Карцев Е. А., Коротков В. П.
Унифицированные струнные измерительные преобразователи
Библиотека приборостроителя
МОСКВА
МАШИНОСТРОЕНИЕ
1982
Рецензент д-р техн. наук проф. Ю. В. Милосердин
Карцев Е. А., Короткое В. П. Унифицированные струнные измерительные преобразователи. — М.: Машиностроение. 1982. -144 с. Библиотека приборостроителя.
В книге рассмотрен комплекс унифицированных по принципу действия, конструкции и виду выходного сигнала струнных измерительных преобразователей ряда физических величин (давления, температуры, усилия, перемещения, ускорения, расхода, перепада давлений и др.) в частоту. Комплекс разработан для использования как в АСУТП, так и в обычных информационно-измерительных устройствах и системах.
Изложены принцип действия, вопросы анализа погрешностей, методы инженерного расчета основных параметров преобразователей.
Книга предназначена для инженеров и техников, занимающихся разработкой средств измерения и вопросами их применения в информационно-измерительных системах.
Редактор Л. К. Тучкова
Художественный редактор С. С. Водчиц
Технический редактор Е. П. Смирнова
Корректор Л. Л. Георгиевская
Обложка художника В. И. Столярова
© «Издательство «Машиностроение», 1982 г.
Содержание книги
Унифицированные струнные измерительные преобразователи
Предисловие
Введение
ГЛАВА I. Принцип действия струнных измерительных преобразователей
1. Сущность и теоретические основы струнного метода измерений
2. Однострунные измерительные преобразователи, их функция преобразования и погрешность от нелинейности
3. Дифференциальные струнные измерительные преобразователи
4. Методы линеаризации функций преобразования однострунных и дифференциальных струнных преобразователей
ГЛАВА II. Расчет основных конструктивных параметров унифицированных струнных измерительных преобразователей
1. Основные принципы, положенные в основу разработки методики расчета
2. Выбор основных конструктивных параметров струнного унифицированного резонатора
3. Методика расчета основных параметров струнных измерительных преобразователей давлений
4 Струнные преобразователи усилий и массы вещества
5. Струнные преобразователи линейных и угловых перемещений
6. Струнные преобразователи температуры и измерительные устройства на их базе
7. Струнные преобразователи для измерения параметров газообразных сред
ГЛАВА III. Конструкции унифицированных струнных измерительных преобразователей и их метрологические характеристики
1. Основные соображения, положенные в основу унификации конструкций струнных измерительных преобразователей
2. Струнные преобразователи давлений и разрежений
3. Преобразователи разности давлений и абсолютного давления
4. Струнные преобразователи усилий и масс вещества
5. Преобразователи линейных и угловых перемещений
6. Преобразователи температуры и измерительные устройства, выполненные на их базе
7. Струнные преобразователи степени разрежения газообразных сред
8. Струнные преобразователи скорости и расхода газообразных сред
Список литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современный этап развития промышного производства характерен широким внедрением автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Как правило, такие системы реализуются на базе специализированных или универсальных ЭВМ. Для контроля и регулирования параметров технологического процесса кроме ЭВМ необходимо располагать системой информационного обеспечения АСУТП. Одним из важнейших звеньев такой системы являются измерительные преобразователи различных физических величин (температуры, давления, расхода, перемещения и др.) в электрический сигнал.
Подавляющее большинство измерительных преобразователей различных физических величин имеют выходной сигнал в форме тока или напряжения, промодулированных по амплитуде. Сравнительно низкая помехоустойчивость таких сигналов и необходимость применения промежуточных преобразователей типа аналог—код для ввода сигнала в ЭВМ существенно снижает эксплуатационные и метрологические характеристики этой группы преобразователей.
Кроме того, многообразие номенклатуры измерительных преобразователей, различных по принципу действия, конструкции и виду выходного сигнала, приводит к необходимости применения большого числа сопутствующих вторичных преобразователей. Резко возрастают затраты на эксплуатацию, ремонт и поверку средств метрологического обеспечения АСУТП.
В связи с изложенным выше в настоящее время назрела острая необходимость в унификации измерительных преобразователей. Одним из перспективных направлений унификации является создание системы унифицированных измерительных преобразователей различных физических величин в частоту. Это обусловлено тем, что погрешность -воспроизведения эталона частоты лежит на уровне (5-8) 10 в минус 13 степени, и на современном уровне развития науки и техники частота является одной из наиболее точно измеряемых физических величин. Стандартные цифровые электронно-счетные частотомеры позволяют в обычных условиях производить измерение частоты с погрешностью не более 10 минус 8 — 10 минус 9. Кроме того, высокая помехоустойчивость и помехозащищенность частотопередающих трактов позволяет организовать дистанционные системы измерения и контроля, надежно работающие в промышленных условиях. Частотный выходной сигнал может быть преобразован в код практически без потери точности.
Из всего многообразия частотных измерительных преобразователей одними из перспективных являются струнные измерительные преобразователи.
Струнный преобразователь представляет собой высокодобротную механическую колебательную систему с линейно распределенными параметрами. Частота собственных поперечных колебаний струны обусловлена силой ее продольного натяжения. Преобразуя любую измеряемую физическую величину в изменение силы продольного натяжения струны, можно получить изменение частоты колебаний струны, являющееся мерой измеряемой величины. Для получения непрерывного выходного сигнала обычно реализуется струнный автогенератор, в котором струна является частотозадающим элементом.
На кафедре «Метрология электронной техники» Московского института электронного машиностроения в течение ряда лет ведутся работы по созданию унифицированных по принципу действия, конструкции и виду выходного сигнала струнных измерительных преобразователей перемещений, давления, усилий, температуры, расхода в частоту.
В книге рассмотрен комплекс унифицированных струнных измерительных преобразователей ряда физических величин в частоту, разработанный для использования как в АСУТП, так и в обычных информационно-измерительных устройствах и системах.
Рассмотрены принцип действия, вопросы анализа погрешностей, методы инженерного расчета основных параметров преобразователей. Приводятся описания конкретных конструкций струнных преобразователей, результаты исследования их метрологических характеристик и возможные области практического применения преобразователей.
Материал книги в значительной части оригинален и базируется на исследованиях и разработках, проведенных авторами.
Глава первая написана В. П. Коротковым, глава вторая — Е. А. Карцевым, введение, глава третья — Е. А. Карцевым и В. П. Коротковым совместно.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в практику технических измерений все более широко внедряются измерительные преобразователи различных физических величин в частоту. Разработчики информационно-измерительных систем (ИИС) и АСУТП предпочитают использовать измерительные преобразователи с частотным выходным сигналом вместо традиционных преобразователей с амплитудно-модулированным выходным сигналом в виде напряжения или тока.
Это обстоятельство не является данью моде в технике, а обусловлено рядом существенных преимуществ частотных преобразователей (датчиков), сущность которых излагается ниже.
1. Точность воспроизведения эталона частоты является самой высокой среди всех эталонов известных физических величин.
Соответственно погрешность измерения в обычных цеховых и лабораторных условиях стандартными типами широко распространенных электронно-счетных частотомеров с цифровым отсчетом лежит в определенных пределах. Выходная информация частотных измерительных преобразователей без каких-либо затруднений может быть измерена именно с такой погрешностью.
В связи с этим вполне объяснимо стремление разработчиков новых средств измерения преобразовать измеряемую физическую величину в соответствующее значение частоты электрического сигнала, который может быть измерен значительно точнее (на 4—б порядков), чем любой амплитудно-модулированный сигнал.
2. Построение информационно-измерительных систем с использованием измерительных преобразователей с частотно-модулированным сигналом дает возможность исключить из состава системы аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для связи источников информации с ЭВМ в этом случае используется преобразователь типа частота—код, осуществляющий преобразования практически с любой заданной точностью.
При использовании в информационно-измерительных системах и АСУТП измерительных преобразователей с амплитудно-модулированным выходным сигналом для связи с ЭВМ необходимо применение АЦП. В этом случае общая погрешность измерения возрастает, поскольку в результаты измерений будут входить погрешности АЦП.
Наиболее распространенные типы АЦП, выпускаемых отечественной промышленностью, и их основные технические характеристики приведены в работе [21]. При диапазоне преобразования ±1 В класс точности различных типов АЦП лежит в пределах 0,05—0,5.
Из изложенного следует, что применение АЦП снижает точность получаемой информации о значениях измеряемых физических величин столь существенно, что практическое использование таких систем измерения и обработки информации в ряде случаев становится малоэффективным.
3. Преобразователь типа частота—код является универсальным и в сочетании с коммутаторами может обслуживать значительное число измерительных преобразователей различных физических величин в частоту. При этом изменение сопротивлений линий связи, переходных сопротивлений коммутатора, воздействие паразитных термо-ЭДС не будут вызывать дополнительных погрешностей измерения.
К коммутаторам амплитудно-модулированных сигналов малого уровня предъявляются весьма жесткие требования в отношении стабильности переходных сопротивлений, величин паразитных термо-ЭДС и уровня взаимного влияния коммутируемых каналов.
4. При использовании частотно-модулированного сигнала существенно упрощаются требования к линиям связи в отношении стабильности сопротивления, величин паразитных ЭДС и помехозащищенности.
5. Помехоустойчивость частотно-модулированного сигнала значительно выше помехоустойчивости амплитудно-модулированного сигнала, что в ряде случаев имеет весьма существенное значение при реализации ИИС метрологического обеспечения АСУТП.
На участке от выхода измерительного преобразователя до входа усилителя измерительная информация передается самым малым потоком энергии. Возникающие на этом участке потери информации являются необратимыми и никаким образом не могут быть восстановлены. При этом погрешности, возникающие, например, при использовании реостатных, индуктивных, тензорезистивных и пьезоэлектрических амплитудных преобразователей, равные соответственно 0,02; 0,1; 1,0 и 10 %, располагаются точно в такой же последовательности, как и мощности выходных сигналов преобразователей (10~2; 10~3; 10~5 и 10~7 Вт) [25].
При этом чем выше добротность используемого резонатора, тем больше его колебательная мощность и выше стабильность выходной частоты.
Из приведенного краткого анализа преимуществ измерительных преобразователей различных физических величин в частоту следует, что их разработка и внедрение в ИИС и АСУТП являются весьма целесообразными и могут дать значительный технический и экономический эффект.
Скачать книгу "Унифицированные струнные измерительные преобразователи". Москва, издательство Машиностроение, 1982
|
