12 Заключение

Рассмотренные в пособии примеры ИП составляют незначительную долю выпускаемых серийно средств измерения физических величин и параметров процессов промышленных производств и научных исследований. Полные данные по преобразователям различного назначения можно найти в каталогах фирм – производителей. Кроме того, быстрое развитие науки и технологий приводят к непрерывному обновлению номенклатуры предлагаемых ИП и используемых для их функционирования физических эффектов.

Поэтому целью пособия является не описание работы всех типов выпускаемых ИП, а изложение физических законов и эффектов, на которых базируются разработки измерительных средств и методик их применения. Принципы построения ИП тоже, конечно, диалектически меняются – потенциометрические ИП меняются на тензометрические; контактные эффекты – на оптические и лазерные; в состав датчиков включают несколько первичных ИП и микропроцессорные средства преобразования измерительных сигналов и их коррекции.

Однако, во-первых, принципиально новые физические эффекты открываются достаточно редко; во-вторых, для понимания работы современных датчиков, при всех обновлениях их структурных схем, конструктивных усовершенствований, введения элементов цифровой техники, вполне достаточно знать основные физические эффекты; в-третьих, необходимой точности измерений невозможно достичь, если не учитывать влияние неинформативных составляющих физических объектов, воздействующих на ИП. А для этого необходимо всегда стараться ясно понять измерительную задачу, условия проведения измерений и провести анализ пригодности и достаточности выбранных ИП.

Для иллюстрации сказанного, приведем несколько примеров.

12.1. Рассмотрим датчик влажности фирмы Sensirion типа SHT 15 (рисунок 12.1). В корпусе микросхемы размером 7,5 × 4,9 мм размещены сенсор влажности, описанный в п. 7.4 (на схеме обозначен как «% RH Sensor»), преобразователь температуры, описанный в п. 5.5 (на схеме – «Temp. Sensor»), усилители («Amplification»), аналого-цифровой преобразователь, память с поправочными данными индивидуальной калибровки, узел передачи цифровых данных и т.д.

Понятно, что разработка датчика столь сложной структуры и организация его серийного производства является непростой научно – технической задачей и эти вопросы в пособии не обсуждались. Но для понимания принципов его работы, целесообразности введения ИП температуры и поправок по его показаниям – вполне достаточно усвоить физические процессы сорбции влаги в емкостных сенсорах (п. 7.4).

Однако одним выбором ИП исчерпать решение конкретных измерительных задач не удается.

Разберем одну из подобных реальных задач. Природный газ сжигается в топках котлов на тепловой электростанции для получения пара. В природном газе, наряду с метаном (основной компонент) присутствуют пары воды, пыль, сернистые соединения и т.д. Поскольку пары воды отнимают тепло от горящего газа, т.е. снижают его теплотворную способность, нелогично платить деньги за весь объем поставленного газа. Поэтому необходимо, наряду с измерением расхода газа расходомером переменного перепада давления (см. п. 10.2), измерять влажность газа и снижать плату за газ в функции от снижения его калорийности.

Сразу появляются вопросы: где ставить датчик влажности – до диафрагмы или после диафрагмы; влияет ли изменение давления газа на показания влагомера (у SHT 15 выходной цифровой сигнал дает показания в % относительной влажности); характеризует ли величина относительной влажности теплотворные свойства газа или необходимо измерять другой параметр, например, парциальное давление пара? Ответы на поставленные вопросы может дать только газовая динамика и термодинамика; микропроцессорная техника поможет только автоматизировать вычисления, если будут заданы корректные уравнения для расчетов. И не более того.

12.2 Другой пример из области измерения расхода природного газа. В котельных, использующих природный газ, перепад давления на диафрагме расходомера переменного перепада давления измеряют двумя датчиками. Это связано с тем, что в сильные морозы котлы работают на полную мощность и расход газа большой, соответственно, и большой перепад давления на диафрагме; перепад измеряется датчиком разности давлений на 160 кПа. Летом расход значительно меньше и для его измерения параллельно первому датчику разности давлений установлен второй на 16 кПа.

Подобная схема вполне логична и корректна. Но при одном условии – если была проверена и подтверждена стабильность коэффициента расхода α, являющаяся функцией числа Рейнольдса (см. п. 10.2).

А если коэффициент расхода α оказался нестабильным в диапазоне изменения скоростей потока газа (и, соответственно, разности статических давлений)? Придется устанавливать диафрагму с меньшим диаметром отверстия или, при неизменной диафрагме, усложнять алгоритм измерения, вводя постоянное определение коэффициента α (задача не из простых).

12.3 Еще один пример. Обдувается макет самолета в газодинамической трубе. Поскольку вязкость воздуха и его плотность зависят от температуры, то необходимо ее измерять, например, термометром сопротивления. Вопрос – во что превращается кинетическая энергия потока газа, остановленная корпусом датчика температуры? Ответ был дан в п. 9.4.3 – она переходит в тепло. Но в таком случае показания термометра будут завышены относительно действительной температуры газа на величину температуры его торможения.

Это может быть не очень большая величина, находящаяся в пределах погрешности измерений. В любом случае ее сначала необходимо вычислить и оценить значимость результата. Подобные расчеты проводились и проверялись экспериментально. По данным центрального аэродинамического института (ЦАГИ), при скоростях газа, близких к скорости звука, температура торможения достигает 30 К.

Приведенные примеры показывают, что использование ИП без совокупного теоретического анализа метрологических характеристик устройства и условий измерительной задачи (неинформативных параметров объекта измерений, внешних влияющих факторов, скорости протекания процессов и т.д.) не дают оснований предполагать, что измерения будут выполнены с заданными допустимыми погрешностями.

В области измерений еще раз подтверждаются слова великого физика Л. Больцмана: «Нет ничего практичнее хорошей теории».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. РГМ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. МЕТРОЛОГИЯ. Основные термины и определения

2. Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. проф. П.В. Новицкого. - Л.: «Энергия», 1975. – 576 с.

3. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: Учебник для вузов – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 336 с.

4. Информационно – измерительная техника и электроника: учебник для студентов высших учебных заведений под ред. Г.Г. Раннева – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 512 с.

5. Гуревич А.Г. Физика твердого тела: учебное пособие для вузов – С-Пб.: «Невский диалект», 2004. – 320 с.

6. Романовский Б.В. Основы химической кинетики – М.: «Экзамен», 2006.- 416 с.

7. Мясников И. А., Сухарев B. Я., Куприянов Л. Ю., Завьялов C. А. Полупроводниковые сенсоры в физико – химических исследованиях. - М.: “Наука”, 1991.

8. Киселев В.Ф., Крылов О.В. Электронные явления в адсорбции и катализе на полупроводниках и диэлектриках. М.: Наука, 1979. - 390 с.

9. Роберте Ч., Макки Ч. Химия поверхности раздела металл - газ. М.: Мир; 1981. - 544с.

10. Киселев В.Ф., Крылов О.В. Адсорбционные процессы на поверхности полупроводников и диэлектриков. - М.: Наука, 1978. - 318с.

11. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике, тома 1-7. – М.: Издательство «Мир», 1965 – 1966.

12. Аш Ж., Андре П., Бофон Ж. и др. Датчики измерительных систем: в 2-х книгах. Пер. с франц. – М.: Мир, 1992.

13. Измерения в промышленности. Справочник в 3 т.; т. 2 «Способы измерения и аппаратура» – М.: «Металлургия», 1990. - 384с.

14. Гриневич Ф.Б., Новик А.И. Измерительные компенсационно–мостовые устройства с емкостными датчиками – Киев: Наукова думка, 1987. - 112 с.

15. Гутников В.С., Соловьев А.Л. и др. Измерительная система для емкостных датчиков – ж. «Приборы и системы управления», 1991, № 5.

16. Sensors and Actuators, 1984, v.4, N 5.

17. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник/ Под общ. ред. Григорьева В.А., Зорина В.М. – М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560с.

18. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло - массообмена – М.: Высшая школа, 1974. - 328 с.

19. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник – Л.: «Машиностроение», 1989. – 702 с.

20. Физический энциклопедический словарь – М.: «Советская энциклопедия», 1983.- 928 с.

21. Веников В.А. Теория подобия и моделирования – М., Высшая школа,1976. - 480 с

22. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник – М.: «Техносфера», 2005. - 588 с.

23. Российская метрологическая энциклопедия. – С-Пб.: «Лики России», 2001. – 840с.

24. Technik der Magnetspeicher. Herausgegeben von Prof. Winkel F. – Berlin., “Springer – verlag”. 1960. – 514 p.

25. Готра З.Ю., Ильницкий Л.Я. и др. Датчики. Справочник – Львов: «Каменяр», 1995. – 312 с.

26. Геращенко О.А., Гордов А.Н. и др. Температурные измерения. Справочник – Киев: «Наукова думка», 1984.- 494 с.

27. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств – М.: Машиностроение, 1976. – 312 с.

29. Щепетов А.Г. Теория, расчет и проектирование измерительных устройств – М.: Стандартинформ, 2006. – 326 с.