Секацкий В.С., Мерзликина Н.В. Методы и средства измерений и контроля

Подождите немного. Документ загружается.

213

пъезоэлектрическими измерительными приборами для измерения скорости

применяют приборы с ИП других типов: индукционных и индуктивных.

12.3. Измерение виброускорения

При измерении высокочастотной вибрации, как правило чрезвычайно

малы, а амплитуды ускорения достигают больших значений. Так

перемещению 1 мкм на частоте 1000 Гц соответствует скорость 0,6 х 10

-2

м/с

и ускорение 40 м/с

. В связи с этим при измерении параметров

высокочастотной вибрации рекомендуется использовать дорезонансные ИП –

акселерометры.

В зависимости от поставленной задачи можно измерять амплитудные и

среднеквадратичные значения ускорения. Недостатком измерения этого

параметра является увеличение ускорения с ростом частоты. При этом его

спектр не согласуется со спектромным распределением вибрационной

мощности.

Наиболее широко распространены

акселерометры с

пъезоэлектрическими измерительными приборами, которые имеют широкий

частотный и динамический диапазоны, высокую чувствительность и

реагируют непосредственно на ускорение.

Пъезоэлектрические ИП преобразователи в качестве чувствительного

элемента используются малокристалические или полукристалические

материалы обладающие пъезоэлектрическими свойствами.

Действие пъезоэлектрических ИП основано на использовании прямого

пъезоэффекта, т.е. свойств некоторых материалов, (пъезоэлектриков)

генерировать заряд под

действием приложенной к ним механической силы.

Инерционный момент 1 (рис.12.8) прикреплён к верхней грани

пъезоэлемента 2, а нижняя грань пъезоэлемента прикреплена к корпусу 4.

Рис.12.8.Схема измерения

виброускорения

При установке

преобразователя на исследуемом

объекте, преобразователь

воспринимает вибрацию объекта. В

следствии стремления

инерционного элемента сохранить

состояние покоя, пъезоэлемент

деформируется от воздействия на

него инерционной силы F=ma, где

m – масса инерционного элемента,

a – ускорение объекта. Деформация

пъезоэлемента и возникающий

при этом электриче-

ский заряд пропорционален ускорению. Поэтому преобразователи часто

называют пъезоакселерометрами.

4 3

214

12.4. Измерение нескольких параметров

периодической вибрации

Большинство измерительных приборов многофункциональна, т.к.

перемещение, скорость, ускорение могут быть определены путём

интегрирования и дифференцирования. Эти операции легко реализуются.

Многофункциональные виброизмерительные приборы отличаются от

приборов для измерения одного из параметров вибрации наличием

интегрирующих и дифференцирующих звеньев, а так же в ряде случаев

наличием устройств частотной коррекции, необходимых для расширения

частотного диапазона. Виды функциональных преобразователей

определяются типом ИП. Так приборы с пъезоэлектрическими ИП,

чувствительны к ускорению, содержат только интегрирующие цели, а

приборы с фотоэлектрическими измерительными преобразователями только

дифференцирующие цепи.

Наиболее широко распространены многофункциональные приборы с

пъезоэлектрическими ИП.

Виброизмерительная аппаратура ВА-1 предназначена для измерения

пиковых и среднеквадратичных значений перемещения, скорости и

ускорения

. Сигнал с пъезоэлектрического ИП 1 (рис. 12.9) поступает на

предварительный усилитель 2, в котором имеются аттенбатор, через

переключатель

Рис. 12.9. Схема измерение нескольких параметров

периодической вибрации

измеряемых параметров 3 на измерительный усилитель 4 (в случае

измерения ускорения) или через интегрирующий контур 5 на измерительный

усилитель 4 (при измерении вибростойкости) или через интегрирующие

контуры 5 и 6 на измерительный усилитель

4 (при измерении

виброперемещении). С измерительного усилителя сигнал попадает через

переключатель вида измерительной величины 7 (пиковое или

среднеквадратичное значение) на пиковый 8 или квадратичный 9 детектор,

затем поступает на стрелочный индикатор 10. Для калибровки

1 2 3 4

11 5 6 8 9

215

измерительного усилительного тракта служит калибратор 11, сигнал

которого попадает на вход с предварительного усилителя 2.

13. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Измерение электрических величин является основой научных

экспериментов, комплексных испытаний и массовых измерений во всех

сферах человеческой деятельности. Велика роль измерений для повышения

качества продукции. Современная практика требует

измерений множества

физических величин, подавляющее большинство которых в процессе

измерений преобразуется в электрические величины и измеряются методами

и средствами электрических измерений. Наиболее часто встречающиеся

электрические величины это напряжение, сила тока и мощность.

13.1. Измерение напряжения

Вольтметры – приборы для измерения напряжения. Различают

аналоговые электрические вольтметры и цифровые вольтметры. Аналоговые

электрические вольтметры измерительные приборы представляющие собой

сочетание электронного преобразователя, выполненного на лампах,

полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах и

магнитоэлектрического импульса измерителе. По назначению аналоговые

электрические вольтметры различают: постоянного тока, переменного тока и

универсальные.

216

Рис. 13.1. Схема электронного вольтметра постоянного тока

Вольтметр состоит из входного устройства высокоомного

резистивного делителя напряжения, электронного преобразователя –

усилителя постоянного тока, электромеханического преобразователя,

магнитоэлектрического измерителя. Усилитель постоянного тока здесь

служит для повышения чувствительности вольтметра, является усилителем

мощности, необходимой для приведения в действие магнитоэлектрического

измерителя.

Электронные вольтметры переменного тока строят по следующей

схеме:

Рис. 13.2. Схема электронного вольтметра переменного тока

В преобразователе происходит преобразование переменного

напряжения в постоянное. Универсальные аналоговые электронные

вольтметры предназначены для измерения в цепях переменного и

постоянного токов, и представляют собой совокупность электронных

вольтметров постоянного и переменного тока.

Входное

устройство

Усилитель

постоянного тока

Магнитоэлектричес

кий измеритель

Входное

ус

ро

тв

Преобразователь

Усилитель

постоянного тока

Магнитоэлектриче

ский измеритель

217

Рис. 13.3. Схема универсального аналогового

электронного вольтметра

Цифровые вольтметры. Прежде чем говорить о цифровых

вольтметрах нужно дать понятие измерительным приборам.

Цифровые измерительные приборы автоматически преобразуют

непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую величину,

пропорциональную измеряемой) в дискретную форму, подвергают

цифровому кодированию и выдают результат измерения в виде чисел

появляющихся на отсчетном устройстве. Цифровые вольтметры позволяют

автоматически обеспечить выбор предела и погрешности измерения

напряжений, малые погрешности. Однако они сравнительно дороги в

производстве и имеют меньшую надежность.

Входное

устройство

Входное

устройство

Преобразователь

Усилитель

постоянного

Магнитоэлектричес

кий измеритель

U-

Аттенюатор

Устройство

сравнения

Дискретн.

компенсатор

Источник

образцового

напряжения

Устройство

управления

Устройство

цифрового

отсчёта

Табло

218

Рис. 13.4. Структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока

Измерительное напряжение U

х через аттенюатор (делитель

напряжения) подается на устройство сравнения, на второй вход которого

поступает дискретное компенсационное напряжение U

к, создаваемое

источником образцового напряжения и дискретным компенсатором.

Устройство сравнения при U

х ≠ Uк дает необходимую команду много мало в

устройство управления, пока напряжение разболанса U

х − Uк не сделается

равным нулю. Значение при котором U

х равно Uк, устройства управления

поступает в устройство цифрового отсчета где преобразуется в десятичную

систему исчисления и выводится на цифровое табло.

13.2. Измерение силы тока

Амперметры приборы для измерения силы тока.

Амперметры состоят из измерительного механизма который является

основной частью конструкции прибора, преобразует электромагнитную

энергию в механическую необходимую для угла отклонения

α его

подвижной части относительно неподвижной.

Рис. 13.5. Структурная схема амперметра.

Амперметры состоят из измерительного механизма который является

основной частью конструкции прибора, преобразует электромагнитную

энергию в механическую необходимую для угла отклонения

α его

подвижной части относительно неподвижной.

Отсчетное устройство предназначено для преобразования сигнала

подаваемого от измерительного механизма, в сигнал удобный для отсчета.

В случае малых токов вводится электрометрический усилитель.

13.3. Измерения мощности

Электро-метрический

силитель

Отсчётное

устройство

Измерительный

механизм

219

Мощность является основной характеристикой большинства

физических объектов, процессов и явлений. Поэтому измерение мощности

представляет собой весьма частый вид измерения.

Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока с

частотой 50

÷ 1000 Гц преимущественно исползуется электродинамические

и ферродинамические ватметры. При измерениях постоянного и переменного

тока с частотой 200

÷ 400 Гц погрешность электродинамических ватметров

составляет 0.1% и более, а ферродинамических 0.2% и выше. Работа

ватметров основана на взаимодеиствии двух обмоток токовой и напряжения,

включенных последовательно с нагрузкой и параллельно ей.

Измерители тока, напряжения, мощности независимо от их

назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи

измеряемого объекта, обеспечивать малую погрешность измерения,

исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую

чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю

готовность к работе и высокую надежность.

14. СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ МАСС, СИЛ И МОМЕНТОВ

14.1. Приборы для измерения массы

Совершенствование ряда технологических процессов, их комплексная

автоматизация невозможны без точной количественной оценки

материалов, сырья и готовой продукции, которая во многих случаях

определяется их массой. Наиболее простым и употребительным способом

определения массы тела является взвешивание.

Векторная величина, определяющая силу притяжения тела к Земле,

называется силой тяжести.

Под весом тела понимается векторная величина

, представляющая

собой силу, с которой тело под действием силы тяжести действует на

опору или на нить подвеса.

Под действием веса падающее тело приобретает некоторое

постоянное ускорение, одинаковое для всех тел. Для каждого падающего

тела отношение действующей на него силы тяжести к ускорению является

постоянным. Это постоянное отношение силы тяжести тела

к ускорению

называется массой тела и математически выражается формулой:

m =

(14.1)

где

m - масса тела;

Р - сила тяжести;

220

g - ускорение свободного падения.

Точное взвешивание возможно при создании соответствующих

измерительных приборов - весов и дозаторов различных типов. Средствами

измерений при взвешивании служат весы и гири. Весы - это прибор для

измерения массы, чувствительный элемент которого преобразует массу

груза в величину, удобную для отсчета или управления процессом. Гиря -

однозначная мера, воспроизводящая единицу массы,

кратное или дольное ее

значение. За единицу массы СИ принят килограмм.

Простое взвешивание заключается в сопоставлении массы

измеряемого тела

с массой гири m

. Очевидно, что без учета влияния

внешних факторов:

∑

ГT

imggm

или

∑

ГT

imgm

(14.2)

где

g - ускорение свободного падения в месте установки весов;

п - число гирь.

Так как гири имеют массу, отличающуюся от номинальной (в пределах

допустимой погрешности), простое взвешивание применяется в случаях, не

требующих особо высокой точности. При точном взвешивании с помощью

весов определяется разность между массой груза

гр

и массой гири m

Уравнение точного взвешивания имеет вид:

ГГР

Qimggm +=

∑

(14.3)

где

- обобщенная уравновешивающая сила подвижной системы

весов.

Факторами, влияющими на точность взвешивания, являются

инструментальные погрешности весов, вызванные погрешностями сборки,

трением в опорах и т. д.; погрешности, обусловленные влиянием на весы,

груз и гири внешних воздействий; погрешности, возникающие из-за

несоответствия действительного и номинального значений массы гирь.

14.1.1. Методы и способы взвешивания

Все методы взвешивания подразделяются на две самостоятельные

группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки заключается в том, что измеряемая масса

груза определяется непосредственно по шкале отсчетного устройства без

применения гирь. Метод сравнения с мерой заключается в том, что массу

груза оценивают по массе гирь или

по сумме массы гирь и показаний

отсчетного устройства весов. Метод сравнения с мерой имеет две

разновидности. При дифференциальном методе измерения разность масс

груза и гирь

гр

-m

уравновешивают силой упругой или квазиупругой

пружины подвижной системы весов. Нулевой метод заключается в том,

221

что разность масс доводя до нуля постепенным принудительным

изменением усилия.

Различают методы противопоставления и замещения. Метод

противопоставления характеризуется одновременным воздействием на

весы груза и гирь, помещаемых на противоположные плечи весового рычага

(коромысла). Метод замещения заключается в том, что сравнение массы

гирь и груза производится последовательно с использованием одного того

же

плеча весового рычага. Метод противопоставления может выполняться

двумя способами. При обычном измерении реализуется способ прямого

противопоставления. Способ двойного противопоставления предполагает,

что процесс определения массы груза состоит из двух независимых

измерений способом прямого противопоставления. При этом в каждом

цикле измерений производится перестановка гирь и груза на разные плечи

весового рычага, а результат

измерения определяется вычислением. Этот

способ свободен от систематической инструментальной погрешности,

вызванной неравенством длин плеч весового рычага.

В свою очередь метод замещения также имеет две разновидности:

способ Борда и способ Менделеева. Оба способа требуют применения

вспомогательного груза или противовеса. В первом случае груз уравновеши-

вается противовесом, затем вместо груза устанавливают гири,

равные ему

по массе. При втором способе измерение осуществляется всегда при одной и

той же массе груза, соответствующей наибольшему пределу измерений.

Полный для данных весов набор гирь уравновешивается противовесом,

затем устанавливают груз и снимают часть гирь массой, равной массе

измеряемого груза, чтобы достичь равновесия.

14.1.2. Классификация применяемых весов и гирь

По назначению лабораторные весы делятся на аналитические,

технические и специальные, а гири - на гири общего назначения и

специальные.

Аналитические весы используются при проведении научных

исследований и при проведении высокоточных измерений в промышленности.

В табл. 14.1 приведена классификация аналитических весов в зависимости

от наибольшей массы груза и цены деления. По конструктивным осо-

бенностям

различают самопишущие и показывающие весы.

Таблица 14.1

Классификация аналитических весов

Типы весов

Наибольшая масса

груза, кг

Цена деления, мг

222

Большегрузные весы

Весы для макроанализов

Микроаналитические весы

Ультрамикроаналитические весы

1—5

(1...2)

⋅

-1

до 2

⋅

-2

до 1

⋅

-3

1—5

до 1

⋅

-1

до 1

⋅

-2

⋅

-8

Технические весы применяются для проведения технических анализов и

взвешиваний средней точности и относятся к универсальному

лабораторному оборудованию. Качество технических весов определяется их

быстродействием, простотой и удобством обслуживания в сочетании с

относительно высокой точностью взвешивания. Наибольшие пределы

взвешивания технических весов находятся в диапазоне 20—50 кг. Наиболее

распространенными являются весы, имеющие массу груза 0,5—5

кг, с ценой

деления 0,01 или 0,1г.

Специальные весы служат для определения величин, зависящих от

массы; взвешиваний определенных веществ в строго регламентированных

условиях. К специальным весам относятся образцовые, разбраковочные,

дозирующие, с дистанционным управлением, газовые, гидростатические,

пурки, весовые влагометры, молочно-продуктовые, весы для измерения

магнитной восприимчивости, пробирные, каратные и др.

Лабораторные гири общего

назначения — рабочие меры массой от 1

мг до 20 кг. Для удобства гири объединяют в наборы — магазины мер. Гири

общего назначения подразделяются по классам точности, для них

устанавливаются форма и геометрические размеры, материалы и по-

крытия, составы наборов, правила использования и хранения,

периодичность, методы и средства поверки.

Специальные гири являются принадлежностью специальных

весов.

На рис. 14.1 приведена классификация весов по принципу их действия.

По характеру перемещения рычажной системы весы классифицируются на

рычажные и безрычажные. При измерении на безрычажных весах можно

использовать только метод непосредственной оценки. Рычажные весы

конструктивно выполнены так, что в процессе измерения их подвижная

система осуществляет поворот относительно неподвижной или условно-

неподвижной

оси.

Рычажные

Автоматические

Полуавтоматические

Неавтоматического

действия

Безрычажные

Гирные

Безгирные

С накладными

гирями

Со встроиными

гирями

С ручным

подбором гирь

С автоматическим

подбором гирь