Метрологический датчик

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.

Температура

Высоко- и
низкочастотные виброускорения

Сплошность
(неоднородность) газожидкостного потока

НИИФИ имеет
метрологическое оборудование для
градуировки
следующих датчиков:

Создаются установки
в соответствии с требованиями ГОСТ
8.543-86

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.

Метрологические параметры датчиков.

1.
Чувствительность
– это изменение выходной величины
датчика ∆у
при изменении входной ∆х на единицу.

Чувствительность
Z
датчика измеряется, например, в
микроамперах
на нанометр мкА/нм,
в
милливольтах на Кельвин мВ/К,
в
миллиамперах
на грамм мА/г
и
т.д.

2.
Порог
чувствительности датчика – минимальное
значение входной
величины, которое можно обнаружить с
помощью датчика.

3.
Динамический диапазон датчика – диапазон
частот и амплитуд входного
сигнала, измеряемый без заметных
погрешностей.

4.
Погрешность измерений – максимальная
разность между результатом
измерений и действительным значением
измеряемой величины.

5.
Время реакции (инерционность) – минимальный
промежуток времени, в течение которого
выходная величина принимает значение,
соответствующее входной. Дело в том,
что процессы в датчиках происходят не
мгновенно и это приводит к запаздыванию
изменения выходной величины
по сравнению с входной. Поэтому
регистрация результатов измерений
с помощью датчика должна производиться
с учетом промежутка времени,
соответствующего времени реакции
прибора

Пьезо, индукционные, термоэлектрические, емкостные, индуктивные, тензодатчики и резистивные датчики дыхания.

Механоэлектрический
пьезодатчик
(рис.)
основан на явлении пьезоэффекта. В
пьезодатчике возникает напряжение
U
при
воздействии на пьезокристалл К
силой
F.
Эта
разность потенциалов пропорциональна
деформирующей силе или деформации
кристалла.

U
= kF,
где
k
– чувствительность
датчика.

Входной
величиной для этого датчика явля­ется
сила или абсолютная деформация,
выходной
– напряжение на гранях кристалла.
Пьезодатчик
применяется для снятия сфигмограммы,
в
автоматических измерителях артериального
давления
по методу Короткова, где он встраивается
в манжету и дает сигнал
о начале и конце колебаний стенок
сосуда.

Механоэлектрические
индукционные
датчики разных модификаций применяются
в различных областях диагностики.
Например, при регистрации
фонокардиограммы, изменений диаметра
крупных сосудов при прохождении
пульсовой волны, изменения давления в
сосудах
и т.д

В
датчике перемещение магнитного
сердечника относительно катушки
приводит к возникновению
ЭДС индукции ε.

Скорость
изменения магнитного потока Ф,
пересекающего витки катушки,
пропорциональна относительной
скорости V
перемещения
магнитного
сердечника и катушки. Поэтому генерируемая
ЭДС индукции пропорциональна скорости
V.

ε
=kV,
где k
– чувствительность
датчика. Входной величиной такого
датчика является
скорость V,
а
выходной – ЭДС индукции ε.

Термоэлектрический
датчик или термопара. В таких датчиках
за счет тепловой энергии объекта
нагревается
контакт разнородных металлов или
полупроводников, что приводит к
возникновению термозлектродвижушей
силы: ε=α∆Т, где
α- коэффициент пропорциональности –
чувствительность
термопары. Входной величиной датчика
является разность температур между
нагретым
и холодным контактами ∆Т=Тн-Тх,
выходной – термоэлектродвижущая сила
ε. Термопара
может применяться для измерения
температуры тела.

Механоэлектрический
емкостной
датчик(рис).
При изменении
расстояния между пластинами конденсатора
в процессе измерения некоторого
размера изменяется емкость датчика
С~1/d

Соответственно
изменяется его емкостное сопротивление
Хс
=1/ωС
и,
как следствие,
переменный ток в измерительной цепи с
источником питания ε.

Механоэлектрический
индуктивный
датчик перемещения (рис).

ЭДС
электромагнитной индукции в измерительной
катушке 2 пропорциональна
скорости изменения тока в первичной
катушке 1

Поэтому,
при передвижении стального конического
сердечника, проходящего
через обе катушки, изменяется коэффициент
взаимной индукции
М катушек питания 1, в которую включен
источник переменного тока
εi
и измерительной 2, в которой возникает
ЭДС взаимной индукции ε2.
Соответственно перемещению сердечника
изменяется ток в измери­тельной
катушке 2.

Механоэлектрический
тензодатчик
применяется, например, при исследовании
деформационных свойств костей, мягких
тканей, стенок сосудов. При удлинении
за счет силы F проводника длиной l, по
которому течет ток, уменьшается площадь
сечения проводника S. Оба эти фактора
приводят к увеличению сопротивления
проводника

Резистивный
датчик дыхания. Этот
датчик выполнен в виде резиновой трубки
, которая
заполнена мелким угольным порошком .
С торцов
труб­ки вмонтированы электроды .
Через уголь можно пропускать ток от
внешнего источника .

При
растяжении трубки увеличивается длина
и
уменьшается площадь сечения столбика
угля и согласно формуле увеличи­вается
сопротивление

где
р — удельное сопротивление угольного
порошка.

Таким
образом, если трубкой опоясать грудную
клетку или, как это обычно делается,
прикрепить к концам трубки ремень и
охватить им грудную клетку, то при вдохе
трубка растягивается, а при выдохе —
сокращается. Сила тока в цепи будет
изменяться с частотой дыхания, что
можно зафиксировать, используя
соот­ветствующую измерительную
схему.

В
заключение отметим, что датчики являются
техническими аналогами рецепторов
биологических систем.

Датчик
предназначен для преобразования
физической
величины в соответсвуюшее изменение
другой физической величины, как правило,
электрической природы.

Динамическая
характеристика датчика
определяет поведение датчика
при изменениях входной величины и
определяется внут­ренней
структурой датчика и его элементов.

Порог
чувствительности датчика
— минимальное изменение входной
величины, вызывающее изменение выходного
сигнала.

Основная
погрешность датчика
— максимальная разность меж­ду
получаемой в нормальных эксплуатационных
условиях вели­чиной
выходного сигнала и его номинальным
значением, опреде­ляемым
по статической характеристике для
данной входной вели­чины.

Дополнительные
погрешности датчика
— погрешности, вызывае­мые
изменениями внешних условий по сравнению
с нормальными эксплуатационными
условиями. Выражаются обычно в процентах,
отнесенных
к изменению вызвавшего их фактора
(например, тем­пературная
погрешность 1,5% на 10°С).

Классификация датчиков, используемых для измерения различных параметров и основные определения. Приведите примеры параметрических и генераторных датчиков.

По
типу выходной
информации
все датчики, используемые для
измерения параметров технологических
процессов, делятся на
дискретные
(в
том числе на импульсные и цифровые) и
на аналоговые
(в
том числе датчики с выходом в виде
напряжения и в виде сдвига фазы, так
называемые фазовые датчики).

По
конструкции измерительного устройства
и по способу получения
входной
информации
датчики параметров технологи­ческих
процессов можно разделить на линейные
и
круговые

С
точки зрения источника энергии,
используемой для изме­рения,
все датчики можно разделить на активные
и
пассивные.
Пассивный,
или
параметрический,
датчик
изменяет какой-ли­бо
из своих параметров под воздействием
самой измеряемой ве­личины
и требует подключения к какому-либо
внешнему источ­нику
энергии, изменяя ее в зависимости от
текущего значения измеряемого
параметра. Активный,
или
генераторный,
датчик
сам генерирует вы­ходной
сигнал за счет энергии измеряемой
величины и не требует
подключения к внешнему источнику
энергии.

К
параметрическим датчикам, нуждающимся
во внешнем ис­точнике
энергии, относятся:

К
генераторным датчикам, у которых источник
энергии на­ходится
в самом датчике, относятся:

Перечислите виды резистивных датчиков. В чем принцип действия электроконтактного преобразователя? Какие виды электроконтактных преобразователей Вы знаете?

Электроконтактные
датчики
строятся на основе электроконтакт­ных
преобразователей, которые преобразуют
механическое пере­мещение
в замкнутое или разомкнутое состояние
контактов, управляющих
электрической цепью.

Иными
словами, принцип действия
электроконтактного преобразователя
за­ключается
в использовании перемещения измерительного
стержня для
замыкания или размыкания электрических
контактов, вклю­ченных
в электрическую цепь со светосигнальным
или исполни­тельным устройством.

Имеются
три
вида преобразователей:
пре­дельные
(преобразователи
размеров), определяющие соответствие
контролируемого
размера установленной размерной группе,
в ча­стности полю допуска; амплитудные
(преобразователи колебания размеров),
сравнивающие колебание размера
(овальность, биение, плоскостность
и т. д.) с допустимым, и индикаторы
контакта,
фик­сирующие «координатное» положение
контактного щупа измери­тельного
прибора.

Соседние файлы в папке экз

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.

Высоко- и низкочастотные виброускорения

Сплошность (неоднородность) газожидкостного потока

НИИФИ имеет метрологическое оборудование для градуировки следующих датчиков:

Создаются установки в соответствии с требованиями ГОСТ 8.543-86

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:

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

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.

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.