книги / Метрология, стандартизация и сертификация. Методы и средства измерения физических величин

УДК 681.2.04 М35

Рецензенты: Доцеигг И.И. Кузнецов

(Пермский государственный университет) д-р техн. наук, профессор АЛ. Южаков

(вице-президент Пермского регионального отделения Западно-Уральской академии информациологии)

Матушкин Н.Н., Суханов Е.Е.

М35 Метрология, стандартизация и сертификация. Методы и средст­ ва измерения физических величин: Учеб, пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2001. 125 с.

ISBN 5-88151-285-5

Рассмотрены методы и средства измерений линейных и угловых перемещений, положения, угловой скорости, ускорений, вибраций, тем­ пературы, давления, расхода, уровня, усилий и крутящего момента. При­ ведены технические характеристики датчиков с электрическим выходным сигналом.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах».

ВВЕДЕНИЕ

Уровень развития измерительной техники является одним из важ­ нейших показателей технического прогресса. Причем развитие этой техни­ ки должно опережать развитие других видов техники.

Метрология как учение об измерениях в значительной степени опре­ деляет темпы технического прогресса, роль ее постоянно возрастает с уве­ личением объема и значимости измеряемой информации. Огромный объем информации, получаемый в результате измерений, будет полезным только при обеспечении единства и правильности измерений независимо от места, времени и условий их выполнения.

Одна из основных задач метрологии - обеспечение необходимой точности и достоверности измеряемой информации. В народном хозяйстве применяют лишь те средства измерений, которые гарантируют качество результатов. Оценка погрешности результата измерения в современных условиях - задача комплексная и сложная. Ошибочная оценка погрешно­ сти измерения чревата экономическими потерями, неправильными выво­ дами в научных исследованиях и испытаниях образцов новой техники.

Сегодня тысячи физических величин, в том числе параметры техно­ логических процессов, приходится измерять в разнообразных и порой са­ мых неблагоприятных условиях, что немыслимо без совершенных первич­ ных измерительных преобразователей - датчиков физических величин. Неуклонно повышаются требования к их точности, чувствительности, бы­ стродействию. Следует отметить, что точность многих средств измерений зачастую определяется точностью датчиков. Повышение их качества будет предпосылкой повышения точности средств измерения в целом.

На сложных объектах при измерении большого числа величин в те­ чение малого интервала времени, при измерении быстроменяющихся па­ раметров используются информационные измерительные системы (ИИС) на базе микроЭВМ.

Базой для создания сложных информационных измерительных и вы­ числительных систем является государственная система приборов (ГСП) и средств автоматизации. Из многообразия измеряемых параметров, необхо­ димых для удовлетворения потребностей отраслей народного хозяйства, можно выделить следующие структурные группы: теплоэнергетические (температура, давление, уровень, расход), электроэнергетические (сила электрического тока, напряжение, ЭДС, мощность, частота, индуктив­ ность, электрическая емкость, электрическое сопротивление), механиче­ ские (линейные и угловые величины, угловая скорость, число изделий, вибрация, звуковое давление, масса), химические (состав) и физические (влажность, проводимость, плотность, вязкость, мутность и др).

Структура построения и развития ГСП базируется на следующих принципах: агрегатировании (наращивание и видоизменение функций тех­

нических средств осуществляется за счет сочленения унифицированных блоков, модулей и комплектных изделий); унификации сигналов, интер­ фейсов, конструкций, элементной базы, модулей и блоков (унификация призвана обеспечить информационную, конструктивную, метрологиче­ скую, эксплуатационную и программную совместимости изделий); мини­ мизации номенклатуры и реализации в изделиях рациональных эстетиче­ ских и эргономических требований.

1. ДАТЧИКИ

Датчик - элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий измеряемую (контро­ лируемую) величину (давление, температуру, скорость, перемещение и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хране­ ния, регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы. Датчик - конструктивная совокупность ряда измерительных преобразова­ телей, размещаемых на объекте.

Измерительный преобразователь - это техническое устройство, по­ строенное на определенном физическом принципе действия и выполняю­ щее одно измерительное преобразование (отражение размера одной физи­ ческой величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной).

Выходные сигналы датчиков различаются по характеру модуляции потока энергии - амплитудные (напряжение, ток), времяимпульсные, час­ тотные, фазовые и дискретные (цифровые).

Многие датчики имеют на выходе изменяющиеся сопротивление, индуктивность или емкость и рассчитаны на выдачу указанных выше вы­ ходных сигналов не непосредственно, а только после добавления к ним той или иной измерительной схемы, которую обычно располагают во вторич­ ном приборе. Такие датчики называются параметрическими. В отдельную подгруппу можно выделить генераторные датчики. Выходной сигнал дат­ чиков этой подгруппы - ЭДС или ток. К ним относятся индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические, полярографические и другие датчики.

Основными характеристиками датчика являются:

а) вид функциональной зависимости между изменениями входной (х)

ивыходной (у) величины: у = / (х); предпочтительна линейная зависимость

у= 5х;

б) чувствительность s = Ay f Дх;

в) порог чувствительности, равный величине аддитивной погрешно­

сти;

г) абсолютная, относительная и приведенная погрешности (в техни­ ческих характеристиках чаще указывается приведенная погрешность, ко­ торая выражается обычно в процентах от разности предельных значении выходного сигнала при нормальных внешних условиях);

д) дополнительная погрешность - погрешность, вызываемая выхо­ дом значений внешних условий за пределы значений условий, которые считаются нормальными. За нормальные условия обычно принимаются: температура окружающей среды (20 ± 5)°, атмосферное давление (760 ±

± 20) мм рт. ст., относительная влажность (60 ± 20) %, напряжение питания (220 ± 15) В;

е) постоянная времени - датчики представляют собой инерционные (термопары, термометры сопротивления) или колебательные (с упругими чувствительными элементами) звенья.

По структуре датчики состоят из одного или нескольких соединен­ ных в единую систему измерительных преобразователей. Важнейшим из них является первый преобразователь, воспринимающий контролируемую величину (чувствительный элемент датчика). В простейшем случае выход­ ная величина чувствительного элемента и его характеристики совпадают с требуемой выходной величиной и характеристиками датчика. При этом датчик состоит из одного измерительного преобразователя (рис. 1, а). К такого рода простейшим датчикам относятся, например, термопара, тер­ мометр сопротивления, тензодатчик и др.

Сложные датчики строятся по различным структурным схемам:

1.Каскадное соединение преобразователей (рис. 1, б) позволяет по­

лучить необходимый вид выходного сигнала при выбранном чувствитель­ ном элементе путем последующих преобразований. Нередко датчик со­ держит в качестве одного из своих элементов преобразователь, который в других случаях используется как самостоятельный датчик. Например, мно­ гие датчики давления представляют собой каскадное соединение упругого чувствительного элемента, механического передаточного устройства и ин­ дуктивного датчика. В качестве выходного органа датчика используются усилители, поднимающие уровень выходного сигнала, генераторы.

2.Дифференциальное соединение преобразователей (рис. 1, в) осу­

ществляется таким образом, что их полезные сигналы складываются, а сигналы, вызванные изменением внешних условий (температуры, пи­ тающего напряжения), вычитаются. В ряде случаев дифференциальное включение преобразователей позволяет спрямлять их нелинейную харак­ теристику.

3.Компенсационные датчики (рис. 1, г) основаны на автоматическом уравновешивании измеряемой величины (непосредственно или после предварительного преобразования чувствительным элементом) другой ве­ личиной того же рода. Широко применяются датчики с компенсацией

Рис. 1.1. Структурные схемы датчиков (слева - структурная схема, справа - примеры выполнения): а - простейший вид датчика (термопара); б - каскадное соединение преобразователей; в -

дифференциальный датчик; г - компенсационный датчик; I - чувствительный элемент; 2 - выходной орган датчика; 3 - измеритель рассогласования; 4 - усилитель; 5 - орган обратной связи; б -

промежуточный орган датчика

усилия и компенсацией перемещения. Компенсационные датчики обеспе­ чивают высокую точность измерения, а датчики с компенсацией усилия обладают при этом еще минимальным порогом чувствительности и явля­ ются, как правило, многопредельными, так как соотношение измеритель­ ного и компенсирующего усилий легко изменять простой настройкой пе­ редаточного отношения плеч рычагов кинематики преобразователя.

В технических данных на датчик указывается его нормированная по­ грешность. В зависимости от вида погрешности датчика различают не­ сколько способов ее нормирования.

Если аддитивная погрешность (не зависит от чувствительности и яв­ ляется постоянной для всех значений входной величины в пределах диапа­ зона измерений) преобладает над мультипликативной (зависит от чувстви­ тельности и изменяется пропорционально текущему значению входной ве­ личины), то удобнее нормировать абсолютную или приведенную погреш­ ность. Нормирующее значение погрешности выражается одним числом:

Д = ±а.

Но нормирование по абсолютной погрешности не позволяет сравнивать приборы с разными диапазонами измерений по точности, поэтому принято нормировать приведенную погрешность:

у= — •100 = +Р,

ч

где Xk- предельное значение диапазона шкалы;

Р - отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда 1-10”; 1,5-10”; 210я; 2,5-10”; 4-10”; 5-10”; 6-10” (п = 1; 0; -1; -2 и т.д.).

Если мультипликативная погрешность преобладает над аддитивной, то нормируется предел допускаемой относительной погрешности, так как последняя постоянна по диапазону измерений и выражается одним чис­ лом:

5 = -Ю О = ±<7,

X

где 5 - относительная погрешность;

Д- абсолютная погрешность;

х- текущее значение входной величины;

q - отвлеченное положительное число, выбирается из того же ряда, что и для Р.

Для средств измерений с аддитивной и мультипликативной погреш­ ностями нормируется предел допускаемой относительной погрешности:

Как правило, таким образом нормируют средства измерения высокой точности и обозначают отношением dd (например, 0,5/0,1), числа с и d вы­ бирают из того же ряда, что и Р.

Основными требованиями к датчикам в зависимости от конкретных условий, являются:

1)однозначная зависимость выходной величины от входной (отсут­ ствие гистерезиса);

2)высокая избирательность;

3)минимальное влияние внешних факторов;

4)высокая чувствительность;

5)стабильность характеристик во времени;

6)взрывобезопасность;

7)устойчивость против механических, термических, электрических и т.п. перегрузок;

8)простота и технологичность конструкции;

9)взаимозаменяемость;

10)удобство монтажа и обслуживания;

11)малая постояннаявремени и др.

Современное развитие полупроводниковой техники, появление и развитие микропроцессорной техники и планарной технологии значитель­ но изменили требования к датчикам. Исследование и разработка новых датчиков основываются на высоких технологиях, обеспечивающих прак­ тическую реализацию микродатчиков, базирующихся на групповых техно­ логиях микроэлектроники, оптоэлектроники и микроэлектроники, что по­ зволяет средствам измерения стать технологически совместимыми с мик­ роэлектронными системами управления и обработки информации.

В настоящее время сформировались два принципиально различных подхода к перспективам исследований и разработки новых датчиков. Пер­ вый подход, требующий колоссальных материальных, интеллектуальных и организаторских затрат, связан с разработкой принципиально новых кон­ струкций датчиков на основе применения технологий и материалов микро­ электроники. При этом достигается высокая воспроизводимость физико­ механических свойств и геометрических параметров основных конструк­ тивных элементов, существенно снижаются погрешность, массогабарит­ ные показатели и стоимость датчиков.

Второй подход более дешевый - это модернизация существующих типов датчиков с целью снижения их погрешности, расширения пределов измерения и ужесточения условий эксплуатации. Обычно модернизации подвергаются датчики традиционных конструкций (с преобладанием эле­ ментов электромеханики). При модернизации применяются новые, более современные конструкционные материалы, вводятся в измерительную сис­ тему дополнительные термокомпенсирующие элементы; с помощью мик­ роконтроллеров и т.п. устраняются систематические погрешности.

Важно не упустить возможности, которые сулит первый подход, и не растерять преимущества, достигнутые последователями второго подхода к созданию новых датчиков.

На основе первого подхода к развитию технологии созданы датчики с микропроцессорными вычислительными блоками, «интеллектуальные», что позволяет повысить точность измерений, компенсировать погрешность нелинейности, осуществить коррекцию выходных сигналов датчиков при воздействии ряда возмущающих величин, выполнить функциональный контроль и диагностику отдельных узлов. Микропроцессор в датчике уп­ рощает и удешевляет процедуру градуировки, перестройки датчика на дру­ гие пределы измерения и связь с центральной информационной системой.

Библиографический список

1.Виглеб Г. Датчики. М., 1989.

2.Како Н., Яманэ Я. Датчики и микроЭВМ. Л., 1986.

3.Донгов В.А., Келин А.В. Электронные датчики для автоматиче­ ских систем контроля. М., 1968.

4.Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецов Н.Н. Датчики контроля и регулирования. М., 1965.

5.Аш Ж. Датчики измерительных систем. М., 1992.

6.Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник /

Под общ. ред. В.В. ЧеренковаЛ., 1987.

7.Приборы и системы управления. 1998. № 1,4, 5, 11; 1999. № 11

2.СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

ИПОЛОЖЕНИЯ

Линейные перемещения и положение (размер) приходится измерять в машиностроении, геодезии, военном деле, космонавтике, производстве интегральных схем, астрономии и др. Эго распространение обусловлено тем, что при измерении некоторые физические величины, такие как меха­ ническое напряжение, сила, момент, давление, параметры движения (ско­ рость перемещения, ускорение) и др., преобразуются чувствительным эле­ ментом в перемещения, а затем с помощью датчика перемещения - в элек­ трический сигнал.

Линейные перемещения как измеряемый параметр охватывают ши­ рокий диапазон размеров и подразделяются на три поддиапазона:

- от долей микрометра до нескольких метров (в машиностроении, приборостроении, производстве интегральных схем);