КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
2.6. Изменение силы методом уравновешивания 90 Метод основан на уравновешивании измеряемой силы силой, создаваемой обратным электромеханическим преобразователем, чаще всего магнитоэлектрическим, а также силой реакции, возникающей в динамической системе. К таким силам относятся центростремительная сила, сила инерции при колебательном движении, гироскопический момент. Перспективным способом создания высокоточных средств измерений больших сил (от 10 5 Н и более) является применение электродинамических обратных преобразователей силы со сверхпроводящими обмотками, которые позволяют воспроизводить силы до 10 7 …10 8 Н с погрешностью 0,02…0,05%. Гироскопический метод измерения сил основан на измерении угловой скорости прецессии рамки гироскопа, возникающей под воздействием гироскопического момента, уравновешивающего измеряемый момент или момент, создаваемый измеряемой силой. Этот метод уже нашел применение в весоизмерительной технике. Рисунок 2.7. Динамометр На рисунке 2.7 показано устройство динамометра, основанного на уравновешивании измеряемой силы центробежной силой. В силовоспринимающих цилиндрах 1 и 5, соединенных сильфоном 4, имеются конические выборки, в которых размещены 91 инерционные клиновидные массы 3, насажанные на ось двигателя 6 и способные перемещаться по направляющим 2. При воздействии измеряемой силы F Х происходит сближение инерционных масс, которое регистрируется датчиком перемещения 7. Сигнал датчика управляет двигателем, который раскручивает инерционные массы до тех пор, пока центробежная сила F Ц не уравновесит силу F Х с учетом угла клина. Для устранения сил трения применяются аэродинамический, гидродинамический или гидростатический подвесы. В установившемся режиме динамические явления не влияют на статическую силу уравновешивания. Измеряемая сила определяется из уравнения: cos 2 1 g m m ctg Ц К Ц X F F где – угол клиньев; – угол между вектором ускорения свободного падения g и осью чувствительности прибора; m К – масса клиньев; m Ц – масса верхнего цилиндра. Сила реакции однозначно определяется геометрией системы, массами клиньев и частотой их вращения. Таким образом, при неизменных параметрах измерительного устройства измеряемая сила F X определяется по частоте вращения двигателя. 92 3. ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ ТЕПЛОВЫХ ВЕЛИЧИН 3.1. Значение теплоэнергетических измерений Теплотехнические измерения служат для определения ряда физических величин, связанных с процессами выработки и потребления тепловой энергии топлива. Они включают определение как чисто тепловых величин (температуры, энтальпии, теплоты сгорания, теплопроводности и пр.), так и некоторых других (давления, количества и расхода, состава газов, уровня и пр.), играющих важную роль в теплоэнергетике. Теплотехнические измерения применяются во многих отраслях народного хозяйства: в теплоэнергетике, металлургии, химии и др. В энергетической промышленности они используются для повседневного контроля и наблюдения за работой и состоянием установленного на электростанциях оборудования. Наряду с этим теплотехнические измерения необходимы при изучении и дальнейшем совершенствовании способов производства электрической и тепловой энергии и методов потребления тепла. Большую роль эти измерения играют и в устройствах автоматизации тепловых электростанций (автоматического управления и регулирования, тепловой защиты, сигнализации), где они осуществляются специальными измерительными органами (тепломеханическими реле и датчиками). Надежная и экономичная эксплуатация современных тепловых электростанций немыслима без применения значительного количества разнообразных по устройству и принципу действия приборов теплотехнического контроля. На этих станциях, оснащенных сложным оборудованием, теплотехнический контроль органически связан с работой агрегатов и является весьма важным звеном управления в руках обслуживающего персонала. Развитие измерительной техники на электростанциях происходит под влиянием быстрого количественного и качественного роста отечественной теплоэнергетики, характеризующегося значительным увеличением установленной мощности станций и единичной мощности и экономичности основных агрегатов – паровых котлов и турбин, внедрением высоких параметров пара, применением рациональной (блочной) компоновки агрегатов, развитием теплофикации как наиболее рентабельного способа энергетического производства и другими достижениями современной науки и техники. Большинство современных теплотехнических измерительных приборов основано на применении электрических принципов измерения неэлектрических величин (температуры, давления, расхода и пр.). Указанный принцип измерения, построенный на 93 количественных соотношениях между некоторыми электрическими и неэлектрическими величинами, повышает точность и надежность измерений, упрощает устройство приборов и обеспечивает возможность передачи их показаний на расстояние. Широкое применение для теплотехнических измерений получили электронные измерительные приборы, обладающие по сравнению с приборами других типов более простым устройством, высокой чувствительностью и быстродействием. Измерением называется процесс получения опытным путем числового соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения, называется числовым значением измеряемой величины; оно может быть целым или дробным, но является отвлеченным числом. Значение величины, принятое за единицу измерения, называется размером этой единицы. Результат измерения величины Х может быть представлен следующим равенством: Х = А × И где Х – измеряемая величина; А – числовое значение измеряемой величины в принятой единице; И – единица измерения. Такое уравнение называют основным уравнением измерения. Из этого уравнения следует, что значение А зависит от размера выбранной единицы измерения И. Чем меньше выбранная единица, тем больше для данной измеряемой величины будет числовое значение. Результат всякого измерения является именованным числом. Вследствие этого для определенности написания результата измерения рядом с числовым значением измеряемой величины ставится сокращенное обозначение принятой единицы. При выборе единиц измерения необходимо учитывать фактор «удобства» – результат измерений по возможности должен выражаться «удобным» числом: не слишком большим и не слишком малым. Если единица измерения представлена в виде конкретного образца, называемого мерой, то процесс измерения сводится к непосредственному сравнению измеряемой величины с мерой, как материальным выражением единицы измерения. В тех же случаях, когда непосредственное сравнение невозможно или трудно осуществить, измеряемая величина преобразуется в некоторую другую физическую 94 величину, однозначно связанную с измеряемой и более удобную для измерения. Например, измерение температуры жидкостно–стеклянным термометром сводится к определению длины жидкостного столбика, выраженной в делениях шкалы, а измерение температуры с помощью термометра сопротивления к определению электрического сопротивления и т. п. По способу получения числового значения искомой величины измерения можно разделить на два вида: прямые; косвенные. К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. При этом значение искомой величины получается либо путем непосредственного сравнения ее с мерами, либо посредством измерительных приборов, градуированных в соответствующих единицах. При прямых измерениях результат выражается непосредственно в тех же единицах, что и измеряемая величина. Измеряемая величина Х и результат ее непосредственного измерения Z связаны простым соотношением X = Z. Прямые измерения являются весьма распространенным видом технических измерений. К ним относятся измерения длины – метром, температуры – термометром, давления – манометром и т. п. К косвенным измерениям относятся те измерения, результат которых получается на основании прямых измерений нескольких других величин, связанных с искомой величиной определенной зависимостью. К косвенным измерениям относится определение расхода жидкости, газа и пара по перепаду давления в сужающем устройстве. Косвенные измерения применяются в технике и научных исследованиях в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно путем прямого измерения или когда косвенное измерение позволяет получить более точные результаты. В зависимости от назначения и от предъявляемой к ним точности измерения делятся на лабораторные (точные) и технические. Способы оценки точности лабораторных и технических измерений будут рассмотрены ниже. 95 3.2. Понятие об измерении тепловых величин Под принципом измерения понимается совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта, измерение расхода жидкостей по перепаду давления в сужающем устройстве. Под методом измерений понимается совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Процесс измерения, способы проведения его и средства измерений, при помощи которых он осуществляется, зависят от измеряемой величины, существующих методов и условий измерения. При выполнении теплотехнических измерений широко применяют: метод непосредственной оценки; метод сравнения с мерой; нулевой метод. Под методом непосредственной оценки понимается метод измерения, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например измерение давления манометром, измерение температуры термометром и т. п. Он является самым распространенным, особенно в промышленных условиях. Метод сравнения с мерой – это метод, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой меры, например измерение ЭДС термоэлектрического термометра или напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента. Его часто называют компенсационным. Нулевым называется метод, при котором эффект действия измеряемой величины полностью уравновешивается эффектом известной величины, так что в результате их взаимное действие сводится к нулю. Применяемый при этом прибор служит только для установления факта достижения уравновешивания и в этот момент показание прибора становится равным нулю. Прибор, применяемый при нулевом методе, сам по себе ничего не измеряет и поэтому его обычно называют нулевым. Нулевой метод обладает высокой точностью измерения. Нулевые приборы, применяемые для осуществления данного метода, должны обладать высокой чувствительностью. Понятие точность к нулевым приборам неприложимо. Точность же результата измерения, производимого по нулевому методу, определяется в основном точностью применяемой образцовой меры и чувствительностью нулевого прибора. Средствами измерений называют технические средства, используемые при 96 измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики – характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Основными видами средств измерений являются меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные устройства. Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря есть мера массы, измерительный резистор – мера электрического сопротивления, температурная лампа – мера яркостной или цветовой температуры. Измерительным прибором называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Главными узлами измерительного прибора являются: измерительный механизм, непосредственно осуществляющий измерение при помощи чувствительного элемента, и отсчетное устройство, показывающее, записывающее или суммирующее значение измеряемой величины. Устройство измерительных механизмов приборов весьма различно и зависит от рода измеряемой величины (давление, температура и т. д.) и принципа действия прибора (механический, электрический и пр.). В большинстве случаев измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей. Перемещение подвижной части происходит под воздействием измеряемой величины на чувствительный элемент прибора. Отсчетное устройство в зависимости от характера показаний приборов выполняется в виде шкалы и указателя (показывающие приборы), записывающего приспособления и диаграммной бумаги (самопищущие приборы) и счетного механизма (суммирующие приборы). Шкала показывающего прибора состоит из ряда последовательно нанесенных на плоском или профильном (цилиндрическом) циферблате отметок (делений) с цифрами, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки на циферблате называются градуировкой, а численные значения единиц измерения – оцифровкой шкалы. Наименьшее подразделение шкалы, выраженное в единицах измерения, носит название цены деления шкалы. Измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины, называют аналоговым измерительным прибором. Если показания прибора, автоматически вырабатывающего дискретные сигналы измерительной информации, представлены в цифровой форме, прибор называют цифровым. 97 Показывающим измерительным прибором называют прибор, допускающий только отсчитывание показаний. Если в измерительном приборе предусмотрена регистрация показаний, то его называют регистрирующим. Самопишущим измерительным прибором называют регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрено печатание показаний в цифровой форме, называют печатающим. Измерительным прибором прямого действия называют прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т. е. без применения обратной связи, например, показывающий манометр, ртутно–стеклянный термометр. Измерительный прибор, в котором подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной, называют интегрирующим измерительным прибором. Измерительным преобразователем называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи в зависимости от их назначения и функций могут быть подразделены на первичные, промежуточные, передающие, масштабные и другие. Первичным преобразователем называют измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи. В качестве примера можно привести термоэлектрический термометр, термометр сопротивления, сужающее устройство расходомера. Измерительный преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного, называют промежуточным. Передающим измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Масштабным измерительным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, например, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения, измерительный усилитель и т. п. Измерительными устройствами называют средства измерений, состоящие из измерительных приборов и измерительных преобразователей. Измерительные устройства в зависимости от их назначения и функций, могут быть подразделены на первичные и промежуточные измерительные устройства (приборы). 98 Под первичным измерительным устройством (первичным прибором) понимают средство измерений, к которому подведена измеряемая величина. Промежуточным измерительным устройством (промежуточным прибором) называют средство измерений, к которому подведен выходной сигнал первичного преобразователя (например, перепад давления, создаваемый сужающим устройством). Первичные и промежуточные приборы, снабженные передающими преобразователями, могут быть выполнены с отсчетными устройствами или без них. Вторичными измерительными устройствами (вторичными приборами) называют средства измерений, которые предназначены для работы в комплекте с первичными или промежуточными приборами, а также с некоторыми видами первичных и промежуточных преобразователей. Кроме рассмотренных средств измерений применяются более сложные измерительные устройства автоматического действия – так называемые измерительные информационные системы. Под такими системами понимаются устройства с автоматическим многоканальным (во многих точках) измерением, а в некоторых случаях и обработкой информации по некоторому заданному алгоритму. Следует отметить, что одним из важных признаков новых разработок средств измерений и элементов для устройств автоматизации (автоматического контроля, регулирования и управления) является унификация выходных и входных сигналов преобразователей, первичных, промежуточных и вторичных приборов. Унификация выходных и входных сигналов обеспечивает взаимозаменяемость средств измерений, позволяет сократить разновидность вторичных измерительных устройств. Кроме того, унифицированные приборы и элементы существенно повышают надежность действия устройств автоматизации и открывают широкие перспективы применения информационно–вычислительных машин. В нашей стране создание унифицированных средств измерений реализуется в Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Эта система строится по блочно–модульному принципу и делится на три ветви, объединяющие приборы с пневматическим, электрическим постоянного и переменного тока и электрическим частотным выходным и входным сигналами. |