Методы и средства изиерений. Контрольная работа вар. 10 (1). Методы и средства измерений скорости движения

• Название: Методы и средства измерений скорости движения
• Анкор: Методы и средства изиерений
• Дата: 06.04.2023
• Размер: 0.57 Mb.
• Имя файла: Контрольная работа вар. 10 (1).docx
• Тип: Документы; #1040685

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тихоокеанский государственный университет»


Кафедра технологической информатики и информационных систем

Контрольная работа по дисциплине

«Методы и средства измерений, испытаний и контроля»

Объект исследования:
«Методы и средства измерений скорости движения»


Выполнил:

Студент группы)

Номер зачетной книжки.

Проверил:

_____________________________
Хабаровск 2020 г.

СОДЕРЖАНИЕ
1 Методы и средства измерения линейных скоростей 3

2 Методы и средства измерения скоростей вращения 8

Список использованных источников 13
1 Методы и средства измерения линейных скоростей
Параметрами механического движения (кроме перемещения), подлежащими измерению на практике, являются скорость и ускорение. Это кинематические параметры и они связаны между собой.

Параметры движения по характеру изменения во времени можно разбить на параметры поступательного, вращательного и колебательного движений.

Средства измерений и контроля, предназначенные для измерения линейных скоростей, называются измерителями скорости, средства для измерения и контроля угловых скоростей (частоты вращения) -тахометрами, а средства для измерения ускорений − акселерометрами.

Наиболее распространённые методы измерения линейных скоростей движущихся твёрдых тел: аэрометрический, компенсационный, термодинамический, корреляционный, доплеровский, электромагнитный, инерциальный и др.

Аэрометрический метод(рис. 1, а) основан на измерении скоростного (динамического) напора, функционально связанного со скоростью тела, движущегося в воздушной среде.

Скоростной напор определяется манометрической коробкой 3 путём сравнивания статического давления, образуемого при движении воздушной среды в приёмнике статического давления 1 и приёмнике полного давления 6. Результат сравнения показывается стрелкой 4 на отсчётном устройстве. Средства измерения, построенные на аэрометрическом методе, позволяют измерять скорость с погрешностью, не превышающей 2...3%.

Компенсационный метод (рис. 1, б) основан на автоматическом уравновешивании полного давления р_п и давления р_k, развиваемым воздушным компрессором 1. В манометрическом реле 2 с двумя полостями, в одну из которых поступает полное давление р_т а во вторую − давление р_k, р_п и р_k уравновешиваются. Замыкание цепи двигателя 3, приводящего во вращение компрессор, происходит тогда, когда давление р_п больше р_k. При этом мембрана манометрического реле 2 прогибается влево. При замыкании и размыкании контактов частота вращения электродвигателя поддерживается такой, при которой обеспечивается равенство р_п и р_k.

Рис. 1. Методы измерения и контроля линейных скоростей:

а − аэрометрический (1 − приёмник статического давления; 2 − корпус;

3 − манометрическая коробка; 4 − стрелка; 5 − трубопроводы; 6 − приёмник

полного давления); б − компенсационный (1 − воздушный компрессор;

2 − манометрическое реле; 3 − двигатель); в − термодинамический

(1 − открытая термопара; 2 − сумматор; 3 − делитель; 4 − экранированная

термопара); г −турбинный (7 − тангенциальная турбинка;

2 − аксиальная турбинка)
Термодинамический метод(рис. 1, в) основан на измерении температуры заторможенного потока воздушной среды с помощью открытой термопары 7 и экранированной термопары 4 (либо других преобразователей температуры). Разность сигналов этих термопар улавливается сумматором 2 и делителем 3. Для реализации этого метода необходимы малоинерционные измерители температуры. Погрешности средств измерений скоростей по этому методу обусловлены непостоянством параметров преобразователей температуры (7 и 4).

В турбинном методе(рис. 1, г) используется кинетическая энергия воздушного или водного потока для вращения тангенциальной 7 или аксиальной 2 турбинки. Частота вращения турбинки со будет пропорциональна скорости движения. Средства измерений в виде аксиальной турбинки нашли широкое применение при измерении скорости морских кораблей.

В последнее время всё чаще применяются корреляционные измерительные устройства, в частности, бесконтактный измеритель скорости проката, бумажного полотна или скорости движения транспортных средств.

Схема измерителя приведена на рис. 2. За перемещаемым объектом следят два фотоприёмника 7 и 2, размещённые на расстоянии l друг от друга. Они воспринимают отражённый от движущегося объекта свет. Сигналы фотоприёмников усиливаются, фильтруются и преобразуются в цифровой вид блоками 3, после чего поступают в процессор, который выполняет функции коррелятора. При появлении нерегулярностей (окалины на ленте проката, цветного рисунка и т.д.) соответствующие пики выходного сигнала второго фотоприёмника оказываются сдвинутыми на интервал времени Δt относительно аналогичных выбросов выходного сигнала первого фотоприёмника. Интервал Δt определяется корреляционным методом, по взаимно-корреляционной функции R(τ), которая описывается интегральным выражением

Так как сигнал второго фотоприёмника отстаёт на интервал времени Δt, то можно записать, что , т.е. сигналы u₁ и u₂ подобны по форме, а сигнал u₁ отстаёт во времени на величину транспортного запаздывания. Для определения R(τ) в корреляторе (вычислителе) сигнал u₁ последовательно задерживается блоком регулируемого запаздывания и умножается на сигнал u₂, а их произведение интегрируется во времени. Выходным сигналом интегратора является взаимно-корреляционная функция. Эти операции выполняют до появления максимума функции, указывающего на то, что регулируемая задержка сигнала u₁ в корреляторе достигла значения Δt. Значение регулируемой задержки при этом известно. Средняя скорость движения контролируемого объекта v составляет l/Δt и при постоянстве базы l равна обратному значению величины Δt.


Рис. 2. Бесконтактный корреляционный измеритель скорости перемещения объекта: а − функциональная схема измерителя скорости; б − зависимости сигналов фотоприёмников 7 и 2 от времени
Для измерения скоростей газовых потоков применяются термоанемометры − приборы, основанные на зависимости между количеством тепла, теряемым непрерывно нагреваемым или предварительно нагретым телом, и скоростью потока газа (редко жидкостью), в котором это тело находится. Таким образом, по температуре данного тела (например, нагреваемой током проволочки, помещённой в поток газа (воздуха) можно судить о скорости этого газа (воздуха)). При скорости газа более 3 м/с чувствительность термоанемометров очень низкая, поэтому они пригодны для измерения только малых скоростей потоков воздуха, газов или жидкости.

Измерители скорости, работающие на использовании эффекта Доплера, имеют в своём составе радар, включающий в себя источник ультразвуковых колебаний с частотой f_o, и приёмник ультразвуковых колебаний, отразившихся от движущегося со скоростью v объекта. Если объект приближается к радару, то частота колебаний f, отразившихся от него, будет больше первоначальной. Если наоборот, то частота будет меньше. Таким образом, по разности частот (f − fo) можно узнать о скорости объекта и о направлении его движения [1-2].
2 Методы и средства измерения скоростей вращения
В настоящее время наиболее широкое распространение в технике получили следующие методы измерения и контроля скоростей вращения: центробежные, магнитоиндукционные, электрические (постоянного и переменного тока), индукционные и стробоскопические.

Центробежный метод характерен тем, что чувствительный элемент реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравновешенными массами вращающегося вала. Этот метод реализуется в коническом и кольцевом тахометрах.

В коническом тахометре (рис. 3, а) на шарнирах, вращающихся вместе с осью, установлены грузики т, которые под действием центробежных сил расходятся, перемещая вдоль оси муфту 1 и сжимая пружину 2. Изменение положения муфты 1 регистрируется показывающим элементом тахометра − стрелкой. В кольцевом тахометре (рис. 3, б) при не вращающейся оси 2 (ω = 0) плоскость кольца наклонена по отношению к оси на определённый угол. При вращении кольцо стремится занять положение, перпендикулярное оси вращения, и вызывает перемещение муфты 1 и стрелки отсчётного устройства.


Рис. 3. Центробежные тахометры:

а − конический (1 − муфта; 2 − пружина); б − кольцевой (1 − муфта; 2 − ось)

Центробежные тахометры нередко применяются в качестве преобразователей в регуляторах частоты вращения. Недостатком этих средств измерения является отсутствие дистанционности, значительные погрешности и технологические трудности в изготовлении и регулировании.

Магнитоиндукционный методоснован на зависимости наводимых в металлическом теле вихревых токов от частоты вращения. Тахометры, построенные на этом методе, выполняются в двух вариантах: с цилиндрическим чувствительным элементом (рис. 4, а) и дисковым чувствительным элементом (рис. 4, б). Основной частью магнитоиндукционного тахометра являются измерительный узел, который состоит из постоянного магнита 1 и чувствительного элемента 2, выполненного в виде полого цилиндра или диска. Обычно постоянный магнит имеет частоту вращения, которую необходимо измерить, а чувствительный элемент, выполненный из металла с большим удельным сопротивлением, удерживается от вращения спиральной пружиной. За счёт взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и вихревых токов создаётся вращающий момент, вызывающий поворот чувствительного элемента на угол, зависящий от значения измеряемой скорости вращения. В целях уменьшения температурной погрешности от непостоянной магнитной индукции в зазоре применяют термомагнитный шунт 3.


Рис. 4. Магнитоиндукционные тахометры:

а − с полым ротором; б − с диском; 1 − постоянный магнит;

2 − чувствительный элемент; 3 − термомагнитный шунт; 4 − магнитопровод

Магнитоиндукционные тахометры выполняются со шкалами, проградуированными в с^-1 (типа ТЭ) и с процентными шкалами (типа ИТЭ).

Электрический методизмерения основан на зависимости генерируемого напряжения от частоты вращения (для постоянного, переменного и импульсного тока), а для переменного и импульсного тока −на зависимости частоты тока от частоты вращения.

Электрические тахометры(рис. 5) включают в себя тахогенератор и гальванометр. Тахогенераторы бывают двух типов: с вращающимся постоянным магнитом и неподвижным постоянным магнитом.

Тахогенератор с вращающимся постоянным магнитом (см. рис. 5, а) выполняется с неподвижной статорной обмоткой, внутри которой помещается постоянный магнит, связанный с валом, скорость вращения которого измеряется. При вращении магнита и его магнитного поля индуцируется ЭДС в обмотках статора, пропорциональная скорости вращения. Такие тахогенераторы применяются в качестве преобразователей угловой скорости и скоростной обратной связи в системах управления. Достоинство такого тахогенератора − отсутствие коллектора и щёток.


Рис. 5. Схемы электрических тахометров:

а − тахогенератора; б − тахогенератора постоянного тока;

1 − постоянный магнит; 2 − обмотка якоря; 3 − коллектор со щётками;

ОУ − отсчётное устройство вторичного прибора
Основными элементами тахогенератора, показанного на (рис. 5, б) являются постоянный магнит 1 с соответствующими магнитопроводами, обмотка якоря 2 и коллектор со щётками 3. Снимаемое с коллектора напряжение постоянного тока измеряется гальванометром.

В тахометрах переменного тока тахогенератор состоит из вращающегося короткозамкнутого ротора и двух статорных обмоток, витки которых расположены под углом 90° относительно друг друга. Измерение угловой скорости ω сводится к измерению частоты переменного тока, равной частоте вращения или к измерению амплитуды напряжения на индикаторной обмотке. Первый способ более предпочтителен, так как частота вращения равна частоте переменного тока.

Среди тахометров переменного тока особое место занимают индукционные тахометры (рис. 6).


Рис. 6. Схема индукционного тахометра:

1 − внешний магнитопровод; 2 − внутренний магнитопровод;

3 − обмотка; 4 − ротор
Тахогенератор такого прибора представляет собой электрическую машину асинхронного типа, состоящую из внешнего 1 и внутреннего 2 магнитопроводов, в зазоре между которыми располагаются статорная обмотка 3, состоящая из обмотки возбуждения и сигнальной обмотки, и алюминиевый тонкостенный ротор 4, выполненный в виде цилиндра. Оси обмоток (катушек) возбуждения и сигнальной взаимно перпендикулярны. К обмотке возбуждения подводится переменное напряжение частотой 400 Гц, а с сигнальной обмотки снимается напряжение U_c той же частоты, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения полого ротора 4.

Индукционные тахометры, имея значительные погрешности, применяются только в качестве чувствительного элемента в системах управления.

Стробоскопический методизмерения угловой скорости основан на свойстве глаза сохранять видимое изображение на десятые доли секунды после его исчезновения. Средства измерения, построенные по этому принципу, являются наиболее точными из рассмотренных выше. Они нашли применение в лабораторных исследованиях, а также при создании образцовых средств измерений. Принцип реализации эффекта поясняет рис. 7. Если отметку 4 на вращающемся валу 1 освещать вспышками света от источника 2, то при совпадении числа вспышек с частотой вращения отметка будет казаться неподвижной. Если эта разность будет отлична от нуля, то отметка начнёт вращаться со скоростью в ту или иную сторону, в зависимости от знака разности частоты вращения и числа вспышек. Поскольку глаз оператора 3 замечает очень медленное движение отметки, то, подбирая частоту вспышки посредством устройства регулирования вспышки УРВ, можно остановить отметку и определить частоту вращения вала.

Точность измерения определяется точностью воспроизведения и измерения частоты вспышек, точностью регистрации моментов остановки стробоскопической картины [1,3].


Рис. 7. Схема стробоскопического тахометра:

1 − вращающийся вал; 2 − источник света; 3 − глаз оператора; 4 − отметка; УРВ − устройство регулирования вспышки
Список использованных источников
1. Дивин, А.Г. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: учебное пособие. В 5 ч. / А.Г. Дивин, С.В. Пономарев, Г.В. Мозгова. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. – Ч. 2. – 108 с.

2. Зайцев, С.А. Контрольно-измерительные приборы и инструменты: учебное пособие / С.А. Зайцев, Д.Д. Грибанов, А.Н. Толстов, Р.В. Меркулов. – М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 464 с.

3. Раннев, Г.Г. Методы и средства измерений: учебник для вузов / Г.Г. Раннев, А.П. Тарасенко. – 3-е изд., стер. Издательский центр «Академия», 2006. – 336 с.