Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1 Теоретическая часть

1.1 Обзор и классификация эффектов

1.1.1 Преобразование механической энергии одного вида в механическую энергии другого вида

1.1.2 Преобразование механической энергии в электрическую и термоэлектрическую энергию

1.1.3 Гальваномагнитные эффекты

1.1.4 Ядерные взаимодействия

1.2 Приборы и способы измерения угловых перемещений

1.3 Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин

1.4 Датчики давления

1.4.1 Климатическое исполнение

1.4.2 Рабочее избыточное давление

1.4.3 Метрологические характеристики датчиков

1.4.4 Основная классификация датчиков давления

1.4.5 Измерительные схемы индуктивных датчиков

1.4.6 Измерительные схемы емкостных преобразователей

1.5 Упругие элементы

1.5.1 Виды упругих элементов

1.5.2 Материалы, применяемые для изготовления упругих элементов и их механические характеристики

1.5.3 Погрешности чувствительности упругого элемента

1.6 Индуктивные преобразователи

1.7 Измерение перемещения

2. Практическая часть

2.1 Датчик давления на основе индуктивного преобразователя

2.2 Расчет чувствительного элемента датчика

2.2 Расчет первичного измерительного преобразователя

2.3 Расчет емкостного датчика давления

Заключение

Приложения

Список использованных источников

Введение

Измерения играют важную роль в жизнедеятельности человека. Измерение угловых перемещений весьма распространены, применяются в машиностроении, геодезии, в военном деле, космонавтике, астрономии и т.п. Широкое применение обусловлено тем, что наиболее используемые методы измерений основаны на промежуточном преобразовании этих величин в линейное перемещение и измерении этих перемещений.

Цель проекта заключается в разработке конструкции устройства для измерений угловых перемещений. Для достижения данной цели была поставлена задача: произвести обзор и составить классификацию физических явлений и эффектов, применяемых при конструировании устройств получения первичной измерительной информации.

Кроме того, был рассмотрен датчик давления, произведен расчет чувствительного элемента датчика и первичного измерительного преобразователя.

1. Теоретическая часть

1.1 Обзор и классификация эффектов

При конструировании датчиков и приборов, используемых в различных отраслях жизнедеятельности человека, производят расширенный классифицированный обзор физических явлений и эффектов для того, чтобы выбрать необходимый для поставленной задачи.

Разнообразие физических эффектов обусловлено четырьмя типами взаимодействия полей:

- гравитационными;

- магнитными;

- ядерными;

- слабыми.

Результат взаимодействия полей на объект может привести к изменению параметров объекта и появлению новых полей.

На стадии измерительного преобразования происходит преобразования одного вида энергии в другой:

1.1.1 Преобразование механической энергии одного вида в механическую энергии другого вида

Акустический импеданс - комплексное сопротивление, представляющее собой отношение комплексных амплитуд звукового давления к объёмной колебательной скорости (последняя равна произведению усреднённой по площади колебательной скорости частиц среды на площадь, для которой определяется акустический импеданс). Вводится при рассмотрении колебаний акустических систем (излучателей и приёмников звука и т. п.).

Аэродинамическая сила и момент - величины, характеризующие воздействие газообразной среды на движущееся в ней тело (напр., на самолёт), (силы давления и трения, действующие на поверхности тела). Аэродинамическая сила и момент для тел различной формы и при всевозможных режимах полёта является одной из главных задач аэродинамики и аэродинамического эксперимента.

Броуновское движение - беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды. Причина броуновского движения -- тепловое движение молекул среды и отсутствие точной компенсации ударов, испытываемых частицей со стороны окружающих её молекул. В метрологии броуновское движение рассматривают как основной фактор, ограничивающий точность чувствительных измерит, приборов. Предел точности измерений оказывается достигнутым, когда флуктуационные (броуновские) смещения подвижных частей измерит, прибора по порядку величины совпадут со смещением, вызванным измеряемым эффектом.

Кориолиса сила и ускорение, одна из сил инерции; вводится для учёта влияния вращения подвижной системы отсчёта на относительное" движение материальной точки; она равна произведению массы точки на её Кориолиса ускорение и направлена противоположно этому ускорению. Эффект, учитываемый силой Кориолиса, состоит в том, что во вращающейся системе отсчёта материальная точка, движущаяся не параллельно оси этого вращения, отклоняется по направлению, перпендикулярному к её относительной скорости, или оказывает давление на тело, препятствующее такому отклонению. В технике К. с. учитывается в теории гироскопов, турбин и многих других вращающихся систем. Кориолиса ускорение, составляющая полного ускорения точки, которая появляется при т.н. сложном движении, когда переносное движение, т.е. движение подвижной системы отсчёта, не является поступательным. Используют для создания приборов измеряющих угловую скорость, углов поворота и ускорение[1].

Гидравлический удар, явление резкого изменения давления в жидкости, вызванное быстрым (мгновенным) изменением скорости её течения в напорном трубопроводе (напр., при быстром перекрытии трубопровода запорным устройством). Для предупреждения гидравлических ударов на трубопроводах устанавливают предохранительные устройства (уравнительные резервуары, воздушные колпаки, вентили и др.).

Гидродинамическое сопротивление (гидравлическое сопротивление) - сопротивление движению тела со стороны обтекающей его жидкости или сопротивление движению жидкости, вызванное влиянием стенок труб, каналов и т. д. Определение величины гидродинамического сопротивления имеет большое значение при проектировании и постройке самых разнообразных гидротехнических сооружений, установок и аппаратов (турбинные установки, воздухо- и газоочистительных аппараты, газо-, нефте- и водопроводные магистрали, компрессоры, насосы и т. д.). По изменению гидродинамического сопротивления можно судить как об изменении скорости жидкости, так и об изменении её плотности [2].

Эффект Магнуса - возникновение поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости (газа). Например, поперечная сила возникает при набегании потока на вращающийся шар, чем объясняется непрямолинейный полёт закрученного теннисного или футбольного мяча.

1.1.2 Преобразование механической энергии в электрическую

Эффект Толмена. Толмен обнаружил явление инерции электронов в металлах. При движении проводника с ускорением, мы можем наблюдать разность потенциалов на концах проводника.

Трибоэлектричество - возникновение электрических зарядов при трении двух разнородных тел. При трении химически одинаковых тел, положительный заряд получает более плотное из них. При трении двух диэлектриков положительно заряжается диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью. Вещества можно расположить в трибоэлектрические ряды, в которых предыдущее тело электризуется положительно, а последующее отрицательно.

Акусто-электрический эффект - возникновение постоянного тока ЭДС в проводящей среде (проводник, полупроводник) под действием бегущей ультразвуковой волны. Появление тока связано с передачей импульса от УЗ волны электронам. Применяется для измерения интенсивности УЗ в твердых телах, большую роль играет в изучении структуры вещества.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными знаки зарядов. Нашел широкое применение в датчиках давления, используются для измерения уровня вибраций, акустических антеннах, дефектоскопии, гидроакустики, мощные источники УЗ волн [3].

1.1.3 Преобразование тепловой энергии в электрическую и термоэлектрическую энергию

Пироэлектричество - возникновение электрических зарядов на поверхности пироэлектриков при их нагревании или охлаждении. Один конец пироэлектрика заряжается положительно, а другой отрицательно, при охлаждении наоборот. Пироэлектрики - диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, используются в качестве индикаторов и приемников излучений.

Эффект Зеебека - термоэлектрический эффект, возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Можно использовать, как датчик термоэлектрический преобразователь.

Эффект Пельтье - эффект выделения или поглощения тепла при протекании электрического тока через соединение двух металлов, сплавов или полупроводников. Используется в термоэлектрических охлаждающих устройствах, термоэлектрических преобразователях.

Эффект Томсона - состоит в выделении или поглощении теплоты в проводнике с током, вдоль которого имеется градиент температуры, происходит помимо выделения джоулевой теплоты. Если вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, причем направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, то при переходе из более нагретого участка в более холодный электроны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота); при обратном направлении тока электроны, переходя из более холодного участка к более нагретому, ускоряются полем термоЭДС и пополняют свою энергию за счёт энергии окружающих атомов (теплота поглощается).

Эффект Нернста-Эттингсхаузена - возникновение электрического поля в металлах и полупроводниках при наличии градиента (перепада) температуры и перпендикулярного к нему внешнего магнитного поля. Относится к числу термомагнитных явлений [4].

1.1.4 Гальваномагнитные эффекты

Эффект Холла - возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока. На основе данного эффекта создают датчики измерения магнитных полей.

1.1.5 Ядерные взаимодействия

Эффект Штарка. Расщепление спектральных линий атома в постоянном электрическом поле для атомов, имеющих ненулевые дипольные моменты, сдвиг линий пропорционален напряженности поля Е, т.е. в зависимости от направления поля частота будет или возрастать, или убывать; для неполярных диэлектриков сдвиг линий пропорционален ЕІ. Это объясняется тем, что молекула или атом приобретают дополнительную энергию вращения. Это явление может быть использовано в целях измерений; например, в измерениях, связанных с определением (влажность, состав, структура и т.д.).

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Качественно аналогичен ЭПР, но отличается количественно. На основе ЯМР разработаны методы измерения напряженности магнитных полей (магнитометры), методы контроля хода химических реакций.

1.2 Приборы и способы измерения угловых перемещений

Для измерения углов поворота применяют приборы, называемые клинометрами. В настоящее время наибольшее распространение имеют клинометры с уровнем Стопани и маятниковые клинометры конструкции Н. Н. Аистова.



Условные обозначения:

1 -- станина;

2 -- уровень;

3 -- пластинчатая пружина;

4 -- микрометренный винт;

5 -- диск;

6 -- струбцина

1 -- корпус;

2 -- маятник;

3 -- микрометренный винт;

4 --диск.

Рисунок 1 - Клинометр

Этими приборами можно измерять углы поворота только в вертикальной плоскости при статических испытаниях. Клинометр с уровнем представляет собой станину, к которой слева шарнирно прикреплен уровень 2, поддерживаемый пластинчатой пружиной 3. Правый конец уровня микрометренным винтом 4 можно перемещать в вертикальной плоскости. К микрометренному винту жестко прикреплен диск с делениями 5. Прибор закрепляют на испытуемой конструкции струбциной 6, соединенной шаровым шарниром со станиной. Для измерения угла поворота конструкции к ней в определенной точке струбциной прикрепляют клинометр. Продольная ось уровня должна находиться в плоскости измеряемого угла поворота. Уровень посредством шарового шарнира устанавливают в горизонтальное положение. Для точной установки уровня пользуются микрометренным винтом [5].

Это положение фиксируют снятием отсчета по шкале диска 5, показывающего долю оборота винта. При повороте конструкции вследствие ее загружения испытательной нагрузкой уровень повернется на тот же угол. Для определения угла поворота уровень микрометренным винтом возвращают в горизонтальное положение и снова снимают отсчет. Разность отсчетов, умноженная на шаг винта, дает величину перемещения конца уровня.

1.3 Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин

Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х выражается уравнением преобразования у =f (х) Уравнение преобразования (функцию преобразования) обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически [6].

Часто у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х, но и от внешнего фактора Z , т. е. функция преобразования в общем виде,y =f(х, Z).

В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значениях Z.

Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Например, электрическая проводимость к растворов электролитов зависит от концентрации С и температуры t. Поэтому при использовании зависимости к =f(С) для определения концентрации нужно либо поддерживать температуру раствора постоянной, либо вводить поправки (расчетным путем или автоматически), зная влияние температуры на эту зависимость.

Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность.

Основная погрешность преобразователя может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления и проявляется она при номинальных значениях внешних факторов.

1.4 Датчики давления

Приборы для измерения давления - манометры - можно разбить на три группы. Первую группу составляют жидкостные манометры. Эти приборы имеют два сообщающихся сосуда, заполненных жидкостью. На поверхность жидкости в одном сосуде действует измеряемое давление. Это изменяет уровень жидкости в другом сосуде. Разность уровней h пропорциональна разности давлений p1-p2 действующих в сосудах:

, (1)

где - плотность жидкости;

g - ускорение свободного падения.

Ко второй группе относятся пружинные манометры. В этих манометрах измеряемое давление подается на манометрическую пружину и деформирует её на величину (перемещение), пропорциональную давлению. В качестве манометрической пружины используются сильфон, мембрана или трубчатая пружина (трубка Бурдона). Деформация пружины с помощью преобразователя перемещения преобразуется в электрическую величину. В данном курсовом проекте, для создания датчика давления, используется именно этот метод.

Работа манометров третьей группы основана на изменении свойств газа (плотности, теплопроводности, ионизационного тока и т.д.) под действием давления. Изменение свойств газа преобразуется в измерение электрической величины. Манометры этой группы в основном служат для измерения абсолютного давления и с успехом применяются для измерения в вакууме.

Следует иметь в виду, что все преобразователи давления измеряют разность двух давлений, воздействующих на измерительную мембрану (чувствтельный элемент) датчика. Одно из этих давлений -- измеряемое, второе -- опорное, то есть давление, относительно которого происходит отсчет измеряемого. В зависимости от того, какое давление является опорным, все преобразователи относятся к одному из следующих видов.

Преобразователи абсолютного давления ДА. Опорное давление -- вакуум. Воздух из внутренней полости сенсора (чувствительного элемента) откачан. Частным случаем преобразователей абсолютного давления являются барометры -- приборы для измерения атмосферного давления.

Преобразователи избыточного давления ДИ. Опорное давление -- атмосферное, т.е. вторая сторона мембраны соединена с атмосферой.

Преобразователи вакууметрического давления (разрежения) ДВ. Как и в предыдущем случае, опорное давление -- атмосферное. Однако измеряемое давление меньше атмосферного (разрежение относительно атмосферы).

Преобразователи давления-разрежения ДИВ. Сочетание преобразователей ДИ и ДВ. Измеряют как давление, так и разрежение. Следует отметить, что в современных интеллектуальных преобразователях применяются сенсоры, работающие как в области разрежения, так и избыточного давления.

Преобразовали дифференциального давления (разности давлений) ДД. В данном случае давление подается на обе стороны мембраны, а выходной сигнал зависит от разности давлений.

Преобразователи гидростатического давления ДГ. Измеряют давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самойжидкости. Давление Р вычисляется по формуле:

Р = р*g*h, (2)

где g -- ускорение свободного падения;

p -- плотность;

h -- уровень жидкости.

При измерении гидростатического давления (уровня жидкости) используются два вида преобразователей давления: погружного исполнения и фланцевого монтажа.

Преобразователи давления погружного исполнения выполнены в виде металлического зонда со специальным кабелем длиной до 25 м и предназначены для использования в открытых резервуарах. Опорное давление -- атмосферное. Подается через капилляр, встроенный в кабель. Их достоинством является то, что не требуется врезка в боковую стенку резервуара.

Преобразователи давления фланцевого монтажа устанавливаются на боковой стенке вблизи дна резервуара. Опорное давление -- давление над жидкостью. Фактически, это преобразователи ДД. Их преимущество -- возможность измерения уровня в закрытых резервуарах с давлением наддува, отличного от атмосферного.

1.4.1 Климатическое исполнение

Датчики имеют несколько климатических исполнений. Диапазон температуры окружающего воздуха - от -55 до +80.

Для устойчивой и надежной работы датчиков необходимо выбирать материалы мембран, штуцеров (фланцев) и уплотнительных колец химически стойкие к средам, в которых производятся измерения. Широкая гамма материалов мембран сенсоров: нержавеющая сталь AlSi316, 36НХТЮ, титановый сплав ВТ-9, керамика Al2O3, тантал, хастеллой-С -- позволяет подобрать датчик давления для различных сред эксплуатации.

При работе с аммиаком следует заказывать кольца из материала "буна" (EPDM).

Материал витон устойчив к воздействию большинства кислот и нефтепродуктов. Для высокоагрессивных сред применяются уплотнительные кольца из фторопласта (PTFE).

В качестве материалов штуцеров (фланцев) используются: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, высококоррозионностойкие стали 06ХН28МБТ и ХН65МВ, хастеллой 276.

1.4.2 Рабочее избыточное давление

Некоторые системы в определенных условиях могут иметь динамическую перегрузку до 600% от верхнего предела измерения (гидроудар). В датчиках давления производства НПП "Элемер" применяются сенсоры с высокой перегрузочной способностью 200...1000 % от верхнего предела преобразования.

Повысить перегрузочную способность позволяет и применение преобразователя, настроенного на более низкий диапазон. Особенно это эффективно, если имеется запас по точности. Пусть, например, требуется измерять давление 2,5 МПа с погрешностью 0,5 %. Модель 160 датчика АИР-20/М2 с максимальным верхним пределом 2,5 МПа класса В (0,2 %) имеет перегрузочное давление 4 МПа (перегрузка 160 %). Более "грубая" модель 170 на этом же пределе имеет ту же погрешность 0,2 %, но перегрузочное давление 10 МПа значительно выше (400 %). А модель 180 при погрешности 0,4 %, меньше требуемой 0,5 %, позволяет выдерживать давление до 25 МПа, что составляет 1000 % от измеряемого.

Поэтому при выборе датчика следует исходить из требуемой погрешности и вероятности перегрузки по давлению.

В датчиках измерения дифференциального давления (ДД) данной проблемы не существует. Необходимо лишь следить за правильным выбором по допускаемому рабочему избыточному давлению. Следует понимать, что значительный запас по данному параметру не приведет к повышенной надежности, но увеличит стоимость прибора.

1.4.3 Метрологические характеристики датчиков

Измерительная наука и практика накопили большой опыт анализа и совершенствования средств измерения (СИ), включая датчики. Качество датчика определяется его метрологическими характеристиками (МХ), в составе которых нормируются [1]:

1) характеристики преобразования измеряемой величины: диапазон преобразования (ДП), коэффициент или функция преобразования (ФП) (в зависимости от степени линейности последней);

2) характеристики взаимодействия с объектом и внешними СИ: входной (при электрической величине на входе) и выходной импедансе;

3) характеристики собственной погрешности: погрешность в лабораторных условиях, влияние внешних условий, динамические характеристики;

4) прочие МХ, которые могут в соответствии с ГОСТ 8.009-84 устанавливаться при технической необходимости.

Это деление не является абсолютным: например, расширение диапазона измерения вниз эквивалентно снижению аддитивной погрешности датчика.

Нижняя граница диапазона преобразования определяется порогом чувствительности, в свою очередь определяемым уходом нулевого уровня, имеющим вид (в зависимости от частотного спектра) шума или дрейфа нуля. Шум описывается формулой Найквиста, а также ее аналогами из “неэлектрических” разделов физики. Для снижения влияния шума используются выбор конструкционных материалов, понижение рабочей температуры, фильтрация.

Верхняя граница ДП определяется степенью линейности характеристики, ограничением выходной величины, напряжением питания, достижением предела работоспособности датчика.

Расширение ДП за счет верхней границы осуществляется легче, чем за счет нижней, если это достигается не путем уменьшения чувствительности датчика. В последнем случае обычно одновременно повышается нижняя граница, и расширения диапазона не происходит.

Необходимый коэффициент преобразования (чувствительность) достигается как конструктивным, так и схемотехническим путем. В первом случае производится надлежащий выбор материалов, конфигурации и размеров деталей, во втором выбирается схема, напряжение питания, дополнительное усиление. Последнее, если не учитывать шумы, может быть в принципе сделано сколь угодно большим.

К ФП предъявляется одно непременное требование - монотонности в диапазоне преобразования, т.к. соответствие между входной и выходной величинами должно быть взаимно однозначным. Отсюда следует, что вид ФП может быть различным. Традиционное требование линейности градуировочной характеристики при современных возможностях обработки выходного сигнала датчика, в частности, с появлением табличного метода решения обратной измерительной задачи (определения входной величины по выходной) не является более актуальным. Для аппроксимации функций преобразования используются полиномиальные, степенные, показательные, дробно-линейные модели [2]. Последние могут использоваться во многих случаях, особенно при небольшой нелинейности. Так, платиновые терморезисторы в диапазоне температур -200 ч +850°C аппроксимируются дробно-линейной функцией с погрешностью, не превышающей 0,1 %, а полупроводниковые в диапазоне 20 ч 180°C, разбиваемом на два участка - 2,5 %. Аппроксимация градуировочных характеристик термопар, разбиваемых не более чем на два участка, возможна с погрешностью от 0,3 (золото-хромель) до 3 % (вольфрам-рений (3 %) - вольфрам-рений (25 %)).

Существенно нелинейная характеристика термоанемометра в диапазоне скоростей газа 40 - 640 м/с может быть аппроксимирована с погрешностью не более 2,2 %, а при разбиении этого диапазона на две части - 0,4 %. Погрешность аппроксимации характеристик кондуктометрических датчиков для измерения концентрации не превышает 1 % во всем диапазоне и 0,5 % при разбиении его на две части. Зависимость периода выходных импульсов от освещенности новейшего датчика светового потока на БИСПИН-приборе аппроксимируется с погрешностью 1,2 %. Приведенные цифры, хотя и не сильно впечатляют, тем не менее служат свидетельством того, что при не слишком высоких требованиях к точности, которые часто характерны для промышленных измерений, дробно-линейная функция может с успехом использоваться.

Ценным является то, что дробно-линейная функция обладает групповым свойством [3]. Это приводит к тому, что весь измерительный канал, состоящий обычно, кроме датчика, из линейных или почти линейных звеньев, также имеет дробно-линейную ФП, т.е. усложнения ее не происходит.

В прикладной математике разработаны многочисленные и разнообразные методы определения функциональных зависимостей по результатам эксперимента [4]. Среди них, в первую очередь, следует выделить статистические методы, к которым относится широко используемый метод наименьших квадратов. Кроме них применяются разнообразные числовые и графические методы.

Взаимодействие датчика с объектом представляет интерес в той степени, в которой оно изменяет значение измеряемой величины. В большинстве случаев характеристикой такого взаимодействия является входной импеданс датчика. При этом он может быть определен лишь в тех случаях, когда измеряемая величина представляет силу, перемещение, скорость или ускорение в обобщенном смысле, а это возможно лишь тогда, когда для данного физического процесса могут быть указаны эквиваленты этих величин. Эта проблема решена для представительного ряда областей, в результате чего появились электромеханические, электроакустические, электрогидравлические, электропневматические и электротепловые аналогии.

Тем не менее, именно потому, что на входе датчика, как правило, неэлектрическая величина, входной импеданс практически никогда не указывается. Такое положение, кроме тех случаев, когда входной импеданс не определен, объясняется традицией (инерцией мышления). Ее следует нарушить везде, где применимы вышеуказанные аналогии. Это серьезно помогло бы потребителям в решении вопросов применимости тех или иных датчиков [7].

Изменение значения измеряемой величины при подключении датчика, как правило, является следствием изменения энергетического состояния объекта, которое происходит из-за отбора энергии датчиком. Такой отбор следует минимизировать, что означает требование повышения входного импеданса, если измеряется обобщенная сила, и его снижения, если измеряются обобщенные перемещение, скорость и ускорение. И то, и другое происходит при миниатюризации конструкций датчиков.

Влияние датчика на объект не опасно, если оно контролируемо и не вызывает нарушения функционирования объекта. Более того, оно может сознательно вызываться для повышения чувствительности, что имеет место, например, при измерении характеристик полей, когда датчик является локальным концентратором поля.

Выходной импеданс датчика обычно является электрическим, и его указание не представляет трудностей.

В традиционном представлении датчикам, в общем, присущи следующие разновидности погрешностей:

- влияние неинформативных параметров объекта;

- влияние факторов окружающей среды;

- динамическая погрешность;

- следствие технологического разброса значений конструктивных параметров;

- нелинейность;

- гистерезис;

- временной уход характеристик датчика;

- погрешность квантования выходного сигнала;

- неточность калибровки.

Этот перечень целесообразно уменьшить, исходя из существа его составляющих. Действительно, поскольку объект для датчика является частью окружающей среды (а иногда, например, при измерении характеристик полей, попросту отождествляется с нею) неинформативные параметры объекта также следует отнести к факторам окружающей среды. К ним, строго говоря, относится и динамическая погрешность, т.к. она по определению вызывается скоростью изменения измеряемой величины и влияющих факторов окружающей среды, а скорость - сама влияющий фактор. Сюда же при внимательном рассмотрении следует отнести и нелинейность, т.к. при представлении выходной величины датчика в виде степенного полинома оказывается, что на его входе, кроме измеряемой величины, появляются ее степени (иные физические величины), которые вполне могут восприниматься как неинформативные параметры объекта. Наконец, к факторам окружающей среды следует причислить и время, обладающее всеми свойствами физической величины, и тогда временной уход датчика тоже теряет свою обособленность.

Технологический разброс значений конструктивных параметров датчика вызывает погрешность только при отсутствии индивидуальной калибровки.

Погрешность квантования присуща датчикам с цифровым выходом и дискретным изменением выходной величины.

При учете вышеприведенных замечаний перечень разновидностей погрешностей датчиков, имеющих принципиально различное происхождение, оказывается следующим:

1) влияние факторов окружающей среды;

2) следствие технологического разброса значений конструктивных параметров;

3) гистерезис;

4) погрешность квантования выходного сигнала;

5) неточность калибровки.

Погрешности датчиков могут определяться как экспериментальным, так и расчетным путем.

Первый путь более подходит для определения отдельных составляющих, в особенности, тогда, когда не ясна физика влияний. Если погрешности вызываются одновременно несколькими причинами, проявляющимися в виде факторов, изменяющихся случайным образом, экспериментальная оценка, как правило, оказывается невозможной.

Расчетные методы метрологического анализа датчиков, напротив, оправдывают себя, в основном, при необходимости суммирования случайных составляющих погрешности.

Традиционным методом такого анализа является метод с использованием среднеквадратических значений, однако, в последнее время появились более эффективные методы: Монте-Карло и векторно-аналитический [5, 6], ценным свойством которых, является отсутствие необходимости указания или определения результирующего закона распределения. Первый из них основан на моделировании случайных погрешностей статистическими выборками, распределенными по заданным законам. Метод прост и удобен, однако, требует наличия эффективного генератора случайных чисел. Второй использует векторное представление доверительных значений погрешностей и обладает различной сложностью в зависимости от вида моделирующего векторного пространства - оно может быть римановым или евклидовым. Риманово пространство представляет модель, полностью адекватную физике явлений, в то время как евклидово является приближением, чаще всего допустимым из-за невысоких требований к точности определения погрешностей. В настоящее время ведется создание специализированной вычислительной программы.

В последнее время предлагаются методы, которые не требуют указания даже распределений отдельных составляющих, что, безусловно, вызвано практикой, в которой данные о таких распределениях обычно отсутствуют. Стремление найти такие методы похвально, однако, следует иметь в виду, что платой за ограниченность информации является существенное завышение результата. Такое завышение имеет место и в том случае, если пользоваться любым из двух вышеуказанных новейших методов, принимая все исходные законы равномерными.

Представляет безусловный интерес выяснить, в каком случае завышение оказывается большим.

Повышение точности датчиков осуществляется как конструктивно-технологическим, так и схемотехническим путем. Первый путь включает применение надлежащих материалов, дифференциальных конструкций, компенсационных элементов, стабилизацию источников погрешностей с калибровкой датчиков в условиях стабилизированных значений влияющих факторов, защиту от последних. Второй путь в основном связан с обработкой измерительного сигнала с целью устранения влияния помех и частотной коррекции. Главным его содержанием является фильтрация [8].

Особо необходимо отметить, что представление характеристик погрешностей датчиков в технической документации далеко не всегда соответствует требованиям ГОСТ 8.009-84, а потому страдает отсутствием единообразия и определенности. Это вызывает дополнительные трудности у потребителей.

1.4.4 Основная классификация датчиков давления

Приборы для измерения влажности, давления, температуры на сегодняшний день необходимы практически каждому современному промышленному предприятию. Гигростаты, термометры, датчики давления - без них немыслима работа любого производства. В настоящий момент существует несколько вариантов классификаций датчиков давления. Одна из самых распространенных классификаций - по типу чувствительного элемента [9]. Именно чувствительный элемент определяет область применения тех или иных датчиков, преобразователей и реле давления. Итак, датчики можно разделить на устройства с чувствительным элементом емкостного типа и с электрическим выходным сигналом и на датчики с чувствительным элементом в виде мембраны.

Главное, что выделяет датчики первого типа - это стабильность работы, широкий диапазон измерений, а также высокая точность конечных показаний. Действительно, абсолютное большинство современных датчиков давления этого типа имеют погрешность показаний, не превышающую 0,1%. Область применения этих датчиков достаточно широка - они используются во всех сферах промышленности и в быту - например, в медицинских манометрах, которые измеряют артериальное давление.

К другому виду устройств относятся датчики давления, имеющие чувствительный элемент в виде мембраны. Мембрана изготавливается либо из нержавеющей стали, либо из другого стойкого к коррозии материала. Тензодатчики крепятся непосредственно на мембране. Особо нужно отметить, что делаются тензодатчики также из стойких металлов - константана, манганина, кремния. Впрочем, многие современные приборы оснащаются керамической мембраной. Такие датчики называются пьезорезистивными. Их высокая прочность, устойчивость к перегрузкам, а также стабильность показаний делают из поистине незаменимыми во многих сферах человеческой жизни.

Вместе с активным развитием нанотехнологий стало популярным использование микропроцессорных технологий в системах обработки сигналов от датчиков и реле давления. Для этой цели применяются различные цифровые интерфейсы, которые и выводят показания датчиков избыточного давления. Такие устройства достаточно часто оборудуются пороговым транзисторным выходом или специальным дисплеем (светодиодным). Несомненным преимуществом таких датчиков является возможность перестройки по диапазону.

Все вышеперечисленные датчики абсолютного давления и дифференциального давления, с различными типами чувствительных элементов и практически всех производителей на сегодняшний день отличает высокой точностью показаний и высокой же прочностью корпуса, что делает возможным их использование в неблагоприятных условиях внешней среды. Например, они продолжают стабильно работать при условии изменения температуры внешней среды, различных динамических нагрузок по давлению, а также при соприкосновении с горючими и негорючими смесями (масла, нефтепродукты, другие жидкости).

Высокие технологические свойства датчиков, а также их технические характеристики обеспечивают их широкое применение в самых разных областях человеческой деятельности. Так, бытовые датчики давления используются в медицине (для измерения артериального давления), а другие датчики применяются на металлургических и машиностроительных производствах, в нефтеперерабатывающей промышленности, в химии и фармацевтике. Зачастую датчики давления используются вместе с реле давления для вентиляции, пара и т.п.

1.4.5 Измерительные схемы индуктивных датчиков

К числу контролируемых электрических параметров схемы замещения индуктивного измерительного преобразователя относятся: индуктивность и пределы ее изменения (); взаимная индуктивность (М); полная электрическая добротность преобразователя в определенном диапазоне частот (Q); собственная емкость преобразователя (С); активное сопротивление обмотки преобразователя (R).

Кроме перечисленных основных параметров, иногда возникает необходимость определения некоторых дополнительных параметров, например таких, как мощность полных потерь, частота собственного резонанса (), электрическая прочность и сопротивление изоляции обмотки.

Величину L определяют в зависимости от режима работы преобразователя одним из следующих методов - мостовым методом, резонансным методом и методом резонансной схемы замещения.

В настоящее время данные методы получили наибольшее распространение в лабораторной и производственной практике. Благодаря относительной простоте этих методов, высокой точности измерения и возможности дополнительно измерять значение активного сопротивления преобразователя разработан ряд типовых четырехплечих мостовых схем, среди которых следует выделить мостовые схемы Максвелла - Вина (рисунок 1 а), Оуэна (рисунок 1 б), Хея (рисунок 1 в), и схему шестиплечевого моста Андерсона-Быкова (рисунок 1 г).

датчик давление измерительный преобразователь



а) б)

в) г)

Условные обозначения:

а - Максвелла - Вина;

б - Оуэна;

в - Хея;

г - Андерсона-Быкова.

Рисунок 1 - Разновидности схем измерительных мостов

0 тате наложения изменений в двух и более независимых параллельных ветвях элементами сопротивления, находящимися в квадратуре по отношению друг к другу.

В зависимости от вида мостовой схемы эти элементы могут иметь разнотипный характер. Каждая из этих схем обеспечивает определенный уровень относительной чувствительности преобразователя к изменению его параметров.

Одним из основных параметров мостовой схемы является угол сходимости, представляющий собой угол между векторами напряжений в регулируемых ветвях схемы. Для мостов с хорошей сходимостью (большой угол сходимости) уравновешивание моста достигается путем небольшого числа последовательных регулировок и заканчивается довольно быстро.

Определенный интерес представляют поиски путей расширения частотного диапазона мостовых схем. Диапазон рабочих частот для большинства из известных к настоящему времени схем ограничен областью звуковых частот. Попытки расширить диапазон в сторону высоких частот наталкиваются на трудно преодолимое препятствие - повышение роли токов утечки. Это явление обусловливает значительное снижение точности измерений. Одним из основных способов подавления таких помех является применение вспомогательных цепей с регулируемыми параметрами.

В основу резонансных методов измерения параметров измерительного преобразователя положено использование приближенной формулы Томсона. Например, для определения индуктивности катушки индуктивного преобразователя используют зависимость вида:

. (3)

Несмотря на простоту этого метода, он не свободен от ряда существенных недостатков. Один из них - приближенная исходная формула, которую можно считать справедливой для измерительных преобразователей с высокой добротностью (более 25 - 30).

Метод замещения можно рассматривать как модификацию рассмотренного выше резонансного метода измерения. При реализации данного метода первоначально колебательный контур, состоящий из переменной емкости и эталонной индуктивности, настраивается в резонанс путем подстройки значения емкости. Затем производится переключение схемы на измеряемую индуктивность и по величине напряжения на вторичной обмотке трансформатора определяется значение индуктивности.

Метод резонансной схемы замещения характеризуется высокой степенью универсальности (позволяет производить измерения в широком диапазоне частот и амплитуд сигналов).

В зависимости от характера измеряемой физической величины и условий эксплуатации устройства производится выбор соответствующего типа измерительной схемы датчика.

1.4.6 Измерительные схемы емкостных преобразователей

Емкости большинства преобразователей составляют 10-100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания (105 - 107 Гц) их выходные сопротивления велики и равны Ом. Выходные мощности емкостных преобразователей малы и в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания емкостных преобразователей достаточно велики и напряжение питания, как правило, ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.

Основной трудностью построения измерительных цепей с емкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей, как сами преобразователи, так и все соединительные линии тщательно экранируются. Однако экранированный провод имеет емкость СК между жилой и экраном (), которая при неудачном выборе точки соединения экрана может оказаться включенной параллельно емкости преобразователя.

При этом падает чувствительность преобразователя, так как относительное изменение емкости уменьшается на величину , и появляется весьма существенная по значению погрешность, вызываемая нестабильностью емкости СК, поскольку любые изменения этой емкости воспринимаются как изменение рабочей емкости ?С0. Поэтому при построении измерительной цепи с емкостными преобразователями в первую очередь обращается внимание на включение так называемых паразитных емкостей.

Кроме того, следует обращать внимание на линейность зависимости выходного параметра измерительной цепи от измеряемой величины. При это нужно иметь в виду, что емкостные преобразователи являются преобразователями высокоомными, а измеряемая величина может быть связана линейной зависимостью как с сопротивлением преобразователя (при изменении зазора), так и с его проводимостью (при изменении площади S или диэлектрической проницаемости е).

Для работы с емкостными преобразователями применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры - делители напряжения, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, резонансные контуры.

На рисунке 2 приведены варианты мостовых схем включения дифференциальных емкостных датчиков давления с заземленным подвижным электродом (с мембраной).

Условные обозначения:

а - без учета паразитных емкостей,

б - с учетом паразитных емкостей.

Рисунок 2 - Варианты мостовых схем включения дифференциальных емкостных датчиков давления

Для схемы, изображенной на рисунке 2 а, выходное напряжение разбаланса моста без учета паразитных емкостей соединительных кабелей имеет вид:

. (4)

С учетом паразитных емкостей двух кабелей, соединяющих датчик с питающим генератором, выражение для Uвых усложняется:

(5)

Здесь ,

где Ск, хк - паразитная емкость кабеля и его сопротивление;

С, хс - емкость датчика и его сопротивление.

С учетом паразитных емкостей выходное напряжение нелинейно зависит от перемещения мембраны. Нелинейность уменьшается с относительным уменьшением величины паразитной емкости по сравнению с емкостью датчика.

Максимальная погрешность нелинейности достигает при максимальном прогибе мембраны.

Для схемы, изображенной на рисунке 2 б, в которой емкость кабеля присоединена параллельно мосту и незначительно влияет на его работу, при равенстве переменных и постоянных плеч моста (R=X) выходное напряжение имеет вид:

 . (6)

Погрешность от нелинейности в этом случае меньше, чем в первой схеме при вдвое большей чувствительности. Однако эта схема более чувствительна к нестабильности питающей частоты.

Для определения погрешности нелинейности предварительно целесообразно аппроксимировать нелинейную характеристику прямой линией. Причем желательно иметь оптимальную аппроксимирующую прямую, поскольку через нелинейную характеристику можно провести несколько прямых. Наилучшей аппроксимирующей прямой будет такая, которая пересекает характеристику в области преобразования по меньшей мере дважды (рисунок 3).

В качестве первого приближения может служить прямая, проходящая через конечные точки характеристики - y1. Второе приближение характеризуется точками пересечения внутри диапазона преобразования - y2.

При этом разности между характеристикой преобразования и аппроксимирующими прямыми соответственно будут:

(7)



Рисунок 3 - Нелинейная характеристика датчика давления

Не прибегая к специальной оптимизации полученных характеристик, можно добиться хорошей аппроксимации, если выбрать две опорные точки, кратные конечного значения.

Следует отметить, что эти рекомендации эффективны только для нелинейных характеристик, представленных на рисунке 3 (или близких к ним).

1.5 Упругие элементы

1.5.1 Виды упругих элементов

В процессе работы детали приборов в большей или меньшей степени деформируются. В большинстве случаев деформации нежелательны или, более того, недопустимы. Но вместе с тем существуют детали, деформации которых используются в работе прибора. Такие детали называются упругими элементами или пружинами.

Особенно ответственна роль упругих элементов в измерительных приборах, если они применяются в качестве чувствительных элементов, воспринимающих измеряемую величину. В этих случаях точность и надежность работы прибора во многом зависит от качества чувствительного упругого элемента. Ответственную роль в приборах выполняют измерительные пружины - чувствительные элементы прибора. Они широко применяются в различных приборах, особенно манометрических. Упругие элементы применяются также в качестве кинематических устройств: упругих опор, направляющих, гибких связей.

Упругие элементы можно разделить на две основные группы: стержневые, изготовляемые из проволоки или ленты, и упругие элементы в виде оболочек, которые выполняются из листового материала. Стержневые пружины предназначаются для восприятия, главным образом, сосредоточенных сил и моментов; упругие элементы в форме оболочек при работе обычно нагружаются давлением.

Стержневые пружины имеют две конструктивные основные формы: винтовую и плоскую. Упругие элементы в виде оболочек, реагирующих на изменение давления, называются манометрическими. К ним относятся мембраны, сильфоны и трубчатые пружины.

В динамометрах, где небольшие усилия (>10 кН) используются сплошные стержни, работающие на сжатие или сдвиг; для меньшего усилия (10-1 кН) используют кольца, а для малых усилий - тонкостенные цилиндры и плоские пружины в виде балок. При этом более эффективными оказываются конструкции в виде тонкостенного цилиндра или балки равного сопротивления, когда по всей поверхности упругого элемента механическое напряжение одинаково и материал используется наиболее рационально.

Наиболее часто применяемые в преобразователях являются спиральные пружины, сплошные, полые и плоские торсионы и растяжки.

Особенно разнообразны упругие элементы, применяемые для измерения давлений. Это плоские и гофрированные мембраны и мембранные коробки, использующие собственную жесткость или опирающиеся на внешнюю плоскую пружину или полый тонкостенный цилиндр, на который наклеены или напылены тензорезисторы.

Для получения больших линейных перемещений применяется сильфоны и трубки Бурдона, а для получения больших угловых перемещений - спиральные и винтовые трубки с внутренним давлением [5].

Среди плоских пружин выделяют наиболее используемые: прямые, кривые, спиральные пружины различных форм и размеров. Они называются плоскими, если оси этих пружин представляют собой плоские кривые. Плоские пружины успешно используются в качестве измерительных, направляющих, упругих подвесов, подвижных частей прибора и др. Плоские пружины изготовляются из круглой проволоки, но чаще они штампуются из пружинной ленты.

Плоские пружины применяются в различных устройствах, в роли кинематических элементов приборов: упругих опор и направляющих, гибких связей и деталей передаточно-множительных механизмов. Плоские пружины выполняют функции измерения в вибрографах, акселографах, тахометрах, манометрах, тягомерах и так далее.

Винтовые пружины обычно навиваются из проволоки в виде пространственной спирали. Винтовые пружины бывают: цилиндрические, спиральные, конические, параболоидные. Они используются особенно часто в качестве натяжных, обеспечивая необходимую силу натяга между деталями прибора. Иногда они применяются как пружинные двигатели

Во многих манометрических приборах в качестве упругого элемента применяются мембраны - гибкая круглая пластинка, получающая значительные упругие прогибы под действием давления.

Существуют плоские, гофрированные, выпуклые (сферические или конические) мембраны. Неметаллические мембраны имеют весьма малую жесткость и поэтому, как правило, работают совместно с измерительной винтовой пружиной, выполняя преобразование давления в усилие, воспринимаемое упругим элементом - пружиной.

В манометрических приборах широко используется свойство полой трубки деформироваться под действием давления. Обычно манометрическая трубчатая пружина представляет собой тонкостенную кривую трубку вытянутого поперечного сечения.

Манометрические трубчатые пружины бывают одновитковые (пружины Бурдона), многовитковые - винтовые или спиральные (пружины Бойса). В последнее время в манометрических приборах высокого давления (порядка сотен кгс/см2) нашли применение так называемые «витые» трубчатые пружины, представляющие собой естественную закругленную трубку [5].

1.5.2 Материалы, применяемые для изготовления упругих элементов и их механические характеристики

Материал упругих элементов должен удовлетворять многим требованиям в зависимости от назначения элемента и условий работы. Он должен обладать высокими упругими свойствами, достаточной прочностью и выносливостью. Если необходимо, упругий элемент должен быть термостойким и высокопласгичным, иметь достаточную коррозийную стойкость, магнитную проницаемость, отвечать требованиям высокой или низкой электропроводимости, а также материал упругого элемента должен обладать соответствующими свойствами в отношении сварки или спайки.

Механические характеристики должны быть стабильны во времени и в условиях переменной температуры. Упругий элемент заданной формы можно приготовить только из достаточно пластичного материала. Однако для изготовления упругого элемента пригоден не любой пластичный материал, а лишь такой, который в результате последующей механической или термической обработки способен приобрести высокую упругость и прочность. Многие материалы, обладая высокой пластичностью в отожженном состоянии, в результате нагартовки, возникающей во время изготовления упругого элемента, значительно повышают свои упругие свойства.