Измер консп_лекций - 2013

1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«Технічні вимірювання в гідропневмосистемах»

КУРС ЛЕКЦІЙ

(для студентів інженерних спеціальностей)

Р о з г л я н у т о на засіданні кафедри

«Енергомеханічні системи». Протокол № 5 від 16.10.2013 р.

З а т в е р д ж е н о на засіданні навчально-методичної ради ДонНТУ.

Протокол № __ від __.__.2013 р.

Донецьк – 2013

2

УДК 53.083.(430.1)

Моргунов В.М., Геммерлінг О.А. Технічні вимірювання в гідропневмосистемах. Конспект лекцій (для студентів інженерних спеціальностей)

— Донецьк: ДонНТУ, 2013. – 104 с.

3

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………. 5

1Общие сведения об измерениях и измерительной аппаратуре ……………. 6

1.1Основные понятия и определения …………………………………. 6

1.2Виды и методы измерений ………………………………………….. 7

2Эталоны. Погрешности измерений и причины их возникновения. Оценка случайных погрешностей измерения ………………………………………… 10

2.1Эталоны, образцовые и рабочие меры …………………………….10

2.2Погрешности измерений ………………………………………….. 11

2.3Причины возникновения и способы исключения систематических погрешностей …………………………………………………………………... 13

2.4Оценка случайных погрешностей ……………………………..…. 15

3 Введение в измерительную технику. Основные функции измерительной системы. Виды первичных преобразователей ……………………………….. 21

3.1Введение. Понятие функционального блока ………...…………... 21

3.2Основные функции измерительной системы ………………….….22

величины ……………………………………………………………………….. 23

3.4Виды первичных преобразователей ……………………...………. 24

3.5Чувствительные элементы ………………………………………… 25

преобразователей ………………………………………………………………..27

4.1Основные характеристики измерительных приборов и преобразователей …………………………………………………………….… 27

4.2Динамические характеристики приборов …………………...…… 30 5 Пассивные чувствительные элементы и преобразователи, их характеристики и схемы включения …………………………………………...33

5.1Резистивные чувствительные элементы …………………………. 33

5.1.1Реостатные датчики ………………………………………. 34

5.1.2Тензорезисторные преобразователи ………………………38

5.2Емкостные преобразователи ………………………………………..42

6 Активные преобразователи физических величин ……………………...46

6.1Индуктивные преобразователи …………………………………….46

6.2Трансформаторные преобразователи …………………………...…48

6.3Тахометрические преобразователи ………………………………...52

6.4Импульсные преобразователи …………………………………...…53

6.5Термоэлектрические преобразователи ………………………....….53

4

6.6Пьезоэлектрические чувствительные элементы ……………...….58

6.7Элементы Холла …………………………………………………….60 7 Первичный преобразователь, основанный на принципе Кориолиса. Вихревые преобразователи перепадов давлений. Ультразвуковые первичные преобразователи………………………………………………………………….63

7.1Первичный преобразователь, основанный на принципе Кориолиса ……………………………………………………………………….63

7.2Вихревые преобразователи перепадов давлений …………………64

7.3Ультразвуковые первичные преобразователи ……………………..65 8 Измерение усилий, уровня жидкости, концентрации, давлений ………….66

8.1Измерение усилий…………………………………………………...66

8.2Измерение уровня жидкости ……………………………………….68

8.3Измерение концентрации …………………………………………..72

8.4Измерение давлений ………………………………………………..74 9 Датчики системы ГСП ……………………………………………………….77

9.1Датчики ГСП с электросиловым преобразователем (с силовой компенсацией) ………….……………………………………………………….77

9.2Дифференциально-трансформаторные датчики ………………….81

9.3Магнитомодуляционные датчики ………………………………… 83 10 Измерение динамических усилий и давлений, расходов жидкостей и газов …………………………………………………………………………….. 84

10.1Измерение динамических усилий и давлений ………………….. 85

10.2Измерение расхода жидкостей и газов ………………………..… 87 11 Измерение стационарных температур ……………………………………. 97 12 Измерительные информационные системы …………………………….. 102

12.1 Общие сведения об измерительных информационных системах ……………………………………………………………………….. 102 12.2 Разновидности измерительных информационных системах ….103 Список дополнительной литературы ……………………………………….. 108

5

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ

1.1 Основные понятия и определения

Термины и определения основных понятий метрологии нормированы РМГ 29-99 (с изменениями 1-2005) (взамен ГОСТ 16263-70) и приводятся ниже в соответствии с этим документом.

Измерением называется совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Результат измерения – значение физической величины, полученое путем ее измерения.

Измерения основаны на некоторой совокупности физических явлений, представляющих собой принцип измерений. Они осуществляются при помощи технических средств измерений, используемых при измерениях и имеющих нормированные метрологические параметры.

Средства измерений делятся на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью

Измерительный преобразователь – преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).

Кроме термина “первичный измерительный преобразователь” используется близкий к нему термин – “датчик”. Датчик – это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он "дает" информацию).

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

6

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительная установка может содержать в своем составе меры, измерительные приборы, а также различные вспомогательные устройства.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях

В связи с усложнением технологических процессов в современной промышленности для их эффективного контроля и оптимального управления ими требуется получение информации о большом числе параметров объектов, а также оперативная обработка этой информации. Это привело к появлению и развитию сложных систем, предназначенных для автоматического сбора и переработки информации. Такие системы получили название измерительных систем. Измерительная система – это совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

Измерительная информация – это информация о значениях физических величин.

Без получения измерительной информации, т.е. количественных сведениях о значениях разработанных физических величин, невозможны ведение технологических процессов, выработка и распределение электроэнергии, добыча и транспортировка твердого, жидкого и газообразного топлива, руды, разведка недр, управление транспортом, исследование космоса и многие другие области активной деятельности человека.

7

1.2 Виды и методы измерений

По виду различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямым называется измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно. Иными словами, здесь измеряется непосредственно та величина, значение которой необходимо определить (измерение тока амперметром, массы на весах и т.п.).

Косвенное измерение - это определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например: определение плотности D тела цилиндрической формы по результатам прямых измерений массы m, высоты h и диаметра цилиндра d, связанных с

вместо термина косвенное измерение применяют термин косвенный метод измерений

Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Примером совокупных измерений является нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения сопротивлений последовательного и параллельного соединения этих резисторов. Искомые значения сопротивлений находят из системы двух уравнений.

Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, прямые измерения значений сопротивления терморезистора при двух различных температурах дают затем возможность рассчитать значение двух коэффициентов в уравнении, определяющем зависимость сопротивления этого терморезистора от температуры. В этом примере результатом совместного измерения является определение двух упомянутых коэффициентов.

Совокупность приемов использования принципов и средств измерений называется методом измерений.

Методы измерения подразделяют на метод непосредственной оценки и метод сравнения.

8

Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что отсчет значения измеряемой величины производится непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Так, измерение сопротивления омметром является примером прямого измерения методом непосредственной оценки.

Метод сравнения предполагает операцию сравнения измеряемой величины с мерой в каждом из актов измерения. Сравнение можно проводить различными способами, поэтому метод распадается на ряд разновидностей, из которых наиболее употребительны следующие.

1.Нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой величиной и известной величиной (мерой) на прибор сравнения доводят до нуля. В качестве примера нулевого метода можно привести измерение активного сопротивления мостом постоянного тока с полным его уравновешиванием.

2.Дифференциальный метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой. Таким образом, в отличие от нулевого метода в этом случае измеряемая величина уравновешивается не полностью. Точность дифференциального метода повышается при уменьшении разности между измеряемой и известной величинами.

3.Метод замещения, при котором измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой. Примером использования этого метода является определение емкости конденсатора, включенного в колебательный контур. Изменением частоты напряжения, поступающего на колебательный контур, добиваются резонанса, а затем вместо конденсатора с неизвестной емкостью Сх включают переменный образцовый конденсатор и вновь добиваются резонанса изменением значения емкости С0 образцового конденсатора. При резонансе Сх = С0.

Достоинством метода сравнения является высокая точность измерений, а недостатком – сложность. Метод непосредственной оценки, наоборот, отличается простотой и малым временем измерения. Поэтому, несмотря на сравнительную малую точность, он получил наибольшее распространение в производственной практике, в то время как метод сравнения используется в основном при лабораторных измерениях. Однако в связи с интенсивным развитием автоматизации измерений, которое происходит в настоящее время, следует ожидать, что метод сравнения будет находить все большее применение и на производстве.

9

2 ЭТАЛОНЫ. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ И ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ. ОЦЕНКА СЛУЧАЙНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ

2.1 Эталоны, образцовые и рабочие меры

Эталоны. Средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений и официально утвержденное в установленном порядке, называется эталоном единицы физической величины. Эталоны, воспроизводящее одну и ту же величину, подразделяются на следующие: первичный эталон, обеспечивающий наивысшую точность воспроизведения единицы; вторичный эталон, установленный на основании произведенных с метрологической точностью сличений с первичным эталоном; рабочий эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым средствам измерения высшей точности.

Образцовые и рабочие меры. Образцовыми называются меры, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Рабочие меры предназначены для целей измерения во всех областях народного хозяйства.

При измерении электрических величин используют образцовые и рабочие меры ЭДС, сопротивления, индуктивности, взаимной индуктивности, емкости.

В настоящее время мерами ЭДС служат стабильные гальванические элементы с точно известными значениями ЭДС. Мерами сопротивления являются катушки сопротивления. Для их изготовления используются ленты или проволока из манганина, который имеет большое удельное сопротивление, малый температурный коэффициент и малую термоЭДС в паре с медью, а также хорошо противостоит окислению. Мерами индуктивности служат катушки и магазины индуктивности. Катушки выполняются из тонкой медной изолированной проволоки, намотанной на пластмассовый или фарфоровый каркас. Меры емкости выполняются в виде воздушных или слюдяных конденсаторов, а также магазинов емкостей.

Масса в системе СИ выражается в килограммах (кг).