Предмет и задачи метрологии

Лекции метрологии Лекция 1 Предмет и задачи метрологии В практической жизни человек всюду имеет дело с из­мерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамят­ных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. Измерения являются одним из важнейших путей познания при­роды человеком. Они дают количественную характеристику ок­ружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Математика, механика, физика стали именоваться точными науками потому, что благодаря измерениям они получи­ли возможность устанавливать точные количественные соотноше­ния, выражающие объективные законы природы. Д. И. Менделеев выразил значение измерений для науки следующим образом: «На­ука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Все отрасли техники - от строительной механики и машино­строения до ядерной энергетики - не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все техноло­гические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции. Большое разнообразие явлений, с которыми приходится стал­киваться, определяет широкий круг величин, подлежащих изме­рению. Если в конце XVIII в. при установлении метрической системы мер существовала необходимость лишь в измерении длины, площади, объема, вместимости и веса, то в настоящее время круг величин, подлежащих измерению, значительно расширился, включив механические, тепловые, электрические, световые и дру­гие величины. Во всех случаях проведения измерений, независимо от изме­ряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерений, - это сравнение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т. е. находим ее значение. В настоящее время установлено следующее определение изме­рения: измерение есть нахождение значения физической величи­ны опытным путем с помощью специальных технических средств. Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология. Слово «метрология» образовано из двух греческих слов: «метрон»— мера и «логос» — учение. Дословный перевод слова «метрология»— учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца прошлого века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метроло­гией в период 1892—1907 гг. Метрология в ее современном понимании — наука об измере­ниях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Единство измерений — такое состояние измерений, при кото­ром их результаты выражены в узаконенных единицах и погреш­ности измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Единство из­мерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений. Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины. Таким образом, важнейшей задачей метрологии является обес­печение единства и необходимой точности измерений. Основная цель метрологии – контроль единства мер и измерительных приборов и надзор за всеми средствами измерений в стране. Задачи метрологии: · Создание и совершенствование теоретических основ системы единиц измерений. · Создание эталонов и образцов измерительных средств. · Разработка и совершенствование новых методов измерений. · Разработка теоретических основ передачи единиц измерения от эталона к рабочим измерительным средствам и др. Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, ибо повышение точности измерений — один из путей совершенствования познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний. Основные понятия метрологии Одним из основных понятий метрологии является измерительная техника. Под измерительной техникой, в широком смысле этого слова, понимают как все технические средства, с помощью которых вы­полняют измерения, так и технику проведения измерений. Итак, измерение является важнейшим понятием в метроло­гии. Измерение - это организованное действие человека, выполняемое для ко­личественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической ве­личины. Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величи­ны от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений, и способов выражения этих ре­зультатов. 1. По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на: · статические, при которых измеряемая величина остается по­стоянной во времени. Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления и др. · динамические, в процессе которых измеряемая величина изме­няется и является непостоянной во времени. Это изме­рения пульсирующих давлений, вибраций и др. 2. По способу получения результатов измерений (виду уравнения измерений) их разделяет на : · Прямые — это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q=X, где Q - ис­комое значение измеряемой величины, а Х - значение, непосред­ственно получаемое из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям под­вергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой не­посредственно или же с помощью измерительных приборов, гра­дуированных в требуемых единицах. Примерами прямых измере­ний служат измерения длины тела масштабной линейкой, массы при помощи весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении (измерения размерных параметров), а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.). · Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой ве­личиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях измеряют не собственно определяе­мую величину, а другие величины, функционально с ней связан­ные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле Q=f (X1, X2, Хз, ...), где Q - искомое значение косвенно измеряемой величины; f - знак функциональной зависимости, форма которой и природа связанных ею величин заранее известны; Х1, Х2, Хз,... - значения величин, измеренных прямым способом. Примерами косвенных измерений могут служить определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно изме­рить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точ­ный результат. Роль косвенных измерений особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному эксперимен­тальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка. · Совокупные - это производимые одновременно измерения не­скольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при пря­мых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является определение мас­сы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе од­ной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь). · Совместные — это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зави­симостей между ними. В качестве примера совместных измерений можно назвать из­мерение электрического сопротивления при 20°С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых из­мерений его сопротивления при различных температурах. 3. По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса. І. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, свя­занные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измере­ния физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнит­ного отношения протона и др.). К этому же классу относятся и некоторые специальные изме­рения, требующие высокой точности. ІІ. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторое заданное значение. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями го­сударственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительны­ми лабораториями и осуществляемые такими средствами изме­рений и по такой методике, которые гарантируют погрешность результата, не превышающую некоторого, заранее заданного зна­чения. ІІІ. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, вы­полняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др. 4. По способу выражения результатов измерений различают аб­солютные и относительные измерения. Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант. Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате. Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. В качестве примера относительных измерений можно при­вести, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м3 воздуха к коли­честву водяных паров, которое насыщает 1 м3 воздуха при дан­ной температуре. Основы теории измерений Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность измерений. Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использовани­ем силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температу­ры с использованием термоэлектрического эффекта. Метод измерений - совокупность приемов использования прин­ципов и средств измерений. Средствами измерений являются ис­пользуемые технические средства, имеющие нормированные мет­рологические свойства. Погрешность измерений - разность между полученным при измерении X' и истинным Q значениями измеряемой величины. Погрешность измерения Δ определяется формулой Δ=X' - Q Погрешность измерений вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а так­же недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств. Как указывалось выше, точность измерений - это характери­стика измерений, отражающая близость их результатов к истинно­му значению измеряемой величины. Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности: ε=(Δ/Q)-1 Например, если погрешность измерений равна 10-2 % = 10-4, то точность равна 104. Правильность измерения определяется как качество измере­ния, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т. е. таких погрешностей, которые остаются постоян­ными или закономерно изменяются при повторных измерениях од­ной и той же величины). Правильность измерений зависит, в част­ности, от того, насколько действительный размер единицы, в ко­торой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т. е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений. Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность; она характеризует доверие к результатам измере­ний и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные ха­рактеристики их отклонений от истинных значений соответствую­щих величин. Результаты измерений, достоверность которых не­известна, не представляют ценности и в ряде случаев могут слу­жить источником дезинформации. Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т. е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр чис­лового значения измеряемой величины и определяет точность из­мерений. Отечественные метрологические организации В большинстве стран мира мероприятия по обеспечению един­ства и требуемой точности измерений установлены законода­тельно. К таким мероприятиям относятся: узаконивание определенных единиц измерений, проведение регулярной поверки мер и изме­рительных приборов, находящихся в эксплуатации, испытания вновь выпускаемых средств измерений. Поэтому один из разделов метрологии называется законо­дательной метрологией и включает комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а так­же другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства. То есть для удовлетворения нужд народного хозяйства страны в про­ведении измерений на необходимом научно-техническом уровне создана Государственная метрологическая служба, задача которой - обеспечение единства и достоверности измерений и единообразия средств измерений. Государственные научные метрологические учреждения. Первым научным метрологическим учреждением в Рос­сии была созданная в 1893 г. Д. И. Менделеевым Главная палата мер и весов. Ее задача состояла в «сохранении в государстве еди­нообразия, верности и взаимосоответствия мер и весов». Главная палата провела большую работу по организации метрологической службы в России. Д. И. Менделеев, руководя Главной палатой мер и весов в те­чение последних пятнадцати лет своей жизни, не только лично участвовал в важнейших научных метрологических исследованиях (возобновлении прототипов русских мер, точных измерениях мас­сы, определении плотности спиртовых растворов, измерении уско­рения свободного падения и др.), но и создал центральное метро­логическое учреждение, стоящее на уровне науки своего времени, организовал поверочное дело в стране. На настоящий момент Государственная метрологическая служба России (ГМС) представляет собой совокупность государственных метрологических органов и создается для управления деятельностью по обеспечению единства измерений. В состав ГМС входят семь государственных научных метрологических центров, Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) и около 100 центров стандартизации и метрологии. Наиболее крупные среди научных центров — НПО «ВНИИ метрологии имени Д. И. Менделеева» (ВНИИМ, Санкт-Петербург), НПО «ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений» (ВНИИФТРИ, Московская область), Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ, Новосибирск), Уральский научно-исследовательский институт метрологии (УНИИМ, Екатеринбург). Научные центры являются держателями государственных эталонов, а также проводят исследования по теории измерений, принципам и методам высокоточных измерений, разработке научно-методических основ совершенствования российской системы измерений. Общее руководство ГМС осуществляет Росстандарт РФ, на который Законом «Об обеспечении единства измерений» возложены следующие функции: 1. межрегиональная и межотраслевая координация деятельности по обеспечению единства измерений; 2. представление Правительству РФ предложений по единицам величин, допускаемым к применению; 3. установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин; 4. определение общих метрологических требований к средствам, методам и результатам измерений; 5. государственный метрологический контроль и надзор; 6. контроль за соблюдением условий международных договоров РФ о признании результатов испытаний и поверки средств измерений; 7. руководство деятельностью Государственной метрологической службы и иных государственных служб обеспечения единства измерений; 8. участие в деятельности международных организаций по вопросам обеспечения единства измерений; 9. утверждение нормативных документов по обеспечению единства измерений; 10. утверждение государственных эталонов; 11. установление межповерочных интервалов средств измерений; 12. отнесение технических устройств к средствам измерений; 13. установление порядка разработки и аттестации методик выполнения измерений; 14. ведение и координация деятельности Государственных научных метрологических центров (ГНМЦ), Государственной метрологической службы, Государственной службы времени и частоты (ГСВЧ), Государственной службы стандартных образцов (ГССО), Государственной службы стандартных справочных данных (ГСССД); 15. аккредитация государственных центров испытаний средств измерений; 16. утверждение типа средств измерений; 17. ведение Государственного реестра средств измерений; 18. аккредитация метрологических служб юридических лиц на право поверки средств измерений; 19. утверждение перечней средств измерений, подлежащих поверке; 20. установление порядка лицензирования деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений; 21. организация и координация деятельности государственных инспекторов по обеспечению единства измерений; 22. организация деятельности и аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ; 23. планирование и организация выполнения метрологических работ. В Киеве существует выс­шее научное метрологическое учреждение Украины по метрологии и стандартизации - Государственный комитет по стандартизации, метрологии и сертификации. В лабораториях института разрабатываются и хранятся государ­ственные эталоны единиц измерений, разрабатываются и совер­шенствуются методы точных измерений физических величин, оп­ределяются физические константы, характеристики веществ и ма­териалов. Тематика научных работ института охватывает: линей­ные, угловые, оптические и фотометрические измерения, измере­ния массы, плотности, вязкости, силы, твердости, скорости, уско­рений, вибраций, давлений, вакуума, измерения температурных, теплофизических и термохимических характеристик, рН-измерения, измерения влажности, составов газов, акустических, электри­ческих и магнитных, радиотехнических и ионизирующих излуче­ний. В областных центрах и круп­ных городах организованы лаборатории государственного надзора за внедре­нием и соблюдением стандартов и состоянием измерительной тех­ники и их отделения (всего 35 отделений). Международные метрологические организации Рост культурных и экономических связей между стра­нами поставил в качестве неотложной задачи обеспечение меж­дународного единообразия мер. Первым шагом в этом направлении было установление в кон­це XVIII века во Франции, в период Великой Французской рево­люции, метрической системы мер, которая, по мысли ее создате­лей, должна была служить «на все времена, для всех народов». Однако только во второй половине XIX века метрическая система получила признание в качестве международной. В этом направлении большую роль сыграла Петербургская Академия наук. В 1870 г. в Париже по предложению Петербургской Академии наук было созвано совещание, которое должно было «принять ме­ры для привлечения внимания правительств разных стран к не­обходимости установления прототипов мер». Петербургская Ака­демия наук предложила организовать международную комиссию, которой было бы поручено изготовить прототипы мер длины и массы. Такая комиссия была организована и в 1872 г. приняла решение о создании платино-иридиевых эталонов метра и кило­грамма, которые должны были представлять основные единицы метрической системы. 20 мая 1875 г. 17 государств, в том числе и Россия, на Между­народной Дипломатической конференции по метру (в которой уча­ствовали дипломатические представители этих стран) «для обес­печения международного единства и усовершенствования метри­ческой системы» подписали Метрическую конвенцию. В соответствии с этой конвенцией устанавливалось междуна­родное сотрудничество стран, подписавших ее, путем: а) создания научного учреждения - Международного бюро мер и весов, содержащегося на средства всех стран, подписавших Метрическую конвенцию; б) учреждения Международного комитета мер и весов в соста­ве ученых разных стран, осуще­ствляющего руководство деятельностью Международного бюро мер и весов; в) созыва не реже одного раза в шесть лет генеральных кон­ференций по мерам и весам для «обсуждения и принятия необхо­димых мер по распространению и усовершенствованию метрической системы». Международное бюро мер и весов, находящееся в Севре (близ Парижа), хранит международные прототипы мер (метра и кило­грамма), имеет международные эталоны электрических и свето­вых единиц и радиоактивности, организует регулярные междуна­родные сличения национальных эталонов длины, массы, электро­движущей силы, электрического сопротивления, силы света, све­тового потока, источников ионизирующих излучений, а также отдельные международные сличения исходных образцовых мер (платиновых термометров сопротивления, температурных ламп, измерительных приборов на сверхвысоких частотах и др.). При Международном комитете мер и весов функционируют семь консультативных комитетов по единицам: по определению метра, по определению секунды, по термометрии, по электричест­ву, по фотометрии и по эталонам для измерений ионизирующих излучений. В настоящее время Метрическую конвенцию подписала 41 страна, метрическая же система мер узаконена в более чем 110 странах мира. В 1956 г. бы­ла подписана межправительственная конвенция об учреждении Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ). В настоящее время членами этой организации являются 35 стран мира. МОЗМ призвана решать следующие основные за­дачи: а) создание центра документации и информации о националь­ных службах контроля за измерительными приборами, подлежа­щими надзору в соответствии с правилами, установленными зако­нами, и об их поверке; б) перевод и издание текстов законодательных правил об из­мерительных приборах и их использовании; в) изучение с целью унификации методов и правил решения тех задач законодательного и распорядительного характера в об­ласти законодательной метрологии, которые представляют меж­дународный интерес; г) составление типового проекта закона и регламента, относя­щихся к измерительным приборам и их применению; д) разработка проекта материальной организации типо­вой службы по поверке измерительных приборов и контроля за ними; е) установление характеристик и качеств, которые должны быть присущи измерительным приборам, рекомендованным для применения в международном масштабе. При организации существует Международное бюро законода­тельной метрологии, находящееся в Париже. Его деятельностью руководит Международный комитет законодательной метрологии. В соответствии с конвенцией не реже одного раза в шесть лет со­зываются Международные конференции по законодательной мет­рологии, в которых участвуют полномочные представители всех стран - членов организации. Лекция 2 Основные понятия физических величин. Количественное представление физической величины. Понятие о физической величине – одно из наиболее общих в физике и метрологии. Физическая величина (ФВ) — свойство, качественно общее для многих физических объектов (их состояний и происходящих в них процессов), но количественно индивидуальное для каждого из них. Существует 3 группы ФВ: 1. Величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения “тверже – мягче”, “теплее – холоднее” и т. д. В математике эти величины отношения порядка и эквивалентности. Например, медь тверже резины – это можно определить без применения различных приборов. 2. Характеризуется тем, что отношения порядка и эквивалентности имеют место не только между их размерами, но и между различиями в парах размеров. К ним относятся время, потенциал, энергия, температура. Например, разность температур считается равными, если равно расстояние между соответствующими отметками на шкале термометра. Отличие от 1-ой группы состоит в том, что величины 1-ой группы не дают возможность оценить степень нагрева количественно. 3. К 3-ей группе принадлежат кроме вышеперечисленных еще и отношения, называемые операциями, подобные арифметическому сложению и вычитанию. Операция считается определенной, если ее результат снова является размером той же ФВ и существует способ ее технической реализации. Например, сумма двух масс - это масса тела, которое уравновешивает на весах первые два. Качественно общее свойство характеризуют родом ФВ. Каче­ственно общими могут быть и различные по названию (разноимен­ные) ФВ: или длина, ширина, высота, глубина, расстояние, или электродвижущая сила, электрическое напряжение, электрический потенциал, или работа, энергия, количество теплоты. О таких ФВ говорят, что они одного рода, или однородные. Физические величи­ны, не являющиеся однородными, называют разнородными, или не­однородными. Количественно индивидуальное свойство характеризуют разме­ром ФВ. Например, скорость, температура, вязкость - свойства, присущие самым различным объектам, но у одних объектов данного свойства больше, у других меньше. Следовательно и размеры ско­рости, температуры, вязкости у одних физических объектов боль­ше, чем у других. Размеры любых двух однородных ФВ или два любых размера одной и той же ФВ можно сравнивать между собой, т. е. нахо­дить, во сколько раз один больше (или меньше) другого. Равенство типа Q = n [Q] называют основным уравнением измерения, где n[Q] - значение размера ФВ (сокращенно — значение ФВ). Значение ФВ представ­ляет собой именованное число, составленное из числового значения размера ФВ, (сокращенно — числового значения ФВ) и наимено­вания единицы ФВ. Размеры ФВ чаще всего узнают в результате их измерения. Измерение размера ФВ (сокращенно — измерение ФВ) состоит в том, что опытным путем с помощью специальных технических средств находят значение ФВ и оценивают близость этого значения к значению, идеально отображающему размер этой ФВ. Найденное таким образом значение ФВ будем называть номинальным. Один и тот же размер Q может быть выражен разными значе­ниями с различными числовыми значениями в зависимости от вы­бора единицы ФВ (Q = 2 часа = 120 минут = 7200 секунд = = 1/12 суток). Если взять две различные единицы [Q1] и [Q2], то можно написать Q=n1[Q] и Q = n2 [Q] откуда n1/n2=[Q2]/[Q1]. т. е. числовые значения ФВ обратно пропорциональны ее единицам. Из того, что размер ФВ не зависит от выбранной ее единицы, вы­текает условие однозначности измерений, заключающееся в том, что отношение двух значений некоторой ФВ не должно зависеть от того, какие единицы использовались при измерении. Например, отношение скоростей автомобиля и поезда не зависит от того, выра­жены ли эти скорости в километрах в час или в метрах в секунду. Это условие, к со­жалению, пока еще не удается соблюсти при измерении некоторых ФВ. Поэтому существую­щие единицы твердости (по Роквеллу, Виккерсу, Мосу и др.), све­точувствительности (по Хертеру — Дриффильду, DIN, ГОСТ), строго говоря, представляют собой не единицы ФВ, а некоторые условные числовые характеристики, называемые условными едини­цами ФВ. Единицы ФВ сами по себе существуют лишь в виде определе­ний, т. е. формулировок, из которых явствует, что подразумевают под данной единицей. Тело или устройство, предназначенное для осуществления опре­деленных значений (или размеров) ФВ, называют мерой ФВ (сокра­щенно — мерой). Например, мерой длины может быть стержень, расстояние, между торцами которого имеет определенное значение (концевая мера); мерой электрического сопротивления может быть проводник с определенным значением электрического сопротивле­ния (резистор). Не для всех ФВ можно однозначно установить их нулевое зна­чение, а также понятия больше и меньше. Разность размеров некоторой ФВ может оказаться и размером другой ФВ. Понятие о системе физических величин Раньше единицы различ­ных ФВ устанавливались, как правило, независимо друг от друга. Исключениями были лишь единицы длины, площади и объема. Ос­новной особенностью современных единиц ФВ является то, что меж­ду ними устанавливают зависимости. При этом произвольно выбирают несколько основных единиц ФВ, а все остальные — производ­ные единицы ФВ получают при помощи зависимостей, связывающих различные ФВ, т.е. определяющих урав­нений. Физические величины, единицы которых приняты в качестве ос­новных, называются основными ФВ, а единицы которых являются производными, называются производными ФВ. Совокупность основных и производных единиц ФВ, охватывающая все или некоторые области физики, называется системой еди­ниц ФВ. Рассмотрим примеры установления производных единиц ФВ длины L, массы М и вре­мени Т, т.е. при выбранных основных единицах ФВ [L], [М] и [Т]. Пример 1. Установление единицы площади. Выберем какую-либо простую геометрическую фигуру, например круг. Размер площади s круга пропорциона­лен второй степени размера его диаметра d: s = ksd2, где ks — коэффициент пропорциональности. Это уравнение и возьмем в качестве определяющего. По­ложив размер диаметра круга равным единице длины, т. е. d = [L], получим [s]=ks[L]2. Выбор коэффициента пропорциональности ks произволен. Пусть ks=1, тогда [s] = [L]2, т. е. за единицу площади выбрана площадь круга, диаметр которого равен единице длины. Если [L] = 1 м, то [s] = 1 м2. Пло­щадь круга в этом случае нужно вычислять по формуле s = d2, а площадь квадрата со стороной b — по формуле s = (4/π) d2. Обычно вместо такой круглой единицы площади применяют более удобную квадратную единицу, представляющую собой площадь квадрата со стороной, рав­ной единице длины. Если бы при установлении круглой единицы площади было принято ks = = я/4, то она совпала бы с обычной квадратной единицей. Пример 2. Установление единицы скорости. В качестве определяющего примем уравнение, показывающее, что размер скорости v равномерного движения тем больше, чем больше размер I пройденного пути и чем меньше размер затрачен­ного на этот путь времени Т: v = kv (I/Т), где kv — коэффициент пропорциональ­ности. Полагая / = [I], Т = [Т], получаем единицу скорости [v]=kv [L]/[T]= kv [L] [Т]-1. Если из соображений удобства положим k0 = 1, то единица скорости будет [v] = [L][T]-1. При [L] = 1 м, [Т] = 1с согласно последней формуле [v] = 1 м/с. Пример 3. Установление единицы ускорения. В качестве определяющего уравнения возьмем определение ускорения как производную скорости по вре­мени: a = dv/dT. Полагая dv = [v], dT = [Т], получаем единицу ускорения [а] =[v]/[T]2 = [L] [Т]-2. При [L] = 1 м и [Т] = 1с [а] = 1 м/с2. Из рассмотренных примеров видно, что при выбранных основ­ных ФВ — длине L и времени Т, производная единица [х] некоторой ФВ х находится через единицы [L] и [Т] по формуле [x]=kx[L]pl[T]pt Где kx — произвольно выбираемый коэффициент пропорциональ­ности; pl и рt — положительные или отрицательные числа. Эти числа показывают, как изменяется производная единица ФВ с изменением основной. Так как kx при этом на изменение [x] не влияет, то характер изменения единицы [х] с изменением единиц [L], [М] и [Т] выра­жают обычно при помощи формул размерности, в которых kx = 1. В рассматриваемом случае формула размерности имеет вид Dim x=L pl tpt Где правая часть называется размерностью единицы ФВ; левая часть — обозначение этой размерности (dimension); pl, и рt — показатели размерности. Если рl = рt = • • •= 0, то производная ФВ х назы­вается безразмерной ФВ, а ее единица [х] безразмерной еди­ницей ФВ. Примером безразмерной производной единицы ФВ может служить единица [φ] плоского угла φ — радиан. При установлении этой единицы в качестве определяющего принято уравнение φ = kv (l/r), показывающее, что размер угла φ тем больше, чем больше размер длины l, стягивающей его дуги и чем меньше раз­мер длины r радиуса этой дуги. В уравнении принято kφ = 1, l= [L], r= [L]. Следовательно [φ] = [L]/[L]=[L]° и dim φ = L°. Если при установлении производной единицы ФВ в ее выражении через основные единицы ФВ полагают kx = 1 , то она называется когерентной производной единицей ФВ. Система единиц ФВ, все производные единицы которой когерентны, называется когерент­ной системой единиц ФВ. Размерности производных единиц ФВ х, y и z связаны между собой следующим образом. если z = k1xy, то dim z = dim x • dim у. (2.1) если z = k2 x/y , то dim z = dim x/ dim y (2.2) если z = k3xn, то dim z = (dim x)n (2.3) Равенствами (2.1) и (2.2) мы пользовались при установлении единиц ускорения и силы, а равенство (2.3) — следствие равен­ства (2.1). Формулы размерности удается написать лишь для таких ФВ, при измерении которых удовлетворяется условие однозначности измерений. Размерности различных ФВ могут совпадать (напри­мер, момента силы и работы), а размерности одной и той же ФВ в разных системах единиц ФВ могут различаться. Следовательно, размерности не дают полного представления о ФВ. Однако несовпадение размерностей левой и правой частей любой формулы или любого уравнения свидетельствует об ошибоч­ности этой формулы или этого уравнения. Кроме того, понятие раз­мерности облегчает решение многих задач. Если предварительно известно, какие ФВ участвуют в исследуемом процессе, то можно с помощью анализа размерностей установить характер зависимости между размерами этих ФВ. При этом решение задачи часто оказы­вается гораздо более простым, чем если бы оно велось другими способами. Существенно, что при математической формулировке физиче­ских явлений под символами ФВ подразумевают не сами ФВ и не их размеры, а значения ФВ, т. е. именованные числа. Например, в уравнении f = kjma, выражающем второй закон Ньютона, под символами т и а подразумеваются не сами ФВ (масса и ускорение) и не размеры массы и ускорения, которые невозможно умножить друг на друга, а значения массы и ускорения, т. е. име­нованные числа, отражающие размеры массы и ускорения, и для которых операция умножения имеет смысл. Характеристика систем и единиц Исторически первой системой единиц физических вели­чин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площа­дей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положе­ны две единицы: метр и килограмм. В 1832 г. ученый К. Гаусс предложил методику построения си­стемы единиц как совокупности основных и производных. Он по­строил систему единиц, в которой за основу были приняты три про­извольные, независимые друг от друга единицы — длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с по­мощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными единицами длины, массы и времени, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он при­нял миллиметр, миллиграмм и секунду. В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд си­стем единиц физических величин, построенных по принципу, пред­ложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами. Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин. Система СГС Система единиц физических величин СГС, в которой основны­ми единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г. первым Международным конгрессом электриков. Конгресс установил систему СГС по принципам, предложенным Гауссом, и ввел наименование для двух важнейших производных единиц: дина — для единицы силы и эрг — для единицы работы. Исторически сложилось так, что для них к настоящему времени существует семь видов системы СГС для электрических и магнитных величин, из которых наибо­лее распространены следующие три: 1. Система СГСЭ, построенная на трех основных единицах — сантиметре, грамме, секунде; диэлектрическая проницаемость ва­куума принята равной безразмерной единице. Эта система назы­вается также абсолютной электростатической системой единиц. 2. Система СГСМ, основные единицы которой такие же, как и системы СГСЭ, — сантиметр, грамм, секунда, а магнитная прони­цаемость вакуума принята равной безразмерной единице. Эта си­стема называется также абсолютной электромагнитной системой единиц. 3. Система СГС, называемая также системой СГС симметричной или системой Гаусса. В ней электрические единицы совпадают с электрическими единицами СГСЭ, а магнитные с магнитными еди­ницами СГСМ. Система МКГСС В конце XVIII столетия, килограмм был принят как единица веса. В конце XIX века сформиро­валась система единиц физических величин с тремя основными еди­ницами: метр — единица длины, килограмм-сила — единица силы и секунда — единица времени. Килограмм-си­ла (кгс) — это сила, которая сообщает массе, равной массе международного прототипа килограмма, ускорение 9,80665 м/с2 (нор­мальное ускорение свободного падения). Эта система единиц широко распространилась в механике и в технике, получив неофициальное наименование «техническая». Од­ной из причин распространения системы МКГСС явилось удобство выражения сил в единицах веса и удобный размер основной еди­ницы силы — килограмм-силы. В некоторых странах (например, Бельгии) система МКГСС была названа метрической исходя из того, что первоначально, при установлении метрической системы мер, килограмм служил не единицей массы, а единицей веса. Однако наряду с распростране­нием системы МКГСС в технике все больше вырисовывались ее недостатки, связанные с использованием в качестве основной еди­ницы силы, а не массы. Первый недостаток состоит в том, что нарушается принцип вы­бора в качестве основной единицы той, которая может наиболее точно воспроизводиться. Единица силы воспроизводится менее точ­но, чем единица массы. Второй недостаток заключается в сходности наименования еди­ницы силы — килограмм-силы и метрической единицы массы — килограмма, что часто приводит к путанице. Частичным решением этого вопроса явилось принятие в отдельных странах (Австрия, ГДР, ФРГ) нового наименования килограмм-силы: килопонд. Третьим крупным недостатком системы МКГСС является ее некогерентность (несогласованность) с единицами электрических и магнитных величин. Если единицей работы и энергии в системе МКГСС служит килограмм-сила-метр, то в системе практических электрических единиц работа и энергия измеряется джоулями, поэтому при переходе в расчетах от механических величин к элект­рическим (а также к тепловым, световым и т. д.) требуется пере­ходный множитель. За единицу массы в системе МКГСС принята масса тела, по­лучающего ускорения 1 м/с2 под действием приложенной силы 1 кгс. Эта единица (килограмм-сила-секунда в квадрате на метр) иногда называется технической единицей массы (т. е. м.) или инертой, хотя оба эти наименования не установлены ни в одной из рекомендаций на единицы физических величин. Единица массы МКГСС —кгс*с2/м≈9,81 кг — единицы массы СИ. Широко применялись в технике единица работы и энергии МКГСС — килограмм-сила-метр (кгс × м) и единица мощности — килограмм-сила-метр в секунду (кгс×м/с). Система МТС В системе единиц МТС основными единицами являются: еди­ница длины — метр, единица массы — тонна и единица времени — секунда. Эта система единиц впервые установлена в 1919 г. во Франции, где была принята в законоположении о единицах измерений. В 1927—1933 гг. система МТС была рекомендована советскими стандартами на механические единицы. Выбор тонны в качестве основной единицы массы казался удачным, так как достигалось соответствие между единицами длины и объема, с одной стороны, и единицей массы — с другой (с точностью, достаточной для боль­шинства технических расчетов, 1 т соответствует массе 1 м3 воды). Кроме того, единица работы и энергии в этой системе (кило­джоуль) и единица мощности (киловатт) совпадали с соответст­вующими кратными практическими электрическими единицами. В системе МТС единицей силы служит стен (сн), равный силе, сообщающейся массе 1 т ускорение 1 м/с2, единицей давления — пьеза — 1 сн/м2. Однако в СССР система МТС не нашла практического рас­пространения и в 1955 г. при утверждении ГОСТ 7664—55 «Меха­нические единицы» не была в него включена. Во Франции приме­нение этой системы также отменено законоположением от 3 мая 1961 г. Абсолютная практическая система электрических единиц Абсолютная практическая система электрических единиц была установлена в 1881 г. первым Международным конгрессом элек­триков в качестве производной от системы СГСМ и предназна­чалась для практических измерений в связи с тем, что электриче­ские и магнитные единицы системы СГС оказались неудобными для практики (одни слишком велики, другие слишком малы). В абсолютной практической системе электрические и магнитные единицы были образованы из соответствующих единиц абсолютной электромагнитной системы СГСМ путем умножения их на соответ­ствующие степени числа 10. В числе первых практических электрических единиц были при­няты: а) практическая единица электрического сопротивления, рав­ная 109 единицам сопротивления СГСМ, которая получила впослед­ствии наименование «ом»; б) практическая единица электродвижущей силы, равна 108 единицам электродвижущей силы СГСМ, названная «вольт»; в) практическая единица силы электрического тока — ампер, равная 10-1 электромагнитным единицам силы тока СГСМ; г) практическая единица электрической емкости, равна 109 еди­ницам электрической емкости СГСМ, названная «фарада». Множитель 109 для практической единицы сопротивления взят из тех соображений, что единица сопротивления должна была по размеру быть близка к большинству существовавших в то время единиц сопротивления, особенно к ртутной единице Сименса (со­противление столбика ртути длиной 100 см и поперечным сечением 1 мм2), тогда широко распространенной. Множитель 108 для прак­тической единицы электродвижущей силы был выбран с целью возможного приближения к электродвижущей силе элемента Да­ниэля, наиболее распространенного в то время и имевшего э.д.с.. близкую к 1 В. Второй Международный конгресс электриков в 1889 г. включил в список практических электрических единиц еще три: а) джоуль как единицу энергии, равную 107 единицам энергии СГСМ; б) ватт, равный 107 единицам мощности СГСМ; в) квадрант (впоследствии это наименование заменено на «генри») как единицу индуктивности, равную 109 единицам индук­тивности СГСМ. В дальнейшем решениями Международной электротехнической комиссии и генеральных конференций по мерам и весам были уста­новлены другие практические электрические и магнитные единицы (вебер, сименс, тесла и др.). Международные электрические единицы В 1893 г. в Чикаго Третий Международный конгресс электри­ков принял международные электрические единицы, отличавшиеся от единиц абсолютной практической системы электрических единиц тем, что они базировались не на теоретическом определении еди­ниц, а на их эталонах. Это объяснялось трудностями точного вос­произведения теоретически установленных абсолютных практиче­ских электрических единиц. Взамен их были установлены прак­тические электрические единицы, основанные на соответствующих абсолютных единицах, но определяемые с помощью условных эталонов, служащих для их воспроизведения. Этим электрическим единицам в отличие от абсолютных, определяемых теоретически через единицы длины, массы и времени, было присвоено наимено­вание «международных электрических единиц». Конгресс установил три основные международные электриче­ские единицы: международный ом, для определения которого использовали ртутный эталон, международный ампер, определяе­мый с помощью серебряного вольтаметра, и международный вольт, определяемый по элементу Кларка. Остальные электриче­ские единицы (международный кулон, международная фар ада и др.) были определены как производные от них. Завершением работы по установлению международных элек­трических единиц явились решения Международной Лондонской конференции электриков в 1908 г. В качестве единиц конференция рекомендовала принять международный ом, международный ампер, международный вольт и международный ватт. Конференция утвердила спецификации для воспроизведения международного ома и международного ампера. После этого международные электрические единицы начали вводить законодательными актами в разных странах, и они получи­ли широкое распространение до отмены их с 1 января 1948 г. реше­нием Международного комитета мер и весов, когда был совершен переход на абсолютные электрические единицы с соотношениями: 1 международный ом= 1,00049 абсолютного ома; 1 международный вольт= 1,00034 абсолютного вольта. Международные электрические единицы были введены в нашей стране постановлением Высшего Совета Народного Хозяйства РСФСР от 7 февраля 1919 г. «Об электрических единицах» и обще­союзным стандартом ОСТ 515 «Международные электрические единицы», утвержденным в 1929 г. Они отменены с 1 мая 1948 г. в связи с переходом на абсолютные практические электрические еди­ницы. Система мкса Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер. В системе МКСА сила изме­ряется в ньютонах, работа и энергия в джоулях, мощность в ваттах. В системе МКСА механические единицы полностью согласованы с единицами абсолютной практической системы электрических и магнитных единиц — ампером, вольтом, омом, кулоном и др. Си­стема МКСА является частью Международной системы единиц (СИ), применяемой для измерения электрических и магнитных ве­личин. Система МКСА установлена в качестве основной в ГОСТ 8033—56 «Электрические и магнитные единицы», действую­щем в СССР с 1 января 1957 г. В этом стандарте система МКСА принята для рационализованной формы уравнений электромагнит­ного поля (в которой множитель 4л, исключен из наиболее важных и часто применяемых уравнений). В соответствии с этим взяты сле­дующие значения постоянных: для электрической постоянной - Ф/м и для магнитной постоянной - Гн/м. Так, в системе единиц, предложенной М. Планком, в основу положены гравитационная постоянная, скорость света, постоянная Планка и постоянная Больцмана. Преимущество этой системы заключается в неизменности основания системы. Но размеры еди­ниц делают эту систему мало удобной для практики: единица дли­ны равна в ней 4,02•10-33 см, единица массы равна 5,43 •10-5 г и единица времени равна 1,34•10-43 с. Вторая причина, не позво­ляющая ставить вопрос о переходе на такую систему, заключается в том, что еще не достигнута точность измерений выбранных уни­версальных констант, необходимая для установления всех произ­вольных единиц. В атомной физике в отдельных случаях нашла применение система атомных единиц Хартри. В ней в качестве основных при­няты заряд электрона, масса электрона, радиус первой боровской орбиты атома водорода и постоянная Планка. В этой системе единица энергии составляет 4,359-10-11 эрг, единица времени 2,419 •10-17 с. При рассмотрении атомных объектов в такой систе­ме единиц уравнения освобождаются от лишних числовых мно­жителей, благодаря чему законы физики приобретают более прос­той вид. В релятивистской квантовой механике пользуются системой, в которой основными единицами являются постоянная Планка, скорость света и масса какой-либо элементарной частицы (элек­трона или протона), в зависимости от того, какие процессы рас­сматриваются. В качестве четвертой единицы принимают посто­янную Больцмана. В этой системе единицей длины является комптоновская длина волны электрона, равная 3,85• 10-11 см, единица времени, равна ~ 1,28•10-21 с и единица энергии, равная энергии покоя электрона 0,82 • 10-12 эрг. В настоящее время продолжают возвращаться к вопросу о по­строении такой унифицированной системы единиц, которая зижди­лась бы на неизменных основаниях — универсальных физических постоянных. В этом отношении представляет интерес работа поль­ского ученого Людовичи. Он считает, что система единиц должна удовлетворять следующим требованиям: быть неразрушимой, неиз­меняемой во времени, независимой от местоположения. Кроме то­го, эталоны должны быть легко и точно воспроизводимыми и по­всеместными. Исходя из этих требований, Людовичи предлагает систему единиц, в которой за основу приняты три разных поля: гравитационное, электрическое и магнитное. В соответствии с этим предлагаются в качестве трех основных единиц следующие физи­ческие константы: гравитационная постоянная, диэлектрическая проницаемость свободного пространства и магнитная проницае­мость свободного пространства. В качестве четвертой основной еди­ницы Людовичи предлагает принять атомную константу — электри­ческий заряд электрона. Следует признать, что точность измерения основных единиц предлагаемой естественной системы еще недостаточна и значительно уступает точности исходных единиц современной Междуна­родной системы единиц. Кроме того, единицы распространенных величин в предложенной системе имеют неудобные для практики размеры (единица длины равна ~ 4,88•10-36 м, единица массы -6,60•10-9 кг и т.д.). В силу указанных соображений предложенные естественные системы единиц не могут в настоящее время найти применения при решении вопроса об унификации единиц измерения. Лекция 3 Международная система единиц (СИ) Международная система единиц (СИ) Наличие ряда систем единиц физических величин, а так­же значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связан­ные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, настойчиво выдвигали требование унификации единиц измерений. Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области изме­рений. При этом она должна была сохранить принцип когерент­ности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами). В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам уста­новила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча) практической системы единиц. Одновременно Международный комитет по мерам и весам выделил из своего состава комиссию по разра­ботке единой Международной системы единиц. Эта комиссия в 1956 г. разработала проект Международной системы единиц, который был принят Международным комитетом по мерам и весам и в 1960 г. утвержден XI Генеральной конфе­ренцией по мерам и весам. Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI — начальные буквы фран­цузского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для обра­зования кратных и дольных единиц. Международная система единиц имеет ряд достоинств: 1) универсальность — охват ею всех областей науки, техники, народного хозяйства; 2) унификация единиц для всех видов измерений; так, вместо ряда единиц давления (атмосфера, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба, бар, пьеза, дина на квадратный санти­метр и др.) в СИ единая единица давления — паскаль и т. д. 3) применение удобных для практики основных и большинства производных единиц; 4) когерентность (связность, согласованность) системы; коэф­фициенты пропорциональности в физических уравнениях, опреде­ляющих единицы производных величин, равны безразмерной еди­нице; 5) четкое разграничение в СИ единиц массы (килограмма) и силы (ньютона); 6) упрощение записи уравнений и формул, отсутствие в них переводных коэффициентов, появлявшихся в связи с тем, что ве­личины, входящие в эти формулы, давались в разных системах единиц; 7) облегчение педагогического процесса в средней и высшей школе (отпадает необходимость подробного изучения множества систем единиц и внесистемных единиц); 8) лучшее взаимопонимание при дальнейшем развитии научно-технических и экономических связей между различными странами. ОСНОВНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ Основные единицы Международной системы единиц бы­ли выбраны в 1954 г. Х Генеральной конференцией по мерам и ве­сам. В 1971 г. XIV Генеральная конференция по мерам и весам при­няла седьмую основную единицу СИ — единицу количества ве­щества—моль. Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений русскими и латинскими буквами приведены в таблице. Величина единица обозн. рус. Междунар. Длина метр м m Масса килограмм кг kg Время секунда с s Сила эл. тока ампер А А Термодин. темпера­тура кельвин К К Сила света кандела кд cd Количество вещества моль моль mol Метр — длина, равная 1650763,73 длин волн в вакууме излу­чения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 ато­ма криптона-86. Килограмм — единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. Секунда — 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состоя­ния атома цезия-133. Ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя но двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2·10-7H на каждый метр длины. Кельвин* — единица термодинамической температуры — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Кандела — сила света, испускаемого с площади 1/600000 м2 сечения полного излучателя в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре за­твердевания платины при давлении 101325 Па. Моль — количество вещества, содержащее столько же молекул (атомов, частиц), сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ Единица плоского угла — радиан (рад) — угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна ра­диусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17/44,8//. Стерадиан (ср), принимаемый за единицу телесного угла, — телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную пло­щади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы. Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле где Ω — телесный угол; α — плоский угол при вершине конуса, об­разованного внутри сферы данным телесным углом. Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу π ср — плоский угол 120°, углу 2π ср — плоский угол 180°. Практически плоские углы чаще всего измеряют в угловых градусах, минутах и секундах, и в этих единицах проградуировано большинство угломерных приборов. Во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в качестве эталона радиана принят комплекс средств измерений для воспроизведения единицы плоского угла с помощью многогранных призм. Для этой цели ис­пользуют кварцевую 36- или 24-гранную призму, углы между гра­нями которой измеряют с помощью двух автоколлиматоров. ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ(приводятся в отдельном документе, его необходимо сказать отдельно)КРАТНЫЕ И ДОЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами. В соответствии с резолюцией XI Генеральной конференции по мерам и весам 1960 г. десятичные кратные и дольные единицы от единиц СИ образуются путем присоединения приставок. Приставки для кратности от 1012 до дельности 10-12 взяты из латинского и греческого языков. Приставки фемто (10-15) и атто (10-18) взяты из датского языка. 1012 Тера Т 10-2 санти с 109 Гига Г 10-3 милли м 106 Мега М 10-6 микро мк 103 кило к 10-9 нано н 102 гекто г 10-12 пико п 10 дека да 10-15 фемто ф 10-1 деци д 10-18 атто а Но 1 км2=1(км)2 = (103м)2 =106 м2 (величина без приставки). Лекция 4 Средства измерений Измерения выполняются с помощью технических средств, которые имеют нормированные погрешности и называются средст­вами измерений. Метрология должна дать единую классифи­кационную схему средств измерений и выявить совокупность их параметров, стандартизация которых позволила бы выбрать средства, обеспечивающие получение результата с заданной точностью, спрогнозировать точность проводимых измерений., установить методы поверки. Средства измерений включают в себя меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и вспомогательные сред­ства. Их часто объединяют в более или менее сложные комплексы: измерительные установки и измерительные системы. Меры К мерам относятся средства измерений, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера. Меры, воспроизводящие физические величины лишь одного размера, называются однозначными. Многозначные меры могут воспроизводить ряд размеров физи­ческой величины, часто даже непрерывно заполняющих неко­торый промежуток между определенными границами. Наиболее распространенными многозначными мерами являются миллимет­ровая линейка, вариометр и конденсатор переменной емкости. В наборах и магазинах отдельные меры могут объединяться в различных сочетаниях для воспроизведения некоторых промежу­точных или суммарных, но обязательно дискретных размеров величин. В магазинах меры объединены в одно механическое целое, снабженное специальными переключателями, которые связаны с отсчетными устройствами. В противоположность этому набор состоит обычно из нескольких мер, которые могут выполнять свои функции как в отдельности, так и в различных сочетаниях друг с другом (набор концевых мер длины, набор гирь, набор мер добротности и индуктивности и т. д.). К однозначным мерам относятся также образцы и образцовые вещества. Стандартные образцы и образцовые вещества представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества опреде­ленного и строго регламентированного содержания, одно из свойств которых при определенных условиях является величиной с известным значением. К ним относятся образцы твердости, ше­роховатости, белой поверхности, а также стандартные образцы, используемые при поверке приборов для определения механиче­ских свойств материалов. Образцовые вещества играют большую роль в создании реперных точек при осуществлении шкал. Напри­мер, чистый цинк служит для воспроизведения температуры 419,58°С, золото - 1064,43° С. Действительное значение величины, воспроизводимой мерой, называется действительным значением меры. Действительное зна­чение меры получают при ее измерении путем исключения система­тических погрешностей и сведения к минимуму параметров слу­чайных погрешностей. Погрешность определения действительно­го значения называется погрешностью аттестации меры. Указанное на мере значение величины, которому с допустимы­ми отклонениями должно быть равно действительное значение ме­ры, является номинальным значением меры. Номинальное и дей­ствительное значения меры, а также погрешность ее аттестации за­носятся в специальные свидетельства, которыми сопровожда­ются меры. Разность между номинальным и действительным зна­чениями определяет погрешность меры, которая зависит от кон­струкции меры, технологии ее изготовления и условий применения. Погрешность меры постоянна и величина, обратная ей по знаку, является поправкой к номинальному значению меры. В зависимости от погрешности аттестации меры подразделя­ются на разряды (меры 1, 2-го и т. д. разрядов), а погрешность мер является основой их деления на классы. Меры, которым при­своен тот или иной разряд, применяются для поверки измеритель­ных средств и называются образцовыми. Меры, поделенные на классы, называются рабочими и используются при технических из­мерениях. Измерительные преобразователи Измерительным преобразователем называется средство измерений, служащее «для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, даль­нейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не под­дающейся непосредственному восприятию наблюдателем». Преобразуемая величина называется входной, а результат пре­образования — выходной величиной. Соотношение между ними за­дается функцией преобразования (статической характеристикой). Если в результате преобразования физическая природа величины не изменяется, а функция преобразования является линейной, то преобразователь называется масштабным или усилителем. Слово «усилитель» обычно употребляется с определением, которое приписывается ему в зависимости от рода преобразуемой величины (усилитель напряжения, гидравлический усилитель) или от вида единичных преобразований, происходящих в нем (лампо­вый усилитель, струйный усилитель). В тех случаях, когда в преоб­разователе входная величина превращается в другую по физиче­ской природе величину, он получает название по видам этих вели­чин (электромеханический, пневмоемкостный и так далее). По месту, занимаемому в приборе, преобразователи подразде­ляются на: первичные, к которым подводится непосредственно измеряе­мая физическая величина; передающие, на выходе которых образуются величины, удоб­ные для их регистрации и передачи на расстояние; промежуточные, занимающие в измерительной цепи место после первичных. Измерительные приборы К измерительным приборам относятся средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о величине, подлежащей измерению, в форме, удобной для восприя­тия наблюдателем. Наибольшее распространение получили приборы прямого действия, при использовании которых измеряемая величина под­вергается ряду последовательных преобразований в одном на­правлении, т.е. без возвращения к исходной величине. Они состо­ят из ряда блоков, трансформирующих измеряемую величину в мощный сигнал, под влиянием которого перемещаются подвиж­ные органы отсчетных устройств, предварительно прямо или кос­венно проградуированных с помощью мер. К приборам прямого действия относится большинство манометров, термометров, ампер­метров, вольтметров и т. д. Значительно большими точностными возможностями обладают приборы сравнения, предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Сравнение осуществляется с помощью компенсационных или мостовых цепей. Компенсационные цепи применяются для сравне­ния активных величин, т. е. несущих в себе некоторый запас энер­гии (сил, давлений и моментов сил, электрических напряжений и токов, яркости источников излучения и т. д.). Сравнение прово­дится путем встречного включения этих величин в единый контур и наблюдения их разностного эффекта. По этому принципу рабо­тают такие приборы, как равноплечие и неравноплечие весы, манометрические и вакуумметрические приборы, электрические компенсаторы (срав­нение на сопротивлении падений напряжения от измеряемой э.д.с. и э.д.с. нормального элемента). Для сравнения пассивных величин (электрические, гидравличе­ские, пневматические и др. сопротивления) применяются мо­стовые цепи типа электрических уравновешенных или неуравно­вешенных мостов. По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, в том числе на аналоговые и цифровые, и на регистрирующие. Наибольшее распространение получили аналоговые приборы, отсчетные устройства которых состоят из двух элементов — шка­лы и указателя, причем один из них связан с подвижной систе­мой прибора, а другой с корпусом. В цифровых приборах отсчет осуществляется с помощью механических, электронных или дру­гих цифровых отсчетных устройств. Цифровые приборы прямого действия применяются наиболее часто в тех случаях, когда из­меряемая величина предварительно легко преобразуется в угол поворота некоторого вала (лопастные счетчики) или в последова­тельность импульсов (регистрация радиоактивных излучений). По способу записи измеряемой величины, регистрирующие при­боры делятся на самопищущие и печатающие. В самопишущих приборах, таких, как барограф или шлейфовый осциллограф, запись показаний представляет собой график или диаграмму. В печатающих приборах информация о значении измеряемой ве­личины выдается в числовой форме на бумажной ленте. Автоматические приборы сравнения выпускаются чаще всего в виде комбинированных приборов, в которых шкальный или цифровой отсчет сочетается с записью на диаграмме или с печа­танием результатов измерений. Нужно отметить, что сам принцип действия автоматических приборов сравнения, основанный на уравновешивании и перемещении указателя с помощью спе­циального двигателя, побуждает делать их регистрирующими. Поэтому указатель таких приборов может одновременно с пока­занием и регистрацией выполнять ряд вспомогательных операций, например, включать и выключать контакты управляющих цепей, непосредственно переставлять регулирующие органы и т. п. Кро­ме того, выходное звено его привода легко связывается с преобра­зователями «перемещение — код» или «угол поворота — код», в результате чего получаются приборы сравнения с цифровым отсчетом. Выходные данные подобных приборов, будучи пред­ставлены в цифровой форме, могут быть использованы непосред­ственно для ввода их в цифровые вычислительные машины для последующей математической обработки результатов измерения. Вспомогательные средства измерений К этой группе относятся средства измерений величин, влияю­щих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке. Показания вспомогательных средств измерений используются для вычисления поправок к результатам измерений (например, термометров для измерения температуры окружающей среды при работе с грузопоршневыми манометрами) или для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах (например, психрометров для измерения влажности при точных интерференционных измерениях длин). Измерительные установки и системы Для измерения какой-либо величины или одновременно не­скольких величин иногда бывает недостаточно одного измери­тельного прибора. В этих случаях создают целые комплексы рас­положенных в одном месте и функционально объединенных друг с другом средств измерений, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Подобные комплексы называются измерительными установками. Измеритель­ная установка, оснащенная образцовыми средствами измерений и предназначенная для поверки других средств измерений, назы­вается поверочной установкой. Измерительные системы отличаются от измерительных устано­вок тем, что они предназначены для выработки сигналов измери­тельной информации в форме, удобной не только для восприятия наблюдателем, но и для автоматической обработки результатов измерений, передачи на расстояние или использования в автомати­ческих системах управления. Отдельные средства измерений, вхо­дящие в измерительную систему, могут быть значительно удале­ны друг от друга (иногда на многие десятки, сотни и даже милли­оны километров) и соединены между собой каналами проводной или беспроводной связи. Отсчетные устройства средств измерений Результаты измерений, осуществленных измерительным прибором, регистрируются отсчетными устройствами. Отсчетные устройства подразделяются на шкальные, цифровые и регистри­рующие. Наиболее распространены шкальные устройства, состоящие из циферблата с нанесенной на нем шкалой и указателя. Один из этих элементов, чаще ука­затель, связывается с подвижной системой прибора, а их взаимное расположение при измерении определяет значение измеряемой величины. Шкала представляет собой совокупность отметок и чисел, на­носимых на циферблате отсчетного устройства вдоль прямой ли­нии или окружности и изображающих ряд последова­тельных значений измеряемой величины. Расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы называется длиной деления шкалы. Ценой деления шкалы называется то значение измеряемой величины, которое соответствует перемещению подвижного элемента отсчетного устройства на одно деление. Отношение длины деле­ния шкалы к цене деления определяет чувствительность прибора. При измерении перемещений или длин чувствительность является величиной безразмерной и часто называется передаточным отноше­нием прибора. Если чувствительность не зависит от значения измеряемой вели­чины и постоянна на любой отметке шкалы, то шкала называется равномерной. В противном случае шкала считается неравномер­ной. Разность между значениями измеряемой величины, соответст­вующими началу и концу шкалы, определяет диапазон показаний прибора, а та часть диапазона показаний, в которой установлены нормы на погрешности прибора, называется диапазоном измере­ний. Границами диапазона измерений являются соответственно нижний и верхний пределы измерений. В качестве цифровых отсчетных устройств чаще всего приме­няются механические, для привода которых измеряемые величи­ны предварительно преобразуются в углы поворота валов. В сов­ременных электрических и электронных приборах в качестве цифровых отсчетных устройств широко используются световые табло, мозаичные и проекционные системы, многоэлементные цифровые люминесцентные и газоразрядные лампы. Регистрирующее отсчетное устройство состоит из пишущего или печатающего механизма и ленты, диаграммы или экрана. Пе­чатающим устройством может служить управляемая электрическая пишущая машинка, механический счетчик с выпуклыми бук­вами или цифрами и электромагнитом, периодически прижимаю­щим ленту к барабанам счетчика, или специальные электроды. Пи­шущее устройство может представлять собой перо, заполненное чернилами или краской, электрод, световой луч или поток электро­нов, перемещение которых определяется значениями измеряемых величин. Диаграмму можно рассматривать как шкалу, роль указателя которой выполняет кривая показаний, вычерченная пишущим ме­ханизмом. Значения измеряемых величин, получаемые при использовании средств измерений, устанавливаются на основании номинальных или действительных значений мер и показаний измерительных приборов. Под показанием измерительного прибора понимается непосред­ственный результат осуществленного им измерения, выраженный в виде значения измеряемой величины в данных или некоторых условных единицах измерения. На­пример, если отсчет по амперметру составил 7,5 делений, а цена деления равна 2А/дел, то показание прибора составляет 2А/дел х 7,5дел= 15А. Погрешности средств измерений. Классы точности средств измерений Погрешности средств измерений. В настоящее время для большинства электрических средств измерений, используемых в статическом режиме, нормируют пределы допускаемых погрешностей. Вопросы нормирования погрешностей для таких средств измерений рассмотрены в ГОСТ 8.401—80 «Классы точности средств измерений. Общие требования». Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины или условно в делениях шкалы, чаще устанавливают по формуле где x — значение измеряемой величины на входе (выходе) средства измерений или число делений, отсчитанных по шкале; а, b — положительные числа, не зависящие от х. Пределы допускаемой приведенной основной погрешности (в процентах) устанавливают по формуле , где xN — нормирующее зна­чение — условно принятое значение измеряемой величины, выра­женное в тех же единицах, что и Δx, р — отвлеченное положи­тельное число. Нормирующее значение xn для средств измерений с равно­мерной или степенной шкалой устанав­ливают равным большему из пределов измерений. Практически равномерная шкала — шкала, длины делений, которой различаются не более чем на 30%, а цена делений постоянна. Степенная шкала — шкала с расширяющи­мися или сужающимися делениями и отличная от равномерной и практически равномерной шкалы. Для средств измерений, для которых принята шкала с условным нулем (например, в градусах Цельсия), нормирующее значение устанавливают равным моду­лю разности пределов измерений. Пределы допускаемой относительной основной погрешности (в процентах) устанавливают по формуле (для 1-ой формулы Δx) или по формуле , если Δх установлено по 2-ой формуле. В этих выражениях q -отвлеченное положительное число; хк — больший (по модулю) из пределов измерений; с, а — положительные числа, причем с = (b+ а/|хk|)100; d=100a/|xK|. Значения р, q, с, а в формулах выбирают из ряда 10n; 1,5-10n; (1,6-10n); 2-10n; 2,5-10n; (3-10n); 4-10 n ; 5-10 n; 6-10 n (n = 1, 0, —1, —2 и т.д.). Пределы допускаемых дополнительных погрешностей уста­навливают в виде: а) постоянного значения для всей рабочей области влияющей величины; б) отношения предела допуска­емой дополнительной погрешности, соответствующего регламен­тированному интервалу влияющей величины, к этому интервалу; в) предельной функции влияния; г) функциональной зависимо­сти пределов допускаемых отклонений от номинальной функции влияния. Предел допускаемой вариации выходного сигнала и пределы допускаемой нестабильности выражают в виде доли допускаемой основной погрешности. КЛАССЫ ТОЧНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Класс точности — это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основ­ной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющих на их точность, значения которых устанавливаются стандартами на отдельные виды средств изме­рений. Классы точности средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме приведенной погрешности или отно­сительной погрешности, обозначают числами, кото­рые равны пределам, выраженным в процентах. Правила и примеры обозначения классов точности средств измерений приведены в табл. Пределы допускаемой основной погрешности, % Обозначение класса точности на средствах измерений В общем виде пример ± р p или p 1,5 или 1,5 ±q q 2,5 c/d 0,02/0,01 ±a ±(a+bx) Римскими цифрами или латинскими буквами L IV При указании классов точности на измерительных приборах с существенно неравномерной шкалой допускается указывать пределы допускаемой основной относительной погрешности для части шкалы, лежащей в пределах, отмеченных специальными знаками, например точками или треугольниками. Исторически сложилось так, что на классы точности разделе­ны все средства измерения, кроме угломерных приборов и при­боров для измерения длин, характеризующихся обилием названий для различных типов приборов (ортотесты, оптиметры, микрокаторы и т. д.). Основой для присвоения измерительным приборам того или иного класса точности является их основная погрешность и спо­соб ее выражения. Если основная погрешность выражается в единицах измеряемой величины по формуле или в делениях шкалы, то классы точности обозначаются поряд­ковыми номерами, причем средствам измерения с большим пре­делом основной допускаемой погрешности присваивается класс точности с большим порядковым номером (например, концевые ме­ры длины классов точности 0; 1 и т. д.). Исключением являются средства измерения, применяемые в акустике, светотехнике и элект­ронике, отсчетные устройства которых градуируются в логарифмических единицах (в неперах, белах или децибелах). Пределы до­пускаемой основной погрешности этих приборов задаются в тех же единицах, в которых градуируется шкала, и совпадают с число­вым значением класса точности. Так, если пределы допускаемой основной погрешности составляют ±0,5 дБ, то класс точности обо­значают: кл. 0,5 дБ. Более строго подходят к присвоению классов точности сред­ствам измерения, пределы допускаемой основной погрешности ко­торых задаются в виде относительных или приведенных погреш­ностей. Средствам измерения, пределы допускаемой основной погреш­ности которых задаются относительной погрешностью по форму­ле, присваивают классы точности, выбираемые из ряда К= [1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0]-10n, где n=1; 0;—1;—2; ... Конкретные ряды классов точности устанавливаются в стандар­тах на отдельные виды средств измерений, причем для одного и того же значения п разрешается принимать не больше 5 клас­сов точности с тем, чтобы перепад точностей между отдельными средствами измерения был не очень мал. Лекция 5 Характеристики средств измерений. Нормируемые метрологические характеристики. Характеристики средств измерений. Отдельные виды и типы средств измерений обладают своими специфическими свойствами. Вместе с тем средства измерений имеют некоторые общие свойства, которые позволяют сопостав­лять средства между собой. Различают статические и динамические свойства средства измерений. Статические свойства средства измерений проявля­ются при статическом режиме его работы, т. е. когда выходной сигнал средства считается неизменным при измерении; динамиче­ские свойства — при динамическом режиме работы средства из­мерений, при котором выходной сигнал средства изменяется во времени при его использовании. Свойства средств измерений описывают характеристиками, среди которых выделяют комплекс метрологических характери­стик. Метрологические характеристики. • Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) — функциональ­ная зависимость между информативными параметрами выходно­го и входного сигналов средства измерений. Функцию преобразо­вания, принимаемую для средства измерения (типа) и устанавли­ваемую в научно-технической документации на данное средство (тип), называют номинальной функцией преобразования средст­ва (типа). • Важной характеристикой является чувствительность средст­ва измерений, под которой понимают отношение приращения выходного сигнала Δy средства измерений к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала Δx. В общем случае чувствительность . При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от х, при линейной характеристике чувствительность постоянна. У измерительных приборов при по­стоянной чувствительности шкала равномерная, т. е. длина всех делений шкалы одинакова. Деления шкалы — участки шкалы, на которые делят шкалу с помощью отметок. Чувствительность не следует смешивать с порогом чувстви­тельности, под которым понимают наименьшее изменение вход­ной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерений. Порог чувствительности выражают в единицах вход­ной величины. • Характеристикой прибора является постоянная прибора C=1/S, где S– чувствительность прибора. • Характеристикой средства измерений является диапазон из­мерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Диапазон измерений ограничивается наибольшим и наименьшим значениями диапазона измерений. С целью повышения точности измерений диапазон измерений средства измерений может быть разбит на несколько поддиапазонов. При переходе с одного под­диапазона на другой некоторые составляющие основной погреш­ности уменьшаются, что приводит к повышению точности измере­ний. При нормировании допускают для каждого поддиапазона свои предельные погрешности. Область значений шкалы, ограни­ченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний. • Характеристикой для измерительных приборов является цена деления шкалы — разность значений величины, соответству­ющих двум соседним отметкам шкалы. Для средств измерений, выдающих результаты измерений в цифровом коде, указывают цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства), вид выходного кода (дво­ичный, двоично-десятичный) и число разрядов кода. • Важнейшей характеристикой средства измерений является погрешность, которую оно вносит в результат измерения, или, как принято говорить, погрешность средства измерений. Погрешность средства измерений может быть выражена в ви­де абсолютной, относительной или приведенной по­грешности. Приведенная погрешность средства измерений — это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, например к наибольшему пределу используемого поддиапазона средства измерений. Погрешность измерительного прибора оп­ределяют при его поверке и при этом вместо истинного значения используют действительное значение измеряемой величины, под которым понимают значение физической величины, найденное экспериментальным путем с помощью образцовых средств изме­рений и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо истинного значения. Важным качеством средств измерений является их способ­ность сохранять свои свойства во времени. Для контроля метро­логических свойств средства измерений должны периодически поверяться. Межповерочный интервал определяется нестабиль­ностью свойств и допустимым изменением метрологических свойств средств измерений. • К метрологическим характеристикам средства измерений от­носятся динамические характеристики, т. е. характеристики инер­ционных свойств средства, определяющие зависимость выходно­го сигнала средства измерений от меняющихся во времени вели­чин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. Динамические свойства средства измерений определя­ют динамическую погрешность. В зависимости от полноты описания динамических свойств средств измерений раз­личают полные и частные динамические характеристики (см. ГОСТ 8.256—77). Полная динамическая характеристика — характеристика, однозначно определяющая изменения выходного сигнала средст­ва измерений при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала, влияющей величины или нагрузки. К полным динамическим характеристикам относят переход­ную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию. Частная динамическая характеристика не отражает полно­стью динамических свойств средства измерений. К частным дина­мическим характеристикам аналоговых средств измерений, кото­рые можно рассматривать как линейные, относят любые функци­оналы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик являются время реакции сред­ства измерений, коэффициент демпфирования, значение резо­нансной собственной угловой частоты, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте. Неметрологические характеристики. Кроме метрологических характеристик при эксплуатации средств измерений важно знать и неметрологические характеристики: показатели надежности, электрическую прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, время установле­ния рабочего режима и др. Нормирование метрологических характеристик. Средства из­мерений можно использовать по назначению, если известны их метрологические свойства. Последние обычно описывают путем указания номинальных значений тех или иных характеристик и допускаемых отклонений от них. Эти сведения приводят в нормативно-технической докумен­тации (НТД) на средства измерений, а наиболее важные из них ука­зывают на самих средствах. Установление номинальных значений и границ допускаемых отклонений реальных метрологических характеристик средств измерений от их номинальных значений — нормирование метро­логических характеристик. Общим вопросом нормирования метрологических характери­стик средств измерений посвящен ГОСТ 8.009-84 «Нормирова­ние и использование метрологических характеристик средств из­мерений». ГОСТ устанавливает номенклатуру метрологических характеристик средств измерений. ¤ Характеристики, предназначенные для определения резуль­татов измерений (без введения поправки): • функция (статическая характеристика) преобразования измерительного преобразователя, а также измерительного прибо­ра с неименованной шкалой; • значение однозначной или значения многозначной меры; • цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; • вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода цифровых средств измерений. ¤ Характеристики погрешностей средств измерений: • характеристики систематической составляющей погрешности; • характеристики случайной составляющей погрешности; • характеристики погрешности. ¤ Характеристики чувствительности средств измерений к влия­ющим величинам: • функции влияния; • изменения значений метрологических характеристик средств измерений, вызванных изменениями влияющих величин в установленных пределах. ¤ Динамические характеристики средств измерений: • полная; • частные. ¤ Характеристики взаимодействия средств измерений с объек­том исследования и нагрузкой: • входное полное сопротивление; • выходное полное сопротивление. ¤ Неинформативные параметры выходного сигнала средств из­мерений. Из указанного перечня для конкретных средств измерений выбирают такие характеристики, которые достаточны для оценки погрешностей измерений. Поверка и государственные испытания средств измерений Поверка и государственные испытания средств измерений. Любое средство измерения (СИ) должно отвечать всем требованиям соответствующих НТД. Контроль выполнения этих требований на различных этапах существования СИ выполняется по-разному. Прежде, чем начать производство СИ какого-либо нового типа, проводят всестороннее исследование этого типа и решают вопрос о целесообразности производства. Если СИ уже выпускается, то, как и при изготовлении любого промышленного изделия, детали и узлы СИ подвергают техническому контролю на соответствие требованиям чертежей и технических условий. После технического контроля, а иногда и вместе с ним, проводят поверку СИ. Поверкой СИ называют вы­полнение некоторой совокупности предусмотренных в соответст­вующих НТД операций, в результате чего устанавливают пригод­ность данного экземпляра СИ к применению по назначению. Операции поверки позволяют установить, во-первых, находятся ли метрологические характеристики (иногда только погрешности) СИ в заданных пределах; во-вторых, нет ли в СИ неисправных или недостаточно надежных деталей и узлов, которые могут стать при­чиной недопустимых изменений метрологических характеристик или выхода СИ из строя. Средства измерения подвергают поверке не только при выпуске их из производства, но и при выпуске из ремонта, а также в про­цессе эксплуатации через определенные промежутки времени, на­зываемые межповерочными интервалами. К СИ относят предназначенные для измерений устройства, свойства которых выражены регламентированными в НТД метро­логическими характеристиками. Регламентации в НТД должно предшествовать исследование СИ, в процессе которого устанавли­вают: в каком виде эта регламентация наиболее целесообразна; имеются ли основания считать, что СИ, обладающее свойствами, соответствующими регламентированным метрологическим харак­теристикам, обеспечит выполнение требований, изложенных в тех­ническом задании на его создание; обеспечивает ли проект НТД на поверку СИ данного типа возможность установления пригод­ности СИ к применению по назначению. Такое исследование в со­четании с документальным оформлением его результатов называ­ется метрологической аттестацией СИ (комплекс исследовательоских мероприятий в сочетании его с документальным оформлением). В то время как поверке подлежит каждый экземпляр СИ, метро­логической аттестации подлежит либо тип СИ, либо отдельные экземпляры СИ. Госиспытаниям подлежат СИ общего применения, предназначен­ные для измерений в различных отраслях народного хозяйства, подготовленные для серийного производства, изготовляемые се­рийно или ввозимые по импорту партиями. Госиспытания проводят в несколько этапов в течение всего времени серийного производства. Главная задача приемочных госиспытаний СИ — выработка предложений Госстандарту о возможности и целесообразности организации серийного выпуска СИ нового типа и выпуска их в об­ращение. Один из образцов СИ, проходивших госиспытания, остается у разработчика, другой передается предприятию, осваивающему производство, а третий — организации Госстандарта, проводив­шей приемочные госиспытания. Метрологическая аттестация СИ или типов СИ, госиспытания и поверка СИ в совокупности обеспечивают единообразие СИ, под которым подразумевают такое их состояние, при котором они удовлетворяют действующим и распространяющимся на них НТД. Метрологическую аттестацию завершают документальным оформ­лением ее результатов. В одних случаях документом является сви­детельство о метрологической аттестации СИ, в других —акт и про­токолы приемочных испытаний организации-разработчика (так на­зываемых стендовых испытаний). Важнейшие работы при метрологической аттестации СИ: • выбор системы метрологических характеристик; выбор способа их регламентации; установление их значений и выражений; • метрологическая экспертиза инструкции по эксплуатации; • разработка программы аттестации и установление методов и средств экспериментальных исследований аттестуемого СИ или аттестуемого типа СИ; • экспериментальные исследования аттестуемого СИ или образ­цов аттестуемого типа СИ; • установление номенклатуры характеристик СИ, контролируе­мых при поверке, методов и средств поверки, а также межповероч­ного интервала; • разработка и утверждение НТД (свидетельства о метрологиче­ской аттестации или заменяющего документа). Метрологическая аттестация стандартных образцов свойств и состава веществ и материалов. Стандартные образцы свойств и сос­тава веществ и. материалов представляют собой соответствующие меры. Так же, как тело, обладающее известной с определенной по­грешностью массой (гиря — мера массы), жидкость, вязкость ко­торой известна с определенной погрешностью, является мерой вяз­кости. Стандартный образец может быть аттестован и по составу, и по одному или нескольким свойствам одновременно. Например, газо­вая смесь может быть аттестована и по составу, и по теплоемкости, и по теплопроводности. Стандартные образцы применяют как при поверке СИ, так и для наладки и контроля технологических процессов, для контроля сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Стандартные образцы, в отличие от мер как средств измерений, могут быть аттестованы как меры качества, выражаемого функцио­налами ФВ в условных единицах. Кроме того, особенностью стан­дартных образцов является то, что иногда при использовании об­разец исчезает или портится. Примером могут служить стандартные образцы вязкости машинного масла или газовой смеси. Стандартные образцы, в отличие от обычных мер, как правило, изготовляют из таких же материалов, как и контролируемые по ним сырье или продукция. Это обусловливает, с одной стороны, удоб­ство применения стандартных образцов, но, с другой стороны,— их большую по сравнению с обычными мерами нестабильность. Стандартные образцы разрабатывают и изготовляют министер­ства и ведомства при методическом и организационно-техническом руководстве Госстандарта. Они подлежат госиспытаниям и внесению в Государственный реестр стандартных образцов. Каждый экземпляр или порцию (упаковку) стандартного образца снабжают свидетельством об аттестации. В свидетельстве указы­вают изготовителя или поставщика; значения ФВ, по которым образец аттестован, и их погрешности; назначение образца (в виде перечня объектов, для контроля которых он предназначен); срок годности. Поверка и аттестация (отличия). Итак, цель поверки — установление пригодности поверяе­мого экземпляра СИ к применению по назначению. В отличие от метрологической аттестации, представляющей собой исследование СИ, поверка — это совокупность стандартизированных проверок ограниченного числа важнейших и наименее стабильных характе­ристик СИ. Поверку периодически повторяют, что позволяет обна­ружить и изъять из употребления дефектные СИ. Метрологической аттестации могут быть подвергнуты и экземпляр СИ, и тип СИ. По­верке же подвергают каждый экземпляр СИ. Методику поверки (перечень проверяемых характеристик, ука­зание метода и средства проверки каждой из них, требования к ус­ловиям поверки, указания по обработке экспериментальных данных и по формированию выводов о результатах поверки и т. д.) уста­навливают при метрологической аттестации СИ. Если тип СИ стан­дартизован, то методику облекают в форму государственного стан­дарта на методы и средства поверки. Методики поверки СИ, распро­страненных в отрасли народного хозяйства, оформляют в виде от­раслевых стандартов. Методики поверки СИ, специфических для предприятия, оформляют в виде стандартов предприятия или ана­логичных НТД. Поверка обязательна для всех СИ, кроме используемых в учеб­ных целях (на них должно быть нанесено обозначение «У») и для индикации наличия или отсутствия контролируемой ФВ без оценивания ее размера (на таких индикаторах должно быть нанесено обозначение «И»). Комбинированные СИ, предназначенные для измерений размеров нескольких ФВ, в условиях конкретного пред­приятия можно применять при измерениях размеров не всех, а неко­торых из ФВ и не во всем диапазоне измерений. Метрологическая служба предприятия может соответственно сократить объем работ при поверке таких СИ, оформив это документально и нанеся на СИ хорошо видимую надпись, ограничивающую его применение. По­верке подлежат и СИ, находящиеся на хранении (кроме подвергну­тых консервации и хранящихся ввиду этого в нерабочем состоя­нии). После расконсервации СИ обязательно поверяют. Поверку проводят только научно-исследовательские институты Госстандарта, территориальные органы Госстандарта и подразде­ления ведомственных метрологических служб. Поверка, проводимая научно-исследовательскими институтами и территориальными орга­нами Госстандарта, называется государственной, а проводимая подразделениями ведомственных метрологических служб — ведом­ственной. Право государственной поверки СИ определенных типов предос­тавляет Госстандарт в установленном им порядке, право ведомст­венной поверки СИ определенных типов — территориальные ор­ганы Госстандарта путем выдачи предприятию так называемого ре­гистрационного удостоверения. Для получения регистрационного удостоверения предприятие должно иметь соответствующих спе­циалистов, обладающих правом поверки; необходимые условия для поверки: соответствующие помещения, средства поверки, НТД. Некоторые СИ, применяющиеся в определенных целях (для взаимных расчетов и торговли, для обеспечения безопасности труда и охраны здоровья людей, для регистрации спортивных рекор­дов и др.), подлежат только государственной поверке. КАЛИБРОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Калибровка — способ поверки измерительных средств, заклю­чающийся в сравнении различных мер, их сочетаний или отметок шкал многозначных мер в различных комбинациях и вычислении по результатам этих сравнений значений отдельных мер или отме­ток шкалы (или поправок к ним) исходя из известного значения одной из них. В результате сравнения получают систему уравнений, решив которую находят действительные значения мер. Если число урав­нений равно числу поверяемых мер, то действительные значения мер и погрешности их аттестации находят с помощью методов об­работки результатов косвенных измерений. Однако для повышения точности аттестации мер стремятся увеличить число уравнений, и тогда действительные значения мер определяют по схеме обра­ботки результатов совокупных измерений. Погрешности определения действительных значений могут быть вычислены способами обработки результатов косвенных измере­ний. Пусть, например, необходимо произвести калибровку разнове­са, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг (звездочкой отмечена гиря, имеющая то же самое номинальное значение). Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Для этого про­ведем измерения, меняя каждый раз комбинацию гирь (цифры показывают массу отдельных гирь, 1об - обозначает массу об­разцовой гири в 1 кг): 1=1об+а, 1+1об=2+b, 2*=2+с, 1+2+2*=5+d и т.д. Буквы а, b , с и d означают грузики, которые приходится прибавлять или отнимать от массы гири, указанной в правой части уравнения. Решив эту систему уравнений, можно определить значение каждой гири. Лекция 6 Регулировка и градуировка средств измерений. Эталоны, их классификация. Регулировка средств измерений В общем случае в конструкции измерительного прибора долж­ны быть предусмотрены два регулировочных узла: регулировка ну­ля и регулировка чувствительности. Регулировкой нуля уменьша­ют влияние аддитивной погрешности, постоянной для каждой точ­ки шкалы, а регулировкой чувствительности уменьшают мульти­пликативные погрешности, меняющиеся линейно с изменением из­меряемой величины. При правильной регулировке нуля и чувстви­тельности уменьшается и влияние погрешности схемы прибора. Кроме того, некоторые приборы снабжаются устройствами для ре­гулировки погрешности схемы, (пружинные манометры). После регулировки нуля, т. е. устранения аддитивной погреш­ности, систематическая погрешность обращается в нуль на ниж­нем пределе измерения, а в диапазоне измерения принимает зна­чения, являющиеся случайной функцией Ас {X) измеряемой величины. Таким образом, под регулировкой средств измерения понимает­ся совокупность операций, имеющих целью уменьшить основную погрешность до значений, соответствующих пределам ее допускае­мых значений, путем компенсации систематической составляющей погрешности средств измерений, т. е. погрешности схемы, мульти­пликативной и аддитивной погрешностей. Градуировка средств измерений Градуировкой называется процесс нанесения отметок на шка­лы средств измерений, а также определение значений измеряемой величины, соответствующих уже нанесенным отметкам, для состав­ления градуировочных кривых или таблиц. Различают следующие способы градуировки. 1. Использование типовых (печатных) шкал. Для подавляюще­го большинства рабочих и многих образцовых приборов использу­ют типовые (печатные) шкалы, которые изготовляются заранее в соответствии с уравнением статической характеристики идеально­го прибора. Если статическая характеристика линейна, то шкала оказывается равномерной. При регулировке параметрам элементов прибора экспериментально придают такие значения, при которых погрешность в точках регулировки становится равной нулю. 2. Индивидуальная градуировка шкал. Индивидуальную гра­дуировку шкал осуществляют в тех случаях, когда статическая ха­рактеристика прибора нелинейна или близка к линейной, но ха­рактер изменения систематической погрешности в диапазоне изме­рения случайным образом меняется от прибора к прибору данного типа (например, вследствие разброса нелинейности характеристик чувствительного элемента) так, что регулировка не позволяет уменьшить основную погрешность до пределов ее допускаемых зна­чений. Индивидуальную градуировку проводят в следующем порядке. На предварительно отрегулированном приборе устанавливают ци­ферблат с еще не нанесенными отметками. К измерительному при­бору подводят последовательно измеряемые величины нескольких наперед заданных или выбранных значений. На циферблате нано­сят отметки, соответствующие положениям указателя при этих значениях измеряемой величины, а расстояния между отметками делят на равные части. При индивидуальной градуировке систематическая погрешность уменьшается во всем диапазоне измерения, а в точках, получен­ных при градуировке, она достигает значения, равного погрешно­сти обратного хода. 3. Градуировка условной шкалы. Условной называется шкала, снабженная некоторыми условными равномерно нанесенными де­лениями, например, через миллиметр или угловой градус. Градуи­ровка шкалы состоит в определении при помощи образцовых мер или измерительных приборов значений измеряемой величины, соответствующих некоторым отметкам, нанесенным на ней. В ре­зультате определяют зависимость числа делений шкалы, пройден­ных указателем, от значений измеряемой величины. Эту зависи­мость представляют в виде таблицы или графика. Если необходи­мо избавиться и от погрешности обратного хода, градуировку осу­ществляют раздельно при прямом и обратном ходе. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Эталоны единиц физических величин — средства измерений (или комплексы средств измерений), обеспечивающие воспроиз­ведение и (или) хранение единиц с целью передачи их размеров рабочим средствам измерений. Передача размеров единиц осу­ществляется с помощью поверочных схем . Эталоны единиц классифицируют по ряду признаков. Соответственно делению физических величин различают эталоны основных и производных единиц, а по точно­сти воспроизведения единиц и подчиненности — первичные (ис­ходные) и вторичные. Первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы и передают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений. Разновидностью первичных этало­нов являются специальные эталоны, предназначенные для вос­произведения единиц в установленных особых условиях (сверх­высокие частоты, малые и большие энергии, давления, темпера­туры и т. п.). Первичные и специальные эталоны, официально утвержденные в качестве исходных для страны, называют госу­дарственными, на каждый из них утверждают государственный стандарт. К вторичным эталонам относят эталоны-копии, эталоны срав­нения и рабочие эталоны. Эталоны-копии предназначены для передачи размера единицы рабочим эталонам, которые служат для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения эталонов, которые не могут быть непосредственно сли­чены друг с другом. По своему составу эталоны могут быть одиночные и группо­вые. Одиночный эталон представляет собой одну меру (прибор или установку), а групповой эталон состоит из однотипных мер (измерительных устройств), воспроизводящих размер единицы в виде среднего арифметического результатов воспроизведения каждым из элементов этой совокупности. Кроме национальных эталонов, имеются международные эта­лоны, принадлежащие группе стран и предназначенные для под­держания единства измерений в международном масштабе путем периодического сличения национальных эталонов с международ­ным и между собой. Эталоны основных единиц. Государственный первичный эталон единицы массы — кило­грамма состоит из национального прототипа килограмма (гири из платиново-иридиевого сплава) и эталонных весов, предназначен­ных для передачи размера единицы массы вторичным эталонам. Среднее квадратическое отклонение относительной погрешности воспроизведения эталоном единицы массы равно 7·10-9. В настоящее время ведутся работы по созданию «естествен­ного» эталона единицы массы, например, используя счет числа молекул. Государственный первичный эталон единиц длины — ком­плекс средств, воспроизводящих метр в виде 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между опреде­ленными уровнями атома криптона-86. Эталон обеспечивает вос­произведение метра с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5·10-9. Государственный первичный эталон единицы времени — ком­плекс средств, воспроизводящих секунду в виде 192 631 770 периодов колебаний электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состоя­ния атома цезия-133. Этот эталон является также эталоном еди­ницы частоты — герца. Он обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерений, не превышающим 1·10-13, при не исключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 10-12. Появление высокостабильных лазеров позволило осуще­ствить согласованное определение метра и секунды на основе одной линии излучения. В связи с этим в 1983 г. XVII Генеральной конференцией по мерам и весам принято решение о новом опреде­лении метра, в соответствии с которым метр определен как длина пути, проходимого светом за 1 /299 792 548 долю секунды. В на­стоящее время ведутся работы по созданию единого эталона единиц времени, частоты и длины. При этом используется фунда­ментальная зависимость l = ct, где l — путь, проходимый излуче­нием; с = 299792548 м/с — скорость света (излучения); t — время. Государственный первичный эталон единицы силы постоянно­го электрического тока — ампера — это комплекс средств, в со­став которых входят токовые весы. В токовых весах, представля­ющих собой рычажные равноплечие весы, с одной стороны на коромысло действует сила взаимодействия двух соленоидов, об­текаемых постоянным током, а с другой стороны — гиря извест­ной массы. При равновесии весов сила тока определяется через массу гири, ускорение свободного падения в месте расположения весов и постоянную электродинамической системы (двух соленои­дов), зависящую от формы и размеров соленоидов, диаметра сечения провода соленоидов, значения относительной магнитной проницаемости среды и т. д.). Таким образом, ампер воспроизво­дится через основные единицы — метр, килограмм и секунду. Эталон воспроизводит размер ампера с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не превыша­ющим 4-10-6, при относительной систематической погрешности, не превышающей 8-10-6. Эталоны производных единиц. Для поддержания единства измерений можно ограничиться созданием эталонов только основных величин. Однако для облег­чения выполнения этой задачи созданы эталоны производных единиц. Рассмотрим некоторые эталоны производных единиц электрических величин. В состав государственного эталона вольта входят: мера на­пряжения на основе эффекта Джозефсона (возникновение на­пряжения между разделенными тонким слоем диэлектрика двумя сверхпроводниками в высокочастотном электромагнитном поле); группа насыщенных нормальных элементов для хране­ния размера единицы, компенсатор постоянного тока для сличе­ния нормальных элементов. Эталон воспроизводит размер вольта с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерения, не превышающим 5·10-8, при относительной не­исключенной систематической погрешности, не превышающей 10-6. Государственный эталон единицы сопротивления воспроизво­дит Oм с помощью 10 манганиновых катушек сопротивления с относительным средним квадратическим отклонением результа­та измерений, не превышающим 10-7, при не исключенной от­носительной систематической погрешности, не превышающей 5·10-7. Государственный эталон единицы емкости воспроизводит фа­рад с помощью конденсатора с относительным средним квадрати­ческим отклонением результата измерений, не превышающим 7·10-7, при не исключенной относительной систематической по­грешности, не превышающей 13·10-7. Государственный эталон единицы индуктивности воспроизво­дит генри с помощью четырех катушек индуктивности с относи­тельным средним квадратическим отклонением результата изме­рений, не превышающим 1·10-5, при не исключенной относитель­ной систематической погрешности, не превышающей 10-5. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ. Организационной основой метрологического обеспечения яв­ляется метрологическая служба, состоящая из государ­ственной и ведомственной служб. Под метрологической службой подразумевается сеть учреждений и организаций, возглавляемых Госстандартом, деятельность которых направлена на мет­рологическое обеспечение. Техническую основу метрологического обеспечения составля­ют: система государственных эталонов единиц физических вели­чин; система передачи размеров единиц физических величин от эталонов всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерений и средств поверки; система государственных испытаний средств измерений, обеспечивающая единообразие средств измерений при разработке и выпуске их в обращение; система обязательной поверки или метрологической аттестации средств измерений; система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов; система стандартных справоч­ных данных о физических константах и свойствах веществ и мате­риалов. Правовую основу метрологического обеспечения составляет Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющая собой комплекс нормативно-техниче­ских документов (НТД), устанавливающих единую номенклатуру стан­дартных взаимоувязанных правил и положений, требований и норм, относящихся к организации и методике оценивания и обеспечения точности измерений. Основными объектами стандартизации ГСИ являются: еди­ницы физических величин; государственные эталоны и общесоюз­ные поверочные схемы; методы и средства поверки средств изме­рений; номенклатура нормируемых метрологических характери­стик средств измерений; нормы точности измерений; способы выражения и формы представления результатов измерения и по­казателей точности измерений; методики выполнения измерений; организация и порядок проведения государственных испытаний, поверки, метрологической аттестации средств измерений; терми­ны и определения в области метрологии и т. д. Для обеспечения единства измерений ГСИ требует выполне­ния следующих положений. Результаты измерений должны выра­жаться в единицах физических величин, допущенных к примене­нию согласно ГОСТ 8.417—81 «ГСИ. Единицы физических величин». В соответствии с этим стандар­том основными единицами являются: метр (м) — единица длины; килограмм (кг) — единица массы; секунда (с) — единица времени; ампер (А) — единица силы тока; кельвин (К) — единица термодинамической температуры; моль (моль) — единица коли­чества вещества; кандела (кд) — единица силы света. К дополнительным единицам относят радиан (рад) — едини­ца плоского угла и стерадиан (ср) — единица телесного угла. Кроме основных и дополнительных, система единиц предусматри­вает производные единицы, образуемые из основных и дополни­тельных при помощи определяющих уравнений. Метрологические характеристики средств измерений, подле­жащие нормированию, должны соответствовать ГОСТ 8.009—84, ГОСТ 8.401—80 и ГОСТ 8.256—77, которые устанавли­вают номенклатуру метрологических характеристик, средств из­мерений, а также способы их представления в нормативно-техни­ческой документации. Форма представления результатов измерений должна со­ответствовать ГОСТ Р 8.736-2011. В номенклатуру уста­навливаемых стандартом показателей входят функции распреде­ления вероятности систематической и случайной погрешностей результатов измерений, числовые характеристики систематиче­ской и случайной погрешностей, а также интервалы, в которых погрешности результатов измерений находятся с заданной веро­ятностью. Измерения, нормы точности которых регламентированы стан­дартами или нормативно-техническими документами, должны выполняться по стандартным или аттестованным методикам вы­полнения измерений. Государственная система обеспечения единства измерений устанавливает требования к эталонам единиц физических вели­чин и к системе передачи размера единицы каждой величины к рабочим средствам измерений. Построение поверочных схем определяется ГОСТ 8.061—80 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение». Каждое средство измерений, функционирующее в установ­ленных условиях, обеспечивает оговоренную степень достоверно­сти получаемых с его помощью результатов измерений. Дости­гается это с помощью предусмотренных ГСИ мер, основу кото­рых составляют поверочные схемы, устанавливающие методы, средства, точность и соподчиненность средств измерений при передаче размера единицы физической величины от исходного образцового средства измерений до объекта поверки. Поскольку поверочные схемы предназначены в общем случае для передачи размеров единиц величин от государственных эта­лонов до объектов поверки с обеспечением возможности проведе­ния метрологических испытаний (контрольных, государственных, поверки, аттестации) средств самого различного класса точно­сти, в их основу заложен многоступенчатый принцип, т. е. пове­рочная схема должна состоять не менее чем из двух ступеней передачи размера единицы величины. Так как поверочная схема предусматривает многоступенча­тую передачу размера единицы величины, то, кроме государ­ственного эталона, создают эталоны-копии, рабочие эталоны, а также образцовые средства 1, 2 и 3-го разрядов. В целом различаются следующие виды поверочных схем: государственные, ведомственные и локальные, отличающиеся областью их обязательного применения. Государственные пове­рочные схемы оформляются в виде государственного стандарта, который должен включать в себя чертеж поверочной схемы и не­обходимую текстовую часть. Ведомственные и локальные поверочные схемы оформляются в виде чертежа, который при необходимости можно дополнить текстовыми объяснениями. На рис.1 представлен при­мер государственной поверочной схемы, где 1 — государствен­ный эталон; 2 — метод передачи размера единицы; 3 — эталон- копия; 4 — эталон сравнения; 5 — рабочий эталон; 6—8 — об­разцовые средства соответствующих разрядов; 9 — образцовые средства измерений, заимствованные из других поверочных схем; 10 — рабочие средства измерений. Для многофункциональных средств измерений, например для ампервольтомметров, используют несколько поверочных схем. В состав поверочных схем могут входить образцовые средства измерений, заимствованные из других поверочных схем, т. е. средства, разработанные для другой поверочной схемы. Так, например, в состав поверочной схемы средств измерений силы тока входят образцовые меры ЭДС и образцовые меры сопротив­лений 2-го и 3-го разрядов. При физической реализации поверочных схем к входящим в них образцовым и вспомогательным устройствам предъявляют требования, обеспечивающие необходимый уровень метрологического эксперимента. Очевидно, что соотношение характеристик точности образцового средства i-й ступени с характеристиками точности образцовых средств более высоких ступеней, включая точность передачи единицы от ступени к ступени, должна быть такова, чтобы именно характеристики точности образцовых средств 1-й ступени были определяющими для оценки точности дальнейшей передачи единицы. Обычно соотношение характери­стик погрешности результатов измерений, получаемых образцо­выми средствами смежных ступеней, устанавливается в диапазо­не 3—5. Например, класс образцового средства 2-го разряда должен быть в 3—5 раз выше класса образцового средства 3-го разряда. В том же диапазоне устанавливается соотношение характеристик точности образцовых и поверяемых средств при поверке. Лекция 7 Классификация погрешностей Итак, значение величины, найденное путем ее измерения, называется результатом измерения. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения. Погрешность измерения состоит из нескольких составляющих, которые классифицируются по ряду признаков. По природе своего возникновения погрешности могут зависеть от средств измерения, метода измерения считывания и др. Составляющая погрешность измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств измерений, называется погрешностью средств измерений. Составляющая погрешность измерения, вызванная несовершенством метода измерения, называется погрешностью метода измерения, или методической погрешностью. Например, мы измеряем длину кривой линии линейкой. Во-первых, у нас возникает мелодическая погрешность измерения за счет того, что использование линейки для измерения длины кривой является методом несовершенным. Во-вторых, действительная длина линейки не соответствует длине, указанной на шкале линейки. В связи с этим возникает составляющая погрешности, вызванная несовершенством средства измерения, которая является погрешностью средства измерения. Погрешности средства измерений зависят от внешних усло­вий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основ­ную и дополнительные. Основной погрешностью средства измере­ний называют погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного средства. Дополнительные погрешности средства измерений возникают при отклонении влияющих величин от нор­мальных значений (нормальных областей значений). Как было рассмотрено на предыдущих лекциях, погрешности измерительных средств делятся на абсолютные, относительные и приведенные. Различают погрешности конкретного экземпляра средства измерений и погрешности типа средств измерений. Погрешность конкретного средства измерений характеризует только данный экземпляр средства измерений. Такая погреш­ность, обычно известная только для средств измерений, изго­товленных в единичном экземпляре, или малой партией, или для специально поверенных средств измерений. Погрешность типа средств измерений характеризует всю совокупность экземпляров данного типа. Погрешность любого экземпляра данного типа не может превышать погрешности типа. Для приборов массового производства указывается погрешность типа. Погрешности измерительных средств принято также подразделять на статические, имеющие место при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах приборов и преобразователей, и динамические, появляющиеся при измере­нии переменных величин и обусловленные инерционными свойст­вами средств измерений. По зависимости от измеряемой величины погрешности сред­ства измерений разделяют на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные (абсолютные) погрешности не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные (абсолютные) по­грешности изменяются пропорционально измеряемой величине. Могут быть составляющие, имеющие более сложную зависимость от измеряемой величины, например, так называемые погрешности от нелинейности статической характеристики преобразования. На рис. 1, а показано взаимное положение статических харак­теристик реального f(Q) и идеального fo{Q) приборов при наличии только погрешностей схемы. Технологические погрешности в боль­шой степени искажают эту картину. Результатом их проявления является: а) поступательное смещение статической характеристики отно­сительно характеристики идеального прибора и возникновение погрешности, постоянной в каждой точке шкалы; эта погрешность называется аддитивной (рис. 1, б); Рис. 1 б) поворот статической характеристики и появление погрешно­сти, линейно возрастающей или убывающей с ростом измеряемой величины и называемой мультипликативной погрешностью (рис. 1, в); в) нелинейные искажения статической характеоистики (рис. 1, г); г) появление погрешности обратного хода, выражающейся в несовпадении статических характеристик прибора при увеличе­нии и уменьшении измеряемой величины (рис. 1, д). Погрешности средств измерений разделяют также на систематиче­ские, случайные и грубые. Случайные и систематические погрешности Случайные и систематические погрешности Составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины, называют систематической погрешностью измерения. Составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины, называют случайной погрешностью измерения. Погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях, называется грубой погрешностью измерения (промахом). ¤ Систематические погрешности являются в общем случае функци­ей измеряемой величины, влияющих величин (температуры, влаж­ности, напряжения питания и пр.) к времени. Систематические погрешности имеют определенное значение и знак, они могут быть устранены введением поправки. Поэтому систематические погрешно­сти находят при поверке и аттестации образцовых приборов, например, измерением наперед заданных значений измеряемой величины в нескольких точках шкалы. В результате строится кривая или создается таблица погрешностей, которая используется для определения поправок. Поправка в каждой точке шкалы чис­ленно равна систематической погрешности и обратна ей по знаку, поэтому при определении действительного значения измеряемой величины поправку следует прибавить к показанию прибора. Так, если поправка к показанию динамометра 120 Н равна +0,6Н, то действительное значение измеряемой силы составляет 120+0,6 = 120,6 Н. Удобнее пользоваться поправкой, чем системати­ческой погрешностью, поэтому приборы чаще снабжают кривыми или таблицами поправок. Систематическую погрешность в функции измеряемой величи­ны можно представить в виде суммы погрешности схемы, опреде­ляемой самой структурной схемой средства измерений, и техноло­гических погрешностей, обусловленных погрешностями изготов­ления его элементов. Между погрешностями схемы и технологическими погрешностя­ми средств измерений существует принципиальная разница. Если первые накладывают свой отпечаток на характер изменения по шкале суммарной погрешности всех средств измерений данного типоразмера, то технологические погрешности индивидуальны для каждого экземпляра, т. е. их значения в одних и тех же точках шкалы различны для различных экземпляров приборов. Этим, конечно, не отрицается возможность существования вероятностных связей между ними как в одной, так и в нескольких точках шкалы, поскольку общность технологического процесса изготовления приборов данного типа, несомненно, создает некоторую общность изменения их технологических погрешностей. ¤ Случайные погрешности измерительных средств обязаны сво­им возникновением случайным изменениям параметров состав­ляющих их элементов и случайным погрешностям отсчета. Это такие погрешности, о появлении которых не может быть сделано точного предсказания. В общем случае их следует рассматривать как случайную функцию времени, измеряемой величины и влияющих величин. Чтобы выявить случайную погрешность, необходимо провести ряд повторных измерений одной и той же величины. Оценить эти погрешности можно на основании теории вероятностей и математической статистики, которые дают методы оценки степени приближения результата измерения к действительному значению измеряемой величины, дают возможность оценить вероятностные границы погрешностей, а также позволяют уточнить результат, то есть найти значение измеряемой величины, более близкое к действительному значению, чем результат однократного наблюдения. Рассмотрим два случая: 1. Случайные ошибки меньше погрешности прибора; 2. Случайные ошибки больше погрешности прибора. В первом случае ошибка измерения оценивается только по погрешности прибора. Во втором случае ошибка вычисляется по формулам, даваемым теорией случайных ошибок. Теория ошибок дает формулы для вычисления вероятностей появления той или иной величины Δx случайной ошибки в ряду n одинаковых измерений величины x. Для выяснения, какой случай имеет место, надо проделать несколько одинаковых измерений. Если результаты всех измерений равны в пределах погрешности прибора, то ошибка определяется погрешностью прибора; если различия отдельных измерений превышают погрешность прибора, то имеет место второй случай. Иногда заранее известно, что ошибка определяется точностью прибора. Тогда можно сделать одно измерение. В первом случае результат измерений записывается в виде: X= x1±δ, где x1 – результат измерения, δ – погрешность прибора. Во втором случае измерения проводятся n раз в одинаковых условиях. В теории случайных ошибок доказывается, что наиболее вероятным значением измеряемой величины является среднее арифметическое ряда одинаковых измерений. Пусть величина x измеряется с одинаковой точностью n раз: x1, x2… xn. Если систематические и грубые ошибки устранены, то Δxι = x - xι. Различные по величине случайные ошибки обладают различной вероятностью своего появления. ВЕРОЯТНОСТЬ (А) - мера объективной возможности случайного события А, заключающаяся в определенной степени его возможности, около числа P(A) группируются относительные частоты события А. Благодаря устойчивости и близости относительной частоты Wn(A), по­лученной в результате достаточно длинной серии испытаний, к вероятнос­ти Р(А), относительная частота может служить приближенной оценкой ве­роятности тем более точной, чем больше испытаний в серии. В большинстве физических измерений случайные ошибки подчиняются так называемому закону нормального распределения или формуле Гаусса. Формула получена из следующих опытных предположений: Вероятность появления ошибок уменьшается с увеличением их величины, то есть, чем больше ошибка. Тем реже она встречается. При большом числе измерений ошибки одинаковой величины, но разного знака, встречаются одинаково часто. - формула Гаусса. φ (Δx) – функция распределения случайных ошибок (характеризует вероятность появления ошибки) Δx; σ2 – дисперсия измерений (σ – среднее квадратическое отклонение). σ2 = М(x2) – М2(x), где М(x) – математическое ожидание. Например при: x 1 2 3 Р 0,1 0,2 0,3 0,4 Р – вероятность. М(x)=0+0,2+0,6+1,2=2 σ2 = М(x2) – М2(x)=02*0,1+12*0,2+22*0,3+32*0,4-22=1 Чем меньше σ2, тем меньше вероятность появления большей по величине случайной ошибки Δx. Таким образом, дисперсия характеризует разброс значений данного ряда измерений. Чем меньше дисперсия, тем меньше разброс отдельных значений xι , то есть тем выше точность измерений. Далее из теории ошибок следует. Что для характеристики величины случайной ошибки необходимо указать два числа: величину самой ошибки ( или так называемый доверительный интервал) и величину так называемой доверительной вероятности α. Доверительной вероятностью α или коэффициентом надежности называется вероятность того, что результат измерения отличается от истинного значения на величину не большую, чем Δx. Доверительным интервалом называется интервал значений от x-Δx до x+Δx. Чем больше выбирается доверительный интервал, то есть, чем больше задаваемая величина Δx, тем вероятнее, что результаты измерений не выйдут за его пределы. Задав Δx или α, можно по методам теории случайных ошибок найти другую. Введем понятие средней квадратической ошибки: где n – число измерений. Если число измерений очень велико, то величина Sn стремится к некоторому постоянному пределу. σ= lim Sn – средняя квадратичная ошибка. n→∞ Средней квадратической ошибкой среднего арифметического x ряда измерений называется величина, равная средней квадратической ошибке отдельного измерения σ, деленной на корень квадратный из числа измерений: S´n=Sn/(√n). Если известна Sn или S´n, то можно вычислить доверительную вероятность α (но на практике Sn и S´n чаще неизвестны). Погрешность Δx записывается в виде: Δx = tαnS´n, (*) где S´n – средняя квадратическая погрешность среднего арифметического x ряда измерений n: tαn – коэффициент, зависящий от α и n и называемый коэффициентом Стьюдента. Известны методы расчета коэффициентов Стьюдента по числу измерений n и доверительным вероятностям α. Результаты расчетов приводятся в таблицах. Из формулы (*) с помощью таблиц можно найти Δx , tαn или S´n в зависимости от необходимости, задав другие два значения. В случае, если значение не задано, α чаще берется от 0,9 до 0,95, то есть вероятность того, что погрешность Δx лежит в заданных пределах берется как можно больше. Для того чтобы проще охарактеризовать случайную погреш­ность прибора, на практике часто прибегают к определению не­постоянства (размаха) R показаний прибора, т. е. разности меж­ду наибольшим и наименьшим из показаний измерительного прибора, соответствующих одному и тому же значению измеряемой величины. Если эта разность определяется при достижении измеряемой величиной некоторого значения при ее увеличении и уменьшении, а не при одностороннем изменении, то она называется вариацией показаний w и включает в себя помимо размаха R показаний еще и погрешность обратного хода, возникающую из-за зазоров и трения в сочленениях подвижных деталей механизмов прибора и других гистерезисных явлений, свойственных его элементам. Еще одной важной характеристикой измерительного прибора является порог реагирования (чувствительности). Под порогом реагирования понимается изменение измеряемой величины, вызы­вающее наименьшее изменение показаний измерительного прибо­ра, которое еще может быть обнаружено наблюдателем при нор­мальном для данного прибора способе отсчета показаний. Лекция 8 Погрешности и математическая обработка результатов измерений (продолжение) Суммирование погрешностей Суммирование погрешностей. Ошибка некоторой величины Ζ, являющейся функцией некоторых независимых величин X и Υ, которые находятся прямыми измерениями, находится по погрешностям измерений величин X и Υ. Причем возможны два случая: 3. ошибки определяются погрешностями измерительных приборов; 4. ошибки являются случайными. Рассмотрим первый случай. ◦ Ошибка суммы. Ζ= X + Υ, где X=x±Δx и Υ=y±Δy. Значит Ζ= (x±Δx)+ (y±Δy)= x+y±( Δx+ Δy). Отсюда абсолютная ошибка ΔΖ= Δx+ Δy или в общем виде ΔΖ= Δ1+ Δ2+…+Δn. Относительная ошибка суммы δz=( Δ1+ Δ2+…+Δn)/(x1+ x2+…+xn). ◦ Ошибка разности. Ζ= X - Υ, где X=x±Δx и Υ=y±Δy. Значит Ζ= (x±Δx) - (y±Δy)= x-y±( Δx+ Δy). Отсюда абсолютная ошибка ΔΖ= Δx+ Δy или в общем виде ΔΖ= Δ1+ Δ2. Относительная ошибка разности δz=(Δ1+Δ2)/(x1- x2). ◦ Ошибка произведения. Ζ= X * Υ, где X=x±Δx и Υ=y±Δy. Значит Ζ= (x±Δx)* (y±Δy)= x*y± xΔy± yΔx+ ΔyΔx. Считая ошибки много меньше самих величин, последним членом можно пренебречь. Отсюда абсолютная ошибка ΔΖ= xΔy+ yΔx или в общем виде ΔΖ= x2 Δ1+x1 Δ2. Относительная ошибка произведения δz=(Δ1/x1)+(Δ2/x2). Аналогично находятся ошибки и для других случаев (деление, возведение в степень и др.). Но удобнее пользоваться формулой: Далее рассмотрим второй случай. Теория ошибок дает для определения средней квадратичной погрешности S´y величины Y следующую формулу: где S´xi – средняя квадратичная ошибка ряда измерений для xi. (Y=f(x1, x2,… xN)), дробь характеризует частную производную функции f по переменной xi. ◦ Ошибка суммы. Пусть Ζ= X + Υ. Значит SΖ, SΥ и SX - средние квадратичные ошибки величин Ζ, Υ и X соответственно. Пользуясь вышеприведенной формулой получим . Относительная ошибка суммы ◦ Ошибка разности. Пусть Ζ= X - Υ. Значит SΖ, SΥ и SX - средние квадратичные ошибки величин Ζ, Υ и X соответственно. Пользуясь вышеприведенной формулой . Относительная ошибка разности ◦ Ошибка произведения. Если Ζ= X * Υ. Значит SΖ, SΥ и SX - средние квадратичные ошибки величин Ζ, Υ и X соответственно. Отсюда абсолютная ошибка . Относительная ошибка произведения Аналогично находятся ошибки и для других случаев (деление, возведение в степень и др.). Обработка результатов измерения. По измеренным данным считают погрешности. Содержание обработки результатов в основном состоит в отсеи­вании грубых погрешностей измерения или погрешностей, неизбежно имеющих место при передаче цифрового материала или при вводе информации в ЭВМ. Другим важным моментом предварительной обработки является проверка соответствия результатов измерения закону нормального распределения. Если гипотеза неприемлема, то следует определить какому закону распределения подчиняются опытные данные и, если это возможно, преобразовать данное распределение к нормальному. Результаты измерений и вычислений записывают в стандартном виде. Динамические погрешности средств измерения К метрологическим характеристикам средства измерений от­носятся динамические характеристики, т. е. характеристики инер­ционных свойств средства, определяющие зависимость выходно­го сигнала средства измерений от меняющихся во времени вели­чин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. Динамические свойства средства измерений определя­ют динамическую погрешность. В зависимости от полноты описания динамических свойств средств измерений раз­личают полные и частные динамические характеристики (см. ГОСТ 8.256—77). Полная динамическая характеристика — характеристика, однозначно определяющая изменения выходного сигнала средст­ва измерений при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала, влияющей величины или нагрузки. К полным динамическим характеристикам относят переход­ную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию. Частная динамическая характеристика не отражает полно­стью динамических свойств средства измерений. К частным дина­мическим характеристикам аналоговых средств измерений, кото­рые можно рассматривать как линейные, относят любые функци­оналы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик являются время реакции сред­ства измерений, коэффициент демпфирования, значение резо­нансной собственной угловой частоты, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте. При измерении переменных во времени величин большое зна­чение приобретает анализ динамических погрешностей, которые искажают частотный спектр измеряемой функции. Если динамика средства измерений описывается дифференциальным линейным уравнением с постоянными коэффициентами, то значения динамической погрешности полностью определяются измеряемой функ­цией и амплитудно-фазовой частотной характеристикой средства измерений. В функции значений влияющих величин систематическую по­грешность можно в большинстве случаев рассматривать как про­грессивную, линейно меняющуюся с их изменениями. При технических измерениях, однако, влияющие величины приходится рас­сматривать как величины, случайно изменяющиеся в некотором ин­тервале. Поэтому и вызываемые ими погрешности становятся случайными. Динамические погрешности средств измерений ограничивают путем нормирования следующих величин: Времени успокоения (времени переходного процесса), т. е. промежутка времени с момента скачкообразного изменения из­меряемой величины до момента, когда подвижный орган отсчетного устройства или значение выходного сигнала войдет в зону установившегося состояния. При этом указывается величина скачка в процентах от диапазона измерения или преобразования и ширина зоны устано­вившегося состояния в процентах от величины скачка или устано­вившегося значения Хуст измеряемой величины. В некоторых слу­чаях (например, для весов) указывается, кроме того, допустимое число прохождений подвижного органа отсчетного устройства или значения выходного сигнала через положение равновесия до дости­жения установившегося значения; допускаемого значения первого отброса Хочв или отношения которое для показывающих приборов не должно превышать 1,4, а для самопишущих 1,1. Допускаемой ширины полосы пропускания, т. е. того диапазона частот, в котором отклонение модуля амплитудной частотной ха­рактеристики от некоторого номинального значения, а также фазо­вые сдвиги, не превышают некоторых заданных величин. При этом указывается амплитуда синусоидальных колебаний входной или измеряемой величины. Одна­ко определение амплитудно-фазовых частотных характеристик за­нимает обычно много времени и требует наличия специальной ап­паратуры, поэтому в настоящее время в технической литературе можно найти замечания, касающиеся необходимости подобного нормирования. Для цифровых приборов (преобразователей) указывают пол­ное время измерения (преобразования), т. е. время, прошедшее с момента изменения измеряемой (преобразуемой) величины или начала принудительного цикла измерения (преобразования) до момента получения нового результата измерения на отсчетном уст­ройстве или нового кодированного результата преобразования. Кроме того, указывается скорость измерения (преобразования) или, иначе, быстродействие цифрового прибора, которое представмерений второй группы тем, что их точность намного превышает требуемую точность измерений. Нормирование случайных и систематических погрешностей Государственными стандартами на отдельные виды средств измерений устанавливаются нормы на значения их суммарных по­грешностей и отдельных составляющих, таких, как вариация пока­заний, непостоянство показаний, погрешность обратного хода и др. Значения суммарных погрешностей устанавливаются отдельно для нормальных условий применения средств измерений и для случая отклонения влияющих величин от значений, имеющих место в нормальных условиях. Под нормальными понимаются такие условия применения средств измерения, при которых влияющие на процесс измерения величины (температура, влажность, частота и напряжение пита­ния, внешние магнитные поля, положение средств измерения в пространстве и т. д.) имеют нормальные значения или находятся в нормальной области значений. Нормальные значения влияю­щих величин указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений данного вида в форме номиналов с нор­мированными отклонениями, например, температура должна сос­тавлять 20± 2°С, напряжение питания — 220В ± 10%. Иногда вместо нормальных значений влияющих величин указывается нор­мальная область их значений (влажность 30—80%). Погрешность, свойственная средству измерений, находящемуся в нормальных условиях применения, называется основной погреш­ностью. Основная погрешность средств измерений нормируется согласно ГОСТ 8.401—80 путем задания пределов допускаемой основной погрешности. Только в том случае, когда основная погрешность находится в этих пределах, средства измерения допускаются к применению. Пределы допускаемой основной погрешности мер задаются в виде абсолютных, приведенных или относительных погрешностей. Таким образом, в настоящее время существуют три способа нормирования основной погрешности измерительных приборов и преобразователей: а) нормирование заданием пределов допускаемой основной аб­солютной или приведенной погрешности ±А или ±-у, постоянных во всем диапазоне измерения или преобразования; б) нормирование заданием пределов допускаемой основной аб­солютной или относительной погрешности ±А или ±б в функции измеряемой величины; в) нормирование заданием постоянных пределов допускаемой основной погрешности, различных для всего диапазона измерения и одного или нескольких нормированных участков, или различных для разных диапазонов измерения (для многопредельных прибо­ров). Первый способ широко применяется для нормирования основ­ной погрешности большинства сравнительно узкопредельных стре­лочных измерительных приборов, а также для измерительных пре­образователей. Остальные два способа отвечают в большей сте­пени условиям измерения, имеющим место при использовании широкопредельных приборов. Кроме основной погрешности, свойственной средствам измерения при использовании их в нормальных условиях, в стандартах нормируются пределы допускаемых дополнительных погреш­ностей мер, пределы допускаемых изменений показаний измеритель­ных приборов и допускаемых изменений выходного сигнала изме­рительных преобразователей, возникающих вследствие отклонения значений влияющих величин от их нормальных значений или в результате их выхода из нормальной области значений. Та об­ласть значений влияющих величин, в которой дополнительные по­грешности не превышают пределов допускаемых значений, уста­новленных государственными стандартами, называется расширен­ной областью, а соответствующие ей условия применения средств измерений — рабочими условиями. Пределы допускаемых допол­нительных погрешностей (изменений показаний или изменений вы­ходного сигнала), вызываемых действием отдельных влияющих величин, нормируются согласно ГОСТ следующими дву­мя способами: 1) указанием конкретных значений пределов допускаемых до­полнительных погрешностей для расширенной области, выражен­ных в абсолютных величинах, процентах от номинального значе­ния или в долях основной погрешности; 2) указанием функциональной зависимости пределов допускае­мой дополнительной погрешности от изменения влияющих величин; Рассмотрим некоторые из них, чаще всего подлежащие норми­рованию. 1. Случайная погрешность входит составной частью в норми­руемую основную погрешность. Однако в некоторых случаях пределы систематических и случайных погрешностей назначаются раздельно. Тогда наибольшая допускаемая систематическая по­грешность или ширина зоны ее допустимых значений определяет величину, которая называется погрешностью измерительного при­бора и нормируется отдельно от случайных погрешностей. Так обстоит дело, например, с нормированием погрешностей динамо­метров и силоизмерительных машин, где погрешность определяет­ся как наибольшая разница между средним из трех или пяти по­казаний и действительным значением измеряемой силы, или при­боров для линейных и угловых измерений, в частности индикато­ров часового типа, где влияние случайных погрешностей снижают трехкратным измерением и определением среднего арифметиче­ского. 2. Если измерительный прибор или преобразователь соответ­ствует требованиям стандартов в отношении нормы основной по­грешности, то вариация его показаний обязательно меньше удвоен­ной основной погрешности, поэтому назначение норм на вариа­цию показаний кажется лишним. В некоторых случаях нормы на вариацию действительно не назначаются (барометры, часы, частотоизмерительные приборы, грузопоршневые манометры), но чаще всего потребитель средств измерений бывает заинтересован в повторяемости их показаний или значений выходных сигналов при измерении или преобразовании одних и тех же значений ве­личин. Это и заставляет задавать нормы на вариацию показаний измерительных приборов и вариацию выходных сигналов. Обычно значение допускаемой вариации регламентируется в пределах ®= (1-1,5) Д, где Д — предел допускаемой основной погрешности. 3. Доля случайных погрешностей в основной погрешности средств измерений характеризуется непостоянством показаний прибора или выходного сигнала. Непостоянство показаний норми­руется путем задания допускаемого размаха определенного числа показаний прибора, который обычно не должен превышать 50% основной погрешности: Таким образом, определяемая размахом показаний доля слу­чайных погрешностей составляет не более 25% полной зоны по­грешности. Так же обстоит дело и с нормированием непостоянства выходного сигнала преобразователей. 4. Допускаемое значение порога реагирования нормируется в тех случаях, когда он влияет на результаты измерений, напри­мер в приборах сравнения, работающих по нулевому методу, в преобразователях и приборах, применяемых в системах автоматического контроля и регулирования, где наличие порога реагирования ведет к увеличению суммарной зоны нечувствительности системы, а так­же в приборах, предназначенных для проведения измерений ме­тодом сравнения с мерой (неко­торые типы гальванометров). Порог реагирования определяет способность средства измерения реагировать на малые изменения измеряемых величин, поэтому является очень важной характе­ристикой. Допускаемое значение порога реагирования задают в долях основной погрешности (10—50% основной погрешности) или в до­лях деления шкалы. Лекция 9 Основы стандартизации Основные понятия, цели и задачи стандартизации. Федеральный закон от 29.06.2015 №162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации» (с изменениями на 3 июля 2016 года). Стандартизация - деятельность по разработке (ведению), утверждению, изменению (актуализации), отмене, опубликованию и применению документов по стандартизации и иная деятельность, направленная на достижение упорядоченности в отношении объектов стандартизации. Объект стандартизации - продукция (работы, услуги) (далее - продукция), процессы, системы менеджмента, терминология, условные обозначения, исследования (испытания) и измерения (включая отбор образцов) и методы испытаний, маркировка, процедуры оценки соответствия и иные объекты. Документ по стандартизации - документ, в котором для добровольного и многократного применения устанавливаются общие характеристики объекта стандартизации, а также правила и общие принципы в отношении объекта стандартизации, за исключением случаев, если обязательность применения документов по стандартизации устанавливается настоящим Федеральным законом. Национальный стандарт - документ по стандартизации, который разработан участником или участниками работ по стандартизации, по результатам экспертизы в техническом комитете по стандартизации или проектном техническом комитете по стандартизации утвержден федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации и в котором для всеобщего применения устанавливаются общие характеристики объекта стандартизации, а также правила и общие принципы в отношении объекта стандартизации. Стандартизация направлена на достижение следующих целей: 1) содействие социально-экономическому развитию Российской Федерации; 2) содействие интеграции Российской Федерации в мировую экономику и международные системы стандартизации в качестве равноправного партнера; 3) улучшение качества жизни населения страны; 4) обеспечение обороны страны и безопасности государства; 5) техническое перевооружение промышленности; 6) повышение качества продукции, выполнения работ, оказания услуг и повышение конкурентоспособности продукции российского производства. Цели стандартизации достигаются путем реализации следующих задач: 1) внедрение передовых технологий, достижение и поддержание технологического лидерства Российской Федерации в высокотехнологичных (инновационных) секторах экономики; 2) повышение уровня безопасности жизни и здоровья людей, охрана окружающей среды, охрана объектов животного, растительного мира и других природных ресурсов, имущества юридических лиц и физических лиц, государственного и муниципального имущества, а также содействие развитию систем жизнеобеспечения населения в чрезвычайных ситуациях; 3) оптимизация и унификация номенклатуры продукции, обеспечение ее совместимости и взаимозаменяемости, сокращение сроков ее создания, освоения в производстве, а также затрат на эксплуатацию и утилизацию; 4) применение документов по стандартизации при поставках товаров, выполнении работ, оказании услуг, в том числе при осуществлении закупок товаров, работ, услуг для обеспечения государственных и муниципальных нужд; 5) обеспечение единства измерений и сопоставимости их результатов; 6) предупреждение действий, вводящих потребителя продукции (далее - потребитель) в заблуждение; 7) обеспечение рационального использования ресурсов; 8) устранение технических барьеров в торговле и создание условий для применения международных стандартов и региональных стандартов, региональных сводов правил, стандартов иностранных государств и сводов правил иностранных государств. Категории и виды стандартов, основные принципы стандартизации. Категории и виды стандартов: · К документам по стандартизации в соответствии с настоящим Федеральным законом относятся: 1) документы национальной системы стандартизации; 2) общероссийские классификаторы; 3) стандарты организаций, в том числе технические условия; Технические условия - вид стандарта организации, утвержденный изготовителем продукции (далее - изготовитель) или исполнителем работы, услуги (далее - исполнитель) Стандарт организации - документ по стандартизации, утвержденный юридическим лицом, в том числе государственной корпорацией, саморегулируемой организацией, а также индивидуальным предпринимателем для совершенствования производства и обеспечения качества продукции, выполнения работ, оказания услуг. Классификационный код стандарта организации (ОКС) устанавливают по Общероссийскому классификатору стандартов ОК (МК(ИСО/ИНФКО МКС)001-96)001, классификационный код продукции (ОКП) или услуги (ОКУН), на которую распространяется стандарт организации, - по общероссийским классификаторам ОК 005 или ОК 002 соответственно и приводят на последней странице стандарта организации (см. ГОСТ Р 1.5, приложение Б). 4) своды правил; 5) документы по стандартизации, которые устанавливают обязательные требования в отношении объектов стандартизации, предусмотренных статьей 6 Федерального закона. Ранее существовали еще и отраслевые стандарты. Отраслевой стандарт - документ по стандартизации, утвержденный (принятый) до 1 июля 2003 г. федеральным органом исполнительной власти в пределах его компетенции. В настоящее время в России может устанавливать требования к оборонной продукции, а также процессам и иным объектам стандартизации, связанным с такой продукцией (отраслевые стандарты применяются до их отмены, разработки на их основе иных документов по стандартизации оборонной продукции или перевода в категорию стандартов организаций). • Международные, региональные и национальные стандарты других стран. Стандартизация в Российской Федерации основывается на следующих принципах: 1) добровольность применения документов по стандартизации; 2) обязательность применения документов по стандартизации в отношении объектов стандартизации, предусмотренных статьей 6 настоящего Федерального закона, а также включенных в определенный Правительством Российской Федерации перечень документов по стандартизации, обязательное применение которых обеспечивает безопасность дорожного движения при его организации на территории Российской Федерации; 3) обеспечение комплексности и системности стандартизации, преемственности деятельности в сфере стандартизации; 4) обеспечение соответствия общих характеристик, правил и общих принципов, устанавливаемых в документах национальной системы стандартизации, современному уровню развития науки, техники и технологий, передовому отечественному и зарубежному опыту; 5) открытость разработки документов национальной системы стандартизации, обеспечение участия в разработке таких документов всех заинтересованных лиц, достижение консенсуса при разработке национальных стандартов; 6) установление в документах по стандартизации требований, обеспечивающих возможность контроля за их выполнением; 7) унификация разработки (ведения), утверждения (актуализации), изменения, отмены, опубликования и применения документов по стандартизации; 8) соответствие документов по стандартизации действующим на территории Российской Федерации техническим регламентам; 9) непротиворечивость национальных стандартов друг другу; 10) доступность информации о документах по стандартизации с учетом ограничений, установленных нормативными правовыми актами Российской Федерации в области защиты сведений, составляющих государственную тайну или относимых к охраняемой в соответствии с законодательством Российской Федерации иной информации ограниченного доступа. Направлениями государственной политики Российской Федерации в сфере стандартизации являются: 1) определение сфер государственного регулирования, приоритетных направлений развития национальной системы стандартизации; 2) принятие и реализация документов стратегического планирования, в том числе государственных программ Российской Федерации и государственных программ субъектов Российской Федерации, а также федеральных целевых программ, ведомственных целевых программ, иных программ, предусматривающих разработку документов по стандартизации; 3) расширение применения документов по стандартизации в деятельности органов государственной власти и организаций; 4) подготовка кадрового состава в сфере стандартизации; 5) другие направления в сфере стандартизации в соответствии с законодательными актами Российской Федерации и иными нормативными правовыми актами Российской Федерации. Органы и службы стандартизации. Федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере стандартизации. 1. Технические комитеты по стандартизации создаются федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации. 2. В состав технического комитета по стандартизации могут входить представители федеральных органов исполнительной власти, Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом", иных государственных корпораций, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и муниципальных образований, научных организаций, в том числе осуществляющих деятельность в сфере стандартизации, изготовителей, исполнителей, общественных объединений потребителей. 3. Технические комитеты по стандартизации участвуют в подготовке предложений о формировании государственной политики Российской Федерации в сфере стандартизации. 4. Создание технических комитетов по стандартизации и формирование их составов осуществляются федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации с учетом следующих принципов: - добровольное участие; - равное представительство сторон; - соблюдение целей и задач стандартизации, установленных в статье 3 Федерального закона; - открытость и доступность информации о создаваемом техническом комитете по стандартизации. 5. Заявка на создание технического комитета по стандартизации в письменной или электронной форме подается заявителем в федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации. 6. Заявителями могут быть лица, указанные в части 2 Федерального закона. Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации рассматривает заявку на создание технического комитета по стандартизации и в течение пятнадцати дней со дня подачи этой заявки принимает решение о возможности создания технического комитета по стандартизации или об отклонении заявки на создание технического комитета по стандартизации. 7. В случае, если предложение о создании технического комитета по стандартизации, содержащееся в заявке на создание технического комитета по стандартизации, не соответствует принципам, установленным частью 4 Федерального закона, федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации выносит решение об отклонении такой заявки на создание технического комитета по стандартизации. 8. Решение об отклонении заявки на создание технического комитета по стандартизации доводится до сведения заявителя федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации в срок не позднее чем в течение семи дней со дня принятия такого решения. 9. Уведомление о приеме заявок на участие в техническом комитете по стандартизации размещается федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации на своем официальном сайте в информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" в срок не позднее чем в течение семи дней со дня принятия решения о возможности создания технического комитета. 10. Лица, указанные в части 2 Федерального закона, в течение указанного в уведомлении о приеме заявок на участие в техническом комитете по стандартизации срока направляют заявки на участие в техническом комитете по стандартизации заявителю. Срок приема этих заявок устанавливается в уведомлении о приеме заявок на участие в техническом комитете по стандартизации и не может быть менее чем шестьдесят дней и более чем девяносто дней со дня размещения уведомления о приеме заявок на участие в техническом комитете по стандартизации. Заявка на участие в техническом комитете по стандартизации должна содержать обоснование участия заявителя в качестве члена комитета. 11. После окончания срока приема заявок на участие в техническом комитете по стандартизации заявитель направляет в федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации поступившие заявки и следующий комплект документов: - проект положения о создаваемом техническом комитете по стандартизации на основе типового положения о техническом комитете по стандартизации, утвержденного федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации; - проект перспективной программы работы создаваемого технического комитета по стандартизации; - перечень национальных стандартов и межгосударственных стандартов, сводов правил и иных документов по стандартизации, действующих в Российской Федерации и относящихся к компетенции создаваемого технического комитета по стандартизации; - перечень международных стандартов и региональных стандартов, относящихся к компетенции создаваемого технического комитета по стандартизации. 12. Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации в срок не позднее чем в течение семи дней со дня поступления заявок и комплекта документов от заявителя размещает на своем официальном сайте в информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" перечень лиц, подавших заявки на участие в техническом комитете по стандартизации. 13. В случае, если предложение об участии в техническом комитете по стандартизации, содержащееся в заявке на участие в техническом комитете по стандартизации, не соответствует принципам, установленным частью 4 настоящей статьи, федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации выносит решение об отклонении такой заявки на участие в техническом комитете по стандартизации. 14. Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации в срок не позднее чем в течение семи дней со дня поступления от заявителя заявок и документов, указанных в части 11 Федерального закона, размещает на своем официальном сайте в информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" решение о создании технического комитета по стандартизации. Решение федерального органа исполнительной власти в сфере стандартизации о создании технического комитета по стандартизации должно содержать информацию о составе технического комитета по стандартизации, наименовании технического комитета по стандартизации, об объектах стандартизации, о структуре технического комитета по стандартизации, председателе технического комитета по стандартизации, его заместителе или заместителях, об ответственном секретаре технического комитета по стандартизации, об организации, выполняющей функции по ведению дел секретариата технического комитета по стандартизации. Назначение председателя технического комитета по стандартизации осуществляется федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации с учетом профессиональных, личностных и деловых качеств кандидата, а также его опыта работы в отрасли. 15. Решение о создании технического комитета по стандартизации, решение об отклонении заявки на создание технического комитета по стандартизации, решение об отклонении заявки на участие в техническом комитете по стандартизации могут быть обжалованы в суд только после их обжалования в досудебном порядке в соответствии со статьей 13 Федерального закона. 16. Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации может принять решение о ликвидации технического комитета по стандартизации, если в течение одного года им не были внесены в федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации относящиеся к компетенции данного технического комитета по стандартизации предложения по разработке, пересмотру национальных стандартов, предварительных национальных стандартов или внесению изменений в них. 17. Технические комитеты по стандартизации принимают участие в разработке международных стандартов, региональных стандартов, межгосударственных стандартов в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации. Лекция 10 Общие сведения об измерении температур и температурных шкалах. Способы измерения температуры Общие сведения об измерении температур и температурных шкалах Температура, наряду с объемом и давлением, является одной из трех основных величин, характеризующих состояние вещества. Измерение температуры занимает 80% в объеме промышленных измерений, поскольку значение температуры в большинстве случаев определяет качество произведенной продукции, эффективность ведения технологических процессов, безопасность работы оборудования и прочее. Температура характеризует тепловое состояние вещества и пропорциональна средней кинетической энергии его молекул. Непосредственное измерение температуры невозможно. В принципе все явления, происходящие под воздействием тепла (например, расширение веществ, изменение электрического сопротивления, излучение нагретых тел), можно использовать для измерения температуры. Однако количественная оценка возможна лишь при соотнесении показаний термометра с некоторой эталонной температурой, например с температурой тройной точки воды. Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объема газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор (и последующие аналоги) имел большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме. Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Фаренгейтом в начале 18 века первой температурной шкалы, названной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (00F) он использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки – температуру человека (960F – в старину было удобнее считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина. Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена Цельсием в 1742 году. В качестве опорных точек для нее используются температура плавления льда (0°С) и температура кипения воды (100°С). Перечисленные интервальные температурные шкалы реализовывались с помощью жидкостных термометров. Их недостаток – нелинейное отклонение шкалы от термодинамической, обусловленное свойствами рабочих веществ. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы. В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения, воды. И. Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с температурой. Пространство между двумя существующими отметками делилось на одинаковое количество участков с одним и тем же размером. Удовлетворяющая всем требованиям, хорошо воспроизводимая температурная шкала, не зависящая от значения температуры и каких-либо свойств веществ была предложена в начале 19 века английским ученым У. Томсоном (лордом Кельвином). Это — универсальная абсолютная термо­динамическая температурная шкала, ставшая стандартной в современной термометрии. Она базировалась на цикле Карно. Как известно, работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Однако реализация термодинамической шкалы на практике требует проведения большого числа экспериментов и реализовать непосредственно термодинамическую шкалу температур невозможно из-за тепловых потерь в окружающую среду. Для практического использования термодинамической шкалы должна быть построена практическая температурная шкала, совпадающая с термодинамической и воспроизводящая ее во всем диапазоне измерения температур. Поэтому для унификации результатов измерений различными средствами, основанными на различных методах и термометрических веществах, применялись международные практические температурные шкалы МПТШ-68, МТШ-90 (цифры указывают год международного принятия шкалы). Международная температурная шкала МТШ-90 охватывает диапазон от 0,65 К до наивысшей температуры, доступной измерению в соответствии с законом излучения Планка для монохроматического излучения. Она разбита на ряд поддиапазонов, содержащих реперные точки (таблица 1), внутри которых используются определенные типы термометров. Способы измерения температуры Средства и способы измерения температуры делятся на две группы: контактные и бесконтактные. В контактных методах требуется непосредственный контакт первичного преобразователя с контролируемым объектом или средой. К ним относятся термометры расширения (стеклянные, манометрические и биметаллические), термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, кварцевые преобразователи температуры в частоту. Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на расстоянии от контролируемого объекта или среды. Этот метод используется в пирометрах. Все средства измерения, предназначенные для измерения температуры контактным методом, называются термометрами, а для измерения температуры бесконтактным методом — пирометрами. В состав термометра, как правило, входят термопреобразователь, линия связи и измерительный прибор. В состав пирометра часто входит пирометрический преобразователь. Таблица 1 – Реперные точки Таблица 2 – Средства измерения температуры Термометры расширения Термометры расширения · Жидкостные стеклянные термометры Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении жидкостей. При изменении температуры изменяется объем термометрической жидкости, при этом изменяется положение уровня жидкости в капилляре, по которому отсчитывается значение температуры. Жидкостные термометры изготавливаются из различных марок стекла резервуаров и наполняются различными термометрическими жидкостями (толуол, этиловый спирт, керосин) или ртутью. Большим преимуществом последней является то, что она не смачивает стекло и легко может быть получена химически чистой. Недостатком является маленькое значение коэффициента линейного расширения, в результате чего, капилляры для ртутных термометров изготавливаются очень тонкими и соответственно хрупкими. Цена деления стеклянных термометров находится в пределах (0,01...10) °С и определяется назначением. Основная масса выпускаемых термометров по своей конструкции делится на две группы: 1) термометры с вложенной шкалой, у которых шкальная пластина вставлена внутрь оболочки и жестко скреплена с капилляром (рис. 1, а); 2) термометры палочного типа, у которых шкала нанесена непосредственно на внешнюю — поверхность толстостенного капилляра (рис. 1, 6). По способу применения термометры рассчитаны либо на частичное погружение, либо на полное. Рис. 1. Лабораторные ртутные термометры: а — с вложенной шкалой: 1 — стеклянный резервуар; 2 — капилляр; 3 — шкальная пластина; 4 — стеклянная оболочка; б — палочный: 1 — резервуар; 2 — толстостенный капилляр; 3 — шкала на наружной поверхности капилляра Преимущества: простота конструкции и использования, дешевизна. Недостатки: относительно плохая видимость шкалы, невозможность использования в системах автоматического регулирования, невозможность ремонта. · Термометры манометрические и биметаллические Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления газа, жидкости или насыщенного пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Эти термометры широко применяются во взрывоопасных производствах. Конструктивно термометр состоит из термобаллона 1, погружаемого в контролируемую среду, манометра 3 для измерения давления и соединяющего их капилляра 2 (рис. 2). Такие термометры используются для измерения температур от -200 до 600 °С и выпускаются следующих разновидностей. А) Газовые манометрические термометры применяются для измерения температур в интервале от -200 до 600 °С. Нижний предел измерения выбирается из интервала от -200 до 200 °С, верхний — из интервала от 50 до 600 °С, диапазон измерения находится в интервале от 100 до 700 °С. В качестве наполнителя используется гелий (при низких температурах), азот (при средних температурах) или аргон (при высоких температурах). Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме описывается линейным уравнением рt = р0(1+βt), где рt и р0 —давление газа при температурах t и 0°С; β — температурный коэффициент расширения газа β = 0,00366 К-1. Рис. 2. Схема манометрического термометра: 1 — термобаллон; 2 — капилляр; 3 — манометр Изменение температуры окружающего воздуха влияет на расширение рабочего вещества в капилляре и манометрической пружине, что вызывает изменение давления в термосистеме и соответствующее изменение показаний термометра. Для уменьшения этого влияния уменьшают отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона, для чего увеличивают длину термобаллона и его диаметр. Класс точности газовых термометров 1 или 1,5. Они могут выпускаться показывающими или самопишущими, могут снабжаться дополнительными устройствами. Б) Конденсационные манометрические термометры используются для измерения температур в интервале от -25 до 300 °С. Нижний предел измерения выбирается из интервала от —25 до 100 °С, верхний — из интервала от 35 до 300 °С, диапазон измерения колеблется в пределах от 50 до 150 °С. Термобаллон термометра примерно на 3/4 заполнен жидкостью с низкой температурой кипения, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Капилляр и манометрическая пружина также заполнены жидкостью. Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве термометрических жидкостей используется фреон-22 (при низких температурах), метил хлористый, этил хлористый, ацетон, толуол, спирт (в порядке возрастания пределов измерения). Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости, определяемого, в свою очередь, температурой, при которой находится рабочая жидкость, т.е. температурой измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Эта зависимость давления насыщения пара от температуры имеет нелинейный вид, она однозначна, когда измеряемая температура не превышает критическую. В связи с тем, что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, на показания термометра не будет оказывать влияние температура окружакпцей среды. Имеет место гидростатическая погрешность, вызываемая разностью высот расположения термобаллона и измерительного прибора. Для уменьшения этой погрешности длина капилляра не должна превышать 25 м. Барометрическая погрешность у конденсационных манометрических термометров может иметь место на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико. В остальных случаях влияние барометрического давления будет пренебрежимо мало. Конденсационные термометры выпускаются показывающими, дополнительно они могут оснащаться электроконтактными устройствами. Класс термометров 1 или 1,5. В) Жидкостные манометрические термометры находят небольшое распространение. Они используются для измерения температур в интервале от -50 до 300 °С. Нижний предел измерения выбирается из интервала от —50 до 100 °С, верхний — из интервала от 50 до 300 °С, диапазон измерения колеблется в пределах от 50 до 300 °С. В качестве термометрических жидкостей используется жидкость ПМС-5 при низких температурах, при высоких — жидкость ПМС-10. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо. Поэтому изменение объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры соответственно диапазону измерения вызовет такое увеличение давления в термосистеме, при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний объем соответственно изменению объема жидкости. При этом давление зависит от жесткости пружины и для различных манометрических пружин может быть различным. В жидкостных манометрических термометрах погрешность, вызванная изменением барометрического давления, как правило, отсутствует, так как давление в системе значительно. Погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет место и в жидкостных манометрических термометрах. Для ее уменьшения применяют различные способы температурной компенсации. В жидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая погрешность, возникающая при различных уровнях расположения термобаллона и измерительного прибора. Для снижения возможных гидростатических погрешностей длину капилляра уменьшают до 10 м. Жидкостные термометры выпускаются показывающими класса 1 или 1,5. Манометрические термометры могут работать в условиях вибрации, а также во взрывоопасных и пожароопасных помещениях. Имеют простую конструкцию. При небольших расстояниях могут использоваться в системах автоматического регулирования. К недостаткам относится сложность ремонта, небольшие расстояния, на которые можно передавать данные, относительно большие размеры термобаллонов. · Биметаллические термометры. Принцип их действия основан на том, что полоска из двух свальцованных друг с другом пластин из металлов с различными коэффициентами расширения (биметалл), искривляется при изменении температуры. Искривление находится в приблизительной пропорции с температурой. Биметаллическая пластина легла в основу двух различных измерительных элементов: - винтовая пружина, - спиральная пружина. В результате механической деформации биметаллических пластин при изменении температуры в указанных элементах возникает вращательное движение. Если внешний конец биметаллической измерительной системы жестко закреплен, то другой конец без промежуточного элемента проворачивает вал указательной стрелки. Диапазоны показаний лежат между -70 и 600 °С при измерениях с классом точности 1 или 2,5. Термоэлектрические преобразователи Термоэлектрические преобразователи Термоэлектрические преобразователи, как и термопреобразователи сопротивления, являются наиболее распространенными средствами измерения температуры. Термоэлектрический метод измерения температуры на зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. ТермоЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов) А и В, если значения температуры мест соединения t и t0 не равны (при равенстве температур термоЭДС равна нулю). Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона. Первый связан с появлением ЭДС в месте спая двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая. Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах. Существует два способа включения измерительного прибора (ИП) в цепь термопары: в разрыв свободных концов (рис. 3, а) или в разрыв электрода (рис. 3, б). а) б) Рис. 3. Цепи термопар: а и б — варианты включения измерительного прибора ИП Два любых разнородных проводника могут образовать термопару, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: жаропрочность, химическая стабильность, воспроизводимость материалов (для обеспечения взаимозаменяемости термопар), заключающаяся в одинаковой зависимости термоЭДС термопары от температуры. Термопара — это соединение двух разнородных проводников — электродов. Для практического использования термопары ее электроды должны быть изолированы и помещены в защитную арматуру. Такая конструкция называется термоэлектрическим преобразователем. По определению «термоэлектрический преобразователь» (ТЭП) — это термопреобразователь, действие которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры. Термопара является основным элементом средств измерения температуры — термоэлектрических преобразователей (ТЭП). В соответствии с ГОСТ Р50431-92 в табл. 3 приведены пределы длительного (кратковременного) применения для различных ТЭП, имеющих следующие обозначения: ТВР(А) — вольфрамрений-вольфрамрениевые; ТПР(В) — платинородий-платинородиевые; ТПП(S, R) — платинородий платиновые; ТХА(К) — хромель-алюмелевые; ТХК(L) — хромель-копелевые; ТХК(Е) — хромель-константановые; ТНН(N) — никросил-нисиловые; ТМК(Т) — медь-константановые; ТЖК(J) — железо-константановые. В соответствии с ГОСТ Р5043 1-92 в настоящее время для обозначения должны использоваться только латинские буквы (приведены в скобках). В обозначениях преобразователей первым указывается положительный электрод (например, у преобразователя ТХК положительный электрод — хромелевый, отрицательный — копелевый). На условных графических изображениях положительный электрод обозначается тонкой линией, отрицательный — толстой. Для получения численных значений измеряемой температуры к термопреобразователю необходимо подключить показывающий прибор, измеряющий термоЭДС термопары (вторичный прибор), шкала которого должна быть в градусах. Такое соединение называется термоэлектрическим термометром. Таблица 3 — Стандартные термоэлектрические преобразователи Для измерения используются соединительные (удлиняющие) провода из различных материалов. Если, например, у преобразователя ТХК хромелевый электрод удлинить проводом из удлиняюших проводов хромеля, а копелевый — проводом из копеля, то искажений при измерениях не возникнет. Но возможен и другой подход, в соответствии с которым пара проводов может быть использована для удлинения термопары, если в паре между собой они имеют такую же градуировочную характеристику, что и удлиняемая термопара (в диапазоне возможного изменения температуры мест соединения). При использовании удлиняющих проводов очень важно соблюдать правило подключения (полярность подключения). Например, нельзя хромелевый электрод удлинять константановым, а алюмелевый медным. Условно термоэлектрические преобразователи подразделяются на термопреобразователи общепромышленного назначения и специальные. На рис. 4 представлена схема устройства одной из разновидностей преобразователя общепромышленного назначения. Электроды 1 термопреобразователей ТХК и ТХА общепромышленного назначения обычно выполняются из проволоки диаметром, обеспечивающим пренебрежимо малое сопротивление термопары и достаточную механическую прочность. При этом можно не учитывать изменение сопротивления электродов при изменении температуры, что важно при использовании некоторых типов милливольтметров в качестве вторичных приборов. Рабочий спай 2 обычно выполняется сваркой. Рис. 4. Конструкция термоэлектрического преобразователя общепромышленного назначения: 1 — электроды; 2 — рабочий спай; 3 — трубка; 4 — защитная арматура; 5 — керамический наконечник; 6 — заливка; 7 — головка; 8 — сборка; 9 — зажимы; 10 — удлиняющие провода; 11 — герметизированный ввод; 12 — элементы крепления термопреобразователя Для изоляции термоэлектродов используют кварцевые (до 1000 °С) или фарфоровые (до 1400 °С) трубки или бусы. При более высоких температурах применяются оксиды металлов: алюминия, магния, бериллия и т.п. На рис. 6 в качестве изолятора изображена трубка 3, представляющая стержень с двумя продольными отверстиями, в которые пропущены электроды. Рабочий спай может быть защищен керамическим наконечником 5. Материалом защитной арматуры 4 обычно является нержавеющая сталь (до 900 °С), при высоких температурах используются специальные сплавы. Арматура заканчивается головкой 7, в которой расположена сборка 8 с зажимами 9, к которым подведены электроды термопары и через герметизированный ввод 11 — термоэлектродные удлиняющие провода 10. Внутренняя полость защитной арматуры может быть герметизирована заливкой 6 верхней части. На наружной поверхности арматуры могут располагаться элементы 12 (например, штуцера) для крепления защитной арматуры к объекту. Защитная арматура может не иметь штуцера, либо штуцер может быть подвижным (при невысоких давлениях контролируемой среды). Длина монтажной части 1 различных модификаций составляет (0,08...2,5) м, диаметр рабочей части (5...25) мм. Специальные термопреобразователи изготовляются на основе кабельных термопреобразователей. Они предназначены для измерения температуры от -50 до 1000°С и в основном используются в реакторной термометрии. Кабельные термопреобразователи имеют наружный диаметр от 1 до 6 мм, длину от 10 до 50 м с числом жил 2 или 4 (одна жила или одна пара жил из хромеля, другая из копеля или алюмеля). Схематично устройство кабельного термопреобразователя с изолированным рабочим спаем представлено на рис. 5. В кабельных преобразователях изоляция термоэлектродов осуществляется спрессованным порошком оксида магния. Существенным ее недостатком является гигроскопичность, причем с повышением влажности она набухает (может разорвать оболочку) и теряет изоляционные качества. Материал оболочки — нержавеющая сталь. Рис. 5. Конструкция термоэлектрического преобразователя специального применения: 1 — рабочий спай; 2 — термоэлектроды; 3 — оболочка; 4 — втулка; 5 — герметик; 6 — выводы Измерение термоЭДС может проводиться с помощью электронных милливольтметров, автоматических потенциометров, компенсационных цепей (рис. 6). Рис. 6. Компенсационная цепь для измерения термоЭДС Лекция 13 Единицы измерения и виды расходов. Измерение расхода по перепаду давления в сужающих устройствах. Единицы измерения и виды расходов При измерениях, связанных с учетом количества вещества, важнейшими исходными понятиями являются количество вещества и расход. Количество вещества можно измерять либо в единицах массы [килограмм (кг), тонна (т)], либо в единицах объема [кубический метр (м3), литр (л)]. Расход есть количество вещества, протекающего через сечение трубопровода в единицу времени. В соответствии с выбранными единицам и может производиться измерение либо массового расхода (единицы кг/с, кг/ч, т/ч), либо объемного расхода (единицы м3/с, л/с, м3/ч). Единицы массы и массового расхода дают более полные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема, так как объем вещества, особенно газов, зависит от давления и температуры. При измерении объемных расходов газов для получения сопоставимых значений результаты измерения приводят к определенным (так называемым нормальным) условиям. Такими нормальными условиями принято считать температуру 20 °С, давление 101,325 кПа и относительную влажность 0. В этом случае объемный расход выражается в объемных единицах. В соответствии с ГОСТ-15528 измерительный прибор, служащий для измерения расхода вещества, называется расходомером, а прибор для измерения количества вещества — счетчиком количества (счетчиком). В каждом конкретном случае к этим терминам следует добавлять наименование контролируемой среды. Во многих случаях показания расходомеров суммируются во времени и используются, как и показания счетчиков, для определения количеств израсходованного газа, отпущенной горячей воды или пара при проведении коммерческих расчетов или определении экономических показателей работы оборудования. При измерении расхода в поток в большинстве случаев вводится рабочее тело, что приводит к потере давления, величина которого для приборов нормируется, так же как и необходимые длины линейных участков трубопровода до и после расходомера. Последнее требование связано с зависимостью показаний расходомеров от профиля скоростей потока в трубе. Существует большое разнообразие методов измерения расхода и конструктивных разновидностей расходомеров и счетчиков. Наибольшее распространение получили следующие разновидности расходомеров: переменного перепада давления с сужающими устройствами; постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; ультразвуковые; вихревые; массовые. Большинство выпускаемых в настоящее время расходомеров и счетчиков являются микропроцессорными приборами с широкими функциональными возможностями. Измерение расхода по перепаду давления в сужающих устройствах Данный метод измерения расхода основан на зависимости перепада давления в неподвижном сужающем устройстве (СУ), устанавливаемом в трубопроводе, от расхода измеряемой среды. Это устройство следует рассматривать как первичный преобразователь расхода. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром, который может быть показывающим со шкалой в единицах расхода. При необходимости дистанционной передачи показаний дифманометр снабжается преобразователем, который линией связи соединяется с вторичным прибором и другими устройствами. Метод измерения расхода является наиболее отработанным, сужающие устройства и дифманометры для них выпускают все крупнейшие приборостроительные фирмы мира. Для измерения расхода пара, газа, жидкостей в трубопроводах диаметром свыше 300 мм в основном используется этот метод. Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления. Расход может быть определен при известной градуировочной характеристике по перепаду давления Δр на сужающем устройстве, измеренному дифманометром. Использование рассматриваемого метода измерения требует выполнения определенных условий: · характер движения потока до и после сужающего устройства должен быть турбулентным и стационарным; · поток должен полностью заполнять все сечение трубопровода; · фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство; пар является перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа; · во внутренней полости трубопровода до и после сужающего устройства не образуются осадки и другие виды загрязнений; · на поверхностях сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его геометрию. Сужающие устройства условно подразделяются на стандартные, специальные и нестандартные. Стандартными называются сужающие устройства, которые рассчитаны, изготовлены и установлены в соответствии с руководящим нормативным документом ГОСТ 8.569.1-97. К числу специальных относятся стандартные диафрагмы для трубопроводов с внутренним диаметром менее 50 мм. Сужающие устройства, не относящиеся к этим двум группам, называются нестандартными. Этому методу присущи следующие недостатки: · узкий динамический диапазон, не превышающий трех — пяти при использовании одного дифманометра; · диаметр трубопровода должен быть более 50 мм, в противном случае необходима индивидуальная градуировка; · значительные длины линейных участков; · наличие потери давления. В качестве стандартных сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара используются диафрагмы, сопла и значительно реже трубы и сопла Вентури. Диафрагма (рис. 1, а) представляет собой тонкий диск с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка отверстия должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. Рис. 1. Стандартные сужающие устройства: а — диафрагма; б — сопло; в — сопло Вентури Сопло (рис. 1, б) имеет спрофилированную входную часть, переходящую затем в цилиндрический участок диаметром d (его значение входит в уравнения расхода). Задняя торцевая часть сопла включает цилиндрическую выточку диаметром, большим d, для предохранения выходной кромки цилиндрической части сопла от повреждения. При измерении расхода стандартные сопла устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм. Сопло Вентури (контур показан на рис. 1, в) содержит входную часть с профилем сопла, переходящую в цилиндрическую часть, и выходной конус трубопровода. Минимальный диаметр сопл Вентури составляет 65 мм. Рассмотрим движение потока несжимаемой жидкости через сужающее устройство на примере диафрагмы (рис. 2). На рисунке показаны профиль потока, проходящего через диафрагму, а также распределение давления вдоль стенки трубы (сплошная линия) и по оси трубы (штрихпунктирная линия). После сечения А струя сужается и, следовательно, средняя скорость потока возрастает. Вследствие инерции струя продолжает сужаться и на некотором расстоянии после диафрагмы имеется место наибольшего сужения (в сечении В). Увеличение скорости на участке АВ сопровождается уменьшением статического давления от первоначального значения до минимального значения. Рис. 2. Характер потока и распределение статического давления при установке в трубопроводе диафрагмы После сечения В начинается расширение струи, которое заканчивается в сечении С. Этот процесс сопровождается уменьшением скорости и увеличением статического давления. В сечении С скорость примет первоначальное значение (как в сечении А), но давление будет меньше первоначального на рп, называемое потерей давления в сужающем устройстве. Наличие потери давления вызвано потерей энергии потока в мертвых зонах, находящихся до и за диафрагмой, из-за сильного вихреобразования в них. Для определения общей зависимости между расходом и перепадом давления предположим, что жидкость несжимаема (т.е. плотность жидкости не изменяется при прохождении через сужающее устройство), отсутствует теплообмен с окружающей средой, трубопровод горизонтален, нет потерь на сопротивление СУ, поле скоростей равномерное. Расчет массового расхода для несжимаемых сред производится по выражению Gm = С∙Е∙f∙[2ρ∙(Р1 - Р2)]0,5, объемного G0 = С∙Е∙f∙[2/ρ∙(Р1 - Р2)]0,5, где Е называется коэффициентом скорости входа, f — минимальная площадь проходного сечения СУ, С — коэффициент истечения (меньше единицы). Для сжимаемых сред в выражения добавляется коэффициент расширения ε. Таким образом, между расходом и перепадом давления в сужающем устройстве существует квадратичная зависимость, что позволяет дифманометры, измеряющие перепад давления Δр градуировать в единицах расхода или получать пропорциональный расходу выходной сигнал. Такие дифманометры называются дифманометрами-расходомерами. Для получения равномерной шкалы расходомера в кинематическую или электронную схему дифманометров или вторичных приборов включаются различные типы устройств, извлекающих квадратный корень. Необходимость извлечения квадратного корня является одним из недостатков метода измерения расхода по перепаду давления, обусловливающим суженный диапазон измерения расходомера, охватывающий обычно интервал 30...100 % максимального измеряемого расхода. Это означает, что использовать расходомер для измерения расходов в интервале 0...30% его шкалы не рекомендуется, так как здесь не гарантируется достаточная точность измерения. Стандартные сужающие устройства могут применяться в комплекте с дифманометрами для измерения расхода и количества жидкостей, газов и пара в круглых трубопроводах (при любом их расположении), диаметр которых не менее значений, указанных ранее. При необходимости использования сужающих устройств на трубопроводах меньшего диаметра они должны подвергаться индивидуальной градуировке. При установке сужающих устройств необходимо соблюдать ряд условий, влияющих на погрешность измерений: - Сужающее устройство в трубопроводе должно располагаться перпендикулярно оси трубопровода. Для диафрагм неперпендикулярность не должна превышать 1°. - Ось сужающего устройства должна совпадать с осью трубопровода. - Участок трубопровода длиной 2D до и после сужающего устройства должен быть цилиндрическим, гладким, на нем не должно быть никаких уступов, а также заметных глазу наростов и неровностей от заклепок, сварочных швов и т.п. - Важным условием является необходимость обеспечения установившегося течения потока перед входом в сужающее устройство и после него. Такой поток обеспечивается наличием прямых участков трубопровода определенной длины до и после сужающего устройства. На этих участках не должны устанавливаться никакие устройства, которые могут исказить гидродинамику потока на входе или выходе сужающего устройства. Длина этих участков должна быть такой, чтобы искажения потока, вносимые коленами, вентилями, тройниками, смогли сгладиться до подхода потока к сужающему устройству. При этом необходимо иметь в виду, что более существенное значение имеют искажения потока перед сужающим устройством и значительно меньшее — за ним/ - Необходимо, чтобы контролируемая среда заполняла все поперечное сечение трубопровода, причем фазовое состояние вещества не должно изменяться при прохождении через сужающее устройство. Конденсат, пыль, газы или осадки, выделяющиеся из контролируемой среды, не должны скапливаться вблизи сужающего устройства. - Дифманометр подключается к сужающему устройству двумя соединительными линиями (импульсными трубками) внутренним диаметром не менее 8 мм. Допускается длина соединительных линий до 50 м, однако из-за возможности возникновения большой динамической погрешности не рекомендуется использовать линии длиной более 15 м. - Для правильного измерения расхода перепад давления на входе дифманометра должен быть равен перепаду давления, развиваемому сужающим устройством, т.е. перепад от сужающего устройства к дифманометру должен передаваться без искажения. Это возможно в случае, если давление, создаваемое столбом среды в обеих соединительных трубках, будет одинаковым. В реальных условиях это равенство может нарушаться. Например, при измерении расхода газа причиной этого может быть скапливание конденсата в неодинаковом количестве в соединительных линиях, а при измерении расхода жидкости, наоборот, скапливание выделяющихся газовых пузырьков. Во избежание этого соединительные линии должны быть либо вертикальными, либо наклонными с уклоном не менее 1:10, причем на концах наклонных участков должны быть конденсато- или газосборники. Кроме того, обе импульсные трубки следует располагать рядом, чтобы избежать неодинакового нагрева или охлаждения их, что может привести к неодинаковой плотности заполняющей их жидкости и, следовательно, к дополнительной погрешности. При измерении расхода пара важно обеспечить равенство и постоянство уровней конденсата в обеих импульсных трубках, что достигается применением уравнительных сосудов. - К одному сужающему устройству может быть подключено несколько дифманометров. При этом допускается подключение соединительных линий одного дифманометра к соединительным линиям другого. При измерении расхода жидкости дифманометр рекомендуется устанавливать ниже сужающего устройства 1, что исключает попадание в соединительные линии и дифманометр газа, который может выделиться из протекающей жидкости (рис. 3, а). Для горизонтальных и наклонных трубопроводов соединительные линии должны подключаться через запорные вентили 2 к нижней половине трубы (но не в самой нижней части) во избежание попадания в линии газа или осадков из трубопровода. Если дифманометр все же устанавливается выше сужающего устройства (рис. 3, б), то в наивысших точках соединительных линий необходимо устанавливать газосборники 4 с продувочными вентилями. Если соединительная линия состоит из отдельных участков (например, при обходе какого-либо препятствия), то газосборники устанавливаются в наивысшей точке каждого участка. При установке дифманометра выше сужающего устройства трубки вблизи последнего прокладываются с У-образным изгибом, опускающимся ниже трубопровода не менее чем на 0,7 м для уменьшения возможности попадания газа из трубы в соединительные линии. Продувка соединительных линий осуществляется через вентили 3. Рис. 3. Схема соединительных линий при измерении расхода жидкости с установкой дифманометра ниже (а) и выше (б) сужающего устройства: 1 — сужающее устройство; 2 — запорные вентили; 3 — продувочный вентиль; 4 — газосборники; 5 — разделительные сосуды При измерении расхода агрессивных сред в соединительных линиях возможно ближе к сужающему устройству устанавливаются разделительные сосуды 5. Соединительные линии между разделительным сосудом и дифманометром, частично и сам сосуд заполнены нейтральной жидкостью, плотность которой больше плотности измеряемой агрессивной среды. Остальная часть сосуда и линии до сужающего устройства заполнены контролируемой средой. Следовательно, поверхность раздела контролируемой среды и разделительной жидкости находится внутри сосуда, причем уровни раздела в обоих сосудах должны быть одинаковы ми. Разделительная жидкость выбирается таким образом, чтобы она химически не взаимодействовала с контролируемой средой, не смешивалась с ней, не давала отложений и не была агрессивной по отношению к материалу сосудов, соединительных линий и дифманометра. Чаще всего в качестве разделительной жидкости используются вода, минеральные масла, глицерин, водоглицериновые смеси. При измерении расхода газа дифманометр рекомендуется устанавливать выше сужающего устройства, чтобы конденсат, образовавшийся в соединительных линиях, мог стекать в трубопровод (рис. 4, а). Соединительные линии нужно подключать через запорные вентили 2 к верхней половине сужающего устройства, их прокладку желательно производить вертикально. Если вертикальная прокладка соединительных линий невозможна, то их следует прокладывать с наклоном в сторону трубопровода или конденсатосборников 4. Подобные требования должны выполняться и при расположении дифманометра ниже сужающего устройства (рис. 4, б). При измерении расхода агрессивного газа в соединительные линии должны включаться разделительные сосуды. Рис. 4. Схема соединительных линий при измерении расхода газа с установкой дифманометра выше(а) и ниже (б) сужающего устройства: 1 — сужающее устройство; 2 — запорные вентили; 3 — продувочный вентиль; 4 — конденсатосборник При измерении расхода перегретого водяного пара неизолированные соединительные линии оказываются заполненными конденсатом. Уровень конденсата и его температура в обеих линиях должны быть одинаковыми при любом расходе. Для стабилизации верхних уровней конденсата в обеих соединительных линиях вблизи сужающего устройства устанавливаются уравнительные конденсационные сосуды. Расходомеры постоянного перепада (ротаметры). Тахометрические расходомеры. Расходомеры постоянного перепада (ротаметры) Наиболее распространенными представителями расходомеров постоянного перепада являются ротаметры. Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы от 0,002 до 70 м3/ч) или газов (верхние пределы от 0,05 до 600 м3/ч) в вертикальных трубопроводах диаметром 3...150 мм. Ротаметры обладают рядом достоинств: простота устройства; возможность измерения малых расходов однофазных жидкостей и газов в трубопроводах малых диаметров; высокая точность при индивидуальной градуировке прибора; малая потеря давления; практически равномерная шкала. Недостатками ротаметров являются необходимость установки только на вертикальных участках трубопроводов; трудности дистанционной передачи показаний и записи; непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой. В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую (расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1 (рис. 5), внутри которой располагается поплавок 2. Поплавки могут иметь различную форму. Одна из форм — цилиндрическая с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка. При этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки. Рис. 5. Схема ротаметра: 1 — стеклянная трубка; 2 — поплавок Между бортиком поплавка и стенкой трубки; образуется кольцевой зазор fк, при прохождении через который поток сужается, скорость его растет, и возникает разность между давлением р1 в сечении АА до начала сужения и давлением Р2 в самом узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь fк увеличивается. Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на него со стороны жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно связано с расходом. G0 = α∙ fк ∙[2gV∙(ρп - ρ)/(ρf)]0,5, где ρ — плотность среды; ρп — плотность материала поплавка; V — объем поплавка; f — площадь сечения поплавка; fк — площадь кольцевого зазора; α — коэффициент пропорциональности. Ротаметры выпускаются нескольких типов. Стеклянные показывающие ротаметры типа РМ имеют шкалу, нанесенную на наружную поверхность конической стеклянной трубки. Шкалы могут градуироваться в различных единицах: в единицах расхода, в процентах от максимального деления, в миллиметрах, в долях отношений диаметра трубки к диаметру поплавка. Очевидно, что в последних случаях ротаметр снабжается градуировочной характеристикой. Показания считываются по положению верхней горизонтальной плоскости поплавка. Ротаметры со стеклянной конической трубкой применяются для измерения расхода газов или прозрачных жидкостей, находящихся под давлением не более 0,6 МПа. Для измерения расхода сред с избыточным давлением до 6,4 МПа используются ротаметры с металлической конической трубкой. Обычно такие ротаметры снабжаются дифференциально-трансформаторными или пневматическими преобразователями для дистанционной передачи показаний. В зависимости от диапазона измерения, плотности и агрессивности среды поплавки изготавливаются из нержавеющей стали, титана, алюминиевых сплавов, пластмассы, фторопласта. Тахометрические расходомеры Тахометрическими называются расходомеры, в которых скорость движения рабочего тела пропорциональна объемному расходу измеряемой среды. В большинстве случаев рабочее тело — преобразователь расхода (крыльчатка, турбинка, шарик и т.п.) — под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства рабочего тела тахометрические расходомеры подразделяются на крыльчатые, турбинные, шариковые, камерные, кольцевые и др. Тахометрические преобразователи расхода могут использоваться как в счетчиках количества, так и в расходомерах. В первом случае преобразователь расхода (например, турбинка) связан со счетным механизмом. Тахометрические расходомеры содержат электрические тахометрические преобразователи частоты вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, измеряемый затем вторичным прибором. Электрические преобразователи скорости оказывают незначительное тормозящее действие на подвижный элемент (по сравнению с механической передачей в счетчиках), в силу чего точность тахометрических расходомеров выше точности счетчиков с механическим редуктором. Тахометрические приборы измеряют объемные расходы. При необходимости измерения массовых расходов они должны снабжаться либо измерителями температуры и давления, либо плотномерами, вычислительными устройствами. Тахометрические расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей (реже газов), причем некоторые их разновидности могут использоваться на загрязненных жидкостях. Наиболее широко эти расходомеры используются в коммунальном хозяйстве для учета индивидуального потребления горячей и холодной воды, газа. Тахометрические расходомеры обладают следующими положительными чертами: высокая точность, получаемая за счет индивидуальной градуировки приборов; простота получения и съема показаний. К числу их недостатков относятся значительная потеря давления, требования к длинам линейных участков до (свыше 100) и после (более 30) счетчика, износ подшипников при наличии загрязнений в воде и газах, ограничения по диаметру трубопровода. В соответствии с ГОСТ 14167-83 в технической документации водосчетчиков указывается четыре значения объемного расхода: максимальный G0 max, на котором допускается кратковременная работа счетчика и для которого определяется потеря давления; эксплуатационный G0 0 = (24. ..46) % от G0 max, при котором рекомендуется длительная работа счетчика; переходной и минимальный. Крыльчатые и турбинные расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей за исключением очень вязких и загрязненных, поскольку для них важной является смазывающая способность измеряемой среды. Для измерения расхода газа турбинные расходомеры применяются реже. Это связано с тем, что из-за малой плотности газа достаточно большой вращающий момент получается только при больших расходах, что уменьшает диапазон измерения расходомера и повышает порог чувствительности. Кроме того, в газовой среде ускоряется износ подшипников. При диаметрах трубопроводов от 15 до 40 мм применяются крыльчатые расходомеры, а от 50 до 250 мм — турбинные. На рис. 6, а схематично показано устройство турбинного преобразователя расхода жидкости. Корпус преобразователя 1 представляет собой отрезок трубы с двумя фланцами для присоединения его к трубопроводу. Внутри корпуса установлены струевыпрямители 2 и 3, соединенные осью, на которой расположена турбинка 4. В расходомерах частота вращения турбинки, пропорциональная объемному расходу, с помощью тахометрического преобразователя 5 преобразуется в частоту импульсов выходного сигнала. При известной цене импульса их суммарное число определяет объемный расход на интервале времени. Импульсный сигнал с помощью специальной схемы преобразуется в аналоговый выходной сигнал. В счетчиках количества число оборотов турбины, пропорциональное количеству протекшего вещества, измеряется счетным механизмом, соединенным с осью турбинки шестеренчатым редуктором и магнитной муфтой. Если редуктор находится в воде, то счетчик называется мокроходным, если редуктор вынесен из воды, то счетчик является судоходным. В основном используются последние. Счетчики могут давать импульсный сигнал, пропорциональный числу оборотов, для чего на стрелке отсчетного устройства устанавливается постоянный магнит, который вызывает срабатывание герконового реле. Цена импульса зависит от того, на стрелке какой декады счетчика установлен магнит. Рис. 6. Устройство турбинных преобразователей расхода: а — четырехлопастная турбина; б — турбина одноструйных водосчетчиков; 1 — корпус; 2, 3 — струевыпрямители; 4 — турбинка; 5 — тахометрический преобразователь Турбинки тахометрических расходомеров подразделяются на аксиальные и тангенциальные. У первых — ось совпадает с направлением потока, у вторых — она перпендикулярна потоку. Аксиальные турбинки имеют лопасти винтовой формы (рис. 6, а). При малом диаметре турбинок число лопастей мало (4—6), но они имеют большую длину. При больших диаметрах турбинки число лопастей велико (до 20), но их высота и длина невелики (относительно диаметра). Конструкции тангенциальных турбинок разнообразны. В качестве примера на рис. 6, б показана турбинка серийно выпускаемых одноструйных водосчетчиков. В расходомерах для возможности бесконтактного измерения скорости вращения турбинки ее лопасти либо изготавливаются из ферромагнитного материала, либо на крыльчатке устанавливаются отметчики из этого материала. Среди бесконтактных преобразователей (рис. 6, а поз. 5), преобразующих скорость вращения турбинки в электрический сигнал, наибольшее распространение получили магнитоиндукционные типы. Такой преобразователь (рис. 7, а) представляет собой катушку 1 с большим числом витков, внутрь которой вставлен магнит 2. Оси катушки и магнита располагаются перпендикулярно к оси немагнитной трубы 3. При прохождении ферромагнитной лопасти 4 турбинки (или отметчика) мимо магнита происходит изменение магнитного поля, что вызывает появление импульса ЭДС (меандра) в обмотке. Очевидно, что частота следования этих импульсов будет равна числу оборотов турбинки, умноженному на число лопастей. Частотно-импульсный сигнал по линиям связи поступает на вход измерительного блока, преобразующего этот сигнал в токовый, изменяющийся пропорционально расходу. Магнитоиндукционные преобразователи используются в расходомерах с турбинками больших диаметров, имеющих значительный крутящий момент. Это связано с тем, что такие преобразователи создают большой тормозящий момент. Рис. 7. Схема электрических бесконтактных преобразователей турбинных расходомеров: а — магнитоиндукционного: 1 — катушка; 2 — магнит; 3 — немагнитная труба; 4 — ферромагнитные лопасти; б — дифференциально-трансформаторного: 1, 2 — первичная и вторичная обмотки; 3 — подвижный сердечник; 4 — сердечник Расходомеры малых расходов (см. рис. 7, б) оснащаются дифференциально-трансформаторными преобразователями, тормозящий момент которых значительно меньше, чем у магнитоиндукционных. Дифференциально-трансформаторный преобразователь состоит из первичной обмотки 1, питаемой от генератора напряжением с частотой 3...6 КГц, двух встречно включенных секций вторичной обмотки 2 и двух сердечников 3 и 4. При отсутствии лопасти турбинки под сердечником 4 ЭДС, наводимые в обеих секциях должны быть равными, при этом Uвых = О. Если присутствует начальный небаланс, то он устраняется с помощью подвижного сердечника 3. При прохождении лопасти турбинки под сердечником 4 нарушается равенство магнитных потоков в секциях вторичной обмотки (увеличивается поток в нижней обмотке и уменьшается в верхней), в силу чего на выходе вторичной обмотки появляется сигнал Uвых. Этот сигнал имеет частоту питающего напряжения, модулированного по амплитуде частотой, равной частоте вращения турбинки, умноженной на число лопастей. Измерительный преобразователь, на вход которого поступает Uвых, выделяет частоту модуляции и преобразует ее в выходной токовый сигнал. Серийно выпускаются турбинные расходомеры для измерения расхода воды от 0,07 до 500 м3/ч в трубопроводах диаметром от 20 до 150 мм при температурах среды до 120 °С и давлении до 1,6 МПа с пределом основной относительной погрешности ±(2...5) %. Расходомеры газа выпускаются с верхними пределами от 100 до 1600 м3/ч при диаметрах 65...200 мм, температуре газа до 50 °С и давлении до 0,6 МПа. Достоинством турбинных расходомеров является возможность их использования в широком интервале расходов, диаметров трубопроводов и параметров контролируемой среды. В настоящее время турбинные тахометрические расходомеры являются одними из наиболее точных. Однако тахометрические турбинные расходомеры имеют и недостатки, ограничивающие их применение: влияние вязкости контролируемой среды, износ опор (нельзя, например, измерять расход сред, содержащих взвешенные частицы, особенно если они обладают абразивными свойствами). Шариковыми называются тахометрические расходомеры, подвижным элементом которых служит шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней поверхности трубы под воздействием предварительно закрученного потока. Скорость движения шарика по окружности трубы пропорциональна объемному расходу жидкости. Схема шарикового преобразователя для средних и больших расходов представлена на рис. 8, а. Поток жидкости, закрученный формирователем 1 в винтовом направлении, вызывает движение шарика 2 по окружности. От перемещения вдоль трубы шарик удерживается ограничительным кольцом 3, за которым располагается струевыпрямитель 4 для выпрямления закрученного потока. На внешней стороне немагнитного корпуса располагается тахометрический преобразователь 5 для преобразования частоты вращения шарика в частотный электрический сигнал. Рис. 8. Схема шариковых преобразователей расхода: а, б — для больших и малых расходов; 1 — формирователь потока; 2 — шарик; 3 — ограничительное кольцо; 4 — струевыпрямитель; 5 — тахометрический преобразователь Для небольших расходов применяется конструкция, представленная на рис. 8, б. Здесь нет специального формирователя для закручиван ия потока, а движение шарика по окружности вызывается тангенциальным подводом жидкости. В шариковых расходомерах применяются тахометрические преобразователи скорости, аналогичные преобразователям турбинных расходомеров. Вы пускаемые промышленностью шариковые расходомеры используются для измерения расхода жидкостей от 0,025 до 600 м3/ч, при температуре до 285 °С и давлении до 10 МПа. Плотность среды должна находиться в пределах 700...1400 кг/мЗ и кинематическая вязкость в пределах (0,3...12)*10-6 м2/с. Из-за отсутствия опор у подвижного элемента расходомеры могут использоваться на жидкостях с твердыми включениями ограниченного размера и агрессивных. Камерными называются тахометрические расходомеры и счетчики, имеющие один или несколько подвижных элементов, которые при движении отмеривают определенные объемы жидкости. Обычно эти подвижные элементы движутся непрерывно со скоростью, пропорциональной объемному расходу. В промышленности в большинстве случаев для измерения расхода газа и нефтепродуктов применяются камерные счетчики. Достоинствами их является высокая точность измерения, составляющая ± (0,2...1) % для жидкостей и ±(1...1,5) % для газов, достаточно большой диапазон измерения и слабое влияние вязкости среды. Один из приборов камерного типа — счетчик жидкости с овальными шестернями (рис. 9). Рис. 9. Схема счетчика с овальными шестернями В положении шестерен по рис. 9, а под действием разности давлений Р1—Р2 возникает момент, вращающий левую шестерню против часовой стрелки. При этом правая шестерня будет ведомой и за счет зубчатого сцепления будет поворачиваться по часовой стрелке. Через половину оборота шестерни установятся в положение рис. 9, б. Тогда вращаюший момент будет создаваться на правой шестерне, левая становится ведомой. За полный оборот измерительные камеры (на рис. 9 заштрихованы) дважды наполняются и опорожняются, т.е. за один оборот объем пропускаемой жидкости равен четырем объемам одной измерительной камеры. Электромагнитные расходомеры. Ультразвуковые расходомеры. Тепломеры. Электромагнитные расходомеры Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Серийные электромагнитные расходомеры предназначены для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10-3 См/м (соответствует электропроводности водопроводной воды). Имеются специальные расходомеры, позволяющие измерять расход жидкостей с электропроводностью до 10-5 См/м. В настоящее время электромагнитные расходомеры это самые распространенные приборы для измерения расхода воды в трубопроводах диаметром менее 250 мм. Что объясняется их следующими положительными чертами: · показания не зависят от вязкости и плотности среды; · динамический диапазон достигает 100 и более; · преобразователи расхода являются безынерционными; · они не имеют частей, выступающих внутрь трубы, и, таким образом, не создают потери давления; · влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем у других расходомеров, поэтому требуемая длина прямых участков для них минимальная; · электромагнитные расходомеры применяются на трубопроводах диаметром от 2 до 4000 мм; · электромагнитные расходомеры могут быть использованы в ряде случаев, когда применение расходомеров других типов затруднено или невозможно вовсе: при измерении расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей, пульп, жидких металлов. К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести требования к минимальному значению электропроводности измеряемой среды, что сужает круг использования таких расходомеров. Другой недостаток расходомеров — низкий уровень информативного сигнала (мкВ) и необходимость тщательной защиты преобразователя и линий связи от внешних помех. Принципиальная схема первичного преобразователя электромагнитного расходомера показана на рис. 10, а. Рабочий участок трубы преобразователя 1, изготовленный из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической изоляцией 2 (резиной, эмалью, фторопластом и т.п.), расположен между полюсами электромагнита. Через стенку трубы изолированно от нее по диаметру введены электроды 3, находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов. Рис. 10. Схема преобразователей электромагнитных расходомеров: а — с внешним магнитом: 1 — преобразователь; 2 — электрическая изоляция; 3 — электроды; б — с внутренним магнитом; 1 — обтекаемый корпус; 2 — магнит; 3 — электроды; 4 — кабель В соответствии с законом электромагнитной индукции при осесимметричном профиле скоростей в жидкости между электродами будет наводиться ЭДС Е=ВDν, где В — индукция магнитного поля; ν — средняя скорость жидкости; D — длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы. Е = 4ВG0/(πD), где G0 — объемный расход. Применение постоянных электромагнитов в расходомерах позволяет облегчить борьбу с помехами от внешних электромагнитных полей, увеличить быстродействие прибора. Основным недостатком их использования является поляризация электродов: концентрация у положительного электрода отрицательных ионов, а у отрицательного положительных. Вследствие этого на поверхности электродов создаются потенциалы, образующие ЭДС поляризации, направленную против основной измеряемой ЭДС, что изменяет градуировочную характеристику прибора и делает невозможной его стабильную работу. Поэтому электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем не применяются для жидкостей с ионной проводимостью. Широкое распространение они получили для измерения расхода сред с электронной проводимостью, например расплавленных металлов, в которых отсутствует явление поляризации. Ультразвуковые расходомеры Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток жидкости или газа. В последнее время используются две разновидности ультразвуковых расходомеров: расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой и доплеровский. Наибольшее распространение получила первая группа приборов. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения Δт ультразвуковыми импульсами расстояния между излучателем и приемником по потоку и против потока пропорциональна скорости потока, т.е. скорость ультразвука относительно стенок трубы зависит от скорости потока. Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико-химических свойств последней: температуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения сложных электронных схем в сочетании с микропроцессорной техникой, обеспечивающих компенсацию влияния перечисленных факторов. Ультразвуковые расходомеры в последние годы получают все более широкое распространение благодаря следующим положительным чертам: - значительному динамическому диапазону, достигающему 25—30; - высокой точности измерения, составляющей ± (1;2) %; - возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), загрязненных сред, суспензий; -· широкому диапазону диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений; - малой инерционности; - отсутствию потери давления; - широкому диапазону температур (от -220 до 600 °С) и давлений. К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести: - необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя; - влияние на показания пузырьков воздуха в потоке; - необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке; - сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3-4 раза превышает стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров; - ограничения по минимальной скорости потока. Расходомеры по конструктивному исполнению подразделяются на одно- и двухканальные. В одноканальной схеме (рис. 11, а) каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и приемника, что обеспечивается системой переключателей. Для увеличения чувствительности ход луча в среде может быть увеличен применением рефлекторов (рис. 11, б). Рис. 11. Схемы ультразвуковых преобразователей расходомеров: а — одноканального; б — с отражателями; в — двухканального В двухканальной схеме (рис. 11, в) каждый пьезоэлемент работает только в одном режиме — излучателя или приемника. Двухканальные схемы проще одноканальных (нет сложных схем переключения), но точность их меньше, вследствие возможной акустической асимметрии обоих каналов. Тепломеры Прибор, измеряющий количество теплоты, перенесенной теплоносителем в единицу времени, называют тепломером. В теплоэнергетике может измеряться либо расход теплоты с потоком теплоносителя (тепловая мощность потока), либо количество теплоты, вырабатываемой или потребляемой различными установками. В первом случае расход теплоты определяют через массовый расход и энтальпию потока. Такие тепломеры называют тепломерами потока. Во втором случае расход теплоты рассчитывают как разность тепловых мощностей на входе и выходе установки. Такие тепломеры называют разностными. Таким образом, для измерения расхода теплоты должно производиться непрерывное измерение массового расхода и энтальпии потока. Тепломером второго типа является теплосчетчик ТС-20, оснащенный индукционным расходомером (рис. 12). Расход воды измеряется электромагнитным расходомером, состоящим из преобразователя расхода и электронного блока, выходной ток которого пропорционален расходу воды. Энтальпии входного и выходного потоков и плотность воды вычисляют по соответствующим температурам воды, измеряемыми термометрами сопротивления. Устройство вычисляет значение количества теплоты, соответствующее уравнению, по сигналам расходомера воды и термометров сопротивления. Результат вычисления фиксируется измерительным прибором. Рис. 12. Теплосчетчик: 1 — преобразователь расхода; 2, 3 — термометры сопротивления; 4 — электронный блок расходомера; 5 — вычислительное устройство; 6 — измерительный прибор Лекция 16 Электродинамические приборы Электродинамические приборы Устройство и принцип действия электродинамического ИМ Принцип действия электродинамического измерительного механизма основан на взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с током. На рис. 10 схематически показано устройство электродинамического измерительного механизма, который состоит из подвижной 2 и неподвижной 1 катушек (рамок). Применяют круглые или прямоугольные катушки. Обычно неподвижная катушка состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. Вращающий момент создается при взаимодействии магнитного поля, создаваемого током I1, проходящим по катушке 2, и магнитным полем, создаваемым током, проходящим через катушки возбуждения 1. Электромагнитная энергия We двух контуров с токами We= L1 I12 /2 + L2 I22 /2 + I1 I2M1,2, где L1, L2- индуктивность подвижной и неподвижной катушек; M1,2 - взаимная индуктивность катушек. Риc. 10. Электродинамический ИМ: 1 — неподвижная катушка, 2 — подвижная катушка, 3 — ось, 4 — спиральная пружина, 5 — стрелка, 6 — шкала Так как индуктивность катушек не зависит от угла поворота, поэтому вращающий момент, действующий на подвижную катушку 2 MВР = I1I2 (dM1,2/da). При механическом создании противодействующего момента угол отклонения подвижной может быть определен по формуле a = I1I2 (dM1,2/da)/W. При включении электродинамического механизма в цепь переменного тока угол отклонения a = I1I2 cosy (dM1,2/da)/W, где I1 и I2 - действующие значения токов; y - угол сдвига фаз между векторами токов I1 и I2 . Области применения, достоинства и недостатки Приборы электродинамической системы могут применяться как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока. Шкала приборов неравномерная. Характер шкалы зависит от формы катушек и их взаимного расположения. Изменяя множитель dM1,2/da, можно улучшить шкалу так, что в начале шкалы будет иметь место неравномерность, а далее шкала будет практически равномерной. Электродинамические ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры - равномерную шкалу, начиная с 15-20 % ее номинального значения. Электродинамические приборы применяют в качестве: ваттметров постоянного тока и однофазных, трехфазных, малокосинусных ваттметров переменного тока, амперметров и вольтметров переменного и постоянного токов. Электродинамические логометрические измерительные механизмы применяются в фазометрах, частотомерах, фарадомерах. Выпускаются комбинированные приборы - ампервольтваттметры. Электродинамические амперметры выполняются по двум схемам, показанным на рис. 11, а и 11, б. Последовательное соединение катушек (рис. 11, а) используется в амперметрах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). Так как y = 0 и I1 = I2 = I, уравнение преобразования амперметра сводится к виду a = I2(dM1,2/da)/W. В параллельной схеме (рис. 11, б), которая используется при больших токах (до 10 А), подбором индуктивностей L1, L2 и резистора R в цепях катушек задаются токи I1 = k1I; I2 = k2I и разность фаз y =0. Уравнение преобразования амперметра будет иметь вид a = k1 k2.I2(dM1,2/da)/W. Для выполнения электродинамического вольтметра последовательно с катушками, соединенными по схеме (рис. 11, а), включается добавочный резистор RД, как показано на рис. 11, в. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид a= [U2/(R2W)](dM1,2/da), где R = RД + RV - общее сопротивление цепи. Рис. 11. Схемы соединения катушек Наиболее важной группой электродинамических приборов являются ваттметры. На рис. 11, г представлена простейшая схема однопредельного электродинамического ваттметра. Учитывая, что I1= IН и I2 = U/(R2 + RД), уравнение преобразования электродинамического ваттметра постоянного тока может быть записано в виде a= [1 /W(R2 + RД)] IH U dM1,2/da) = [1 /W(R2 + RД)] P dM1,2/da. На переменном токе уравнение преобразования a= [1 /(W(R2 + RД))] IH Ucosj dM1,2/da = [1 /(W(R2 + RД))]. РаdM1,2/da, где j - угол сдвига фаз между приложенным напряжением U и током IH в нагрузке RН; R2 – сопротивление параллельной катушки; Ра - активная мощность нагрузки. Шкала ваттметров равномерная. Основными достоинствами электродинамических приборов являются: возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного токов; возможность градуировки на постоянном токе; высокая стабильность показаний во времени; высокий класс точности (например, выпускаются электродинамические амперметры и миллиамперметры, вольтметры, однофазные ваттметры класса точности 0,05, частотомеры - класса 0,5). Высокая точность приборов обусловлена отсутствием в них, в отличие от других электромеханических приборов, ферромагнитных элементов. В качестве недостатков таких приборов можно отметить следующие: влияние внешних магнитных полей и механических воздействий; большую мощность потребления. По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволяют уменьшить собственное потребление мощности (имеются миллиамперметры с током полного отклонения 1 мА). Погрешности электродинамических приборов Погрешностями электродинамических приборов являются: температурная и частотная погрешности; погрешность из-за влияния внешних магнитных полей и др. Температурная погрешность gt возникает вследствие изменения сопротивления обмоток рамок (катушек) и изменения упругих свойств растяжек или пружинок при изменении температуры. Для компенсации температурной погрешности применяют специальные схемы, например, последовательно-параллельная схема позволяет снизить температурную погрешность многопредельного электродинамического ваттметра до gt £ 0,1 % Частотная погрешность обусловлена зависимостью полного сопротивления катушек от частоты, изменением фазовых соотношений электродинамического прибора, взаимной индуктивностью катушек. Для уменьшения частотной погрешности в параллельную цепь последовательно с обмоткой рамки может быть включен конденсатор С @ L0 /R1 (L0 и R1 - индуктивность и сопротивление подвижной катушки). Погрешность от влияния внешних магнитных полей уменьшается с помощью магнитных экранов. Ферродинамические приборы Устройство и принцип действия ферродинамического ИМ Принцип действия ферродинамического измерительного механизма заключается во взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с токами, и по существу является разновидностью электродинамического механизма. Отличие заключается в том, что для увеличения чувствительности неподвижная катушка имеет магнитопровод (рис. 12) из магнитно-мягкого материала. Наличие сердечника 1 значительно увеличивает магнитное поле неподвижной катушки 2. Подвижная катушка 3 перемещается в воздушном зазоре. С подвижной катушкой соединен указатель 4, который перемещается по шкале 5. Так как в воздушном зазоре, где помещается подвижная катушка 3, магнитное поле равномерное и радиальное, то dM1,2/da =const. Вращающий момент можно представить выражением МВР = k I1 I2 cosy, где k - коэффициент, определяемый конструктивными параметрами и материалом магнитопровода 1. Рис. 12. Ферродинамический ИМ Уравнение преобразования ферродинамического прибора имеет вид a = (k/W) I1.I2 cosy. Области применения, достоинства и недостатки Ферродинамические измерительные механизмы применяются в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, частотомерах и фазометрах. Ферродинамические приборы выпускаются классов точности не выше 0,2; 0,5. Они широко используются в качестве щитовых приборов (амперметров), амперметров и вольтметров промышленной частоты, но наиболее характерными являются ваттметры. Достоинствами ферродинамических измерительных механизмов являются: большой вращающий момент; возможность использовать их как на постоянном, так и на переменном токах; малое влияние внешних магнитных полей; стабильность параметров при механических воздействиях; меньшее, чем у электродинамических, собственное потребление мощности. К основным недостаткам ферродинамических механизмов относятся: невысокая точность, влияние изменений частоты входного сигнала, влияние температуры на угол отклонения подвижной части. Погрешности ферродинамических приборов Основными погрешностями являются температурная и частотная погрешности, погрешность от нелинейности кривой намагничивания, погрешность от электромагнитного взаимодействия. Температурная погрешность возникает вследствие изменения сопротивления катушек, упругих свойств пружинок или растяжек и изменение характеристик материала магнитопровода. Уменьшение этой погрешности достигается различными схемными решениями, например, применением последовательно-параллельных схем компенсации температурной погрешности. Частотная погрешность возникает вследствие различия фазовых соотношений в приборе и измерительной цепи. Для компенсации частотной погрешности применяются, как и для температурной погрешности, различные компенсационные схемы. Так как кривая намагничивания ферромагнитного материала магнитопровода нелинейная, возникает непропорциональность между током, проходящим по неподвижной катушке, и создаваемым им магнитным потоком. Эта непропорциональность приводит к появлению погрешности прибора. Снизить данную погрешность можно выбором рабочего участка кривой намагничивания материала магнитопровода. Погрешность от электромагнитного взаимодействия характерна для ферродинамических ваттметров и обусловлена асимметрией воздушного зазора. При прохождении тока по подвижной катушке и разомкнутой цепи неподвижной, подвижная катушка из-за электромагнитного взаимодействия отклоняется от нулевого положения. Данная погрешность уменьшается тщательной регулировкой измерительного механизма. Электростатические приборы Устройство и принцип действия электростатического ИМ В основе электростатического прибора лежит электростатический измерительный механизм, состоящий из системы подвижных и неподвижных электродов, образующих электрическую емкость. В электростатических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной. В данном механизме перемещение подвижной части приводит к изменению емкости системы. В настоящее время практическое применение нашли два вида измерительных механизмов: в первом изменяется активная площадь электродов (данная конструкция применяется в основном в вольтметрах на низкие напряжения), во втором - расстояние между электродами (эта конструкция используется в киловольтметрах). На рис. 13 показан механизм с изменением активной площади электродов. Неподвижная часть ИМ состоит из одной или более камер 1, в воздушные зазоры которых свободно входят тонкие пластины 2 подвижной части. Подвижные пластины закреплены на оси 3 вместе со стрелкой 5. При подключении напряжения к электродам 1 и 2 под действием электростатических сил, подвижные пластины 2 втягиваются в воздушные зазоры камер 1. При этом стрелка перемешается по шкале 6. Угол поворота подвижной части находится из равенства вращающего и противодействующего моментов, возникающих в измерительном механизме. Постоянное напряжение U, приложенное к электродам 1 и 2, создает вращающий момент МВР= (U2/2) (dC/da). Рис. 13. Электростатический ИМ Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов 4, то для установившегося равновесия можно записать уравнение преобразования электростатического измерительного механизма в виде a = [U2/ (2W)](dC/da), где С - емкость между пластинами; U - измеряемое напряжение. Из формулы следует, что угол отклонения подвижной части не зависит от полярности приложенного напряжения. В случае переменного напряжения угол отклонения подвижной части пропорционален квадрату действующего значения напряжения. Области применения, достоинства и недостатки Основное применение электростатические приборы нашли для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов. Выпускаются высоковольтные вольтметры на напряжения до 300 кВ, щитовые вольтметры на напряжения до 15 кВ с частотным диапазоном до 3 МГц классов точности 1,0 и 1,5. Есть вольтметры с частотным диапазоном до 35 МГц. Вольтметры на более низкие напряжения с пределами до 300 В имеют классы точности 0,05 и 0,1. Кроме этого их используют для измерения мощности, сопротивления, индуктивности и других величин. Существует несколько возможных вариантов включения электростатических измерительных механизмов для измерения напряжения. В вольтметрах на низкие напряжения до 500 В расстояние между электродами 1 и 2 мало (десятые доли миллиметра) и для ограничения тока при случайном замыкании электродов включается защитный резистор. Выполнение электростатических приборов с тремя электродами (электрометров) позволяет использовать их для измерения мощности и других величин. Электростатические ваттметры применяются для измерения мощности переменного тока на частотах вплоть до нескольких мегагерц и при малых cosj. Класс точности электростатических ваттметров достигает 0,1-0,2. Достоинствами электростатических приборов являются: 1) малое собственное потребление мощности, что объясняется малыми токами утечки и малыми диэлектрическими потерями в изоляции, малой емкостью измерительного механизма; 2) большой диапазон измеряемых напряжений; 3) возможность измерений как на постоянном, так и на переменном токе; 4) независимость показаний от частоты в широком диапазоне и формы измеряемого напряжения; 5) независимость показаний от внешних магнитных полей. К недостаткам электростатических приборов можно отнести: 1) малую чувствительность по напряжению; 2) влияние внешних электростатических полей, что требует экранирование измерительного механизма; 3) неравномерную шкалу (при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 15-25 % до 100 % от ее номинального значения). Погрешности электростатических приборов Для электростатических приборов характерны следующие погрешности: 1) температурная; 2) частотная; 3) от контактной разности потенциалов; 4) от термоЭДС; 5) от поляризации диэлектрика 6) из-за влияния внешних электростатических полей и др. Температурная погрешность электростатического прибора обусловлена изменениями упругости материала пружин, растяжек и емкости измерительного механизма при изменении температуры. В приборах класса точности выше 0,5 для компенсации температурной погрешности используются различные конструктивные меры, например, крепление растяжек на термобиметаллических пластинах. Частотная погрешность обусловлена резонансными явлениями в цепи прибора (это возникает из-за наличия собственной емкости прибора и индуктивности проводов) и изменением сопротивления проводов и растяжек Погрешность от контактной разности потенциалов возникает из-за разности работ выхода электронов с поверхности электродов в диэлектрик. Уменьшение этой погрешности достигается применением специальной технологии обработки поверхности электродов (контактная разность потенциалов уменьшается до 20-50 мВ). Погрешность от термоЭДС обусловлена разностью температур на концах проводников, выполняемых из разнородных материалов. Данная погрешность уменьшается при снижении перепада температур в объеме измерительного механизма и выбором материалов проводников. Погрешность от поляризации диэлектрика появляется вследствие возникновения ЭДС, обусловленной процессом поляризации. Уменьшение погрешности от поляризации достигается выбором диэлектрика с малым значением диэлектрической проницаемости и экранированием диэлектрика от подвижной пластины. Для уменьшения влияния электростатических полей приборы экранируются. Экран соединяется с одним из зажимов прибора и заземляется. Индукционные ИМ и приборы на их основе Устройство, принцип действия и области применения Принцип действия индукционных измерительных механизмов заключается во взаимодействии переменного магнитного поля проводника тока и индуцированными этим полем вихревых токов в подвижном элементе. Конструктивно индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких электромагнитов и подвижной части, которая обычно выполняется в виде алюминиевого диска, укрепленного на оси. По числу магнитных потоков, пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными. Однопоточные индукционные механизмы в измерительной технике в настоящее время не применяются. Рассмотрим индукционный механизм на примере двухпоточного прибора, конструкция которого показана на рис. 14. Токи I1 и I2, протекающие по обмоткам электромагнитов 1 и 2, возбуждают в сердечниках магнитные потоки Ф1 и Ф2. Эти потоки, пронизывая диск 2, наводят в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске создает вращающий момент, среднее значение которого может быть определено как МВР = СfФ1Ф2 siny, где C - коэффициент, определяемый материалами и конструкцией измерительного механизма; f - частота изменения потоков; y - угол сдвига фаз между потоками. Рис. 14. Схема двухпоточного индукционного ИМ Индукционные механизмы в основном используются в счетчиках электрической энергии. Рассмотрим применение индукционных измерительных механизмов на примере однофазного тангенциального счетчика электрической энергии. В индукционном счетчике одна обмотка одного из электромагнитов, например, 1, выполняется из небольшого числа витков относительно толстого провода и включается в цепь последовательно с нагрузкой, как показано на рис. 15. Обмотка электромагнита 2 имеет большое число витков тонкого провода и включается параллельно нагрузке. Ток I1 = IН в последовательной обмотке создает в сердечнике электромагнита 1 поток Ф1 = ФI. А ток I2 = IU создает в сердечнике электромагнита 2 магнитный поток ФU. Так как в счетчике на пути магнитных потоков ФI и ФU имеются большие воздушные зазоры, можно считать, что зависимость между потоками и токами II, IU линейна, т. е. ФI = КIIH; ФU = КUIU = KU1U. Рис. 15. Схема подключения Подставляя магнитный поток в выражение для вращающего момента, получим МВР = КI KUUIH siny = КUIH siny. В индукционных счетчиках для получения вращающего момента пропорционального активной мощности конструктивными методами добиваются выполнения условия: y = p/2 - j, где j - угол сдвига фаз между током и напряжением на нагрузке. Отсюда получим МВР = kUIH cosj = kPа, т. е. вращающий момент пропорционален активной мощности Ра. Для равномерного вращения в счетчике с помощью постоянного магнита и в результате взаимодействия магнитных потоков ФI и ФU с токами в диске, индуцированными этими потоками, создается противодействующий (тормозной) момент. При равенстве вращающего и противодействующего моментов диск счетчика будет вращаться со скоростью, пропорциональной активной мощности в нагрузке. Электрическая энергия определяется выражением t2 W = ò Pdt. t1 В качестве устройства, выполняющего операцию интегрирования, в индукционных счетчиках используется счетные механизмы. Погрешности индукционных приборов К погрешностям индукционных приборов можно отнести: 1) погрешность, обусловленную трением оси в опорах, трением в счетном механизме и трением подвижной части о воздух; 2) погрешность из-за непропорциональности между токами и создаваемыми ими магнитными потоками. Для уменьшения погрешности от трения в индукционных счетчиках создается дополнительный компенсационный момент. Погрешность из-за непропорциональности между токами и магнитными потоками обусловлена нелинейными характеристиками материалов сердечников и потерями в них. Промышленностью выпускаются однофазные и трехфазные счетчики электрической энергии. Лекция 15 Структурная схема и уравнение преобразования. Магнитоэлектрические приборы Структурная схема и уравнение преобразования В общем случае электромеханические приборы состоят из измерительной цепи, измерительного механизма, отсчетного устройства и строятся по структурной схеме прямого преобразования, представленной на рис. 1. Рис. 1. Структурная схема прямого преобразования Измерительная цепь преобразует измеряемую величину Х в электрическую величину Х1, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм (ИМ) состоит из неподвижной и подвижной частей. В ИМ электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части. Под действием измеряемой величины в измерительном механизме создается вращающий момент МВР, поворачивающий подвижную часть ИМ. В общем случае вращающий момент зависит от измеряемой величины Х и угла поворота подвижной части a: МВР = f(X, a). Для электромеханических приборов вращающий момент находится как МВР = dWe /da, где We - энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме. Для того чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало определенное значение угла отклонения a подвижной части, в измерительном механизме при повороте подвижной части создается противодействующий момент МПР, направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота. При механическом создании противодействующего момента МПР = Wa, где W - удельный противодействующий момент. Из условия установившегося равновесия МВР = МПР = dWe /da = Wa, получим, что угол поворота подвижной части зависит от измеряемой величины, параметров прибора и может быть найден как a = F(X, A) = [dWe /da]/ W, где А - параметры измерительного механизма. Последнее уравнение называется уравнением преобразования измерительного механизма электромеханического прибора. Противодействующий момент в измерительных механизмах может создаваться не только механическим путем (пружинами, растяжками), но и самой измеряемой величиной. Механизмы, в которых противодействующий момент создается измеряемой величиной, называются логометрами. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины и состоит из шкалы и указателя. По форме шкалы делятся на: прямолинейные, дуговые и круговые (угол дуги больше 1800); по соотношению длин делений в пределах одной шкалы они разделяются на: равномерные и неравномерные, когда отношение длины наибольшего деления к наименьшему (коэффициент неравномерности шкалы) превышает 1,3; по числу шкал: одношкальные и многошкальные. Шкалы и все надписи, характеризующие прибор, наносятся на основание (циферблат) и нормируются ГОСТ 5365- 83. На шкалах электромеханических приборов наносятся следующие условные обозначения: а) обозначение рода тока (например, " __ " - ток постоянный; " ~ " - ток переменный; " ~ __ " - ток постоянный и переменный; б) обозначение единицы измеряемой величины (например, mA, B); в) обозначение рабочего положения прибора: - для горизонтального положения шкалы; - прибор применять в вертикальном положении шкалы; - для установления под углом a0; г) обозначение класса точности (например, 1,5; ); обозначение испытательногонапряжения изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу, например, - испытательное напряжение, например, 2 кВ. Кроме этого на шкале приводится условное изображение принципа действия и буквенное обозначение прибора. В таблице 1 приведены условные обозначения некоторых типов приборов. Таблица 1. Обозначения ИМ на шкалах Для определения показаний прибора по отметкам шкалы используются стрелочные и световые указатели. При работе электромеханического прибора в динамическом режиме, кроме вращающего и противодействующего моментов возникают моменты, обусловленные инерцией, сопротивлением окружающей среды, вихревыми токами. При движении подвижной части в приборе возникает динамический момент, стремящийся успокоить это движение и называющийся успокаивающим моментом. Этот момент определяет время успокоения прибора. Для получения требуемого времени успокоения в измерительном механизме выполняется специальный конструктивный элемент - успокоитель. В электромеханических приборах применяют воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители. В зависимости от принципа действия измерительного механизма электромеханические приборы разделяются на следующие группы: магнитоэлектрические, выпрямительные, термоэлектричские, электромагнитные, электродинамические, электростатические, ферродинамические, индукционные. Магнитоэлектрические приборы Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм. Устройство и принцип действия магнитоэлектрического ИМ Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток. Рассмотрим устройство и работу магнитоэлектрического механизма с механическим противодействующим моментом. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется либо с подвижной катушкой, либо с подвижным магнитом. Конструкция с подвижной катушкой показана на рис. 2. Рис. 2. Магнитоэлектрический ИМ Магнитная система измерительного механизма состоит из постоянного магнита 1, магнитопровода с полюсными наконечниками 4, сердечника 3. Между полюсными наконечниками находится катушка (рамка) 2, по которой протекает ток I. Рамка соединена со стрелкой 5, перемещающейся по шкале 6. При прохождении тока I по рамке 2, помещенной в равномерное, постоянное магнитное поле с индукцией В, создается вращающий момент МВР, действующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма. Выражение для определения вращающего момента представляется как МВР = dWe/da = d(YI)/da = d(BnSaI) /da = BnSI, где Y - потокосцепление магнитного поля постоянного магнита с рамкой; В - магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсными наконечниками; n - число витков рамки; S - активная площадь рамки; a - угол поворота рамки. Противодействующий момент создается пружинками (на рис. 2 не показаны). Из равенства МВР = МПР можно получить следующее уравнение преобразования магнитоэлектрического измерительного механизма: a = BnSI/W = SI I, где SI = BnS/W - чувствительность магнитоэлектрического механизма к току. Рассмотрим магнитоэлектрический логометрический измерительный механизм, в котором противодействующий момент создается электрическим способом. В таком механизме подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой рамок 1 и 2, как показано на рис. 3. По обмоткам рамок протекают токи I1 и I2, которые создают моменты М1 и М2. Направления токов выбираются таким образом, чтобы моменты М1 и М2 действовали навстречу друг другу. Записав выражения для моментов в виде М1 = S1n1F1(a)I1; М2 = S2n2F1(a)I2.. Считая один из моментов вращающим, например, М1, а второй М2 - противодействующим, при установившемся равновесии выражение для угла отклонения подвижной части можно представить в виде a = F(I1/I2). Рис. 3. Магнитоэлектрический логометрический измерительный механизм Из данного выражения видно, что магнитоэлектрический логометр измеряет отношение токов. Логометрические измерительные механизмы очень часто используются в приборах для измерения сопротивления. Показания таких приборов не зависят от напряжения питания. Области применения, достоинства и недостатки Магнитоэлектрические механизмы используется для построения различных приборов: 1) амперметров и вольтметров для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока; 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерения в цепях переменного тока: а) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов с преобразователями переменного тока в постоянный; б) осциллографических гальванометров; в) вибрационных гальванометров, используемых в качестве нулевых индикаторов переменного тока. Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей. К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести: 1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока. Магнитоэлектрические приборы занимают первое место среди других электромеханических приборов. Они выпускаются вплоть до класса точности 0,05. Погрешности магнитоэлектрических приборов Одной из основных причин возникновения погрешности является отклонение температуры от градуировочной (температурная погрешность). При повышении температуры уменьшаются магнитная индукция в рабочем зазоре (индукция уменьшается примерно на 0,2 % на 10 0С) и удельный противодействующий момент (удельный противодействующий момент уменьшается примерно на 0,2-0,4 % на 10 0С), увеличивается электрическое сопротивление обмотки рамки и токоподводов (пружинок или растяжек). Следует отметить, что при уменьшении магнитной индукции показания магнитоэлектрического прибора уменьшаются, а при уменьшении удельного противодействующего момента показания увеличиваются. Таким образом, эти два фактора взаимно компенсируют друг друга. Для уменьшения температурной погрешности, обусловленной изменением электрического сопротивления обмотки рамки и растяжек (или пружинок), в магнитоэлектрических приборах применяются различные схемные решения, например, включение последовательно с рамкой добавочного сопротивления с малым температурным коэффициентом сопротивления. Подобная схема компенсации позволяет уменьшить температурную погрешность магнитоэлектрических вольтметров до значений, соответствующих классу точности 0,1. Для милливольтметров и амперметров с шунтами более выгодно использование последовательно-параллельной схемы температурной компенсации, представленной на рис. 4, а. В этой схеме R0 - сумма сопротивлений обмотки рамки и "медной" части упругих элементов; R1 - сумма "манганиновой" части сопротивления упругих элементов и добавочного сопротивления из манганина; R2 - добавочное сопротивление из манганина; R3 - сопротивление шунта (обычно из меди или никеля). Из анализа данной схемы следует, что при соответствующем выборе сопротивлений RO, R1, R2, R3 можно существенно уменьшить температурную погрешность. Для компенсации температурной погрешности необходимо выполнить соотношение R2 /(R2 +R3) = aR01/aR3 (aR01 - результирующий температурный коэффициент сопротивления цепи, состоящей из двух последовательно включенных резисторов R0 и R1, aR3 - температурный коэффициент сопротивления резистора R3), т. е. добавочное сопротивление R2 должно быть меньше суммы этого сопротивления и сопротивления шунта R3 во столько раз, во сколько раз температурный коэффициент сопротивления цепи рамки меньше температурного коэффициента сопротивления шунта. Недостатком представленной схемы компенсации температурной погрешности является большое собственное потребление. Для устранения этого недостатка может использоваться схема с полупроводниковым терморезистором, показанная на рис. 4, б. Так как терморезистор обладает сравнительно малой воспроизводимостью свойств и пониженной стабильностью, данная схема применяется только в приборах класса точности не выше 0,5. Для температурной компенсации применяют также мостовые схемы, термогнитные шунты и др. а б Рис. 4. Схемы температурной компенсации Приборы выпрямительной системы. Приборы термоэлектрической системы Приборы выпрямительной системы Из выражения для вращающего момента М следует, что приборы магнитоэлектрической системы непосредственно могут быть использованы только для работы с постоянными напряжениями и токами, а для работы в цепях переменного тока им требуются преобразователи переменного тока в постоянный — выпрямители (детекторы). Могут применяться разные типы детекторов: амплитудного значения, среднего выпрямленного значения, среднего квадратического (действующего) значения. Наиболее распространены в простых аналоговых электромеханических приборах детекторы среднего выпрямленного значения как самые простые и дешевые. На рис. 5, а показан вариант схемы вольтметра переменного напряжения с двухполупериодным выпрямителем, а на рис. 5, б — временные диаграммы входного напряжения и выпрямленного тока через магнитоэлектрический ИМ. Рис. 5. Схемы (а, в) вольтметра среднего выпрямленного значения, временные диаграммы (б) Выпрямитель образован мостом из четырех полупроводниковых диодов VD1, VD2, VD3, VD4, включенных таким образом, что выпрямленный ток через ИМ всегда течет в одну сторону, независимо от полярности входного напряжения. Если на каком-то интервале времени на верхнем входном зажиме (см. рис. 6, а) положительный потенциал, то открываются диоды VD1 и VD3, а диоды VD2 и VD4 закрыты, и ток через ИМ течет справа налево. Если положительный потенциал на нижнем входном зажиме, то открываются диоды VD2 и VD4 (при этом диоды VD1 и VD3 закрыты), и ток через ИМ также течет справа налево. И хотя вращающий момент является меняющейся функцией выпрямленного тока, но вследствие значительной механической инерционности подвижной части ИМ показания прибора при частотах выше 10 Гц равны среднему значению текущего в рамке тока, т. е. равны среднему выпрямленному значению. Добавочный резистор Rд, во-первых, устанавливает связь между входным напряжением и номинальным током магнитоэлектрического механизма и, во-вторых, обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Таким образом, показания вольтметра пропорциональны среднему выпрямленному значению входного напряжения. Помимо рассмотренной схемы, применяются и более дешевые решения двухполупериодного выпрямления, например такие, как на рис. 6, в (сопротивления резисторов R1 и R2 равны). В некоторых простых приборах реализовано и однополупериодное выпрямление (рис. 6, а). При этом значение сопротивления резистора R выбирают равным сопротивлению рамки ИМ. Правда, в этом случае чувствительность прибора заметно ниже, поскольку среднее выпрямленное значение тока в этой схеме вдвое меньше, чем при двухполупериодном выпрямлении (рис. 6, б). Рис. 6. Схема вольтметра с однополупериодным выпрямителем (а), временные диаграммы (б) Схемы, показанные на рис. 5 и 6, лежат в основе большинства аналоговых многофункциональных измерительных приборов — тестеров. Расширение диапазонов измерения вольтметров реализуется подключением (переключением) различных добавочных резисторов. Важно не забывать, что такие вольтметры и амперметры реагируют именно на среднее выпрямленное значение переменного сигнала, а не на действующее (которое чаще всего требуется). Градуируются же они обычно в действующих значениях для частного (хоть и распространенного) случая синусоидального сигнала. Поэтому при работе с заметно несинусоидальными сигналами возможны большие погрешности измерения. Например, при форме сигнала, близкой к прямоугольной, погрешность может достигать 10%. Обозначение приборов выпрямительной системы на шкалах: Приборы термоэлектрической системы Термоэлектрические (ТЭ) измерительные приборы основаны на преобразовании электрической энергии в тепловую и затем вновь в электрическую. Приборы этой системы состоят из термоэлектрического преобразователя (ТП) и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термоэлектрический преобразователь представляет собой объединение нагревателя (тонкая проволока из нихрома или константана) и термопары (рис. 7, а). ТермоЭДС термопары е, зависит от температуры ее рабочего спая, т. е. от температуры нагревателя, которая, в свою очередь определяется действующим значением протекающего по нему тока. Протекающий по нагревателю ТП ток (переменный или постоянный) нагревает рабочий спай термопары до температуры, пропорциональной квадрату действующего значения этого тока. Рис. 7. Схемы термоэлектрических приборов: а — ТЭ преобразователя; б — ТЭ амперметра; в — ТЭ вольтметра Свободные концы термопары подключаются к магнитоэлектрическому ИМ (рис. 7, б). На рис. 7, б приведена схема ТЭ амперметра, а на рис. 7, в — схема ТЭ вольтметра. Для измерения малых токов и напряжений (поскольку значения термоЭДС термопары незначительны — единицы — десятки милливольт) в схему прибора вводится усилитель постоянного тока, повышающий выходной сигнал термопары. Расширение диапазонов измерения ТЭ амперметров в сторону увеличения значений осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока. В случае расширения пределов ТЭ вольтметров применяют добавочные резисторы с различными сопротивлениями. К достоинствам ТЭ приборов можно отнести следующие: · работа как с постоянными, так и с переменными токами и напряжениями; · реакция на истинное среднее квадратическое (действующее) значение независимо от формы сигнала; · широкий диапазон частот измеряемых сигналов (до десятков мегагерц); · сравнительно высокая точность приборов (типичные классы точности 1,0 ... 1,5). К недостаткам ТЭ приборов относятся: · невысокое быстродействие в силу значительной тепловой инерционности ТП; · заметное собственное потребление приборов от источника исследуемого сигнала; · неравномерность (квадратичность) шкалы приборов; · зависимость точности от изменения температуры свободных концов термопары; · малая перегрузочная способность. Обозначение термоэлектрических приборов на шкалах: Электромагнитные приборы Устройство и принцип действия электромагнитного ИМ Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника. В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками. На рис. 8 показана конструкция электромагнитного измерительного механизма втяжного действия. При прохождении тока I по намагничивающей катушке 1 создается магнитное поле. Ферромагнитный сердечник 4, закрепленный на оси 2, при этом стремится расположиться в месте с наибольшей напряженностью поля, т. е. втягивается в зазор катушки. В электромагнитном приборе с осью 2 связана стрелка 5, которая перемещается по шкале 6. Электромагнитная энергия, создаваемая катушкой с током, определяется следующим образом: We=LI2/2, где L — индуктивность катушки 1, зависящая от положения ферромагнитного сердечника 2. Выражение для вращающего момента представляется как При создании противодействующего момента с помощью пружинок 3 получим уравнение преобразования электромагнитного прибора Рис. 8. Схема электромагнитного измерительного механизма Из последнего выражения следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока угол отклонения подвижной части ИМ зависит от квадрата действующего значения тока. Области применения, достоинства и недостатки Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры. В однопредельном амперметре катушка включается непосредственно в цепь тока, как показано на рис. 9, а, в вольтметре последовательно с катушкой включается добавочный резистор (рис. 9, б). Рис. 9. Схемы подключения электромагнитных ИМ В многопредельных амперметрах рабочую катушку выполняют из нескольких секций, которые соединяются между собой с помощью переключателя различным образом. На рис. 9, в, показана схема трехпредельного амперметра. В многопредельных вольтметрах последовательно включаются несколько добавочных резисторов, которые переключаются в зависимости от предела. Промышленностью выпускаются электромагнитные амперметры с номинальным током от долей ампера до двухсот ампер. Большое распространение получили щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты класса точности 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они могут использоваться на повышенных частотах (амперметры до 8 кГц). Лабораторные приборы выпускаются классов точности 0,5 и 1,0. Кроме рассмотренных измерительных механизмов, применяют также и электромагнитные логометрические механизмы. Электромагнитные приборы обладают рядом достоинств, к которым можно отнести: 1) возможность использования как на постоянном, так и на переменном токе; 2) простоту конструкции и дешевизну; 3) надежность в эксплуатации; 4) широкий диапазон пределов измерений; 5) способность выдерживать большие перегрузки и др. Недостатками являются: 1) большое собственное потребление энергии; 2) малая чувствительность; 3) сильное влияние внешних магнитных полей; 4) неравномерность шкалы. Следует отметить, что изменяя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20-25 % верхнего предела измеряемой величины. Погрешности электромагнитных приборов Погрешности электромагнитных приборов обусловлены следующими причинами: трением в опорах, гистерезисом материала сердечника, нагревом рабочей катушки, проходящим по ней током, изменением температуры окружающей среды и др. Рассмотрим погрешности, характерные для электромагнитных приборов. Погрешность от гистерезиса материала сердечников проявляется при работе на постоянном токе. Погрешность от нагрева рабочей катушки проходящим по ней током обусловлена изменением сопротивления катушки и пружин. Температурная погрешность обусловлена изменением температуры окружающей среды и характерна для вольтметров, и определяется изменением сопротивления цепи катушки и упругости пружин (или растяжек). Для компенсации температурной погрешности используются различные компенсационные схемы. Лекция 12 Единицы измерения и виды давления. Жидкостные манометры и дифманометры Единицы измерения и виды давления Давление относится к числу распространенных измеряемых физических величин. Контроль за протеканием большинства технологических процессов в тепловой и атомной энергетике, металлургии, химии связан с измерением давления или разности давлений газовых и жидких сред. Давление — широкое понятие, характеризующее нормально распределенную силу, действующую со стороны одного тела на единицу поверхности другого. Если действующая среда — жидкость или газ, то давление, характеризуя внутреннюю энергию среды, является одним из основных параметров состояния. Единица измерения давления в системе СИ — Паскаль (Па), равный давлению, создаваемому силой в один ньютон, действующей на площадь в один квадратный метр (Н/м2). Широко применяются кратные единицы кПа и МПа. Допускается использование таких единиц, как килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2) и квадратный метр (кгс/м2), последняя численно равна миллиметру водяного столба (мм вод. ст.). В табл. 1 приведены перечисленные единицы давления и соотношения между ними. Таблица 1. Единицы измерения давления При измерении различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. Под абсолютным давлением р, понимают полное давление, которое равно сумме атмосферного давления рат и избыточного ри: ра = ри + рат. Понятие вакуумметрического давления вводится при измерении давления ниже атмосферного: рв = рат — ра. Средства измерения, предназначенные для измерения давления и разности давлений, называются манометрами. Последние подразделяются на барометры, манометры избыточного давления, вакуумметры и манометры абсолютного давления в зависимости от измеряемого ими соответственно атмосферного, избыточного, вакуумметрического и абсолютного давлений. Манометры, предназначенные для измерения давления или разрежения в диапазоне до 40 кПа (0,4 кгс/см2)‚ называются напоромерами и тягомерами. Тягонапоромеры имеют двустороннюю шкалу с пределами измерения до 20 кПа (0,2 кгс/см2). Дифференциальные манометры применяются для измерения разности давлений. В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической величины, средства измерения давления разделяются на жидкостные, деформационные, электрические, ионизационные, тепловые и грузопоршневые. Устройство перечисленных приборов давления разнообразно. Среди них можно выделить пять основных групп измерительных приборов и преобразователей, выпускаемых отечественной промышленностью: механические, с дифференциально-трансформаторными преобразователями, с компенсацией магнитных потоков, с силовой компенсацией и с тензопреобразователями. Жидкостные манометры и дифманометры В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по положению которого определяется значение измеряемого давления. Эти приборы используются в лабораторной практике и в некоторых отраслях промышленности. Существует группа жидкостных дифманометров, в которых уровень рабочей жидкости непосредственно не наблюдается. Изменение последнего вызывает перемещение поплавка или изменение характеристик другого устройства, обеспечивающих либо непосредственное показание измеряемой величины с помощью отсчетного устройства, либо преобразование и передачу ее значения на расстояние. Рис. 1. Схемы двухтрубного (а) и однотрубного (б) манометра: 1, 2 — вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки; 3 — основание; 4 — шкальная пластина Столб жидкости высотой h, м, уравновешивает разность давлений в Па: р1—р2 = ρgh‚ где ρ — плотность рабочей жидкости, кг/м3; g — местное ускорение свободного падения, м/с2. В качестве рабочей жидкости используются вода, ртуть, спирт, трансформаторное масло. Таким образом, в жидкостных манометрах функции чувствительного элемента, воспринимающего изменения измеряемой величины, выполняет рабочая жидкость, выходной величиной является разность уровней, входной — давление или разность давлений. Высота столба h определяется как сумма высот h1 и h2. Удвоение высоты h1 либо h2 недопустимо, так как из-за непостоянства внутреннего сечения стеклянных трубок 1, 2 высоты h1 и h2 могут различаться. Для исключения влияния капиллярных сил в манометрах используются стеклянные трубки с внутренним диаметром 8...10 мм. Если рабочей жидкостью служит спирт, то внутренний диаметр трубок может быть снижен. Двухтрубные манометры с водяным заполнением применяются для измерения давления, разрежения, разности давлений воздуха и неагрессивных газов в диапазоне до ±10 кПа. Заполнение манометра ртутью измерения расширяет пределы до 0,1 МПа, при этом измеряемой средой может быть вода, неагрессивные жидкости и газы. Oднотрубные манометры. Для повышения точности отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные) манометры (рис. 1, б). У однотрубного манометра одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряемых давлений. Трубка, прикрепленная к шкальной пластинке, является измерительной и сообщается с атмосферой, при измерении разности давлений к ней подводится меньшее из давлений. Рабочая жидкость заливается в манометр до нулевой отметки. Под действием давления часть рабочей жидкости из широкого сосуда перетекает в измерительную трубку. Поскольку объем жидкости, вытесненный из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившему в измерительную трубку, h1F= h2f, где f, F — площади поперечного сечения измерительной трубки и широкого сосуда. При f<< F при измерениях учитывают только изменение уровня в измерительной трубке, а изменением уровня в широком сосуде пренебрегают. Если для повышения точности измерения необходимо учесть это изменение, то шкала градуируется в единицах давления в соответствии с уравнением р1—р2 = ρg(h1+ h2)= ρgh2(f/F+ 1). Микроманометры. Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа (300 кгс/м2) используются микроманометры, которые являются разновидностью однотрубных манометров и снабжены специальными приспособлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств Наиболее распространенные лабораторные микроманометры — это микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой (рис. 2). Рис. 2. Схема микроманометра ММН: 1 — измерительная трубка; 2 — сосуд; 3 — кронштейн; 4 — сектор Показания микроманометра определяются по длине столбика рабочей жидкости n в измерительной трубке 1, имеющей угол наклона α. Исходя из равенства объемов рабочей жидкости, вытесненной из широкого сосуда 2 в измерительную трубку 1, получаем h1F= nf, где h1 — изменение уровня в широком сосуде; F, f — площади поперечного сечения широкого сосуда и трубки. Поскольку h2 = n sinα, р1—р2 = ρg(h1+ h2)= ρgn(f/F+ sinα). При определенной плотности рабочей жидкости ρр‚ в качестве которой обычно используют спирт, и нормальном ускорении свободного падения g (равное 9,80665 м/с2) все сомножители при n обозначают одним коэффициентом k, изменяющимся от 0,2 до 0,8. На рис. 2 кронштейн 3 с измерительной трубкой 1 крепится на секторе 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют k: = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 и пять диапазонов измерения прибора от 0,6 кПа до 2,4 кПа. Барометры применяются для измерения атмосферного давления. Наиболее распространенными являются чашечные барометры с ртутным заполнением, отградуированные в мм рт. ст. Компрессионные манометры (манометры Мак—Леода), схема которых представлена на рис. 3, содержат резервуар 1 с ртутью и погруженной в нее трубкой 2. Последняя сообщается c измерительным баллоном 3 и трубкой 5. Баллон 3 заканчивается глухим измерительным капилляром 4, к трубке 5 подключен капилляр сравнения 6. Оба капилляра имеют одинаковые диаметры, чтобы на результатах измерения не сказывалось влияние капиллярных сил. Давление в резервуар 1 подается через трехходовой кран 7, который в процессе измерения может находиться в положениях, указанных на схеме. Рис. 3. Схема компрессионного манометра: 1— резервуар; 2, 5 — трубки; 3 — измерительный баллон; 4 — глухой измерительный капилляр; 6 — капилляр сравнения; 7 — трехходовой кран; 8 устье баллона Принцип действия манометра основан на использовании закона Бойля—Мариотта, согласно которому для фиксированной массы газа произведение объема на давление при неизменной температуре представляет постоянную величину. При измерении давления выполняются следующие операции. При установке крана 7 в положение а измеряемое давление подается в резервуар 1, трубку 5, капилляр 6, и ртуть сливается в резервуар. Затем кран 7 плавно переводится в положение с. Поскольку атмосферное давление значительно превышает измеряемое р, ртуть вытесняется в трубку 2. При достижении ртутью устья баллона 8, отмеченного на схеме точкой О, от измеряемой среды отсекается объем газа находящийся в баллоне 3 и измерительном капилляре 4. Дальнейшее повышение уровня ртути сжимает отсеченный объем. При достижении ртутью в измерительном капилляре высоты hи впуск воздуха в резервуар 1 прекращается и кран 7 устанавливается в положение b. Изображенное на схеме положение крана 7 и ртути соответствует моменту снятия показаний Деформационные манометры и дифманометры В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержат упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки. Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рис. 4. К их числу относятся трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром. Рис. 4. Упругие чувствительные элементы: а — трубчатые пружины; б —— сильфоны; в, г — плоские и гофрированные мембраны; д — мембранные коробки; е — вялые мембраны с жестким центром Полые одновитковые трубчатые пружины (см. рис. 4, а), имеют эллиптическое или плоскоовальное сечение. Один конец пружины, в который поступает измеряемое давление, закреплен неподвижно в держателе, второй (закрытый) — может перемещаться. Под действием разности измеряемого внутреннего давления и внешнего атмосферного трубчатая пружина деформируется: малая ось сечения трубки увеличивается, большая уменьшается, при этом пружина раскручивается и ее свободный конец совершает перемещение в 1...3 мм. Для давлений до 5 МПа трубчатые пружины изготовляют из латуни, бронзы, а для более высоких давлений — из легированных сталей и сплавов никеля. Сильфонные и мембранные чувствительные элементы имеют более широкие возможности для увеличения эффективной площади с целью получения требуемого перестановочного усилия, что позволяет использовать их для измерения малых избыточных давлений и разрежения. Сильфон — это тонкостенная трубка с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Жесткость сильфона зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки заготовки, радиуса закругления гофр и угла их уплотнения, числа гофр. Сильфоны бывают цельнотянутыми и сварными. Наиболее разнообразными по конструкции являются мембранные чувствительные элементы. Представленная на рис. 4, в, плоская или пластинчатая мембрана представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по окружности. Под влиянием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет нелинейную упругую характеристику и малые перемещения рабочей точки, в связи с чем ее в основном применяют для преобразования давления в силу (пьезо-электрические преобразователи), поверхностные деформации (тензопреобразователи) и малые перемещения (емкостные и резонансные преобразователи). Большинство показывающих манометров с трубчатыми преобразователями являются устройствами прямого преобразования. Схема показывающего пружинного манометра представлена на рис. 5. Одновитковая трубчатая пружина 1 с одного конца приварена к держателю 2, прикрепленному к корпусу манометра. Нижняя часть держателя заканчивается шестигранной головкой и штуцером, с помощью которого к манометру подсоединяется трубка, подводящая давление. Свободный конец пружины 1 припаян к пробке 3, шарнирно соединенной с поводком 4. Рис. 5. Пружинный показывающий манометр: 1 — одновитковая трубчатая пружина; 2 — держатель; 3 — пробка; 4 д поводок; 5 — зубчатый сектор; 6 — шестерня; 7 — стрелка При перемещении свободного конца пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относительно оси О, вызывая поворот шестерни (трибки) 6 и сидящей на одной оси с ней показывающей стрелки 7. Пружина, не приведенная на рисунке, обеспечивает поджатие зубцов трибки к зубцам сектора, убирая люфт. Пружинные показывающие манометры выпускаются с верхним пределом измерения от 0,1 МПа (1 кгс/см2) до 103 МПа (104 кгс/см2) в соответствии со стандартным рядом. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения — 0,1...0 МПа, а мановакуумметры при нижнем пределе измерения — 0,1 МПа имеют верхний предел измерения по избыточному давлению от 0,1 до 2,4 МПа. Для передачи информации об измеряемом давлении на расстояние рабочая точка упругих чувствительных элементов соединяется с элементом электрического или пневматического преобразователя, создающего соответствующие унифицированные сигналы, которые поступают на удаленные вторичные устройства. К их числу относятся показывающие и регистрирующие вторичные приборы, средства управления и защиты. Существуют следующие преобразователи: - Дифференциально-трансформаторные преобразователи и системы. - Преобразователи с компенсацией магнитных потоков. - Преобразователи давления с силовой компенсацией. - Манометры с емкостными преобразователями. Дифференциально-трансформаторная система использует для передачи информации сигналы переменного тока. Схема дифференциально-трансформаторного преобразователя представлена на рис. 6, а. Преобразователь представляет собой трансформатор, содержащий обмотку возбуждения 1 и вторичную обмотку 2. Вторичная обмотка состоит из двух включенных встречно полуобмоток 3, 4. Внутри катушки, на которой намотаны первичная и вторичные полуобмотки, перемещается ферромагнитный сердечник 5, соединенный с мембраной 6, на которую воздействует измеряемое давление. Обмотка возбуждения 1 создает магнитные потоки Ф1, Ф2, пронизывающие вторичные полуобмотки 3, 4 и наводящие ЭДС е1 и е2. Рис. 6. Схема дифференциально-трансформаторного преобразователя (а) и график выходного сигнала (б): 1 — обмотка возбуждения; 2 — вторичная обмотка; З, 4 — две включенных встречно полуобмотки; 5 — ферромагнитный сердечник; 6 —мембрана В среднем положении сердечника во вторичных полуобмотках создаются равные и встречно направленные ЭДС, рис. 6, б. При смещении сердечника 5 в верхнюю половину катушки Ф1 возрастает, а Ф2 — уменьшается, тогда е1 > е2 и Е = е1—е2. По мере увеличения давления растет смещение чувствительного элемента x и амплитуда выходного сигнала преобразователя. Преобразователи с компенсацией магнитных потоков, преобразователи давления с силовой компенсацией и манометры с емкостными преобразователями оставлены для самостоятельного изучения обучающимися. Электрические и тепловые манометры Пьезоэлектрические манометры. Принцип действия манометров этого типа основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, которая вырезается перпендикулярно электрической оси кристаллов кварца. Схема пьезоэлектрического манометра представлена на рис. 7. Измеряемое давление с помощью мембраны 1 преобразуется в усилие, сжимающее кварцевые пластины 2. Электрический заряд, возникающий на металлизированных плоскостях 3 под действием усилия F со стороны мембраны, определяется выражением Q=kF=kSp, где р — давление, деиствующее на металлическую мембрану 1 с эффективной площадью S; k— пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н. Рис. 7. Схема пьезоэлектрического манометра: 1 — мембрана, 2 — кварцевые пластины; 3 — металлизированные плоскости Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Их чувствительные элементы (сенсоры) представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления. Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых. Ионизационные манометры. Для измерения давления в диапазоне 10-1...10-8 Па используются ионизационные манометры. Схема прибора представлена на рис. 8, а. Основной элемент манометра — стеклянная манометрическая лампа, содержащая катод 1, который находится внутри анодной сетки 2, окруженной цилиндрическим ионным коллектором 3.Эжектируемые раскаленным катодом электроны ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и катодом. При движении электроны ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные ионы попадают на отрицательно заряженный коллектор. При постоянстве анодного напряжения и электронной эмиссии величина коллекторного тока Iк зависит от измеряемого давления. Рис. 8. Схемы ионизационного (а) и теплового (б) манометров: 1 — катод; 2 — анодная сетка; 3 — цилиндрический ионный коллектор Тепловые манометры. Для измерения давления в диапазоне 1...104 Па используются тепловые манометры, которые, как и ионизационные, включают в себя манометрический преобразователь и измерительный блок. Принципиальная измерительная схема теплового манометра приведена на рис, 8, б. Она представляет собой неуравновешенный мост, на который напряжение подается от стабилизированного источника питания ИП. Три плеча моста содержат постоянные резисторы R1—R3, а четвертое представляет собой нагретую до 200 °С вольфрамовую нить, находящуюся в камере, куда подается измеряемое давление. При указанных давлениях вследствие снижения числа молекул длина их свободного пробега становится соизмеримой с расстояниями между теплопередающими поверхностями измерительных камер прибора, в связи с чем теплопроводность при давлениях 103 Па и ниже линейно уменьшается по мере снижения давления. Теплоотдача от вольфрамовой нити зависит как от числа молекул, участвующих в переносе теплоты, так и от температуры стенок камеры. Для снижения влияния на показания прибора колебаний температуры окружающей среды, определяющей температуру стенок камеры, прилежащее к R4 плечо моста помещается в вакуумированную камеру, аналогичную измерительной. Для измерения температуры нити могут использоваться термопары, в этом случае тепловые манометры называют термопарными. Схема манометрического преобразователя (лампы) вакуумметра типа ВТ-2 представлена на рис. 9. Внутри стеклянного баллона 1, вакуумно плотно подсоединяемого верхней частью к объекту измерения давления, находится платиновый нагреватель 2, температура которого измеряется хромель-копелевой термопарой 3. Рис. 9. Термопарный манометрический преобразователь: 1 — стеклянный баллон; 2 — платиновый нагреватель; 3 — хромель-копелевая термопара Грузопоршневые манометры В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используются в качестве образцовых средств для поверки приборов давления, а также для точных измерений давления в лабораторной практике. Схема поршневого манометра, имеющего диапазон измерения 6 МПа (МН-60), представлена на рис. 10. Поршень 1 с тарелкой 2 для грузов 3 перемещается внутри цилиндра 4. Рис. 10. Схема грузопоршневого манометра МП-60: 1 — поршень; 2 — тарелка; 3 — грузы; 4 — цилиндр; 5 — вентиль; 6 — резервуар; 7 — поршень винтового пресса; 8, 9 — стояк; 10—12 — запорные вентили Внутренняя полость поршневого манометра тщательно заполняется рабочей жидкостью (керосином, касторовым или трансформаторным маслом). Заливка жидкости производится при открытом вентиле 5 через отверстие в дне резервуара 6, поршнем 7 винтового пресса 8 жидкость засасывается внутрь манометра. С помощью пресса 8 в процессе измерения обеспечивается подъем поршня 1 с грузами до высоты, заданной указателем. К стоякам 9 с запорными вентилями 10 подключаются поверяемые манометры. Вентиль 11 служит для слива жидкости из поршневого манометра. Для получения заданного давления на тарелку с учетом ее массы с поршнем накладываются грузы, создающие определенную силу тяжести. Методика измерения давления и разности давлений При выборе пределов измерения манометра руководствуются значениями измеряемого давления и характером его изменений. При стабильном измеряемом давлении его значение должно составлять ¾ диапазона измерения прибора, а в случае переменного давления 2/3. Для исключения возможности образования взрывоопасных и горючих смесей манометры, предназначенные для измерения давления таких газов, как кислород, водород, аммиак, окрашивают в соответствии со стандартом в голубой, темно-зеленый, желтый цвета. Правила установки манометров на промышленных объектах, отбора давления и его передачи к приборам с помощью импульсных линий регламентируются внутриведомственными нормалями, которыми руководствуются при монтаже измерительных устройств. Манометры показывающие и с дистанционной передачей показаний, как правило, устанавливаются вблизи точек отбора давления в месте, удобном для обслуживания. Исключение составляют манометры, используемые для внутриреакториого контроля и контроля давления в устройствах, размещаемых на АЭС в зонах ограниченного доступа. Современные серийные преобразователи давления нельзя размещать внутри активной зоны, поэтому они находятся на значительном расстоянии от точек отбора давления, что приводит к росту инерционности показаний приборов. Отбор давления осуществляется с помощью труб, подсоединяемых к трубопроводу или внутреннему пространству объекта, где производится измерение давления. В общем случае трубка должна быть выполнена заподлицо с внутренней стенкой, чтобы у выступающей части не создавалось торможение потока. При измерении давления или разности давлений жидких сред не рекомендуется отбор давления производить из нижних и верхних точек трубопровода, с тем чтобы в импульсные линии не попадали шлам и газы, при газовых средах — из нижних точек трубопровода, чтоб в импульсные линии не попадал конденсат. Лекция 11 Термометры сопротивления Термометры сопротивления относятся к числу наиболее распространенных преобразователей температуры, используемых в цепях измерения и регулирования. Термометром сопротивления называется комплект для измерения температуры, включающий термопреобразователь, основанный на зависимости электрического сопротивления от температуры, и вторичный прибор, показывающий значение температуры в зависимости от измеряемого сопротивления. Для измерения температуры термопреобразователь сопротивления необходимо погрузить в контролируемую среду и каким-либо прибором измерить его сопротивление. По известной зависимости между сопротивлением термопреобразователя и температурой можно определить значение температуры. Таким образом, простейший комплект термометра сопротивления (рис. 5.1, а) состоит из термопреобразователя сопротивления (ТС), вторичного прибора (ВП) для измерения сопротивления и соединительной линии (ПС) между ними (она может быть двух, трех или четырехпроводной). Шкалы вторичных приборов градуируются в градусах Цельсия. Для изготовления термопреобразователей сопротивления (ТС) могут использоваться либо чистые металлы, либо полупроводниковые материалы. Электрическое сопротивление чистых металлов увеличивается с ростом температуры (их температурный коэффициент достигает 0,0065 К-1, т.е. сопротивление увеличивается на 0,65 % при увеличении температуры на один градус). Полупроводниковые ТС имеют отрицательный температурный коэффициент (т.е. их сопротивление уменьшается с ростом температуры), доходящий до 0,15 К-1. Полупроводниковые ТС не используются в системах технологического контроля для измерения температуры, так как требуют периодической индивидуальной градуировки. Обычно они используются как индикаторы температуры в схемах компенсации температурной погрешности некоторых средств измерения (например, в схемах кондуктометров). Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов, получившие наибольшее распространение, изготавливают обычно из тонкой проволоки в виде намотки на каркас или спирали внутри каркаса. Такое изделие называется чувствительным элементом ТС. Для предохранения от повреждений чувствительный элемент помещают в защитную арматуру. Достоинством металлических ТС является высокая точность измерения температуры (при невысоких температурах выше, чем у термоэлектрических преобразователей), а также взаимозаменяемость. Металлы для чувствительных элементу (ЧЭ) должны отвечать ряду требований, основными из которых являются требования стабильности градуировочной характеристики и воспроизводимости (т.е. возможности массового изготовления ЧЭ с одинаковыми в пределах допускаемой погрешности градуировочными характеристиками). Если хотя бы одно из этих требований не выполняется, материал не может быть использован для изготовления ТС. Желательно также выполнение дополнительных условий: высокий температурный коэффициент электрического сопротивления (что обеспечивает высокую чувствительность — приращение сопротивления на один градус), линейность градуировочной характеристики, большое удельное сопротивление, химическая инертность. По ГОСТ Р50353-92 ТС могут изготавливаться из платины (обозначение ТСП), из меди (обозначение ТСМ) или никеля (обозначение ТСН). Характеристикой ТС является их сопротивление R0 при 0°С, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и класс. Температурный коэффициент электросопротивления при температуре t в общем виде определяется из выражения α=(dRt/dt)/Rt, где d — символ производной; Rt — сопротивление ТС при температуре t. При линейной зависимости α не будет зависеть от температуры. В этом случае зависимость сопротивления Rt от температуры будет иметь вид: Rt = R0(1+αt). · Платиновые термопреобразователи сопротивления (ТСП) могут иметь следующие сопротивления при 0 °С: 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом, и поэтому имеют следующее обозначение номинальных статических характеристик 1П, 5П, 10П, 50П, 100П и 500П. ТСП используются для измерения температуры в интервале (—260...1100) °С и являются наиболее распространенным типом ТС. При выборе ТСП следует использовать общий принцип — низкоомные ТС необходимо применять для измерения высоких температур, а высокоомные — для измерения низких температур. Недостатком платиновых ТС является нелинейность статической характеристики, особенно в области высоких и отрицательных температур, возможность загрязнения платины при высоких температурах, подверженность воздействию восстановительных и агрессивных газов. В интервале температур (0...600) °С зависимость сопротивления от температуры описывается нелинейным выражением Rt = R0 (1 + Аt + Вt2). Для изготовления платиновых ТС используется проволока диаметром от 0,05 до 0,1 мм (для использования в температурном интервале до 750 °С) и диаметром (0,2.. .0,5) мм для измерения температур до 1100 °С. Типовой конструкцией чувствительного элемента является конструкция, представленная на рис. 7. Чувствительный элемент состоит из соединенных последовательно двух платиновых спиралей 1, расположенных в каналах керамического каркаса 2. Каналы каркаса со спиралями заполняются порошком 3 (обычно это оксид магния), который служит изолятором и улучшает тепловой контакт проволоки с каркасом. К концам спиралей припаяны короткие выводы 4 из платиновой или иридиевой проволоки, к которым затем припаиваются изолированные выводные проводники. Торцы керамического каркаса герметизируются специальной глазурью 5. Каркас помещается в тонкостенную металлическую оболочку 6, которая также заполняется порошком и закрывается пробкой, через которую пропущены выводы. Каркас может иметь четыре канала для размещения двух спиралей (двойные ТС). Такая конструкция обеспечивает хорошую герметичность чувствительного элемента, незначительное механическое напряжение платиновой проволоки, достаточную прочность и вибростойкость. Длина платиновых чувствительных элементов обычно равна 50...100 мм при диаметре 3...6 мм. Все свободное пространство заполнено изолирующим порошком. Рис. 7. Чувствительный элемент платинового термопреобразователя: 1 — платиновые спирали; 2 — керамический каркас; 3 — изоляционный порошок; 4 — выводы; 5 — глазурь; 6 — металлическая оболочка · Медные термопреобразователи сопротивления (ТСМ) применяются для длительного измерения температуры в интервале от —200 до 200 °С. К достоинствам меди как материала для чувствительных элементов следует отнести дешевизну, возможность получения в чистом виде, хорошую технологичность, линейность зависимости сопротивления от температуры. Линейность статической характеристики является достоинством меди, а ее недостатком — интенсивная окисляемость, что ограничивает диапазон применения ТСМ температурой 200 °С и требует покрытия изоляцией проволоки чувствительного элемента. Проволока может покрываться либо эмалью, либо кремнийорганической изоляцией. Чувствительный элемент медного ТС состоит из медной изолированной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной на каркас. Намотка должна быть безиндуктивной, т.е. индуктивное сопротивление чувствительного элемента (ЧЭ) ТС должно быть минимальным. Это связано с тем, что ЧЭ содержит большое число витков медного провода и при обычной намотке будет иметь значительную индуктивность. Поскольку вторичные приборы для ТС (автоматические мосты) имеют измерительные схемы, питаемые электрическим переменным током, индуктивное сопротивление одного из плеч (в данном случае ЧЭ) будет влиять на режим уравновешивания. Для обеспечения безындуктивности обычно выполняется бифилярная намотка — намотка вдвое сложенным проводом. Поверхность намотки покрывается слоем лака. К концам проволоки припаиваются медные выводы диаметром 1...1,5 мм. ЧЭ помещается в металлическую защитную оболочку, засыпанную изолирующим порошком и герметизированную. Чувствительные элементы могут быть бескаркасными. Они изготавливаются из медной проволоки диаметром 0,08 мм безиндуктивной намоткой. Отдельные слои скреплены лаком, а затем весь ЧЭ обернут фторопластовой пленкой. ЧЭ помещается в тонкостенную металлическую оболочку, которая засыпается изолирующим порошком и герметизируется. Недостатком меди, как материала для ТС, является также малое удельное сопротивление, так как для изготовления ЧЭ при этом требуется много проволоки, что увеличивает размеры ЧЭ и ухудшает динамические свойства ТС. По ГОСТ Р50353-92 медные термопреобразователи сопротивления (сокращенное обозначение ТСМ) должны иметь номинальное сопротивление при 0°С, равное 10, 50, 100 Ом, при этом номинальные (т.е. идеальные) статические характеристики преобразования (НСХ) условно обозначаются 10М, 50М, 100М. Коэффициент α = 0,00428 (1/°С) одинаков для всех ТСМ. Арматура ТС бывает двух исполнении: с головкой и без нее. В головке ТС имеются контакты, к которым подсоединяются выводные проводники от ЧЭ и сальниковый ввод для линии связи со вторичным устройством. Внутреннее устройство ТС с головкой представлено на рис. 8. Чувствительные элементы помещаются в защитную арматуру, подобную изображенной на рис. 4. Выводные (от ЧЭ) проводники пропускаются через каналы керамического изолятора, все свободное пространство внутри арматуры засыпается керамическим порошком. В верхней части арматура герметизируется. В головке располагается сборка зажимов, к которой подсоединяются выводные проводники чувствительного элемента и провода внешней линии. На внешней стороне арматуры может располагаться подвижный или неподвижный штуцер. На контролируемом объекте закрепляется защитная гильза, внутри которой закрепляется арматура ТС. Рис. 8. Устройство термопреобразователя сопротивления с головкой и без крепежных деталей: 1 — чувствительный элемент; 2 — защитная арматура; 3 — выводы; 4 — изоляция; 5 — герметик; 6 — головка; 7 — клеммная сборка; 8 — зажимы; 9 — жилы кабеля; 10 — кабель; 11 — гайка От чувствительного элемента к контактной головке могут подходить два, три или четыре выводных проводника. Это связано с различными схемами подключения ЧЭ к вторичным устройствам (двух-, трех- или четырехпроводные схемы). · Никелевые термопреобразователи сопротивления (ТСН) применяются для измерения температур от —60 до 180 °С и могут иметь следующие сопротивления при 0 °С: 50 и 100 Ом, и поэтому имеют обозначение номинальных статических характеристик 50Н и 100Н. Температурный коэффициент электросопротивления составляет 6,75*10-3 К-1, что больше, чем у меди (4,28*10-3 К-1), поэтому размеры ТСН меньше. Зависимость сопротивления от температуры носит линейный характер. · Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления обычно называются термисторами и используются для измерения температур в интервале (-100. ..300) °С. Их достоинства — высокое значение ТКС (на порядок больше, чем у металлов), малая тепловая инерция и высокое номинальное сопротивление. Недостатками являются нелинейность номинальной статической характеристики, не взаимозаменяемость из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, нестабильность статической характеристики. В связи с этими недостатками полупроводниковые термопреобразователи обычно используются в цепях температурной компенсации и сигнализации, где не предъявляются высокие требования к точности измерения температуры. Для измерения сопротивлений могут использоваться: А) Потенциометры (рис. 9). Rб – образцовый резистор с известным сопротивлением. С помощью потенциометра измеряется падение напряжения Ut на термопреобразователе и Uб на образцовом резисторе. Так как ток одинаков, то Rt=(Ut /Uб)∙Rб Рис. 9 Схема потенциометра Б) Уравновешенные мосты (рис. 10). Напряжение Uad=Uac и Ubd=Ubc. Отсюда Rx=(RМ∙R1)/R2. а) б) Рис. 10. Уравновешенные мосты: а – с ручным уравновешиванием; б – с автоматическим уравновешиванием В) Неуравновешенные мосты (рис. 11). Рис. 11. Схема неуравновешенного моста Г) Логометры. Магнитоэлектрический логометр является одним из средств измерения, применяемых в комплекте с техническими термопреобразователями сопротивления для измерения температуры. Принцип действия логометра основан на измерении отношения токов в двух электрических цепях. В одну из них включен термопреобразователь сопротивления, а в другую — резистор с постоянным сопротивлением. На рис. 12 представлена схема магнитоэлектрического логометра, состоящего из двух рамок: компенсирующей 1 и рабочей 2, жестко скрепленных друг с другом и со стрелкой 3 и помещенных в воздушном зазоре между полюсными наконечниками 4 и 5 постоянного магнита и неподвижным сердечником 6. М1=k1B1I1. М2=k2B2I2. В – индукции в месте расположения рамок, k – коэффициенты, зависящие от размеров рамок и числа витков. При равновесии моменты равны, поэтому I1/ I2= В1/ В2. Рис. 12. Логометр: 1, 2 – компенсирующая и рабочая рамки, 3 – стрелка, 4, 5 – полюсные наконечники постоянного магнита, 6 – неподвижный сердечник Методы измерения температуры тел по излучению. Устройство пирометров излучения. Преимущества и недостатки использования пирометров Методы измерения температуры тел по излучению. Устройство пирометров излучения Все рассмотренные средства измерения температуры (термометры расширения, термоэлектрические преобразователи и термопреобразователи сопротивления) предусматривают непосредственный контакт между чувствительным элементом термометра или термопреобразователя и измеряемой средой. Поэтому такие методы называются контактными. Верхний предел применения контактных методов ограничивается значениями до 2200 °С. Однако в ряде случаев в промышленности и при исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры. Кроме того, часто недопустим непосредственный контакт термометра с измеряемой средой. В этих случаях применяются бесконтактные средства измерения температуры, которые измеряют температуру тела или среды по тепловому излучению. Такие средства измерения называются пирометрами. Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур до 4000 °С. Бесконтактные методы измерения теоретически не имеют верхнего предела измерения и возможности их использования определяются соответствием спектров излучения измеряемых тел или сред и спектральных характеристик пирометров. Если для каких-либо условий могут быть использованы и контактные и бесконтактные методы измерения, то, как правило, предпочтение следует отдать контактным, так как они позволяют обеспечить более высокую точность измерения. Все тела излучают электромагнитные волны различной длины. Если излучение какого-либо тела падает на другое тело, то оно может полностью или частично отражаться от поверхности, поглощаться телом, проходить через тело. Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом. Отношение спектральной энергетической яркости любого источника теплового излучения ВλТ к спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела В0λТ при одной и той же длине волны λ и температуре Т называется спектральным коэффициентом излучения (спектральная степень черноты) ελТ= ВλТ/ В0λТ. Полная (интегральная) энергетическая яркость тела ВТ при температуре Т может быть определена по спектральной энергетической яркости при интегрировании по всему диапазону длин волн. Отношение полной энергетической яркости ВТ любого источника теплового излучения к полной энергетической яркости В0Т абсолютно черного тела при той же температуре называется полным коэффициентом излучения (интегральной степенью черноты) εТ =ВТ / В0Т. Интенсивность теплового излучения реальных тел зависит от физической природы тела и коэффициента излучения (степени черноты), значение которого определяется температурой и состоянием поверхности. Значение коэффициента излучения изменяется при изменении состояния поверхности и температуры. В силу этого пирометры излучения градуируются по абсолютно черному телу, для которого ελТ = εТ = 1. Поэтому при измерении температуры реальных тел, пирометры оценивают некоторую условную температуру. Действительная температура тела рассчитывается по пересчетным формулам с использованием значения коэффициента излучения. В современных пирометрах такой пересчет осуществляется автоматически. По используемому методу измерения пирометры подразделяются на четыре группы: · монохроматические (квазимонохроматические); · полного излучения; · частичного излучения; · спектрального отношения. Монохроматические пирометры (иногда называют оптическими или визуальными) воспринимают излучение в столь узком диапазоне длин волн, что оно считается монохроматическим (обычно это излучение красной части спектра с λ = 0,65 мкм). Этот участок спектра выделяется светофильтром в сочетании с кривой спектральной чувствительности измерения. В этом случае зависимость энергетической яркости тела от температуры описывается уравнением Планка: где С1, С2 — первая и вторая физические константы излучения (С1=3,7415*10-16 Вт*м2; С2 = 14388 мкм·К); λ — длина волны, м; Т — абсолютная температура, К. Зависимость спектральной плотности излучения М0λТ (М0λТ= В0λТ∙π) абсолютно черного тела от длины волны λ для различных значений температуры, построенная по закону Планка, представлена на рис. 13. Рис. 13. Спектральное распределение плотности излучения для различных значений температуры: 1—6 — Т = 1000 К; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000 В монохроматическом (квазимонохроматическом) пирометре температура тела определяется по спектральной энергетической яркости излучения при определенной длине волны λ и из рис. 13 видно, что она увеличивается с ростом температуры. Предположим, что Т — действительная температура измеряемого реального нечерного тела. Тогда спектральная энергетическая яркость этого тела будет ВλТ. Так как пирометр градуировался по излучению черного тела, то он покажет температуру абсолютно черного тела Тя при которой спектральные энергетические яркости реального тела ВλТ и абсолютно черного тела ВλТЯ, будут равны. Условная температура ТЯ называется яркостной температурой тела. где λ — используемая длина волны излучения, мкм; С2 = 14388 мкм·К (константа излучения); ελТ — коэффициент излучения на длине волны λ. Для реальных тел яркостная температура всегда меньше действительной, так как ελТ < 1. Принципиальная схема квазимонохроматического пирометра с исчезающей нитью представлена на рис. 14. Излучение от объекта измерения 1 проходит через объектив 2 и фокусируется в плоскости 3. В этой же плоскости расположена нить пирометрической лампы 4. Изображение объекта измерения и нити пирометрической лампы видны наблюдателю 6 через окуляр 5. Между нитью пирометрической лампы и окуляром располагается красный светофильтр 7. Между объективом и нитью пирометрической лампы может вводиться поглощающее стекло 8. Для изменения накала нити примеряется электронный блок 9, который изменяет ток, проходящий через нить пирометрической лампы. Значение тока измеряется цифровым индикатором, отградуированным в значениях яркостной температуры. Квазимонохроматический пирометр предусматривает измерение температуры по спектральной энергетической яркости тела, т.е. по излучению при определенной длине волны. Рис. 14. Принципиальная схема квазимонохроматического пирометра с исчезающей нитью накала: 1 — объект измерения; 2 — объектив; 3 — плоскость фокусирования; 4 — пирометрическая лампа; 5 — окуляр; б — наблюдатель; 7 — красный светофильтр; 8 — поглощающее стекло; 9 — электронный блок Для монохроматизации (выделения определенной длины волны) излучения в пирометре устанавливается светофильтр. В принципе он может быть любого цвета (например, красный, зеленый, синий). Обычно применяется красный светофильтр, так как у излучающего тела при низких температурах большая доля энергии приходится на длинноволновый участок спектра, поэтому применение красного фильтра позволяет измерять низкие температуры (800. ..900) °С, где у красного фильтра значительно больше пропускание. Спектральный участок, выделяемый таким фильтром будет более узким, чем спектральный участок зеленого или синего фильтра. На рис. 15 приведены кривая видимости (спектральной чувствительности) глаза v(λ) и кривая пропускания красного фильтра τ(λ). Глаз воспринимает заштрихованный участок спектра с усредненной длиной волны - 0,65 мкм. Кроме того, человеческий глаз воспринимает больше оттенков красного цвета, что позволяет более тщательно устанавливать равенство яркостей объекта и нити пирометрической лампы. Рис. 15. Спектральные характеристики глаза человека v(λ) и красного светофильтра τ(λ) Процесс измерения сводится к изменению наблюдателем накала нити пирометрической лампы, а значит, и ее яркости до тех пор, пока глаз наблюдателя не перестанет различать нить пирометрической лампы на фоне объекта измерения (нить «исчезает»). И в этот момент производят отсчет значения температуры. Ток накала в пирометре не может быть больше значения, соответствующего яркостной температуре около 1400°С. Для возможности измерения более высоких температур в пирометре между объективом и пирометрической лампой устанавливается поглощающее стекло 8. Пирометры полного излучения (обычно называются радиационными) воспринимают излучение в столь широком спектральном интервале, что зависимость интегральной энергетической яркости от температуры с достаточной точностью описывается законом Стефана—Больцмана, связывающим энергию излучения абсолютно черного тела с его температурой (В0Т=σТ4). Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости температуры от интегральной энергетической яркости излучения, описываемой для абсолютно черного тела законом Стефана—Больцмана называется пирометром полного излучения. Радиационной температурой Тр называется условная температура реального тела, численно равная такой температуре абсолютно черного тела, при которой интегральные энергетические яркости реального и абсолютно черного тела равны. В качестве чувствительного элемента, воспринимающего излучение, могут использоваться различные устройства. Например, можно использовать батарею из нескольких термоэлектрических преобразователей или специальных термозависимых резисторов. Для концентрации излучения на спаях термобатареи или на чувствительном элементе терморезистора применяются оптические системы с собирающей линзой. Для того чтобы получить однозначную зависимость термоЭДС термобатареи (сопротивления терморезистора) от потока излучения, необходимо поддерживать свободные концы термобатареи (или корпус терморезистора) при постоянной температуре. Принципиальная схема пирометра с термобатареей приведена на рис. 16. Излучение от измеряемого тела 1 поступает на объектив (линзу) телескопа 2 и через диафрагму 3 фокусируется на горячих спаях термобатареи 4, заключенной в специальную колбу. ТермоЭДС батареи поступает на вход вторичного измерительного преобразователя ПВ-О 5. Для визирования первичного преобразователя на объект измерения служит окуляр 6 и диафрагма 7, через которые наблюдатель 8 осуществляет визирование. Рис. 16. Принципиальная схема пирометра полного излучения с батареей: 1 — объект измерения; 2 — объектив телескопа; 3, 7 — диафрагма; 4 — термобатарея; 5 — вторичный измерительный преобразователь ПВ-О; 6 — окуляр; 8 — наблюдатель Помимо рефракторных (с собирающей линзой), как на рис. 16, существуют рефлекторные (с отражателем) пирометры (рис. 17). Они отличаются наличием отражателя вместо линзы. Рис. 17. Принципиальная схема пирометра полного излучения с батареей и рефлектором: 1 — объект измерения; 2 — объектив телескопа; 3 — диафрагма; 4 — термобатарея; 5— мост с медными сопротивлениями; 6 — рефлектор; 7 — отверстие для визирования; 8 — наблюдатель; 9 — измерительный прибор Пирометры спектрального отношения. Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости от температуры тела отношения спектральной энергетической яркости для двух фиксированных длин волн, называется пирометром спектрального отношения (цветовым). В пирометре спектрального отношения температура тел определяется по отношению спектральных энергетических яркостей для двух длин волн. Предположим, что действительная температура реального тела Т тогда отношение спектральных энергетических яркостей при длинах волн λ1 и λ2 будет Вλ1Т / Вλ2Т. Так как пирометр градуировался по излучению черного тела, то он покажет температуру абсолютно черного тела Тц, при которой отношение спектральных энергетических яркостей реального тела будут равны. Цветовой температурой Тц называется условная температура реального тела численно равная такой температуре абсолютно черного тела, при которой отношение спектральных энергетических яркостей абсолютно черного тела при длинах волн λ1 и λ2 равно отношению спектральных яркостей при тех же длинах волн реального тела с температурой Т. Одна из схем пирометра спектрального отношения представлена на рис. 18. Излучение от измеряемого тела 1 поступает в объектив 2 пирометра и затем на фильтр из фосфида индия 3, на котором световой поток частично отражается и через зеркало 4 направляется на кремневый фотоэлемент 5. Под влиянием света на фотоэлементе возникает фотоЭДС Uλ1. Другая часть светового потока частично пропускается фильтром 3, отражается от внутренней плоскости и через зеркало 6 направляется на фотоэлемент 7, на котором возникает фотоЭДС Uλ2. Эффективная длина волны отраженного фильтром 3 излучения составляет λ1 = 0,888 мкм, а длина волны излучения, прошедшего через фильтр 3, λ2 = 1,034 мкм. Выходное напряжение Uλ фотоэлемента 7 уравновешивается частью выходного напряжения фотоэлемента 5 на реохорде 8 компенсатора напряжений. Положение движка реохорда 8 пропорционально отношению Uλ2/Uλ1, т. е. пропорционально отношению спектральных энергетических яркостей, определяемому цветовой температурой Т измеряемого тела. Если Uλ2 и Uλ1 не уравновешено на реохорде 8, то на вход усилителя 9 поступает сигнал, вращающий реверсивный двигатель 10, перемещающий движок реохорда 8 до наступления уравновешивания. В цепь фотоэлемента 7 дополнительно подается опорное напряжение к резистору 11 от стабилизатора 12. Рис. 18. Принципиальная схема пирометра спектрального отношения: 1 — объект измерения; 2 — объектив; 3 — фильтр; 4, 6 — зеркало; 5, 7 — фотоэлементы; 8 — реохорд; 9 — усилитель; 10 — реверсивный двигатель; 11 — резистор; 12 — стабилизатор напряжения Преимущества и недостатки использования пирометров Рассмотрим преимущества и недостатки методов измерения температуры тел по излучению. Преимущества: - все методы измерения не требуют непосредственного контакта с измеряемой средой, они могут измерять температуру на расстоянии бесконтактным способом и поэтому не искажают температурного поля объекта измерения; - верхний предел измерения некоторых пирометров излучения не ограничен; - все методы очень чувствительны. Однако все методы при измерении температуры реальных тел дают значения условной температуры (яркостной, цветовой, радиационной), а не действительной температуры тела. В общем случае наименьшее отклонение от действительной имеет цветовая температура, а наибольшее — радиационная: |Т - Тц| < Т - Тя < Т - Тр. Пирометры излучения применяются без ограничения при измерении температуры твердых тел и ряда жидких сред, имеющих непрерывный спектр излучения. Эти методы используются и для измерения температуры газов, содержащих линейчатый спектр излучения. Однако при измерении температуры газов по излучению необходимо так подобрать характеристики пирометра, чтобы полоса пропускания оптической системы практически совпадала с одной из полос излучения данного газа. Основной источник погрешности измерения действительной температуры тела пирометрами излучения — большая погрешность в оценке коэффициента излучения и его изменение в процессе измерения (данная погрешность классифицируется как методическая). Эта погрешность наибольшая у пирометров полного излучения и наименьшая — у пирометров спектрального отношения. Поскольку оперативное измерение коэффициентов излучения практически невозможно, часто при использовании пирометров искусственно создаются условия, приближающиеся к абсолютно черному телу. Например, при измерении температуры поверхностей используются керамические блоки, встроенные в эти поверхности. При измерении температуры пирометрами излучения могут иметь место погрешности за счет влияния промежуточной среды. Ослабление теплового излучения промежуточной среды, находящейся между объектом измерения и пирометром, влияет на результаты измерения всех пирометров. Однако степень этого влияния может быть различной. Например, запыленность и задымленность среды в наибольшей степени влияет на показания пирометров полного или частичного излучения. Это объясняется тем, что частицы пыли, копоти рассеивают излучение, ослабляя практически все длины волн. На показания всех пирометров излучения будут оказывать влияние посторонние источники излучения. Расчет этой погрешности затруднителен. Поэтому желательно так организовать измерения, чтобы исключить эту погрешность. Выбору и применению различных методов измерения температуры по излучению должны предшествовать изучение излучающих свойств объекта измерения и анализ условий измерения, промежуточной и окружающей среды, посторонних источников излучения и других факторов, которые могут влиять на излучение, воспринимаемое пирометром. Лекция 14 Уровнемеры с визуальным отсчетом. Гидростатические уровнемеры. Уровнемеры с поплавками. Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел играет важную роль при автоматизации технологических процессов, особенно если поддержание уровня связано с условиями безопасной работы оборудования. Уровнемеры применяются либо для контроля за отклонением уровня от номинального, и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу, либо для определения количества вещества (в сочетании с известными размерами емкости), и в этом случае они имеют одностороннюю шкалу. Большую группу составляют сигнализаторы уровня, в которых выходной сигнал возникает при достижении уровнем верхнего или нижнего предельных значений. В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, то уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом (указательные стекла). При необходимости дистанционного измерения уровня применяются более сложные уровнемеры: гидростатические (дифманометрические и барботажные), буйковые и поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические. Уровнемеры с визуальным отсчетом Такие уровнемеры основаны на визуальном измерении высоты уровня жидкости. При невысоких давлениях среды высота уровня измеряется в стеклянной трубке (указательном стекле), сообщающейся с жидкостным и газовым пространствами контролируемого резервуара (рис. 1). При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности которых со стороны жидкости нанесены вертикальные граненые канавки. Из условий прочности не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при большом диапазоне изменения уровня устанавливается несколько стекол в шахматном порядке таким образом, чтобы их диапазоны измерения перекрывались. Основным источником дополнительной погрешности таких уровнемеров является разница плотностей жидкости в контролируемом резервуаре и в стекле, вызываемая различием температур (особенно если жидкость в резервуаре имеет высокую температуру, а указательное стекло находится на значительном удалении). Рис. 1. Схема уровнемера с визуальным отсчетом Гидростатические уровнемеры В этих уровнемерах измерение уровня Н жидкости постоянной плотности ρ сводится к измерению гидростатического давления р, создаваемого жидкостью, причем р = Нρg. Измерение высоты уровня непосредственно по величине гидростатического давления можно производить в резервуарах, находящихся как под атмосферным, так и под отличающимся от него давлением. На рис. 2, а представлена схема зонда. Зонд представляет собой трубку 1, внутренняя полость которой сообщается с жидкостью. Таким образом, давление внутри трубки совпадает с давлением жидкости. В нижней части трубки 1 находится измерительная мембрана из нержавеющей стали. Ее деформация вызывает изменение сопротивления тензомоста. Измерительная мембрана, тензопреобразователь и электроника защищены от измеряемой среды колпаком 2. Вентиляционная трубка соединена с пространством под измерительной мембраной и атмосферой. Мягкая трубка 3 может иметь длину до 20 м, в ней размещены несущий тросик а, экранированные токовые выводы б, вентиляционная трубка в диаметром 1 мм. Зонд выдерживает перегрузку до 0,6 МПа, выходной сигнал составляет 4...20 мА, погрешность не превышает ± 0,3 %. Рис. 2. Схемы гидростатических уровнемеров: а — погружного зонда: 1 — трубка; 2 — колпак; 3 — мягкая трубка; б — дифманометра с открытой мембраной; 1 — мембрана; 2 — тензопреобразователь; 3 — полость статического давления Дифманометрические уровнемеры. Схема подключения дифманометра к открытому резервуару, находящемуся под атмосферным давлением, изображена на рис. 3. Обе импульсные трубки дифманометра заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна). Дифманометр измеряет разность давлений р1 и р2, действующих на его чувствительный элемент. Можно записать выражения для этих давлений: р1= (Н + h1)ρ1g; р2= h2ρ2g. Таким образом, дифманометр будет измерять перепад давлений, выражающийся через контролируемый уровень Н. Если плотности ρ1 и ρ2 жидкости в обеих импульсных трубках одинаковы и если h1= h2, то Δр = Нρg, Рис. 3. Схема подключения дифманометра при измерении уровня в открытом резервуаре: 1 — уравнительный сосуд; 2—дифманометр Метод измерения уровня дифманометрами обладает рядом достоинств: механической прочностью, простотой монтажа, надежyостью. Но им присущ один существенный недостаток: чувствительный элемент дифманометров находится в непосредственном контакте с контролируемой средой. При измерении уровня агрессивных сред это вызывает необходимость либо использования специальных материалов для дифманометров, либо применения схем подключения дифманометров, не допускающих попадания активных сред в дифманометр, например включения в импульсные линии разделительных устройств, продувка импульсных линий чистой водой и т.п. Поплавковые и буйковые уровнемеры Поплавковым называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погруженного в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости не зависит от контролируемого уровня. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. В статическом режиме на поплавок действуют: сила тяжести и выталкивающие силы жидкости и газовой среды. При перемещении поплавка появляется также сила сопротивления в подвижных элементах уровнемера. В простейшем случае поплавок соединен с указателем с помощью гибкой механической связи. Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплавка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения требуемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения. Сила сопротивления определяется выбором схемы связи поплавка с измерительной схемой уровнемера. Такая конструкция имеет большой диапазон измерения, но не обеспечивает хорошей герметизации резервуара, поэтому используется только при небольшом избыточном давлении или разрежении и невысоких температурах контролируемой среды. При более высоких значениях температуры и давления среды используются поплавковые уровнемеры с магнитными преобразователями. Примером таких приборов являются магнитные уровнемеры типа ПМП (рис. 4). По направляющей трубе 7 под влиянием изменения уровня жидкости перемещается поплавок 6 с постоянным магнитом 5. Внутри трубки 7 по всей ее длине находятся герконовые реле, которые срабатывают под действием магнитного поля поплавка. Стопорное кольцо 4 ограничивает перемещение поплавка вверх, а зонтик 3 защищает его от капель конденсата, который может образовываться на внутренних стенках резервуара. При диапазоне измерения от 0,5 до 6 м высота уровня измеряется с дискретностью 5 мм. При определении массы для учета изменения плотности жидкости в преобразователе производится измерение температуры. Эти преобразователи могут иметь в качестве выходной величины изменение сопротивления, токовый сигнал 4...20 мА или цифровой. Магнитные поплавки входят в состав ультразвуковых уровнемеров. Рис. 4. Схема уровнемера ПМП: 1 — корпус; 2 — кабельный вывод; 3 — зонтик; 4 — стопорное кольцо; 5 — постоянный магнит; 6 — поплавок; 7 — направляющая трубка; 8 — герконовое реле Буйковыми называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр) — буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость (рис. 5). Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью, действующей на буек с определенным усилием. Увеличивая уровень на Н от нулевого положения 00, увеличиваем выталкивающую силу, что вызывает подъем буйка на х, причем при его подъеме увеличивается осадка, т.е. х < h. При этом изменяется усилие, с которым подвеска действует на буек, причем изменение равно изменению выталкивающей силы, вызванной увеличением осадки буйка на (h — х): Рис. 5. Расчетная схема буйкового уровнемера Схема уровнемера с электросиловым преобразователем изображена на рис. 6. Буек 1 подвешен на конец рычага 2, на другом конце которого расположен груз 3, уравновешивающий вес буйка 1 при нулевом уровне (возможен и другой метод компенсации веса). Разделительная мембрана 4 служит для герметизации резервуара. Рис. 6. Схема буйкового уровнемера с электросиловым преобразователем: 1 — буек; 2 — рычаг; 3 — груз; 4 — разделительная мембрана При изменении уровня изменяется усилие, с которым буек действует на рычаг. Небаланс сил приводит к смещению рычага и сердечника дифференциально- трансформаторного преобразователя, выполняющего функцию индикатора рассогласования ИР. Его выходной сигнал поступает на усилитель У, выходной токовый сигнал которого Iвых поступает на выход прибора и в устройство обратной связи УОС. Последнее представляет собой электросиловой преобразователь, который развивает усилие, устраняющее небаланс сил. Уровнемеры УБ предназначены для измерения уровня невязких и вязких, невыпадающих в осадок, не кристаллизующихся сред при давлении — (4...16) МПа и температурах от -200 до 200 °С, плотность среды (600...2500) кг/м3. Верхние пределы измерений выбираются из ряда от 0,02 до 16 м. Емкостные, индуктивные, радиоволновые, акустические, термокондуктометрические уровнемеры. Емкостные уровнемеры Емкостными называются уровнемеры, основанные на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от ее уровня. Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие, удельное сопротивление ρ < 106 Ом·м и диэлектрическую проницаемость > 7. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы. Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней. В качестве электрода может использоваться металлическая стенка сосуда. Часто применяются цилиндрические электроды, обладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей технологичностью, лучшей помехоустойчивостью и обеспечивающие большую жесткость конструкции. Конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня, изображен на рис. 7, а. Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором 4. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой Н заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой (Н — h) ее парами. Рис. 7. Схема конденсаторного преобразователя уровня для неэлектропроводных сред: 1, 2 — электроды; 3 — резервуар: 4 — изолятор В общем виде емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением C=2πεε0H/ln(d2/d1), где ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н — высота электродов; d2, d1 — диаметры внутреннего и наружного электродов. На основании вышепредложенного уравнения легко записать выражения для емкости С1 части преобразователя, находящейся в жидкости, и для емкости С2 части, находящейся в газовом пространстве: C1=2πεжε0h/ln(d2/d1), C2=2πεгε0(H-h)/ln(d2/d1), где εж и εг — относительные диэлектрические проницаемости жидкости и газа над ней. Суммарное выходное сопротивление преобразователя, кроме емкостей С1 и С2, определяется также емкостью Си, проходного изолятора и его активным сопротивлением, а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля. Таким образом, электрическая схема преобразователя имеет вид, изображенный на рис. 7, б. Суммарная емкость преобразователя Спр = С1 + С2 + Си. Если резервуар неметаллический, то в жидкость устанавливается металлический неизолированный стержень, выполняющий роль второго электрода. На рис. 8, а изображена схема преобразователя, выполненного в виде стержня (электрода) 1, покрытого слоем изоляции 2 и погруженного в металлический резервуар 3. Если пренебречь диэлектрической проницаемостью газов над жидкостью по сравнению с диэлектрической проницаемостью изоляции электрода, то электрическую схему преобразователя можно представить в виде, изображенном на рис. 8, б. Зависящую от уровня емкость преобразователя можно представить как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов С1 и С2. Параметр С1 — емкость конденсатора, обкладками которого являются поверхность электрода 1 и поверхность электропроводной жидкости на границе с изолятором 2. Диэлектриком этого конденсатора является материал изолятора. При увеличении h увеличивается площадь обкладки — поверхность жидкости, что ведет к увеличению С1. Параметр С2 — емкость конденсатора, одной обкладкой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором 2 (общая с обкладкой конденсатора С1), второй — поверхность резервуара 3. С увеличением h емкость С2 также растет. Рис. 8. Схема конденсаторного преобразователя уровня для электропроводящих жидкостей: 1 — стержень (электрод); 2 — изоляция; 3 — резервуар Емкостные уровнемеры получили широкое распространение особенно в качестве сигнализаторов из-за дешевизны, простоты обслуживания, удобства монтажа первичного преобразователя, отсутствия подвижных элементов возможности использования в широком интервале температур и давлений. Большим достоинством является нечувствительность к сильным магнитным полям, возможности использования в широком интервале температур (от криогенных до 500 °С) и давлений. К числу недостатков следует отнести непригодность для измерения уровня вязких, пленкообразующих, кристаллизующихся жидкостей и содержащих примеси, выпадающие в осадок, высокую чувствительность к изменению электрических свойств жидкости и изменению емкости кабеля, соединяющего первичный преобразователь с измерительным прибором. Последний недостаток устраняется при размещении электронной части в головке преобразователя. В этом случае емкостной стержневой преобразователь напоминает термопреобразователь. Индуктивные уровнемеры Принцип действия индуктивных уровнемеров основан на зависимости индуктивности одиночной катушки или взаимной индуктивности двух катушек от глубины их погружения в электропроводную жидкость. Такая зависимость обусловлена возникновением в жидкости под воздействием магнитного поля переменного тока возбуждения вихревых токов, магнитное поле которых оказывает размагничивающее действие на поле тока возбуждения. Действительно, по определению индуктивность L катушки представляет собой отношение магнитного потока Ф к току I, создающему этот поток: L = Ф/I. При погружении катушки в жидкость в ней создаются вихревые токи, магнитное поле которых по закону Ленца направлено навстречу основному, т.е. результирующий магнитный поток будет меньше потока «сухой» катушки. Это означает, что индуктивность погруженной катушки меньше индуктивности сухой катушки. Таким образом, если индуктивный преобразователь представляет собой одиночную длинную катушку, то ее индуктивность и полное сопротивление будут зависеть от глубины погружения. Существуют индуктивные преобразователи, содержащие две индуктивно связанные катушки, образующие трансформатор (трансформаторные преобразователи). При изменении индуктивностей обеих катушек изменяется их взаимная индуктивность М Из принципа действия уровнемеров видно, что они пригодны для измерения уровня только электропроводных сред. Кроме того, поскольку интенсивность вихревых токов зависит от электропроводности среды, ее изменение в процессе измерения вызовет появление дополнительной погрешности. Эти уровнемеры получили наибольшее распространение для измерения уровня жидкометаллического теплоносителя в энергетических установках. Простейшая схема индуктивного трансформаторного преобразователя представлена на рис. 9, а. Преобразователь состоит из обмотки возбуждения 1, по которой протекает переменный ток возбуждения Iв, и вторичной обмотки 2, с которой снимается выходной сигнал Uвых. Преобразователь помещен в металлический защитный чехол 3, который герметично закреплен в крышке резервуара. Это позволяет осуществлять замену уровнемера без нарушения герметичности контура. Как уже указывалось, под действием потока возбуждения в толще контролируемой среды (например, жидкого металла) возникают вихревые токи. Это приводит к зависимости взаимной индуктивности М между обмотками от уровня металла. Эта зависимость линейна по всей дли не обмоток, кроме концевых участков, длиной, равной их диаметру, где характеристика искривляется. Рис. 9. Схема индуктивного трансформаторного преобразователя уровня: а—аналогового уровнемера; 1 — обмотка возбуждения; 2 — вторичная обмотка; 3 — металлический защитный чехол; б — сигнализатора предельных значений уровня Таким образом, ЭДС во вторичной обмотке, а следовательно, и выходное напряжение будут линейно зависеть от уровня. Из рис. 9, а видно, что взаимодействие полей возбуждения и вихревых токов осуществляется через металлический защитный чехол, который ослабляет поля и, следовательно, ухудшает чувствительность преобразователя, причем экранирующее действие чехла увеличивается с ростом частоты тока возбуждения. Основной недостаток трансформаторных преобразователей уровня — влияние изменения температуры контролируемой среды на результат измерения. Это влияние обусловлено изменением активного сопротивления обмоток в зависимости от изменения температуры и изменением их индуктивности в связи с линейным расширением провода, а также изменением проводимости чехла и контролируемой среды. Кроме того, на результат измерения будут оказывать влияние изменения состава среды, а также изменение со временем свойств материалов чехла. При измерении уровня жидких металлов влияние будет оказывать также наличие на чехле пленки расплава или пленки оксидов. Автоматическая компенсация этих погрешностей представляет собой трудную задачу из-за сложности измерения влияющих величин и сложного характера влияния их на погрешность. Преобразователи трансформаторного типа удобно использовать в качестве сигнализаторов предельных значений уровня. В этом случае преобразователь состоит из двух отдельных коротких трансформаторов, разнесенных на расстояние, равное разности верхнего и нижнего уровней (рис. 9, б). Первичные обмотки трансформаторов включены последовательно и питаются от одного источника. Вторичные обмотки включены встречно, и разностный сигнал идет в схему сигнализации. Срабатывание схемы аварийной сигнализации происходит при нулевом значении выходного напряжения, т.е. если ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов будут равными. Очевидно, что это будет в том случае, если оба трансформатора окажутся одновременно либо ниже уровня (т.е. когда уровень достигнет верхнего аварийного значения), либо выше уровня (когда уровень достигнет нижнего аварийного значения). При промежуточных значениях уровня срабатывания схемы сигнализации не происходит. Перечисленные факторы оказывают меньшее влияние на работу индуктивных уровнемеров дискретного действия. В таких уровнемерах фиксируется достижение определенных значений уровня, т.е. указатель переместится на соседнюю отметку только при изменении уровня на определенное значение — шаг дискретности. Преобразователь дискретного уровнемера представляет собой ряд коротких катушек индуктивности 1, помещенных в виде столба внутри металлического чехла 2, отделяющего катушки от среды (рис. 10). Как уже указывалось, индуктивность катушки зависит от глубины ее погружения в среду, поэтому индуктивность и комплексное сопротивление катушки, расположенной ниже уровня, имеет другое значение, чем катушки, расположенной выше уровня. В головке преобразователя 3 располагаются вспомогательные катушки, индуктивность которых от уровня не зависит. Все рабочие 1, 2, 3, ..., n и вспомогательные катушки включены в следящую логическую схему, которая отыскивает первую сверху катушку, расположенную ниже уровня. Это дает возможность судить о положении уровня, если известны размеры катушек и их положение относительно дна резервуара. Рис. 10. Схема индуктивного преобразователя дискретных уровнемеров: 1 — катушки индуктивности; 2 — металлический чехол; 3 — головка преобразователя Радиоволновые уровнемеры Существуют технологические процессы, требующие измерения уровня, но характеризующиеся тяжелыми условиями работы уровнемеров. К числу таких процессов относятся, например, процессы металлургического производства, в которых требуется измерение уровня жидкого металла. Особые условия работы уровнемеров обусловлены высокой температурой жидкого металла, агрессивностью жидкого металла и шлака, разнообразием конструкций объектов измерения, требуемой высокой точностью измерения и надежностью работы. Перспективным методом измерения уровня является радиоволновой метод. Радиоволновыми называются уровнемеры, основанные на зависимости параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости. К радиоволновым методам относятся радиолокационный, радиоинтерферационный, эндовибраторный и резонансный. Работа радиолокационных уровнемеров основывается на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами. Схема уровнемера (рис. 11) состоит из излучателя 1, приемника электромагнитной энергии 2 и преобразователя 3 измерения интервала времени. Уровень h определяется измерением временного интервала между моментом посылки сигнала излучателем 1 и приходом отраженного сигнала на приемник 2. Обычно локация ведется через газовую среду над жидкостью (в принципе локация может осуществляться и через жидкость, если она неэлектропроводная). Локация через газ предпочтительнее, так как излучатели не подвергаются воздействию жидкости. Кроме того, магнитные и диэлектрические проницаемости газов невелики и практически не зависят от изменения параметров и свойств газа. Это делает показания уровнемера практически не зависящими от свойств жидкости. Недостатком таких уровнемеров является трудность точного измерения малых интервалов времени. Они чувствительны к нахождению в зоне излучения посторонних предметов, например металлических стенок емкостей. Для устранения этого недостатка необходимо применить узконаправленное излучение с помощью рупорных антенн. Рис. 11. Схема радиолокационного уровнемера: 1 — излучатель; 2 — приемник электромагнитной энергии; 3 — преобразователь измерения интервала времени Существуют схемы радиолокационных уровнемеров, в которых локация осуществляется через стенку рабочей емкости. Применительно к металлургическому производству таким образом можно контролировать границу раздела шлак — металл либо осуществлять непрерывное измерение уровня. Акустические уровнемеры По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные. В локационных уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость — газ, в связи с чем они получили название ультразвуковых. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа. В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня. Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью, либо снизу через слой жидкости. Недостатком первого типа уровнемеров являются погрешность от зависимости скорости звука от давления и температуры газа и сильное поглощение ультразвука газом, что требует большей мощности источника, чем при локации через жидкость. Однако на показания таких уровнемеров не сказываются изменения характеристик жидкости, поэтому они могут быть использованы для измерения уровня жидкостей неоднородных, содержащих пузырьки газа или кристаллизующихся. Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании. Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука. Упрощенная схема акустического уровнемера с локацией уровня со стороны газа ЭХО-1 представлена на рис. 12. Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, заключенный в акустический преобразователь 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом в результате подачи на него электрических импульсов от генератора 2. Одновременно генератор включает схему измерения времени 4. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t. Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0...5 мА, измеряемый вторичным прибором 6. Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термопреобразователъ сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя. Рис. 12. Упрощенная схема акустического уровнемера: 1 ·— акустический преобразователь; 2 —генератор; 3 — усилитель; 4 — схема измерения времени; 5 — преобразователь; 6 — вторичный прибор; 7 — блок температурной компенсации Термокондуктометрические уровнемеры Термокондуктометрическими называются уровнемеры, элементом электрической цепи которых является нагреваемый током резистор с большим температурным коэффициентом электросопротивления, электрическое сопротивление которого зависит от уровня жидкости. Принцип действия таких уровнемеров основан на различии условий теплообмена в жидкостях и газах. Чувствительный элемент таких уровнемеров представляет собой протяженный терморезистор, электрическое сопротивление которого определяется его температурой, причем чувствительность преобразователя увеличивается с ростом температурного коэффициента электросопротивления материала. Термокондуктометрический преобразователь помещается в резервуар таким образом, что часть его находится в жидкости, остальная часть — в газовом пространстве (рис. 13). При изменении уровня изменяется длина этих участков. Так как в общем случае температура жидкости и ее паров может быть одинаковой, то происходит подогрев преобразователя. Прямой подогрев осуществляется проходящим через преобразователь током постоянной силы. При косвенном подогреве преобразователь должен иметь дополнительный подогреватель. Рис. 13. Схема термокондуктометрического преобразователя уровня Принцип действия термокондуктометрического преобразователя заключается в использовании различия теплоотдачи от нагретого терморезистора к жидкости и газу, вследствие чего участки его, находящиеся в жидкости и газе, имеют различную температуру и, следовательно, различное сопротивление. Таким образом, суммарное их сопротивление будет определяться уровнем. Термокондуктометрические преобразователи обычно изготавливают в виде тонкой проволоки со специальным защитным покрытием, закрепленной на каркасе. Измерение уровня сыпучих материалов Измерение уровня сыпучих материалов Имеется ряд обстоятельств, усложняющих задачу измерения уровня сыпучих материалов по сравнению с измерением уровня жидкостей. Прежде всего, это неоднородность веществ в объеме, связанная с наличием пространства между твердыми частицами, заполненного газом. Степень неоднородности зависит от размеров частиц и непосредственно влияет на физические свойства материала, что усложняет применение методов измерения уровня, использующих определенные физические свойства. Следующая трудность измерения уровня обусловлена ограниченной подвижностью частиц из-за действия сил трения и сцепления между частицами, результатом чего является отсутствие горизонтальной плоскости раздела газ — материал. Отрицательными качествами сыпучих материалов является способность к налипанию и абразивное воздействие. Усложнить работу уровнемеров может также запыленность газового пространства, что влияет на электрические свойства среды, а также предъявляет повышенные требования к обеспечению взрывобезопасности. Простейшими по принципу действия уровнемерами для сыпучих материалов являются массовые, основанные на взвешивании бункера вместе с заполняющим его материалом. В качестве преобразователя в этих уровнемерах может быть использована гидравлическая мессдоза, которая служит опорой одной из лап бункера. Мессдоза представляет собой стальной корпус с поршнем, на который опирается лапа бункера. Поршень давит на герметизирующую металлическую мембрану. Внутренняя полость корпуса (под мембраной) заполнена жидкостью и соединена с манометром. Давление жидкости в системе мессдоза-манометр равно силе тяжести бункера с материалом, деленной на площадь поршня. Манометр градуируется в единицах массы или уровня. Из всех электрических методов измерения уровня наиболее применимым является емкостный метод. Это объясняется как простотой конструкции емкостного преобразователя, так и малой чувствительностью их к неоднородностям. Как правило, преобразователи применяются одноэлектродными в виде зондов или изолированных тросов, вторым электродом является стенка бункера или вспомогательный электрод. Основной недостаток таких уровнемеров — разрушение изоляционного покрытия преобразователя, налипание материала, зависимость показаний от изменения электрических свойств материала, вызванного, например, изменением его состава или влажности. Специфическим уровнемером для сыпучих материалов является лотовый (рис. 14). Чувствительным элементом таких уровнемеров представляет массивное тело — лот 1, подвешенное на гибком тросе 2. В начале цикла измерений лот зафиксирован в предельном верхнем положении. Цикл измерения уровня начинается с момента растормаживания лота, при этом под действием собственного веса лот начинает опускаться. В этот же момент сигнальным устройством 3, реагирующим на натяжение троса, включается отсчетное устройство 4, регистрирующее смещение лота относительно первоначального предельного положения. В момент касания лотом поверхности натяжение троса уменьшается и сигнальное устройство отключает отсчетное устройство, одновременно включая механизм подъема лота 5, возвращающее лот в исходное положение, после чего цикл измерения повторяется. Показания отсчетного устройства позволяют определить текущее значение уровня. Перед началом следующего цикла измерения показания отсчетного устройства должны быть сброшены. Рис. 14. Схема лотового уровнемера сыпучих материалов: 1 — лот; 2 — гибкий трос; 3 — сигнальное устройство; 4 — отсчетное устройство; 5 — механизм подъема Для сигнализации загрузки или опорожнения бункеров применяются сигнализаторы уровня. Среди сигнализаторов уровня электропроводных материалов наиболее простыми являются кондуктометрические. Принцип действия таких сигнализаторов заключается в замыкании электрической цепи «стенка бункера—материал — электрод» при касании поверхностью материала электрода. Основные недостатки при эксплуатации: механическое разрушение электродов под действием материала, возможность ложных срабатываний из-за утечек через запыленную среду (обычно во избежание этого на электроды устанавливают охранные кольца). Надежная работа обеспечивается сигнализаторами, установленными в местах, где исключена возможность образования пустот. В качестве сигнализаторов уровня используются емкостные сигнализаторы с резонансной схемой измерения. В таких устройствах емкостной преобразователь, образованный электродом и стенкой бункера или двумя электродами, совместно с катушкой индуктивности образуют колебательный контур. На него от высокочастотного генератора подается напряжение постоянной амплитуды фиксированной частоты, близкой к резонансной частоте контура при отсутствии среды в зоне чувствительного элемента. В этом случае с контура снимается сигнал максимальной амплитуды. Появление контролируемой среды в зоне чувствительного элемента вызывает изменение емкости, что приводит к изменению резонансной частоты вызывает уменьшение амплитуды снимаемого с контура сигнала в соответствии с его амплитудно-частотной характеристикой. При определенной амплитуде снимаемого сигнала срабатывает выходное реле.