Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи.

Вопрос № 1.1.

Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи.

К механическим параметрам (величинам) относят:

1) линейные и угловые перемещения;

2) механические усилия, деформации, напряжения, моменты и т.д.

Реостатные преобразователи.

Предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в омическое сопротивление.

Достоинства: высокая точность – до 0,05% и высокая мощность.

Реостатный преобразователь – каркас, на который намотана проволока из манганина или константана (из металла с низким температурным коэффициентом сопротивления).

При высоких температурах используется нихром или сплав палладия с вольфрамом.

Отличия от обычного реостата:

· очень тщательная линейная намотка с равномерным шагом;

· материал намотки должен обладать низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС);

· температурные коэффициенты линейного расширения каркаса и проводника должны быть одинаковы.

х – перемещение, l – длина реостатного датчика,

r_o- шаг намотки, сопротивление на единицу длины.

Статическая характеристика ступенчатая:

аддитивная погрешность

дискретности

берут 1/3 полного хода.

Для a ® ¥ характеристика линейная.

Для получения линейной статической характеристики реостатные преобразователи включают в цепи следящего астатического уравновешивания.

R_П – реостат приемник

R_Д – датчик

На РД будет ноль, когда движки на

сопротивлениях будут находиться в

одинаковом положении.

Индуктивные преобразователи.

Предназначены для преобразования линейных и угловых

перемещений в индуктивное сопротивление.

В простейшем случае индуктивный преобразователь

состоит из магнитопровода и подвижного элемента,

который связан с перемещаемым узлом.

Может работать и в режиме переменной толщины зазора

и в режиме переменной площади зазора.

; ; ;

- индуктивность; - толщина зазора; - площадь воздушного зазора; - магнитная проницаемость в зазоре; W - число витков; и - магнитные сопротивления стали и воздуха;

Т.к. , то пренебрегают.

Тогда магнитное сопротивление ; ;

Характеристика линейна по отношению к и обратно

пропорциональна .

x – перемещение (либо , либо )

Z = f ( ) - более чувствительна

Z = f ( ) - менее чувствительна

Поэтому на производстве в основном используют датчики в

режиме переменной толщины воздушного зазора.

Недостаток – обратное воздействие на чувствительный элемент со стороны якоря (он притягивается).

Для устранения этого недостатка используют дифференциальные индуктивные преобразователи.

У них чувствительность в 2 раза больше.

В режиме переменной толщины. В режиме переменной площади.

Вопрос № 1.3.

Термометры расширения.

Бывают:

1. Жидкостные стеклянные термометры (ЖСТ).

2. Дилатометрические термометры (ДТ).

Принцип действия ЖСТ основан на различии коэффициентов теплового объемного расширения жидкости и стеклянной оболочки, в которой она находится.

- изменение объема.

- коэффициент объемного расширения.

- начальный объем при 0°С.

- видимый коэффициент расширения жидкости в стекле.

ЖСТ могут работать в интервале температур от –200 до 1200°С.

Для их изготовления используют специальные термометрические стекла, подвергаемые старению для снижения . Различают термометры со ртутным заполнением и органическими жидкостями.

Ртуть наиболее предпочтительна:

· имеет стабильный

· не смачивает стекло (не образуется миниск)

· она электропроводна и на ее основе созданы электроконтактные термометры.

Температура затвердевания ртути – -38,87°С, температура кипения – 356,7°С. Для поднятия верхней точки пространство над ртутью заполняют газом под давлением, для расширения вниз используют амальгама – смесь ртути и металла.

Ртутные термометры: максимальные (столбик не опускается сам), минимальные, глубинные.

Термометры с органическими наполнителями используют для измерения отрицательных температур Этиловый спирт – до -100°С; пентан - до -190°С; толуол - до -90°С. Но все эти жидкости имеют неравномерный коэффициент объемного расширения (неравномерная шкала) и смачивают стекло.

Конструктивно ЖСТ делятся на:

1. палочные

2. с вложенной шкалой

3. с наружной шкалой

Палочные состоят из толстостенного капилляра (наружный диаметр 6 ¸ 8мм, внутренний – 0,1 ¸ 0,15мм). Шкала нанесена на наружной стенке капилляра. Используются в качестве образцовых.

С вложенной шкалой – технические термометры. - тонкостенный капилляр, прикрепленный к пластинке молочного стекла со шкалой, и все в стеклянном футляре. Бывают максимальные и минимальные термометры на их основе.

С наружной шкалой – тонкостенный капилляр на пластинке (бытовые термометры).

Дилатометрические термометры.

Принцип действия основан на различии тепловых коэффициентов линейного расширения двух металлов. Один – с очень высоким, другой – с маленьким коэффициентом линейного расширения.

чтобы уменьшить динамические погрешности трубка обычно бывает из латуни, меди, алюминия (высокий α). Стержень выполняется из инвара .

К этой же группе относятся и биметаллические термометры (2 металла жестко соединены).

Изгибание в сторону с меньшим .

Манометрические термометры.

Принцип действия основан на зависимости давления среды, находящейся в замкнутом объеме, от температуры этой среды. В зависимости от заполняющей среды: газовые, жидкостные, конденсационные.

1 – термобаллон

2 – капилляр

3 – манометр

Термобаллон обычно выполняется в виде трубки из нержавеющей стали, диаметром 20мм и длиной 400 ¸ 500мм. Капилляр имеет внутренний диаметр 0,2 ¸ 0,5мм и длину 0,6…60м, и выполняется из меди или из стали. Для защиты капилляр помещают внутри гибкого металлического рукава.

Газовые манометры заполняют газами (азот, гелий). Давление газа, в зависимости от температуры, характеризуется законом Шарля.

- начальное давление (при 0°С)

-коэффициент теплового объемного расширения газов

При 0°С создают начальное давление:

Приращение давления:

Эти термометры могут работать от –160 до 600°С.

Обычно для заполнения используют азот, реже аргон.

Погрешность определяется изменением температуры окружающей среды, действующей на манометр и

капилляр:

,

где - изменение температуры манометра;

- изменение температуры капилляра;

, , - объемы баллона, манометра, капилляра.

Класс точности 1 – 1.5.

Жидкостные термометры заполняются жидкостью. Работают в интервале температур от –150 до 300°С.

Внутри системы создается начальное давление 1 – 3МПа, чтобы поднять точку кипения жидкости и расширить диапазон.

- коэффициент объемного расширения жидкости.

- коэффициент линейного расширения материала термобаллона.

В качестве заполняющих жидкостей используется полиметилсилоксановая жидкость(ПМС) и ртуть (раньше использовали).

Погрешности те же, вызванные изменением температуры окружающей среды, действующей на манометр и капилляр. Для их уменьшения внутрь капилляра помещают инварную проволоку, которая не расширяется при нагревании.

Конденсационные термометры.

В них термобаллон лишь частично заполнен низкокипящей жидкостью, а сверху находится насыщенный пар этой жидкости. При изменении температуры изменяется давление насыщенного пара. Это изменение подается в манометр.

Достоинство: показания не зависят от температуры окружающей среды, т.к. давление насыщенного пара над жидкостью определяется лишь температурой этой жидкости, находящейся в баллоне.

Диапазон измерений от –60 до 300°С.

В качестве рабочей жидкости используют этиловый спирт, ацетон.

Вопрос № 1.5. Термопреобразователи сопротивления.

Принцип действия основан на зависимости активного сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

В общем случае

R₀ – начальное сопротивление при 0°С.

- температурный коэффициент сопротивления

У проводников >0, у полупроводников, как правило, <0.

У проводников, при изменении температуры на 10°С, сопротивление меняется на 4%. Это связано с увеличением хаотического движения.

- т.е. можно считать, что он практически не меняет сопротивления от температуры.

Промышленные термометры изготавливают из платины, меди и никеля.

Платина – наиболее отвечает всем требованиям.

Она жаростойка (-200 ¸ 1100°С).

Статическая характеристика имеет вид:

- для положительной температуры.

- для отрицательной температуры.

Параметры a, b, c определяют по реперным точкам.

На основе платиновых термометров изготавливают образцовые (эталонные).

Медь – дешевая, легко получить в чистом виде, но легко окисляется, поэтому диапазон температур –

200 ¸ 200°С , зато можно пользоваться линейной формулой: .

У меди высокий - положительное качество.

Недостаток – низкое удельное сопротивление, т.к.

Но медь дешевая, поэтому получила распространение.

Никель – он имеет высокий α. Но его трудно получить в чистом виде. Наличие примесей искажает

характеристики.

Промышленные термопреобразователи сопротивления.

Тип термометра	Начальное сопротивление, Ом	Обозначение	Диапазон температур, °С
ТСП – Термометры Сопротивления Платиновые	(46)	10П (Гр20) (Гр21) 50П 100П (Гр22)	-200 ¸ 1000 -260 ¸ 1000 -260 ¸ 1000 -260 ¸ 1000
ТСМ – Термометры Сопротивления Медные	(53)	10М 50М (Гр23) 100М (Гр24)	-50 ¸ 200 -50 ¸ 200 -50 ¸ 180 -200 ¸ 200

В скобках – старая градуировка.

Бывают 5 классов точности.

В ТСП используется платиновая проволока диаметром 0,07мм внутри металлического каркаса.

В ТСМ медная проволока намотана на катушку бифилярно (провод сложен пополам, чтобы токи шли

навстречу друг другу). Катушки диаметром 5мм и длиной 20мм.

По конструкции ТС бывают одинарные, двойные, многозонные.

По инерционности:

малой инерционности (постоянная времени < 1 мин);

средней инерционности (постоянная времени = 1 мин);

большой инерционности (постоянная времени > 1 мин).

Приборы, работающие в комплекте с термопреобразователями сопротивления.

1. Неравновесные мосты.

2. Логометры.

3. Равновесные мосты.

Неравновесные мосты.

Достоинство: простота.

Недостатки: нелинейная статическая характеристика, выходной сигнал зависит от питания.

Rл – сопротивление линии

Rэ – эталонное сопротивление (в рабочем режиме закорочено)

Перемычку переносят на Rt, чтобы проконтролировать стабильность источника питания.

Rэ равно значению термометра в середине шкалы (там красная черта). Есть материал манганин, не меняющий α при изменении температуры. Он используется для изготовления плеч моста и Rэ.

Логометры.

Логометр – прибор магнитоэлектрической системы, подвижная часть которого выполнена в виде двух жестко скрепленных между собой под некоторым углом рамок, находящихся в поле постоянного

магнита.

U_ПИТ = 4В

При протекании токов по рамкам возникают вращающие

моменты, направленные навстречу друг другу.

В – магнитные индукции в зазорах

С –коэффициенты, зависящие от конструкции рамок и

учитывающие краевые эффекты магнитного поля.

Вся система остановится, когда М₁ = М₂

= f(α) - функция угла поворота, где

Уравновешивание происходит из-за переменной индукции в зазоре.

- угол поворота стрелки

= f(α)

Т.о. логометры нечувствительны к напряжению питания. В систему включают слабую пружину, чтобы при отключении питания стрелка возвращалась в исходное состояние.

Как правило, сам логометр включают в диагональ неравновесного моста, для того, чтобы можно было менять пределы измерения и для введения поправки, исключающей погрешности показаний при температурном изменении сопротивления рамок.

Класс точности 1 – 1,5.

Вопрос № 1.6. Равновесные мосты.

В них одно из плеч выполняют в виде переменного сопротивления, которое

называется реохордом.

НИ – нуль-индикатор (гальванометр) – регистрирует момент равновесия.

R_Л – сопротивление линии.

- условие равновесия.

- нелинейная характеристика.

Следовательно, реохорд нужно включать в смежном плече с термометром.

Здесь - это недостаток, т.к. может возникнуть погрешность из-за

изменения сопротивления линии (из-за температуры). Для устранения влияния изменения сопротивления линии на показания используют

трехпроводную схему подключения термометра.

Если R₁ = R₃, то R₂ = Rt

В условие равновесия не входит Е, следовательно, равновесные мосты нечувствительны к изменению

напряжения питания.

Силу тока ограничивают 4-8 мА, чтобы не было самонагрева термометра.

Схема автоматического моста.

Все сопротивления из манганина (кроме Rt).

R_Р – сопротивление реохорда

R_Э – эквивалентное сопротивление реохорда (100 Ом)

R_ПР – приведенное сопротивление

R_Ш –сопротивление шунта

Rн – нагрузка – ограничивает силу тока, проходящего через термометр.

R – подбирается в зависимости от пределов измерения.

Rп – устанавливает предел измерения.

В равновесных мостах роль НИ выполняет усилитель, на выходе которого – РД.

РД – машина с короткозамкнутым ротором. Одна обмотка сетевая, другая – управляющая.

Фу = Ф_maxsinωτ

Фc = Ф_maxcosωτ

tgα = Фу/ Фc = tgωτ ;

α = ωτ - угол поворота пропорционален времени.

Все автоматические равновесные мосты работают по схеме астатического уравновешивания.

Мост может питаться постоянным или переменным током. Узел реохорда выполнен из трех параллельно соединенных нормированных сопротивлений R_Э = 100Ом. R_ПР зависит от пределов измерений.

Начальное сопротивление R_Н предназначено для ограничения силы тока, проходящего через терморезистор. Чтобы не было самонагрева термометра I_ТЕРМ < 8мА.

Сопротивлением R_П устанавливают предел.

R₁ и R₂ для исключения влияния R_Л.

Современные мосты могут быть показывающие, показывающие и записывающие (на перфокартах) и диаграммы, которые выполняются синхронным двигателем, вращающим ленту или диск.

Класс точности 0,25 – 0,1.

Вопрос № 1.7. Термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения этих проводников имеют различную температуру - эффект Томпсона.

Обратный эффект Пельтье: Если пропускать электрический ток через место соединения проводников, то в зависимости от направления тока это место может нагреваться или охлаждаться.

Термопара.

Место соединения – спай.

при

Для измерения этой ЭДС термопару необходимо разорвать. Свободные концы термопары соединены проводником.

при

Включение третьего проводника в цепь термопары не изменяет ее ЭДС, если точки подключения этого

проводника имеют одинаковые температуры.

Пусть температура свободных концов изменится и станет , тогда

- поправка на температуру свободных концов термопары.

Для стандартных термопар существуют градуировочные таблицы. По ним выбирают поправки.

Если , то поправка со знаком +

Если , то поправка со знаком –.

Чтобы ввести поправку, нужно знать температуру свободных концов.

Для удлинения термопары используют термоэлектродные провода.

Они должны быть термоподобны материалу термопары. Это значит, что провода, если их соединить,

то в интервале 100°С они должны развивать такую же ЭДС, как и термопара.

ТПП (платинородий-платиновая термопара) – термоэлектродные провода из меди и медно-никелевого

сплава.

ТПР (платинородий-платинородиевая) – не требует термоэлектродных проводов. Можно соединять любыми проводами. Не требует внесения поправки на температуру свободных концов.

ТХА (хромель-алюмелевая) – термоэлектродные провода из меди и константана.

ТХК (хромель-копелевая) – наиболее чувствительная термопара. Развивает самую большую ЭДС

на 1^о. Термоэлектродные провода из того же самого материала (хромель-копель)

ТВР (вольфрамрений-вольфрамрениевая) - термоэлектродные провода из меди и медно-никелевого

сплава.

ТМК (медь-копелевая).

Жидкостные манометры.

ПД основан на уравновешивании измеряемого давления противодавлением столба жидкости.

Отличаются простотой и высокой точностью, т.е. могут использоваться в качестве образцовых.

Двухтрубный U-образный манометр.

- плотность среды над жидкостью

- плотность жидкости (вода или ртуть)

давление – 750мм вод. или рт.ст.

∆Р= ;

- перепад уровней.

Погрешность измерения определяется параллаксом и наличием

мениска. Погрешность ± 2 мм.

Если с зеркальной шкалой (параллакс отсутствует),

то погрешность ± 1 мм

Пределы измерения зависят от заполняющей жидкости

(0…750 мм столба)

Чашечный однотрубный манометр.

;

;

Пренебрегаем плотностью среды и получим

Погрешность 0,25%, если D в 20 раз больше чем d.

Микроманометр с наклонной трубкой.

P1 > P2

- угол наклона трубки, его можно менять

, n – число делений.

, k – цена деления

Кольцевые манометры.

Кольцо может поворачиваться на угол α.

G – масса противовеса

Возникает вращающий момент:

- противодействующий момент

Шкала принципиально нелинейная. Заливают ртутью. Давление подводится с помощью гибкого шланга. Жидкость крутящего момента не создает, поворачивая кольцо из-за перегородки.

Колокольные манометры.

Выходной сигнал – перемещение колокола. Могут быть уравновешивающими гидростатическими (поплавок) и механическими (пружина).

Если ,

с – жесткость пружины

l – начальная длина пружины

G – вес колокола

S – внутренняя площадь колокола

h – перемещение колокола.

Вопрос № 1.11. Деформационные манометры.

Давление измеряют по величине деформации упругого элемента.

Работают в широком интервале от 50 Па до 1000 Мпа. В качестве упругих элементов используются

плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, сильфоны, трубчатые пружины.

Плоские мембраны. Статическая характеристика нелинейная, может обладать гистерезисом.

Достоинство: они практически безынерционны, поэтому можно измерять быстро изменяющиеся давления.

Хлопающая мембрана.

Перескакивает из одного положения в другое. Используется в сигнализации. Имеет два устойчивых положения. С целью увеличения чувствительности наносят кольцевые гофры, из них выполняют мембранные коробки.

Гофрированные мембраны.

За счет гофров они могут растягиваться. На основе мембранных коробок выпускают дифференциальные манометры.

На основе мембранного упругого элемента разработан «Сапфир-22», если дальше идут буквы:

ДИ – для измерения избыточного давления

ДВ – вакуумометрический

ДИВ – ДИ и ДВ

ДА – абсолютное давление

ДД – дифференциальный

ДГ – гидростатическое давление

«Сапфир-22 ДИ»

1 – мембрана, воспринимающая давление

2 – сапфировая мембрана

Корпус из двух частей. В верхней части корпуса пространство. Там сапфировая мембрана. Пространство между 1 и 2 заполнено полиметилсилоксановой жидкостью. На сапфировой мембране 4 тензодатчика. Два воспринимают радиальную деформацию ε_r, и два – тангенциальную деформацию ε_τ.

На усилитель подается питание 36В.

На выходе – нормализованный сигнал.

Радиальные и касательные напряжения, возникающие при деформации мембран:

Тензодатчики составляют четыре плеча неравновесного моста, т.к. два соседних находятся в смежных плечах, температурная погрешность исключается и увеличивается чувствительность.

Сильфоны – тонкостенные гофрированные трубки с поперечной гофрировкой. Сильфоны работают на растяжение или сжатие, в зависимости от того, подается давление внутрь или снаружи.

Недостаток – гистерезис. Для устранения внутрь сильфона вводят пружину.

Трубчатые пружины.

1. Трубки Бурдона.

2. Трубки Нагаткина.

Давление подается внутрь трубки. Если внутрь трубки подают давление – она разгибается.

Для вывода статической характеристики примем

2 допущения: 1) при подаче давления малая ось эллипса увеличивается,

2) длина трубки до и после деформации не меняется.

- связанное с давлением приращение в малой оси.

Чем более плоская трубка, тем больше .

Угол (чувствительность) – угол изменения закрутки.

- угол закрутки.

(1)

до деф-ции после деф-ции

(2)

т.к. - трубка разгибается

- приращение.

т.е.

Иногда трубку выполняют многовитковой. Геликоидальная пружина – для увеличения приращения.

Трубки Бурдона: от 50 до 1000 Мпа.

Трубки Нагаткина: до 1600 Мпа.

l – эксцентриситет; S – площадь поперечного сечения канала.

- растягивающая сила, действующая на стенку.

Канал, по которому подается давление выполнен эксцентрично. При действии давления возникает растягивающая сила.

Крутящий момент: Мкр = Nl

Приведем силу к оси трубки: .

При изменении меньших давлений трубка может быть прямой. Изгибается в сторону толстой стенки.

Вопрос № 1.12. Измерение расхода.

Расход вещества измеряется либо в объемных, либо в массовых единицах в единицу времени.

- объемный расход [м³/с] - средняя скорость; - сечение

- массовый расход [кг/с]

Массовые расходомеры более точны, т.к. учитывается и плотность вещества, но они более сложны поэтому у нас почти не используются. Поэтому 99% всех расходомеров – объемные.

Вопрос № 1.14.

Расходомеры обтекания.

Принцип действия основан на дросселировании потока сужающим устройством переменного сечения. Типичный представитель – ротаметр.

При измерении меняется положение поплавка внутри трубки. В поплавке наклонные отверстия, чтобы он крутился и не касался стенок.

Силы, действующие вниз:

- вес поплавка

- плотность материала поплавка.

- плотность измеряемой среды.

Силы, действующие вверх:

1) - сила, возникающая из-за перепада давления.

S – наибольшее сечение поплавка.

Р₁ , Р₂ – давление до и после поплавка

2) - сила динамического напора на поплавок.

- коэффициент обтекания.

3) - сила трения о боковую поверхность

υ_к - скорость в кольцевом зазоре

n – зависит от числа Re. (n=1 – ламинарный режим, n=2 – турбулентный режим)

- коэффициент трения (определяется состоянием поверхности поплавка).

- площадь боковой поверхности поплавка.

При расчете и пренебрегают:

Поэтому эти расходомеры часто называют расходомерами постоянного перепада давления.

Вывод уравнения расхода базируется на уравнении Бернулли и условии неразрывности

h – расстояние между сечениями 1 и 2 (берут высоту поплавка)

S_k – площадь кольцевого зазора.

Чтобы получить линейную шкалу трубка должна быть параболической формы.

Достоинства ротаметра: линейность шкалы, могут применяться малые расходы.

Ротаметры изготавливают со стеклянной трубкой с делениями – для небольших давлений, и со

стальной трубкой – для более высоких давлений. Поплавок связан с системой передачи

показаний на расстояние (до 64 атм).

Достоинства ротаметра:

· равномерная шкала

· широкий рабочий диапазон

Недостатки:

· используется для небольших расходов

Вопрос № 1.15.

Вихревые расходомеры.

Вихревыми называются расходомеры, основанные на измерении частоты колебаний вихрей, возникающих в потоке при обтекании потоком какого-либо тела.

Рассмотрим цилиндр, на который набегает поток.

Т – период вихреобразования

u – скорость вихря

Впервые частота вихревого звука была исследована Струхалем на примере звучания струны в потоке воздуха и введен критерий Струхаля (Sh):

S – площадь поперечного сечения трубы

В современных расходомерах используют треугольные призмы. В призме 2 отверстия (канала)

В таких расходомерах предусмотрены меры для борьбы с акустическими помехами, которые возникают при вибрации трубы, работе насоса.

Акустические помехи действуют в фазе на выходной сигнал, а вихревые находятся в противофазе, поэтому при использовании двух каналов они вычитаются.

Вопрос № 1.16. Электромагнитные (индукционные) расходомеры.

Принцип действия основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнитного поля.

Между полюсами расположен участок трубы из непроводящего ток материала. Во внутреннюю стенку трубы вплавляются 2 электрода.

Силовые линии магнитного поля пересекают движущийся поток жидкости.

Поток жидкости ведет себя как рамка в магнитном поле. В нем наводится ЭДС при пересечении магнитными линиями.

В – магнитная индукция

d – определяющи