Физическая величина, её значение и размер

Надёжность – это способность прибора сохранять свои показания в определенных пределах в течении установленного интервала времени при заданных условиях эксплуатации. Основными критериями надёжности являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказа и среднее время безотказной работы, оценка надежности производится на этапе разработки измерительного прибора.

 

Структурные схемы  измерительных средств 

Приборы работающие по методу непосредственной оценки измеряемая величина подвергается ряду последовательных преобразований в прямом направлении, в конечном счете измеряемая величина преобразуется в величину удобную для наблюдения регистрацию и запоминанию. Таким образом, структурная схема прибора метода непосредственной оценки выглядит следующим образом:

 

 

 

 

Схема состоит из каскадного (последовательного) соединения

Измерительные преобразователи  могут служить электрические  шунты, усилители, электромагнитные механизмы, цифровые преобразователи.

Различают преобразователи:

Первичный, к которому подводится измерительная величина, передающей для дистанционной передачи сигналы измерительной информации масштабные для изменения величины сигналов заданного число раз. Структурная схема прибора основана на методе сравнения. Схема выглядит следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

Измерительная величина X и величина воспроизводимая мера X_M  подаются на схему сравнения. Цепь прямого преобразования обеспечивает передачу измерительной информации к регистрирующему прибору, а цепь обратного преобразователя, которая включает в себя p’ устройства управления и мера «M» обеспечивает изменение значение величины “X_M”.

Центральным звеном любого измерительного средства сравнения  является измерительные преобразователь. Измерительным преобразователем называется средства измерения для выработки измерительной информации в форме удобной для передачи дальнейшей передачи и хранения, но не для непосредственного восприятия наблюдателя.

 

Классификация измерительных  преобразователей

Преобразователи можно классифицировать по следующим признакам:

1. По видам входных и выходных сигналов: аналоговый вход, аналоговый выход; аналоговый вход, дискретный выход; дискретный вход, аналоговый вход; дискретный вход, дискретный выход.
2. По физической природе входных и выходных сигналов: электрический вход, электрический выход; неэлектрический вход, электрический вход; электрический вход, неэлектрический выход; неэлектрический вход, неэлектрический выход.
3. По принципу действия: механические, тепловые, акустические, электрические, магнитные, электромагнитные, оптические, ядерные и химические.
4. По виду преобразования энергии: генераторные, параметрические и радиационные.

 

Генераторные  преобразователи – это преобразователи, в которых осуществляется непосредственное преобразование энергии одной природы в другую

 

 

 

 

 

 

 

E – энергия

Если энергия от объекта  не преобразуется непосредственно  в энергию другого вида, а используются для изменения параметров электрических, механических и др. цепей, то преобразователь  называется параметрическим.

Другими словами измерительный  в преобразователь поступает  два потока энергии; Энергия Е от объекта изменения, несущая полезной информации и Е₀ от прибора не несущая полезной информации, но необходимая для извлечения информации заключенная в изменяемых параметрах. Что касается радиационных преобразователей, то здесь можно отметить следующие: не редко приходится изменять такие параметров объектов, у которых невозможно получить необходимую информацию. Например, координаты пространственного положения отдаленных объектов (корабли, самолеты) определяют внутреннею структуру материала и тому подобную; В этих условиях для осуществления процессов измерения объект нужно облучать энергией передаваемой от прибора. Возвращаемая объектами энергия, например, отраженная содержит в себе информацию об изменении параметров и воспринимается преобразователем, который называется радиационным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим, что отраженные от объекта энергия может восприниматься генераторным или параметрическим  преобразователем, поэтому радиационные преобразователь является сложным  и как правило содержит в своём составе генераторные и параметрические преобразователи.

 

Характеристика  измерительных преобразователей

Измерительный преобразователь  осуществляет преобразование множества  входных сигналов x(t)X во множество выходных y(t), которые связаны таким уравнением:

y(t) =F[x(t)], где

F – это требуемая операция преобразования. Обычно под F понимают функцию или алгоритм преобразований. Входные и выходные сигналы могут быть скалярными, векторными, матрицами, физическими и геометрическими образами. Записанное соотношение функции от x(t) соответствует идеальному преобразователю. В реальном же преобразователе возникают погрешность обусловленные несовершенством своих сигналов, не точностью изготовления элемента преобразования, внутренних и внешних помех и т.д. Соответственно уравнение y = F(x,p,q…) не постоянство величины после сигнала x, и конечное время переходного процесса преобразователя приводят к появлению статических и динамических погрешностей. Итак основными характеристиками измерительного преобразователя являются статические и динамические характеристики, а также погрешность и надежность. В статическом режиме измерения записаны. Ранее зависимости представляли собой статические характеристики. Более удобной оценкой статического свойства преобразователя является чувствительность, которую можно записать так S = = = F’(x).

Если чувствительность постоянна, то преобразователь является линейным. Для описания линейной характеристики преобразователя достаточно иметь  два параметра:

1. Начальное значение выходной величины, соответствующая нулевому значению входной величины
2. Показатель относительного наклона характеристики

 

 

 

 

Отметим, что чувствительность преобразователя это как правило наименованная величина с разнообразными единицами в зависимости от природы входной и выходной величин. Выбор функции преобразования, а следовательно и чувствительности для аналоговых преобразователей обеспечивается путём подбора элемента преобразования, в сочетании с которым получается требуемая зависимость. В случае с цифровыми преобразователями обеспечение требуемой зависимости достигается набором элементарных алгоритмов в динамическом режиме. Измерения свойства линейного преобразователя записываются.

1. Передаточными функциями

W(p) = , где p – оператор Лапласса

2. Переходные функции

 

h(t) = , где t – время

3. Комплексно частотные

W(w) = H(w)exp[ψ(t)], где H(w) –амплитуда частоты

Exp – фазовая частота

 

Механические  преобразователи 

К этой группе измерительных  преобразователей относится преобразователи, для которых выходной величиной  является такие параметры как  масса, сила, вес, давление и т.д. Эти  величины связаны как между собой, так и с параметрами других групп. Преобразователи, в основе принцип  действия механических преобразователей лежат законы механики твердых тел, жидких и газообразных веществ 

 

Преобразователи ускорения, вибрации и удара 

Согласно закону Ньютона  в ускорение входит в соотношение  между силой и массой, поэтому  преобразователь для измерения  ускорения (акселерометр) использует физические явления позволяющие получить на основе этого соотношения электрический  сигнал для оператора. Существует по схемному решению различные преобразователи. Однако, основой для всех этих преобразователей является сейсмический преобразователь, конструктивная схема которого имеет следующий вид:

 

 

 

 

 

 

Где:  1) Корпус; 2) Демпфер (успокоитель); 3) Чувствительный элемент;

4. Возвратная пружина

 

Систематический преобразователь состоит во-первых из механической части включающей в себя чувствительный элемент в виде массы(m) и элементы связывающие её с корпусом, во-вторых из устройства преобразования в электрический сигнал параметров движения этого явления. В такой подстановке можно считать, что эта механическая система имеет одну степень свободы. Принцип действия преобразователя основан на использовании сил инерции Q_n или моментов инерции M_n возникающих при движении тела массы m с ускорением a. О величине силы инерции Q = -ma при известной массе m определяют ускорение:

a =   ;

Сила инерции Q_i может быть измерена различными методами. Наиболее простым является метод уравновешивания инерционной силы Q_i силой упругости пружины Q_n. Здесь инерционное тело массой с коэффициентом жесткости k и демпфером. При отсутствии линейных ускорений вдоль оси y (ось чувствительности) тело находится в нейтральном положении.

Под влиянием измеряемого  ускорения a действующего вдоль оси y тело будет перемещаться. При этом перемещение будет противодействовать эквивалентная сила упругости пружины. Если измеряемое ускорение постоянно, то условием равновесия будет равенство силы инерции пружины Q_n. Отсюда следует, что сила жесткости пружины будет равна Q_n = kb, где b – величина отклонения тела от нейтрального положения. Окончательно

a =

Ускорение прямо пропорционально  перемещению.

 

Преобразователь для измерения угловых линейных ускорений

Конструктивная схема  этого преобразователя имеет  следующий вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция 29.11.11

 

Поперечный прямой пьезоэфект возникает при действии силы Q_y вдоль механической оси Y или поперек электрической оси X. Здесь также как и в случае продольного пьезоэфекта заряды возникают на поверхностях перпендикулярных к электрической оси X. При изменении направления действия силы Q_y изменяется полярность заряженных поверхностей. Интенсивность поляризации П будет пропорциональна приложенному давлению P_y и записывается это так:

П = d*P_y = d, где S_y – это площадь на которую действует сила Q_y

Заряд q на каждой из плоскостей перпендикулярных электрической оси определяется q = П*S_x = d*Q_y , т.е. величина заряда зависит от размера кристалла. Соответствующим выбором отношения поверхностей, т.е. S_x/S_y можно регулировать чувствительность преобразователей. При измерении параметров вибрации используют явление изгиба и кручения биморфных преобразователей, представляющих собой укрепленные две пластины в соответствующих срезов и склеенные вместе. К свободному концу консоли приклеивают инерциальное тело, к которому прикладывают измеряемую силу. При приложении силы одна из пластин удлиняется, а другая укорачивается. Заряд биморфного преобразователя определяется вот таким соотношением:

q = ¾ d, где b и это ширина и толщина пластины

d -  пьезомдуль пьезодиэлектрика по соответствующему срезу

Поскольку заряды q с поверхностей пьезоэлемента снимаются с помощью металлических электродов, то пьезопреобразователь можно рассматривать как плоскопараллельный заряженный конденсатор. Собственная ёмкость C₀ которого определяется площадью элемента S толщиной  и диэлектрической постоянной

C₀ = ;

Напряжение снимаемое с пьезопреобразователя прямо пропорционально заряду и обратно прямо пропорциональна собственной емкости

U = q/C₀;

Чувствительность пьезопреобразователя равна K = = d(q/C₀)*(1/dQ_x)

Для повышения чувствительности используют пьезостолбики выполненные из нескольких пьезоэлементов и включенных параллельно. При таком включении положительные заряды собираются на одном общем проводе, а отрицательные на другом. Обычно отрицательный заряд поддаётся на управляющий элемент электрометрического прибора, имеющего большое входное сопротивление и малую входную ёмкость. Так как сопротивление очень велико, порядка десятка килоом. Следует иметь в виду, что при параллельном соединении пьзоэлементов увеличивается число поверхностей, с которых снимается заряд. Но одновременно увеличивается пьезостолбиков, что снижает чувствительность. Однако суммарный эффект приводит к увеличению чувствительности пьезостолбика, по сравнению, с отдельным пьезоэлементом. Эквивалентная схема пьезопреобразователя имеет вот такой вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь C₀ и C_вх – это собственная емкость и входная емкости пьезоэлемената. R₀ – сопротивление пьезоэлемента с учетом сопротивления изоляции относительно Земли. R_вх – входное сопротивление измерительной цепи. Заряды возникающие на поверхностях пьезоэлементов носят электростатический характер и стекают через сопротивление R = . Заряд определяется в соответствии с выражением: q = q₀e^-(t/T)

, где q₀ – это исходная величина заряда, t – текущее время, T = R(C₀ +C_вх) – постоянная времени.

Для расширения частотного диапазона пьезоэлемента в сторону более низких частот следует увеличивать постоянную времени цепи, что осуществляется в основном путем увеличения R. При выборе величины входного сопротивления измерительной цепи  исходят из возможностей уменьшения утечки тока. Если условие эксплуатации таковы, что избежать утечек тока трудно, то приходится уменьшать входное сопротивление до величины 10⁶ – 10⁷ Ом. Для обеспечения необходимой постоянной времени T приходится увеличивать C_вх (т.е. включать параллельно пьезоэлементу) дополнительные конденсаторы. Увеличение C_вх  уменьшает U_вых, поэтому приходится увеличивать коэффициент усиления! Величина R₀ зависит от удельного сопротивления пьзоэлектрика (для кварцевых пьезоэлекментов она составляет 10¹⁵-10¹⁶Ом) и поверхностного сопротивления диэлектрика. Поверхностное сопротивление можно повысить до 10⁹-10¹⁰ Ом. Если обеспечить надежную герметизацию диэлектрика.