Погрешности измерений

Результаты измерений физ. величин дают лишь приближенные ее значения.

Отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины называют погрешностью измерений.

Погрешности измерений возникают при воздействии внешних факторов в зависимости от применяемой аппаратуры (аппаратная погрешность) в зависимости от выбранного метода измерения (методич. погрешность) в результате неточного отсчета (субъективная погрешность).

По способу выражения численного значения различают: 1. Абсолютная погрешность измерений:

∆А = Ах - А, где

∆А - истинное значение измеряемой величиной;

Ах - результат измерения.

2. Относительная погрешность:

∆δ = ∆А/А* 100%

Т.к. истинное значение А неизвестно, вместо него используют действительное значение, под которым понимают значение измеряемой величины, найдено экспериментально: обычно среднее - арифметического результата n - измерений.

Погрешности измерений носят систематический и случайный характер.

Систематическими погрешностями являются погрешности остающиеся постоянно или закономерно - изменяющимися при повторном измерении одной и той же величины. Они могут быть определены и устранены путем введения соответствующих поправок (погрешность градуировки прибора и влиянием внешних факторов).

Случайными называются погрешности изменяющиеся случайным образом при повторном изменении одной величины. Случайные погрешности нельзя исключить опытным путем (трение в упорах измерительных приборов).

Уменьшение влияния случайных погрешностей на результат измерения достигается путем многократных измерений величины в одинаковых условиях. При этом определяется среднее арифметическое

Ас.а. = (а(1) + а(2) + ... +а(n)) / n, где а(1), а(2) - результаты отдельных измерений;

n - число измерений.

Для оценки точности измерений необходимо знать закон распределения случайных погрешностей (Гаусса)

P(s) - плотность вероятности;

σ - средне квадратичное отклонение.

Поэтому точность результата измерений Аср. можно оценить с помощью средней квадратичной погрешности:

Из данного выражения видно, что увеличения повторных измерений приводит к уменьшению σ результата измерений.

При нормальном законе распределения определяют доверительный интервал, в котором погрешность не выходит за принятые границы при заданной доверительной вероятности - р, и количество измерений - n.

По таблицам интеграла вероятности или таблицам Стьюдента для р и n определяют доверительный интервал или t(n) - коэффициент Стьюдента при n<30.

Окончательный результат измерений можно записать:

А = Аср ± t(n) * σ_n

Погрешности средств измерений

Основной называют погрешность возникающую при работе приборов в новых условиях, то есть когда влияние внешних факторов на измерения -min или равно 0.

Дополнительной называют погрешность, возникающую в результате влияния на процесс измерения различных внешних факторов (температура, давлении, напряжении питания).

Абсолютная погрешность прибора:

∆ = Хn< X , где

Хn - показания прибора;

X - истинное значение измерения величины.

Относительная погрешность:

∆= -∆\x * 100%

Приведенная погрешность прибора:

'

где Xmax, Xmin - соответственно: начальное и конечное значения шкалы прибора;

Хn - нормирующее значение прибора.

Формула вариации:

ε=∆max/Xn*100%

Amax - max разность показания прибора при прямом и обратном ходе указателя шкалы.

Класс точности прибора (К) - это отношение max абсолютной погрешности прибора к его пределу измерения, выраженное в %:

К =

∆mах/X max*100%

/

Лекция №3

Измерения технологических параметров 1. Измерения температуры

Приборы для измерения температуры в зависимости от используемых свойств или физических свойств самих приборов разделяют на следующие группы:

1. термометры расширения;

2. манометрические термометры;

3. термоэлектрические термометры;

4. термометры сопротивления;

5. пирометры.

а) Стеклянные жидкостные термометры

Принцип действия заключается в расширении термометрической жидкости, заключенная в капилляре термометра.

Наибольше распространены стеклянные ртутные термометры.

Достоинства: высокая точность измерения, простота, дешевизна.

Недостатки: относительно плохая видимость шкалы, практическая невозможность дистанционной передачи показаний, невозможность автоматизированной регистрации показаний, невозможность ремонта.

б) Дилатометрические термометры

Имеет принцип действия, основанный на разности линейных расширений 2-х металлов.

Применяются для измерения температуры от 0 до 500 градусов по Цельсию.

Принцип действия: внешняя трубка 2 изготавливается из материала с большим коэффициентом температурного расширения, а внутренний стержень 3-е меньшим. Пружина 1 служит для обеспечения контакта деталей. При изменении температуры возникает разность удлинений трубки и стержня, пропорционально измерению температуры.

Δh=l(α(l)-α(2))* Δt

Отклонение выходной величины Δh при измерении температуры связано соотношением:

Δt - изменение температуры;

l- длина стержня;

α( 1), α(2) - коэффициенты линейного температурного расширения трубки и стержня,

в) Биметаллический термометр

Представляют собой пластину, сваренную из 2-х металлов с различным температурным коэффициентом расширения. Наиболее часто применяется пара: сталь и инвер.

Принцип действия:

При изменении температуры 1 из пластин больше расширяется. Опорой регулируется начальная координата температуры, при нагревании выше установленной температуры контакт размыкается, при изгибе пластины, ток прекращается, пластина остывает.

Манометрические термометры

1

Использован принцип зависимости давления газов или паровой среды от температуры.

Принцип действия:

Термобаллон 1 заполняют рабочим веществом (спец. жидкостью, газом или парами низкокипящей жидкости). Баллон соединен капилляром 2 с сильфоном 3. При изменении температуры вследствие изменения давления внутри системы, изменяется координата h выходного стержня 4. Перемещение стержня 4 может быть преобразовано в необходимый вид сигнала.

Термоэлектрические термометры (термопары)

Используются для измерения t-ры и состоит из 2-х проводников из различных материалов (термоэлектродов), сваренных на конце. Место сварки называют горячим спаем и помещается в измеряемую среду. Если t-pa своб. концов поддерживается постоянной t(0)равной то между свободными концами А и Б возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС):

1-горячий спай;

2-свободные концы термопары

ТЭДС термопары, а следовательно, и ее чувствительность зависит от материала электродов.

Это главным образом, металлические сплавы с малым коэффициентом

t-рного расширения.

Статические характеристики некоторых термопар приведены на данном графике

1 -ТХК (термопара имеет 1 электрод из хромеля, 2-ой - копеля) применяется

для измерения t-ры от -50 до +600С; и при кратковременных измерениях до

+800С

2-ТХА (термопара хромель-алюмель) применяется для измерения t-ры от -50

до 800С при кратковременных измерениях +1000С

3-ТПП (термопара из: 1-электрод - 10% радия, 90% - платины; 2-электрод -

100% платины)

Диапазон измерений -200С; 1600С при кратковременном измерений 2000

Для измерения t-ры до +2500С применяют вольфрам - молибденовые термопары, а при +2500 +3000С применяют вольфрам - иридиевые термопары, а также полупроводниковые, основу которых составляет барированый графит.

Технические термопары помещают в защитный чехол из нержавеющей стали, который защищает термопару от механических повреждений и агрессивной среды.

Для измерения разности t-p или для получения больших значений ТЭДС при малых t-pax применяют дифференциальные термопары и термобатареи.

Дифференциальные термопары включено встречно, термобатарея -последовательно.

а) дифференциальная термопара: ТЭДС выключается

б) термобатарея: ТЭДС складывается

Для измерения ТЭДС термопары применяются параметрические милливольтметры и потенциометры

Милливольтметры - приборы магнитно-электрические системы предназначенные для измерения технологических параметров, величина которых может быть преобразована в ЭДС или напряжение.

Обычно милливольтметры применяются в комплекте с термопарой. Принципиальная потенциометрическая схема:

Схема включает в себя 2 контура: 1-ый контур образует измерительная

цепь с источником постоянного тока Е; контур 2 - измеряемую ЭДС или напряжение Ех с нуль - гальванометром (Н.Г.).

Измерение заключается в передвижении движка реокорда по схеме Rp соединенного указателем шкалы до тех пор, пока нуль-гальванометр не зафиксирует отсутствие тока в контуре 2. Это происходит когда падение напряжения на участке АВ станет равным измеряемой ЭДС.

Электрический термометр сопротивления представляет собой чувствительные элементы, принцип действия которых основан на свойстве проводников и полупроводников изменять электрические сопротивления при изменении t-ры.

Для Me эта зависимость выражается линейно

R = Ro(l + a(t - to)), где R, Ro - сопротивление при t и to; a - температурный коэффициент сопротивления.

Основными Me: Сu, Pt, реже Те и Ni.

Термометры сопротивления

А) платиновый термометр сопротивления (ТСП)

Б) термистор

1 -слюденая пластина;

2-платиновая проволока;

3-серебряная клейма для скрепления клейм;

4-подводимые серебряные провода;

5-защитный чехол из железа;

6-проводники, покрытые защитным слоем стекла;

7-выводы.

Си и Fe используют до 150С. Для более высоких t-p используют Pt и Ni (до 1000С).

Термисторы имеют отрицательный t-рный коэффициент

R = Ае * B/tx,

где А и В - постоянные коэффициенты, зависящие от свойств проводника;

tx - температура.

Полупроводниковое сопротивление более чувствительно примерно в 8-15 раз, но обладает недостатками.

Нестандартность величин термосопротивлений в одной партии и нелинейность сопротивлений от t-ры.

R

О

Температурные зависимости термосопротивлений

А) Для Me;

Б) для полупроводников.

Величина выходного сигнала термосопротивлений измеряется с помощью автоматических мостов и логометров.

В автоматических электронных мостах применяется автоматическое мостовые измерительные схемы которые служат для измерения электрических сопротивлений, индуктивности и емкости.

Мостовая схема может быть двух видов: неравновесная и уравновешенная.

Электрическая схема неравновесного моста представляет собой электрическую цепь состоящую из четырех плеч (элементами плеч могут быть сопротивления, емкости индуктивности) и индуктора И, включенного в диагональ моста (б, г) и источника питания, включенного в диагональ а, в. Равновесие моста характеризуется отсутствием напряжения в его вершинах -б, г, и отсутствием тока через индикатор И.

Этому соответствует равенство R1 * R4 = R2 * R3

Изменение R4=Rx повлечет за собой нарушение равновесия моста и по

его измеряемой диагонали потечет ток

U_ab(Rl*R4-R2*R3)

I= Ru(R1 + R3)(R2 + R4) + R2R4(R1 + R3) + R1R3(R2 + R4)

Uab - напряжение питания моста;

Rи - сопротивление индикатора

Из выражения видно, что измерения в этом случае зависят от напряжения питания моста, поэтому требуется стабилизация напряжения. Индикатор градуируется в единицах измерения, этот метод называют методом непосредственного отчета.

Уравновешенный мост отличается тем, что при измерении добиваются того, чтобы в измерительной диагонали ток был равен 0. Например: изменим R₂, тогда получим: I₀=0,I₁=I₂,I₃=I₄,I₃R₁=I₄R₄, поделив почленно, имеем:

^I₂^R₂^-I₃^R₃

R₁/R₂=R₄/R₃, откуда R_X=R₄ =(R₂R₃)/R₁

В случае замены R на Z все рассуждения, которые приведены выше, справедливы для мостов переменного тока.

Нулевой метод измерения обеспечивает высокую точность измерения, ошибка не более 0,5%.

Для исключения влияния температуры окружающей среды на величину сопротивления соединительных проводов, применяется трехпроводная схема подсоединения датчика.

Схема работы:

При изменении R_x происходит разбаланс моста и в точках А, С появляется напряжение, это напряжение усиливается усилителем У, на выходе которого подключен реверсивный двигатель Rд, который перемещает движок риохорда, соединенный с указателем шкалы прибора в соответствующую сторону, пока напряжение в точках А и С будет равно 0.

R_H, r_H - сопротивления грубой и точной подгонки начала шкалы;

R_p - сопротивление риохорда;

R_k r_k - сопротивления подгонки конца шкалы;

R_m - сопротивление индуцирующее риохорд;

Rл, Rл₂ - сопротивления линии связи;

У - усилитель;

Рд - реверсивный двигатель;

Схема работы уравновешенного моста

Пирометры (схема на листах)

Все рассмотренные выше термометры предусматривают прямой контакт между чувствительным элементом и измеряемым телом или средой, такие измерения называются контактными.

Верхний предел этих методов ограничен значениями 1800 - 3000 С. Однако иногда нужно измерять значения > 3000 °С, в некоторых случаях недопустим контакт со средой.

В этих случаях применяют бесконтактные методы, которые измеряют температуру по тепловому излучению. Их называют пиромерами (приборы работающие по этому методу).

Для измерения высоких температур технологических процессов применяют следующие пирометры:

а) квазимонохроматический;

2. полного излучения;

с)спектрального излучения

• Квазимонохроматический пирометр - действие которого основано на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости, описывающейся законом Планка.

• Пирометром спектрального излучения называется пирометр, действие которого основано на использовании зависимости температуры от отношения спектральной энергетической яркости для двух или более фиксированных длин волн.

• Пирометром полного излучения называется прибор, действие которого основано на зависимости температуры от интегральной энергетической яркости излучения.

2. Методы и средства измерения давления Контроль за большинством технологических процессов связан с измерением давления газа или жидкости.

Если давление измеряется в аппарате с жидкостью или газом, то оно характеризует внутреннюю энергию среды и является одним из параметров состояния.

При измерении различают абсолютное давление, избыточное давление Р и вакуумметрическое давление Рв :

Ра = Р + Ратм Рв = Ратм - Ра

Средства измерения, предназначенные для измерения давления, называются манометрами.

Они делятся на:

1. барометры - измеряют атмосферное давление;

2. манометры избыточное давление - когда давление больше атмосферного;

3. вакуумметры - когда давление меньше атмосферного;

4. манометры абсолютного давления;

5. напоромеры и тягомеры, когда давление меньше 40 МПа;

6. дифманометры, которые замеряют перепад давлений.

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент средства измерения давлений делятся на:

1. жидкостные;

2. деформационные (упругие);

3. пьезоэлектрические;

4. магнитоупругие;

5. ионизационные;

6. тепловые.

1. Предназначены для измерения небольших давлений, разряжений или разности давлений, в основном, в лабораторных условиях.

Принцип измерения: уравновешивание измеряемого давления или разностидавлений, давлением столба жидкости:

Р = h *p- для измерений Р;

ΔР = Р₁ - Р₂ = Δh * γ - для измерений разности давлений; где Р, PI, P2 - измеряемое давление , ΔР - их разность, h - высота столба жидкости, ρ удельный вес жидкости.

Жидкостные манометры бывают следующих типов:

А) U-образные

Б) Чашечный манометр

В) С наклонной трубкой

2. Деформационные манометры подразделяются на приборы:

1. с одновитковой трубчатой пружиной (трубка Бур дона);

2. многовитковая трубчатая пружина (Геликс);

3. с гармониковой пружиной (сильфон);

4. мембраны.

Принцип действия этих манометров основан на уравновешивании сил измеряемого давления упругими силами пружины. При этом происходит перемещение участка пружины, находящейся в функциональной связи с измеряемой величиной давления и используемого перемещения отсчетного и регистрирующего устройства. 1) одновитковая пружина α- угол отклонения данной трубки

Пунктиром показаны положения пружины и его поперечного сечения при увеличении Р от 0 до Р.

2). Многовитковая трубчатая пружина (Геникс)

Принцип действия многовитковой пружины аналогичен одновитковая, но ее чувствительность больше за счет роста < α, который возрастает во столько же раз, во сколько длина оси многовитковой пружины больше длины оси одновитковои пружины.

Р

3). Сильфоном измеряют размер h с изменением величины измеряемого давления.

Они обеспечивают линейную зависимость перемещения от Р и могут применятся при значительных величинах давления.

4). Мембраны

В них используется зависимость прогиба Δh от изменения давления ΔР. Деформация мембраны от Р выражается формулой:

Е - модули упругости;

А, В - безразмерные коэффициенты, зависящие от типа гофр;

R - радиус материала;

δ-толщина материала.

Мембраны применяются в дифманометрах. По обе стороны мембраны действует измеряемое давление Pi и Р₂ и Ah определяется формулой: X

Под мембраной ставится кристалл, который накапливает электричество под действием давления.

Мембранные манометры типа ДМПК

Система дистанционного измерения расх. обев. широкое распространение получили мембранные дифманометры типа ДМПК-4. Цифра 4 обозначает давление измеряемой среды до 4кг на 1 см² , есть еще ДМНК-100.

Принцип действия:

При изменении разности P₁ - Р₂ = ΔР. Мембрана 1 прогибается и перемещая рычаги 2 влечет за собой изменение расстояния между соплом и заслонкой 3. Давление в системе «сопло - заслонка» пропорционально ΔР и является измерительным сигналом, который после усиления подается на вторичный прибор.

Дифманометры мембранные типа ДМ

Они имеют выходной унифицированный сигнал и могут работать в комплекте со вторичными диф.трансформаторными приборами.

Счетчики Различают 2 вида:

— скоростные счетчики изготавливают с вертушкой по вертикальной оси а) Счетчик с вертушкой

б) Счетчик турбинный с преобразованием числа оборотов с помощью тахогенератора.

в) Счетчик индуктивный, используется принцип замыкания магнитной цепи лопастями крыльчатки.

У всех вертикально осевых.

Скоростные счетчики изготавливают на вертушке, установленной в камере счетчика. Скорость вертушки пропорциональна скорости жидкости.

Число оборотов суммируется счетным механизмом.

Объемные жидкостные счетчики выпускают - поршневые с эвольвентными шестернями, - дисковые и ротационные.

Количество жидкости определяется объемом его камеры, установленной на число циклов (ход поршня, качание диска, обороты шестерни) счетчика.

На данных рисунках показаны счетчики количества вещества скоростные. Под а) счетчик с вертушкой.

Для электропроводящих жидкостей используется индукционные расходометры, использующие принцип наведения ЭДС потоком жидкости при пересечении магнитного поля.

см. выше Принципиальная схема индукционного расходомера.

Вибрационно - массовые расходомеры.

Q

Измерительная часть расходомера представляет собой маятник на упругой подвеске, образованный тонкостенной трубкой 1 с тяжелым грузом 2 из ферромагнитного материала. В трубку поступает газожидкостный поток, в корпусе 3 ввернуты пробки 4 из немагнитного материала и к ним снаружи прикреплен трехстержневой магнитопровод с катушками 5 на каждом стержне.

Подачей на катушки импульсного тока от возбудителя 6 вызываются свободные затухающие колебания маятника. Амплитуда колебаний снимается с катушки 5 в виде напряжения и затухающего по экспоненциальному закону.

Масса газожидкостной смеси зависит от амплитуды, затухающих колебаний функции.

Расходомер обеспечивает измерение среднего массового расхода с точностью 2%.

Приборы для измерения уровня Приборы для измерения уровня по принципу действия делят:

1. поплавковые;

2 - дифманометрические;

3 - электрические;

4 - радиоактивные;

5 - ультразвуковые.

Поплавковые уровнемеры используют принцип слежения поплавка, плавающего на поверхности жидкости, за изменением ее уровня.

Схемы поплавковых уровнемеров:

а)

.

а) камерное измерение уровня:

1. - поплавок;

2. - противовес;

3. - Выходное устройство, преобразующее изменение уровня в показание прибора.

б) следящий уровнемер:

1. - поплавок;

2. - рычаг, передающий усилие натяжения троса на управляющий элемент;

3. - управляющий элемент;

4. - двигатель электрический;

5. - барабан.

2. Дифманометрические уровнемеры основаны на принципе разности давлений вверху и внизу столба измеряемой жидкости.

В качестве измерительного прибора используется дифманометр.

Н = (р + hγ) - р = hγ, если γ = const, то Н = h

P+hX

Емкостной уровнемер

Емкость измеряется мостовой схемой по принципу емкостных

уровнемеров.

Принцип действия основан на измерении электрической емкости

между двумя электродами. Одним электродом обычно является резервуар,

второй - изолирован.

Емкость конденсатора равна

проводимая жидкость

-пластина

1-электрод - корпус;

2-изолированный от корпуса электрод.

При постоянных размерах аппарата и электрода и геометрическом расположении емкость будет зависеть от диэлектрической проницаемости среды, является функцией уровня (чем больше уровень, тем больше емкость).

Радиоактивный уровнемер

Из радиоактивных уровнемеров наибольшее распространение получили гамма-реле.

1. - источники излучения;

2. - приемники;

3. - блок управления;

4. - сигнальные лампы предельных значений уровня.

Здесь используется принцип ослабления излучения измеряемой средой. которое выражается зависимостью

I=I₀*e-^md

I, I₀ - интенсивность потоков излучения до и после прохождения слоя вещества;

и d - плотность и слой поглотителя;

μ- массовый коэффициент поглощения

Ультразвуковые уровнемеры

1. - излучатель и приемник;

2. - генератор;

3. - измеритель времени;

4. - усилитель;

5. - самописец.

t=

2l/C

L - расстояние;

Q - скорость распространения ультразвука в измеряемой среде.

Расходомеры

Это приборы, с помощью которых определяют суммарное количество вещества, прошедший за определенный промежуток время.

Принцип работы больший части расходомеров основан на эффекте от установки в трубопроводе сужающих устройств (дросселей). При прохождении жидкости или газов через дроссель, скорость потока в месте сужения резко возрастает, а давление падает.

Разность давлений до и после дросселя называют перепадом давлений и он зависит от расхода среды, что положено в основу расчета расхода.

Различают расходомеры переменного и постоянного перепада давлений.

К расходомерам постоянного перепада давлений относятся ротаметры с поплавком свободно перемещающемся в конической трубке и расходомеры с нагруженным поршням.

Сужающими устройствами переменного давления являются диафрагмы, трубки Вентури и трубки Пито.

Перепад давлений измеряем дифманометрами.

Ротаметры

В прозрачном корпусе 1 под действием потока Q перемещается поплавок 2.

Принцип действия заключается в том, что при движении жидкости или газа снизу вверх через коническую трубку, помещенной внутри ее поплавок поднимается или спускается до тех пор, пока сила его тяжести не уравновесится выталкивающей силой потока.

Для не прозрачных жидкостей ротаметры снабжены магнитными или дифференциальными преобразователями, обеспечивающими одновременно дистанционную передачу показаний.

Q

Ротаметры для измерения расхода непрозрачных жидкостей А) с магнитным преобразователем и пневматической дистанционной системой;

Б) с дифференциальной трансформаторной схемой преобразования и электрической передачи

1-поплавок;

2-корпус; * 3-постоянный магнит; 4-наружный магнит;

5-пневматический преобразователь (сопло-заслонка); 6-дифференциально-трансформаторный преобразователь.

Сужающие устройства

Наиболее распространенным методом расхода является метод переменного перепада давления если в трубопровод (1) - ввести сужающие устройства 2, то давление Р1 будет больше давления Р2

Разность давлений связана с объемным расходом Q следующим соотношением:

или Q ≈√р К, где Р = Р1 - Р2

F ₀ -площадь поперечного сечения диаметрально сужающего устройства;

γ- удельный вес измеряемой среды; α- коэффициент расхода

Для измерения расхода применяют нормальные диафрагмы и сопла. Дифференциальные манометры для измерения расхода. Для измерения перепадов давления на сужающих устройств используются дифф. манометры.

Радиоактивный плотномер

Основан на законе изменения интенсивности пучка радиоактивного излучения, после прохождения его через контролируемую среду

I = I₀ * е^-μρd

Где I,I₀ - интенсивности пучка лучей после и до прохождения через

измеряемую среду;

μ - коэффициент ослабления;

d - толщина проходимого слоя;

ρ- плотность среды.

Представителями радиоактивных плотномеров являются плотномеры типа ПЖР - 2 и ПР - 1024

Вискозиметры

Вязкость жидкости — это способность ее оказывать сопротивление смещению одного слоя относительно другого.

Между динамической и кинематической вязкостью существует соотношение:

V=μ/ρ

где v - кинематическая вязкость;

μ- динамическая вязкость;

ρ- плотность.

Для измерения вязкости применяются методы:

1. истечение (использующей закон истечения жидкости через капилляр трубки);

2. метод падающего тела;

3. метод измерения крутящего момента, т. е. зависимость крутящего момента, вращающегося в жидкости тела от ее вязкости;

4. вибрационный метод основан на зависимости амплитуды колебаний от вязкости жидкости;

5 ) ультразвуковой используется зависимость затухания колебаний от вязкости жидкости

Капиллярные вискозиметры

По закону Пуазеля расход жидкости Q равен Q = К₁ вытекающей из капиллярной трубки длиной 1 и диаметром d определяется по уравнению:

Q=K₁ ∙ πd⁴g/μλ

К₁ - коэффициент пропорциональности;

ΔР - разность давлений на концах капилляров.

При постоянном расходе Q, при постоянном К, d, g, 1, динамическая вязкость и. пропорциональна перепаду давления:

μ= К* ΔР

Эта зависимость используется в капиллярных вискозиметрах.

Принципиальная схема капиллярного вискозиметра:

1. - шестереночный насос;

2. - манометр;

3. - капилляр;

4. - термостат.

Вискозиметры с падающим телом

μ=К*ΔР

τ - время прохождения шариком определенного расстояния Блок схема:

3

Шестереночный насос 1 прокачивает жидкость по трубе снизу вверх. В трубе установлены сетки 2 и 3, между которыми находится металлический шарик, восходящий поток поднимает шарик до верхней сетки и в момент его касания отключается насос. На трубке расположены катушки дифференциальной, трансформаторной схемы, а шарик выполняет роль

сердечника и наводит в катушках ЭДС, котордаг усиливается усилителем 4. Релейный блок 5 автоматически включает и выключает насос, т. е. включает при касании шариком нижней сетки, выключает при касании верхней. Блок 5 замеряет время падения шарика, вторичный прибор 6 записывает показания.

Существует вискозиметр, работающий по принципу сравнения времени падения шарика с временем падения его в эталонной среде.

Вискозиметры с крутящим моментом

Принцип действия вискозиметров, работающих по методу измерения крутящего момента, может быть пояснен на примере вискозиметра с вращающимся наружным цилиндром.

Жидкость располагается между двумя, касательно расположенными

цилиндрами 2 и 3. Чем выше кручение, тем больше момент между цилиндрами.

Момент, который уравновешивается грузом 4 через блоки 5 и 6, запишется в следующем виде: М=К_1μ Принципиальная схема:

Газоанализаторы

Предназначены для определения содержания одного или нескольких компонентов газовой смеси. В основу положены различные методы.

1. Оптико - аккустиченский газоанализатор. Основан на избирательном поглощении измеряемым компонентом инфракрасных лучей. С его помощью можно определить содержание СО. С0₂, NH₃, CH₄, Н₂, С₂Н₂.

Известно, что двухатомные и многоатомные газы и пары поглощают инфракрасные лучи. Это явление для определения длины волны описываетсяся законом поглощения:

Е=Е_оe^-εcλ

Е, Е₀ - энергии световых потоков после и до прохождения их через

анализируемое вещество;

ε- молекулярный показатель поглощения;

С - концентрация поглощающего вещества;

1 - толщина слоя поглощающего вещества.

В оптико - акустических газоанализаторах прерывистый поток инфракрасного излучения, проходя через слой газовой смеси теряет в нем часть энергии. Ослабленный пучок поступает в лучеприемник, заполненный определенным компонентом, где поглощается оставшаяся энергия потока, вызывая колебания температуры и давления в объеме лучеприемника. Колебания давлений передаются на мембрану конденсатерного микрофона, включенного в измерительную схему.

Частота пульсаций давления зависит от частоты прерывания, а сила звука - от мощности исходящего потока, излучения и поглотительной способности газа.

Принципиальная схема газоанализатора ГИП:

1. - передаточный механизм;

2. - электродвигатель;

3. - обтюратор;

4. - прерыватель;

5. - источники ИФ - излучения (микроволн спирали);

6. - сравнительна кювета;

7. - измерительная кювета; 8, 9 - заслонки;

10, 12 - камеры - лучеприемники;

11 - мембранный микрофон;

13, 14 - предварительный и конечный усилители;

15. - реверсивный электродвигатель с редуктором;

16. - самописец.

2. Термокондукторометрический газоанализатор

Основан на измерении теплопроводности многокомпонентных газовых смесей в схеме неуравновешенного моста постоянного тока.

Чувствительные элементы моста заключены в кюветы, две из которых сравнительные - заполненные измеряемым компонентом, две другие -измерительные - через них проходит контролируемая смесь. Т.к. температура чувствительных элементов выше температуры корпуса кювет, то тепло проходит от чувствительного элемента к стенке кюветы, через среду, которая в данный момент кювета заполняет.

Количество отданного тепла зависит от теплопроводности среды и в свою очередь сопротивления чувствительного элемента зависит от его температуры.

3. Термохимический газоанализатор

Основан на измерении теплового эффекта реакций О2 с другими газами протекающими в присутствии kat. Конструкция - в виде двух кювет заполненных kat, сравнительной и измерительной, температура в которых измеряется термометрами сопротивления, включенными в мостовую схему или kat является сами чувствительные элементы. В этом случае их изготавливают из платины.

4. Магнитные газоанализаторы

Предназначены для определения содержания кислорода в газовой смеси. Кислород обладает парамагнитными свойствами, характеризующимися положительной магнитной проницаемостью.

Удельная магнитная проницаемость парамагнитных газов подчиняется закону Кюри

η = C/T

где С - константа Кюри;

Т - абсолютная температура.

Объемная магнитная проницаемость

давление газа;

М - молекулярный вес всего газа;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура.

Из уравнения следует, что объемная магнитная восприимчивость обратно пропорциональна квадрату Т.

Эта зависимость используется в термомагнитных газоанализаторах.

Рабочая камера - в виде U-образной трубки с намотанными на ней спиралями выполняющими роль термосопротивлений – R₁R₂,R3,R4 включенными в мостовую схему. Поток газа охлаждает сопротивления R₁,R₂ и нагревает сопротивления R₃,R₄- Разбаланс моста при этом пропорционален содержанию кислорода в анализируемой смеси.

Хромотографы

«Принцип Действий основан на хромотографическом методе анализа

многокомпонентной смеси, заключавшей в предварительном разделении на составляющие компоненты с последующим определением их концентраций.

Разделение смеси происходит в колонках, заполненных сорбентом. Порция анализируемой смеси вводится в колонку и транспортируется вдоль нее газом-носителем. По мере продвижения вследствие различных абсорб. или адсорб. свойств проба постепенно разделяется на составляющие компоненты…

Концентрации компонентов определяются разными способами, основанными на измерении теплопроводности смеси «газ-носитель -компонент», теплоты сгорания или тока ионизации. Наиболее распространены детекторы, использующие измерения теплопроводности. Хроматографы позволяют анализировать как газовые так и жидкие многокомпонентные смеси.

газ

1. - кран-переключатель;

2. - мерник;

3,4 - ротаметры исследуемого газа и газа-носите ля;

5. - разделительная колонка;

6. - детектор теплопроводности;

7. - блок управления;

8 - самописец.

В исходном положении стабилизированные по расходу потоки исследуемой смеси и газа-носителя, проходят соответственный мерник 2 и ротаметр 3, и проходит газ-носитель сравнительную ячейку детектора, кран-переключатель, колонке измерительную ячейку детектора и ротаметр 4.

По заданной программе блок управления кран 1 проворачивается на 60 градусов (положение ходов показано пунктиром). Газ-носитель подхватывает отсеченную в мернике порцию смеси вводит ее в колонну. На выходе из колонки в измерительную камеру поступает последовательно бинарная смесь газ-носитель + компонент 1; газ-носитель + компонент 2. В ячейках детектора располагаются термосопротивления, чтобы температура была на 20-30 градусов выше стенок детектора.

Вследствие такого режима термосопротивление отдает тепло телу детектора. Тепло проходит сравнит, ячейки через газ-носитель, в измерительной - через бинарную смесь газ-носитель + компонент.

Из-за различной теплопроводности мост плечами которых служат термосопротивления, выходит из состояния равновесия и самописец записывает пик, соответ. прохождению компонента.

При определенной температуре и скорости потока газа-носителя время удержания каждого компонента в разделительной колонке строго определено. Это свойство используются для идентификации компонентов.

рН - метры

Свойство той или иной среды можно хар-ть конц-ций в ней водородных ионов, т.е. водородным показателем рН.

рН характеризует кислотность и щелочность среды.

рН = 7 - среда нейтральна;

рН > 7 - щелочная;

рН < 7 - кислотная

Действия рН - метра основано на измерении разности потенциалов м/у электродами, помещенными в анализируемую жид-ть.

При погружении электродов в раствор, на границе "электрод - раствор" возникает элек. потенциал, зависящий от t-ры и активн. конц-ции Н⁺.

Еизм Есреды

Для измерения разности потенциалов м/у электродами применяется сравнительные электроды, потенциал который не зависит от свойств раствора, (хлор-серебрянный) или (каломельный электрод). В качестве измерительного применяют стеклянные или сурьмянные электроды.

При соединении внешней цепи измер. и сравнит, электродов образуется гальванический элемент, называемый измерительной ячейкой. Его ЭДС равна

Е = Есреды + Еизм Значения ЕДС замеряется компенсационной схемой.

Преобразователи.

Тепловые преобразователи.

Термоэлектрические преобразователи.

Явление термоэлектричества 1823г и заключается в следующем:

Если составить цепь из 2-х проводников или полупроводников А и В, соединив м/у собой концами, причем t-py Q1 одного места соединения сделать отличной от Q0 другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемый термо ЭДС.

Такая цепь называется термопарой, данные Проводники -термоэлектродами, а места соединения - спаи.

У любой пары проводников значения термо ЭДС зависит только от природы проводников и t-ры спаев, и не зависит от распределения t-ры вдоль проводников.

Преобразователи ионизирующего излучения.

Содержат радиоактивный источник, создающий излучение и его приемник, выходной сигнал который - интенсивности ионизирующего излучения. Если на пути потока частиц ионизирующие излучение поместить металл, пластину, то интенсивность облучения приемника будет зависеть от толщины этой пластины.

На параметры излучения также влияют давление газов в камере приемника и расстояний между источником и приемником.

Используют α, β, γ у излучение, а также некоторое ионизирующие излучение. Приемники преобразуют энергию ионизирующего излучения в электрический сигнал.

Используют следующие приемники - ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.

Принцип действия и область применения резисторных преобразователей.

В общем случае на резисторный преобразователь влияет по физ. природе величины - электрические, тепловые, световые и др.

Одним из наиболее существенных влияющих факторов является температура.

Для чистых металлов и большинства сплавов сопротивление повышается с повышением температуры и определяется формулой:

R_Q=R_x(1 + a,(Q₂-Q₁)

Rl, R2- сопротивление при t=QlQ2;

α - температурный коэффициент.

Удельное сопротивление проводников с повышением температуры падает. Зависимость сопротивления от температуры нелинейная. Из п/п изготавливают термисторы (двойной тиристор).

Изменение сопротивления под действием однонаправленного механизма напряжения, вызывающего относительное деформацию, которая характеризуется коэффициентом тензочувствительности.

Для металлов резисторов Кт=2-2,5, для полупроводниковых Кт=100-200.

Чувствительность полупроводников и проводников материалов к давлению среды окружающей характеризуется барическим коэффициентом:

Для металлов этот эффект сказывается при очень высоком давлении, больше 10⁸ Па. Влияние внешнего магнитного поля сказывается лишь в преобразователях из спец. материалов.

Для измерения индукции магнитных полей разработаны специальные магниторезисторы. Также освещенность существенно влияет на сопротивление, при переходе от темноты к свету уменьшается от 100 до 1000 раз. Широко используются в автоматах уличного освещения.

Резисторные преобразователи

Называются реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины.

Принцип действия и область применения пьезоэлектрических

преобразователей Называются кристаллы и текстуры (наслоения), электролизующие под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в эл. поле (обрат, пьезоэффект).

Преобразователи с прямым пьезоэффектом используется в качестве излучателей ультраз. колебаний.

Преобразователи, в котором используется прямой и обратный эффект -пьезорцонаторы.

Принцип действия и область применения электростатических

преобразователей

Содержат 2 электрода, площадью S, параллельно расположенных на каком-то расстоянии в среде с диэлектрической проницаемостью. Выходной величиной электростатических преобразователей является изменение емкости, силы, ЭДС и при взаимном перемещении электродов, находится в эл. поле.

Для электростатических преобразователей используются емкость, входными величинами может быть перемещение, изменяемые зазор или площадь или изменение диэл. проницаемости под действие изменения температуры или состава диэлектрика. Электростатические преобразователи с изменяющимися емкостью называются емкостными. В качестве емкостных преобразователей используют запертые р-n переходы. Эти элементы называют варикапами.

Для электростатических преобразователей с выходной величиной в виде входной величиной является напряжение. Эти преобразователи используются в электростатических вольтметрах, а также в датчиках уравновешивания в качестве обратных преобразователей давления.

Принцип действия и область применения электромагнитных

преобразователей

Представляет собой 1 или несколько контуров находящиеся в магнитном поле, которым может быть создано как токами протекающими по контурам, так и внешним источникам.

Выходной величиной одноконтурного магнитного преобразователя может быть индуктивность, индуктируемая в контуре ЭДС.

Индуктивность преобразователя повышается, если в магнитное поле контура вводится ферромагнитный материал.

Изменение индуктивности происходит при изменении положения сердечника. Входной величиной преобразователя является перемещение. Такой преобразователь называется индуктивным. Изменение индуктивности происходит также при изменении магнитной проницаемости сердечника.

Магнитная проницаемость ферромагнитного материала зависит от значения напряженности магнитного поля в материале.

Преобразователи, принцип действия которых основан на использовании зависимости индуктивности, называются магнитно-индуктивными. При деформации ферромагнетиков изменяется их магнитная проницаемость. Этот эффект магнитоупругости используется для измерений сил и давлений.

Fbx

Если использовать постоянный магнит чтобы создать магнитное поле с постоянным индукцией, то преобразователь используют для преобразователя тока в силу и измерений тока. Такие преобразователи используют в измерительных механизмах эл/мех. приборов.

_Мэм

N

_S

_Мэм

Ферромагнитный сердечник втягивается в контур с током так, чтобы индуктивность контура была max. При этом эл/маг. сила F пропорциональна I²(сила тока). Подобные преобразователи используют в эл/магн. измерительных механизмах электромагнитных механических приборов.

Преобразователи, представляют собой неподвижную катушку, могут быть использованы для измерения переменой индукции (а).

(б) в постоянном магнитном поле ЭДС индуктируется только в движущем контуре. Преобразователи, выходной величиной которой является ЭДС, наз-ся индукционными.