§5.4 Механические измерительные преобразователи.
Выходной величиной механических измерительных преобразователей является механическое перемещение /линейное или угловое/ или частота механического перемещения. Они широко используются в различных приборах непосредственно или в качестве промежуточного преобразовательного элемента электрических и пневматических ПИП. Механические ПИП можно разделить на упругие, частотные, инерционные и датчики теплового расширения. Выходная величина упругих преобразователей формируется в процессе деформации тела самого преобразователя. Эта деформация воспринимается или непосредственно наблюдателем /как это имеет место в механических приборах/, или последующим измерительным преобразователем с электрической выходной величиной и входной в виде механического перемещения /резистор/, механического напряжения /тензорезистор/ или частоты /вибрационные/. Входной величиной упругих механических преобразователей может быть сосредоточенная сила, крутящий момент /т.е. пара сил/, давление газа или жидкости. Наиболее распространенные упругие преобразователи с входной величиной в виде сосредоточенной силы, а выходной в виде линейного перемещения или деформации, приведены на рис. 5.11. Для восприятия больших усилий /свыше 10 кН/ используются, как правило, сплошные стержни /рис. 5.11/, для меньших усилий /1-10 кН/- полые тонкостенные стержни /б/ и /г/; для малых усилий- плоские пружины /в/. Наиболее употребительные упругие преобразователи с входной величиной в виде крутящего момента М и выходной- в виде углового перемещения j, показаны на рис. 5.12. Особенно большим разнообразием отличаются упругие измерительные преобразователи, применяемые для измерения давления. Это плоские гофрированные мембраны /Рис. 5.13/, мембранные пробки, использующие собственную жесткость или опирающиеся на внешнюю плоскую пружину. adidas yeezy 350 Для получения больших линейных выходных перемещений используются сильфоны /в/ или трубки Бурдона /г/, а для получения больших угловых перемещений- спиральные и винтовые трубки с внутренним давлением. Для измерения давлений в сочетании с тензорезисторами применяются упругие преобразователи. Основным недостатком упругих преобразователей является наличие погрешности, обусловленной гистерезисом материала. Для преобразователей, выполненных даже из самых лучших сортов упругих материалов, погрешность составляет 0,2¸0,05%. Поскольку возникновение заметных пластических деформаций измерительных упругих элементов недопустимо, рабочие напряжения s в них всегда должны оставаться меньше sдоп.
Частотные датчики
Механические упругие преобразователи с инерционным элементом могут образовывать колебательные системы, которые обладают. как правило, очень высокой добротностью /Q=103¸104/, что позволяет получить высокую точность преобразования. f=
Изменять частоту, являющуюся выходной величиной датчика, можно изменяя жесткость К или массу m . Датчики с изменяющейся массой практически не используются. Жесткость характеризуется силой, пропорциональной отклонению массы от нейтрального положения и направленной в сторону противоположную отклонению. Эта сила может быть создана упругими элементами, на которых закреплена масса или же приложена к массе извне. Для изменения жесткости в первом случае требуется изменить размеры, форму или свойства упругих элементов, во втором случае- внешние силы. Частотные датчики с механическими колебательными системами могут быть построены для измерения перемещения, силы, температуры, давления, тока, и т. д. структурные схемы возбуждения колебаний в датчиках с механической колебательной системой могут выполняться двух типов /рис. 5.18а, б, в, г/: а/схемы, представляющие собой генератор с управляемой частотой на базе двух преобразователей; в/схемы, построенные на базе одного обратимого преобразователя. nike air max 1 pas cher В первом случае преобразователи П1 и П2 обеспечивают непрерывную генерацию колебаний. Колебательный контур включен в цепь положительной обратной связи усилителя. В схеме построенной на базе одного преобразователя для разделения цепей возбуждения и съема сигнала, применен мост, сбалансированный так, что при неподвижной массе m, напряжение U2, поданное на возбуждающую диагональ не проходит на диагональ схемы сигнала U1. Электромеханический преобразователь, связанный с колеблющейся массой отбирает часть энергии и вносит затухание. Коэффициент демпфирования: Кd=Fc/U где Fc— сила сопротивления, вносимая преобразователем; U- скорость движения тела при колебаниях. Из частотных датчиков большое практическое применение получили струнные датчики. Собственная частота колебаний натянутой струны определяется выражением: f=
=
где l- длина струны, м; f- сила натяжения струны, Н; r- линейная плотность струны, кг/м3; n- номер выделяемой гармоники (обычно n=1); S- сечение струны, м2. Приведённая формула выведена из предложения, что жесткость создаётся только за счёт внешней растягивающей сиилы. Это имеет место при l/d
Изменение частоты колебаний струны может быть осуществлено за счёт изменения её длины или, что более удобно, изменением силы её натяжения F. Таким образом, растягиваемый отрезок струны, снабжённый электромеханическим преобразователем, представляет собой датчик усилия с частотным выходом. Удлинение струны при растяжении равно: 
Bl=
где E- модуль упругости, Па. Такое соотношение позволяет использовать струнный датчик для контроля малых перемещений в пределах Bl. Струны могут быть круглого или плоского сечения. Для ненамагничивающихся струн, например, используют магнитоэлектрический метод, при котором ток возбуждения подаётся в струну, расположенную между полосами постоянного магнита. nike air max 2016 soldes Выходная ЭДС снимается с той же струны. Для намагничивающихся струн применяют электромагнитный метод возбуждения колебаний.
Инерционные преобразователи
К механическим инерционным датчикам в первую очередь необходимо отнести датчики ускорений. Наиболее распространённым исполнением датчика ускорения является датчик сейсмического типа, отличительной особенностью которого является отсутствие связи с неподвижной опорой. Датчик состоит из корпуса, которому сообщается входное перемещение х со скоростью 
=х,=U и ускорением 
=х,,=а, инерционной массы m, упруго-связанной с корпусом через систему пружин с жесткостью К, н/м и через демпфер, создающий вязкое трение R, н с/м. Взаимное перемещение у массы и корпуса преобразуется с помощью датчика перемещения любого типа в выходной сигнал. Уравнение движения системы имеет вид: у,,+
у,+
у=х,,=а, где Т1=m/R; Т2=R/K или в операторной форме: у=
Из этого уравнения следует, что перемещение у массы относительно корпуса пропорционально ускорению а=p2х корпуса. Механические датчики теплового расширения основаны на использовании принципа изменения линейных размеров твёрдых тел при изменении температуры (дилатометрический эффект). Перемещение свободного конца рабочего (твёрдого) тела относительно закреплённого преобразуется в выходной сигнал с помощью одного из преобразователей линейных перемещений. Для конструктивной реализации датчиков применяют два иатериала с разными температурными коэффициентами расширения. При этом в качестве материалов с малыми коэффициентами расширения используются инвар, кварц, а с большим – алюминий, латунь, сталь и др. Датчики теплового расширения строятся также на основе биметаллических пластинок, состоящих из двух слоев металлов с различными коэффициентами линейного расширения (a1 и a2). Основное назначение механических датчиков теплового расширения – измерение температуры. Пределы измеряемых температуры. Пределы измеряемых температур для данного типа датчиков лимитируются термостойкостью материала рабочего тела и стабильностью температурного коэффициента расширения. При имеющихся в наличии материалов максимальная температура лежит в пределах 200 5500С. ugg australia discount nike huarache Точность датчиков составляет 1,5 5%. Постоянная времени в воде равна 6-7 с.
5.5. Радиочастотные и акустические измерительные преобразователи.
Явления, происходящие в колебательных системах, а также явления, возникающие при распространении колебаний через среды, широко реализуются в различных радиочастотных и акустических измерительных преобразователях. Разно-частотной условно считается область частот электромагнитных колебаний 20 кГц – 200мГц. Для генерации гармонических электромагнитных колебаний разно-частотной области спектра используются различные автогенераторы. Наиболее часто в датчиках используют одноконтурные полупроводниковые автогенераторы с трансформаторной, индуктивной и емкостной обратной связью, а также дина тронные, транзисторные и RC-генераторы. Частота автогенератора определяется параметрами колебательного контура. Собственная частота колебательного контура (с емкостью С и индуктивностью L). W0=
Частота одноконтурного автогенератора с трансформаторной связью: W=
*
=W0
где D- проницаемость активного элемента; М- взаимная индуктивность; R- активное сопротивление колебательного контура. Изменение любого из параметров колебательного контура или частотозадающих цепей генераторов, приводит к изменению возбуждаемой частоты, которая и используется для оценки происшедшего изменения. Использование в качестве элементов колебательного контура устройств, чувствительных к изменению различных параметров температуры, давления, количества и состава вещества, позволяет создать разнообразные измерительные преобразователи этих параметров с частотным выходом. Электрический конденсатор в составе колебательного контура является частотным преобразователем и используется в качестве чувствительного элемента датчиков перемещения, давления, температуры, уровня и концентрации. Аналогичные измерения можно производить и при использовании в качестве чувствительного элемента индуктивности, включенной в колебательный контур автогенератора. adidas femme soldes Выбор чувствительного элемента должен производится с учетом особенностей контролируемой среды. В емкостных чувствительных элементах определяющей является электрическая составляющая электромагнитных колебаний, а в индуктивных—магнитная. При высоких значениях частот в качестве чувствительного элемента используют так называемые объемные резонаторы, объединяющие в одном элементе индуктивность и емкость. Применение объемных резонаторов в качестве чувствительных элементов позволяют реализовать датчики уровня жидкостей и сыпучих сред. В качестве резонаторов в этом случае могут использоваться сосуды с контролируемым уровнем или волноводы размещенные в этих сосудах. Применение волноводов позволяет достичь независимости показаний от формы сосудов, а также унифицировать встречные приборы. Поэтому резонаторы в виде волноводов получили преимущественное распространение. В комплексе высокочастотных резонансных уровнемеров входят: размерный ряд аналоговых уровнемеров типа РУМБ-1 для жидких электропроводящих сред /водных растворов солей, кислот, щелочей и т.п./, размерный ряд аналоговых уровнемеров типа РУМБ-2 для жидких электрических сред /нефти и нефтепродуктов и т.п./, размерный ряд аналоговых и цифровых уровнемеров типа РУДА для сыпучих гранулированных материалов. adidas nmd §5.6. Измерительные преобразователи, основанные на свойствах жидкостей и газов. nike air max 1 essential Основные свойства жидкостей и газов, используемые для построения преобразователей. Для контроля ряда параметров широко применяются измерительные преобразователи, использующие свойства газов и жидкостей, а также явления, имеющие место при воздействии на эти среды энергетических полей. Предпосылками для создания таких преобразователей являются известные зависимости между основными термодинамическими переменными: давлением P, плотностью ρ (или удельным объемом V=1/g ρ/, температурой Т и энтропией S. Соотношение, связывающее три из четырех независимых термодинамических переменных, принято называть уравнением состояния: P=g ρRT=
где R- газовая постоянная; g- ускорение свободного падения. Существуют и другие формы записи уравнения состояния, основанные, в частности, на разных подходах:
Феноменологический подход
к описанию механизмов, управляющих поведением атомов и молекул газа, представлен уравнением Ван-дер-Ваальса: (p+a/V2)*(V-b)=RT где р- давление, Па; V- объем,м3; Т- температура, К; R_ универсальная газовая постоянная; а, в- постоянные/индивидуальные для каждого вещества/ коэффициенты. Подход, основанный на математическом описании наблюдаемых явлений представлен овариальным уравнением Камерлинг- Онеса: PV/RT=Z=1+B(T)/V+C(T)/V2+D(T)/V3+… где Z- коэффициент сжимаемости; В(Т),С(Т)- овариальные коэффициенты. Оба подхода считаются равноправными, а целесообразность использования того или иного определяется поставленными задачами. В определенных диапазонах изменения параметров приведенные уравнения с достаточной точностью могут быть аппроксимированы более простыми и удобными формулами. Так, при Т>>Tкр и Р>>Ркр справедливы соотношения: Р1/Р2=Т1/Т2 Обобщением первого подхода, исходящим из предположения о геометрическом подобии термодинамических р-V-T поверхностей является закон соответственных состояний и вытекающее из него приведенное уравнение состояния: (П+3/j2)*(3j-1)=8t, где П=р/ркр; j=V/Vкр; t=Т/Ткр Это управление может быть полезно при анализе возможностей способов измерения с использованием различных рабочих тел. Для жидкостей до настоящего времени отсутствует удобная форма корреляции параметров P-V-T поверхности. Для определения плотности жидкостей при переменных параметрах используют различные корреляции, основанные на законе соответственных состояний, из которых наиболее удобны следующие три: V1r10=V2r20 rж=2rкр+[(Ткр-Т)/(Ткр-Тн.к.)]*( rжн.к.-2rк)- rг rж=rжн.к.(2-t)/(2-tн.к)- rг где r10=r1/rкр— приведенная плотность; rкр— плотность в критическом состоянии; г- газ; н.к.- при нормальном еипении; ж- жидкость; кр- критическая. Для определения давления паров на линии насыщения рекомендуется использовать приведенное уравнение Кирхгофа: lnП=h(1-1/t) где h-индивидуальная константа для каждого вещества, которая может быть определена по критическим параметрам или по экспериментальным данным методом наименьших квадратов: h=Tн.к.lnpкр/(Ткр-Тн.к.) Точность определения давления насыщения повышает введение в уравнение Кирхгофа дополнительного эмпирического коэффициента к вычислению по имеющимся экспериментальным данным: lnП=h(1-1/kt) Плотность r- параметр, определяемый для однородного вещества его массой в единице объема /кг/м3/.Плотность и удельный вес связаны между собой отношением: g=arg где g- местное ускорение свободного падения тела; а- коэффициент пропорциональности. Зависимость плотности от параметров состояния индивидуальных веществ вытекает из уравнения состояния: r=
где Р- давление; m- мольная масса; R- универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура. Плотность смесей газов, а также жидкостей, объем которых не изменяется при смешивании: rсм=
=
где Vi- объемная доля i-го компонента; gi- массовая доля i-го компонента. nike air huarache noir femme pas cher Плотность жидкостей, газов и твердых тел находят путем точного определения массы тела и его объема с помощью различных типов плотномеров. Для определения плотности используют также зависимость плотности от скорости распространения звуковых волн, интенсивности g и b- излучения, прошедшего через вещество и т. ugg pas cher д. Измерение плотности используется при проведении исследований и в промышленности для определения состава бинарных смесей, для определения качества продукта, для перехода от обычных единиц измерений количества или расхода среды к массовым. Взаимодействие веществ, находящихся в разных фазовых состояниях /твердое, жидкое, газообразное/ сопровождается явлениями сорбции, т.е. поглощения. nike air max 2016 soldes Поглощаемое вещество называется сорбатом, а поглотитель- сорбентом. Различают хемосорбцию, сопровождающуюся химическим взаимодействием между сорбатом и сорбантом с образованием новых соединений и физическую сорбцию или адсорбцию, обусловленную межмолекулярными силами. Процесс обратный адсорбции называется десорбцией. Процессы адсорбции- десорбции характеризуются определенной скоростью. Характер протекания этих процессов во времени описывается уравнением: C=C0e-bэфt где C0— начальная концентрация сорбента; bэф— эффективный коэффициент диффузии. Использование явлений адсорбции- десорбции позволяет осуществлять разделение многокомпонентных смесей, а также решить ряд задач на их основе по контролю технологических процессов. Вязкость /внутреннее строение/- свойство текучих тел /жидкостей и газов/ оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкого течения был установлен И.Ньютоном /1687г./: F=hS
hS
где F-тангенциальная /касательная/ сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости /газа/; h-коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью и характеризующий сопротивление жидкости /газа/ смещению их слоев; S-площадь слоя, по которому происходит сдвиг; 
градиент скорости течения /быстрота изменения ее от слоя к слою/, скорость сдвига. Вязкость газов- следствие хаотического /теплового/ движения молекул, в результате которого происходит постоянный обмен молекулами между движущимися друг относительно друга слоями газа. Это приводит к переносу от слоя к слою определенного количества движения, в результате которого медленные слои ускоряются, а более быстрые- замедляются. Работа внешней силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту. Вязкость газа не зависит от его плотности /давления/. Вязкость идеальных газов определяется соотношением: 
h=
mnul 
где u-средняя скорость молекул возрастает с повышением Т; l-средняя длина свободного пробега. Вязкость газов увеличивается при нагревании/пропорционально 
/. При сильно разряженных газах понятие вязкость теряет смысл. В жидкостях, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. Энергия активации вязкого движения, необходимая для увеличения расстояния между молекулами, уменьшается с ростом Т и пониженном давлении. В этом причина снижения вязкости жидкостей с повышением температуры и роста с повышением давления. Наряду со свойствами жидкостей и газов в измерительной технике используются явления, возникающие в этих средах при их взаимодействии с потенциальными полями (полями, энергетическое состояние в которых зависит от их взаимного расположения. Поле физическое – это особая форма материи; физическая система с бесконечно большим числом степеней свободы). Наиболее часто в качестве потенциального поля выступает гравитационное поле Земли. nike soldes При нахождении неподвижной жидкости или газа в гравитационном поле Земли имеют место явления гидро- и аэростатики. Уравнение равновесия жидкости: dp=
(gxdx+gydy+gzdz) Твёрдое тело, полностью или частично погруженное в газовую или жидкую среду, находящуюся в гравитационном поле, испытывает выталкивающую силу, направленную против гравитационной силы: P=V r где: V – объём погруженной части твёрдого тела; r — плотность газовой или жидкой среды. Эта зависимость является известным объяснением закона Архимеда. Уравнение движения тела в поле тяготения записывается в виде: 
mua = F = mtg где а – ускорение. приобретённое телом под действием напряжённости гравитационного поля; mt — соответственно, гравитационная или тяжёлая масса тела, определяющая взаимодействие тела с полем тяготения; mu – инертная масса, определяющая сопротивление тела, действующей на него силе и входящая во второй закон механики Ньютона; g – напряжённость гравитационного поля. Напряжённость гравитационного поля g может быть выражена некоторой скалярной величиной j, называемой гравитационным потенциалом. g=-gradj Так, для частицы массы m, потенциал поля тяжести j=-G
где G — =6,6745/8/×10-11 м3/кг×с2 – гравитационная постоянная; r – расстояние между взаимодействующими телами. Гравитационный потенциал какого-либо тела или системы тел может быть записан в виде суммы потенциалов полей тяжести частичек. слагающих тело или систему (принцип суперпозиции), т.е.