Виды и средства измерений

Первичные измерительные преобразователи - это средства преобразования измеряемой физической величины в сигнал измерительной информации.

Преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные.

В параметрических преобразователях выходная величина представляет собой изменение какого-либо параметра электрической цепи (например, термометры сопротивления).

В генераторных преобразователях измеряется ЭДС, ток или заряд, генерируемый вследствие воздействия измеряемой величины (например, термоэлектрические преобразователи).

Также существует большой класс преобразователей, в которых входная величина воздействует на упругий элемент, а его деформация преобразуется в измерительный сигнал. Для таких преобразователей одной из важнейших характеристик является инерционность, т.е. насколько быстро происходит деформация элемента. Для особо точных приборов используют кристалический материал.

 

1) Резистивные преобразователи - это параметрические преобразователи, выходной величиной которых является сопротивление. Изменение сопротивлений может вызываться механическими, тепловыми, световыми и магнитными воздействиями.

 

2) Потенциометрический преобразователь - представляет собой реостат, движок которого перемещается под воздействием измеряемой величины. Область применения регулирующего органа - измерение линейных и угловых перемещений, в уровнемерах.

К достоинствам можно отнести большой выходной сигнал, стабильность метрологических характеристик, незначительная температурная погрешность.

Недостаток - узкий частотный диапазон.

 

3)Тензоризисторы - представляют собой зигзагообразно изогнутую проволоку или фольгу, приклеенную к подложке. В таком виде элемент способен воспринимать деформации деталей.

Недостатки данного вида преобразователей - высокая погрешность при отсутствии градуировки и малый выходной сигнал. При измерениях малых деформаций используют полупроводниковые тензорезисторы, т.е. это выращенные кристаллы кремния или сапфира на подложке.

Достоинства:

ü малая деформация упругих элементов

ü при колибровке погрешность порядка 0,5%

Особенность - могут воспринимать динамические деформации до 5000 Гц

 

4) Пьезоэлектрические преобразователи.

Принцип действия - возникновение заряда при деформации кристалла.

Достоинства:

· способны воспринимать сигнал с частотой до 200 кГц

· высокая надёжность

· малые габариты и масса

Недостатки:

· сложность измерения медленно изменяющихся величин

· сложность статической градуировки

 

5) Электростатические преобразователи.

1) Характеристика - ёмкость. Параметрический режим.

2) Можно использовать данные датчики в генераторном режиме. Характеристика - ЭДС.

Достоинства:

· отсутствие шумов

· отсутствие самонагрева

Недостаток - подвержены внешним наводкам.

 

6) Индуктивные преобразователи.

Выходной сигнал - это изменение индукции. Источником сигнала является перемещение одного из элементов, приводящее к изменению магнитного сопротивления цепи.

Эти датчики могут работать как в параметрическом (индуктивность), так и в генераторном (ЭДС) режимах.

Достоинства:

· линейность характеристик

· высокая чувствительность

· малая зависимость выходного сигнала от внешних воздействий (устойчивы к ударам, температурам)

Недостатки:

· малый уровень выходного сигнала

· необходимость в питающем напряжении повышенной частоты

 

7) Вибрационно-частотные преобразователи.

Принцип основан на изменении собственной частоты струны или перемычки при её деформации.

Достоинства:

· возможность измерения статических или медленноизменяющихся величин (до 150 Гц);

· высокая точность;

· повышенная помехоустойчивость.

Недостатки:

· сложность

· чувствительность к направленности

 

8) Оптоэлектрические преобразователи.

Основаны на преобразовании излучений в электрический сигнал.

Основные типы приёмников:

· фотоэлектрические(преобразует в достаточно широком диапазоне длин волн, но нужна достаточно точная колибровка)

· вакуумные фотоэлементы (чувствительны в узком диапазоне волн)

· фотоумножительные элементы

Достоинства:

· высокая чувствительность

· крайне низка инерционность, т.к. свет распространяется с большой скоростью

Недостатки:

· сложность конструкции

· чувствительны к механическим воздействиям

 

Измерение давления

Различают полное и статическое давление. Для измерений используют специальные приёмники. Приёмники с помощью трубок малого диаметра соединяются с преобразователями или приборами.

Приёмник полного давления:

1 - приёмная трубка

2 - направляющая втулка

С - поток

Позволяет применять приёмник при отклонении потока до 45°.

Достоинства:

· погрешность не более 1%;

· угол закрутки потока до 45°;

· числа Маха до 0,8.

Недостатки:

· необходимо погружать приёмник в поток.

При измерении статических давлений достаточно выполнения отверстия в стенке корпуса.

Достоинства:

· малый диаметр отверстия (достаточно до 1 мм);

· простота монтажа преобразователя и измерительного устройства.

Недостатки:

· на поверхности не должно быть неровностей;

· кромки отверстий не должны иметь заусенец.

 

Существенно сложнее статическое измерение давления потока. Применяют клиновые или дисковые приёмники.

Клиновой   Дисковый  

 

Конструкция трубка в трубке. Принимает импульсы полного и статического давления.

 

 

Ориентируемые и неориентируемые зонды.

 

Ориентируемый    

 

Достоинство ориентируемых зондов - простота конструкции.

Недостаток - необходимость поворотного механизма и уплотнения.

 

Неориентируемый    

 

Достоинство неориентируемых:

· нет необходимости в поворотных механизмах

· нет необходимости в уплотнении

Недостатки:

· высокая сложность конструкции

· большое количество импульсных трубок

· необходимость в математической обработки

Приборы для измерения:

· стрелочные деформационные

· жидкостные

· преобразователи различных типов

 

U-образный манометр.

В качестве жидкости используется подкрашенная вода.

Достоинства:

· простота конструкции;

· низкая цена;

· возможность сборки на месте;

· возможность измерять как положительные так и отрицательные давления (по отношению к атмосферному).

 

Жидкостный микроманометр.

Позволяет измерять отклонения давления на незначительную величину. В качестве жидкости может использоваться ртуть.

 

Манометр с чувствительным упругим элементом. Имеет упругий элемент. Является показывающим прибором.

Достоинства:

· надёжность;

· высокая точность;

· низкая стоимость.

Недостаток - невозможность регистрации сигнала.

Чаще всего такие манометры используют в качестве контрольных.

В основном преобразователи основаны на тензорезисторах.

 

Достоинства:

· взаимозаменяемость таких преобразователей;

· преобразователи могут быть любого типа;

· сигнал генерируется в виде, удобном для регистрации;

· высокий класс точности.

Недостатки:

· большие присоединительные размеры;

· необходимость внешнего питания;

· дороговизна.

 

Пьезоэлектрический преобразователь.

Генерируют ЭДС.

 

Достоинства:

· способны измерять величины, изменяющиеся с частотой до 100 кГц.

Недостатки:

· необходим усилитель сигнала;

· выходной сигнал не стандартизованный (в качестве параметра используется напряжение, а САУ использует силу тока);

· характеристика каждого преобразователя уникальна и необходимо закладывать индивидуальную характеристику.

 

Тарировка.

Наиболее простой и дешёвый метод - статическая тарировка на гидравлическом столе.

 

Недостаток - невозможность оттарировать пьезоэлектрический преобразователь.

 

Пневмокоммуникаторы.

 

Достоинство:

· необходим только 1 поверенный прибор;

· возможность измерять давление из нескольких точек.

Недостаток - измерять показания одновременно можно только в одной точке.