1081

пар полюсов или электрической редукции). В одной из подобных систем был получен диапазон D = 600 000: 1 (ωдв = 314÷5∙10–4 1/с).

10.5. ИНЕРЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ УСКОРЕНИЯ, СКОРОСТИ,

ПОЛОЖЕНИЯ

К механическим инерционным датчикам необходимо отнести датчики ускорений.

Наиболее распространенным исполнением датчика ускорения является датчик сейсмического типа, отличительной особенностью которого является отсутствие связи с неподвижной опорой (рис. 10.37, а).

Датчик состоит из корпуса, которому сообщается входное перемещение х со скоростью dx/dt = x' = v и ускорением dх2/dt2 = х'' = а, инерционной массой m, кг, упруго связанной с корпусом через систему пружин с жесткостью К, Н/м, и через демпфер, создающий вязкое трение R, Н с/м. Взаимное перемещение у массы и корпуса преобразуется с помощью датчика перемещения любого типа в выходной сигнал.

401

Рис. 10.37. Датчики ускорения и угловой скорости:

а – схема датчика ускорения с инерционной массой (1 – корпус; 2 – демпфер; 3 – масса; 4 – пружина; 5 – выходной (резистивный или другого типа) преобразователь; х – перемещение корпуса; y – перемещение массы относительно корпуса); б – гироскопический датчик углововых скорости, ускорения (1 – наружная рамка; 2 – внутренняя рамка; 3 – ротор: 4 – противодействуюшие пружины; 5 – выходной (резистивный или другого типа) преобразователь)

Уравнение движения системы имеет вид

где Т1 = m/R; T2 = R/K или в операторной форме

Из этого уравнения следует, что перемещение у массы относительно корпуса пропорционально ускорению а = р2 х корпуса.

Расширение частотного диапазона работы сейсмических датчиков может быть осуществлено выбором соответствующих собственной частоты колебаний и коэффициента демпфирования, однако этот путь в ряде случаев приводит к утяжелению конструкции и понижению надежности. Более предпочтительной иногда является электрическая коррекция характеристик, осуществляемая добавлением специальных корректирующих звеньев.

Рассмотрим рис. 10.37, б. Центробежная сила, действующая на тело массой m, движущееся со скоростью v по радиусу r, определяется по формуле

где ω – угловая скорость, ω = v/r = πn/30.

Использование этого уравнения берется в основу построения датчиков угловой скорости. Расчет их сводится к определению усилия или перемещения, передаваемого исполнительному органу. Погрешности

402

центробежных механизмов определяются трением в шарнирах и температурными изменениями размеров и упругих свойств элементов.

Поворот гироскопа со скоростью ω относительно оси Y вызывает появление гироскопического момента относительно оси Z, т.е.

MZ = JΩω,

где J – момент инерции ротора; Ω – угловая скорость ротора. Из этого соотношения следует, что датчик угловой скорости может быть выполнен в виде гироскопа, дополненного преобразователем момента МZ в выходной сигнал.

На рис. 10.37, б приведена схема гироскопического датчика скорости с реостатным или иным другим выходным преобразователем. Противодействующий момент создается пружинами.

Угол поворота рамки 2 гироскопа со щеткой определяется как

J

K

,

где К – жесткость пружины; ρ – расстояние от оси Z до пружины. Погрешности датчика определяются сухим трением в подшип-

никах.

Отличительной особенностью гироскопического датчика является то, что он реагирует на угловую скорость, не требуя связи с неподвижной опорой. На этой особенности и основаны области применения датчика: он используется для измерения скоростей поворота или крена подвижных объектов – самолетов, кораблей и т.д.

Свободный гироскоп позволяет определить положение объекта в пространстве, что широко используется в технике.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сравните по точностным показателям и диапазону применения средства измерения положения, скорости, ускорения.

403

2.Выделите области применения электромашинных датчиков положения: сельсинов, вращающих трансформаторов, редуктосинов, индуктосинов.

3.Приведите примеры применения кодовых датчиков положения, работающих в коде Грея.

4.Особенности применения датчика положения ротора для вентильных двигателей.

5.Каким образом в фотоэлектрических датчиках положения и скорости определяется направление перемещения, исправность каналов, повышается разрешающая способность?

6.Области применения тахогенераторов переменного и постоянного тока.

7.Принцип действия инерционных датчиков положения, скорости, ускорения.

8.Назовите фирмы, выпускающие промышленные средства измерения положения, скорости, ускорения.

9.Какие тенденции развития средств измерения положения, скорости, ускорения для современных микропроцессорных систем автоматизации?

404

11. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Под метрологическим обеспечением понимают установление и применение научных организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и точности измерений.

Понятие «метрологическое обеспечение» неразрывно связано с понятием «метрологическая служба».

Метрологическая служба России представляет собой одно из звеньев государственного управления, основными задачами которого являются осуществление комплекса мероприятий по метрологическому обеспечению деятельности предприятий и организаций, обеспечение единства измерений и требуемой точности измерений, повышение эффективности производства и качества выпускаемой продукции.

Метрологическая служба России подразделяется на государственную и ведомственную.

Руководство деятельностью метрологической службы России и ее координацию осуществляет Государственный комитет России по стандартам (Госстандарт).

В состав государственной метрологической службы России входят научно-исследовательские метрологические институты с центрами эталонов, стандартных образцов, стандартных и справочных данных, лаборатории государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники, которые имеются во всех областных центрах страны, и межрайонные отделения этих лабораторий.

Ведомственные метрологические службы, создаваемые министерствами и ведомствами, действуют под руководством Государственной метрологической службы. Они служат для метрологического обеспечения отдельных отраслей хозяйства.

405

Научно-правовой основой метрологического обеспечения является государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющая собой комплекс государственных стандартов и других нормативно-технических документов.

Для многих практически важных измерений, в том числе и для подавляющего большинства технических измерений, единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений.

Под единообразием средств измерений понимают такое состояние средств измерений, когда они проградуированы в узаконенных единицах, а их метрологические свойства соответствуют нормам. Единообразие средств измерений обеспечивается путем их поверки.

Поверкой средств измерений называют определение метрологическими органами погрешности средств измерений и установление их пригодности к применению. Используется также понятие поверки средств измерений, под которой понимают операции, проводимые с целью получения информации о средствах измерений вне связи с выявлением достоверности показаний.

Поверки средств измерений, осуществляемые Государственными и ведомственными метрологическими службами, называют соответственно государственными и ведомственными.

Государственной поверке подвергаются: средства измерений, применяемые государственными и ведомственными метрологическими службами; средства измерений, используемые для выполнения товарно-учетных и торговых операций; средства измерений, связанные с охраной здоровья, труда и противопожарной профилактикой; средства измерений, используемые для регистрации спортивных национальных и международных рекордов.

Все остальные средства измерений, в том числе средства технических измерений, подлежат обязательной ведомственной поверке.

При положительном исходе поверки средства измерений на него наносят поверочное клеймо – знак, удостоверяющий факт поверки и признания средства измерения пригодным к применению.

406

11.1. ПЕРЕДАЧА РАЗМЕРА ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ

Основой обеспечения единства измерений является воспроизведение, хранение и передача размера установленных единиц физических величин.

Названные технологические процедуры осуществляются с помощью эталонов и образцовых приборов.

Назначение эталонов – воспроизведение и хранение единиц физических величин. Эталоны хранятся и используются в метрологических институтах и ведущих организациях Государственной метрологической службы.

Передача размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерений осуществляется с помощью образцовых средств измерений. Порядок этой передачи устанавливается поверочными схемами.

Поверочная схема – утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единицы от эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам измерений.

Различают государственные, ведомственные и локальные поверочные схемы.

Государственные поверочные схемы разрабатываются главными центрами государственных эталонов и обобщаются в виде государственных стандартов на общероссийские поверочные схемы. Они служат основанием для составления ведомственных и локальных поверочных схем.

Ведомственные поверочные схемы разрабатываются ведомственными поверочными метрологическими службами и распространяются на средства измерений, поверяемые внутри ведомства.

Локальные поверочные схемы разрабатываются метрологическими службами предприятий и распространяются на средства измерений, поверяемые этой метрологической службой. Локальные поверочные схемы составляются при наличии более двух ступеней передачи размера единицы физической величины.

Поверочные схемы состоят из чертежа (рис. 11.1) и текстовой части. У локальных поверочных схем текстовая часть может отсутствовать.

407

11.2. РЕГУЛИРОВКА, ГРАДУИРОВКА И ПОВЕРКА

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Техническое единообразие средств измерений достигается их регулировкой, градуировкой и поверкой.

Регулировка средств измерений – это совокупность операций, имеющих целью уменьшение основной погрешности до предельно допустимого значения путем уменьшения систематической составляющей погрешности средств измерений.

Необходимость в регулировке возникает из-за несовершенства технологии изготовления средств измерений. Для выполнения регулировки в средствах измерений предусматривают элементы или узлы, изменение параметров которых обеспечивает уменьшение аддитивной или мультипликативной погрешности. Для уменьшения аддитивной погрешности в составе средств измерений предусматривается узел регулировки нуля, а для уменьшения мультипликативной погрешности – узел регулировки чувствительности.

При регулировке выбирают несколько точек, т.е. значений измеряемой величины, в пределах диапазона измерений в которых систематическая погрешность путем регулировки сводится к нулю. Эти точки называют точками регулировки.

На практике в качестве точек регулировки принимают начальное и конечное, среднее и конечное или начальное, среднее и конечное значения измеряемой величины в диапазоне измерений.

Градуировка (тарировка) средств измерений – это определение градуировочной характеристики средств измерений.

Применительно к измерительным приборам под градуировкой понимают процесс нанесения отметок на их шкалы или определение значений измеряемой величины, соответствующих уже нанесенным на шкалы отметкам, с целью составления градуировочных характеристик или таблиц.

При этом различают: градуировку типовых шкал, индивидуальную градуировку шкалы и градуировку условной шкалы.

Градуировка типовых (печатных) шкал применяется для подавляющего большинства рабочих и многих образцовых измерительных приборов. Шкалы этих приборов изготовляются заранее в соответствии

409

с уравнением номинальной статической характеристики. При регулировке прибора регулировочным узлам придают значения, при которых систематическая погрешность в точках регулировки равна нулю.

Индивидуальная градуировка шкал осуществляется в случаях, когда статическая характеристика нелинейная или близка к линейной, но систематическая погрешность изменяется в диапазоне измерений от прибора к прибору так, что регулировкой не удается уменьшить основную погрешность до пределов ее допустимых значений.

В процессе индивидуальной градуировки на шкалу прибора наносятся отметки, соответствующие положениям указателя при нескольких наперед заданных или принятых значениях измеряемой величины, которые последовательно подаются к прибору.

Градуировка условной шкалы состоит в определении с помощью образцовых средств измерений значений измеряемой величины, соответствующих нескольким наперед заданным или выбранным отметкам этой шкалы. Получаемая при такой градуировке зависимость представляется графиком или таблицей. Поверка средств измерений, т.е. определение их погрешности, выполняется при условиях, которые оговорены в нормативной документации. Причем степень необходимости ограничения условий поверки определяется зависимостью показаний средства измерений от этих условий.

Общим при этом является требование, в соответствии с которым основная погрешность средства измерений должна определяться в процессе поверки при нормальных условиях.

Поверка обычно осуществляется на специальных или собранных из соответствующих средств измерений и вспомогательных устройств поверочных установках.

В общем случае поверочной установкой называют измерительную установку, укомплектованную образцовыми средствами измерений и предназначенную для поверки других средств измерений.

Узловым вопросом при поверке является выбор соотношения между допустимыми погрешностями образцового и поверяемого средств измерений. В общем случае это соотношение выбирают в интервале от 1:2 до 1:10. Чаще других используются соотношения 1:3 или 1:5. Соотношение 1:3 применяется в тех случаях, когда при

410