Материал: Конечный вариант

43. Основные понятия теории измерений, погрешности.

Измерение есть нахождение значения физической величины при помощи технических средств, предназначенных для этой цели. Технические средства принято делить на три группы: меры, измерительные приборы, и измерительные преобразователи. Мера воспроизводит физическую величину (линейкой измеряем длину), измерительный прибор выдает информацию в форме удобной для восприятия человека, (все измерительные приборы имеют шкалу), измерительный преобразователь преобразует измененную физическую величину в промежуточную форму, не воспринимаемую непосредственно человеком. Измерения бывают прямые, при которых результат получается непосредственно, (длина измеряется линейкой), и косвенные, основанные на известной зависимости между искомой величиной и непосредственно измеряемыми величинами, и совместные измерения, при которых измеряют 2 и более разноименных величин с целью отыскания зависимости между ними. Различают также абсолютные и относительные измерения. К первым относят косвенные измерения, основанные на измерении одной или нескольких величин и использовании фундаментальных физических постоянных, через которые измеряемая величина может быть выражена. Под относительным измерением понимают, либо отношение величины к одноименной величине, играющей роль произвольной величины, либо изменение величины относительно другой, принимаемую за исходную. Методы измерения подразделяют на: линейные (длина, площадь, объем), механические (сила, давление), электрические (сила тока, напряжение). Наиболее часто в автоматике применяются измерения не электрических величин (первичный преобразователь). Всякое измерение неизбежно связано с погрешностями. Погрешности, порожденные несовершенством метода (неточная градуировка, неправильная установка или применяемого измерителя) называются систематическими. Систематические погрешности исключают введением поправок, найденных экспериментально. Погрешности другого вида – случайные – обусловлены влиянием на результат измерения неконтролируемых факторов (колебания, температура, вибрация и т.д.). Случайные погрешности оцениваются методами математической статистики по данным многократных измерений. В некоторых случаях, особенно часто встречающихся при измерении концентрированных потоков энергии, имеет место разброс результатов измерения, который связан не только с погрешностями аппаратуры, но и с характером измеряемых объектов. ПРИМЕР. Если пучок электронов пропустить через щель дифракционной решетки, то электроны с определенной вероятностью попадут в разные точки поставленного за решеткой экрана. Кроме погрешности измерений различают погрешности средств измерений. Это отклонения метрологических свойств или параметров средств измерений от номинальных, влияющие на погрешности результатов измерений, получаемых при помощи этих средств.

Погрешности средств измерений выражают в форме абсолютных , где x измеряемое значение параметра; x₀ истинное значение, относительных, выраженных в % и приведенных погрешностей, выраженных в процентах , где x_max и x_min – max и min значения измеряемой величины. Максимальная приведенная погрешность называется классом точности. С развитием науки и техники возникла еще одна важная проблема – автоматизация измерений. В современном производстве особенно в условиях высоких скоростей, давлений, температур, что имеет место при обработке КПЭ, непосредственное соединение измерительного устройства с регулирующими устройствами, исключает участие человека и позволяет перейти к наиболее совершенной форме производства – автоматизированному производству. В связи с автоматизацией производства на базе ЦВМ наметился повсеместный переход к цифровым методам измерения и внедрение во все средства методов логической и математической обработки измерительной информации. Одним из основных элементов автоматических систем является чувствительные элементы и датчики. Они предназначены для измерения и контроля различных физических величин и параметров производственных процессов: температура, давление, плотность, сила тока, толщина пленки, динамической силы с которой сталкиваются молекулы. Как правило, чувствительный элемент реагирует на изменение параметра и преобразует его в вид, удобный для дальнейшего применения в автоматической системе. В большинстве случаев требуется измерение не электрической величины и представление результата в виде электрического сигнала.

44. Виды датчиков, их сигналы, характеристики.

Одним из основных элементов автоматических систем является чувствительные элементы и датчики. Они предназначены для измерения и контроля различных физических величин и параметров производственных процессов: температура, давление, плотность, сила тока, толщина пленки, динамической силы с которой сталкиваются молекулы.

В автоматических устройствах измерительные средства, как правило, осуществляют преобразование измеряемой физической величины в электрическую величину с помощью измерительных преобразователей (ИП).

Потенциометры - сопротивления регул или измер. Преимущества:простота, линейность.

Реостатные датчики сущ-т когда перем вручную и задают напр для автоматизации. Премущ: прост в использовании

Тензометрические датчики – сопротивл при помощи ктр измер силы и деформации

Тензодатчик – проволка из манганита, не окисляется

Сечение ум-ся под действ Р и при ув-ии R

Индуктивные датчики. Осн на изменении индуктив сопротивл измерит катушки в рез-те перемещ якоря

Сост из магнитопровода 1, якоря и катушки. При подаче напр на катушку созд магнитный поток, ктр замыкается через якорь, преодолевая возд зазор Δ. При перемещ якоря возд зазор меняется, что приводит к изменению возд сопротивл Z в цепи катушки, ктр пропорциональна изменению зазора между якорем и магнитопроводом.

Емкостные датчики сост из 2 обкладок, между ктр подается напр.

Магнитоупругие датчики (измер усилий)

Выдают аналоговый сигнал по мере созд давления

Пьезоэл датчики (актив датчики)

При возд на датчик к-л усилием на пьезокристалле возникает разряд. Пьезодатчик – частотный датчик.

Фотоэлектрические датчики. Реагируют на изм светового потока, относ к генераторным датчикам, делят на:1 датчики с внешним фотоэф (пучок света генерир ЭДС на пластинке)2 датчики с внутренним фотоэф (измерение фотосопротивл)3 датчики с запир-щим свойством (набор пластин из полупроводн мат-ла, на который воздействует световой поток)

Датчики – техногенераторы (измеряют скорость, угл скорость). Эл машина, которая выдает напряжение при вращении. Терморезистор (измерение температуры) под действием температуры изм-ся сопротивление терморезистора. Термоэлектрические датчики. Термопары – спай двух Ме. Под действием в цепи этих двух Ме появляется ЭДС. (Хромель – капель или хромкапелевая пара). Пирометры (изм температуры). Под действием ИК луча на чувствительном элементе возникает сигнал (бесконтактн). Ионизационные датчики (изм вакуума). В зависимости от степени вакуума пар становится проводником в колбе датчика при ионизации. Струйные датчики представляет собой струну, на которой прикл лопатка, на которую действует поток электронов, и струна начин закручиваться. Угол поворота лопатки характеризует давление потока электронов. Синуснокосинусные трансформаторы. Статорная и роторная обмотки разъединены. Исп в измеряемых схемах при измер наклепа. Сельсины – предназначены для передачи угла поворота.

45. Электрический уравновешанный мост

Контроль, каких - либо параметров т/п, либо готового изделия не мыслим без измерения. При этом необходимо измерять не электрич. величину. Если учесть, что речь идет об авт.контроле, то наиболее удобно не электрич. величину преобразовывать в электрическую, которую затем измерить.

Существующие методы электрических измерений делятся на 2 класса: непосредственной оценки и сравнения.

1. сравнительно прост, но ему свойственны значит. погрешности (при изменении напряжения питания).

2. обеспечивает более высокие точности и чувствительность. При этом наиболее широко исп-ся мостовые схемы измерения, которые часто исп-ся не только для измерения, но и для регулирования и поэтому они заслуживают специального рассмотрения.

Основу измерит. схемы таких устройств составляет одинарный уравновешенный мост постоянного или переменного тока. R₁, R₂, R₁, R_x – плечи;ABCD – вершины;AB, CD – диагонали.

В диаг. АВ включен источник напряжения, а в диаг. СД нуль индикатор. Усл-е равновесия моста без учета сопр-ий соединит. проводов -сила тока в диагонали СD равна 0.

и следовательно где Т.о., по можно судить о , т.е. регулируя можно добиться равновесия моста и в конечном итоге измерить . Схема электронного автоматического моста. Измер. (изменяющее) сопр-ие R_X включено в плечо AD.

Изм-е сопр-я R_X приводит к изменению сигнала, снимаемого с измерительной диагонали СD, который подается на вход фазочувст-го усилителя. Усиленный сигнал поступает на реверсивный двигатель( РД), который посредством механич. Сист. перемещает движок R_P до тех пор, пока мост не придет к равновесию, после чего вал РД останавливается.

Т.о., перемещение движка Д компенсирует изменение сопротивления R_X и определяет величину этого изменения.Электронные авт. мостовые схемы прим-ся для измерения и авт. регулирования различных техн. Пар-ов, измерения которых с помощью датчиков может быть преобразовано в соотв. изменение напряжения.

46. Резистивный реостатный чэ.

Омическое сопротивление проводника, обладающего длиной l, площадью сечения q и удельным сопротивлением материала , определяется по известной формуле 

R = l/q,

Как видно, изменение сопротивления может быть вызвано изменением удельного сопротивления, длины или площади сечения проводника. Все три возможности используют в конструкциях чувствительных элементов.

52.Резистивный ЧЭ для измерения влажности

Резистивные чувствительные элементы

Резистивные ЧЭ относятся к пассивным и преобразуют внешние воздействия в изменение сопротивления, определяемого по формуле:

,

где ρ, l, S – удельное электросопротивление, длина и сечение проводника соответственно.

Удельное сопротивление ρ зависит от изменения температуры:

,

где ρ₀ – удельное сопротивление при эталонной температуре (обычно 25 ˚C).

Для построения резистивных датчиков температуры используются термисторы, платиновые и медные чувствительные элементы.

При механическом напряжении металлической нити ее сопротивление изменяется, т.к. при удлинении нити её площадь поперечного сечения уменьшается при постоянном объеме. Это свойство называется тензоэффектом.

Отношение называется тензочувствительностью, которая показывает, насколько относительное изменение сопротивления превосходит его относительную деформацию.

Использование тензоэлементов в датчиках основано на законе Гука:

,

где σ, Е – напряжение и модуль Юнга соответственно.

После преобразования получим:

,

где К – постоянный коэффициент.

Удельное сопротивление резисторов, выполненных из гигроскопичных материалов, зависит от количества влаги, поглощаемой им. Такие резисторы называют гигристорами и они используются в датчиках влажности.

При попадании на поверхность материала света изменяется удельное сопротивление материала. Это свойство называется фотоэффектом. Явление фотоэффекта используется в фоторезисторах, используемых в оптических датчиках.

Чувствительные элементы подразделяются на реостатные с большим изменением сопротивления и тензорезисторы с малым изменением сопротивления.

Реостатные ЧЭ преобразуют перемещение датчика, связанного с измеряемым объектом, в сопротивление R. Схема реостатного ЧЭ показана на рисунке 2.23.

Рис. 2.23. Реостатный проволочный ЧЭ с переменной высотой каркаса

На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего применяют провода из манганина, константана или фехраля. В очень ответственных случаях, когда требования к износостойкости контактной поверхности особенно высоки или когда контактные давления очень малы, применяют провод из сплава платины с иридием (90% Pt + 10% Ir). Добавка иридия к платине увеличивает твердость и прочность последней, повышает кислотоупорность, антикоррозийность и износостойкость. Удельное сопротивление этого сплава равно ρ = 0,23 мкОм·м. Платиноиридиевый провод выпускается весь малых диаметров (до 0,03 мм), что позволяет выполнять высокоомные (до нескольких тысяч омов) преобразователи массой всего 10-12 г и габаритов порядка 1 х 2 см. Хорошими параметрами обладают также преобразователи из проводов, изготовленных из сплавов платины с палладием, рубидием, рутением, осмием.

Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, либо слоем окислов, изолирующих соседние витки друг от друга.

Движок (щетка) выполняется либо из 2-3 проволок, изготовленных из сплава платины с иридием или из платины с бериллием, либо в виде пластинчатых щеток из серебра или фосфористой бронзы. В случае проволочных щеток контактное усилие должно быть порядка 0,003–0,005 Н, а в случае пластинчатых 0,05–0,1 Н. Контактная поверхность намотанного провода полируется, ширина контактной поверхности движка должна быть равна двум-трем диаметрам провода.

При работе реостатного преобразователя в условиях вибраций применяют щетки из проволок различной длины (от точки крепления до точки контактов) или из пластин с двумя-тремя надрезами. Этим обеспечивается разная собственная частота вибраций отдельных частей щетки.

Каркас реостатного преобразователя обычно выполняется из текстолита или пластмассы, применяются также каркасы из алюминия, покрытого или изоляционным лаком, или оксидной пленкой толщиной до 10 мкм, обладающей достаточно хорошими изоляционными свойствами. Алюминиевый каркас, сохраняя стабильность геометрических размеров, позволяет также за счет лучшей теплопроводности повысить плотность тока в обмотке и, следовательно, увеличить чувствительность преобразователя. Формы каркасов очень разнообразны: они могут быть в виде плоской или цилиндрической пластины, плоского или цилиндрического кольца, плоского сегмента и т.д.

Индуктивное и емкостное сопротивления реостатных преобразователей весьма малы, и их можно не принимать во внимание до частот порядка нескольких десятков тысяч герц.

В ряде случаев применяются функциональные реостатные преобразователи с нелинейным распределением сопротивления вдоль каркаса. Последнее достигается, например, изменением высоты каркаса, шунтированием части линейного реостата постоянными сопротивлениями, применением намотки с переменными шагом, намотки отдельных участков каркаса проводами разного диаметра или проводами с разными удельными сопротивлениями.

При работе реостатного ЧЭ возникает контактный шум, вызванный нестабильностью контактного сопротивления, который растет вследствие износа, загрязнения и окисления дорожки и щетки.

Реостатные ЧЭ характеризуются сопротивлением R = 0,2 ÷ 0220 кОм, мощностью P = 0,5 ÷ 0,2 Вт, погрешностью δ = (0,01 ÷ 0,3) %.

Применяются реостатные ЧЭ в датчиках положения и перемещения.

Тензорезисторы преобразуют механическую деформацию в малое изменение сопротивления. Внешний вид тензорезисторов показан на рисунке 2.24.

Рис. 2.24. Проволочный и фольговый тензорезисторы

На тонкую бумагу или пленку 1 наклеивается тензочувствительная проволока диаметром около 0,025 мм. К концам проволоки присоединяются выводные проводники 3. Сверху наносят слой лака 4.

Такой тензорезистор, будучи прикрепленным к тензодетали 5, воспринимает деформации её поверхностного слоя.

Разновидность тензорезисторов – фольговые – представляют собой травленую фольгу толщиной 0,005-0,025 мм с выводами 7.

Применяются также пленочные и полупроводниковые тензорезисторы. При изготовлении фольговых и пленочных тензорезисторов можно предусмотреть любой рисунок. Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают фольговые тензорезисторы, имеющие малую поперечную чувствительность и хорошую температурную стабильность. Полупроводниковые тензорезисторы при очень большой тензочувствительности (около 100) обладают нелинейной функцией преобразования и высокой температурной чувствительностью.

Сравнительная характеристика тензорезисторных ЧЭ дана в таблице 2.2.