Метрологическое обеспечение датчиков
Метрологическое обеспечение датчиков включает в себя эталоны и образцовые меры, эталонные и образцовые измерители различных физических величин, поверочные схемы передачи точности от образцовых средств измерений рабочим средствам, систему нормативных документов, регламентирующих деятельность в области метрологии [6,7].
Развитие специального приборостроения, главным образом предназначенного для использования в ракетно-космической технике, а также в смежных специальных отраслях, потребовало создания целого парка специальных образцовых установок и измерительных средств, а также специальных испытательных установок, воспроизводящих на высоком метрологическом уровне и в широких диапазонах измерения параметров рабочих и дестабилизирующих величин. Эта работа производилась в основном Научно-производственным объединением измерительной техники (г. Королев Московской области) и Научно-исследовательским институтом физических измерений (г. Пенза) Министерства общего машиностроения СССР и ведущими институтами Госстандарта СССР (ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, ВНИИФТРИ, СФВНИИМ, ВНИИОФИ и др.), начиная с 60-х годов.
Результатом этой работы явилось создание в составе НПО ИТ Государственного испытательного метрологического центра (ГИМЦ), включающего и метрологическую базу НИИФИ.
Метрологическая испытательная база НПО ИТ включает в себя более 300 единиц метрологического оборудования, включая 60 образцовых средств измерений первого разряда, 10 Эталонов-копий, 45 высокопроизводительных испытательных установок для проведения механических и климатических испытаний и исследований функций влияния на датчик и другие СИ.
Градуировка датчиков в НПО ИТ может осуществляться в следующих диапазонах и при следующих погрешностях [8]:
Температура
Диапазон, °С
-260…0
-50…+300
0…100
100…1500
300…2000
Погрешность, °С
0,05…0,01
0,1…1,0
0,1
1…10
0,5…10
Тепловой поток
Диапазон, кВт/м2
0…2∙103
Погрешность, %
±6
Высоко- и низкочастотные виброускорения
Диапазон, м/с2
1…105
Погрешность, %
±4
Ударные ускорения
Диапазон, м/с2
1…105
Погрешность, %
±10
Виброскорость
Диапазон, мм/с
0,2…100
Погрешность, %
±6
Расход жидкости
Диапазон, л/с
5∙10-3…5
1…10
5…50
10…200
10…300
Погрешность, %
±0,2
±0,25
±0,3
±0,35
±0,5
Уровень жидкости
Диапазон, мм
0…200
10…1000
50…2500
Погрешность, %
±0,2
±0,33
±0,35
Плотность жидкости
Диапазон, кг/м3
700…1800
Погрешность, %
±0,5
Влажность
Диапазон, %
25…98
Погрешность, %
±0,5
Сплошность (неоднородность) газожидкостного потока
Диапазон, %
70…100
Погрешность, %
±1
НИИФИ имеет метрологическое оборудование для градуировки
следующих датчиков:
Абсолютное давление
Диапазон, Па
10-2…7∙10-5
1,0-2…1,3∙10-5
Погрешность, %
2…0,005
0,02…0,005
Избыточное давление
Диапазон, Па
3∙10-2…1600
Погрешность, %
0,8…0,05
Переменное давление
Уровень статического давления, МПа…………………………..до150
Частотный диапазон, Гц………………………………………до 30000
Деформация
О.е д…………………………………………………………2∙10-5…5∙10-3
Температура, °С………………………………………………196…500
Создаются установки в соответствии с требованиями ГОСТ 8.543-86
Крутящий момент
Диапазон, Н×м
1…2500
Погрешность, %
0,2
Сила
Диапазон, мН
1∙10-3…5
Погрешность, %
0,1…0,2
Линейное ускорение
Диапазон, м/с2
10-3…4000
Погрешность, %
1…3
(частотный диапазон 0,5…5000 Гц)
10-3…3500
5…0,1
(статическая характеристика)
Угловые ускорения
Диапазон, рад/с2
0,05…100
Погрешность, %
0,1…1
Постоянные ускорения
Диапазон, м/с2
0,25…3000
(частотный диапазон 0,05…100 Гц)
Погрешность, %
5…0,5
В НПО ИТ разработана автоматизированная система метрологических испытаний (АСМИ), которая автоматизирует как сам метрологический эксперимент (воспроизведение образцовых значений физических величин по программе), так и обработку результатов измерений, а также хранение и выборку метрологической информации.
АСМИ обеспечивает параллельное объединение нескольких метрологических экспериментов в режиме реального времени с удаленных терминалов. АСМИ имеет максимальную скорость метрологической обработки 5000 изм/с. Число коммутируемых каналов при трехпроводном включении до 100. Диапазон измеряемых напряжений до 10 В. Удаленность терминалов до 500 м. Скорость обмена информацией 4 Кбайт/с. Режим передачи информации дуплексный.
Принципы выбора датчиков
В основе принципов выбора датчика для обеспечения тех или иных измерений лежит принцип максимального соответствия требований измерений и возможностей (характеристик) датчика.
Адекватный выбор требует априорных знаний, как об объекте измерений, так и о датчиках, из числа которых должен быть сделан выбор. Если требуемого соответствия достичь не удается, то необходимо убедиться, что требования к датчику являются принципиально реализуемыми. При наличии такой уверенности приступают к разработке (заказу) недостающего датчика.
Последовательность логических шагов в реализации принципа максимального соответствия требований и возможностей сводиться к следующему.
1. Формулируются исходные данные, принципиально очерчивающие область поиска.К их числу относят ожидаемый диапазон измерения измеряемого параметра и агрегатное состояние объекта измерения, например:
– содержание газовой фазы в криогенной жидкости 0…100 %;
– температура жидкого водорода минус 255…минус 250°С;
– температура воздуха минус 50…плюс 150°С;
– давление во внешней атмосфере космического аппарата
1,3∙10-2…1,3∙10-6 Па и т.д.
Результатом этого шага является констатация наличия, как правило, обширной области (совокупности) датчиков определенного назначения, основанных на разных принципах преобразования, диапазон работы которых включает в себя требуемый диапазон измерений.
С каждым последующим шагом возможности выбора будут сокращаться, так как будет сужаться область поиска. Общим объединительным мотивом на всех этапах выбора необходимого датчика является непротиворечивое выполнение требований данного измерения.
2. Проводиться обоснование выбора мест измерений параметра на объекте.Здесь может быть несколько важных соображений – экстремальность параметра в данном месте; представительность данного места для описания общей картины процессов на объекте; корреляция данного параметра в данном месте с другими параметрами, измерение которых намечается, и т.д. Немаловажное значение имеет доступность данного места для размещения датчика. На этом шаге целесообразно рассмотрение альтернативных реализаций измерения требуемого параметра в данном месте. Например, пусть необходимо измерить температуру потока криогенной жидкости в магистрали малого диаметра при высоком давлении. Анализ может привести к нежелательности нарушения целостности магистрали и приварке к ней штуцера для размещения датчика. Кроме того, может оказаться нежелательным создание гидравлических потерь на погружаемой в поток части датчика. Таким образом может рассматриваться альтернативное измерение температуры на внешней стенке магистрали, и задача измерения температуры жидкости модифицируется в задачу идентификации температуры жидкости по измеряемой температуре внешней стенки магистрали.
Однако будем исходить далее из того, что место выбрано и прямое измерение возможно.
3. Из числа известных датчиков для измерений данного параметра выбираются датчики, размещение которых по геометрическим присоединительным размерам возможно.При этом выбираются датчики, имеющие нужную глубину погружения чувствительного элемента, а также, исходя из соображений локальности или осредненности измеряемого параметра, выбирают датчики с чувствительными элементами с сосредоточенными в нужной области параметрами.
4. Из выбранных датчиков, отбираются работоспособные в эксплуатационных условиях (механическая надежность).При этом необходимо учитывать как общие климатические (температура окружающей среды, давление, влажность и т.д.), механические (вибрации, удары, линейные и угловые ускорения и т.д.), так и всю совокупность специальных требований (агрессивность среды, скорость набегающего потока, температура и давление среды, цикличность и многоразовость воздействий, проникающая радиация и т.д.).
Необходимо понимать, что совокупное воздействие всех факторов на датчик существенно жестче, чем раздельное воздействие каждого фактора. Датчик должен обладать, по крайней мере, 25% запасом прочности по отношению ко всей совокупности воздействий в течение всего времени эксплуатации.
5. Для квазистатических измеряемых параметров отбираются датчики, обеспечивающие необходимую точность (стабильность функции преобразования в допустимых пределах) в условиях эксплуатации (метрологическая надежность).На этой стадии отбираются датчики, принцип преобразования в которых обеспечивает необходимое метрологическое качество. При этом могут оказаться конкурентоспособными несколько принципов преобразования. Но может оказаться, что ни один из принципов преобразования не подходит по точности. В этом случае может быть предпринята попытка использования наилучших вариантов с последующей необходимостью коррекции результатов измерений. Для этого требуется знание функций влияния и необходима информация о поведении дестабилизирующих факторов в процессе измерений.
6. Для динамических параметров отбираются датчики по динамическим характеристикам на соответствие динамике измеряемого параметра.Динамическая погрешность отобранных датчиков должна соответствовать допустимым значениям. В случае несоответствия должна быть рассмотрена возможность введения корректирующих поправок в результате измерений. Процедура введения поправок предполагает априорные знания о динамике процесса и динамических характеристиках выбранного датчика. Иногда лимитирующим фактором является кратковременность исследуемого процесса.
Вместе с тем точность и динамичность датчика находится в постоянном противоречии с его механической и метрологической надежностью. В борьбе за выживаемость датчика нередко приходиться жертвовать его быстродействием и точностью.
7. Отбор датчиков по принципу системной совместимости.Если в результате отбора по предыдущим пунктам остаются еще альтернативные варианты датчиков, то последним соображением для выбора является принцип системной совместимости. В современной технике измерения, как правило, проводятся, как многопараметрические, коллективные, тогда отдельные измерительные средства (датчики, коммутаторы, усилители, устройства мультиплексирования, регистрирующие устройства и так далее) комплектуются в информационно-измерительные системы (ИИС). Однако применительно к выбору датчиков крайне желательным является единство принципа преобразования в используемых датчиках (по крайней мере, минимальное число принципов преобразования).
ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ДАТЧИКАХ
Реостатные преобразователи
В реостатных (потенциометрических) преобразователях осуществляется преобразования физической величины в перемещение движка реостата (линейное или угловое), которое преобразуется в изменение сопротивление реостата:
Таким образом, любая физическая величина, сводимая в результате тех или иных преобразований к линейному или угловому перемещению, может быть измерена с помощью реостатных преобразователей – давление (прогиб мембраны с помощью соответствующей кинематической схемы преобразуется в перемещение движка реостата), линейные ускорения (аналогично), углы поворота, линейные и относительные перемещения и т.д.
Главное достоинство реостатных преобразователей – относительная простота и отсутствие необходимости в дополнительной электронно-преобразующей аппаратуре.
Главный недостаток – наличие подвижного контакта и связанные с ним проблемы обеспечения надежности и стабильности контакта, износоустойчивости, виброустойчивости. Однако многолетняя практика проектирования и использования реостатных преобразователей даже в такой области техники, как ракетно-космическая, характеризуемой экстремальными условиями эксплуатации, показывает, что эти проблемы успешно в основном преодолеваются.
Главной конструктивной модификацией реостатных преобразователей являются проволочные реостаты, намотанные на каркасе. Витки между собой надежно изолируются, щетка реостата скользит по контактной дорожке. Ширина контактной поверхности составляет 2…3 витка реостата. Другая щетка скользит по токосъемнику. Намотка может быть равномерной и неравномерной, форма каркаса может изменять по требуемому закону длину витков, что в результате формирует функцию преобразования преобразователя по тому или иному функциональному закону [9].
Основные материалы, используемые для намотки реостатов – манганин, константан, нихром. В особых случаях используются благородные металлы (сплав платины с иридием или палладием).
Щетки должны обладать пружинистыми свойствами. Для обеспечения виброустойчивости контакта щетка, как правило, делается составной (из двух-трех проволочек разной длины и, следовательно, с разной резонансной частотой). Эта мера целесообразна, но не исключает «дребезга» контакта при полигармонической вибрации. Надежности контакта способствует увеличение прижимного усилия, однако, это в свою очередь приводит к повышенному износу и щеток, и витков, переносу металлической пыли в межвитковые зазоры, потери изоляции между ними и даже перемыканию витков. Кроме того, увеличение контактного усилия приводит к росту обратной реакции датчика и искажению измеряемого процесса.
При проволочной реализации реостата изменение сопротивления при перемещении движка является ступенчатым. Дискрет оказывается тем меньше, чем больше витков имеет реостат.
От этого недостатка свободны металлопленочные реостатные преобразователи, или реохорды, которые, однако, используются реже.
Динамические возможности реостатных преобразователей определяются их подвижными элементами. Поэтому они используются в датчиках для измерений медленно меняющихся параметров (до 10 Гц). При измерении физических параметров, преобразуемых в малые перемещения, в датчиках используются множительные кинематические схемы. При измерении больших перемещений преобразователи делаются многооборотными. В датчиках относительного пути преобразователи размещаются в шарнирных подвесах и таким образом измеряются и путь, и углы расхождения.
Возвратные усилия в таких датчиках обеспечиваются калиброванными пружинными механизмами.