|
|
Аппарат управления. Автомат системы упр-я тех процессами для Бакаревой. Содержание Основные способы и методы измерений 3 12. Термометры расширения 4
Содержание
1. Основные способы и методы измерений 3
12. Термометры расширения 4
23. Пружинные (деформационные) приборы для измерения давления 8
41. Поплавковые (ареометрические) плотномеры 10
Список рекомендуемой литературы 12
Метод измерений – это совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Все без исключения методы измерения являются разновидностями одного единственного метода – метода сравнения с мерой, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (однозначной или многозначной). Различают следующие разновидности этого метода:
метод непосредственной оценки, (значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству многозначной меры, на которую непосредственно действует сигнал измерительной информации, например, измерение электрического напряжения вольтметром);
метод противопоставления (измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения – компаратор, например – равноплечие весы);
дифференциальный метод (сравнение меры длины с образцовой на компараторе);
нулевой метод (результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения равен нулю);
метод замещения – измеряемую величину заменяют известной величиной, воспроизводимой мерой (взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну чашу весов);
метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение меток шкал или периодических сигналов (измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом).
Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.
Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят по известной зависимости межу этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (нахождение плотности по массе и размерам)
Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят из системы уравнений, получаемых при прямых измерениях (нахождение массы гири в наборе по известной массе одной из них и по результатам сравнения масс различных сочетаний гирь)
Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или более неодноименных величин для выявления зависимости между ними.
Самыми известными для нас являются, конечно, дилатометрические методы. Здесь используется явление теплового расширения тел.
С амыми простыми термометрами являются газовые. В газовой термометрии термометрическим свойством является температурная зависимость давления газа (при постоянном объеме) или объема газа (при постоянном давлении), соответственно различают — газовый термометр постоянного объема и газовый термометр постоянного давления. Термометрическое вещество в этих термометрах — газ, приближающийся по своим свойствам к идеальному. Уравнение состояния идеального газа pV = vRT устанавливает связь абсолютной температуры Т с давлением р (при постоянном объеме V) или Т с объемом V (при постоянном давлении).
Чаще всего применяют газовые термометры постоянного объема, которые представляют собой заполненные газом баллоны 1 неизменного объема, соединенные тонкой трубкой 2 с устройством 3 для измерения давления. В таком газовом термометре изменение температуры газа в баллоне пропорционально изменению давления. Газовым термометром измеряют температуры в интервале от 2К до 1300 К. Предельно достижимая точность газового термометра в зависимости от измеряемой температуры 3·10-3— 2·10-2град. Газовый термометр такой высокой точности — сложное устройство; при измерении им температуры учитывают: отклонения свойств газа, заполняющего прибор, от свойств идеального газа; изменения объема баллона с изменением температуры; наличие в газе примесей, особенно конденсирующихся; сорбцию и десорбцию газа стенками баллона; диффузию газа сквозь стенки, а также распределение температуры вдоль соединительной трубки.
Температурная шкала газового термометра совпадает с термодинамической температурной шкалой, и газовый термометр применяется в качестве первичного термометрического прибора. При помощи газового термометра определены температуры постоянных точек (реперных точек) Международной температурной шкалы.
Н
Рис. 1. Жидкостные термометры: а — комнатный термометр с наружной шкалой; б — лабораторный термометр с вложенной шкалой, имеющий на шкале точку 0°С.
аиболее известные в нашей практике — это, конечно, жидкостные термометры — метеорологические, медицинские и т.д. Обычный человек под словом «термометр» понимает именно жидкостный термометр. В таких приборах термометрическим свойством является тепловое расширение жидкостей, термометрическим веществом — главным образом ртуть. При определении температуры не производят измерений объема жидкости; для этого при изготовлении калибруют капилляр термометра в °С, то есть по его длине наносят отметки с интервалами, соответствующими изменению объема при заданном изменении температуры. Точность термометра зависит от точности калибровки. Широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от ‑200 до 750°С.
Жидкостный термометр представляет собой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему капилляром (из того же материала). Шкала в °С наносится непосредственно на толстостенный капилляр (так называемый палочный термометр) или на пластинку, жестко соединенную с ним (термометр с наружной шкалой, рис. 1, а). Термометр с вложенной шкалой (рис. 1, б) имеет внешний стеклянный (кварцевый) чехол. Термометрическая жидкость заполняет весь резервуар и часть капилляра. В зависимости от диапазона измерений термометры заполняют пентаном (от -200 до 20°С), этиловым спиртом (от -80 до 70°С), керосином (от -20 до 300°С), ртутью (от -35 до 750°С) и др.
Наиболее распространены ртутные термометры, так как ртуть остается жидкой в диапазоне температур от -38 до 356°С при нормальном давлении и до 750 °С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняют азотом). Кроме того, ртуть легко поддается очистке, не смачивает стекло, и ее пары в капилляре создают малое давление. Термометры изготавливают из определенных сортов стекла и подвергают специальной термической обработке («старению»), устраняющей смещение нулевой точки шкалы, связанное с многократным повторением нагрева и охлаждения термометра (поправку на смещение нуля шкалы необходимо вводить при точных измерениях).
Термометры имеют шкалы с различной ценой деления от 10 до 0,01°С. Точность термометра определяется ценой делений его шкалы. Для обеспечения требуемой точности и удобства пользуются термометрами с укороченной шкалой; наиболее точные из них имеют на шкале точку 0°С независимо от нанесенного на ней температурного интервала. Точность измерений зависит от глубины погружения термометра в измеряемую среду. Погружать термометры следует до отсчитываемого деления шкалы или до специально нанесенной на шкале черты (хвостовые термометры). Если это невозможно, вводят поправку на выступающий столбик, которая зависит от измеряемой температуры, температуры выступающего столбика и его высоты.
Основные недостатки таких термометров — значительная тепловая инерция и не всегда удобные для работы габариты. К термометрам специальных конструкций относят метеорологические, метастатические, медицинские термометры и т.д. Медицинские ртутные термометры имеют укороченную шкалу (34-42°С) и цену деления шкалы 0,1°С. Действуют они по принципу максимального термометра — ртутный столбик в капилляре остается на уровне максимального подъема при нагревании и не опускается до встряхивания термометра.
О ригинальным прибором является метастатический термометр или термометр Бэкмана — ртутный термометр с вложенной шкалой, служащий для измерения небольших разностей температур, изобретенный в 1888 году. Основная шкала термометра Бэкмана обычно рассчитана на 3—5°С и имеет цену деления 0,02°С, 0,01°С и даже 0,005°С. Интервал температур, измеряемых таким термометром, обусловлен количеством ртути в резервуаре 1 и капилляре 3 термометра. Ртуть из резервуара 1 может быть частично удалена в дополнительную камеру 2, снабженную вспомогательной шкалой на всю область применения термометра Бэкмана с ценой деления 1—2°С. Перед началом работы ртуть в камере 2 устанавливают по шкале на крайней отметке измеряемого интервала температур и встряхиванием отделяют ее от ртути, находящейся в капилляре 3 и резервуаре 1, после чего термометр готов к измерениям. Точность отсчетов по термометру Бэкмана обычно составляет 0,002°С. Область применения термометра Бэкмана — лабораторная практика (калориметрия, измерения вблизи точек фазовых переходов и др.). Дело в том, что термодинамические функции — внутренняя энергия, энтальпия, энтропия — очень важные для термохимических расчетов, могут быть рассчитаны по формулам статистической физики с большой погрешностью или измерены косвенным путем. Некоторое количество вещества подвергают физическому или химическому превращению в термостате, при этом общая температура меняется весьма незначительно. Однако такие термометры постепенно выходят из употребления, заменяясь более удобными и современными датчиками.
Газовые, конденсационные и жидкостные термометры имеют общее название — манометрические термометры.
23. Пружинные (деформационные) приборы для измерения давления
В основе этих приборов лежит зависимость величины деформации упругого элемента и величины измеряемого давления. В качестве упругих чувствительных элементов (ЧЭ) применяют: мембраны; сильфоны; упругие элементы с овальным поперечным профилем; сочетание нескольких мембран или нескольких сильфонов и д.р.
Деформационные манометры, вакуумметры, мановакуумметры, тягомеры, напоромеры, дифференциальные манометры и барометры составляют обширную группу приборов для технических измерений.
Принцип действия деформационных приборов основан на уравновешивании измеряемой величины усилиями деформации различного вида упругих элементов. Величина деформации упругого элемента с помощью различных устройств преобразуется в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.
Ц
Рисунок 1 — Упругие элементы: а — трубчатая пружина; б — много-витковая трубчатая пружина; в — мембрана; г — сильфон
енными свойствами данных приборов являются: простота устройства и эксплуатации; универсальность; портативность; большой диапазон измеряемых величин.
В пружинных манометрах используют упругость различных пружин — трубчатой, многовитковой (геликоидальной) трубчатой одновитковой, пластинчатой (мембраны) и гармоникообразной (сильфона), показанных на рис. 1.
Манометр с трубчатой пружиной применяют для измерения давления в очень широких пределах. На рис. 2 показана конструкция такого манометра с секторным передаточным механизмом.
Прибор состоит из трубчатой пружины 5, один конец которого впаян в отверстие держателя 1, а другой наглухо запаян и несет на себе наконечник 10. Полость пружины связана с измеряемой средой через канал в держателе 1, снабженным радиальным штуцером 14. Держатель прибора оснащен платой 2, на которой монтируется трубко-секторный механизм. Последний включает в себя зубчатое колесо (трубку) 8 и зубчатый сектор 9. Для исключения люфта в передаточном механизме используется спиральная пружина 7, один конец которой с помощью штифта крепится на оси трубки, а другой — к колонке 6, укрепленной на плате 2. К хвостовику сектора 9 с помощью винта 12 крепится тяга 4. Посредством тяги перемещение свободного конца пружины передается зубчатому сектору, который имеет ось вращения 14. Вращение зубчатого сектора передается трубке, на оси которой насажена стрелка 4 для отсчета показаний на шкале 4.
Ш
Рисунок 2 — Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной
кала манометра равномерная, поскольку перемещение свободного конца пружины пропорционально измеряемому давлению. Регулировка хода стрелки производится винтом 12.
Вакуумметр с одновитковой трубчатой пружиной конструктивно идентичен рассмотренному манометру. Отличие состоит только в шкале и направлении перемещения стрелки. Особенностью мановакуумметра является стрелка, которая выполняется с нулем в средней части. Шкала, расположенная слева от нуля, служит для измерения вакуума, а шкала, расположенная справа, для измерения избыточного давления.
Наряду с рассмотренными приборами, оснащенными одинаковой трубчатой пружиной, в практике измерения давления и разряжения получили широкое распространение манометры и вакуумметры, снабжённые электроконтактными сигнализирующими устройствами. Эти средства измерений давления получили название электроконтактных. Класс точности электроконтактных манометров и вакуумметров (например, серии ЭКМ), как правило, составляет 1,5.
Основная погрешность технических манометров в зависимости от качества трубчатых пружин составляет 1,5…4 % предельного значения шкалы, контрольных манометров 1 %, образцовых манометров 0,2; 0,35 и 0,5 %.
У манометров с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной вследствие большой длины многовитковой пружины величина перемещения ее свободного конца больше, чем у трубчатой одновитковой пружины, при одном и том же давлении (рис. 1, б).
41. Поплавковые (ареометрические) плотномеры
Принцип действия этих механических плотномеров основан на непрерывном измерении выталкивающей (подъемной) силы, действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в анализируемое вещество.
Н а рис. 1, б показана схема поплавкового плотномера жидкостей с частично погруженным поплавком 2, который размещен в емкости 1. Через эту емкость непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. За счет перелива в емкости поддерживается постоянный уровень. Анализируемая жидкость удаляется из плотномера через сборник 3. При изменении плотности жидкости изменяется степень погружения поплавка 2 в емкость. Достижение положения равновесия сил N и GП обеспечивается при этом изменением длины l стержня 4, погруженного в жидкость. Перемещение поплавка 2 преобразуется в электрический сигнал с помощью дифференциального трансформатора 5.
Вес поплавка 2 со стержнем 4 (в воздухе) GП и выталкивающая сила N, действующая на поплавок, описываются выражениями GП = mg, N = (V + lS)ρg, где m — масса поплавка и стержня; V—объем поплавка; l — длина участка стержня, погруженного в жидкость; S — площадь поперечного сечения стержня.
При равенстве сил GП и N получаем с учетом действия на стержень на поверхности раздела фаз сил поверхностного натяжения  , где А — постоянная для данной жидкости величина, учитывающая поверхностное натяжение.
Как видно, длина l, а следовательно, и сигнал дифференциального трансформатора 5 однозначно связаны с плотностью жидкости. Массу m подбирают в зависимости от диапазона измерений.
Существует много различных конструкций плотномеров с частично погруженным поплавком. Они обладают высокой чувствительностью, что позволяет осуществлять измерение плотности в узком диапазоне (всего 0,005—0,01 г/см3) с погрешностью ±(1,5—3) % от диапазона измерений. На рис. 1, в показана схема поплавкового плотномера жидкостей с полностью погруженным поплавком 2. Последний размещен в камере 1, через которую прокачивается анализируемая жидкость. Изменение выталкивающей силы, действующей на поплавок, при прочих постоянных условиях пропорционально изменению плотности жидкости. Поплавок укреплен на рычаге 3, герметичность вывода которого из камеры 1 обеспечивается сильфоном 4. Момент на рычаге 3, создаваемый выталкивающей силой при значении плотности, соответствующем нижнему пределу измерений, уравновешивается моментом, создаваемым противовесом 5. Изменение выталкивающей силы преобразуется преобразователем силы 6 в унифицированный пневматический или электрический сигнал СВЫХ. Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность от 0,5 до 1,2 г/см3. Диапазон измерений может быть установлен от 0,05 до 0,2 г/см3 в любой части указанного интервала. Температура анализируемой жидкости может составлять -5  +110°С. Класс точности 1.
Список рекомендуемой литературы
Евтехиев Н. Н. и др. Измерение электрических и неэлектрических величин. ― М.: Энергоиздат, 1990. ― 322 с.
Жаргалов Б. С. Физические основы измерений. Курс лекций «Универсальные физические постоянные». Часть I. ― Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2002. ― 14 с.
Измерения в промышленности: Справочник в 3-х частях., пер.с нем. / Под. ред. Профоса П. ― 2-е изд., перераб. и доп. ― М.: Металлургия, 1990. ― 492 с., 384 с., 344 с.
Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. ― М.: Мир, 1990 ― 535 с.
Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учебное пособие для вузов / Б. П. Хромой, А. В. Кандинов, А. Л. Сенявский и др.; Под ред. Б. П. Хромого. ― М.: Радио и связь, 1986.
Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б. Я. Авдеев, Е. М. Антонюк, Е. М. Душин и др. ― Л.: Энергоатомиздат, 1987.
Раннев Г. Г., Тарасенко А. П. Методы и средства измерений ― М.: Академия, 2003 ― 336 с.
Суханова В. К., Суханов В. П. Физические основы измерений: Учебное пособие. ― Владивосток, Изд-во ДВГАЭУ, 2002 ― 360 с.
Электрические измерения: Учебник для вузов / Л. Л. Байда, Н. С. Добротворский, Е. М. Душин и др.; Под. ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина. ― Л.: Энергия, 1980.
|
|
|
Скачать 294 Kb.