Основые сведения об измерениях

ОСНОВЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ

 

Виды и методы измерений

 

Теоретической основой измерительной техники является метрология.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности

Современная метрология охватывает большой круг вопросов, включающих: общую теорию измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений, методы определения точности измерений, основы обеспечения единства

измерений и единообразия средств измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Как и в любой другой области знаний, в метрологии следует различать теоретические, технические и организационные аспекты

Основой метрологии является измерение экспериментально определяемых физических величин с использованием специальных технических средств.

В процессе измерения находят числовое значение величины, т.е. узнают, во сколько раз значение данной величины больше или меньше принятого за единицу.

Результат измерения записывают в виде уравнения

Х=qх, где:

Х – измеряемая величина;

q – числовое значение этой величины;

х – единица физической величины.

Это выражение называют основным уравнением измерения.

Наряду с измерением существует понятие контроля. Целью контроля является выяснение того, соответствуют ли определенные свойства испытуемого объекта заданным требованиям, на основе чего принимаются соответствующие решения.

По условиям, определяющим точность результата, измерения физических величин делятся на технические (промышленные), контрольно-поверочные и измерения максимально возможной точности.

И з м е р е н и я м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н о й т о ч н о с т и, достижимой при современном уровне техники, связаны с созданием и воспроизведением эталонов, а также измерения универсальных физических констант.

К о н т р о л ь н о – п о в е р о ч н ы е (лабораторные) измерения отличаются высокой точностью благодаря применению более совершенных методов и приборов для учета возможных погрешностей. Этот вид измерений проводится при выполнении научно-исследовательских, наладочных и поверочных работ.

Т е х н и ч е с к и е измерения имеют сравнительно невысокую точность, достаточную для практических целей, и производятся приборами, устройство которых отвечает их назначению и условиям работы.

 

Методы измерений.

Метод измерений представляет собой совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Принципом измерений называют положенные в основу измерений физическое явление или эффект (например, использование силы тяжести при измерении массы тела при его взвешивании).

Методы измерений различают по различным признакам – например, по способу сравнения размера величины с единицей – прямые и косвенные, по характеру изменения измеряемой величины во времени – статические и динамические, по форме представления измеряемой величины – аналоговые и цифровые, по отбору отсчетов во времени – непрерывные и дискретные (прерывистые), по взаимодействию с объектами измерения – контактные и бесконтактные, по используемым физическим эффектам и др.

По способу получения результата все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Измерение называют п р я м ы м, если искомое значение измеряемого параметра определяют непосредственным сравнением его с единицей измерения. Примером прямых измерений могут служить: измерение длины линейкой, массы с помощью весов, температуры стеклянным термометром.

К о с в е н н ы м называют измерение, если искомое значение параметра вычисляют на основании результатов прямых измерений других величин, связанных с ним однозначной зависимостью. Например, удельное электрическое сопротивление проводника можно найти по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения;

плотность однородного тела по его массе и объему.

При с о в о к у п н ы х измерениях значение величины находят решением системы уравнений, полученных при прямых измерениях одноименных величин. Например, определение температурного коэффициента линейного расширения.

С о в м е с т н ы е измерения предусматривают одновременное измерение двух или нескольких неоднородных величин для отыскания зависимости между ними. Целью совместного измерения, как правило, является определение функциональной зависимости межу величинами.

Совокупные и совместные измерения характерны для исследовательских работ.

Особое значение имеет классификация методов измерения по способу сравнения измеряемой величины с ее единицей. Существует ряд методов измерений, из которых наиболее распространенными являются метод непосредственной оценки, метод сравнения с мерой, дифференциальный и компенсационный методы.

Прямые измерения, являясь самостоятельными, в то же время служат основой для более сложных видов измерений (косвенных, совокупных и совместных). В связи с этим методы прямых измерений, рассматриваемых ниже, являются общими для всех видов измерений, и в дальнейшем будут называться просто методами измерений.

М е т о д н е п о с р е д с т в е н н о й о ц е н к и (отсчета) - нахождение значения измеряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерение давления пружинным прибором, массы на циферблатных весах, силы тока амперметром. Точность такого метода ограничена, но быстрота процесса измерения делает его незаменимым для практического измерения. Наиболее многочисленной группой средств измерений, применяемых для измерения этим методом, являются показывающие, в том числе и стрелочные приборы (манометры, расходомеры, вольтметры и др.).

М е т о д с р а в н е н и я с м е р о й – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Методы сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяют на нулевой и дифференциальный.

Д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы й м е т о д - заключается в определении разности между измеряемой и известной величиной, после чего измеряемая величина находится путем алгебраического сложения. Метод широко используется для измерений при наличии мешающих компонентов - шумов, сопутствующих компонентов при определении состава смеси и т.д.

К о м п е н с а ц и о н н ы й (нулевой) метод - состоит в уравновешивании неизвестной измеряемой величины известной. При нулевом методе результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Например, уравновешенный мост, рычажные весы. Компенсационный метод применяют, когда

необходимо измерить физические явления без нарушения условий, в которых они протекают, например, измерение ЭДС нормальных элементов в отсутствие в них тока.

Компенсационный и разностный методы обеспечивают достаточно высокую точность.

 

1.2. Погрешности измерений.

 

Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называют погрешностью измерения.

По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные.

А б с о л ю т н о й называется погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

О т н о с и т е л ь н а я погрешность характеризует качество замера и показывает, какую долю составляет абсолютная погрешность от значения измеряемой величины (в долях или процентах)

 

Погрешность измерений представляет собой сумму погрешностей, каждая из которых имеет свою причину. Причины возникновения погрешностей измерения физической величины могут быть выявлены из анализа процесса измерения, в котором участвуют объект измерения, средство измерения, оператор и условия, в которых выполняют измерение.

В соответствии с причиной появления выделяют методические, инструментальные и субъективные погрешности.

М е т о д и ч е с к и е погрешности зависят от совершенства метода, недостаточного учета всех обстоятельств, сопровождающих измерения, а также всех приближений, допускаемых при проектировании прибора.

И н с т р у м е н т а л ь н ы е погрешности - следствие недостатков конструкции, технологии изготовления, исправности прибора. Эти погрешности могут быть частично устранены регулировкой прибора.

С у б ъ е к т и в н ы е погрешности зависят от индивидуальных особенностей оператора, проводящего измерения.

По закономерности появления при многократных испытаниях различают погрешности систематические и случайные.

С и с т е м а т и ч е с к и е погрешности возникают в результате постоянного влияния каких-либо факторов. Влияние этих погрешностей на результат измерения в большинстве случаев может быть учтено.

С л у ч а й н ы е погрешности возникают в результате влияния на процесс случайных факторов. Влияние случайных погрешностей на результаты измерений уменьшают, используя способы обработки результатов измерений, базирующиеся на положении теории вероятностей и математической статистики.

Принципиальное различие между систематической и случайной погрешностями в отношении их влияния на результат измерений заключается в том, что систематическая погрешность делает измерение неверным, а случайная – недостоверным, внося элемент неопределенности. Их этого следует, что указанные погрешности должны оцениваться разным образом. Систематическую погрешность определяют количественно и ее влияние учитывают коррекцией измеренного значения. Случайную погрешность оценивают статистическими методами теории вероятностей и указывают совместно с результатом измерений.

 

Иногда в результатах наблюдений может появиться погрешность, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях – это так называемая грубая погрешность. Причинами ее появления обычно являются ошибки оператора (так называемые промахи), неисправность средства измерения или резкое изменение условий измерений.

Результаты измерений, содержащие грубые погрешности, при обработке исключают.

По условиям появления различают статические и динамические погрешности.

С т а т и ч е с к и е погрешности появляются при установившемся режиме измерения, когда входной сигнал измерительного прибора и его показания сохраняют постоянные значения.

Под д и н а м и ч е с к о й погрешностью понимают ту часть погрешности, которая добавляется к статической в неустановившемся режиме измерения и обусловлена инерционностью средств измерений.

 

Д и с т а н ц и о н н о й.

В зависимости от вида используемой энергии дистанционные системы на пневматические, электрические и гидравлические.

Схемы дистанционного контроля с передачей сигналов в виде давления сжатого воздуха нашли широкое применение на предприятиях химической и нефтехимической промышленности. При этом расстояние между первичным и вторичным приборами достигает 300 м, что вполне достаточно для централизации контроля объектов в пределах одного производства или одной технологической установки. Электрические схемы используются значительно реже, гидравлические не применяются вообще.

Дистанционные системы позволяют осуществлять контроль работы оборудования и хода производственного процесса из помещения оператора. Обычно в этом помещении устанавливают щит управления, на котором размещают вторичные приборы.

Т е л е и з м е р и т е л ь н ы е с и с т е м ы к о н т р о л я обеспечивают передачу результатов измерения различных параметров технологических процессов на дальние расстояния и используются для централизованного контроля на крупных предприятиях и группах предприятий.

Телеизмерительные системы контроля содержат шифраторы и дешифраторы для преобразования передаваемого сигнала в дискретной форме.

В таких системах результат измерения с помощью преобразователя в первичном приборе преобразуется в кодированные дискретные сигналы, передаваемые по каналу связи. Во вторичном приборе, установленном на другом конце канала связи, эти сигналы преобразуются в результат измерения и фиксируются в цифровой или аналоговой форме.

Как местные, так и дистанционные системы автоматического контроля могут быть одноточечными и многоточечными.

О д н о т о ч е ч н ы м и называются системы, в которых к одному измерительному устройству или вторичному прибору подводится сигнал только от одного измерительного устройства или первичного прибора. Контролируется только один параметр в одной точке объекта.

М н о г о т о ч е ч н ы м и называются системы, в которых к одному измерительному устройству или вторичному прибору подводится сигнал от нескольких измерительных устройств или первичных приборов. Контролируется несколько параметров в одной

точке объекта или один – в нескольких.

 

ТЕХНИКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

Вторичные приборы

 

Вторичные приборы предназначены для преобразования сигнала, поступающего от датчика, в сигнал, удобный для наблюдения. Главными узлами измерительного прибора являются измерительное и отсчетное устройство. Первое из них непосредственно осуществляет измерение физической величины при помощи чувствительного элемента и при необходимости усиливает входной сигнал, а второе – показывает, записывает или интегрирует полученное значение. Один и тот же вторичный прибор может быть использован для измерения различных параметров (разница будет лишь в градуировке шкалы).

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, т.е. допускающие только отсчитывание показаний, и самопишущие приборы, в которых предусмотрена регистрация показаний.

 

К показывающим относят а н а л о г о в ы е и ц и ф р о в ы е приборы. Отсчетные устройства аналоговых приборов состоят из шкалы и указателя – стрелки; показания прибора являются непрерывной функцией измеряемой величины. Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации, показания прибора представлены в цифровой форме. Анализ свойств и характеристик аналоговых и цифровых методов и средств измерений не позволяет однозначно утверждать о превосходстве одних перед другими; это зависит от конкретных задач и возможностей конструктивного исполнения.

 

Комбинированные приборы одновременно показывают и регистрируют измеряемую величину. Измерительные приборы могут снабжаться также дополнительными устройствами для сигнализации (сигнализирующие приборы), регулирования измеряемой величины (регулирующие приборы) и других целей. Суммирующие или интегрирующие приборы показывают суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени. Эти приборы снабжаются счетчиками, которые часто встраиваются в один корпус с показывающим или самопишущим прибором, имея с ним одну измерительную систему.

 

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР

 

В зависимости от принципа действия промышленные приборы для измерения температур делятся на следующие группы:

1) Манометрические термометры, основанные на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от изменения температуры.

2) Термометры сопротивления, основанные на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при изменении температуры.

3) Термоэлектрические термометры, основанные на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

4) Пирометры излучения, из которых наибольшее распространение получили:

a) яркостные (оптические), основанные на измерении яркости нагретого тела;

б) цветовые (пирометры спектрального отношения), основанные на измерении распределения энергии в спектре теплового излучения тела;

в) радиационные, основанные на измерении мощности излучения

нагретого тела.

 

Манометрические термометры

 

Конструктивно они состоят из теплоприемника – баллончика (1), где в основном заключено термометрическое вещество, манометра (3) и связывающего их металлического капилляра (2). Вся система прибора (термобаллон, капилляр, манометрическая пружина) заполняется рабочим веществом.

По заполнению манометрической системы рабочим веществом различают газовые, жидкостные и парожидкостные (конденсационные) манометрические термометры. Термобаллон помещают в зону измерения температуры. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружинной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Манометрические термометры широко применяют в химических производствах. Они просты по устройству, надежны в работе и при отсутствии электропривода диаграммной бумаги – взрыво- и пожаробезопасны. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Манометрическими термометрами измеряют температуру в пределах от –150 до +600 0С.

 

Термометры сопротивления

 

Для измерения температуры широко используются электрические методы, основанные на термоэлектрическом эффекте и изменении электрической проводимости металлов (термометры сопротивления) и полупроводников (термисторы). Металлические и полупроводниковые резисторы, для измерения температуры по изменению их сопротивления, называют также терморезисторами.

В отличие от металлических полупроводниковые резисторы – термисторы – характеризуются экспоненциальной зависимостью сопротивления от температуры.

Благодаря малым по сравнению с термометрами сопротивлений размерам термисторы менее инерционны. Однако нелинейность характеристики и технологический разброс параметров термисторов затрудняют получение линейных шкал термометров и их взаимозаменяемость, необходимую при широком применении термометров. Чтобы линеаризовать шкалу термисторного термометра, используют специальные корректирующие цепи. Температурный предел измерений термистора на оксидированной керамике составляет 300 0С, тогда как платинового термосопротивления этот предел достигает 850 0С.

 

Пирометры излучения

 

Оптические методы измерений имеют ряд преимуществ перед контактными методами, такие как исключение влияния измеряемой температуры на свойства термометра, исключение агрессивного воздействия контролируемой среды на термометр, достаточно высокое быстродействие, отсутствие искажения температурного поля, вызванного введением чувствительного элемента прибора в измеряемую среду.

Принцип действия пирометров излучения основан на использовании теплового излучения нагретых тел. Тепловое излучение всякого тела можно охарактеризовать спектральной плотностью, т.е. количеством энергии, приходящимся на единицу диапазона длин волн излучения. Оптические средства измерений температуры по воспринимаемому излучению носят название пирометров.

По воспринимаемой входной величине пирометры делятся на радиационные (воспринимающие полную энергию излучения), яркостные (воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой части спектра) и цветовые (основанные на измерении интенсивностей излучения).

В качестве образцового излучателя в пирометре используется лампа с вольфрамовой нитью. Оптическая часть пирометра представляет собой телескоп с объективом и окуляром. Для ограничения полосы частот перед окуляром помещен красный светофильтр. Оператор, наблюдая контролируемый объект через окуляр, сравнивает его яркость с яркостью вольфрамовой нити и, изменяя последнюю регулированием тока в цепи нити, добивается равенства яркостей. Этот момент наступает, когда нить становится неразличимой на красном фоне контролируемого объекта. Яркость нити и соответствующая температура определяются по их зависимости от тока.

 

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

 

Приборы для измерения давления обычно классифицируются по принципу действия и по роду измеряемой величины.

По принципу действия промышленные приборы для измерения давления делятся на следующие основные группы:

1) жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

2) пружинные, измеряющие давление по величине деформации упругого элемента.

По роду измеряемой величины приборы для измерения давления и разрежения делятся на следующие типы:

1) манометры — приборы для измерения избыточного давления;

2) вакуумметры—приборы для измерения разрежения (вакуума);

3) мановакуумметры — приборы для измерения избыточного давления и вакуума;

4) напоромеры — приборы для измерения малых избыточных давлений;

5) тягомеры—приборы для измерения малых разрежений;

6) тяго-напоромеры — приборы для измерения малых давлений и разрежений;

7) дифференциальные манометры — приборы для измерения разности давлений;

8) барометры — приборы для измерения барометрического давления.

 

Жидкостные приборы

 

Жидкостные приборы отличаются простотой устройства и обращения, невысокой стоимостью и относительно высокой точностью измерения. Благодаря этим достоинствам жидкостные приборы широко применяются для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей жидкости в зависимости от величины измеряемого давления или разрежения, а также от химических свойств измеряемого вещества применяются вода, спирт, ртуть и минеральные масла. Жидкостные приборы служат для измерения небольших избыточных давлений, разрежений, разности давлений, а также атмосферного давления. Для технических измерений жидкостные приборы выполняются в виде комбинированных жидкостно-механических приборов.

В настоящее время номенклатура жидкостных средств измерений давления с гидростатическим уравновешиванием существенно ограничена. В большинстве случаев они заменены на более совершенные деформационные средства измерений.

К числу жидкостных средств измерения, применяющихся в промышленности, относятся поплавковые, кольцевые и колокольные дифманометры.

 

Поплавковые приборы представляют собой U-образные жидкостные манометры, у которых одно из колен расширено, и в нем помещён поплавок. Поплавок связан со стрелкой, движущейся по шкале. Поплавковые приборы чаще всего используются как дифференциальные, т. е. для измерения перепада давления между двумя точками.

Поплавковые дифманометры-расходомеры имеют различные пределы измерения перепада давления от 6,3 кПа до 0,10 МПа. Приборы с различными пределами измерения отличаются только по внутреннему диаметру минусового сосуда и его высоте. Класс точности поплавковых дифманометров 1,0 и 1,5. Для передачи на расстояние информации о значении измеряемого перепада давления, рассматриваемые дифманометры оснащаются преобразователями перемещения указателя в унифицированный сигнал измерительной информации. Высокая точность измерений и возможность регистрации показаний без применения специальных источников энергии являются преимуществами дифманометров данного типа. Основным их недостатком является наличие токсичной жидкости – ртути, которая при резких перепадах давления может вылиться из прибора. Для исключения возможности выброса жидкости при подключении прибора к объекту открывают вентиль, соединяющий сосуды дифманометра, а после стабилизации давления в обоих сосудах вентиль закрывают.

 

Кольцевые приборы.

Кольцевыми приборами можно измерять малые давления, разрежения и разности давлении. Он состоит из полого замкнутого кольца, разделенного вверху перегородкой. Кольцо подвешено при помощи ножевой опоры в геометрическом центре. С обеих сторон перегородки в кольцо входят трубки, служащие для соединения полостей кольца с измеряемым давлением или разрежением. К нижней части кольца прикреплен груз. Полость кольца до половины заполнена жидкостью (водой, маслом, ртутью). соединении обеих полостей кольца с пространствами, в которых имеются давления р и р1 (причем p>p1), разность уровней h будет пропорциональна разности давлений p–p,. Эта разность давлений р — р1, действующая на перегородку, создает вращающий момент, под действием которого кольцо поворачивается вокруг точки опоры по часовой стрелке. Поворот кольца создает противодействующий момент. При уравновешивании обоих моментов кольцо остановится в новом положении равновесия. Наибольшая возможная величина верхнего предела измерения разности давлений определяется главным образом размерами кольца и плотностью затворной жидкости и обычно составляет 33325 н/м2 (250 мм рт. cm.) для приборов с ртутным заполнением и 2452,5 н/м2 (250 мм вод. cm.) для приборов с водяным или масляным заполнением. Изменение пределов измерения осуществляется сменой уравновешивающего груза. Приборы с водяным и масляным заполнением предназначаются для работы при избыточном давлении до 0,049 Мн/м2 (0,5 кГ/см2); приборы с ртутным заполнением до (0,98-9,8) Мн/м2 (10—100 кГ/см2).

Основная допустимая погрешность кольцевых приборов не превышает 1,1—1,5% от верхнего предела измерения.

Преимуществом кольцевых приборов перед поплавковыми является отсутствие уплотнительных устройств в передаточном механизме, что особенно важно для приборов, рассчитанных на высокие давления. Недостаток — давление подводится через трубки, которые могут вносить погрешность в измерения. Передача показаний на расстояние производится с помощью ферродинамической системы.

Колокольные приборы.

Колокольные приборы используются для измерения малых давлений и разрежений (тягомеры и напоромеры) и в качестве дифференциальных манометров.

Прибор состоит из сосуда, содержащего жидкость, в которую погружён колокол. Под колокол введена трубка, служащая для подачи под колокол давления или разрежения. При подаче под колокол давления он поднимается, так как на него действует дополнительное усилие, направленное вверх. Чтобы превратить эту систему в измерительный прибор, необходимо обеспечить однозначность величины перемещения колокола и изменения давления. Для этого в систему должно быть введено переменное противодействующее усилие, функционально зависящее от перемещения колокола. В существующих колокольных приборах используют для создания противодействующего усилия архимедову силу, груз или пружину. Наиболее простой случай – использование колокола с толстыми стенками (уравновешивание архимедовой силой). При этом колокол будет подниматься до тех пор, пока усилие, действующее на колокол, не уравновесится изменением выталкивающей силы.

Пружинные приборы

 

Принцип действия пружинных приборов основан на уравновешивании измеряемой величины усилиями деформации различного вида упругих элементов. Величина деформации упругого элемента с помощью различных устройств преобразуется в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Достоинствами пружинных приборов являются простота устройства и эксплуатации, универсальность, портативность и большой диапазон измеряемых величин.

Пружины приборы можно разделить на следующие группы.

1. Приборы с трубчатой пружиной. Приборы этого типа часто называются пружинными в отличие от мембранных и сильфонных приборов.

2. Мембранные приборы, в которых преобразование давления в перемещение осуществляется упругой мембраной, анероидной или мембранной коробкой, блоком

анероидных или мембранных коробок.

3. Приборы, в которых измеряемое давление предварительно преобразуется в усилие, действующее на пружину. К этой группе приборов относятся:

а) пружинно-мембранные с гибкой мембраной;

б) пружинно-сильфонные.

4. Приборы, у которых упомянутое преобразование осуществляется гармониковой мембраной (сильфоном).

 

Мембранные приборы.

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков широко применяются для измерения небольших избыточных давлений и разрежении (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры-расходомеры).

Зависимость прогиба от давления в общем случае нелинейна. Величина прогиба мембраны является сложной функцией действующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа, формы и размеров гофров), а также модуля упругости материала мембраны. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т. е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении, но одновременно она преобразует характеристику мембраны в линейную. С целью увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежении) мембраны попарно соединяют (сваркой или спайкой) в мембранные коробки, а коробки — в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными и манометрические. Анероидные коробки, применяющиеся в барометрах и барографах, герметизированы и заполнены воздухом или каким-либо газом при очень малом давлении, обычно около 1,33 н/м2 (0,01 мм рт. ст.). Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки. Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Величина деформации анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций составляющих ее мембран. Манометрические мембранные коробки применяются в тягомерах и напоромерах для измерения небольших давлений и разрежении — до 15 680 н/м2 (1600 мм вод. ст.).

Пружинно-мембранные приборы.

Отличаются от описанных выше тем, что в них мембрана, воспринимающая давление, выполнена из гибкого материала (вялая мембрана) и давление уравновешивается вследствие упругости цилиндрической винтовой пружины. Гибкие мембраны обычно изготовляются из резины с тканевой основой, из ткани с газонепроницаемой пропиткой или из гибких пластмасс. Вялые мембраны применяются в тягомерах, напоромерах, тяго-напоромерах и дифманометрах.

К недостаткам мембранных приборов относятся небольшой ход подвижного центра чувствительного элемента, значительные отклонения жесткости мембран от расчетной и трудность регулирования жесткости мембран. Эти недостатки мембранных чувствительных элементов устраняются в приборах, построенных по схеме силовой электрической или пневматической компенсации.

Сильфонные приборы.

Чувствительным элементом сильфонных приборов является цилиндрический тонкостенный сосуд с кольцевыми складками (гофрами), называемый сильфоном. При действии осевой нагрузки (внешнего или внутреннего давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. В пределах рабочего диапазона давлений деформация сильфона приблизительно пропорциональна действующему усилию, т. е. характеристика сильфона близка к линейной.

Существенные недостатки сильфонов — значительный гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности часто внутрь сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину. Жесткость пружины обычно в несколько раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко уменьшается влияние гистерезиса сильфона и нелинейности его характеристики. Относительно большая величина рабочего хода сильфона позволяет применять их в регистрирующих приборах.

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

 

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой – жидкостью или сыпучим телом. Целью измерения уровня жидкостей может быть определение количества жидкости в емкости или контроль за положением уровня в производственном аппарате при осуществлении технологического процесса.

Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды и сигнализации предельных значений уровня рабочей среды.

По характеру работы уровнемеры могут быть непрерывного и прерывистого (релейного) действия. Релейные уровнемеры срабатывают при достижении определенного уровня; они используются для сигнализации и поэтому называются сигнализаторами уровня.

По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0,5-20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона с пределами измерений (0ч100) мм или (0ч450) мм обычно используются в системах автоматического регулирования.

В настоящее время измерение уровня осуществляют различными по принципу действия уровнемерами, из которых широкое распространение получили поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые, радиоизотопные и визуальные средства измерений.

 

Поплавковые уровнемеры

 

Поплавковые уровнемеры относятся к наиболее распространенным автоматическим приборам для измерения уровня жидкости наряду с гидростатическими, электрическими и радиоизотопными.

В поплавковом уровнемере за уровнем жидкости следит поплавок, перемещение которого передается на показывающее устройство или преобразователь перемещения (усилия) в выходной сигнал.

Возможны два принципа построения поплавковых уровнемеров.

В первом случае противодействующая сила создается силой тяжести поплавка, и поплавок следует изменению уровня жидкости.

Во втором случае противодействующая сила создается пружиной и изменяется при перемещении поплавка. При этом поплавок имеет форму длинного цилиндра (буйка) переменного погружения.

Недостатками простого поплавкового уровнемера являются перевернутая шкала (с нулем у верхнего края бака), трудность отсчета в начале шкалы у высокого резервуара, погрешность из-за изменения силы, натягивающей трос (при подъеме уровня к силе тяжести противовеса прибавляется сила тяжести троса).

 

Гидростатические уровнемеры

 

В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т. е. р=Нρg.

Существуют гидростатические уровнемеры с непрерывным продуванием воздуха или газа (пьезометрические уровнемеры) и с непосредственным измерением столба жидкости. Пьезометрические уровнемеры применяются для измерения уровня самых разнообразных, в том числе агрессивных и вязких жидкостей в открытых резервуарах и в сосудах под давлением.

 

Электрические уровнемеры

 

В электрических уровнемерах положение уровня жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Из электрических уровнемеров наибольшее распространение получили емкостные и омические. В емкостных уровнемерах используются диэлектрические свойства контролируемых сред; в омических – свойство контролируемой среды проводить электрический ток.

Емкостный уровнемер обычно состоит из емкостного цилиндрического преобразователя и вторичного прибора. При измерениях высоты уровня агрессивных, но не электропроводных жидкостей, обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или же каждую из обкладок покрывают тонкой антикоррозионной пленкой (винипласт или фторопласт), диэлектрические свойства которой учитываются при расчете. Покрытие обкладок тонки