Лекции тип заочники

• Название: Лекции тип заочники
• Дата: 12.03.2022
• Размер: 1.11 Mb.
• Имя файла: Lektsii_TIP_zaochniki_distants.doc
• Тип: Лекции; #393377

Лекции ТИП заочники.

Средства измерений и их классификация

Средствами измерений называются технические устройства, которые используются при измерениях и имеют нормированные метрологические характеристики.

Под метрологическими характеристиками понимают характеристики свойств, средств измерения, которые оказывают влияние на результаты и погрешности.

Под нормированными понимают характеристики официальные, утвержденные государственным стандартом.
Основными видами средств измерений являются:

1. 
   Меры.
   
2. 
   Измерительные устройства.
   
3. 
   Измерительные установки.
   
4. 
   Измерительные системы.
   

Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.
Меры делятся на три вида:

1. 
   Однозначные.
   
2. 
   Многозначные.
   
3. 
   Образцовые вещества.
   

Однозначная мера воспроизводит или единицу измерения, или некоторое числовое значение конкретной физической величины (гиря, измерительная катушка сопротивления, концевая мера длины, нормальный элемент).

Из однозначных мер часто собирают наборы мер, например: разновес (набор гирь) , набор концевых мер длины, набор ареометров).

Многозначные меры воспроизводят не одно, а несколько дробных или кратных значений единицы измерения (складной метр, электронный конденсатор переменной емкости и т.д.).
Образцовые вещества -- это меры особого рода, которые при определенных условиях воспроизводят единицу измерения либо её кратное или долевое значение (золото в момент затвердения воспроизводит температуру 1063,43С, температура кипения воды при давлении 760 мм рт. ст. является мерой температуры равной 100С).
Измерительные устройства делятся на:

1. 
   Измерительные приборы.
   
2. 
   Измерительные преобразователи.
   

Измерительным прибором называется средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Характерным признаком измерительных приборов является наличие отсчетного устройства (шкалы, циферблата, цифрового индикатора).
Измерительные преобразователи - это средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования обработки и хранения, но неподдающийся непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительные установки – совокупность средств измерения, которые функционально соединёны каналами связи и расположены в одном месте для воспроизведения измеряемых величин в производственных условиях. Обычно они состоят из первичных преобразователей (датчиков) и вторичных приборов, что образует измерительные комплекты.
Измерительные системы представляют собой совокупность средств измерения необходимых и достаточных для выполнения конкретных измерительных экспериментов. Следовательно, измерительная система может включить несколько измерительных установок.
Наиболее распространенные измерительные системы получены в виде информационных измерительных систем (ИИС).

ИИС предполагает одновременное измерение по многим каналам и обработку результатов, как в процессе измерения, так и после его конца. Отличительной чертой ИИС является использование ПК и других микропроцессорных систем.
Приборы прямого действия
Эти приборы основаны на методе непосредственной оценки.

Приборы прямого действия, как правило, выполняются по схеме состоящей из подвижной и неподвижной частей, соединённых упругим элементом (пружиной).

Измеряемая величина механизмом прибора преобразуется в силу, смещающую подвижную часть и деформирующую упругий элемент.

Противодействующая сила упругого элемента уравновешивает воздействующую силу, при этом указатель на шкале определяет измеряемую величину (пружинные весы, магнитоэлектрический милливольтметр).
Для примера рассмотрим манометр с одновитковой трубчатой пружиной (трубка Бурдона).
Основной чувствительный элемент - это полая изогнутая по дуге трубка 1, один конец которой, свободный, герметично заделан. А в другой, жестко закрепленный, подается измеряемое давление Р. В середине прибора на оси вращается маленькая шестеренка (трубка) 3, она соединена с зубчатом сектором 2, другой конец которого шарнирно связан со свободным концом трубки 1.


Все элементы прибора расположены последовательно:

1. 
   –чувствительный элемент (манометрическая трубка);
   
2. 
   - сектор с зубчатой передачей;
   
3. 
   - трибка (зубчатое колесо);
   

2,3 – передающие элементы;

4 - отчетное устройство (шкала со стрелкой).


При подаче избыточного давления Р трубка 1 стремится распрямиться, а при подаче разряжения, наоборот, скручивается. При этом свободный конец трубки перемещается и воздействует на передающие элементы 2, 3, которые поворачивают стрелку прибора 4.

Процесс измерения в данном методе характеризуется простотой и высокой скоростью. Точность измерений такими приборами оказывается невысокая из-за влияния различных воздействий, которые этот принцип не может компенсировать.

Для системы измерения прямого действия характерно последовательное включение элементов. При этом погрешности зависят от неточностей каждого отдельного элемента. Характерной особенностью приборов прямого действия является обязательное потребление энергии от объекта измерения.

Приборы сравнения

В приборах сравнения процесс измерения заключается в сравнении нулевым или дифференциальным методом измеряемой величины с мерой.

При этом можно использовать ручное или автоматическое управления.
I. Ручное управление:
а) Нулевой (компенсационный) метод.
Использует результирующие воздействие величин, на прибор сравнения, доводя это воздействие до нуля.

Примером нулевого метода может быть взвешивание груза х на рычажных равноплечих весах. В результате этой процедуры нужно обеспечить максимально точное уравновешивание, т.е. совпадение стрелки прибора с центральной (нулевой) риской. 
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА






НП – нуль-прибор - (стрелка и шкала);

ММ – многозначная мера - (разновес);

М – мера

Х – измеряемая величина;

К – компаратор (элемент сравнения) (коромысло весов).
Состояние равновесия достигается подкладыванием гирь до тех пор, пока величина меры М не уравновесит измеряемую величину навески Х. При этом стрелка ноль прибора НП займёт нулевое положение, а измеряемая величина Х будет определятся массой гирь М.
Алгоритм
На компаратор подается сигнал измеряемой величины Х, которая может быть предварительно преобразована, а также сигнал с многозначной меры М.

Компаратор выполняет операцию вычитания (сравнения) =Х–М. Полученная разность подаётся на нуль- прибор.

Наблюдатель, в соответствии с показаниями, меняет меру М, пока  не станет равной нулю.

Определив значение меры, принимают её равной измеряемой величине Х.


б) Дифференциальный (разностный) метод.

Основан на измерении разности между известной величиной (мерой) и измеряемой величиной, после чего измеряемую величину находят сложением полученной разности и меры.


При этом, результат измерения находят как сумму массы гирь и показания на шкале.

II. При автоматическом управлении процесс уравновешивания автоматизирован.

Вместо нуль прибора здесь нуль индикатор, который состоит из усилителя (У) и исполнительного механизма (ИМ).

В зависимости от знака и значения разбаланса ИМ меняет многозначную меру до тех пор, пока  не станет равной нулю.


Для примера рассмотрим работу автоматического уравновешенного моста.

Автоматический уравновешенный мост предназначен для автоматического измерения температуры в комплекте с термопреобразователем сопротивления R_t.



Компаратор (мост) с плечами R1, R2, R3;

Многозначная мера – реохорд (Rр);

Нуль индикатор – электронный усилитель ЭУ с реверсивным двигателем РД.
В измерительной схеме ток от источника U_пит. протекает по двум ветвям: асb и adb.

Если измеряемая температура остаётся неизменной и термопреобразователь сопротивления Rt не меняет свою величину, то мост находится в состоянии равновесия. Напряжение в измерительной диагонали c-d равно нулю (U =0).

Но, если измеряемая температура поменяет своё значение, у термопреобразователя сопротивления Rt изменяется его электрическое сопротивление. Изменится и ток в ветви моста Rt, R1 по отношению к ветви R3, Rр, R2. Это приводит к появлению разбаланса напряжения в диагонали моста c-d, величина которого U подаётся на вход усилителя.

Усиленный в ЭУ сигнал поступает на реверсивный двигатель РД, вал которого будет вращается до тех пор, пока движок реохорда Rр не устранит разбаланс, и U станет равной 0. При этом, вал двигателя остановится, а стрелка прибора, связанная с ним, укажет значение измеряемой температуры.

При сравнении приборов необходимо отметить, что приборы сравнения более точные, по отношению к приборам прямого действия, так как проще определить равенство или неравенство нулю измеряемой величины, чем определить её размеры. В основном, погрешность приборов прямого преобразования лежит в пределах 1%-2,5%, приборов сравнения 0,2%-0,5%.

Структурная схема информационной измерительной системы

ИИС – совокупность технических средств измерения, которые предназначены для автоматического сбора измерительной информации непосредственно от объекта для преобразования, обработки, хранения и представления в форме удобной для восприятия человека.
Рассмотрим работу многоканальной ИИС с коммутатором (мультиплексором).


ПП – первичные преобразователи (датчики);

НП – нормирующие преобразователи (могут отсутствовать в некоторых каналах или быть совмещены с ПП);

К – аналоговый коммутатор (мультиплексор);

АЦП – аналога цифровой преобразователь;

УСО – устройство сопряжения с объектом (включает К и АЦП);

ЭВМ – электронно-вычислительная машина (ПК, контролер, микропроцессорная система);

СПИ – средства предоставления информации (мониторы, принтеры);

УУ – устройство управления.

В нашем примере объектом контроля может быть отдельный аппарат, агрегат, участок цеха, весь цех и целое производство. Первичные преобразователи ПП (датчики) производят измерение параметров (температура, давление, расход продуктов) у данного объекта, а затем преобразуют в сигнал удобный для дальнейшей передачи по каналам связи.  Нормирующие преобразователи – это устройства, которые преобразуют входные сигналы от первичных датчиков в унифицированные сигналы стандартных диапазонов для строго однозначного восприятия их другими устройствами. Часто такие преобразователи могут быть совмещены в один моноблок с первичными. Аналоговый коммутатор (мультиплексор) в каждый определённые моменты времени последовательно, по команде от ЭВМ, подключает необходимый канал связи к своему выходу. В следующий момент времени от ЭВМ приходит команда на отключение этого канала и подключение следующего. Таким образом, происходит последовательный опрос всех каналов системы. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой для ввода в ЭВМ.

Основной элемент схемы ЭВМ (микропроцессорная система). В неё поступает информация, в ней обрабатывается частично сохраняется и передается в СПИ. Кроме того, ЭВМ управляет УСО.

Оператор воспринимает информацию и вручную может управлять объектом контроля с помощью устройства управления УУ.

Система ГСП (государственная система приборов).

В процессе преобразования сигнала измеряемой величины возможны самые различные комбинации соединения узлов. Кроме того, возможно использование различных единиц измерения. При этом возникает проблема обеспечения единства в измерительной технике.

Необходимость создания общей системы диктует следующие условия:

• 
  уменьшение затрат на обеспечение измерений;
  
• 
  повышение точности измерений;
  
• 
  совершенствование измерительных средств.
  

В начале 60-х годов в нашей стране были начаты разработки методов упорядочения и унификации средств измерений, что положило начало созданию государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГПС). Унификация – это приведение к единообразной системе или форме.
Система ГПС унифицирует:

1 – входные и выходные сигналы (позволяет соединить приборы между собой, т.е. собрать комплекты и измерительные системы);

2 – коммуникационные устройства (коммуникационные разъёмы, габариты приборов, присоединительные размеры);

3. 
   – уровень источников питания (для электрических приборов 220 В, 50 Гц, для пневматических систем 1,4 кгс/см²);
   
4. 
   – функциональные признаки устройств, для обеспечения совместной работы.
   

Основу ГСП составляет система, включающая более 250 стандартов, устанавливающих технические требования к сигналам связи, правилам передачи информации и конструктивному исполнению. Эта система хорошо сочетается с прогрессивными аналогами передовых стран мира.

Система ГСП построена по блочно-модульному принципу, т.е. блок, входящий в систему может быть собран из модулей, а модули могут быть соединены из элементов. Таким образом, достигается экономический эффект при создании приборов из готовых узлов и блоков.

В этой системе широко применяется метод агрегатирования. Это позволяет создавать сложные схемы из более простых унифицированных изделий методом их наращивания и стыковки, а так же совершенствовать системы без полного их обновления.
Объекты ГСП делятся по следующим функциональным признакам

• 
  для получения нормированной информации о состоянии объектов контроля;
  
• 
  для приёма, преобразования и передачи информации по каналам связи;
  
• 
  для хранения и обработки информации с целью формирования команд управления;
  
• 
  для исполнения командной информации в процессе воздействия на объект управления.
  

В зависимости от рода используемой энергии средства измерения в ГСП подразделяют на 4 ветви:

• 
  электрическую (наиболее распространенная);
  
• 
  пневматическую;
  
• 
  гидравлическую;
  
• 
  не использующую вспомогательной энергии.
  

Для измерения теплоэнергетических параметров (температуры, давления, расхода, уровня и т.д.) предусмотрено 3 ветви:

• 
  электрическая аналоговая
  
• 
  электрическая частотная;
  
• 
  пневматическая.
  

В рамках ГСП также действует стандарт по формату цифровой информации.

1. 
   Параметры электрической аналоговой ветви по ГОСТу установлены следующие:
   

а). По напряжению:

- по постоянному напряжению (сигнал может меняться в пределах 01В,010 В);

• 
  по переменному напряжению (-10+1 В, с частотой =50 Гц или 400 Гц).
  

б). По току:

• 
  от 05 мА; 020 мА; 420 мА. Чаще используется «токовая петля» - 4-20 мА
  

2. 
   Параметры электрической частотной ветви (информации об изменении величины заложена в частоте, т.е. периоде синусоидальных колебаний):
   

• 
  от 4 до 8 кГц
  

3. 
   Параметры пневматической ветви:
   

• 
  от 0,2 до 1 кгс/ см²;
  

• 
  1,4 кгс/см² – давление питания.
  

В нашей стране широко используются коммуникационные стандарты для промышленных сетей, разработанные за рубежом.   Американской компанией Rosemount был разработан протокол обмена данных HART. Протокол - это список согласованных правил выполнения определённых программ,  позволяющих осуществлять соединение и обмен данными между сетевыми устройствами. Технология HART дает возможность по одной паре проводов передавать и аналоговый (токовая петля 4-20мА) и цифровой сигналы.

Стандарт RS-232 часто используется для подключения к компьютерам широкого спектра оборудования, нетребовательного к скорости и удалённости обмена,

Наиболее современным стандартом в промышленности является RS-485. Этот стандарт стал основным для целого ряда промышленных сетей.


Цифровые измерительные приборы (ЦИП)
Представляют собой средства измерений, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в виде последовательности цифр (в цифровой форме).

В настоящее время ЦИП занимают ведущее место в мировой технике. 

Непрерывные величины могут принимать бесконечное количество значений в определенном диапазоне. Дискретные величины принимают лишь ограниченное количество дискретных значений в этом диапазоне. Преобразование непрерывной величины в дискретный цифровой код выполняется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в два этапа:

1 - дискретизация непрерывной величины во времени;

2 - квантование непрерывной величины по уровню и присвоение кода отождествленному уровню.

1. 
   Дискретизация непрерывной величины во времени.
   

Это этап преобразования непрерывной величины х(t) в последовательность дискретных величин (х₁, х_{2, …} х_к), значение которых совпадает с соответствующими значениями х(t) только в определенные моменты времени. Промежуток времени между двумя соседними точками отсчета называется шагом дискретизации, т.е. ∆t=t₁-t₂.

Проблема выбора шага дискретизации заключается в том, что при малых значениях шага ∆t имеет место избыточность информации. При выборе больших ∆t часть информации может быть потеряна.

2. 
   Квантование непрерывной величины по уровню и присвоению кода отождествленному уровню.
   

Эта операция сводится к тому, что величина х(t_i) заменяется ближайшим фиксированным значением х_к по установленной на первом этапе шкале дискретных уровней (х₁, х_{2, …} х_к). Эти дискретные (фиксированные) уровни образованы по определенному закону. Разность между двумя разрешенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным.

Следующим преобразованием измерительного сигнала является присвоение кода величине х_к. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону с помощью которой осуществляется условное представление численного значения величины. Код – символ, присваиваемый дискретной величине, который представляется в виде физических сигналов (например, электрического напряжения).

Но носителем информации в коде является не значение физических величин, а временное или пространственное расположение этих сигналов (величина электрического напряжения не является носителем информации).

Если носителем информации является временное расположение, то код называется последовательным, т.к. информация передается по одному информационному проводу во времени. Передача сигнала занимает много времени.

Если носителем информации является пространственное расположение, то код называется параллельным. Такой код передается по проводам, количество которых определяется разрядностью цифрового устройства. Этот вид передачи занимает меньше времени.
Рассмотрим процесс преобразования на графике непрерывной во времени функции х(t). Здесь х₀ – минимальное значение квантования, х(t_n) – максимальное значение квантования.




На этапе дискретизации в определённом временном интервале от нуля до t_n в моменты времени t₁, t₂,_..., t_k,…, t_n устанавливаются соответственно им фиксированные величины х₀, х₁, х₂,…, х_к, …,х(t_n).

В момент времени t_i ему будет соответствовать значение х(t_i) и при квантовании оно будет заменено ближайшей величиной х_к. Эта замена будет отличатся на незначительную величину - это погрешность дискретизации

Δх_диск = Х_к- х(t_i)
Чем больше значение n, тем меньше величина погрешности дискретизации Δх_диск, но процесс усложняется и занимает больше времени.

Отождествление непрерывной величины х(t_i) с дискретным значением х_к, может быть с ближайшим нижним или с ближайшим верхним уровнем, что зависит от алгоритма квантования.

Присвоение дискретного значения величине х_к кода также определяется правилами системы считывания.
Измерение температуры
Температура является одним из важнейших параметров, т.к. по ней судят не только о степени нагретости тел, а также о других параметров вещества:

- теплоемкость,

- теплопроводимость,

- вязкость,

- плотность.
В термодинамике температуру определяют как параметр состояния вещества, характеризующий его нагретость и направление перехода тепла.

Все методы определения температуры основаны на однозначной связи температуры и других физических величин (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС).

За единицу измерения температуры принять один градус Цельсия (С⁰).

Он представляет одну сотую часть между двумя характерными точками состояния воды (температура плавления льда и температура кипения). Т.е. температурой шкале Цельсия этим точкам присваиваются значения 0 и 100º.

В настоящее время в соответствии с результатами международной конвенции, принята шкала в основу которой положено широко известное шкала Кельвина (К).

В соответствии с этим устанавливается, что 1ºС = 1 К и вводится понятие тройная точка воды (существование трех фаз) t= 0,01ºС и температура в Кельвинах определяется как

t^оK = t^o C + 273,15^o

Если возьмем две шкалы Цельсия и Кельвина, то одна относительно другой будут сдвинута на 273,15^o


В некоторых случаях применяются другие температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта

n^oC= 0,8 n^o· R = (1,8n+32)^oF


Классификация методов

измерения температуры
В зависимости от принципа действия можно выделить следующие группы приборов.

1. Термометры расширения, основанные на измерении объема жидкости или линейных размеров твердых тел при измерении температуры.

2. Манометрические термометры, основанные на изменении давлений вещества заключенных в постоянный объем при изменении температуры.

3. Термоэлектрические термометры.

4. Электрические термометры сопротивления.

5. Пирометры излучения (яркостные и радиационные).
Яркостные – измеряют яркость нагретого тела на данной длине волны (кузнец по яркости определяет температуру металла).
Радиационные – определяют температуру по действии теплового излучения (кузнец поставив руку на определенное расстояние от металла определяет температуру).
Термометры расширения
В эту группу входят стеклянные и дилатометрические температуры.

Стеклянные термометры по назначению делятся на технические, лабораторные и повышенной точности. Они изготовляются из стекла с малым коэффициентом объемного расширения.

В качестве термометрических веществ применяется ртуть, толуол, этиловый спирт, пентан. Особой точностью измерения и стабильностью градуировки отличается ртутные термометры. Недостатком является их хрупкость и невозможность дистанционной передачи показаний.
Дилатометрические термометры основные на относительном удлинении под действием температуры двух твердых тел, имеющих различные коэффициенты линейного расширения. При изменении температуры длина одного из тел меняется больше, чем другого и это изменение передается на отсчетное устройство.


Термометры расширения выпускаются 2-х типов:

- стержневые,

- пластинчатые (биметаллические).

Эти приборы не отличаются высокой точность и используются для измерения очень редко, в основном в бытовой технике.

Но благодаря простоте и надежности они нашли широкое применение в качестве первичных преобразователей в системах сигнализации и автоматического регулирования температуры.
М анометрические термометры

1. 
   Термобаллон.
   
2. 
   Манометр с трубчатой
   

пружиной.

3. 
   Капилляр.
   

Все элементы представляют единую замкнутую герметичную систему, заполненную рабочей жидкостью или газом. Термобаллон помещается в контролируемую среду, а манометр устанавливается на щите оператора.

При изменении температуры, давление в термобаллоне изменяется, что отражается на шкале манометра 2, которая обычно градуируется в градусах Цельсия.
Можно выделить три вида:

1. 
   Газовые измеряют температуру от -150ºС до 600ºС. В качестве рабочего газа –использую гелий или азот.
   
2. 
   Жидкостные с диапазоном измерения от -50ºС до 300ºС. Термометрические вещества: ртуть, толуол, силиконовые жидкости.
   
3. 
   Конденсационные работают в диапазоне от 50ºС до 300ºС. Термобалон заполнен на 0,7÷0,75 объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же легко кипящей жидкости(пропан, ацетон, спирт).
   

Манометрические термометры это проборы прямого действия и отличаются простотой и высокой надёжностью, но имеют невысокую точностью.

Термопреобразователи сопротивлений
Этот способ измерения температуры основан на свойстве металлов и полупроводников менять свою электропроводность с изменением температуры.

Термопреобразователи сопротивления имеют широкое распространение, т.к. позволяют производить измерения с высокой точностью и надежностью от -260 ºС до +1100 ºС и на значительном расстоянии от объекта.

К металлам применяемым в качестве чувствительных элементов предъявляется ряд требований:

• 
  стабильность градуировочной характеристики,
  

R_t = f(t)

• 
  взаимозаменяемость выпускаемых термопреобразователей,
  
• 
  линейность функции,
  
• 
  высокое значение температурного коэффициента α,
  

• 
  большое удельное сопротивление,
  
• 
  низкая стоимость.
  

В наибольшей степени этим требования удовлетворяют медь, платина, железо и никель, но стандартизованы три типа металлических преобразователей.

- платиновые, медные и никелевые т.к. эти металлы легко получить в чистом виде.

Чувствительный элемент выполнен в виде проволоки или ленты, намотанный на изолирующий карниз бифилярно, т.е. в виде 2-х параллельных ветвей по которым течет ток в противоположных направлениях.

Такая намотка исключает индуктивное сопротивление.

Чувствительный элемент помещают в тонкостенную защитную гильзу.

Платиновые термопреобразователи используются в диапазоне температур от -260 ºС до 1100 ºС и обладают высокой точностью.

Недостаток: - Нелинейность зависимости Rt=f(t). - Высокая стоимость.

Медные термопреобразователи имеют линейную характеристику, но работают в диапазоне температур от -50 ºС до 200 ºС и менее точные.

Для термоэлектрических преобразователей основным условием применения является их взаимозаменяемость.

Это требование достигается применением стандартных градуировочных характеристик. Т.е. все термопреобразователи сопротивления этой градуировки имеют одинаковый температурный коэффициент α и одинаковое электрическое сопротивление при 0ºС.

В соответствии с ГОСТом платиновые термопреобразователи могут иметь следующие сопротивления в Ом при 0 ºС: 1;5;10;50;100;500, что соответствует градуировкам: 1П;5П;10П;50П;100П;500П. Чаще используются градуировки 50П и 100П. Широко используется градуировка Pt100 перешедшая в стандарт из зарубежа.

Медные термопреобразователи сопротивления ТСМ имеют градуировки: 10м; 50М; 100М, что также соответствует сопротивлению в Ом при 0 ºС.

В ряде случаев применяют полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (терморезисторы, термисторы). Изменяющие температуру от -100 до 300 ºС. В них используют различные окислы металлов: магния; кобальта, титана, меди и т.д., а также кристаллы некоторых металлов (германий). Температурный коэффициент терморезисторов значительно больше, чем у металлических термопреобразователей и имеет отрицательный знак.

Основным препятствием к их широкому применению является то, что они не взаимозаменяемы и имеют не линейную характеристику. В качестве вторичных приборов для термопреобразователей сопротивлений применяются уравновешенные и неуравновешенные мосты, нормирующие преобразователи и цифровые приборы.
Мосты
Уравновешенные четырехплечатые мосты являются наиболее распространенными приборами для измерения сопротивления от 0,5 до 10⁷ Ом. Поэтому они широко применяются и для работы в комплекте с термопреобразователями сопротивлений.
Неавтоматический уравновешенный мост



R _t - термопреобразователь сопротивления

R ₁ – R ₃ - постоянные резисторы

R ₂ - переменный резистор

НП - нуль-прибор (чувствительный гальванометр)
В измерительной схеме ток от источника питания U проходит по 2-м ветвям, dав и dсв. Меняя значение R₂ можно добиться такого состояния, при котором разность потенциалов в т.ч. а и с, а следовательно и ток в диагонали ас станет равным нулю. Это состояние называется: равновесием моста.



При этом будет выполнятся равенство

R_t·R₁=R₃·R₂ - уравнение баланса моста
R₁ и R₂ – const, и поэтому каждому значению R _t соответствует определенное R₂.

При отклонении измеряемой температуры от первоначального значения изменится величина сопротивления R _t, а следовательно, и ток в ветви dсв. Мост выйдет из равновесия, стрелка нуль-прибора отклонится от нуля. Процесс измерения заключается в уравновешивании мота переменным сопротивлением R_2. Состояние равновесия будет достигнуто тогда, когда стрелка нуль-прибора установится строго на нуле. Подвижный контакт переменного сопротивления R ₂ механически связан со стрелкой мота, которая в состоянии его равновесия, укажет на шкале измеряемую температуру.
Автоматические уравновешенные мосты
Используются в производстве, для измерения и регулирования температуры и других параметров значение которых можно преобразовать в изменение активных сопротивлений. Эти приборы могут иметь дополнительные устройства для сигнализации и регулирования параметров процесса, а также дистанционной передачи преобразования сигнала.

Измерительная схема автоматического уравновешивания моста отличается от рассмотренной тем, что ее уравновешивание не вручную, а автоматически с помощью электронно-механической следящей системы.

Принцип работы и схема автоматического уравновешенного моста смотри тему «Приборы сравнения».

.
Неуравновешенные мосты
Обладают тем преимуществом, что не требуют уравновешивание тока в их измерительной диагонали. Величина этого тока и является мерой измеряемого мостом сопротивления


R₁, R₂, R₃ - постоянные сопротивления

R - реостат (переменное сопротивление

R_К - контрольное сопротивление

mА - миллиамперметр

Т.к. в этой схеме измерение напряжения питания U значительно влияет на показания прибора, необходимо периодически проводить контроль напряжения в диагонали питания.

Для этого переключатель переключают из положения И (измерения) в положение К (контроль), т.е. заменяют измеряемое сопротивление Rt на контрольное R_К. При этом стрелка mА должна установиться на контрольной отметке шкалы, отмеченной цветной меткой. Этого положения добиваются путем изменения реостата R.

Применение стабилизированных источников питания исключает необходимость контроля.

Неуравновешенные мосты широко применяются в газоанализаторах, где они работают в паре с термопреобразователями сопротивлениями.

Для непосредственного изменения температуры неуравновешенные мосты используются редко.
Термоэлектрические термометры
Термоэлектрические термометры представляют собой электрическую измерительную цепь, состоящую из термоэлектрического преобразователя (термопара) и электроизмерительного, прибора предназначенного для измерения малых ЭДС (напряжений).
В качестве приборов могут использоваться:

- милливольтметр;

- потенциометры;

- нормирующие преобразователи;

- цифровые приборы.
Работа термопары основана на термоэлектрическом эффекте.


В цепи состоящей из 2-х разнородных проводников (термоэлектродов) А и В при разности температур спаев t и t₀ появляется термоЭДС и электрический ток (термоток). Причем термоЭДС зависит от материала проводников и разности температур спаев и не зависит от их размеров.

Такая цепь состоящая из 2-х или нескольких проводников называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой).

Возникновение термоЭДС объясняется тем, что количество свободных электронов в единицу объема, для разнородных материалов образующих термоэлектроды, не одинаково.

В местах спаев происходит диффузия из одного электрода в другой, приечем диффузия элементов из материала с большей концентрации будет больше диффузии протекающей в противоположном направлении.

Тот электрод который теряет электроны становиться положительным, а другой отрицательным. В спаях образуется контактная разность потенциалов е₁ и е₂. Значение контактной разности определяется природой материалов электродов и температурой в спаях.

Материалы электродов на значение е₁ и е₂ сказывается одинаково, а при неравенстве температур t ≠ t₀, е₁≠ е₂. Следовательно, появляется результирующее ЭДС которая называется термоэлектрической.



Если создать условия, при которых t₀=const, то зависимость станет однозначной, т.е.



Часто так и поступают. Один из спаев поддерживают при постоянной температуре, он называется свободным (холодным), второй спай, помещают в среду, называют рабочим (горячим).

Для исключения влияния температур спаев друг на друга за счет теплопроводности электродов, их выполняют достаточно длинными.

Важно, что термоЭДС остается неизменной, если в цепь термопары включить третий проводник или измерительный прибор при сохранении температур постоянными.



Свободные концы удаляют от объекта измерения для стабилизации температуры и ее контроля. Для этого принимают специальные компенсационные или термоэлектродные провода.
Градуировка термопар производиться при температуре свободных концов 0ºС. Если температура t₀≠0 ºС, то в показания измерительного прибора вводят поправку, которая определяется по стандартным градуировочным таблицам. Найденная поправка прибавляется с показаниями ЭДС измерительного прибора, если температура свободных концов t^º больше 0 ºС и вычитается в случае t^º меньше 0 ºС.

В нашей стране применяется в основном 5 видов термопар. Градуировочные характеристики стандартизованы при температуре свободных концов при 0 ºС.

К ним относятся:

- хромель-копелевые (ТХК); (L),

- хромель-аллюминиевые (ТХА); (К),

- платинородий-платиновые (ТПП); (S)

- платинородий-платинородивые (ТПР);(B)

- вольфрамренивые-вольфрамреневые (ТВР), (А).

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы F к площади S, на которую действует сила.



При равномерном распределении силы давление равно

.

Давление является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. От величины давления зависит протекание технологического процесса.

Различают абсолютное, избыточное, барометрическое (атмосферное) давление и разрежение (вакуум) (рис. 2). Абсолютное давление P_А – давление, отсчитанное от абсолютного нуля.
На практике определяется как сумма избыточного и барометрического давлений:

Р_А = Р_И + Р_Б .

Избыточное давление Р_И представляет собой разность между абсолютным давлением P_А и барометрическим давлением Р_Б
(т.е. давлением воздушного столба земной атмосферы) [1]:

Р_И = Р_А – Р_Б .

Если абсолютное давление ниже барометрического, то в объекте имеет место разрежение (вакуум):

Р_В = Р_Б – Р_А,

где P_В – разрежение.


Виды давления
В системе СИ в качестве единицы давления принят Паскаль [ Па ].
1 Па = 1 Н/м²
В практике в качестве единицы давления широко используется техническая атмосфера

1ат = 1 кгс/см²= 9,81· 10⁴ Па = 10⁴ мм вод. ст.= 735,56 мм. рт. ст.

Существует физическая атмосфера:

1 атм = 760 мм.рт.ст.
Классификация методов и приборов

для измерения давления
Приборы для измерения давления по виду измеряемого давления подразделяются:

а) на манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;

б) вакуумметры – для измерения разрежения (вакуума);

в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума;

г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа);

д) тягомеры – для измерения малых разрежений (до -40 кПа);

е) тягонапоромеры – для измерения малых разрежений и малых избыточных давлений;

ж) дифференциальные манометры – для измерения разности давлений;

з) барометры – для измерения атмосферного давления.

По принципу действия приборы для измерения давления делятся:

а) на жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

б) деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой ими силе;

в) грузопоршневые манометры, основанные на создании измеряемого давления калиброванными грузами, действующими на поршень, свободно перемещающийся в цилиндре;

г) электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления.
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной
Эти вид деформационных приборов нашёл широкое применение в производстве и в лобораторных условиях. Они обладают простотой конструкции, высркой надёжностью и точностью. Принцип работы и схема прибора смотри тему «Приборы прямого действия».

Манометры с тензопреобразователями.
Манометры с тензорезисторами, по своим метрологическим показателям являются одними из лучших и поэтому широко используются в современных измерительных стстемах.

В тензорезисторах используется эффект измерения электрического сопротивления проволки или ленты из тензочувствительного материала, под действием деформации.



В качестве материала тензопреобразователя используется манганин, нихром, константан. Кроме того применяются полупроводники обладающие большей тензочувствительностью, малыми габаритами и весом. В качестве рабочего материала чувствительного элемента чаще всего используется кремниевый полупроводник, получаемый вакуумным напылением на сапфировой или кремниевой подложке.
Рассмотрим схему измерения преобразователя давления

Под действием давления мембрана 1, состоящая из металлического основания и припаянного сверху кристалла сапфира с тензорезисторами деформируется, это вызывает изменение сопротивлений тензорезисторов. Места размещения которых обеспечивает максимальную чувствительность и температурную компенсацию. Электронное устройство блока 2 преобразует изменение сопротивления терморезисторов в токовый выходной сигнал (4-20мА), значение которого зависит от измеряемого давления