Измерительные инструменты и приборы

Штангенинструменты. Принцип действия нониуса основан на совмещении штрихов основной шкалы и шкалы нониуса. К штангенинструментам относятся штангенциркули, штангенрейсмасы (штангенвысотомеры), штангенглубиномеры, штангензубомеры.

Нониус представляет собой дополнительную шкалу, нанесенную на подвижную каретку, перемещающуюся свободно вдоль линейки. Чаще всего используется так называемый прямой нониус, у которого цены деления на 1/10 или 1/20 часть меньше цены деления основной шкалы. Отсчет показания штангенинструментов производится так: целую часть измеряемой величины считывают с меньшей по значению из отметок основной шкалы, между которыми остановился нуль нониуса, а десятые доли определяют по совпадению деления шкалы нониуса с делением основной шкалы.

Микрометрические приборы. Микрометры в зависимости от приспособленности к измерению размеров различных поверхностей делят на гладкие, рычажные, зубомерные, нутромеры, глубиномеры. Существует также ряд специальных измерительных средств, оснащенных микрометрической головкой. В микрометрических приборах увеличение разрешающей способности достигается использованием винтовой пары (микрометрический винта). Микрометрический винт имеет шаг резьбы 0,5 или 1,0 мм. Головка винта соединена с барабаном, на который нанесены 50 или 100 делений. Цена деления шкалы барабана определяется делением шага резьбы на число делений.

Рычажно-зубчатые приборы.К ним относятся головки измерительные и приборы на их основе: скобы; глубиномеры, стенкомеры, толщиномеры и нутромеры, а также различные специальные измерительные приспособления и приборы. В индикаторных и измерительных головках (в том числе в микаторах и оптикаторах) различного типа поступательное перемещение измерительного наконечника преобразуется во вращательное движение одной или двух стрелок с помощью механического передаточного механизма (например, зубчатой и/или рычажной передач). Минимальная цена деления шкалы индикатора зависит от передаточного отношения и размеров (диаметра) шкалы.

В пружинных измерительных приборахиспользуют упругие передаточные (измерительные) механизмы, не имеющие пар с внешним трением, основу которых составляют плоские, прямые, изогнутые или скрученные упругие металлические ленты. Принцип действия микрокатора основан на зависимости между растяжением тонкой скрученной металлической ленты и поворотом ее среднего сечения со стрелкой относительно продольной оси и относительно шкалы. Цена деления шкал измерительных головок находится в пределах 0,02 – 10 мкм.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются микрокаторы типа ИГП, микаторы типа ИПМ, миникаторы типа ИРП и оптикаторы типа 15301.

К оптико-механическим приборам относят: рычажно-оптические, проекционные и измерительные микроскопы и машины, длинномеры, интерференционные приборы. Повышение точности отсчета и измерений этих приборов достигается либо сочетанием механических передаточных механизмов с оптическим автоколлимационным устройством (оптиметры), либо благодаря значительному увеличению измеряемых объектов или шкал (микроскопы, проекторы и др.), либо измерением параметров интерференционных картин.

Инструментальные и универсальные микроскопы предназначены для измерения длин, углов, элементов резьб, зубчатых передач, конусов и различных профилей изделий. Методы измерений - проекционный и осевого сечения в прямоугольных и полярных координатах.

Инструментальные микроскопы разделяют на малые (ММИ - малый микроскоп инструментальный) и большие. Цена деления микрометрического устройства - 0,005 мм. Цена деления окулярной мерной головки - 1' и 3'. Пределы измерения угловых размеров 0 - 360^о.

Принцип измерения микроскопами состоит в определении координат крайних точек на линии измерения, путем визирования их в объективе микроскопа. Измеряемую длину находят по разности отсчетов крайних точек объекта. Небольшие перемещения можно измерить объект - микрометром - окуляром, снабженным визирной сеткой, расположенной в фокусе окуляра. Объект - микрометры представляют собой металлическую оправу длиной 76, шириной 76 и толщиной 2 мм. В центр оправы вклеена стеклянная пластина со шкалой, имеющей интервалы между делениями 0,01.

Оптиметры предназначены для линейных измерений контактным относительным методом. В их схеме используется принцип автоколлимации, оптического и механического рычага. Основным узлом оптиметра является трубка с ценой деления шкалы 0,001 мм, пределом измерения ±0,1 мм, увеличение 960^х . Механическая часть прибора преобразует перемещение измерительного стержня в угловое перемещение зеркала, а оптическая трубка создает изображение шкалы, которое смещается относительно его исходного положения в зависимости от угла поворота зеркала. Оптиметры выпускают (в зависимости от установки трубки) с вертикальным и горизонтальным расположением оси

Для точных наружных и внутренних линейных измерений больших длин, расстояний между осями непосредственно по точным линейным шкалам (абсолютным методом) или сравнением с образцовыми мерами (относительным методом) применяют измерительные машины. Измерительные машины ИЗМ подразделяют по верхним пределам измерения: до 1000 мм (ИЗМ-1), до 2000 мм (ИЗМ-2), до 4000 мм (ИЗМ-4) и до 6000 мм (ИЗМ-6). Пределы измерения внутренних размеров от 13,5 до 150 мм. Цена деления шкал: метровой - 100 мм, стомиллиметровой - 0,1 мм, трубки оптиметра - 0,001 мм. Увеличение трубки оптиметра – 960^х.

Характерной особенностью развития современной измерительной техники является переход от шкальных отсчетных устройств к цифровым.

Пневматические приборыреагируют на изменение зазора между деталью и выходным соплом или на изменение диаметра отверстия. Они могут быть низкого (до 0,5 МПа) и высокого (свыше 0,5 МПа) избыточного давления, манометрического и ротаметрического типа, дифференциального и недифференциального исполнения. В зависимости от значения зазора или площади отверстия изменяется расход воздуха, проходящего через прибор, что регистрируется по изменению перепада давления или давления на выходе.

Перечисленные средства измерений линейных размеров относят к универсальным. Погрешности измерения для различных условий их применения приведены в РД 50-98-86 «Выбор универсальных средств измерений линейных размеров до 500 мм. Методические указания». Указанный документ содержит 40 наименований СИ для измерения наружных размеров, биений и глубин и 10 наименований СИ для измерения внутренних линейных размеров. (Минимальная цена деления 0,00005 мм, погрешность 0,0001 мм)

В современных компараторах длин измерения проводятся сравнением размеров объекта с размером измерительной дифракционной решетки. Измерительная решетка представляет собой пару решеток, одна из которых может быть отражательной. За прозрачной решеткой располагается источник света и фоторегистрирующее устройство, например фотодиод. Перемещая одну из решеток, нужно регистрировать число проходящих в фокусе объектива максимумов или минимумов. Сравнивая это число для крайних точек объекта, легко найти его размеры, если известен шаг решетки.

Процесс измерения легко автоматизировать, т. е. нет нужды пользоваться зрительной трубой, что для массовых измерений утомительно. Вторая причина - высокая точность измерения, определяемая только периодом решетки. При этом высокая точность получается как для малых перемещений, так и для больших (порядка 1 м и более). Измерительные решетки в линейных измерениях используются как универсальные меры, т. е. носители размера физической величины.

Измерение углов.Значение угла при измерении определяют следующими методами:

1) сравнением с жесткой мерой (угловые меры, угольники, шаблоны, конические калибры, многогранные призмы);

2) сравнением со штриховой мерой (различные виды круговых и секторных шкал, гониометры – например, транспортир);

3) тригонометрическими методами (по значениям линейных размеров).

ГОСТ 2875 "Меры плоского угла призматические. Общие технические условия" предусмотривает пять типов угловых мер: 1 - со срезанной вершиной угла и значениями рабочих углов до 9^о; 2 - с острой вершиной рабочего угла, диапазон от 10 до 79^о; 3 - с четырьмя рабочими углами в диапазоне 80 – 100^о; 4 - призматические с равномерным угловым шагом; 5 – с тремя рабочими углами: a = 15^о, b = 30^о, j = 45^о. Кл. точности 00, 0, 1, 2, 3.

Угольникислужат для проверки взаимной перпендикулярности поверхностей и имеют угол 90^о. Существует два вида угольников: лекальные, обеспечивающие контакт по линии (для этого одной из сторон придана форма кромки с радиусом закругления 0,1 – 0,3 мм); с плоскими рабочими поверхностями. Классы точности 0, 1, 2.

Механические угломеры предназначены для контактных измерений углов. Выпускают угломеры: с отсчетом по нониусу 2^¢ , 5^¢; и 10^¢ , а также с оптическим отсчетным устройством (оптический угломер). В угломерных инструментах применяется круговой нониус. Принципиально он ничем не отличается от линейного нониуса, только деления на нем нанесены на небольшую дуговую линейку (алиаду), свободно перемещающуюся вдоль основной шкалы (лимба).

Гониометры - приборы для угловых измерений - в большинстве своем представляют собой зрительные трубы или лазеры, оптическая ось которых снабжена отсчетным угловым лимбом. Таким прибором можно измерять углы, последовательно наводя оптическую ось на два раздельных объекта. Сюда же можно отнести и оптические дальномеры, использующие измерения углов наблюдения одного и того же объекта двумя зрительными трубами.

Делительные головкиприменяются для измерения углов при использовании устройств, фиксирующих требуемое угловое положение граней или других элементов детали. Отсчетные устройства делительных головок бывают как механическими (лимб с нониусом), так и оптическими.

Уровнислужат для измерения малых угловых отклонений от горизонтальной плоскости.

Выпускаются брусковые и рамные уровни с ценой деления 4", 10", 20", 30", которые на приборе представлены в радианах (0,1 мм/м соответствует 20"). В микрометрических уровнях показания снимают по микрометрическому винту, перемещающему ампулу. Микрометрические уровни выпускаются типа 1 с ценой деления 2" и типа 2 с ценой деления 20".

Средства измерений, основанные на тригонометрическом методе.Типичными примерами реализации тригонометрических методов измерений углов являются измерения с помощью так называемых синусных линеек (рис. 47) и координатные методы.

Рис. 47. Измерение с помощью синусной линейки

Измерение угла a заключается в определении отклонения в положениях I и II от указанной параллельности, что делают чаще всего с помощью контактной измерительной головки (оптиметра, пружинной головки и т. д.), укрепленной на универсальной стойке.

Использование роликов и шариков для измерения наружных и внутренних конусов. При известных диаметрах шариков и роликов, а также высоте h блока плоскопараллельных концевых мер измеряют размеры l₁ и l₂ (рис. 48) и рассчитывают искомый угол конуса.

Рис. 48

Для измерения линейных и угловых размеров используют их взаимосвязь с электрическими величинами, реализованную в измерительных преобразователях (см. раздел 3.1). Метод преобразований выбирают в зависимости от значения измеряемого размера и требуемой точности результата. Реостатные преобразователи применяют в диапазоне измерений от 0,1 мм до 100 мм, погрешность измерений 0,05%. Емкостные – в диапазоне 0,001 … 100 мм, погрешность 0,5%. Индуктивные - в диапазоне 0,0001 … 100 мм, погрешность 0,5%. Цифровые - в диапазоне 0,01 … 100 мм, погрешность 0,05%. Цифры ориентировочные, так как конструкции приборов непрерывно совершенствуются.

В микрометрах кроме вышеперечисленных преобразователей находят применение ионизационные и фотоэлектрические преобразователи.

Емкостные преобразователи эффективны для измерения уровня жидких диэлектриков (например, бензина).

При измерении размеров находят применение лазерные приборы.

В станках с числовым программным управлением используют кодирующие измерительные преобразователи линейных и угловых перемещений. Пределы допустимых погрешностей для наиболее точных преобразователей составляют 1’’ для угловых размеров и 0,03 мкм для линейных размеров.

Измерение шероховатости.При контроле и измерении шероховатости поверхностей пользуются методом визуальной оценки, контактными и бесконтактными профильными методами, к которым относятся: методы светового сечения, теневой проекции, микроинтерференционный и растровый методы..

При визуальной оценке поверяемую поверхность сравнивают с образцами шероховатости поверхности, которые выпускают по ГОСТу 9378 - 93 (ИСО 2632-1 – 85 и ИСО 2632-2 - 85).

К приборам, которые производят измерение контактным профильным методом, относятся профилографы и профилометры. Профилографы сканируют поверхность детали остро заточенной алмазной иглой и регистрируют неровности профиля поверхности на записывающем приборе. Профилометры отображают оцененные параметры шероховатости в цифровом виде.

В бесконтактных приборах, принцип действия которых основан на измерении параметров проекции светового сечения исследуемой поверхности с помощью наклонно направленного к ней светового пучка. Высоту микронеровностей измеряют с помощью окуляра-микрометра.

Принцип действия приборов теневого сечения аналогичен принципу действия приборов светового сечения. В приборах теневого сечения рассматривается тень, искривленная неровностями поверхности.

Визуальным неконтактным профилометром является микроскопом Линника. В этом приборе шероховатая поверхность освещается под углом 45° через объектив микроскопа пучком света, имеющем вид узкой щели. Если объект имеет неровности в виде ступенек или шероховатостей, то изображение краев щели будет неровным. Принцип регистрации поясняется рис. 5.8.

Наблюдаемое в окуляр смещение изображения будет равно размеру неровности, умноженному на увеличение микроскопа и на косинус угла наблюдения, равного 1,41 для угла в 45°, т. е.

Принцип действия интерферометров основан на использовании явления интерференции света, отраженного от образцовой и исследуемой поверхностей. Форма образующихся интерференционных полос зависит от вида и высоты (до 1 мкм) неровностей контролируемой поверхности.

Интерферометрами называют приборы, в которых основной измеряемой характеристикой является не амплитуда световой волны и связанная с ней энергия, а фаза электромагнитного колебания. Именно такой подход позволил создать самые точные на данный момент средства измерения, реально позволяющие измерять величины с погрешностями в 11-12 знаке.

Принцип действия растровых микроскопов основан на явлении образования муаровых полос при наложении изображений элементов двух периодических структур (направленных следов обработки и дифракционной решетки). Высоту микронеровностей определяют по степени искривления муаровых полос.

Для измерения шероховатости применяют методы, основанные на рассеянии светового пучка, измерении сопротивления воздуха, вытекающего из сопла, закрытого шероховатой поверхностью и другие.

Измерение температуры

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры количественных характеристик объектов, которые поддаются непосредственному измерению. К таким характеристикам относят длину, объем, плотность, термоэлектродвижущую силу, электрическое сопротивление и т. д. Указанную особенность называют термометрическим свойством, а вещества, обладающие ими, называют термометрическими веществами.

Температуру измеряют контактным (с помощью термометров сопротивления, манометрических термометров и термометров термоэлектрических) и бесконтактным (на основе собственного теплового или оптического излучения объекта измерения) методами. Приборы бесконтактного измерения температуры называют радиометрами и пирометрами.

Наиболее высокая точность измерений температуры достигается при контактных методах измерений.

По принципу действия термометры разделяют на механические, электромеханические и электрические термометры.

Таблица 4. Наиболее распространенные промышленные средства измерений температуры

К механическим термометрам относят термометры, действие которых основано на расширении твердых и жидких веществ и на изменении давления газов и жидкостей, находящихся в замкнутых объемах.

Изменение объема веществ при нагревании является основой волюметрического метода измерения температуры.

Термометры, в которых используется принцип удлинения тел при нагревании, называются дилатометрическими.

Это самые массовые средства измерения температуры - волюметрическими термометрами измеряют температуру тела и температуру воздуха, дилатометрический датчик температуры есть в каждом домашнем холодильнике.

Основными представителями волюметрического метода являются жидкостные термометры.

Работа жидкостных термометров расширения основана на неодинаковом расширении при нагреве их оболочки и находящейся в ней термометрической жидкости. Такие термометры состоят из прозрачного баллончика с припаянной к нему капиллярной трубкой и шкалы, которую часто наносят непосредственно на капиллярную трубку. Оболочку и капиллярную трубку изготовляют из стекла или кварца, а жидкостями для них обычно служит спирт или ртуть, реже толуол или пентан. Поскольку коэффициент объемного расширения указанных жидкостей в 15…30 раз больше чем коэффициент расширения стекла или кварца, то приращение температуры приводит к вытеснению жидкости из оболочки в капиллярную трубку и перемещению мениска в капиллярной трубке. По положению мениска относительно шкалы прибора устанавливают значение температуры. В ряде случаев для более точных измерений уровень термометрической жидкости измеряется с использованием зрительной трубы, положение которой можно изменять вдоль направления расположения капилляра. Зрительная труба такого термометра имеет шкалу с нониусом, что позволяет проводить точные измерения.

В таблице 5 приведены значения диапазонов измерений для жидкостных термометров.

Таблица 5.

Жидкостные термометры выпускают с ценой деления от 0,1 ⁰С до 0,5 ⁰С (лабораторные термометры) и от 1,0 ⁰С до 10 ⁰С (технические термометры). Погрешность измерения от 0,2 до 10 градусов.

К недостаткам жидкостных термометров относятся: невозможность дистанционных измерений и определения температуры в точке поверхности, большая инерционность, чувствительность к ударам и вибрациям (малая механическая прочность).

Основные технические характеристики, конструктивные особенности жидкостных стеклянных термометров устанавливает ГОСТ 28498.

Дилатометрический термометр выполняют в виде металлической трубки с большим температурным коэффициентом линейного расширения и стержня (например, фарфорового) с малым коэффициентом расширения, расположенного на оси трубки и жестко связанного с одним из его концов. Разность перемещений конца трубки и стержня, вызванная изменением температуры, воспринимается рычажно–зубчатым механизмом и передается на отсчетное устройство.

Разновидностью дилатометрических контактных термометров являются приборы с датчиками в виде биметаллических пластин, изготовленных из двух металлов с различными температурными коэффициентами расширения. При изменении температуры биметаллическая пластина изгибается. Деформация изгиба пропорциональна изменению температуры. Биметаллические пластины широко используют в терморегуляторах и термореле.

Термометры давления (манометрические термометры) различают в зависимости от свойств рабочего тела: газовые (диапазон измерений –150…+600 ⁰С), жидкостные (-150…+600 ⁰С), конденсационные (паровые, -50…+300 ⁰С).

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества, находящего в замкнутом объеме, от температуры. Показывающий прибор в этом случае является манометром, шкала которого проградуирована в градусах.

Конструкция термосистемы одинакова для всех типов рабочих веществ. В газовых термометрах систему заполняют азотом или гелием под давлением 1…5 МПа. Для жидкостных систем используют метиловый спирт (для температур –46…+150 С), ксилол (-40…+400 С), ртуть (-30…+550 С), органические жидкости (+150…+300 С), которыми также заполняют всю систему.

В паровых (конденсационных) термометрах термобаллон заполняют примерно на 2/3 объема жидкостью, кипящей при низкой температуре, поэтому остальную его часть занимают пары этой жидкости. Капиллярную трубку и манометрическую пружину заполняют смесью глицерина с водой или спиртом, которая не испаряется и служит для передачи давления от термобаллона при его нагреве. Рабочей низкокипящей жидкостью служат: хлорметил (для измерения температуры +20…+100 С), хлорэтил (0…+125 С), этиловый эфир (0…+150 С), ацетон (0…170 С), бензол (0…+200 С) и другие жидкости. Специальные конденсационные термометры с заполнением, например, гелием служат для измерения сверхнизких температур от 0,8 К.

Погрешности манометрических термометров составляет 1,5% от максимального значения шкалы для газовых термометров и 2,0% - для жидкостных и паровых термометров.

Манометрические термометры имеют простое устройство, позволяют передавать сигнал измерительной информации на расстояние (до 60 метров) и осуществлять автоматическую регистрацию результатов измерений. Их недостатками являются необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации и сложность ремонта, а также большие во многих случаях размеры термобаллона для газовых манометрических термометров.

К группе механических термометров относят термометры контактные ртутные и терморегуляторы - приборы, предназначенные для замыкания и размыкания цепи электрического тока с целью поддержания заданной температуры или сигнализации о её достижении.

Принцип действия данных приборов основан на способности ртути служить проводником электрического тока.

Термометры изготавливают с подвижным рабочим контактом (ТПК), терморегуляторы с заданным постоянным рабочим контактом (ТЗК).

К электромеханическим и электрическим относят разнообразные термометры сопротивления, термометры с полупроводниковыми диодами и триодами в качестве чувствительных элементов, а также термоэлектрические термометры.

Принцип действия термометров сопротивления основан на зависимости электрического сопротивления некоторых проводников электричества и полупроводниковых материалов от температуры.

Основными звеньями структурной схемы электрических термометров являются: термопреобразователь сопротивления, представляющий собой обычный или полупроводниковый датчик; вторичный преобразователь, преобразующий изменение сопротивления в изменение электрического тока; и электроизмерительный прибор, измеряющий величину тока и проградуированный в градусах Цельсия. Иногда сопротивление измеряют с помощью логометров или мостов. Логометры, выпускаемые серийно, имеют градусные шкалы, рассчитанные на подключение термометров сопротивления определённых типов.

Термопреобразователь сопротивления (ТС) - термоприёмник, в котором в качестве термометрического свойства использовано изменение электрического сопротивления чувствительного элемента в зависимости от понижения или повышения его температуры, то есть посредством термометра сопротивления колебания температуры преобразуются в эквивалентное изменение электрического сопротивления проводника.

Термопреобразователь сопротивления в отличие от жидкостных стеклянных и манометрических термометров не является прибором показывающим температуру, а служит лишь датчиком.

Типичная конструкция датчика сопротивления показана на рисунке 49 а. Тонкая проволока или лента 1 из платины или меди наматывается бифилярно (сложенная вдвое) на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. Для защиты от повреждений каркас с проволокой помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3. Для улучшения теплопередачи между каркасом и защитной гильзой устанавливают упругие металлические пластины 4. Гильзу 3 вместе с её содержимым помещают во внешний, обычно стальной, чехол 5, который устанавливается на объекте измерений с помощью штуцера 6. На выступающей части чехла располагается головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9.

а) б)

Рис. 49: а – конструкция металлического термопреобразователя сопротивления, б – датчик термометра сопротивления П – 1.

1 – лента из платины или меди; 2 – каркас; 3 – гильза; 4 – упругие металлические пластины; 5 – чехол; 6 – штуцер; 7 – изоляционная колодка; 8 – головка; 9 – изоляционные бусы.

Диапазон измерений платиновых термопреобразователей от –260 ⁰С до 1100 ⁰С, медных – от – 50 ⁰С до +200 ⁰С. Платиновые термопреобразователи являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Погрешность измерения не более 0,5 %.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяют при измерении температуры от –100 ⁰С до +300 ⁰С. В качестве материалов для них используют оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия. Основным преимуществом полупроводниковых термосопротивлений – термисторов является их большой отрицательный коэффициент сопротивления: при повышении температуры на один градус сопротивление уменьшается на 3…5 %. Их достоинствами также являются простота устройства и исключительно малые габариты. Однако термисторам присуща повышенная нестабильность характеристик, что ограничивает их применение исследовательскими целями.

Термопреобразователи сопротивления работают с вторичными приборами - логометрами и мостами, измеряющими сопротивление термометра и показывающими соответствующую этому сопротивлению температуру среды.

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами основано на использовании термоэлектрического эффекта, возникающего при нагревании места соединения двух проводников из неоднородных металлов или сплавов. Проводники в этом случае называют термоэлектродами, а место их соединения называют спаем. Два соединенных термоэлектрода образуют термопару. Суть термоэлектрического эффекта состоит в том, что при нагревании спая в электрической цепи, показанной на рис. 50 возникает электрический ток, величина которого определяется материалами термоэлектродов и разностью температур спая t и свободных концов термоэлектродов t. На рисунке 50б показана принципиальная схема термоэлектрической измерительной цепи. Для поддержания температуры свободного (холодного) спая 3 постоянной (термостатирование спая), он помещен в сосуд 1 с двойными стенками, заполненный тающим льдом 2; причем спай может быть погружен в воду, находящуюся в пробирке 4.

В качестве материалов термоэлектродов используют следующие металлы и сплавы: хромель, алюмель, железо, медь, платинородий, платину, константан, копель. Характеристики некоторых термопар приведены в таблице. Номинальные статические характеристики преобразования для термопар отражены в ГОСТ Р 8.585.

Таблица 6.

В качестве средств измерений, работающих в комплекте с термоэлектрическим преобразователем, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.

Стационарные милливольтметры имеют градусную шкалу, переносные – градусную и милливольтовую. Классы точности приборов - от 0,2 до 2,0.

Принцип действия потенциометров основан на уравновешивании термоэлектродвижущей силы известным падением напряжения (компенсирующее напряжение), создаваемым током от дополнительного источника. Поскольку при отсчете показаний прибора ток в цепи термопары устанавливают равным нулю, то сопротивление внешней цепи и изменение сопротивления этой цепи от температуры не влияют на результат измерения. Изменение компенсирующего напряжения может осуществлять вручную оператором или без его участия при использовании автоматических потенциометров.

Автоматические потенциометры предназначены для измерений, записи и регулирования температуры с повышенной точностью. Их выпускают в виде показывающих и самопишущих, одно- и многоточечных. В них могут встраиваться регулирующие и сигнализирующие устройства, а также устройства для передачи показаний на расстояние. В зависимости от модификации классы точности потенциометров могут быть равны 0,25; 0,5; 1,0. Конструктивные особенности, диапазоны измерений, класс точности автоматических потенциометров устанавливает ГОСТ 7164.

Рис. 50. Схема термопары (а) и термоэлектрической измерительной цепи (б)

Неконтактные термометры.Неконтактные методы измерения температуры оказываются очень полезными в тех случаях, когда объект по каким-либо причинам недоступен для установки в него контактного термометра или удален от нас (космические объекты, звезды), либо когда необходимо измерять очень высокие температуры и невозможно создать датчик, выдерживающий их.

Пирометры излучения. Пирометрами излучения называют средства измерений, которые позволяют определить температуру объекта по тепловому излучению, исходящему от него.

В сопоставимой области рабочих температур точность пирометров ниже, чем точность других приборов, поэтому их применение оправдано в тех случаях, когда термостойкость других приборов не достаточна или когда использование контактных термометров не возможно.

Пирометры излучения можно разделить на пирометры частичного излучения – оптические и фотоэлектрические, пирометры полного излучения - радиационные.

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью (рис. 51) основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки (5). Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет").Оператор фиксирует визуально момент совпадения яркости изображения измеряемого объема и нити накаливания, встроенной в пирометр. Прибор градуируют по току, проходящему через реостат.

Рис. 51

В оптическом пирометре фиксируется температура, несовпадающая с термодинамической. По этой причине температуру, измеряемую пирометром с исчезающей нитью, называют яркостной.

Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерений 1200-3200 и 1500-6000°С. Основная допустимая погрешность измерения яркостной температуры зависит от диапазона температур и составляет от 1 до 25% от верхнего предела используемой, шкалы прибора.

В радиационных пирометрах (рис. 52) используется тепловое действие полного излучения нагретого тела, включая как видимое, так и не видимое излучение. В связи с этим радиационные пирометры называются также пирометрами полного излучения. В качестве чувствительного элемента в радиационных пирометрах используется термобатарея из нескольких миниатюрных последовательно соединенных термопар, рабочие спаи которых нагреваются излучением объекта измерения, фокусируемых с помощью оптической системы. Возникающая термоэлектродвижущая сила измеряется с помощью милливольтметра или автоматического потенциометра, градуированного в градусах.

Рис. 52. Термопары 2, объекта измерения (1), оптическая система (3). автоматический потенциометр (4)

Радиационные пирометры показывают так называемую "радиационную" температуру. Истинная температура больше радиационной. Поправки, которые необходимо вносить в показания радиационного пирометра для определения истинной температуры, могут достигать нескольких сотен градусов, если объект измерения по своим радиационным свойствам значительно отличается от абсолютно черного тела.

Положительной особенностью радиационных пирометров является то, что их можно применять также и для измерения невысоких температур, при которых объект измерения не дает видимого излучения. Возможно также измерение температуры тел, более холодных, чем окружающая среда. В последнем случае термобатарея не нагревается, а охлаждается во время радиационного теплообмена между ней и объектом измерения.

В настоящее время радиационные пирометры применяются для измерения температур в диапазоне от -40 до 2500°С. Особенно удобно применение радиационных пирометров для бесконтактного измерения невысоких температур, при которых методы оптической и цветовой пирометрии неприемлемы, например, для измерения невысоких температур движущихся предметов.

Сочетание методов инфракрасной техники и телевизионных методов визуализации инфракрасных изображений дало название приборам - тепловизорам.

В неконтактной термометрии применяют термин цветовая температура. Особенно часто им пользуются, характеризуя источники света. Если в светотехнике указывается цветовая температура, это означает, что максимум энергии излучения данного источника совпадает с максимумом энергии излучения абсолютно черного тела с такой температурой.

Действие цветовых пирометров основано на том, что с изменением температуры меняется цвет накаленного тела. При этом, если выделить в спектре излучения накаленного тела два монохроматических излучения с разными длинами волн, то с изменением температуры будет меняться соотношение яркостей этих излучений. Как правило измерение температуры выполняют в красной и синей областях спектра. Логарифм отношения монохроматических яркостей накаленного тела обратно пропорционален температуре тела, которую в этом случае называют цветовой температурой.

Пирометр ЦЭП-2М (рис. 53) содержит вращающийся диск с встроенными в него светофильтрами красного и синего цвета. Благодаря этому фотоэлемент, размещенный за диском, попеременно выдает импульсы тока, пропорциональные монохроматическим яркостям красного и синего излучений накаленного тела. Эти импульсы усиливаются и преобразуются электронным логарифмирующим устройством в постоянный ток, который измеряется магнитоэлектрическим гальванометром. Шкала гальванометра градуирована в градусах. Его показания соответствуют истинной температуре абсолютно черного тела, а также "серых" тел. Диапазон измерения пирометра ЦЭП-2М от 1400 до 2500°С.

Рис. 53. Принципиальная схема цветового пирометра ЦЭП-2М

Цветовые пирометры обеспечивает высокую точность измерения: основная погрешность при измерении температуры "серых" тел не превышает ±1% верхнего предела измерения.

Измерение давления.

Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разрежение).

Атмосферное (барометрическое) давление – давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.

Абсолютное давление – давление, отсчитанное от абсолютного нуля, за который принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух.

Избыточное давление – разность между абсолютным и атмосферным давлениями.

Вакуум (разрежение) - разность между атмосферным и абсолютным давлениями.

В Международной системе единиц величин за единицу давления принят паскаль (Па). На практике по-прежнему используются и внесистемные единицы: бар, миллиметр ртутного или водяного столба, килограмм – сила на квадратный сантиметр и другие.

Средства измерения давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия.

По виду измеряемого давления различают следующие средства измерений:

-манометры избыточного давления;

-манометры абсолютного давления;

-барометры (для измерения атмосферного давления);

-вакуумметры;

-моновакуумметры (для измерения избыточного давления и разрежения);

-дифференциальные манометры (средства измерения разности давлений).

По принципу действия различают средства измерения давления: жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные), ионизационные, тепловые, электрические.

Жидкостный манометр – манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. В простейшем исполнении жидкостные манометры (рис. 54), называемые также пьезометрами, представляют собой стеклянные U – образные трубки, заполненные жидкостью. Название жидкости присутствует в названии манометра (ртутный, водяной, спиртовой и др.).

Рис. 54. Основные типы жидкостных манометров: а)U – образный, б) чашечный, в) двухчашечный, г) чашечный с наклонной трубкой

В зависимости от схемы подключения жидкостный манометр может измерять избыточное давление или разрежение, абсолютное давление и разность давлений. В первом случае один конец трубки соединяют с объектом измерения, а второй конец оставляют открытым, связанным с атмосферой. Для измерения абсолютного давления второй конец трубки соединяют с баллоном, из которого откачан воздух. В третьем случае оба конца трубки подсоединяют к точкам отбора давления, между которыми необходимо измерить разность давлений.

Вариантами конструктивного исполнения жидкостных манометров являются чашечные, двухчашечные манометры и чашечные манометры с наклонной трубкой (рис.).

В жидкостном манометре давление определяется по разности уровней жидкости в трубках при известной плотности жидкости р, налитой в манометр:

P=ρ·g·h ,

где h - разность уровней жидкости; g - ускорение свободного падения. Если ρ выражена в кг/м³, g в м/c² и h в м, то давление выразится в Паскалях.

Рис. 55 Конструкции жидкостных манометров Рис. 56. Поршневой манометр

Жидкостные манометры универсальны, имеют простую конструкцию, отличаются точностью и их можно размещать на значительном расстоянии от места замера. Однако им присущи и недостатки: трудность одновременной фиксации уровней жидкости в обоих вервях трубки, особенно в случае колебания давления, сравнительно небольшая прочность стеклянных трубок, необходимость строго вертикальной установки прибора, ограниченный диапазон измерений. Точность измерений жидкостными манометрами достигает 0,5%.

Серийно выпускаемые жидкостные манометры имеют диапазон измерений: водяные от 0 до 100 гПа (от 0 до 1000 мм в. ст.), ртутные от 0 до 210 гПа (от 0 до 160 мм рт. ст.), ртутные барометры от 650 до 1090 гПа, манометры абсолютного давления от 2 до 1070 гПа.

Поршневой манометр – манометр, в котором действующее на поршень давление создает силу и определяется по значению силы, необходимой для её уравновешивания. Наиболее часто измеряемое давление уравновешивают грузом, вес которого может быть установлен с высокой точностью (рис. 56). Поршневые манометры используются в основном как эталоны избыточного давления и разрежения в диапазоне от - 100 кПа до 2500 МПа. Класс точности приборов, определяемый относительной погрешностью, от 0,01 до 0,2.

Деформационные средства измерения давления – средства измерения, в которых измеряемое давление, действующее на упругий чувствительный элемент, уравновешивается силой сопротивления деформации. Таким образом, упругий чувствительный элемент преобразует входной сигнал измерительной информации – давление в выходной сигнал – деформацию (перемещение).

Основными формами чувствительных элементов, получившими распространение на практике, являются трубчатые пружины, сильфоны и мембраны (рис. 57).

Рис. 57. Конструкции чувствительных элементов деформационных средств измерений давления.

Наибольшее распространение получила трубчатая пружина (манометрическая трубка, трубка Бурдона) в виде криволинейной металлической трубки (рис. 57а), один из концов которой закреплен, а другой конец имеет возможность свободно перемещаться.

Под действием избыточного давления трубка разгибается, а под действием разрежения дополнительно сгибается. При этом свободный конец пружины перемещается пропорционально изменению давления.

Для измерения больших давлений до 1000 МПа используют криволинейные и прямолинейные трубчатые пружины. Форма сечения прямолинейной трубчатой пружины показана на рис. 57в . Перемещение свободного конца пружины происходит не из-за изменения поперечного сечения, а вследствие действия изгибающего момента.

Основной недостаток рассмотренных пружин – малый угол поворота, что требует применения передаточных механизмов в качестве масштабных преобразователей измерительного сигнала. Для чувствительных элементов типа витой трубчатой пружины овального или звезчатого сечения (рис. 57г) угол поворота достигает 60 градусов.

Сильфоном называют тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечными гофрами (рис. 57д), способную в значительной мере изменять свой размер в осевом направлении под действием давления или сосредоточенной силы. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину.

Мембрана представляет собой гибкую плоскую или гофрированную пластину круглой формы (рис. 57е,ж), жестко закрепленную по периметру и способную прогибаться под действием давления. При необходимости получения большого прогиба используют соединение мембран в виде мембранных коробок (рис. 57з), а также блоки, собранные из нескольких мембранных коробок (рис. 57к). Мембраны изготавливают из металла, прорезиненной ткани, тефлона и др. (рис. 57м,н –эластичные мембраны). Заполнение мембранного блока жидкостью (рис. 57о) применяют при измерениях перепадов давления для защиты мембран от повреждения при перегрузках.

Деформационные средства измерения давления характеризуются высокой точностью, простотой конструкции, надежностью, низкой стоимостью и поэтому они получили широкое распространение для измерения давления в промышленности и на транспорте, в научных исследованиях.

На рисунке 58 показаны измерительные приборы с одновитковой трубчатой пружиной и мембранным чувствительным элементом.

Диапазон измерений манометров с трубчатой пружиной от 0 до 1000 МПа, вакуумметров 0т –0,1 до 0 МПа. Классы точности от 0,4 до 4,0.

Измерительные приборы с сильфонным чувствительным элементом характеризуются верхним пределом измерения 0,025 – 0,4 МПа. Классы точности манометров, вакуумметров и мановакуумметров: 1,5; 2,5. Максимальный диапазон измерения мембранных манометров 0 – 2,5 МПа, вакуумметров – от 0,1 до 0 МПа. Классы точности приборов: 1,5; 2,5.

При выборе манометров руководствуются правилами: рабочий предел измерения избыточного давления должен быть не более 3/4 верхнего предела измерений при постоянном давлении и не более 2/3 - при переменном давлении.

а) б)

Рис. 58. Схема манометра а)с одновитковой трубчатой пружиной, б) с мембранным чувствительным элементом

Поскольку на выходе деформационных средств измерения давления сигнал измерительной информации представлен в виде перемещения, то он легко может быть преобразован в электрический сигнал с помощью индуктивных, емкостных, тензорезисторных и других преобразовательных элементов (см. раздел3.1 ). В этом случае средство измерения электрической величины градуируют в единицах давления.

Рис. 59. Схемы деформационных преобразователей давления: а) индуктивного типа, б) дифференциально-трансформаторного типа, в) емкостного типа

Обозначения на рисунках. Рисунок а: 1 – мембрана, воспринимающая давление и являющаяся якорем электромагнита 2, 3 – обмотка.

Рисунок б: 1 – трубчатая пружина, 2 – преобразователь типа «перемещение – ток», 3 – тяга, 4 и 5 – две секции вторичной обмотки, 6 – подвижный сердечник из магнитомягкого материала, 7 – первичная обмотка.

Рисунок в: 1 – мембрана, являющаяся подвижным электродом емкостного преобразовательного элемента, 2 – неподвижный электрод.

При динамических измерениях для преобразования давления в электрический сигнал измерительной информации используют пьезоэлектрические преобразовательные элементы. Серийно изготавливают датчики на основе тензорезисторов и пьезоэлектриковс прямым пьезоэффектом.

Рис. 60. Схема пьезоэлектрического измерительного преобразователя давления: 1 –выводы, 2 – кварцевые пластины, 3 – камера, 4 – мембрана, 5 – электронный усилитель.

Находят применение манометры, принцип действия которых основан на эффекте ионизации.

Для измерения давления ниже атмосферного (измерения вакуума) кроме жидкостных и деформационных вакуумметров используется еще целый ряд устройств, принципиально отличающихся от рассмотренных выше. Такими вакуумметрами являются радиометрические приборы, вязкостные, ионизационные, магнитные, электроразрядные манометры [Козлов].

В области измерения взрывных давлений мерой достигнутого максимального давления может служить пластическая деформация чувствительного элемента, а также электрические, оптические и химические явления, возникающие при определенных давлениях.

Поиск по сайту: