При измерении линейных величин независимо от рассмотренных методов различают контактный и бесконтактный методы измерений.

В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают инструментальный, экспертный, эвристический и органолептический методы измерений.

• Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.

• Экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине.

• Эвристические методы оценки основаны па интуиции. Широко используется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения.

• Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса). Часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов).

Чувствительность измерительного прибора свойство измерительного прибора, выражаемое отношением линейного (Δl) или углового (Δα) перемещения указателя по шкале прибора (сигнала на выходе прибора) к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную Ч. и. п.

        или

        где Δx — изменение измеряемой величины х, выраженное в её единицах, и относительную Ч. и. п.

        или

Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, для оптиметра и длиномера это - 0,001 мм, а для микрометра - 0,01 мм.

Динамический диапазон (техника) — характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления, представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства (системы).

4) Погрешность измерения — оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точностиизмерения.

Классификация погрешностей [править]По форме представления

Абсолютная погрешность —   является оценкой абсолютной ошибки измерения. Величина этой погрешности зависит от способа её вычисления, который, в свою очередь, определяется распределением случайной величины  . При этом неравенство:  , где   — истинное значение, а   — измеренное значение, должно выполняться с некоторой вероятностью, близкой к 1. Если случайная величина   распределена по нормальному закону, то обычно за абсолютную погрешность принимают её среднеквадратичное отклонение. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина.

Существует несколько способов записи величины вместе с её абсолютной погрешностью.

• Обычно используется запись со знаком ±. Например, рекорд в беге на 100 метров, установленный в 1983 году, равен 9,930±0,005 с.

• Для записи величин, измеренных с очень высокой точностью, используется другая запись: цифры, соответствующие погрешности последних цифр мантиссы, дописываются в скобках. Например, измеренное значение постоянной Больцмана равно 1,380 6488(13)×10⁻²³ Дж/К, что также можно записать значительно длиннее как1,380 6488×10⁻²³±0,000 0013×10⁻²³ Дж/К.

Относительная погрешность — погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины (РМГ 29-99):  ,  .

Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

Приведённая погрешность — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Вычисляется по формуле  , где   — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

• если шкала прибора односторонняя, то есть нижний предел измерений равен нулю, то   определяется равным верхнему пределу измерений;

• если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора.

Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

Инструментальные и методические погрешности. 

Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования приближенных формул при расчете результата или неправильной методики измерений. Выбор ошибочной методики возможен из-за несоответствия (неадекватности) измеряемой физической величины и ее модели. Причиной методической погрешности может быть не учитываемое взаимное влияние объекта измерений и измерительных приборов или недостаточная точность такого учета. Например, методическая погрешность возникает при измерениях падения напряжения на участке цепи с помощью вольтметра, так как из-за шунтирующего действия вольтметра измеряемое напряжение уменьшается. Механизм взаимного влияния может быть изучен, а погрешности рассчитаны и учтены. Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством применяемых средств измерений. Причинами ее возникновения являются неточности, допущенные при изготовлении и регулировке приборов, изменение параметров элементов конструкции и схемы вследствие старения. В высокочувствительных приборах могут сильно проявляться их внутренние шумы.

Абсолютная, относительная и приведенная погрешности. 

Абсолютная погрешность - алгебраическая разность между номинальным и действительным значениями измеряемой величины. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина, в расчетах её принято обозначать греческой буквой - ∆. На рисунке ниже ∆X и ∆Y - абсолютные погрешности.

Относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к тому значению, которое принимается за истинное. Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах, в расчетах обозначается буквой - δ.

Приведённая погрешность — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Вычисляется по формуле

где Xn — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

— если шкала прибора односторонняя и нижний предел измерений равен нулю (например диапазон измерений 0...100), то Xn определяется равным верхнему пределу измерений (Xn=100); — если шкала прибора односторонняя, нижний предел измерений больше нуля, то Xn определяется как разность между максимальным и минимальным значениями диапазона (для прибора с диапазоном измерений 30...100, Xn=Xmax-Xmin=100-30=70); — если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора (диапазон измерений -50...+50, Xn=100).

Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

Класс точности — основная метрологическая характеристика прибора, определяющая допустимые значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точностьизмерения.

5) Систематическая и случайная погрешности. 

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности являются в общем случае функцией измеряемой величины, влияющих величин (температуры, влажности, напряжения питания и пр.) и времени. В функции измеряемой величины систематические погрешности входят при поверке и аттестации образцовых приборов.

Причинами возникновения систематических составляющих погрешности измерения являются:

• отклонение параметров реального средства измерений от расчетных значений, предусмотренных схемой;

• неуравновешенность некоторых деталей средства измерений относительно их оси вращения, приводящая к дополнительному повороту за счет зазоров, имеющихся в механизме;

• упругая деформация деталей средства измерений, имеющих малую жесткость, приводящая к дополнительным перемещениям;

• погрешность градуировки или небольшой сдвиг шкалы;

• неточность подгонки шунта или добавочного сопротивления, неточность образцовой измерительной катушки сопротивления;

• неравномерный износ направляющих устройств для базирования измеряемых деталей;

• износ рабочих поверхностей, деталей средства измерений, с помощью которых осуществляется контакт звеньев механизма;

• усталостные измерения упругих свойств деталей, а также их естественное старение;

• неисправности средства измерений.

Случайной погрешностью называют составляющие погрешности измерений, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности определяются совместным действием ряда причин: внутренними шумами элементов электронных схем, наводками на входные цепи средств измерений, пульсацией постоянного питающего напряжения, дискретностью счета.

6) Случайной величиной называется числовая переменная величина, принимающая в зависимости от случая те или иные значения с определёнными вероятностями. 

Будем называть две случайные величины x и y взаимно независимыми, если события x = x_i и y = y_j являются взаимно независимыми.

Пример 1

Решение

Пример 2

Пусть в мишень стреляют два стрелка. При этом закон распределения числа выбиваемых на мишени очков для первого стрелка задан таблицей:

Аналогичный закон распределения для второго стрелка задан таблицей:

Найдём закон распределения суммы очков, выбиваемых обоими стрелками.

Составим таблицу – закон распределения случайной величины x  +  y, где x – количество очков, выбиваемых первым стрелком, а y – количество очков, выбиваемых вторым стрелком.

Значит, искомое распределение вероятностей задаётся таблицей

ая те или иные значения с определёнными вероятностями. 

Определение 17. Функцией распределения случайной величины X называ-

ется функция F(x), выражающая для каждого x вероятность того, что

случайная величина X примет значение, меньшее x

F(x) = P(X < x). (8.1)

Функция F(x) называется также интегральной функцией распределения

или интегральным законом распределения.

Геометрически функция распределения интерпретируется как вероятность

того, что случайная точка X попадет левее заданной точки x.

Пример

Дано распределение случайной величины

X 1 4 5 7

p 0.4 0.1 0.3 0.2

Найти и изобразить графически ее функцию распределения.

Решение.

Будем задавать различные значения x и находить для них F(x) = P(X < x)

1. Если x 6 1, то F(x) = 0 (в этом случае и при x = 1: F(1) = P(x <

1) = 0

2. Пусть 1 < x 6 4 (например, x = 2);

F(x) = P(X = 1) = 0.4.

Очевидно, что и F(4) = P(X < 4) = 0.4.

3. Пусть 4 < x 6 5 (например, x = 4.25);

F(x) = P(X < x) = P(X = 1) + P(X = 4) = 0.4 + 0.1 = 0.5.

Очевидно, что и F(5) = 0.5.

4. Пусть 5 < x 6 7 (например, x = 5.5);

F(x) = P(X < x) = P(X = 1) + P(X = 4) +

+ P(X = 5) = 0.4 + 0.1 + 0.3 = 0.8.

Очевидно, что и F(7) = 0.8.8.1. Функция распределения случайной величины 61

5. Пусть x > 7;

F(x) = P(X < x) = P(X = 1) + P(X = 4) +

+ P(X = 5) + P(X = 7) = 0.4 + 0.1 + 0.3 + 0.2 = 1.

Изобразим функцию F(x)

При подходе слева к точкам разрыва функция сохраняет свое значение

(функция непрерывна слева). Эти точки на графике выделены.

Плотностью вероятности (плотностью распределения

или просто плотностью) ϕ(x) непрерывной случайной величины X называ-

ется производная ее функции распределения

ϕ(x) = F (x)

Математическое ожидание M_x случайной величины x равно 

Дисперсией случайной величины x называется среднее значение квадрата отклонения случайной величины от её математического ожидания

8)Неидеальность передаточной характеристики измерительного устройства причислена к причинам возникнове­ния систематической погрешности. Под передаточной характе­ристикой мы понимаем математическое выражение, описывающее взаимосвязь входной и выходной величин.

Передаточной характеристикой линейного измерительного при­бора, используемого для определения неизменяющихся по вре­мени величин, является константа. В приборах с нелинейной характеристикой зависимость между выходной и входной вели­чинами описывается алгебраическим или трансцендентным урав­нением. В этих случаях погрешности зависят только от размера измеряемого значения и не являются функциями времени.

Это статические погрешности измерения.

При измерении изменяющейся во времени физической вели­чины связь между входной и выходной величинами описывается

дифференциальным уравнением. Возникающие при этом погреш­ности зависят не только от размера измеряемой величины, но и от характера изменения ее во времени. Поэтому их называют динамическими погрешностями.

Так, неизменная во времени температура может быть изме­рена термометром «безошибочно», в то время как быстрые изме­нения температуры из-за его запаздывания отслеживаются не­точно.

Как следует из обобщенной блок-схемы (см. рис. 1.2—1), в показание измерительного устройства преобразуется не только измеряемая величина, но также и внешние влияющие величины. При описании возникающих при этом погрешностей следует раз­личать статические и динамические погрешности.

Строго говоря, статические погрешности можно рассматривать как частный случай динамических. Они полностью содержатся в математическом описании последних. Однако с точки зрения практического применения весьма часто встречающееся измерение постоянных или квазипостоянных величин целесообразно рас­сматривать раздельно, так как методы описания при этом особенно просты.

9) Но́ниус — вспомогательная шкала, устанавливаемая на различных измерительных приборах и инструментах, служащая для более точного определения количества долей делений. Принцип работы шкалы основан на том факте, что глаз гораздо точнее замечает совпадение делений, чем определяет относительное расположение одного деления между другими.

Шкала нониус обычно имеет те же 10 делений, что и основная шкала, а по длине равна только 9 её делениям.

Измерительные инструменты и меры

• Линейка

• Концевая мера

• Штангенинструмент

• Рулетка (инструмент)

• Микрометр (инструмент)

• Индикатор часового типа

• Калибр (инструмент)

Измерительные приборы

• Высотомер

• Радиовысотомер

• Дальномер

• Радиодальномер

• Интерференционные толщиномеры (ультразвуковые, лазерные, радиационные)

Другие средства

• Большие расстояния в навигации определяются при помощи средств радионавигационных систем или спутниковых систем

• Очень маленькие расстояния измеряются с помощью измерительных микроскопов

Универсальный измерительный микроскоп — универсальный измерительный прибор, предназначенный для измерения линейных и угловых размеров деталей в прямоугольных и полярных координатах (в частности, резьбовых соединений, режущего инструмента, профильных шаблонов, лекал, кулачков, метчиков, резьбонарезных гребенок, диаметров отверстий).

Измерительные микроскопы мми, бми, уим, дип. Немного истории.

В наши дни существуют такие технологические операции, которые трудно представить себе без микроскопа. Каким образом можно измерить шаг растра оптической шкалы или расстояние между дорожками печатной платы? Как точно измерить диаметр отверстия форсунки или толщину полужидкой детали? На свете существует целый ряд деталей, для измерения которых неудобно или невозможно применить штангенциркуль, микрометр, щуп или другие контактные средства. В этих случаях удобно применять микроскопы. Основоне приемущество измерительного микроскопа - бесконтактный метод измерения, то есть такой метод, при котором исключено механическое воздействие на исследуемую деталь.

Лазерный дальномер — прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.

где   — расстояние до объекта,   — скорость света в вакууме,   — показатель преломления среды, в которой распространяется излучение,   — время прохождения импульса до цели и обратно.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче импульс, тем лучше.

Интерференционные приборы обладают весьма высокой разрешающей способностью, до величин порядка в несколько миллионов.

Работа интерференционного прибора имеет одну специфическую особенность, которая сильно мешала широкому использованию этих приборов. Вследствие интерференции высоких порядков величина свободного спектрального интервала невелика и при регистрации сложного излучения получаются неизбежные наложения спектров многих порядков. При сканировании спектра изменением, например, разности хода ( расстояния между зеркалами) приемник ( фотоумножитель) регистрирует сложные сигналы различных частот или длин волн, которые отражают в себе структуру спектра. Необходимо затем расшифровать эту сложную регистро-грамму, выделив сигналы для последовательности частот регистрируемого интервала. Эта расшифровка может быть осуществлена путем разложения сложной функции в ряд Фурье. [6]

Применение интерференционных приборов для работы в широких областях спектра возможно только в сочетании с электронными машинами, способными быстро выполнить большую вычислительную работу по расшифровке спектра. [7]

Действие интерференционных приборов состоит в том, что световые волны от каждой из светящихся точек разделяются в приборе на две или несколько частей, которые проходят пути различной длины и вновь соединяются друг с другом. Благодаря этому интерферирующие лучи приобретают определенную разность хода, которая зависит только от устройства интерферометра, и при повторных актах излучения сохраняет постоянную величину. [8]

Недостатки: интерференционные приборы применяются для контроля только полированных поверхностей или обработанных по высокому классу; весьма чувствительны к сотрясениям и поэтому используются исключительно в лабораторных условиях; численная оценка интерференционной картины иногда бывает затруднительна

10) Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории — датчики линейного перемещения идатчики углового перемещения (энкодеры)

Емкостные датчики перемещения

В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь ёмкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идёт об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия (Рисунок 1). Поскольку ёмкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение ёмкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Изменение ёмкости можно зафиксировать различными способами (например, измеряя его импеданс), однако в любом случае конденсатор необходимо включить в электрическую цепь.

Рисунок 1. Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора.

Другой схемой, где выходным параметром является электрическая ёмкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком (Рисунок 2). Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его ёмкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение ёмкости свидетельствует о перемещении объекта. Кроме того, если сам объект обладает свойствами диэлектрика и имеет подходящие габариты — он может быть использован непосредственно в качестве диэлектрической среды в конденсаторе.

Рисунок 2. Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком.

Потенциометрические датчики перемещения

Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр (Рисунок 11). Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора). Если через потенциометр пропускать постоянный ток, то падение напряжения на нём будет пропорционально величине сопротивления, и, следовательно, величине линейного перемещения интересующего объекта.

Рисунок 11. Потенциометрический датчик перемещения.

11) Индуктивные датчики перемещения

В одной из конфигураций датчика данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатора (Рисунок 5). Поскольку амплитуда сигнала во вторичной обмотке зависит от потокосцепления, по величине амплитуды вторичной обмотки можно судить о положении сердечника, а значит и о положении внешнего объекта.

Рисунок 5. Индуктивный датчик перемещения на трансформаторе.

Другая конфигурация имеет более простую схему, однако она пригодна лишь для небольшого количества приложений, где требуется определять незначительные перемещения или вибрации объектов, состоящих из ферромагнитного материала. В данной схеме интересующий ферромагнитный объект играет роль магнитопровода, положение которого влияет на индуктивность измерительной катушки (Рисунок 6).

Рисунок 6. Индуктивный датчик перемещения для объектов из ферромагнитных материалов.

12)Частотный_преобразователь — электронное устройство_для_изменения частоты электрического тока (напряжения)

НАЗНАЧЕНИЕ.

Частотный преобразователь служит для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление. Частотный преобразователь — это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр.

Преобразователь частоты состоит из электрического привода и управляющей части. Электрический привод частотного преобразователя состоит из схем, в состав которых входиттиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:

1. С непосредственной связью.

2. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

В преобразователях с непосредственной связью электрический привод представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие - малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах.

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора , системы  управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рис.2).  Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения  Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

      Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.        Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

13)

14) Датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках, давление измеряемой среды, преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Ионизационный метод

В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды. Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Преимуществом таких ламп является возможность регистрировать низкое давление — вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Пьезоэлектрический метод

В основе лежит прямой пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлемент генерирует электрический сигнал, пропорциональный действующей на него силе или давлению. Пьезоэлектрические датчики используются для измерения быстроменяющихся акустических и импульсных давлений, обладают широкими динамическими и частотными диапазонами, имеют малую массу и габариты, высокую надежность и могут использоваться в жестких условиях эксплуатации.

15) Манометр — прибор, измеряющий давление жидкости или газа.

Пружинные манометры предназначены для измерения среднего и высокого давления (свыше 40 кПа).

Пружинный манометр – деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является трубчатая пружина.

Принцип действия пружинного манометра основан на уравновешении избыточного давления силами упругой деформации трубчатой пружины.

Устройство пружинного манометра:

1 – основание манометра,

2 – трубка,

3 – трубчатая пружина,

4 – стрелка,

5 – зубчатый сектор,

6 - тяга,

7 - корпус манометра,

8 - ниппель.

Манометр присоединяется к газопроводу через 3-х ходовой кран или устройство, заменяющее его (КЗМ).

Среди пружинных манометров различают следующие.

а) Манометры с металлической мембраной. Изготовлены в виде двух плоских дисков с зажатой между ними металлической гофрированной мембраной, гофры которой сформированы таким образом, чтобы обеспечить линейность характеристики «давление/деформация».

б) Нанометры с трубкой Бурдона. Снабжены дугообразной трубкой овального или близкого к прямоугольному сечения, изготавливаемой обычно из нержавеющей стали, а также, в некоторых специальных случаях, из латуни, меди или сплава «монель». Такая трубка изготавливается в заводских условиях по специальной технологии, обеспечивающей сохранность ее упругих свойств во времени. Разумеется, толщина стенок трубки зависит от максимального давления, которое в нее может быть подано.

в) Манометры с мембранной коробкой. Представляют собой приборы, чувствительный элемент которых выполнен в виде двух, как правило гофрированных, мембран, скрепленных по краям (пайкой, сваркой, склеиванием и т. п.). Основным преимуществом такой схемы является увеличение деформации при одном и том же давлении, поскольку для одинаковых наружных диаметров прогиб мембранной коробки почти вдвое больше прогиба обычной мембраны. Точность этих приборов достигает обычно значений не хуже 0,2%. Их можно использовать для измерения абсолютных давлений, если из коробки предварительно откачать воздух. При необходимости повышения точности измерений можно использовать модели с несколькими мембранными коробками.

г) Сильфонные манометры. Имеют чувствительный элемент в виде гофрированной трубки из нержавеющей стали, томпака (красной латуни) или монеля, зажатой в пружине или стальной пластине с возможностью деформации под действием давления, подаваемого внутрь трубки. Манометры этого типа обладают высокой, прочностью, стойкостью к воздействию ударов, вибраций и забросов давления. Шкала давления проградуирована в кг/см2, что очень близко к шкале, проградуированной в барах. Однако читатель должен заметить, что кг/см2, строго говоря, не является единицей давления. На самом деле имеется в виду кгс/см2 (тоже, впрочем, запрещенная к применению единица измерения), причем 1 кгс/см2=0,981 бар.

Дифференциальный манометр, дифманометр — прибор для измерения перепада давлений. Применяется для измерения уровня жидкостей в резервуарах под давлением или расхода жидкости, газа и пара с помощью диафрагм методом измерения перепада давления на сужающем устройстве. Называется также датчиком разности давлений.

По устройству различаются:

• жидкостные дифманометры (трубные, поплавковые, кольцевые и колокольные), в которых измерение осуществляется по высоте столба жидкости

• механические дифманометры (мембраные и сильфонные), в которых измерение осуществляется по упругой деформации чувствительного элемента.

Сильфоны. Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами, способная получать значительные перемещения под действием давления или силы. В пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8—10 до 80—100 мм и толщиной стенки 0,1—0,3 мм.

Мембраны. Различают упругие и эластичные (вялые) мембраны. Упругая мембрана — гибкая круглая плоская (плоская мембрана) или гофрированная (гофрированная мембрана) пластина, способная получить прогиб под действием давления (рис. 4.3, е, ж). Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. Мембраны изготовляют из различных марок стали, бронзы, томпака, латуни и т. д.

16) Тензометрические датчики давления

Предназначен для измерения быстро меняющихся давлений жидких и газообразных сред в частотном диапазоне О...500 Гц.

1 - штуцер; 2 - мембрана; 3 - подушка; 4 - тензорезисторы; 5 - сгакан чувствительного элемента; 6 - корпус; 7 - кабельная перемычка-К^ - сопротивление для компенсации температурной погрешности чувствительности; Rp, - сопротивление для компенсации температурной погрешности нуля

Принцип работы

Чувствительный элемент представляет собой цилиндрический стакан, на внутренней и наружной поверхностях которого наклеены проволочные тензорезисторы, соединенные в мостовую схему. Величина сопротивления каждого тензорезистора 700±15 Ом

В диагональ питания мостовой схемы датчика включено медное проволочное сопротивление R a служащее для компенсации изменения чувствительно^ сти от изменения температуры.

Сопротивление R предназначено для компенсации температурной погрешности нуля.

Мембрана изготовлена из стальной ленты 12Х18Н10Т ГОСТ 4986-79.

Заделка мембраны с корпусом датчика осуществляется контактной сваркой.

На контакты диагонали мостовой схемы датчика подается напряжение питания. Выходной сигнал с датчика подается на усилительно-преобразующую аппаратуру.

Разделительная мембрана с эффективной площадью 5эф преобразует давление Рх в усилие 7-х, которое через подушку передается на стакан сечениям F. Под действием усилия стакан деформируется. Деформация стакана ех воспринимается тензорезистора-ми с коэффициентом тензочувствительности S. В результате этого изменяется сопротивление тензоре-зисторов на величину sR (в относительных единицах).

17)

Измерение плотности газа или вакуума основано на зависимости теплопроводности разреженных газов от степени разрежения. При атмосферном давлении теплопроводность практически постоянна.

Измерение плотности газа или вакуума основано на зависимости теплопроводности разреженных газов от степени разрежения. При атмосферном давлении теплопроводность практически постоянна.

Датчик термопарного вакууметра использует для своей работы зависимость теплопроводности разреженного газа от давления. Он содержит нагреваемую током металлическую проволочку, температура которой определяется балансом между подводимой к проволочке мощностью и отводимым по газу теплом. Эта температура измеряется термопарным термометром, который служит, таким образом, индикатором давления.

18) Поршневой манометр соединяют с ртутным, представляющим собой стальную колонну высотой - 900 см, наполненную ртутью; колонна оканчивается стальными блоками. Две трубки, наполненные невязким маслом, служат для передачи давления на верх и низ колонны. Положение поверхностей раздела между ртутью и маслом поддерживается да постоянном уровне с помощью электроконтактов. По расстоянию между ними определяют высоту столба ртути с точностью до 0 013 см, применяя калиброванную рулетку из инвара. Ртутная колонна и масляная линия, ведущая к верху колонны, термостатированы при 25 С. 

Поршневые манометры в лабораторной практике служат основными приборами для проверки рабочих и образцовых пружинных манометров.

Поршневые манометры работают по принципу равновесия сил между измеряемым давлением и грузами с поршнем, расположенным в цилиндре. Величина измеряемого давления определяется по величине веса грузов и поршня или по перемещению последнего. По точности замеров они соответствуют жидкостным стеклянным манометрам, но могут иметь широкий предел измерения. 

Поршневой манометр впервые был применен в 1883 г. Парротом и Ленцем в Петербурге. 

Поршневые манометры отличаются наибольшей точностью ( погрешность от 0 01 до 0 2 / 0) в диапазоне давлений, где не могут быть использованы жидкостные манометры. 

Поршневой манометр с дифференциальным поршнем: 1 - корпус прибора; 2 - шток; 3 - тарелка; 4 - грузы; 5 - камера прибора; б-винтовой пресс; 7 - отверстие для соединения прибора с объемом, в котором измеряется давление. 

Поршневые манометры относятся к числу наиболее точных приборов для измерения давления, поэтому они применяются главным образом для поверки и градуировки приборов. 

Поршневые манометры по классам точности разделяются на два разряда. Приборы первого разряда имеют погрешность 0 01 - 0 02 % от измеряемого давления и применяются только для проверки поршневых манометров

19)

Действие манометра Мак – Леода основано на том, что при уменьшении объема давление газа увеличивается до значения, при котором уравновешивающее его гидростатическое давление столба ртути может быть измерено обыкновенной шкалой. Манометр делается из стекла и укрепляется на вертикальной доске. Разница между высотами ртути  в манометре и в сосуде для ртути (1) бывает примерно равна атмосферному давлению (рис. 4). Сосуд (1), поднимается так, чтобы уровень ртути в манометре поднялся чуть выше разветвления  (2), отделяя таким образом некоторую массу газа в объеме  , газ сжимается и переходит в капилляр. Давление газа становится при этом достаточно большим и создает заметную разность в высоте ртутных столбиков в соседних капиллярах Б и В. На рис.4(I) уровни ртути показаны до начала измерений, а на рис.4(II) – в момент измерения давления. Мениск ртути в B установлен на уровне верхнего закрытого конца капилляра Б. Объем газа в капилляре Б равен  .  Капилляры Б и В имеют одинаковые диаметры, что исключает  влияние поверхностного натяжения. Для определения Р – давления в системе используется закон Бойля-Мариотта.  и   – параметры манометра, определяемые при его изготовлении. Эти параметры или коэффициент   - называют постоянными манометра. Шкала, служащая для отсчетов высоты   ртутного столбика в капилляре, расположена вдоль капилляров Б и В. Манометр Мак-Леода совершенно надежен при достаточно низких давлениях. Примечание .         Поднимать и опускать сосуд (1)   следует очень осторожно, так как : 1.Под действием гидравлического удара стекло может треснуть. 2.От резкого подъема ртуть может попасть в  вакуумную систему.  Достоинства манометра Мак-Леода.

1. Не требует специальной градуировки.

2. Сравнительно большая точность измерения.

3. Легкость изготовления.

рис.4

Недостатки манометра Мак-Леода.

1. Невозможность  непрерывных измерений.

2. Большая длительность каждого измерения .

3. Невозможность измерения давления, создаваемого сконденсировавшимися  при сжатии парами. В измерительной части манометра над ртутью, вошедшей при измерениях в объем  , а затем в капилляр Б, которое при комнатной температуре равно, приблизительно   торр, или других веществ, которое искажает показания манометра. (Эти пары находятся и в вакуумной системе).

Парциальное давление паров не подчиняется закону Бойля –Мариотта.

• Вредность паров ртути.

• Хрупкость стекла.

20)

21) Действие пьезоэлектрических манометров основано на свойствах некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Это явление называется пьезоэффектом.

Пьезоэффект наблюдается у кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта является его беэынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические манометры незаменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих процессов, связанных с изменением давления

Корпус 1 манометра ввернут в гайку 2, снабженную ниппелем для присоединения к объекту измерения. В нижней части корпус герметически закрыт мембраной 3, образующей дно корпуса. На мембрану положена металлическая шайба 4 с цилиндрической выточкой для помещения кварцевой пластины 5. На кварцевую пластину кладется плитка 6, на которую укладывается вторая кварцевая пластина, покрываемая металлической шайбой 7. В центре верхней плоскости шайбы 7 помещается стальной шарик 8.

Пакет из кварцевых пластин и стальных шайб поджимается гайкой 9, образующей крышку манометра. Кварцевые пластины располагаются так, чтобы грани с отрицательным зарядом были обращены к средней плитке, а стороны с положительным зарядом — к шайбам 4 и 7. К средней плитке 6 припаян проводник, выходящий из корпуса через отверстие в стенке, втулку 10 и янтарный изолятор.

Особенностью пьезоэффекта является его безинерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это делает пьезоэлектрические манометры незаменимыми при измерении и исследовании быстро протекающих процессов, связанных с изменением давления для изготовления пьезоэлектрических датчиков.