уни­версальности почти во всех группах весоизмерительных устройств. Они поз­воляют достигнуть точности (5 = 10~³-г+ 10~⁴), достаточной для коммерческих расчетов, а также для определения кру­тящих моментов двигателей и др.

Другим, наиболее перспективным ме­тодом определения массы тела является измерение силы тяжести, действующей на грузоприемное устройство. В основу метода измерения положены такие спо­собы уравновешивания силы, как упру­гое уравновешивание, гироскопический эффект, а также способ компенсации.При этом методе измерения результаты измерения зависят от места расположе­ния весоизмерительного устройства на поверхности Земли, т. е. градуировка весов зависит от ускорения свободного падения.

Простейшим весовым механизмом, использующим упругое уравновешива­ние, является пружина (спиральная, та­рельчатая, плоская).

Способ упругого уравновешивания реализуется в весоизмерительных уст­ройствах, построенных на базе электро­механических первичных преобразова­телей силы, таких, как тензорезистор-ные, вибростержневые, магнитоупругие,пьезоэлектрические. Они образуют боль­шую группу электромеханических весов.

Весоизмерительные устройства с электромеханическими преобразователя­ми структурно состоят из грузоприем-ного устройства, первичного преобразо­вателя и блока обработки информации.

Грузоприемное устройство в общем случае представляет собой комбинацию грузоприемной части (платформа, бун­кер, лента конвейера и т. п.) и механизма связи с первичным преобразователем (встраиваемый узел). Функциональноеназначение грузоподъемного устройства состоит в передаче силы, создаваемой взвешиваемым грузом, на первичныйпреобразователь. Первичный преобразо­ватель преобразует воздействующую на него механическую силу в электричес-

кий сигнал, содержащий информацию о массе груза.

Среди аналоговых преобразователей силы наиболее широкое применение получили тензорезисторные датчики, дей­ствие которых основано на использо­вании эффекта измерения электричес­кого сопротивления проволочной (фоль­говой, монокристаллической) решетки, наклеенной (подвесной, навитой) на упругий элемент, при ее деформации под нагрузкой.

Повышение точности аппаратуры для тензорезисторных преобразователей обеспечило снижение погрешности изме­рения массы до 0,03 %, определило ис­пользование тензорезисторных систем измерения в весах, обеспечивающих ком­мерческую и технологическую точность.

Весоизмерительные устройства с элек­тромеханическими преобразователями по конструктивным признакам могут быть одно-, двух-, трех- и многоопор­ными. Для обеспечения независимости показаний от местоположения груза на платформе в электромеханическихвесах применяют преобразователи спе­циальной конструкции — с упругим элементом, выполненным в форме па­раллелограмма. При многоопорном взве­шивании сигналы преобразователей сум­мируются.

Для усиления, преобразования и из­мерения сигнала, получаемого с первич­ного преобразователя, в весоизмери­тельных системах применяют вторичные преобразователи, подразделяемые на ана­логовые с выходным сигналом в виде аналоговой величины (тока, напряжения, угла поворота и др.) и цифровые, у ко­торых результат измерения формируется в виде кода.

Обработка первичной информации с использованием встраиваемой микро-ЭВМ и микропроцессорных БИС (боль­ших интегральных схем) позволяет уменьшить объем аппаратуры, ее мате­риале- и энергоемкость, а программноеобеспечение — повысить метрологические характеристики весоизмерительных сие-

тем вследствие программной линеариза­ции характеристик датчика, учета "ухода нуля", коррекции температурных по­грешностей и др.

Тензометрические преобразователи си­лы применяют практически во всех груп­пах весоизмерительного оборудования для нагрузок от одного килограмма до сотен тонн.

Для измерения малых нагрузок, глав­ным образом в лабораторных электро­механических весоизмерительных уст­ройствах, используется компенсацион­ный метод.

Компенсационное весоизмерительное устройство содержит преобразователь из­меряемой силы в перемещение, преоб­разователь перемещения в электрический сигнал, усилитель и силовой компенса­тор, создающий необходимую противо­действующую силу.

При компенсационных методах, как правило, применяют индуктивные преоб­разователи перемещения в электричес­кий сигнал. Силовой компенсатор опре­деляет диапазон измеряемых сил. В ла­бораторных весах применяются обрат­ные преобразователи магнитоэлектричес­кого типа.

Простейшим инерционным методом является вычисление массы тела т по его ускорениюа под воздействием си­лыF с использованием зависимостит = F/a. Этот метод осуществляется, например, в масспектрометрах, где си­ла, действующая на заряженные части­цы, создается электрическим или магнит­ным полем.

При инерционном методе измерения массы путем измерения частоты / или периода Т колебаний устройство для из­мерения массы должно содержать коле­бательную систему, частота колебаний которой зависит от измеряемой массы.

Масса m тела пропорциональна коэф­фициенту жесткостик силового элемен­та и квадрату периодаТ свободных колебаний системы:

При определении массы следует учи­тывать влияние диссипативных сил, обус­ловленных внутренним трением в мате­риале силового элемента.

В некоторых случаях массу вещества или тела определяют измерением их объема и плотности известными спосо­бами. При объемном способе погреш­ность измерения массы 3 — 5 % обуслов­лена измерением объема и плотности вещества при изменении его температу­ры, гранулометрического состава и т. д.

Нормирование допускаемых погреш­ностей для весоизмерительных прибо­ров основано на двух характеристиках весов: цены наименьшего деления d и числа деленияп. Если весы не имеют цены деления, как, например, гирные весы, то для них принимают условное значение цены деления как определен­ную часть предельной нагрузки.

Значение цены деления весов харак­теризует их точность. При одной и той же предельной нагрузке весы могут иметь различное число делений; поэтому вве­дены классы точности, которые харак­теризуются приведенной погрешностью весов (табл. 7) .

Кроме того, в каждом классе установ­лено несколько интервалов значения це­ны наименьшего деления и числа деле­ний.

Диапазон нагрузок от наименьшего предела взвешивания НмПВ и пределы допускаемой погрешности весов выра­жают абсолютным значением чисел пове­рочных деленийе. В каждом классеточности установлено три интервала зна­чений диапазона нагрузок и предела допускаемой погрешности (при поверке весов после ремонта и на месте их эксп­луатации допускаемая погрешность уве­личена) (табл. 8).

Л14

Лекция 14

Основные методы измерения силы:

1. Измерением ускорения тела с из­вестной массой F = та:

посредством акселерометра; измерением амплитуды и частоты колебаний

2. Сравнением неизвестной силы с си­лой тяжести Р =mg: непосредственным нагружением об­разцовыми гирями;

посредством гидропередачи и об­разцовых гирь;

посредством рычагов и образцовых гирь;

посредством рычагов и маятника

3. Измерением упругой деформации

тела, взаимодействующего с неиз-

вестной силой F = с |; посредством датчиков деформации; посредством датчиков перемеще­ния 4. Сравнением неизвестной силы с си­лой взаимодейтсвия тока с магнит­ным полемF = /В I sinaпосредством электродинамическо­го силовозбудителя. Измерение переменной гармонической силы путем определения амплитуды и частоты колебаний тела с известной мас­сой может быть осуществлено с высокой точностью. Массу можно измерить с по­грешностью, не превышающей несколь­ких тысячных долей процента. С такой же точностью можно измерить и частоту колебаний. Амплитуду колебаний тела с известной массой можно измерить спогрешностью, не превышающей не­скольких десятых долей процента, кото­рая, по существу, и будет определять по­грешность измерения силы указанным методом.

Метод измерения силы сравнением не­известной силы с силой тяжести исполь-

зуют при точных измерениях и воспроиз­ведении статических и квазистатических сил.

Метод непосредственного нагружения используют для создания Государствен­ных первичных эталонов единицы силы, воспроизводящих ее с наивысшей точ­ностью.

Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством рычагов и образцовых гирь используют для созда­ния образцовых средств второго разряда для измерения силы, обеспечивающих ее измерение с погрешностью, не превы­шающей 0,2 % измеряемой величины, а также в силоизмерителях испытательных машин, обеспечивающих измерение силы с погрешностью, не превышающей 1 % измеряемой силы в диапазоне 0,04 — 1 от верхнего предела силоизмерителя.

Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством гидропере­дачи и образцовых гирь используют так­же в образцовых средствах второго раз­ряда для измерения силы и в силоизме­рителях испытательных машин. Для ис-

ключения трения в гидропередаче приме­няют пару поршень-цилиндр, в которой один из элементов вращается относи­тельно другого.

Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством рычагов и маятника используют в силоизмерите-лях испытательных машин.

Все средства для измерения силы, основанные на методах сравнения неиз­вестной силы с силой тяжести, обычно представляют собой стационарные уста­новки. Процесс сравнения сил в этих установках механизирован.

Измерение силы посредством изме­рения упругой деформации тела, взаимо­действующего с неизвестной силой, яв­ляется самым распространенным мето­дом, который используют как в стацио­нарных, так и в переносных средствах для измерения статических и перемен­ных во времени сил. Этот метод исполь­зуют в образцовых динамометрах перво­го разряда, обеспечивающих передачу единицы силы от Государственного эта­лона к образцовым средствам второго разряда с погрешностью, не превышаю­щей 0,1 % измеряемой силы. Крометого, этот метод используют в рабочих средствах измерения статических и пере­менных во времени сил.

Метод позволяет создать стационар­ные и переносные средства измерения растягивающих и сжимающих сил — ди­намометры, которые содержат упругий элемент, снабженный для его включения в силовую цепь захватами либо опорами. В упругом элементе возникает сила реакции, противодействующая измеряе­мой силе. Упругий элемент может быть электрически неактивным либо электри­чески активным, т. е. он является одно­временно и чувствительным элементом.

Упругий электрически неактивный элемент выполняет чисто механические функции. Возникающая деформация упругого элемента воспринимается чув­ствительным элементом, которым может быть либо датчик деформации, либо

датчик перемещения, преобразующий ее в выходную величину.

Упругий, электрически активный эле­мент реагирует на созданное измеряемой силой поле механических напряжений или деформаций изменением своих элек­трических или магнитных характеристик. К упругим, электрически активным эле­ментам относят, например, пьезоэлектри­ческие и магнитоанизотропные.

Для достижения оптимальных метро­логических характеристик динамометра необходимо соблюдение нескольких принципов.

Принцип цельности конструкции. Из­меряемая сила должна передаваться в ди­намометре по сплошной среде из одного материала. Нарушение сплошности кон­струкции упругого элемента является причиной возникновения трения между сопрягаемыми элементами. С этим тре­нием связаны погрешности измерения силы, которые могут быть значитель­ными.

Принцип интегрирования. Динамометр тем точнее, чем лучше чувствительный элемент распределен по поперечному се­чению упругого элемента. С этой целью используют усреднение — интегрирование напряжения или деформации упругого элемента, которое можно охарактери­зовать или как мнимое, или как дей­ствительное.

При мнимом интегрировании о всем поле напряжения или деформации, а сле­довательно, и об измеряемой силе судят по состоянию в одной точке этого поля. При этом предполагают, что внутри огра­ниченной области упругого элемента су­ществует определенное механическое по­ле, которое не зависит от точки прило­жения силы. Это дает возможность ис­пользовать один чувствительный эле­мент. Конструктивными решениями,обеспечивающими мнимое интегрирова­ние, являются удаление силовосприни-мающих частей упругого элемента отобласти расположения чувствительного элемента, ограничение области возмож­ных точек приложения силы.

Давление, уровень расхода

Измерение давления. Наиболее рас­пространенными средствами измерения давления, уровня и расхода являются унифицированные комплексы датчиков.Они предназначены для измерения аб­солютного давления, избыточного давле­ния, разрежения, разности давлений, объемного расхода жидкостей и газов, уровня жидкостей.

Унифицированные датчики использу­ют монометрический или дифферен­циально-манометрический (дифманомет-рический) метод измерения. При исполь­зовании унифицированных датчиков для измерения расхода или уровня измеряе­мая величина сначала преобразуется в давление или разность давлений, а затем осуществляются дальнейшие преобразо­вания.

Уровень жидкости измеряется по гид­ростатическому давлению либо по вытал­кивающей силе (буйковые датчики уро­вня) ; объемный расход - по разностидавлений до и после сужающего устрой­ства, устанавливаемого в трубопроводе.

Определение расхода жидкостей и га­зов посредством дифманометрическогометода основано на использовании за­висимости объемного расхода от разнос­ти давлений, конструктивных парамет­ров сужающего устройства и плотности истекающего газа или жидкости:

Выходной сигнал дифманометра - перепадомера линейно зависит от измеряе­мой разности давлений^Для получения линейной зависимости выходного сигна­ла от расхода применяется либо совокупность дифманометра - перепадомера и автономного устройства извлечения квадратного корня, либо корнеизвлека-тель встаивается в дифманометр-расхо-домер. Существенной долей суммарной погрешности измерения расхода явля­ется погрешность, вносимая сужающим устройством.

Используемые методы градуировки и поверки основаны на имитационном мо­делировании взаимодействия первичных измерительных преобразователей с из­меряемой средой. Применяют безжид­костные имитационные установки для градуировки и поверки расходомеров и уровнемеров различных принципов действия.

Наибольшее распространение получи­ли унифицированные датчики, в которых использованы следующие способы изме­рительного преобразования давления:

прямое измерение давления (тензо-резисторные преобразователи);

преобразование с уравнением магнит­ных потоков (магнитомодуляционные);

преобразование с уравновешиванием сил (пневматические).

Тензорезисторные измерительные пре­образователи давления содержат измери­тельный блок и электронное устройство, объединенные в единую конструкцию. Основным узлом измерительного блока является первичный измерительный пре­образователь (тензомодуль). Тензомоду-ли применяют двух видов: мембранные и мембранно-рычажные.

Принцип действия первичного преоб­разователя основан на тензорезистивном эффекте в гетероэпитаксиальной пленке кремния.

Чувствительным элементом тензомо-дуля является мост из кремниевых пленочных резисторов, выращенных ме­тодами микроэлектронной технологии на поверхности монокристаллической пластины из искусственного сапфира. Благодаря тензорезистивному эффекту при деформации тензорезисторов про­исходит изменение их сопротивления и выходного сигнала (напряжение пос-

тоянного тока) моста тензомодуля. Электронный преобразователь преобра­зует это напряжение в унифицирован­ный сигнал постоянного тока.

Датчики различных величин (избыточ­ного давления, разности давлений и т.п.) и разных исполнений имеют унифици­рованное электронное устройство и раз­личаются только конструкцией измерите­льного блока и блока питания.

У преобразователей абсолютного и из­быточного давлений, разрежения, разнос­ти давлений и гидростатического давле­ния нижний предел измерения равен нулю. У преобразователей избыточного давления и разряжения он также равен нулю и находится внутри диапазона измерения.

Верхние пределы измерения преобра­зователей имеют широкие границы: ДА — 2,5 кПа др 16 МПа; ДИ - 0,06 кПа до 1000 МПа; ДВ - от 0,25 кПа до 100 кПа; ДИВ - от 0,125 кПа разреже­ния и избыточного давления до 0,1 МПа разрежения и 2,4 МПа избыточного дав­ления; ДД - от 0,06 кПа до 16 МПа; ДГ - от 2,5 кПа до 250 кПа.

Разные модели преобразователей раз­ности давлений и гидростатического давления предназначены для использо­вания при различных значениях рабо­чего избыточного давления измеряемой среды: от 0,25 до 40 МПа. Большинство моделей преобразователей имеет пог­решность ± (0,25; 0,5) %.

Преобразователи могут изготовляться с возрастающей или убывающей зави­симостью между измеряемой величиной и выходным сигналом.

Датчики Сапфир-22 являются много­предельными измерительными преобра­зователями. Они могут быть настроены на минимальный, максимальный и все промежуточные пределы измерения.

Тензорезисторные преобразователи давления высокотемпературных сред предназначены для измерения избыточ­ного давления жидкостей с динамической вязкостью не более 10⁴Па-с и газо­образных сред в диапазоне температур измеряемой среды 1—320 °С. Преобра­зователи Сапфир ДИ-ВТО предназначены

для измерения избыточного давления газов при температурах измеряемой среды в диапазоне 1—800 °С.

Нижний предел измерения преобра­зователей Сапфир ДИ-ВТО равен нулю; верхние пределы: от 0,6 до 60 МПа для преобразователей без охлаждения и от 0,4 до 4 МПа для преобразователей с охлаждением. Основная допускаемаяпогрешность преобразователей находится в пределах ± (0,5; 1,0) %.

Преобразователи КРИОСА-ДА пред­назначены для измерения абсолютного давления криогенных сред (жидкого и газообразного гелия, азота и других инертных газов) при температуре в диа­пазоне — 269 -ь 27 °С и магнитном поле с индукцией до 10 Тл.

Первичный преобразователь устанав­ливают непосредственно на криогенной линии; он работает в контакте с крио­генной средой и выдерживает много­кратное циклическое изменение темпе­ратуры в пределах 100 -ь — 269 °С. Блок электронного преобразования устанавли­вают в помещении; он работает при температурах в пределах 5—50 °С. Ниж­ний предел измерения преобразователей равен нулю; верхний предел 0,25 — 2,5 МПа по нормальному ряду чисел. Основная допустимая погрешность пре­образователя находится в пределах ± 1 %.

Измерительные преобразователи с компенсацией магнитных потоков (урав­новешиванием) осуществляют последо­вательное преобразование давление — перемещение — изменение магнитного потока — уравновешивание потоков. В результате воздействия измеряемой величины (давления или разности давле­ний) происходит перемещение упругого чувствительного элемента (мембраны, сильфона или манометрической пружи­ны) и жестко связанного с ним постоян­ного магнита. Перемещение постоянного магнита вызывает изменение магнитного потока в магнитопроводах магнитомо-дуляционного преобразователя (ММП), что приводит к возникновению сигнала рассогласования. Выходной сигнал у силителя поступает на обмотку обратной связи ММП. В результате происходит уравновешивание магнитных потоков, протекающих в цепи прямого преобра­зования и в цепи обратной связи.

Л15

Лекция 15

Преобразователи построены по блоч­ному принципу и состоят из унифици­рованного ММП, усилительного устройст­ва с линейной характеристикой и изме­рительного блока.

Пневматические измерительные преоб­разователи содержат пневматический преобразователь и измерительный блок.Сила, возникающая вследствие воздейст­вия давления (разности давлений) начувствительный элемент посредством ры­чажной системы, уравновешивается си­лой, возникающей в цепи обратной связи.

В измерительном блоке осуществля­ется преобразование измеряемого дав­ления в силу. Пневмосиловой преоб­разователь осуществляет преобразование силы в стандартный пневматический выходной сигнал, используемый также в цепи обратной связи.

В зависимости от диапазона измере­ния давления в измерительном блоке применяют различные чувствительные элементы: мембрану, сильфон, маномет­рическую пружину.

Конструкция преобразователей уни­фицирована. Измерительные блоки преобразователей избыточного давления

и преобразователей избыточного давле­ния и разрежения одинаковы.

Питание пневматических датчиков осу­ществляется воздухом с давлением 140 кПа.

Устойчивость датчиков против агрес­сивного воздействия измеряемых сред обеспечивается выбором материалов чув­ствительного элемента, включая тантал ТВ4.

Разные модели датчиков разности дав­лений предназначены для работы при давлениях 2,5-40 МПа. Допустимая по­грешность датчиков ± (0,6; 1,0; 1,5 %). Выходной сигнал датчиков 20-100 кПа.

Измерение уровня. Наиболее распрост­ранены поплавковый, буйковый, емкост­ный и ультразвуковой методы контроля уровня, основные характеристики кото­рых приведены в табл.10.

Кондуктометрический и тензометри-ческий методы используют преимущест­венно для жидких сред. Наиболее часто поплавковый метод используют для из­мерения уровня жидкости в больших открытых резервуарах, а также в за­крытых резервуарах с низким давлени­ем.

Из множества поплавковых уровнеме­ров в промышленности используют в ос­новном уровнемеры с механической связью поплавка с измерительной схе­мой, причем связь может быть как гиб-

кой (нить, трос, лента) , так и жесткой (рычаг, рейка) .

Известны сигнализаторы и регуляторы уровня, чувствительным элементом в ко­торых служит свободный поплавок с рас­положенным на нем возбуждающим эле­ментом — магнитом. Первичный преоб­разователь выполняется в виде гермети­зированной трубы, внутри которой уста­навливается измерительное устройство для контроля положения поплавка. Си­ловые линии магнита, встроенного в поплавок, замыкают или размыкают герконы при перемещении перед ними магнита вверх или вниз.

Буйковый метод применяется для измерения уровня жидких и сыпучих сред. Принцип действия буйковых при­боров основан на измерении выталки­вающей силы, действующей на буек, погруженный в контролируемую жид­кость. Буйковый метод является одним из наиболее часто применяемых для измерения уровня однородных, в том числе агрессивных жидкостей, находя­щихся при сравнительно больших ста­тических давлениях (до 2500 МПа) и высоких температурах

Многие буйковые приборы построены на принципе силовой компенсации, что обеспечивает более высокую точность и надежность.

Дальнейшее совершенствование буй­ковых приборов осуществляется в ре­зультате применения тензометрических преобразователей, которые в сочетании с гидростатическими чувствительными элементами позволяют улучшить метро­логические харакеристики.

Наиболее перспективным среди элек­трических методов контроля уровня жидких и сыпучих сред является емкос­тный метод, который основан на исполь­зовании зависимости электричес-кой ем­кости датчика, установленного в сосу­де, от контролируемого уровня.

Использование компенсационного принципа расширяет эксплуатационные

возможности емкостных приборов и повышает их класс точности.

Емкостно-импульсационный метод контроля уровня обеспечивает преобра­зование электрической емкости первич­ного преобразователя в электрические импульсы, следующие с определенной частотой и длительностью, в соответствии с измеряемым уровнем.

К волновым методам контроля отно­сят ультразвуковой, резонансный, радио­интерференционный, радиолокационный и радиоизотопный методы.

Ультразвуковой метод является наи­более распространенным в группе вол­новых методов контроля уровня. Он основан на различии акустического соп­ротивления сред, т.е. произведений плот­ности среды на скорость распростране­ния в ней ультразвука.

Вследствие свойства адеструктивнос-ти, т.е. возможности передавать и при­нимать ультразвуковые колебания через металлические стенки резервуара, соз­дают цельносварную конструкцию изме­рительного элемента, чем обеспечивают герметичность и высокую надежность метода.

Перспективно использование способа сигнализации об уровне жидкости с помощью волн Лэмба, возбуждаемых в стенке резервуара по горизонтали в контролируемой области.

Резонансные измерители и сигнали­заторы позволяют контролировать уровень сред с произвольными электро­магнитными свойствами с погрешностью не более 1 %.

В качестве чувствительных элементов в резонансных уровнемерах используют отрезки однородных и неоднородных линий, емкостные и индуктивные дат­чики, объемные резонаторы.

Радиолокационные уровнемеры при­меняют для сравнительно широких диапазонов изменения уровня, а лазер­ные — для высокоточных измерений с чувствительностью 0,0001 %.

Измерение расхода. Для измерения расхода применяют расходомеры пере-

менного перепада давления (дифмано-метры-расходомеры), ротаметры, крыль-чато-тахометрические турбинные расхо­домеры и счетчики объемного типа.

Как основное общепромышленное средство измерения расхода однофазных сред — жидкостей, газов и паров, наи­большее распространение получили диф-манометры-расходомеры, работающие по принципу изменения перепада давления, создаваемого в зависимости от расхода жидкости, газа или пара с помощьюсужающего устройства, трубного соп­ротивления, напорного устройства или напорного усилителя. В качестве изме­рительного прибора используется дифма­нометр, отградуированный в единицах расхода.

Для измерения расхода различных агрессивных сред применяют ротаметр, являющийся основным представителем обширного класса расходомеров сис­темы обтекания. Конструктивно он сос­тоит из расширяющейся конической труб­ки и заключенного в ней поплавка. С изменением расхода потока поплавокперемещается, что служит мерой расхода, которая измеряется с помощью магнит­ного или индуктивного преобразователя положения поплавка в электрический сигнал.

Среди множества типов измерителей расхода наиболее полно отвечают сов­ременным требованиям эксплуатации скоростные турбинные расходомеры и измерители количества (счетчики) жид­костей и газа.

Обобщенные данные о расходомерах турбинного типа приведены в табл. 11.

В турбинных расходомерах в качестве чувствительного элемента первичного преобразователя расхода применяюткрыльчатые насосы аксиального или тан­генциального типа.

При расходах от 0,003 • 10"³м³/с (0,01 м³/ч) до 320 м³/ч наибольшее распространение получили объемные счетчики с кольцевым поршнем, оваль­но-шестеренчатые и лопастные.

Принцип действия объемных счетчи-

ков различных типов заключается в том, что определенная доза поступившей в измерительную камеру жидкости отсе­кается чувствительным элементом при­бора и выталкивается в выходную часть. Число доз суммируется. Счетчикисодержат первичный измерительный пре­образователь расхода, чувствительный элемент и счетный указатель.

В лопастных счетчиках в качестве чувствительного элемента используют лопасти, вращающиеся вокруг кулачка со специальным профилем под воз­действием на лопасть разности давле­ний до и после прибора. При вращении лопасти поочередно захыватывают во входной полости измерительной каме­ры калиброванные порции и перемеща­ют их в выходную полость.

Среди объемных счетчиков наиболее многочисленную группу составляют счет­чики, в которых в качестве чувстви­тельного элемента используется пара овальных шестерен, постоянно находя­щихся в зацеплении и вращающихся под действием на них разности давле­ний.

К приборам, работающим на новых физических принципах, относят электро­магнитные, ультразвуковые, ядерно-маг­нитные, лазерные, вихревые, корреля­ционные расходомеры и др.

Л16

Лекция 16

Основные технические характеристики газовых расходомеров различных принципов действия приведены в табл.12.

Среди многочисленных типов изме­рителей расхода и количества газов скоростные турбинные расходомеры и объемные ротационные счетчики нахо­дят наибольшее применение.

Основными достоинствами турбинных расходомеров являются высокая точ­ность измерения (до ± 0,5 %) и повторяе­мость показаний (0,1-0,2 %), широкий диапазон измерения (1:10 и более), возможность измерения различных газов при любых давлениях.

Лазерные допплеровские расходоме­ры - измерительные преобразователи расхода жидкостей и газа отличаются высоким .быстродействием. Это позво­ляет использовать их для измерения расхода нестационарных потоков, в част­ности для измерения объемного расхода топлива и воздуха при стендовых испы­таниях двигателей внутреннего сгорания (дизельных и карбюраторных) в уста­новившемся и неустановившемся режи­мах работы.

Принцип действия лазерных преобра­зователей-расходомеров основан на изме­рении частоты лазерного излучения, рас-

Физические основы термометрии. Тем­пература — физическая величина, опреде­ляемая как параметр состояния термо­динамического равновесия микроскопи­ческих систем. Термодинамическая тем­пература (Т) всегда положительна и из­меряется с помощью термодинамической шкалы (ТШ), единицей которой служит 1 Кельвин (К) . С общепринятой шкалой Цельсия она связана соотношениемТ = = t + 273,15 К, гдеf— температура по шкале Цельсия. Цена деления шкалыКельвина и Цельсия — одна (1 К = 1 °С) ; абсолютный нуль соответствуетt = =-273,15 °С.

Температура — величина экстенсивная, т.е. измеряемая косвенным образом в результате преобразования ее в какую-либо интенсивную (непосредственно из­меряемую) величину, например электри­ческий ток.

Методы измерения температуры при­нято делить на две большие группы — контактные и бесконтактные, которыев свою очередь подразделяются по фи­зическим эффектам, положенным в осно­ву принципа их действия. В табл. 13 приведены основные методы и средства измерения температуры и их усреднен­ные характеристики для соответствую­щих датчиков.

Контактные методы термометрии.

Действие жидкостных стек­лянныхтермометров основано на изменении объема жидкости при нагре­ве или охлаждении. Они состоят из наполненного термометрической жид­костью стеклянного резервуара, соеди­ненного с капиллярной трубкой, сво­бодный конец которой запаян. Резер­вуар, капилляр и скрепленная с ними шкала заключены в стеклянный кор­пус. Диапазон измерения температур

— 80 -г- +70 °С для спиртовых, — 35 -г -г +750 °С для ртутных термометров.Верхний предел ограничен температурой размягчения стекла, равной + 780 °С. Изготовляют также "палочные" жид­костные термометры с толстостенны­ми капиллярами, на наружной поверх­ности которых нанесена шкала. Длина термометров до 600 мм. Цена деления шкалы 0,1 °С, основная погрешность от ± 0,2 °С (в диапазоне - 80 °С -+ 100 °С) до ± 5 °С (в диапазоне до 750 °С) .

Принцип действия манометри­ческихтермометров (МТ) основан на зависимости давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутой системе постоянного объема от темпе­ратуры. Они особенно эффективны при контроле температуры в сложных усло­виях, в агрессивных средах, взрыво­опасных помещениях. МТ состоит изтермобаллона, трубчатой пружины и соединительной капиллярной трубки, вы­полняемой из металла и имеющей длину до 60 м. При повышении давления в термочувствительном элементе трубчатая пружина приводит во вращение связан­ный с ней указатель. Жидкостные МТ на основе ксилола, ртути, спирта имеют диапазон измерения — 60 -^ +300 "С, их шкала — равномерная, класс точности 1—1,5. Газовые МТ (азотные, гелиевые) работают в диапазоне —100 -^ + 600 °С. Их шкала также равномерна. В кон­денсационных (парогазовых) МТ тер­модатчик заполнен (примерно на 2/3) жидкостью с низкой температурой ки­пения (ацетон, фреон, хлористый ме­тил) . Пары жидкости, давление которых изменяется в зависимости от темпера­туры, вызывают перемещение индика­тора прибора. Область измеряемых тем­ператур — 180 -г +300 °С; шкала — нелинейная.

Дилатометрическиетер­мометры (ДЛТ) основаны на относи­тельном удлинении при нагреве (ох­лаждении) двух тел (обычно металли­ческих) с различными температурными коэффициентами линейного расширения

(КЛР). ДЛТ бывают стержневого и пластинчатого типов. Стержневые ДЛТ представляют собой металлическую трубку с закрытым дном, в которую вставлен стержень из материала с ма­лым КЛР (кварц, фарфор) . КЛР стержня значительно меньше КЛР трубки, поэ­тому при ее нагреве стержень переме­щается и приводит в движение измери­тельный орган прибора (стрелку и т.п. указатель). ДЛТ пластинчатого типа состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок с различными КЛР. Изменение изгиба пластинки при нагреве (охлаж­дении) передается (обычно механически)указателю прибора. Шкала ДЛТ линейна. ДЛТ применяют в качестве датчиков в системах автоматического регулиро­вания, сигнализации и т.д. Погрешность измерения температуры порядка 1-3 %. ДЛТ особенно часто применяют для контроля температур газов и жидкос­тей, особенно в тяжелых условиях.

В биметаллических тер­мометрах (ВТ) чувствительным элемен­том служит биметаллическая пластинка, выполненная, например, из инвара и ста­ли. Если один конец пластинки закре­пить, то перемещение ее свободного конца при нагреве будет пропорциональ­но разности коэффициентов линейного расширения металлов пластинки. Таким образом, шкала этих приборов — равно­мерная. Биметаллические термометры используют в термографах для записи изменения температуры во времени, в других приборах — для автоматической регистрации температуры, регулирования производственных процессов и т.д. Диа­пазон измерения —35 -ь 45 °С для пары инвар—сталь.

Действие термоэлектричес­ких термопарных датчиков основано на эффекте Зеебека, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, составленной из разнородных проводников (или полу­проводников) , возникает электрический ток, если температура мест соединения их различна. Величина соответствующей

термоЭДГ зависит от типа металла, является линейной функцией температу­ры спаев и определяется выражением Е = cifi -t₂), где а - коэффициент пропорциональности, индивидуальныйдля каждой пары металлов; t_if t₂ —тем­пературы спаев. Значениеа колеблется в среднем от 41 мкВ/°С (медь — кон-стантан, марганец - константан) до60 мкВ/°С (константан — хром—никель). Температуру одного из спаев (свобод­ного) поддерживают постоянной (обыч­но 0 °С) для получения однозначности и стабильности работы термометра. Наи­большее распространение получили тер­мопары из платины, платинородия, хро­мели, алюмели, копели, а также железа, меди и константана.

Широкое применение термопар (ТП) обусловило разнообразие их конструк­ций. По способу контакта со средойразличают погружаемые и поверхностные ТП; по условиям эксплуатации — стацио­нарные, переносные, разовые и много­кратного применения; в защищенном от коррозии и от агрессивных сред корпусе и т.п. Погрешность измере­ния температуры 1—5 %. Статическая характеристика термопар практически линейна, а ее параметры нормированы для некоторых стандартных материалов. Диаметр зондов термопар 0,5 — 12 мми более (в защитном чехле). Длина соединительных проводов до 50 м и бо­лее. Выпускаются системы многоточеч­ного контроля на 100 термопар и более. Для измерения терператур свыше + 2500 °С применяют термопары из карбидов металлов (гафния, ниобия, титана, циркония), на основе углеро­дистых и графитовых волокон.

Действие терморезистивных преобразователей (ТР) основано на свой­стве металлов изменять электрическоесопротивление при изменении темпера­туры. ТР применяют в комплекте со вторичными электроизмерительными приборами (логометрами, мостовыми схемами), в том числе цифровыми. В металлических ТР зависимость со про-

тивления от температуры близка к ли­нейной. Лучшим материалом для ТР является платина. Линеаризация характе­ристик полупроводниковых ТП (терми-сторов и позисторов) осуществляется аналоговыми или цифровыми средства­ми. Диапазон измерения температур -280 "г +1000°С для-ТР из платиныили меди, —100 -г +200 °С для термис-торов. Для термисторов (полупроводни­ковых ТР) характерны малые размеры датчиков (до 0,2 мм), малая инерцион­ность (до 1 с) и высокая чувствитель­ность, однако худшая, по сравнению с металлическими резисторами, стабиль­ность.

Лекция 17

Термошумовыетермо­метры.Тепловое хаотическое движе­ние носителей зарядов в проводниках приводит к тому, что на концах про­водника возникают случайные напряже­ния. Амплитуды этих напряжений подчи­няются закону распределения Гаусса (нормальный закон), математическое ожидание которого равно нулю, а дис­персия зависит от температуры провод­ника. Среднеквадратичное значение нап­ряжения теплового шума проводника ли­нейно связано с его термодинамической температурой. Таким образом, измеривсреднеквадратичное значение шума, опре­деляют температуру проводника. С по­мощью термометров, построенных по этому принципу, можно измерять темпе­ратуру в широком диапазоне с погреш­ностью до сотых долей градуса.

Действие магнитных термо­метров (МТ) основано на зависимости магнитной восприимчивости (MB) пара­магнетиков от температуры. МТ приме­няются для измерения сверхнизких тем­ператур. Один из распространенных маг­нитных термометров - церий-магниевыйнитрат. Связь MB с температурой опреде­ляется законом Кюри.

Из термочастот пых термо­метров наибольшее распространение по­лучили кварцевые термометры (КТ).

Их действие основано на температурной зависимости собственной резонансной частоты кварцевых пьезоэлементов. Для термометрии применяют элементы с та­кими срезами, чтобы температурный коэффициент частоты (ТКЧ) был мак­симален. Такие датчики можно включить в схему высокочастотного (или релак­сационного) генератора, частоту кото­рого можно измерить непосредственно частотомером. Лучшие результаты дает схема, в которой частота датчика сравни­вается с частотой опорного пьезоэле-мента, вырезанного из кварца с ориен­тацией среза, при которой ТКЧ минима­лен. Резонансная частота является ли­нейной функцией температуры. Типич­ные характеристики КТ: рабочая час­тота 5—30 МГц, чувствительность до 10 "⁵°С, крутизна преобразования по­рядка 1000 кГц/°С, воспроизводимость шкалы 0,01 °С после циклических изменений температуры, нелинейность преобразования не превышает 0,1 % в рабочем диапазоне температур.

Действие термоемкостных термометров основано на изменении диэлектрической постоянной диэлект­риков в зависимости от температуры.Наиболее пригодные материалы — три-глицинсульфат (ТГС) в барийстронцие-вый титанат (БСТ).

При измерениях температуры конден­сатор (-(например, с БСТ в качестве ди­электрика) включают в колебательный контур, резонансная частота которого при этом зависит от температуры.

Термотранзисторными термометрами (ТТТ) принято называть датчики на основе транзисторов, термо­метрической характеристикой которыхслужит обычно напряжение эмиттер-база. Для ТТТ характерна стабильность и ли­нейность характеристик преобразования, высокая чувствительность, малые габа­риты и масса, экономичность. Приборы с ТТТ содержат мостовую измеритель­ную схему, одним из плеч которой является переход эмиттер—база тран­зистора, на коллектор которого подается запирающее напряжение. Дискрет­ность отсчета для ТТТ составляет 0,05— 1 °С; погрешность порядка 0,1 °С.

Волоконно-оптические термометры (ВОТ) - одни из наибо­лее перспективных датчиков температу­ры. Они выполняются из кварцевого моноволокна диаметром 0,2—1 мм, дли­ной до 100 м, на торце которого, вво­димого в контролируемый объем, распо­лагается микрокапсула с веществом, изменяющим свои оптические свойства при нагреве (люминофор, жидкий крис­талл, двупреломляющий кристалл и т.д.) . На другом торце располагаются источ­ник света (обычно светодиод) и фото­диод для регистрации излучения, отра­женного от капсулы термодатчика. Дос­тоинство ВОТ — отсутствие гальвани­ческой связи с объектом, нечувствитель­ность к электромагнитным помехам, нетоксичность, малые габариты, высо­кое быстродействие.

Действие термоиндикаторов основано на изменении агрегатного состояния, яркости и цвета свечения некоторых веществ при нагреве. С их помощью можно быстро и экономично получить информацию о тепловом режиме объ­екта. Преимуществом термоиндикаторов является возможность запоминания рас­пределения температур в процессе испы­таний, простота и наглядность, экономич­ность. К недостаткам термоиндикато­ров следует отнести инерционность, срав­нительно невысокую точность, необходи­мость нанесения на изделие специальных покрытий, сложность изучения динами­ческих температурных режимов. Вклю­чение их в системы терморегулирования представляет значительные трудности.

Термохромныетермоинди­каторы с химическим взаимодействием компонентов (галоидные комплексные соли серебра, ртути, меди) могут всту­пать в реакцию с металлами, поэтому их наносят на ленты из ткани, бумаги, фольги и пр. Существуют обратимые (многократно меняющие цвет при на-

греве) и необратимые термоиндикаторы этого типа.

Ж идкокристаллические термоиндикаторы представляют собой органические соединения, одновременно обладающие свойствами жидкости (теку­честь) и твердого кристаллического тела (анизотропия, двойное лучепреломле­ние) . При изменении температуры жид­кий кристалл меняет свой цвет. Жидкие кристаллы эффективно используют при исследовании температур в электронных схемах для обнаружения дефектов типа нарушения сплошностей. Они выпуска­ются в виде пленок или жидких раство­ров.

Плавящиесятермоиндикаторы существуют двух типов: плавкие покры­тия и термосвидетели. Покрытия вы­пускают в виде термокарандашей (мел­ков) , термолаков, термотаблеток (тер­мопорошков) . Изготовляются на основе воска, стеарина, парафина или соедине­ний серы, цинка, свинца (для высоких температур). На поверхности изделия термокарандашом наносят риску, кото­рая плавится при достижении заданной температуры. Действие термолаков ана­логично. Термосвидетели представляют собой нанизанные на тугоплавкую прово­локу пластинки из металлов, плавя­щихся при различных температурах.

Действие люминофорных тер­моиндикаторов основано на температур­ной зависимости цвета или интенсивнос­ти люминисценции некоторых веществ, например сульфидов цинка и кадмия. Недостатком люминофорных индика­торов является необходимость точной стабилизации возбуждающего люминес­ценцию излучения (обычно ультрафио­летового) .

Принцип действия и з о о п т и -ч е с к и х термоиндикаторов (ИОТ) основан на эффекте Христиансена, за­ключающегося в рассеянии света смесью двух прозрачных сред (например, поро­шок стекла в глицерине), если пока­затели преломления компонентов раз­личны. При совпадении этих показа-

телей для какой-либо частоты света наблюдается селективное усиление направленного пропускания смеси. За­висимость дисперсионной характеристи­ки некоторых органических жидкостей от температуры приводит к изменениюцвета смеси в проходящем свете при ее нагреве. ИОТ выпускаются в виде тонко­стенных стеклянных капсул.

Бесконтактные методы термометрии. Действие пирометров излучения основа­но на фотоэлектрической, визуальнойи фотографической регистрации интен­сивности теплового излучения нагретых тел, пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетек тор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала. При контроле темпе ратуры объектов в тру до доступных по­лостях применяют параметры в сочета­нии с волоконно-оптическими светово­дами. Калибровка пирометров прово­дится по эталонным источникам [абсо­лютно черное тело (АЧТ), пирометри­ческие лампы и т.д].

Яркостиы ми пирометрами измеряют спектральную яркость объек­та на определенной длине волны, кото­рая сравнивается с яркостью АЧТ. Вкачестве АЧТ используется спираль спе­циальной лампы накаливания. Яркост-ные пирометры применяют для изме­рения высоких температур (св. 600 °С),при которых тела начинают излучать в видимой области, а интенсивность излу­чения достаточна для его регистрации в узком спектральном диапазоне ви­зуально или с помощью фотоприемни­ков тина ФЭУ, фотодиода.

Цветовымипирометрами из­меряют интенсивности излучения объек­та в двух узких зонах спектра, отноше­ние которых сравнивается с соответст­вующим отношением для АЧТ. Пока­зания цветовых пирометров не зави­сят от коэффициента излучения объек­тов.

Радиационныепирометры, работающие в широком спектральном

диапазоне, применяют для измерения температуры слабо нагретых тел (— 100 + -Ы00 °С). В них используют обычно оптические системы из материалов, проз­рачных в ИК-области спектра (ИК-стек-ла, некоторые кристаллы, керамика), или зеркальные (ахроматические) объ­ективы. В качестве фотоприемников применяют тепловые детекторы (пиро-электрики, болометры) или фотонные приемники (фотосопротивления, фото­диоды) . Пирометрами СВЧ диапазона можно измерять температуру подповерх­ностных слоев объектов.

Тепловизоры применяют для визуа­лизации изображений слабо нагретых тел и оценки их температуры в отдель­ных точках методами сканирующей пи­рометрии, т.е. путем последовательного просмотра (сканирования) объекта узкоканальной оптической системой с ИК-приемником и формирования види­мого изображения с помощью систем, аналогичных телевизионным. Сканиро­вание осуществляется оптико-механичес­кими системами либо электронными средствами.

Наибольшее распространение получи­ли оптико-механические тепловизоры, в том числе цифровые с системами оперативного запоминания тепловых изображений и с устройствами их автоматизированной обработки с по­мощью микро-ЭВМ и микропроцессоров. В оптико-механических системах в ка­честве приемников излучения применяют фотосопротивления из сурьмянистого ин­дия (спектральная чувствительность 2—5,6 мкм) или из сплава кадмий — ртуть — теллур — (КРТ) (спектральная чувстви­тельность 8—14 мкм), охлаждаемых жидким азотом (реже — термоэлектри­ческим холодильником). Сканирование реализуется обычно вращающимся мно­гогранным барабаном или колеблющимся зеркалом. Перспективны рефракционные сканеры, обладающие высоким качест­вом изображения при больших полях зрения. Созданы малогабаритные авто­номные тепловизоры.

Все большее распространение получа­ют тепловизоры с электронным скани­рованием изображений на основе п и -ровидиконов.Конструкция пиро-видикона аналогична конструкции види-кона. Пировидиконы имеют спектра­льную чувствительность мишени 0,2-20 мкм, температурную чувствитель­ность 0,1 °С (при 50 строках разложе­ния) . Они не требуют охлаждения.

Лазерныепирометры (ЛП) реализуются с помощью традиционных схем, принятых в газодинамическом эксперименте (теневые, интерференцион­ные) , а также на основе новых оптико-физических эффектов (когерентного рас­сеяния света и т.д.) . Теневые и интер­ференционные лазерные пирометры поз­воляют визуализировать и (или) вы­числять распределение поля показателя преломления по сечению потока газа или жидкости, которое связано с тем­пературным полем известными закона­ми газовой динамики. Получают распро­странение лазерные томографы, позво­ляющие вычислять поля температур в по­перечных сечениях факелов пламени, потоков газа или жидкости. Лазерные пирометры, работающие на эффекте комбинационного рассеяния света, позво­ляют фокусировать излучение в любую точку измеряемого объема. Информа­ция о температуре среды заключена в интенсивности и частоте рассеянно­го газом излучения, регистрируемых спектроанализатором с ФЭУ. ЛП этого типа перспективны для контроля тем­ператур газов в сложных условиях.Применение перестраиваемых по частоте лазеров позволит применять методы резонансного комбинационного рассея­ния света, отличающиеся повышенной чувствительностью.

Действие спектрофотомет-рическихпирометров основано на измерении интенсивности характер­ных для нагретых газов (пламен) спек­тральных линий поглощения оптическо­го излучения, которая определяется тем­пературой среды. Выделение нужных ре-

Лекция 18

Влажность, вязкость, плотность и структура материала

Влаго метрик. Влажность материала объектов техники и окружающей среды является одним из важных диагности­ческих показателей. Влажность — физи­ко-химическая количественная характе­ристика содержания воды как активного структурного компонента материалов, тонлив и других исследуемых объектов (ИО), которые могут находиться в раз­личных фазовых состояниях и приразличной степени диспергирования.

В технике под увлажнением (влаж­ностью) понимают не только сочетание твердого, жидкого или газообразного вещества (материала) с водой, но и с другими жидкостями; например, поверх­ность детали, смоченная керосином, тоже называется увлажненной.

Основные методы измерения влажнос­ти твердых тел и жидкостей, а также влагонанолнения полостей элементов конструкций:

1. Химические и физико-химические методы:

титрования реактивом Фишера:

с визуальным отсчетом по шкале; с аппаратурным отсчетом сорбционные:

влагоотбор сахаром 2. Физические методы: тепло-и массообменные:

сушка до стабильной массы (гра-виометрический) :

сушка в термостате с взвеши-

вашиванием пробы; сушка потоком инфракрас­ных лучей отбор влаги потоком обсушае-мого воздуха:

измерение влажности — кон­цу ктометрическое гидротермические равновесные: психометрические; с использованием ЭГД теплофизические:

тепло- и термопроводности; тегоювизионные реологические:

центрифугирования (фильтра­ции) ;

измерений реологических па­раметров; ультразвуковые; виброметрические (акустичес­кие) электрофизические:

кондуктометрические; экстракционные: имперсионные диэлькометрические: одночастотные; многочастотные токовихревые; термоэлектрические; СВЧ:

затухания; фазовый потоков элементарных частиц и фо­тонов:

отражения фотонов видимой ча­сти спектра:

органолептической (визуаль­ной) оценки; аппаратурных измерений прохождения (поглощения) : фотонов светового диапазо­на;

инфракрасные; ионизирующих потоков; а-частиц; (3-частиц; «-частиц; 7-квантов рентгеноструктурныс (рентгено ди­фракционный)

Методы влагометрии используют ки­нематику явлений переноса, и их базой является термодинамика необратимых процессов.

Многочисленные методы измерения влажности и определения влагосодер-жания (заполнения микрополостей) под­разделяют на прямые, в основе которыхлежит разделение на влагу и "полностью обезвоженный" (сухой) остаток, и кос­венные, когда влажность ИО определя­ется по изменению параметра того или иного физического свойства, функцио­нально связанного с влажностью.

Среди прямых методов измерений влажности наиболее распространенным является термогравиметрический (весо­вой) метод — воздушно-тепловое вы­сушивание пробы ИО при максимально допустимой температуре для данной химической структуры пробы до неиз­менной массы. Его точность обуслов­ливается в основном точностью взвеши­вания на аналитических весах пробы малой массы.

Выпускаются лабораторные малогаба­ритные приборы, которые являются ком­бинацией нагревателя и "электронных весов", обеспечивающих быстрое измере­ние влагосодержания. Равномерный наг­рев поверхности образца обеспечивается керамическим нагревателем. Встроенная микро-ЭВМ автоматически фиксирует момент окончания сушки и указывает на ранее содержащееся количество воды в процентах на цифровом указателе.Масса навесок до 280 г, диапазон изме­ряемого содержания воды приближается к 100 %, точность до 0,01 %.

К прямым методам определения со­держания влаги относится также груп­па методов разделения, и в частности дистилляционныеметоды. В ос­нову их положен нагрев образца ИО в со­суде с жидкостью, которая неразлагается при нагреве до максимально допустимой для ИО температуры и не дает химичес­ких соединений с водой в рабочем интер­вале температур. В качестве таких жид­костей используют бензол, толуол, мине­ральные масла. Пары воды, выделяю-

щиеся из ИО при его нагреве вместе с парами жидкости, подвергаются отгон­ке и, проходя через холодильник, кон­денсируются в измерительном сосуде; измеряется объем или масса отогнан­ной влаги из ИО.

К группе методов разделения отно­сятся такие экстракционные методы, которые основаны на исполь­зовании реагентов, интенсивно взаимо­действующих с влагой ИО. В качестве активных реагентов используют водо-поглощающие жидкости типа спиртов или диаксана. После экстрагирования влаги из образца измеряют тот или иной параметр жидкого экстракта, из­меняющийся в зависимости от влаж­ности в нем, — диэлектрическую про­ницаемость или тангенс угла диэлектри­ческих потерь, плотность массы, тем­пературу кипения и т.п.

При химических методах измерения влажности образец ИО обра­батывается реактивом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, которая содержится в ИО, и той формой связи, электромагнитные силы которойменьше сил, проявляющихся при данной химической реакции. Количество влаги определяется по количеству жидкого или (и) газообразного продукта реак­ции.

Для предварительного (грубого) оп­ределения влажности в ИО используют реакцию взаимодействия карбида каль­ция с влагой. Давление газа в мерной емкости, выделяющегося в результатереакции влаги ИО и карбида кальция, измеряют манометром, нроградирован-ным в процентах влажности. Погреш­ность измерения содержания влаги мано­метрическими карбидными влагомерами составляет около + 1 %.

Ряд точных (лабораторных) химичес­ких методов количественного опреде­ления содержания воды в веществах и материалах основаны на проведении стехометрической и хорошо воспроиз­водимой реакции с водой и титровании

образующегося продукта из избытка реагента.

Наиболее широко используют т и т -рометрическийметод определе­ния воды реактивом К. Фишера. Этот ме­тод позволяет обнаружить 10"⁴ — 10~³ % воды в органических жидкостях. Метод обладает не только высокой точностью, но и хорошей воспроизводимостью. Более быстрым и универсальным спо­собом является определение количества содержащейся воды в жидкости методом газожидкостной хромографии с исполь­зованием колонок, заполненных специа­льным реактивом — пропаком.

Контроль качества топлива часто осу­ществляется также химическим мето­дом, например, с помощью прибора, индикаторный элемент которого состо­ит из двух слоев аналитической ленты, один из которых пропитан раствором красной кровяной соли (железосинеро-дистый кальций — слой желтого цве­та) ,а второй — раствором сернистого железа (белого цвета). Слой желтогоцвета реагирует на воду, а белого — на механические примеси. Чувствительность индикатора велика: он позволяет уста­новить предельно допустимое количест­во воды 0,0012 % с точностью порядка 0,0001 %.

Наиболее простыми косвенными ме­тодами измерения влажности являются механические,основанные на измерении параметров, характеризую­щих реологические свойства влажныхИО: плотности, массы, уплотнения, коэф­фициента трения и вязкости, сопротив­лений резанию, сжатию, уплотнению, вдавливанию плоского или объемного штампа и т.д. в зависимости от влаж­ности с определенной формой ее связи с веществом.

Пикн о метрический метод определения влажности ИО основан на зависимости плотности массы от коли­чества влаги в нем, если плотность массы абсолютно сухого вещества си­льна отличается от плотности воды при данной температуре.

Пьезоэлектрическиемето­ды используют зависимость между плот­ностью массы ИО и его влагосодержа-нием. Измерение осуществляется мето­дом сравнения гидростатических давле­ний ИО (в жидком состоянии) и воды.

В основе теплофизических методов лежат функциональные зависи­мости коэффициента теплопроводности или температуропроводности, удельная теплопроводность или число Прандтля от влажности в исследуемых капилляр­но-пористых материалах. Перечисленные тешюфизические параметры по мере увеличения влажности ИО монотонно,Но не линейно увеличиваются. В боль­шинстве теплофизических. влагомеров используются зависимости динамических характеристик охлаждения или нагрева тел малой теплоемкости (например, плоской хромель-копелевой спирали) от влажности в ИО, находящегося в теп­ловом контакте с чувствительным эле­ментом прибора.

Калориметрическийметод применяют для измерения малого содер­жания влаги (до 6 %). Физическая сущ­ность этого метода заключается в опре­делении изменения температуры пробы сыпучего ИО в процессе десорбции влаги в вакууме. Десорбция приводит к резкому понижению температуры ИО, причем перепад температуры пропор­ционален начальной влажности. Этот метод также позволяет определить со­держание влаги в многокомпонентных жидких системах по температурному скачку, имеющему место, например, при кристаллизации компонентов смеси.

Термовакуумныйметод об­ладает высокой чувствительностью бла­годаря тому, что процесс фазового пе­рехода в материале сопровождается зна­чительным выделением или поглощением теплоты.

Термографическийметод влагометрии движущихся сыпучих мате­риалов основан на измерении количест­ва теплоты, затрачиваемой на испарение влаги из контролируемого объекта. По-

ток теплоты, передаваемой веществу на­гревателем, стабилизирован. Уменьшение вызывает меньший расход энергии наиспарение и больший — на нагрев сухого материала.

Э лектрофизическиеметоды влагометрии основаны на зависимости свойств ИО—удельной электрической проницаемости, диэлектрической прони­цаемости тангенса угла диэлектрическихпотерь и др. — от количества влаги в них. Наибольшее распространенение получили кондуктометрический, диэлькометричес-кий, емкостный метод и метод полной проводимости. При реализации кондук-тометрического метода оценка влажнос­ти осуществляется по результатам изме­рения электрического сопротивления (объемного или поверхностного) или проводимости ИО на постоянном потоке или токе промышленной частоты. Как правило, этот метод применяется для оп­ределения влажности в интервале 2-3 %.

Диэлькометрическийметод измерения влажности предполагает оцен­ку влагосодержания по диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлект­рических потерь влажных материалов в широком диапазоне частот — от звуко­вых до СВЧ.

Наиболее перспективными считаются следующие схемы емкостных влагоме­ров: резонансные, дифференциальные, с модуляцией параметров измерительно­го контура, на базе мостов с тесной ин­дуктивной связью, двух- и многочастот­ные. СВЧ-методы определения отлича­ются высокой чувствительностью и точ­ностью. Основные модификации этих методов: волноводный, резонаторный и метод измерений в свободном прост­ранстве. В качестве информативного параметра используется амплитуда, фаза или угол поворота плоскости поляри­зации линейно-поляризованной плоской электромагнитной волны. В табл. 14приведены данные о методах СВЧ вла­гометрии и областях их применения.

Физической основой нейтрон­ных методов измерения и контроля

влажности является замедление ядрами водорода, содержащегося в воде ИО, быстрых нейтронов, которые при этом теряют часть своей энергии и превраща­ются в медленные или тепловые со значительно меньшей энергией. В каче­стве источников быстрых нейтронов ис­пользуют изотопы различных атомов.

К преимуществам нейтронного метода следует отнести возможность измерения влажности в широком диапазоне (до100 %), нечувствительность к распреде­лению влаги, минералогическому составу и плотности массы ИО.

Лекция 19

Ядерныймагнитныйре­зонанс(ЯМР) является одним из эф­фективных методов анализа состава ор­ганических веществ животного и расти­тельного происхождения. Основу мето­дов ЯМР составляет резонансное погло­щение электромагнитной энергии ра­диочастотного диапазона ядрами водо­рода воды при внесении влажного объек-

та в постоянное магнитное поле. Конт­ролируемый объект помещают в ци­линдрическую катушку, ось которойперпендикулярна направлению поля, и по катушке пропускают переменный ток высокой частоты. Катушка находитсямежду полюсами постоянного магнита. Резонанс достигается двумя способами: изменением частоты высокочастотного поля (первой компоненты) при постоян­ной напряженности постоянного поля (второй компоненты) и изменением нап­ряженности постоянного поля (второйкомпоненты) при постоянной частоте высокочастотного ноля (первой компо­ненты) . При резонансе имеет место максимальное поглощение радиочастот­ной энергии.

Метод оптических влаго­меровоснован на способности неко­торых веществ изменять свою окраску и коэффициент отражения в зависимостиот влажности и видимой области спектра.

Среди оптических приборов для измере­ния влажности наибольший интерес пред­ставляют инфракрасные (ИК) фотомет­рические влагомеры, в основу действия которых положено измерение избира­тельного поглощения влагой инфракрас­ного излучения определенной длины волны либо отраженного поверхностью ИО, либо проходящего через вещество излучения.

Основные методы, используемые для измерения влажности газов:

1.Физико-химические методы: сорбционные:

электрофизические:

кулоно метрические;

электролитические реологические (деформацион­ные) ;

волосяной;

твердотельный сорбционно-гравитометрические (взвешивания); оптические;

массоспектраметрические; теплофизические;

сорбционно-термические;

точки росы;

психо метрические;

с подогревным датчиком

2.Физические методы:

акустические; оптические;

лазерные тепло- и массообменные;

диффузионные эл ектрофизические:

короноразрядные;

диэлькометрические спектроскопические:

инфракрасные;

видимого диапазона;

ультрафиолеотовые;

рентгеновские; радиометрические

Определение количества водяного па­ра и газа, в том числе в воздухе, носит название гигро метрии, а приборы или устройства, предназначенные для

подобных измерений, называются гигро­метрами.

Работа гигрометров с датчиками по­догревного типа основана на использо­вании зависимости максимальной упру­гости водяного пара над поверхностью насыщенного раствора гигроскопической соли от температуры. Состояние равно­весия с окружающей средой достигается изменением температуры (нагревом) чувствительного элемента, характеризую­щей влажность анализируемой газовой среды.

Метод точки росы является одним из основных конденсационных методов контроля влажности воздуха и газовой смеси. Он основан на эксперименталь­ном определении температуры, соответ­ствующей полному насыщению газа па­рами воды и появлению жидкой фазы. Момент насыщения определяют визуаль­но или фотоэлектрически по изменению интенсивности отраженного от поверх­ности конденсации влаги светового по­тока в момент выпадания капель росы.

Хроматографический метод позволяет с высокой точностью определять влаж­ность газов, содержащих множество других мешающих компонентов.

Для тяжелых условий эксплуатации весьма перспективным является метод измерения влажности атмосферы по теплоуносу с поверхности пленочного резистивного малогабаритного датчика, защищенного от скоростных потоков и атмосферных осадков.

Ультразвуковым методом измеряют влажность с использованием зависимос­ти параметров характеристик ультразву­ковых колебаний от свойств и состава среды, а именно зависимость скорости (поперечной или продольной) распрост­ранения ультразвуковых колебаний от содержания влаги в ИО. Основная об­ласть применения ультразвуковых вла­гомеров — определение содержания влаги в агрессивных средах и издели­ях из керамических масс.

Самыми распространенными мето­дами гигрометрии являются: адсорб-

ционные, конденсационные . и хромато-графические. Адсорбционные методы ос­нованы на переносе влаги из газа к по­верхностям различных пористых тел с последующим определением параметров физических характеристик этих тел в за­висимости от влагосодержания или же на измерении теплового эффекта сорб­ции влаги с поверхности твердого ад­сорбента.

Адсорционным кулонометрическим методом влагометрии измеряют коли­чество электричества, израсходованного в процессе электролиза воды, перенесен­ной из исследуемого газа в сильнодейст­вующий химический поглотитель влаги — фосфорный ангидрид.

Адсорбционно-частотный метод осно­ван на определении частоты резонанса кварцевого резонатора, покрытого тон­ким слоем гидросконического вещества, при измерении влажности контролируе­мой газовой смеси. Прибор сравнивает частоты двух кварцевых резонаторов,и результирующая разность этих частот информацию о влажности газа.

В основе электросорбционного метода лежит измерение поверхностной прово­димости пленки окиси алюминия при адсорбции на ней паров воды.

Выбирая или анализируя тот или иной метод влагометрии, всегда непременно следует увязывать его с формами связи влаги с ИО и с фазовым составом воды внутри материала ИО.

Вязкость. Количественно вязкость ха­рактеризуется коэффициентом вязкости.

Основой всех вискозиметрических и реологических аппаратурных средств яв­ляются граничные условия, при которых происходят деформирования, фазовые переходы и течения ИО. Они определя­ются либо формой образца, если он об­ладает хорошой спонтанной формосох-раняемостью, как, например, металли­ческие образцы для механических испы­таний при нормальной температуре, либо формой и адгезионными (теплофизичес-кими) свойствами рабочих поверхнос­тей, между которыми закладывается или

заливаются, а затем деформируются ИО в текучем состоянии.

Вариантов форм образцов ИО и ра­бочих поверхностей реометров, и в том числе вискозиметров, которые считаются рациональными, много (около 200). Для удобства выбора и анализа этого множества оно систематиматизировано и представлено в развернутой таблице реологических (в том числе вискози-метрических) методов и средств иссле­дований различных сред в целях ТД. Классификация реологических методов и средств осуществлена по признакам, обладающим достаточно широкой общ­ностью — по видам граничных условий.

Основные группы методов вискози­метрии и реометрии следующие:

1. капиллярные (Пуазейля— Видема-на—Гагенбаха) и вообще истечений;

2. ротационные (Куэтта—Марголиса, Муней и Юарта, Унг,ара, Гораздовского и др.);

3)падающего' или всплывающего и скатывающегося шарика (Стокса) в общем случае — обтекания твердых тел;

4. затухания колебаний (Кулона);

4. реологических процессов внутри твердого тела.

Первые четыре метода могут быть использованы для ИО в газообразном и жидком состоянии, а также если ИО является легкодеформируемым, т. е.если его прочность меньше прочности рабочих актуально-деформирующих тел прибора на несколько порядков.

При к апиллярных методах измерения вязкости газов в широкоминтервале температур непосредственно измеряют расход при протекании газа через трубки (капилляр) с диаметром известной величины и вполне опреде­ленной длины.

Ротационныеметоды основа­ны на использовании процессов сдвига ИО в зазоре между соосно располо­женными рабочими поверхностями в форме тел вращения, которые могут быть конгруэнтными.

Методы ротационной реометрии пре­дусматривают измерение угловых пере­мещений и времени (для вычисления скоростей перемещения) при заданных нагрузках.

Широкое распространение получают переносные динамические вискозиметры, имеющие электродвигатель, вращаю­щий одно рабочее тело, погружаемое в ИО, находящийся в резервуаре. Изме­ритель крутящего момента, установлен­ный в окрестности вала-торсиона, к ко­торому прикреплено рабочее тело, про-градуирован в тех или иных единицах вязкости. Наилучший измеритель крутя­щего момента — индуктивный, токо-вихревой. Методы падающего или всплы­вающего шарика весьма разнообразны. Многие из них реализуются в портатив­ных приборах для ориентировочного определения вязкости горячесмазочных материалов (ГСМ) в полевых условиях.

Весьма распространен метод измере­ния ньютоновской вязкости в условных единицах по скорости скатывания шарикапо наклонной трубке с диа­метром немного большим диаметра ша­рика, которая заполнена ИО. Эта идея метода реализована в вискозиметре Геп-лера.

Плотность. Плотность является физи­ческой величиной, характеризующей рас­пределение вещества по объему.

Методы плотнометрии предусматри­вают измерение массы т, объемаV или стабильности одной величины, на­примерV =const, и измерение другой величины (в приведенном примере мас­сы или веса);P = g-m.

Лекция 20

Основные методы измерения плот­ности жидкостей:

1.Дилатометрические:

измерения объема, длины и массы

2.Ареометрические:

меры погружения поплавка; меры силы, выталкивающей пог­руженный поплавок; разности сил, действующих на дат­чик;

угла поворота (или момент сил) несимметричного поплавка

3. Пикнометрические; массы мерного объема

3. Пьезометрические:

давления на чувствительный эле­мент;

давления жидкости или газа в питательных трубках; меры уровня в сообщающихся сосудах

5. Капельные: падающей капли

6. Вибрационные и акустические: частоты резонанса объема исследуе-моего объекта;

частоты резонанса камертона в сре­де исследуемого объекта; скорости распространения ультра­звуковых волн; поглощения ультразвуковых волн

7. Тегшофизические: температуры депрессии

8. Электрофизические: электропроводности; диэлектрической проницаемости; поглощения электромагнитных волн

9. Оптические: коэффициентов рефракции; интенсивности интерференции; коэффициентов поляризации

10.Радиационные:

поглощения ионизирующих излуче­ний (х, 7, а, (3, п, у) ; рассеяний излучений Различают следующие методы измере­ния плотности пара.

Метод Дюма включает в себя взве­шивание мерной колбы с паром (при известных температуре и давлении) и с водой; вводя поправку на тепловое расширение, вычисляют р пара; пог­решность метода 0,1—0,01 %.

Метод Гей-Люссака и Гоф­мана,по которому навеска ИО по­мещается в тонкостенный резервуар малого объема. Резервуар запаивается и помещается в манометрическую труб-. ку, из которой откачивается газ (пары

воды и воздух). Трубка нагревается до температуры немного выше точки кипения ИО; при этом вещество прев­ращается в пар. Давление возрастает, и тонкостенный резервуар разрывается. Пары заполняют все ранее вакуумиро-ванное пространство в манометрической трубке. По давлению и температуре определяют объем, занимаемый паром, а зная массу и объем, вычисляют плот­ность.

Метод В. М а й е р а реализуется с помощью баллона, имеющего горлови­ну с пробкой и трубку для выпуска воздуха, а также измерительный ци­линдр для определения объема воздуха. Баллон помещается в термостат для нагрева до температуры выше точки кипения ИО. Нагретый воздух выходит из баллона через боковую трубку, а по наступлении термодинамического рав­новесия его истечение прекращается. Пробку вынимают из горловины, в бал­лон помещают ИО и вновь закрывают пробкой. ИО превращается в пар, кото­рый вытесняет воздух через выпускную трубку в измерительный цилиндр. Объемвоздуха в этом цилиндре почти соответс-вует объему образовавшегося пара. Знаяисходную массу ИО и объем пара, вы­числяют его плотность.

Метод адсорбции, который яв­ляется достаточно точным (А ~ 0,05 %) , заключается в том, что баллон известного объема термостатируют, заполняют насы­щенным паром ИО и соединяют с ваку-умированным объемом, в котором рас­положены весы Мак-Бена, в которых на кварцевой спиральной пружине подве­шен адсорбент. Массу пара (полностью поглощенного адсорбентом) измеряют по деформационным смещениям пру­жины.

Метод газовыхвесовосно­ван на законе Архимеда. В термостати­рованном баллоне на кварцевом коро­мысле уравновешивают пустотелый ша­рик из кварцевого стекла и противовес. Изменение р газа, окружающего шарик,изменяет положение равновесия коро-

мысла весов. Точность измерения 4- 1(Г⁸г/см³.

Метод истечения газа через отверстие является относительным. Опре­деление неизвестной плотности сводится к измерениям времени протекания через одно и то же отверстие равных объемов двух газов, плотность одного из ко­торых известна; погрешность метода ~0,1 %.

Метод ньезометрии исполь­зуют при измерении газов под высоким давлением с погрешностью ~ 0,2 %. В пьезометре постоянной емкости соз­дают необходимое давление газа ИО (при фиксированной температуре) изатем определяют его массу по объему, который газ занимал при атмосферном давлении.

В цеховых условиях используются следующие методы: поплавковый, гид­ростатический, роторный, ультразвуко­вой.

Рентгеновские методы определения состава и структуры материала. По ап-паратурно-методическим признакам мож­но классифицировать как рентгеноспект-ральный и рентгеноструктурный анализы.

Физическая сущность рентгеноспект-рального анализа состоит в том, чтопри поглощении первичного рентгеновс­кого излучения в исследуемом образцеэнергия поглощенного излучения перехо­дит в энергию ионизации вещества. Каж­дый химический элемент имеет спектр излучения, характерный только для не­го, а само излучение называется харак­теристическим, по спектру которогоможно определить элементный или атом­ный состав вещества, а по интенсивнос­ти — концентрацию атомов данного эле­мента.

Возбуждение характеристического из­лучения возможно лишь при бомбар­дировании исследуемого образца элект­ронами, ускоряемыми электрическим или магнитным полем высокой напря­женности, либо при облучении его рен­тгеновским излучением. Первый способ носит название прямого (первичного)

возбуждения, второй — флуоресцентного (вторичного) возбуждения.

Для проведения рентгеноспектрально-го анализа применяются флуоресцентные рентгеновские спектрометры, кристалл-дифракционные спектрометры и бескрис­тальные анализаторы.

В флуоресцентных рентгеновских спе­ктрометрах флуоресцентный рентгеновс­кий спектр, содержащий характеристи­ческие линии элементов, входящих в сос­тав исследуемого образца, регистриру­ется с помощью пропорциональных, сцин-тилляционных счетчиков или полупро­водниковых детекторов, обрабатывается с помощью электронно-вычислительных устройств, а результаты анализа выво­дятся на экран дисплея, диаграммнуюленту самописца или цифропечатающее устройство.

В кристалл-дифракционных спектро­метрах для регистрации всех характе­ристических линий флуоресценции ис­следуемого образца используется диф­ракция излучения на кристалле, опре­деляемая уравнением Вульфа-Брегга

2d sin0 .= n v,

где d — межплоскостное расстояние для отражающей плоскости кристалла;0 — угол дифракции;v — длина волны ди­фракционного фотона;п = 1, 2, 3 ... — порядок дифракции.

Поворачивая кристалл в процессе ана­лиза, наменяют угол падения флуорес­центного излучения образца на крис­талл, измеряют интенсивность отражен­ного излучения, находят ,ее максимум, приходящийся на бреговский угол, и таким образом регистрируют все харак­теристические линии флуоресценции об­разца.

В бескристальных анализаторах для проведения флуоресцентного рентгено-спектрального анализа с целью выделе­ния характеристической линии применя­ются селективные рентгеновские фи­льтры (метод дифференциальных фи­льтров) и дифференциальные детекторы (метод энергетической дисперсии, при

котором используется зависимость ам­плитуды импульса на выходе детекто­ра от энергии регистрируемого излуче­ния)

Используя амплитудную дискримина­цию, можно выделить интенсивность из­лучения в заданном интервале энергий спектра образца.

Метод рентгеноструктурного анализа применяется для исследования структу­ры вещества по распределению в прос­транстве и интенсивности рентгеновско­го излучения, рассеянного на анализи­руемом образце.

Методы рентеноструктурного анализа позволяют определить дефекты кристал­лического строения веществ. Сущность рентгеноструктурного анализа объясня­ется явлением дифракции рентгеновско­го излучения, основанной на взаимо­действии первичного рентгеновского излучения с длиной волны порядка 1 • 10" ¹⁰ м с электронами ИО. Дифрак­ционная картина зависит от длины вол­ны рентгеновских лучей и строения ве­щества. В результате дифракции воз­никает вторичное рентгеновское излу­чение с той же длиной волны, направле­ние и интенсивность которых опреде-деляется строением вещества. Дифраги­рованные таким образом рентгеновские лучи интерфирируют между собой.

В направлениях, в которых разность хода лучей равна целому числу длины волн, возникают дифракционные мак­симумы. Эта закономерность описыва­ется уравнением Вульфа — Бреггов.

При известной длине волны каждо­му значению межплоскостного расстоя­ния соответствует определенный угол дифракции, измеряя который, можно определить межплоскостное расстояние между соседними плоскостями элемен­тарной ячейки кристалла анализируемо­го образца. При этом определяется взаимное расстояние разных атомов и определяются межатомные расстояния.

Приборы для флуоресцентного спект­рального анализа вещества разделяют на три основные группы: кристалл-дифрак-

ционные сканирующие сиектометры, поз­воляющие проводить анализ широкой группы элементов; многоканальные спектрометры (квантометры) для одно­временного анализа нескольких элемен­тов в дискретных образцах или на по­токе; анализаторы, позволяющие прово­дить анализ образцов ограниченной груп­пы элементов.

Наиболее высокопроизводительная ап­паратура рентгеноспектрального ана­лиза — квантометры. Их годовая произ­водительность достигает 2 млн. элементо-определений.

Рентгеновские анализаторы применя­ют для выявления рудных элементов в горных породах и рудах, меди в штей­нах и шлаках медеплавильного произ­водства и т.д.

К кристалл-дифракционным скани­рующим спектрометрам относят коротко­волновые флуоресцентные рентгеновс­кие спектрометры, предназначенные для экспрессного количественного анализа различных материалов. - К многоканальным спектрометрам от­носят рентгеновские квантометры. Пред­ставителем многоканальных спектромет­ров является квантометр КРФ-18, пред­назначенный для массовых экспрессных анализов порошковых и монолитных материалов.

Характерная особенность прибора — автоматизация процесса анализа, про­водимая с помощью вычислительного комплекса, который управляет рабочим циклом, контролирует работу прибора, проводит расчет концентраций анализи­руемых элементов по измеренным ин-тенсивностям аналитических линий.

Квантометр позволяет одновременно определять содержание 12 элементов в одном образце в диапазоне от магния до урана. Порог чувствительности по­рядка ю-²- кг⁴.

В качестве ренттеноспектральных ана­лизаторов используются рентгеновские бескристальные скоростные анализаторыс дифференциальными детекторами. Они предназначены для многокомпонентного

экспрессного количественного анализа химического состава различных материа­лов непосредственно в производствен­ных и полевых условиях без отбора проб (опробование керна, контроль соста­ва сырья и материалов при их транспор­тировке и хранении) и образцов руд, горных пород, сплавов и других мате­риалов в лаборатории и в поле.

Рентгеновские приборы для структур­ного анализа можно подразделить на две группы: рентгеновские дифрактсметры и приборы с фотографической регистра­цией интерференционных картин.

Рентгеновские дифрактометры обще­го назначения состоят из источника рент­геновского излучения, рентгеновского гониометрического устройства, точечно­го счетчика квантов со счетно-регистри-рующим устройством, наборов приста­вок к дифрактометру на гониометри­ческом устройстве.

В дифрактометрах общего назначе­ния универсальность измерений опреде­ляется возможностью использовать смен­ные специализированные приставки к: го­ниометру, различные детекторы, а также записывать дифракционную картину не только на самопишущем потенциометреи цифропечатающем устройстве, но и на перфоленте, которую затем можно ввес­ти в ЭВМ. Это позволяет проводить качественный и количественный фазо­вый анализ, исследовать твердые раст­воры, получать полный набор интеграль­ных интенсивностей максимумов от кристаллов, исследовать текстуры. С применением высокотемпературных и низкотемпературных рентгеновских ус­тановок, включающих вакуумный пост, блок поддержания и измерения темпе­ратуры, обеспечивается возможность про­ведения исследований при высоких (до 1500 °С) и низких (до — 173 °С) темпе­ратурах, повышается точность измерения интерференционной картины, сокраща -ется время исследований.

Для определения количественного и качественного анализа фазового состава

Лекция 21

СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ