Дәріс №5. Механикалық шамаларды өлшеу және бақылау

Кинематикалық шамаларды өлшеу және бақылау әдістері мен құралдары.Механикалық қозғалыстың өлшеуге болатын шамалары орын ауыстыру, жылдамдық, үдеу болып табылады. Бұл кинематикалық параметрлер бір-бірімен өзара байланыста.

Қозғалыс параметрлерін уақыт бойынша өзгеруінің сипатына қарай ілгерілмелі, айнала, тербелмелі қозғалатын деп бөлуге болады.

Сызықтық жылдамдықты өлшеуге және бақылауға арналған құралдарды жылдамдық өлшегіштер, бұрыштық жылдамдықты өлшеуге және бақылауға арналғандарды – тахометрлер, үдеуді өлшеуге арналғандарды – акселерометрлер деп атайды. Егер машиналардың, құрылымдардың, ғимараттардың дірілдерін өлшейтін болса, онда діріл өлшегіштерді (виброметрлерді) қолданады. Жер қыртысының қозғалысын сейсмографтармен өлшейді.

Сызықтық жылдамдықты өлшеу және бақылау әдістері мен құралдары. Қозғалатын қатты денелердің сызықтық жылдамдықтарын өлшеудің кең тараған әдістері: аэрометрлік, қайтарымдық, термодинамикалық, корреляциялық, доплерлік, электромагниттік, инерциялық және т.б.

5.1-сурет - Сызықтық жылдамдықты өлшеу және бақылау әдістері: а – аэрометрлік (1-ститикалық қысымды қабылдағыш; 2-корпус; 3-манометрлік қорапша; 4-жебе; 5-түтіктер; 6-толық қысым қабылдағышы); б- қайтарымдық (1-ауа компрессоры; 2-манометрлік реле; 3-қозғалтқыш); в – термодинамикалық (1-ашық терможұп; 2-қосындылағыш; 3-бөлгіш); г – турбиналық (1-тангенциальдық турбина; 2-аксиальдық турбина).

Аэрометрлік әдіс (5.1-сурет, а) – ауада қозғалатын, дене жылдамдығымен функциялық байланысқан жылдамдақтық (динамикалық) қарқынды өлшеуге негізделген. Жылдамдықтық қарқын ауа статикалық қысым қабылдағышта 1 және толық қысым қабылдағышта 6 қозғалғанда пайда болатын статикалқ қысымды салыстыру жолымен манометрлік қорапшамен 3 анықталады. Салыстыру нәтижесі жебемен 4 есептеу құрылымында көрсетіледі. Бұл кездегі жылдамдықты өлшеу қателігі 2-3% аспайды.

Қайтарымдық әдіс (5.1-сурет, б) толық қысымды р_п және компрессор жасайтын қысымды р_к автоматты түрде теңгермелеуге негізделген. Манометрлік реленің 2 екі қуысының біріне толық қысым р_п, екіншісіне сығымдағыштан қысым р_к енгізіледі және р_п мен р_к теңгеріледі. р_п шамасы р_к –ден асып кетсе, қозғалтқыш 3 тізбегі тұйықталып, компрессор іске қосылады. Бұл кезде манометрлік реленің 2 мембранасы солға қарай жылжиды. Контактлер тұйықталғанда және ажырағанда электр қозғалтқышының айналу жиілігі р_п мен р_к теңдігін қамтамасыз ететіндей күйде ұсталады.

Термодинамикалық әдіс (5.1-сурет, в) – тежелетін ауа ағынының температурасын ашық терможұппен 1 және экрандалған терможұппен 4 өлшеуге негізделген. Бұл терможұптардың кедергілерінің айырмашылығы қосындылағышпен 2 және бөлгішпен 3 қабылданады. Бұл әдісті іске асыру үшін аз инерциялы температура өлшегіштер керек. Бұл кездегі өлшеу қателіктері температура өзгерткіштердің (1 және 4) параметрлерінің тұрақты еместігімен байланысты.

Турбиналық әдіс (5.1-сурет, г) – ауа немесе су ағынының кинетикалық энергиясы тангенциальдық 1 және аксиальдық 2 турбиналарды айнадыруға пайдаланылады. Турбиналардың айналу жиіліктері қозғалыс жылдамдығына пропорционал. Аксиальды турбиналар теңіз көліктерінің жылдамдығын өлшеуге көптеп қолданылады.

Айналу жылдамдығын өлшеу және бақылау әдістері мен құралдары.Ортадан тепкіштік әдіс – бұл кезде сезімтал элементтің айналатын біліктің теңгерілмеген массалары дамытатын ортадан тепкіш күшпен әрекеттесуімен сипатталады.

Конустық тахометрде (5.2-сурет, а) топсада, өсімен бірге айналатын жүктер m орнатылған. Ортадан тепкіш күштер әсерінен жүктер серіппені 2 сығымдай жалғастырғыш 1 өсі бойымен жылжып, бір-бірінен алыстайды. Жалғастырғыштың 1 қалпының өзгеруі тахометрдің көрсетуші элементі – жебемен тіркеледі. Сақиналық тахометрде (5.2-сурет, б) өс 2 айналмайтын кезде ( =0) сақина жазықтығы өске қатысты белгі бұрышқа көлбеуленген. Өс айналғанда сақина жазықтығы оған перпендикуляр қалыпқа ұмтылады. Бұл жалғастырғышты 1 жылжытып, жебе көрсетуін өзгертеді.

5.2-сурет – Ортадан тепкіш тахометрлер: а –конустық (1-жалғастырғыш; 2-серіппе; б – сақиналық (1- жалғастырғыш;2-айналмайтын өс).

Бұл құрылымның кемшілігі: қашықтықтан басқарылмауы, қателігінің көптігі, дайындау мен реттеудегі технологиялық қиындықтар.

	5.3-сурет – Магнитиндукциялық тахометрлер: а –қуыс роторлы; б –дискілі; 1-тұрақты магнит; 2-сезімтал элемент; 3-термомагниттік шунт; 4-магнитөткізгіш.

Магнитиндукциялық әдіс металл денеге берілетін құйындық токтың дененің айналу жиілігіне тәуелділігіне негізделген. Бұл әдіске негізделген тахометрлер екі нұсқада орындалады: цилиндр сезімтал элементпен (5.3-сурет, а) және дискілік сезімтал элементпен (5.3-сурет, б). Магнитиндукциялық тахометрдің негізгі бөлігі өлшеу түйіні. Ол тұрақты магниттен 1 және қуыс цилиндр немесе дискі түрін жасалған сезімтал элементтен тұрады. Әдетте тұрақты магнит өлшенуі қажет жиілікпен айналады, өзіндік кедергісі үлкен металдан жасалған сезімтал элемент айналудан ирек серіппе көмегімен ұсталып тұрады. Магниттік индукцияның тұрақсыздығынан температуралық қателікті азайту үшін саңылауда термомагниттік шунт 3 қолданылады. Бұл тахометрлердің шкалалары с^-1 (тип ТЭ) немесе пайызға (тип ИТЭ) бөліктелген.

ИТЭ типтегі тахометр тахометрдің өзінен (өлшеу түйінінен) және айнымалы жиілікті айнымалы токты синхронды берілістен тұрады. Беріліс үш фазалы синхронды генераторды және синхронды қосылатын синхронды қозғалтқышты іске қосады.

Құрылымы бойынша тахометр түрлендіргіш және көрсеткіш түрінде орындалған.

Электрлік әдіс өндірілетін кернеудің айналу жиілігіне (тұрақты, айнымалы, импульстік токтар үшін) тәуелділігіне, ал айнымалы және импульстік токтар үшін – ток жиілігінің айналу жиілігіне тәуелділігіне негізделген. Тұрақты ток электрлік тахометрінің құрамына тұрақты тоқ тахогенераторы және гальванометр кіреді. Тахогенераторлар екі типте болады: ротордың бұрылу бұрышы шектелген және шектелмеген.

Айнымалы ток тахометрінде тахогенератор айналатын тұрақты магниттен және статорлық орамдардан тұрады. Бұрыштық жылдамдықты өлшеу айналу жиілігіне тең айнымалы ток жиілігін өлшеуге немесе кернеу амплитудасының өзгеруін өлшеуге келтірілген.

Стробоскоптік әдіс көздің көрінетін кескінді ол жоғалып кеткеннен кейінде де секундтың ондық бөлігіндей уақыт болса да сақтап қалу қасиетіне негізделген. Бұл әдіс басқа әдістерге қарағанда дәлірек. Сондықтан лаборатория жағдайында, сондай-ақ үлгілік өлшеу құралдарын дайындауда қолданыс тапқан.

Үдеуді өлшеу әдістері мен құралдары.Сызықтық үдеуді анықтау үшін инерциялық әдіс, дифференциялық әдіс және жылжымайтын базаға дейінгі қашықтықты екі реттік дифференициялау әдісі қолданылады.

Инерциялық әдіс үдеумен қозғалған кезде инерциялы масса жасайтын күшті өлшеуге арналған. Бұл әдісті іске асыратын құралдардың әрекеттік принципі келесідей (5.4-сурет, а). Серіппе 2 және демпфер 5 көмегімен аспап корпусымен 4 байланысқан инерциялы масса 1 сезімталдық өсі деп аталатын өс 7 бойымен жылжи алады. Өлшенетін үдеуге пропорционал инерциалы массаның жылжуы резисторлық, индуктивтңк немесе сыйымдылықты түрлендіргіш 6 көмегімен электр сигналына айландырып, күшейткіште у күшейтілгеннен кейін электромагнитке 3 беріледі. Электромагнитте инерциялық күшті ma_x теңгеретін күш F жасалады:

F= ma_x ,

мұнда a_x – үдеу.

5.4-сурет – Үдеуді өлшеу құралдары: а – акселерометрдің сұлбасы (1-инерциялы масса; 2-серіппе; 3-электромагнит; 4-аспаптың корпусы; 5-демпфер; 6-түрлендіргіш; 7-өс; у-күшейткіш); б – маятникті акселерометрдің сұлбасы (1-аспа; 2-сұйық; 3-корпус; 4-сезімтал элемент); в –шекті акселерометрдің сұлбасы (1, 5-шекті түрлендіргіш, 2, 4-шек; 3-серпімді аспа; 6-генератор; 7-шекті керу механизмі; 8-реттеуші құрылым); г – талшықтық-оптикалық түрлендіргішті акселерометрдің сұлбасы (1-жарық бастауы; 2-акселерометр; 3, 8-линза; 4-полярлаушы; 5-фотосерпімді материал; 6-ширекталшықты пластина; 7-анализдаушы; 9-талшықты жарықөткізгіш; 10-сәуле қабылдаушы – фотодиод).

Бір немесе екі реттік дифференциялау әдісі сәйкес өлшенетін жылдамдықты немесе қозғалмайтын базаға дейінгі қашықтықты дифференциялауға тіреледі.

Акселерометрдің кейбір сұлбаларын қарастырамыз. Инерциялық массалар, сигналдарды түрлендіргіштер, моменттік (күштік) құрылымдар, сигналдарды күшейткіштер және дұрыстаушы элементтер (демпферлер) акселерометрлердің негізгі элементтері болып табылады.

Маятникті акселерометрлерде (5.4-сурет, б) сезімтал элемент 4 корпусқа 3 құйылған сұйықтың 2 ішіне орналасады. Сұйықтың температурасы 0,01^оС дейінгі дәлдікте ұсталады. Бұл кезде сұйықта конвективті қозғалысты болдырмауға мүмкіндік бар. Сезімтал элементтен сигнал түрлендіргішпен 5 алынып, күшейткішке у беріледі. Күшейткіштен шыққан сигнал моменттік қозғалтқышқа беріліп, үдеуге тәуелді момент дамытылады.

Шекті түрлендіргішті 1 және 5 акселерометрде (5.4-сурет, в) массаның т жылжуы сезімталдық өсі бағытында тартылған шектердің 2 және 4 серпімділік қасиеттерін өзгертеді. Серпімді ілгіш 3 масса m-нің көлденең бағытта жылжуын болдырмайды. Шектердің 2 және 4 тербеліс жиіліктерінің қосындысы (f₁+f₂) реттегіш құрылымның 8 көмегімен тұрақты шамада ұсталады. Сол үшін ол генератормен 6 жасалатын эталондық жиілікпен f_о салыстырылып отырады. Жиіліктер айырмашылығын шектер керу механизмін 7 басқаруға пайдаланылады. (f₁+f₂) шамасын тұрақты қылып ұстағанда өлшенетін үдеу a_x пен жиіліктер айырмашылығы арасында сызықтық тәуелділік орнайды. Бұндай акселерометрлер инерциялы басқару жүйесінде қолданылады. 20g дейінгі үдеуді өлшегенде бұлардың қателіктері аспайды.

Өлшегіштік өзгерткішті талшықты – оптикалық акселерометр фотосерпімділік әсеріне негізделген. Кейбір материалдар (эпоксидтік қарамай, литий нитраты және т.б.) деформацмяланған кезде өздерінің оптикалық қасиеттерін өзгертеді. Осының негізінде, күшті деформацияға айналдыратын, өлшеу құралдарының бірқатары жасалған. 5.4-сурет, г жарық 1 (мысалы, жартылай өткізгіштік лазер) линза 3, полярлаушы 4 арқылы акселерометр жүгінің үдеуіне байланысты кернеулік күйі өзгеретін фотосерпімді материалдан жасалған өзекке 5 беріледі. Ширектолқындық тілікше 6, анализдаушы 7 және линза 8 көмегімен алынған сигнал өзгертіліп, талшықты жарық өткізгіш 9 бойымен ол сәуле қабылдағышқа (фотодиодқа) 10 беріледі. Нәтижесінде үдеудің шамасы жеткілікте дәлдікте анықталады. Мысалы, жүктің массасы 25 г кезінде қарастырылған акселерометрдің сезімталдығы 0,01g құрайды.

Дірілді өлшеу әдістері мен құралдары. Әрқашанда дірілді өлшеген кезде үш элемент қатысады: дірілдеуші звено, бастапқы (дірілдемейтін) звено және дірілдеуші звеноның дірілдемейтінге қатысты қозғалысын өлшеуге арналған құрылым. Дірілді өлшеуге арналған құралдар виброметрлер (5.5-сурет, а) деп аталады. Әдетте бастапқы (дірілдемейтін) звено діріл өсі бойымен (немесе өсті айнала) қозғала алатын массаның көмегімен жасалады. Масса1 аспаптың табанымен 4 серіппе 2 және демпфер 3 көмегімен байланысады. Түрлендіргіш 5 массаның 1, серіппенің 2 және демпфердің 3 параметрлеріне тәуелді, корпустың массаға 1 қатысты жылжу сигналын береді. Сигнал массаның 1 және аспап табанының 4 салыстырмалы жылжуына, салыстырмалы жылдамдыққа немесе үдеуге пропорционал болуы мүмкін. Виброметр массасын 1 сейсмикалық элемент деп атайды, ал масса 1, серіппе 2 және демпферден құралған жүйе сейсмикалық жүйе деп аталады. Жылжуды электр сигналына айландыру үшін резисторлық, индуктивтік, сыйымдылықты, электромагниттік, микросиндық және басқа түрлендіргіштерді пайдаланады. 5.5-суретте, б сейсмикалық элементке арналған бағыттаушы тіректі электромагниттік сызықтық виброметрдің құрылымы көрсетілген. Сейсмикалық элемент 8 тұтқыр сұйық ортада 3 тіректік өзекке 4 орнатылған. Төлкенің 5 бағыттаушы дискісі 1 сейсмикалық элементке сезімталдық өсі 2 бойымен аз үйкеліспен жылжуға мүмкіндік береді. Дірілдің шамасы сейсмикалық элементте 8 орналасқан тұрақты магнитпен 6 орамда 7 жасалатын ток шамасымен анықталады.

Бұл типтегі көлемі 90 см³ және салмағы 450 г виброметр 10 Гц меншікті жиілікке, 0,03 В/(см^.с²) сезімталдыққа, енгізу жылжуының диапазонына ие.

Индуктивтік көпірлі виброметр (5.5-сурет, в). Аз гисьерезисті магниттік материалдан жасалған цилиндр түріндегі сейсмикалық элемент 7 якорь 12 қызметін атқарады және екі орамдар 5 арасында тұтқыр сұйықпен 11 толтырылған қуыста жылжып тұрады. Сейсмикалық элемент 7 магниттелмейтін төлкелерлі 3 және 9 тіректік өзекке 1 орнатылған және аспаптың кораусымен 13 серіппелер 4 және 8 арқылы байланысқан. Виброметрдің сигналы осцилографпен тіркеледі. Көлемі 45 см³ виброметрдің салмағы 200г. Қоректік кернеуі 10 В жиілігі 400 Гц кезінде оның сезімталдығы 0,01 В/(см^.с²). Аспаппен 10g дейінгі диапазонда үдеуді өлшеуге болады.

Негізгі әдебиет: 1 , 5

Қосымша әдебиет: 8

Бақылау сұрақтары:

1. Механикалық қозғалыстың параметрлерін өлшейтін және бақылайтын аспаптар қалай аталады?

2. Сызықтық жылдамдықты, айналу жылдамдығын өлшеуге қандай әдістер қолданылады?

3. Акселерометрлердің әрекет принципі және құрылысы қандай?

4. Виброметрлердің әрекет принципі неге негізделген?

Дәріс №6.Температураны өлшеу және бақылау әдістері мен құралдары

Температураны өлшеудің төмендегі әдістері кеңінен таралған:

- сұйық, газ тәрізді және қатты денелердің жылулық ұлғаюына (термомеханикалық әсерге) негізделген;

- жабық көлемде температура өзгерген кезде қысымның өзгеруіне (манометрлік) негізделген;

- температурасы өзгерген кезде дененің электрлік кедергісінің өзгеруіне (терморезисторға) негізделген;

- термоэлектрлік әсерге негізделген;

- қыздырылған дененің электромагниттік сәуле шығаруына негізделген.

Температураны өлшеуге арналған аспаптар термометрлер деп аталады. Оларды контактілік және контактілік емес деп екі топқа бөледі.

Температураны контактілі өлшеу.Сұйықты әйнек термометрлердің әрекет принципі әйнек түтікке құйылған термометрлік сұйықтың температурасы мен көлемі арасындағы тәуелділікке негізделген. Термометрлік сұйық ретінде толуол, этил спирті, керосин, пентан пайдаланылады. Бұлардан басқа сынап толтырылған термометрлер де көп тараған.

Әйнек термометрлер атқаратын қызметтеріне және қолданылу обылыстарына тәуелді үлгілік, зертханалық, техникалық, тұрмыстық, метрологиялық болып бөлінеді.

Биметалл және дилатометрлік термометрлер әртүрлі қатты денелердің температуралары өзгерген кезде әртүрлі дәрежеде сызықтық ұлғаюларына негізделген.

2.77-суретте (а) термосезімтал элементі ретінде сызықтық ұлғаюлары әртүрлі металдардан – латун 1 мен инвардан 2 – жасалған екі қабатты тілікше қолданылған биметалл термометрдің құрылымы көрсетілген.Температура өскен кезде тілікшенің бос басы ұлғаю коэффициенті аз металл жағына қарай қисаяды және сол қисаю шамасы бойынша температура жөнінде мағлұмат алынады. Құрылымның бұндай типі сигналдау және автоматты реттеу жүйесінің терморелесі ретінде, сондай-ақ температуралық компенсатор ретінде қолданылады.