Система единиц физических величин

Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, образованной в соответствии с принятыми принципами.

Основная единица физической величины - единица входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других единиц.

Производная единица физической величины – единица определяемая через основную единицу физической величины.

 

 Погрешность измерения (ошибки измерений)

Погрешность измерения (ошибки измерений) – отклонение метрологических свойств или параметров средств измерения от номинальных, влияющее на точность результата измерения (создающее так называемые инструментальные ошибки измерения). Погрешности измерений классифицируются:

а) по причине возникновения (методические, инструментальные, субъективные);

б) по форме выражения (абсолютная, относительная);

в) по характеру измерения во времени(систематическая, случайная);

Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения выраженная в единицах измеряемой величины.

D C = C - C_и,

где: C-результат измерения     

Х_и – истинное значение

Пример: D=±1B

Абсолютная погрешность не может служить мерой точности, т.к. не несёт информации о соотношении между погрешностью и значением измеряемой физической величины.

Относительная погрешность – погрешность, равная отношению абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины.

d _C= ^D Х. 100%,

Х

Где: D C- абсолютная погрешность измерения,

Х- действительное значение измеряемой величины

Пример: d _C =±1%.

 

Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения которая остается постоянной или изменяется закономерно при повторении измерения одной и той же физической величины.

Случайная погрешность - составляющая погрешности измерения изменяющаяся во времени случайным образом.

К случайным относятся и грубые погрешности.

Грубая погрешность – погрешность которая значительно отличается от ожидаемого результата.

  Погрешность средства измерения

Погрешность средства измерения – отклонение метрологических свойств или параметров средств измерения от номинальных, влияющее на точность результата измерения (создающее так называемые инструментальные ошибки измерения

  Класс точности – выражается числом погрешности, соответствующей нормальным условиям работы прибора. Допустимая погрешность вычисляется от алгебраической разности верхнего и нижнего пределов измерения. Она характеризуется поставленными перед ней знаками плюс и минус или одним из этих знаков, если распространяется только на одни положительные или отрицательные значения допустимых нормами погрешностей.

Класс точности присваивается при выпуске средства измерения из производства и обозначаются цифрами: 0, 1; 0, 15; 0, 2; 0, 25; 0, 4; 0, 5; 0, 6; 1, 0; 1, 5; 2, 0; 2, 5; 4, 0.

 Приборы для измерения давления

Основные понятия при измерении давления

Единицы измерения. Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую она действует. При равномерном распределении силы давления на всех участках площади одинаково. В этом случае давление определяют по формуле:

Р= F/ S,

где Р – давление, F- сила, S- площадь.

В системе Си за единицу давления принят Паскаль (Па) – давление вызываемое силой 1Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м² ( 1 Па= 1Н/м²), а в системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) в качестве основной единицы давления приняты 1 кгс/см² или внесистемная единица – техническая атмосфера 1 ат= 1 кгс/см²=10⁴ Па. К внесистемным единицам давления, также допускаемым к применению, относятся миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.), равный давлению на горизонтальную поверхность столба ртути высотой 1 мм при 0⁰С и ускорении свободного падения 980, 665 см/с², миллиметр водного столба (мм вод.ст.), равный давлению на горизонтальную поверхность столба воды высотой 1 мм при +4⁰С и ускорении свободного падения 980, 665 см/с² .

 

Виды давления. При измерении давления необходимо различать абсолютное, избыточное и атмосферное давление, а также вакуум.

Абсолютное давление Ра – параметр состояния вещества (жидкостей, газов и паров).

Избыточное давление Ри – разность между абсолютным давлением Ра и атмосферным давлением Рб (т.е. давлением окружающей среды).

Ри=Ра-Рб,   если абсолютное давление ниже атмосферного то

Рв=Рб-Ра, где

Рв – давление (разряжение), измеряемое вакуумметром.

В большинстве случаев первичные преобразователи давления имеют неэлектрический выходной сигнал в виде силы или перемещения и объединены в один блок с измерительным прибором. Если результаты измерения необходимо передать на расстояние, то применяют промежуточное преобразование этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический или пневматический, при этом первичный и промежуточный преобразователи объединяют в один измерительный преобразователь.

 

 Деформационные приборы

В большинстве приборов измеряемое давление преобразуется в деформацию упругих элементов. Поэтому они называются деформационными. Виды упругих элементов: трубчатая пружина, мембрана или сильфон.

Приборы с трубчатой пружиной. Наиболее распространенным видом приборов для измерения давления являются пружинные манометры. Ими охватывается диапазон измерения

от 100 Па до 1 000 МПа. Погрешность пружинных манометров составляет от +- 0, 16 до 4 % (в процентах от верхнего предела измерений). Чувствительным элементом в них являются одно- или многовитковые трубчатые пружины овального или эллиптического сечения. Для давлений до 1, 5-2 МПа используются пружины из медных сплавов, для более высоких давлений применя-ется сталь. Чувствительный элемент связан механически с измерительным устройством и вместе с ним находится в общем корпусе.

Манометр с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 2) состоит из упругого чувствительного элемента и измерительного механизма.

Чувствительный элемент - одновитковая трубчатая пружина 1 представляет собой полую трубку, согнутую по окружности. Один конец пружины впаян в основание 8 прибора. На этом же основании установлена плата 7 со смонтированным на ней измерительным механизмом со стрелкой 2. Корпус 9 манометра крепится к основанию, измеряемая среда подводится во внутреннюю полость пружины через ниппель 13.

Под давлением измеряемой среды трубчатая пружина стремится выпрямиться, ее свободный конец отклоняется и через тягу 4 поворачивает трубку 5, а вместе с ней и стрелку 2 на угол, пропорциональный давлению. Спиральная пружина 6 одним концом прикреплена к неподвижной точке основания механизма, а другим - к оси трибки. Натяжение волоска пружины устраняет влияние зазоров в зубчатом сцеплении и шарнирных соединениях механизма.

Хвостовик зубчатого сектора имеет продольную прорезь, в которой с помощью винта крепится конец тяги 4. Перемещением вдоль прорези конца тяги можно регулировать угол поворота показывающей стрелки.

Устройство манометра с многовитковой трубчатой пружиной представлено на рис. 3.

Многовитковая пружина 2 представляет собой полую трубку с пятью-семью витками, расположенными по винтовой линии. Пружина одним концом А неподвижно закреплена в корпусе прибора и через капиллярную трубку 1 соединяется с измеряемой средой. Второй свободный конец Б пружины наглухо закрыт и через втулку 3 соединен с осью 4.

Многовитковая трубчатая пружина длиннее одновитковой, поэтому ее свободный конец при том же давлении перемещается значительно больше. Под действием давления пружина, раскручиваясь, поворачивает ось и сидящий на ней рычаг 5 с кареткой 6. Поворот рычага и каретки передается через тягу 7 поводку 9 и мостику 10. С мостиком жестко связан держатель пера 8. С изменением давления перо движется по диаграммной бумаге 11 и записывает давление. Диаграммную бумагу перемещает часовой механизм или электронный синхронный двигатель.

Манометры с многовитковой пружиной применяют главным образом как самопишущие приборы. Их используют также для дистанционной передачи показаний на расстояние. В этом случае манометр встраивают в электрическое или пневматическое передающее устройство.

 

                                         Мембранные приборы

Из мембранных приборов широко используют мембранные дифманометры (ДМ), которые относятся к деформационным дифманометрам. Измеряемый перепад давления воспринимается чувствительным элементом - мембранным блоком, уравновешивается упругими силами самого элемента и измеряется по величине деформации этого элемента.

Мембранные дифманометры предназначены для измерения расхода жидкости, пара и газа по перепаду давления в сужающих устройствах.

Чувствительный элемент дифманометра (рис. 5)– мембранный блок, состоит из двух (иногда четырех) мeмбранных коробок 1 и 5, которые ввернуты своими основаниями в перегородку 2. Внутренние полости мембранных коробок, сообщаю-щиеся между собою, заполняются через ниппель 4 водным раствором этиленгликоля и после этого ниппель запаивается. Перегородка 2 вместе с двумя крышками 3 и 6, между которыми она зажимается с помощью стягивающих болтов 7, образует две полости – нижнюю А и верхнюю Б. В нижнюю полость подается давление р1 через штуцер 9, а в верхнюю полость - давление р2 через штуцер 8. Под воздействием перепада давления мембранная коробка 1 сжимается, и часть жидкости перетекает в мембранную коробку 5. На жестком неподвижном центре коробки 5 укреплен шток 10 из немагнитного материала с сердечником 11 из стали, который движется внутри разделительной трубки 12 из немагнитной стали и закрытой сверху заглушкой 13. Деформируясь, коробка 5 перемещает шток с сердечником. На разделительную трубку 12 насажена индукционная катушка 18. Пружина 19 прижимает катушку к регулировочной гайке 17, служащей для регулирования положения катушки относительно сердечника 11 (регулировка нуля). Контргайкой 16 закрепляется регулировочная гайка 17. На клеммную колодку 22 выведены секции катушки 18. К верхней половине корпуса (крышка 6) резьбовой втулкой 20 крепится разделительная трубка 12. К полости А подводится большее давление, а к полости Б – меньшее. Дифманометр снабжен уравнительным вентилем 24 и вентилями 25, 26 для подключения к трубопроводу. Запорные пробки 27 служат для выпуска воздуха при заполнении дифманометра жидкостью.

На рис. 6 представлен взаимозаменяемый дифманометр типа ДМ.

Принцип действия данного дифманометра аналогичен принципу действия невзаимозаменяемого дифманометра. Отличительными особенностями являются следующее:

- наличие переменного 12 и постоянного 11 сопротивлений, позволяющих при настройке изменять верхний предел выходного сигнала на - 25 %;

- наличие подвижного колпачка 13, перемещением которого достигается минимальная нелинейность выходного сигнала;

- отсутствие импульсных трубок с запорными и уравнительным вентилями, вместо которых установлены штуцеры 21, 22 и уравнительный клапан 23.

 

Чувствительный элемент дифманометра (рис. 6.)– мембранный блок, состоит из двух (иногда четырех) мембранных коробок 2 и 5, которые ввернуты своими основаниями в перегородку 4. Внутренние полости мембранных коробок, сообщающиеся между собою, заполняются через ниппель 19 водным раствором этилен-гликоля и после этого ниппель запаивается. Перегородка 4 вместе с двумя крышками 1 и 18, между которыми она зажимается с помощью муфты 3, образует две полости – нижнюю А и верхнюю Б. В нижнюю полость подается давление р1через штуцер 21, а в верхнюю полость - давление р2 через штуцер 22. Под воздействием перепада давления мембранная коробка 2 сжимается, и часть жидкости перетекает в мембранную коробку 5. На жестком неподвижном центре коробки 5 укреплен шток 17 из немагнитного материала с сердечником 9 из стали, который движется внутри разделительной трубки 16 из немагнитной стали. Деформируясь, коробка 5 перемещает шток с сердечником. Снаружи последней находится индукционная катушка 15 преобразователя, укрепленная на траверсе 8, которая защищена от случайных ударов щитками 6. Индукционная катушка защищена экраном, состоящим из неподвижного корпуса 14 и колпачка 13, перемещением которого достигается нелинейность выходной характеристики, после чего колпачок фиксируется винтами 10. На колпачке сверху укреплены переменное 12 и постоянное 11 сопротивления делителя, обеспечивающего получение стандартного выходного сигнала. Индукционная катушка и сопротивления закрыты сверху колпачком 7, на котором крепится штекерный разъем. Дифманометр снабжен уравнительным клапаном 23, клапаном 20 и верхним отверстием у разделительной трубки (закрытым пробкой 24 с резиновым уплотнительным кольцом 25), служащим для выпуска воздуха в случае заполнения дифманометра жидкостью.

 

  Тензорезисторные приборы

Для преобразования деформации мембраны в унифицированный токовый сигнал применяют также тензорезисторные промежуточные преобразователи, в которых сопротивление резистора изменяется при его растяжении или сжатии. В таких приборах тензорезистор укреплен на жесткой измерительной мембране. Деформация мембраны, пропорциональна приложенному давлению Р, приводит к деформации тензорезистора и изменению его сопротивления. Это сопротивление преобразуется измерительной схемой, включающей неуравновешенный мост, в выходной сигнал постоянного тока I. Так как деформация жесткой мембраны мала, то применяют полупроводниковые кремниевые тензорезисторы, обладающие высокой чувствительностью.

Промышленные тензорезисторные преобразователи типа «Сапфир» предназначены для преобразования давления до 100 Мпа, разряжения и разности давлений до 16 МПА в пропорциональное значение выходного сигнала – постоянного тока.

 

  Особенности эксплуатации приборов для измерения давления

При эксплуатации приборов, измеряющих давление, часто требуется защита их от агрессивного и теплового воздействия среды.

Если среда химически активна по отношению к материалу прибора, то его защиту производят с помощью разделительных сосудов или мембранных разделителей.

Разделительный сосуд заполняется жидкостью, инертной по отношению к материалу прибора, соединительных трубок и самого сосуда. Кроме того, разделительная жидкость не должна химически взаимодействовать с измеряемой средой или смешиваться с ней. В качестве разделительных жидкостей применяют водные растворы глицерина, этиленгликоль, технические масла и др.

 Измерение температуры

Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обуславливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул тела. С измерением средней кинетической энергии движения молекул изменяются степень нагретости тела и его физические свойства.

 

Измерение температуры. Температурные шкалы

Измерение температуры практически возможно лишь методом сравнения нагрева двух тел, причем степень нагрева одного из тел предлагается известной. Для сравнения степени нагрева тел используют изменение какого-либо физического их свойства, зависящего от температуры и легко поддающегося измерению.

  Классификация приборов для измерения температуры

В зависимости от принципа действия приборы для измерения температуры по ГОСТ 13417-76 подразделяются на следующие группы:

-термометры расширения, основанные на изменении объема рабочего вещества с изменением температуры;

-манометрические термометры, основанные на изменении давления рабочего вещества при постоянном объеме с изменением температуры;

 -термоэлектрические термометры, действие которых основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры;

 -термометры сопротивления, действие которых основано на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.

                                             Термометры расширения

Их действие основано на изменении линейных размеров или объема тел в зависимости от температуры. Термометры стеклянные жидкостные применяют для измерения температуры в пределах от минус 200 до 750 °С. Термометры используют исключительно при контактных измерениях.

В промышленных условиях применяют технические термометры (рис. 7) и технические электроконтактные термометры (рис. 8).

Термометры (рисунки 7, 8) состоят из стеклянной оболочки 1, резервуара 2 с припаянным к нему капилляром 3. Капилляр снабжен шкалой 4 с делениями в градусах Цельсия по международной практической температурной шкале. Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки.

Действие жидкостных термометров основано на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в резервуаре. При изменении температуры объем жидкости изменяется, вследствие чего мениск жидкостного столбика в капилляре поднимается или опускается на величину, пропорциональную изменению температуры.

Технические электроконтактные термометры применяют для сигнализации и регулирования температуры в интервале от минус 30 до 300 °С. Эти термометры изготовляют с заданной температурой контактирования (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК). Они могут иметь вложенную шкалу и прямую или угловую форму. Технические электроконтактные термометры могут работать в цепях переменного и постоянного тока. Определение действительного значения температуры контактирования и контроль за правильностью сигнализации и регулирования температуры осуществляют по контрольному термометру.

Замыкание (размыкание) электрической цепи между контактами в контактных термометрах происходит вследствие расширения (сжатия) ртути при нагревании (охлаждении) нижней части термометра.

При применении электроконтактного термометра нижняя часть его должна полностью погружаться в измеряемую среду.

На рис. 8 представлен термометр типа ТЗК с постоянно впаянными в капилляр 3 металлическими контактами 5, к которым припаяны медные проволоки 6, присоединенные к зажимам 7. Термометры типа ТЗК могут иметь одну, две или три точки контактирования. Контакты впаивают в капилляр термометра в местах, соответствующих определенным значениям температуры контактирования. Минимальные интервалы между двумя соседними контактами обычно составляют не менее 5, 10, 20 и 30 °С для температуры контактирования, соответственно до 50, 100, 200 и 300°С.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: