Измерение электротехнических величин

Основные понятия

 

Физические основы измерений – это предмет, в котором изучают общие причины и методы измерений физических величин, основанные на конкретных физических явлениях, а также изучают источники погрешностей измерений и методы повышения точности измерений.

Измерение – это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины (измеряемой величины).

Значение физической величины – оценка физической величины в принятых для измерения данной величины единицах.

Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая измерению в соответствии с поставленной измерительной задачей.

Влияющая физическая величина – физическая величина непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения.

Различают истинное и действительное значения измеряемой величины.

Истинное значение физической величины – это значение, которое идеальным образом отображало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Действительное значение физической величины – это значение, найденное экспериментально и настолько приближенное к истинному значению, что для конкретной цели может быть использовано вместо него. Результат измерения это именованное число, найденное путём измерения физической величины.

Точность измерений характеризуется близостью результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.

Измерение включает в себя следующие понятия:

– объект измерения;

– цель измерения;

– условия измерения (совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и объектов);

– метод измерения, т.е. совокупность приёмов использования принципов и средств измерений (принцип измерения – совокупность физических явлений, положенных в основу измерения);

– методика измерения, т.е. установленная совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение необходимых результатов в соответствии с данным методом.

– достоверность (характеризуется доверительной вероятностью, т.е. вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах);

– правильность (характеризуется значением систематической погрешности);

– сходимость (близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами и в одних и тех же условиях; отражает влияние случайных погрешностей на результат);

– воспроизводимость (близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых в разных местах, разными методами и средствами, но приведенных к одним и тем же условиям).

Классификация измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

Статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;

Динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

По способу получения результатов измерений их разделяют на:

Прямые – это измерения, при которых значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. При прямых измерениях измеряемую величину сравнивают непосредственно с мерой или же находят с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах.

Косвенные – это измерения, при которых неизвестную величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные.

Совокупные – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых неизвестную величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, определение номинальных масс отдельных гирь по образцовой массе какой-либо гири. 

Совместные – это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними. Например, определение коэффициентов, связывающих зависимость сопротивления полупроводниковых материалов от температуры.

По характеру точности результатов единичных измерений при проведении многократных измерений:

– равноточные – измерения физических величин, выполненные одинаковыми по точности средствами измерений в одинаковых условиях;

– неравноточные.

По виду физических величин, измеряемых при прямых измерениях для получения результата косвенных измерений:

– абсолютные – измерения, основанные на прямых измерениях основных (в системе СИ) величин и на использовании значений физических констант;

– относительные – измерение отношения физической величины к одноименной.

По условиям определения точности результатов:

– метрологические – измерения, проводимые с помощью эталонов, образцовых средств, с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размеров рабочим средствам измерения;

– технические – измерения, проводимые с помощью рабочих средств;

– Однократное измерение — измерение, выполненное один раз.

– Многократное измерение — измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений

– Статическое измерение — измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

– Динамическое измерение — измерение изменяющейся по размеру физической величины.

–Абсолютное измерение — измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

· Относительное измерение — измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

      Также стоит отметить, что в различных источниках дополнительно выделяют таки виды измерений: метрологические и технические, необходимые и избыточные и др.

 

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Для точных измерений физических величин в метрологии разработаны приемы использования принципов и средств измерений, применение которых позволяет исключить из результатов измерений часть систематических погрешностей и тем самым освобождает экспериментатора от необходимости определять многочисленные поправки для их компенсации, а в некоторых случаях вообще является предпосылкой получения сколько-нибудь достоверных результатов. Многие из этих приемов используют при измерении только определенных величин, существуют и некоторые общие приемы, названные методами измерения.

Метод непосредственной оценки, заключающийся в определении величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например взвешивание на циферблатных весах, измерение давления пружинным манометром, определение силы тока амперметром.

Метод сравнения с мерой, заключающийся в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на измерительный прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между ними, называется методом противопоставления.

Классификация физических величин:

Таблица 1

Название и обозначение величины		Единица измерения	Обозначение		Формула
			Рус.	Лат.
Длина	L	метр	м	m	L
Масса	m	килограмм	кг	kg	m
Время	t	секунда	с	s	t
Сила тока	I	Ампер	А	A	I
Температура	T	Кельвин	К	K	T
Сила света	I	кандела	кд	cd	−
Площадь	S	кв. метр	м^2	m^2	S
Объём	V	куб. метр	м^3	m^3	V
Частота	f	Герц	Гц	Hz	f = 1/t
Скорость	v		м/с	m/s	v = dL/dt
Ускорение	a		м/с^2	m/s^2	ε = d^2L/dt^2
Плоский угол	φ		рад	rad	φ
Угловая скорость	ω		рад/с	rad/s	ω = dφ/dt
Угловое ускорение	ε		рад/с^2	rad/s^2	ε = d^2φ/dt^2
Сила	F	Ньютон	Н	N	F = ma
Давление	P	Паскаль	Па	Pa	P = F/S
Работа, энергия	A	Джоуль	Дж	J	A = F·L
Импульс	p		кг·м/с	kg·m/s	p = m·v
Мощность	P	Ватт	Вт	W	P = A/t
Заряд	q	Кулон	Кл	C	q = I·t
Напряжение	U	Вольт	В	V	U = A/q
Напряжённость электрического поля	E		В/м	V/m	E = U/L
Электрическое сопротивление	R	Ом	Ом	Ω	R = U/I
Электрическая ёмкость	C	Фарада	Ф	F	C = q/U
Магнитная индукция	B	Тесла	Тл	T	B = F/I·L
Напряжённость магнитного поля	H		А/м	A/m
Электрическое сопротивление	Ф	Вебер	Вб	Wb	Ф = B·S
Электрическая ёмкость	L	Генри	Гн	H	L = U·dt/dI
Магнитная индукция	L	метр	м	m	L
Напряжённость магнитного поля	m	килограмм	кг	kg	m
Магнитный поток	t	секунда	с	s	t
Индуктивность	I	Ампер	А	A

Электрические измерения – это измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств - измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

Энергетические измерения – это величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии.

Погрешность измерения — это разность между полученным при измерении Xꞌ и истинным Q значениями измеряемой величины. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

Для количественной оценки качества измерений вводят понятия абсолютной и относительной погрешностей измерений.

Абсолютная погрешность – разность между полученным при измерении значением величины и ее истинным (или действительным) значением. Погрешность измерений связана с несовершенством методов и средств измерений, с недостаточным опытом наблюдателя, с посторонним влияниями на результат измерения.

Относительная погрешность – погрешность измерения, выраженная отношением модуля абсолютной погрешности измерения к истинному (или действительному) значению измеряемой величины.

Приведенная погрешность – это относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность средства измерения отнесена к условно принятому нормирующему значению, постоянному во всем диапазоне измерений или его части.

Классификация

· По исполнению омметры подразделяются на щитовые, лабораторные и переносные

· По принципу действия омметры бывают магнитоэлектрические — с магнитоэлектрическим измерителем или магнитоэлектрическим логометром (мегаомметры) и электронные — аналоговые или цифровые.

Наименования и обозначения

Видовые наименования

· Микроомметр — омметр с возможностью измерения очень малых сопротивлений (менее 1мОм);

· Миллиомметр — омметр для измерения малых сопротивлений (единицы — сотни миллиом);

· Мегаомметр (устар. мегомметр) — омметр для измерения больших сопротивлений (единицы — сотни мегаом);

· Гигаомметр— омметр, позволяющий измерять сопротивления более 1 ГОм;

· Тераомметр — омметр для измерения очень больших сопротивлений (единицы — сотни тераом);

· Измеритель сопротивления заземления — специальный омметр для измерения переходных сопротивлений в устройствах заземления.

Классификация

§ По характеру преобразования:

§ Аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);

§ Аналого-цифровой измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

§ Цифро-аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.

§ По месту в измерительной цепи:

§ Первичный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;

§ Датчик — конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;

§ Детектор — датчик в области измерений ионизирующих излучений;

§ Промежуточный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

§ По другим признакам:

§ Передающий измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;

§ Масштабный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

§ По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.

Датчик

Датчик, сенсор (от англ. sensor) — термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.

§ В настоящее время различные датчики широко используются при построении систем автоматизированного управления.

Общие сведения

Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик — устройство управления — исполнительное устройство — объект управления. В качестве отдельной категории использования датчиков в автоматических системах регистрации параметров можно выделить их применение в системах научных исследований и экспериментов.

Применение датчиков

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации близко к понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но показания этих приборов в основном читаются человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.

Классификация датчиков

Термопара

Схема термопары. При температуре спая нихрома и алюминий-никеля равной 300 °C термоэдс составляет 12,2 мВ.

Фотография термопары

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующеготермоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте.

Эффект Зеебека— явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей, термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего (T₁) и холодного (T₂) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС Е можно считать пропорциональной разности температур:

,

где α₁₂ — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры α₁₂ меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

Величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 К и температуре холодного спая в 0°С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ, нихром-никель — 4,1 мВ).

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Преимущества термопар

§ Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С)

§ Большой температурный диапазон измерения: от −200 °C до 2500 °C

§ Простота

§ Дешевизна

§ Надежность

Недостатки

§ Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

§ На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

§ Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).

§ Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

§ Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

§ На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

§ платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R

§ платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S

§ платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B

§ железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J

§ медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т

§ нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.

§ хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K

§ хромель-константановые ТХКн — Тип E

§ хромель-копелевые — ТХК — Тип L

§ медь-копелевые — ТМК — Тип М

§ сильх-силиновые — ТСС — Тип I

§ вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3

Термометр сопротивления

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры, сопротивление чувствительного элемента которого зависит от температуры. Может быть выполнен из металлического или полупроводникового материала. В последнем случае называетсятермистором.

Датчик давления

Датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.

Принципы реализации

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент - приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и другие.

Тензометрический метод

Чувствительные элементы датчиков базируются на принципе изменения сопротивления деформации тензорезисторов, приклееных к упругому элементу, который деформируется под действием давления.

Пьезорезистивный метод

Основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объемного сопротивления полупроводника при деформировании давлением. Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются, так называемые, Low cost — решения, основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелем. Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.

Мкостной метод

Ёмкостные преобразователи используют метод изменения ёмкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые ёмкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости. В элементе из керамики или кремния пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью. Недостаток — нелинейная зависимость емкости от приложенного давления.

Резонансный метод

В основе метода лежит изменение резонансной частоты колеблющегося упругого элемента при деформировании его силой или давлением. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора. К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Индуктивный метод

Основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Ионизационный метод

В основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды. Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, — а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Преимуществом таких ламп является возможность регистрировать низкое давление — вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Пьезоэлектрический метод

В основе лежит прямой пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлемент генерирует электрический сигнал, пропорциональный действующей на него силе или давлению. Пьезоэлектрические датчики используются для измерения быстроменяющихся акустических и импульсных давлений, обладают широкими динамическими и частотными диапазонами, имеют малую массу и габариты, высокую надежность и могут использоваться в жестких условиях эксплуатации.

Мкость и секундомер

Возможно, самый простой способ измерить расход — это использовать некоторую ёмкость и секундомер. Поток жидкости направляется в некоторую ёмкость, и по секундомеру засекается время заполнения этой ёмкости. Зная объём ёмкости, и поделив его на время её заполнения, можно узнать расход жидкости. Этот способ подразумевает прерывание нормального течения потока.

Ротаметры

Шестерёнчатые расходомеры

Впервые расходомер с овальными шестернями был изобретен компанией Bopp & Reuther (Германия) в 1932 году. Измеряемый элемент состоит из двух шестеренок овальной формы. Протекающая жидкость вращает данные шестеренки. При каждом обороте пары овальных колес, через прибор проходит строго определенное количество жидкости. Считывая количество оборотов можно точно определить какой объем жидкости протекает через прибор. Данные расходомеры отличаются высокой точностью, надежностью и простотой, что позволяет их использовать для жидкостей с высокой температурой и под большим давлением. Отличительной особенность расходомеров с овальными шестернями является возможность использования для жидкостей с высокой вязкостью (мазут, битум и т.д.)

Вентури-метры

Принцип действия расходометров этого типа основан на эффекте Вентури. Вентури-расходомер сужает поток жидкости в некотором устройстве, и датчики давления измеряют разницу давлений перед указанным устройством и непосредственно в месте сужения. Этот метод измерения расхода широко используется при транспортировке газов по трубопроводам, и использовался ещё во времена Римской империи.

Эффект Вентуризаключается в падении давления, когда поток жидкости или газа протекает через суженную часть трубы.

Эффект Вентури является следствием уравнения Бернулли, определяющего связь между скоростью v жидкости, давлением p в ней и высотой h частиц над площадью отсчёта:

,

где

p — плотность жидкости;

g — ускорение свободного падения;

 — пьезометрический напор;

 — динамический напор.

Если уравнение Бернулли записать для двух сечений потока, то будем иметь:

Для горизонтального потока средние члены в левой и правой частях уравнения равны между собой, и потому сокращаются, и равенство принимает вид:

то есть при установившемся горизонтальном течении идеальной несжимаемой жидкости в каждом её сечении сумма пьезометрического и динамического напоров будет постоянной. Для выполнения этого условия в тех местах потока, где средняя скорость жидкости выше (то есть, в узких сечениях), её динамический напор увеличивается, а гидростатический напор уменьшается (и значит, уменьшается давление).

Эффект Вентури наблюдается или используется в следующих объектах:

§ в гидроструйных насосах, в частности, в танкерах для продуктов нефтяной и химической промышленности;

§ в горелках, которые смешивают воздух и горючие газы в гриле, газовой плите, горелке Бунзена и аэрографах;

§ в трубках Вентури — сужающих элементах расходомеров Вентури;

§ в расходомерах Вентури;

§ в водяных аспираторах эжекторного типа, которые создают небольшие разряжения с использованием кинетической энергии водопроводной воды;

§ пульверизаторах (опрыскивателях) для распыления краски, воды или ароматизации воздуха.

§ карбюраторах, где эффект Вентури используется для всасывания бензина во входной воздушный поток двигателя внутреннего сгорания;

§ в автоматизированных очистителях плавательных бассейнов, которые используют давление воды для собирания осадка и мусора;

§ в кислородных масках для кислородной терапии и др.

Измерение расхода

Эффект Вентури может быть использован для измерения объёмного расхода Q.

Так как

,

то

где

A₁ и A₂ — площади поперечного сечения потоков, соответственно, в широкой и узкой частях потока;

p₁ и p₂ — давления, соответственно, в широкой и узкой частях потока.

Дисковая диафрагма

ISO 5167 Дисковая диафрагма

Диафрагма представляет собой диск со сквозным отверстием, вставленный в поток. Дисковая диафрагма сужает поток, и разница давлений, измеряемая перед и после диафрагмы, позволяет определить расход в потоке. Этот тип расходомера можно грубо считать одной из форм Вентури-метров, однако имеющую более высокие потери энергии. Существует три типа дисковых диафрагм: концентрические, эксцентриковые и сегментальные.

Трубка Пито

Расходомеры на основе трубки Пито измеряют динамическое давление

 в застойной зоне потока (англ.).

С помощью уравнения Бернулли, и зная динамическое давление, можно определить скорость потока, а значит, и объёмный расход(Q=SV, где S — площадь поперечного сечения потока, V — средняя скорость потока).

Оптические расходомеры

Оптические расходомеры используют свет для определения расхода.

Основные понятия

 

Физические основы измерений – это предмет, в котором изучают общие причины и методы измерений физических величин, основанные на конкретных физических явлениях, а также изучают источники погрешностей измерений и методы повышения точности измерений.

Измерение – это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины (измеряемой величины).

Значение физической величины – оценка физической величины в принятых для измерения данной величины единицах.

Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая измерению в соответствии с поставленной измерительной задачей.

Влияющая физическая величина – физическая величина непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения.

Различают истинное и действительное значения измеряемой величины.

Истинное значение физической величины – это значение, которое идеальным образом отображало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.