Материал: Изучение принципа действия и устройства датчиков для измерения уровня жидкости. методические указания к лабораторной работе. Скоробогатов В.С., Данилов Ю.М

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВА ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

МЕТОДИЧЕКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 14 по дисциплине «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» для студентов направления 12.03.01 «Приборостроение» (профиль «Приборостроение»)

очной и заочной форм обучения

Воронеж 2016

Составители: канд. физ.-мат. наук В.С. Скоробогатов, канд. техн. наук Ю.М. Данилов

УДК 678.029.983

Изучение принципа действия и устройства датчиков для измерения уровня жидкости: методические указания к лабораторной работе № 14 по дисциплине «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» для студентов направления 12.03.01 «Приборостроение» (профиль «Приборостроение») очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов. Воронеж, 2016. 27 с.

В работе изложены назначения, принципы действия, конструкции, условия эксплуатации, характеристики и области применения датчиков для измерения уровня жидкости, а также требования и рекомендации по подготовке и выполнению данной лабораторной работы.

Предназначены для студентов 3-4 курсов. Методические указания подготовлены в электронном

виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержатся в файле «Измерители уровня.pdf».

Табл. 1. Ил. 12. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. И.А. Новикова

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.В. Муратов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016

2

Лабораторная работа № 14

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВА ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Цель работы: Изучить принцип действия, устройство, области применения и характеристики датчиков для измерения уровня жидкости.

Задание: 1. При подготовке к лабораторной работе изучить основные понятия измерительной техники;

2.Изучить принципы действия, конструкции, условия эксплуатации, характеристики и области применения датчиков для измерения уровня жидкости;

3.Рассмотреть основные виды уровнемеров, применяемых в различных отраслях промышленности.

Впроцессе выполнения лабораторной работы студент должен уметь практически применять полученные знания и приобретенные навыки.

На выполнение лабораторной работы отводиться четыре часа. Перед лабораторным занятием студент должен самостоятельно выполнить домашнее задание в соответствии с данным методическим указанием.

Студент, явившийся на занятие, должен иметь методическое указание по данной лабораторной работе.

Вначале занятия преподаватель проверяет выполнение студентом домашнего задания и наличие заготовки отчета по данной лабораторной работе в его рабочей тетради.

1

2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ

При выполнении домашнего задания студент должен ознакомиться с основными принципами действия, устройством, назначением, характеристиками, условиями эксплуатации и областями применения датчиков для измерения уровня жидкости. Для этого необходимо воспользоваться литературой [1-5], а также изучить следующий материал.

2.1. Основные понятия измерительной техники

2.1.1. Электрические измерения неэлектрических величин

Измерения – единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Поэтому разработка новых машин, механизмов, аппаратов, а также непосредственное осуществление сложных технологических производственных процессов в современной промышленности связаны с необходимостью измерения многочисленных физических величин.

При этом число подлежащих измерению механических, тепловых, химических, оптических или акустических величин, т. е. так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, во много раз больше числа всех возможных электрических и магнитных величин. Поэтому измерение неэлектрических величин, достигло сейчас высокого развития и образует наиболее крупную и разветвлённую область современной измерительной техники, а производство приборов для измерения различных физических величин составляет основную часть приборостроительной промышленности.

2

До появления автоматических управляющих устройств потребителем измерительной информации на выходе измерительных приборов был лишь человек (экспериментатор, диспетчер, летчик и т. д.). Теперь же очень часто измерительная информация от приборов непосредственно поступает в автоматические управляющие устройства. В этих условиях господствующее положение при измерении любых физических величин заняли электрические средства измерений благодаря присущим им следующим преимуществам:

-исключительная простота изменения чувствительности

ввесьма широком диапазоне значений измеряемой величины, т. е. широкий амплитудный диапазон. Использование электроники позволяет в тысячи раз усиливать электрические сигналы, а, следовательно, в такое же число раз увеличивать чувствительность аппаратуры. Благодаря этому электрическими методами можно измерять такие величины, которые другими методами вообще не могут быть измерены;

-весьма малая инерционность электрической аппаратуры, т. е. широкий частотный диапазон. Это даст возможность измерять как медленно меняющийся, так и весьма быстро меняющиеся во времени величины с регистрацией их электронными средствами;

-возможность измерения на расстоянии, в недоступных местах, возможность централизации и одновременности измерения многочисленных и различных по своей природе величин, т. е. возможность создания комплексных измерительно-информационных систем (ИИС), возможность передачи результатов измерения на большие расстояния, математические обработки и использования их для управления (создания управляющих систем);

-возможность комплектования измерительных и обслуживаемых ими автоматических систем из блоков однотипной электрической аппаратуры, что имеет важнейшее значение для создания ИИС как для научного, так и для промышленного применения.

3

2.1.2. Основные понятия и определения измерительных преобразователей

Согласно стандартам, под измерением понимается нахождение опытным путем с помощью технических средств значений физической величины, которые выбираются из принятой шкалы значений.

Таким образом, в самом общем случае измерение представляет собой сравнение измеряемой величины с построенной тем или иным способом шкалой возможных размеров этой величины.

Понятие измерительного преобразователя в теории измерительной техники было распространено на область электрических измерений неэлектрических величин. В последующие годы это понятие стало использоваться во всех без исключения областях измерительной техники, став одним из основных исходных положений теории измерительной техники.

Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.

Применение измерительных преобразователей является единственным методом практического построения любых измерительных устройств, так как любое измерительное средство использует те или иные функциональные связи между входной и выходной величинами.

Это совершенно очевидно в относительно сложных измерительных устройствах (в приборах для электрических измерений неэлектрических величин, в телеизмерительных системах и т.п.). Однако, если понимать под функциональным преобразованием и масштабное преобразование в виде умножения на постоянный коэффициент, то это преобразование имеется в простейших измерительных устройствах, например, в микрометре, когда измеряемая длина отсчитывается по углу поворота микрометра, или в

4

штангенциркуле, когда вместо расстояния между губками штангенциркуля отсчитывается соответствующее расстояние по его шкале.

2.1.3. Измерительные преобразователи и структура измерительных устройств

Измерительный преобразователь – это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование.

На том же самом физическом принципе действия могут быть осуществлены и не измерительные, а энергетические преобразователи, предназначенные для преобразования потоков энергии. В отличие от измерительных эти преобразователи обычно называются силовыми (силовой трансформатор, силовой выпрямитель и т.д.). Главное требование к энергетическим преобразователям – высокое значение энергетического КПД, т.е. малые потери при передаче энергии. Основное же требование к измерительным преобразователям – точная передача информации т.е. минимальные потери информации, иначе говоря, минимальные погрешности.

Понятие «измерительный преобразователь» значительно более узкое, более конкретное, чем «измерительное преобразование», так как одно и тоже измерительное преобразование может выполняться целым рядом различных по принципу действия измерительных преобразователей.

Так, например, измерительное преобразование температуры t в механическом перемещении ∆l может быть выполнено целым рядом конкретных измерительных преобразователей, показанных на рис. 1. Это может быть ртутный термометр (рис. 1, а) или биметаллический элемент (рис 1, б), представляющий собой пластину, спаянную из двух

5

металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения α1 и α2 и изгибающиеся при изменении температуры. И, наконец, это же преобразование t →∆l может быть выполнено термопарой ТП, преобразующей температуру t в ЭДС Е, и милливольтметром, преобразующим Е в ∆l (рис. 1, в). Поэтому указание измерительного преобразования отвечает лишь на вопрос, что и во что нужно преобразовать, а указание конкретных измерительных преобразователей отвечает на вопрос о том, как это физически предполагается выполнить.

а) б) в) Рис. 1. Измерительные преобразователи:

а) ртутный термометр; б) биметаллический элемент; в) милливольтметр

Метод измерений, т.е. совокупность отдельных измерительных преобразований, необходимых для восприятия информации о размере измеряемой величины и преобразования ее в такую форму, которая необходима получателю информации, т.е. человеку или машине, наиболее кратко и наглядно можно изобразить в виде структурной схемы измерительного устройства, т. е. в виде схематического изображения совокупности измерительных преобразователей, осуществляющих все необходимые измерительные преобразования.

6

Составление структурной схемы измерительного прибора рассмотрим на примере рис. 2 и 3, где схематически показано устройство электрического прибора для измерения уровня бензина в баке автомобиля. Высота измеряемого уровня X воспринимается поплавком 1, который с помощью рычажной передачи 2 перемещает движок реостата R. Таким образом, эта часть устройства обеспечивает однозначную функциональную зависимость перемещения l от измеряемой величины X. Реостат с равномерной намоткой (реостатный измерительный преобразователь) дает однозначную зависимость R = φ(l). Электрическая измерительная цепь (при постоянстве напряжения Е источника питания и всех сопротивлений цепи, кроме сопротивления реостата) осуществляет однозначную зависимость тока l от сопротивления R. Поэтому шкала электроизмерительного прибора (указателя), по которой отсчитываются показания n, может быть градуирована непосредственно в значениях измеряемого уровня. Таким образом, все измерительные преобразования, используемые в уровнемере (рис. 2), могут быть изображены последовательной цепью

X→l→R→I→α→n

или представлены структурной схемой (рис. 3), где преобразование α→n есть снятие отсчета и регистрация показаний, производимые при использовании визуального указателя человеком-наблюдателем, а в регистрирующих приборах осуществляемые автоматически без участия человека. Приборы для измерений как электрических, так и неэлектрических величин конструктивно чаще всего разделяются на три самостоятельных узла: датчик, измерительное устройство и указатель (или регистратор), которые могут размещаться отдельно друг от друга и соединяются между собой лишь кабелем или другой линией связи.

7

Датчиком прибора для измерения той или иной величины называется конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объекта измерения.

Рис. 2. Устройство электрического прибора для измерения уровня бензина в баке автомобиля

Рис. 3. Структурная схема уровнемера

Требования и эксплуатационные условия на объекте измерения, как правило, более суровы (повышенная температура, вибрации, недостаток места и т. д.), чем в месте отсчета или регистрации. Поэтому непосредственно в точку пространства, в которой необходимо произвести измерение, помещается минимум измерительных преобразователей, которые могут воспринять информацию о значении измеряемой величины и преобразовать ее в вид, пригодный для

8