Вимірювання неелектричних величин 19 Вимірювання механічних величин

Вид материала

Документы

Содержание U, скеровуються в однорідне магнітне поле електро­магніту 4 19.4. Особливості застосування цифрових приладів для вимірювання неелектричних величин

Подобный материал:

• Програма для загальноосвітніх навчальних закладів Фізика, 220.44kb.
• Програма для загальноосвітніх навчальних закладів Фізика, 220.77kb.
• Програма для загальноосвітніх навчальних закладів Фізика, 299.35kb.
• Державні будівельні норми україни система забезпечення точності геометричних параметрів, 766.46kb.
• Формат опису модуля, 17.97kb.
• Державне підприємство, 720.5kb.
• 1. Назва модуля, 92.33kb.
• 1. Назва модуля, 79.93kb.
• 2. Т84. Государственные поверочные схемы т 84 Измерения геометрических величин, 3468.15kb.
• Завдання теоретичного туру IІ етапу Всеукраїнської олімпіади з трудового навчання, 108.23kb.

19.3. Вимірювання хімічного складу і концентрації речовин

Часто аналіз хімічного складу речовин треба проводити в складних температурних умовах, при різних тисках і швидкості рідин або газів. Діапазон вимірювання кон­центрації дуже широкий. Наприклад, для усунення шкід­ливої дії деяких газів на здоров'я людей треба контролю­вати їх наявність приладами з межею вимірювання порядку 10^-4% об'ємної концентрації, а при виробництві хімічно чистих металів та напівпровідників треба вимірювати до­мішки, концентрація яких не перевищує 10~⁶—10~⁸%. Останнім часом особливого поширення набули прилади для контролю чистоти біологічного середовища землі, по­вітря і води.

Електрохімічні методи. Електрохімічні методи залежно від типу перетворювачів поділяють на кондуктометричні, потенціометричні, кулонометричні та поля­рографічні.

Кондукпгометричний метод грунтується на використанні резистивних електролітичних перетворювачів (п. 18.6). На рис. 210 зображено схему кондуктометричного концентратоміра для вимірювання концентрації проточної рідини.



Залежно від концентрації рідини змінюється опір резистивного перетворювача, а тим самим і показ автоматичного моста. Для зменшення температурної похибки паралельно плечу R2 вмикають терморезистор, який вміщують у сере­довище, концентрацію якого вимірюють.

Для аналізу агресивних розчинів використовують без­контактні концентратоміри (рис. 211). Виток труби В, по

якому протікає рідина, зв'язує осердя трансформаторів Трі і Тр2. При сталій напрузі живлення значення струму витка залежить від концентрації розчину. Оскільки виток є первинною обмоткою трансформатора Тр2, то струм у його вторинній обмотці, а значить, і показ міліамперметра зале­жать від концентрації розчину.

Потенціометричний метод грунтується на використанні гальванічних перетворювачів. Цей метод широко викорис­товують в рН-метрах і газоаналізаторах. На рис. 212 наве­дено схему газоаналізатора для вимірювання концентрації кисню від 0,001 до 0,1% об'єму. Анод 1 виготовляють із свинцевої стрічки, а катод 2 — із срібної сітки з фільтрую­чим папером і занурюють частково в електроліт.

При проходженні газу через перетворювач кисень ди­фундує по поверхні катода в електроліт. Починається елек­трохімічна реакція, що супроводжується появою е. р. с., значення якої пропорційне концентрації кисню. Початкова е. р. с. компенсується напругою мостової схеми. При зміні концентрації кисню змінюється різниця напруг, що подає­ться через підсилювач на реєструючий прилад.

Кулонометричний метод грунтується на однойменних перетворювачах і застосовується для вимірювання кон­центрації розчинів.

Полярографічний метод є одним з найчутливіших елек­трохімічних методів. Він дає змогу аналізувати багатоком­понентні суміші без їх попереднього розподілу. Аналіз здійснюється на основі полярограми —вольт-амперної ха­рактеристики електролізу розчину в спеціальному перетво­рювачі. Полярограма має вигляд ступінчастої кривої, кожний ступінь якої характеризує наявність іонів пев­ного виду.

Вимірювання концентрації з викорис­танням електронних та іонних пе­ретворювачі в. Вимірювання концентрації прила­дами з іонними та електронними перетворювачами зво­диться до вимірювання струмів іонізації молекул газу або пари.

Для аналізу багатокомпонентних сумішей застосовують мас-спектроскопи, які також грунтуються на іонізаційному методі досліджування (рис. 213). Досліджуваний газ про­ходить джерело іонів 1, закріплене на кінці вакуумної ка­мери 3. Під дією електронів, які випускаються катодом 2, молекули досліджуваного газу іонізуються і з допомогою фокусуючої системи 6, до якої прикладено прискорюючи

напругу U, скеровуються в однорідне магнітне поле електро­магніту 4, вектор індукції В якого напрямлений перпенди­кулярно до площини рисунка.

Під дією магнітного поля іони різних компонентів, що мають однакові додатні заряди е, але різну масу m_lt розді­ляються на окремі пучки залежно від мас і описують тра­єкторії з різними радіусами.

Зміною магнітної індукції В або напруги U окремі пучки іонів можна скерувати на колектор 5. Іонний струм, поси­лений підсилювачем 7, вимірюється реєструючим приладом 8. За значенням індукції або напруги можна знайти масу т_{, а кількість електрики, що відповідає певному пучку (площа піка на діаграмі), визначає відносну кількість даної речовини.

При аналізі твердих тіл їх випаровують у спеціальних тиглях.

Спектрометричні методи аналізу ре­човин. Спектрометричні методи аналізу речовин грунту­ються на вибірних здатностях речовин поглинати, випромі­нювати, відбивати, розпорошувати та заломлювати різного роду випромінювання. Залежно від довжини хвилі ці мето­ди поділяються на електроакустичні, ультразвукові та радіоспектрометричні.

Електроакустичний метод грунтується на залежності швидкості звуку від складу й концентрації речовин у дослі­джуваному середовищі.

Ультразвуковий метод грунтується на поглинанні або зміні швидкості поширення ультразвукових коливань у рі­динах і газах (наприклад, швидкість поширення ультра-• звуку у воді в чотири рази більша, ніж у повітрі). Прилади, побудовані на основі цих методів, складаються з акустич­ного або ультразвукового випромінювача і приймача-перетворювача з електричним вихідним сигналом.

Радіоспектрометричні —це методи ядерного магніт­ного та електронного парамагнітного резонансів (ЕПР). Поріг чутливості 0,1—0,0001% об'єму. Мінімальна кіль­кість твердого тіла не перевищує 10 ^-13 г, похибка вимірю­вань — (2—3)%.

Радіочастотні мас-спектрографи дозволяють безперервно аналізувати речовину і можуть бути використані для авто­матичного регулювання технологічних процесів.

Прилади з тепловими перетворю­вачами. Найширше застосування дістав метод аналізу хімічного складу газів, що грунтується на залежності теп-



лопровідності газової суміші від складу й концентрації складових. Його використовують для вимірювання концен­трації водню, вуглецю, гелію і вуглекислого газу, тепло­провідність яких значно відрізняється від теплопровідності інших газів. Вимірювальні схеми є мостові та компенса­ційні.

Мостову схему газоаналізатора зображено на рис. 214. Плечами моста є підігрівні терморезистори, з яких R2 і R4 розміщені в герметичних камерах, a Rl \ R3 —в камерах, через які проходить досліджувана газова суміш. Герме­тичні камери мають бути заповнені газовою сумішшю ком­понентів, концентрація яких вимірюється. Можна засто­совувати і компенсаційну схему (рис. 215), яка порівняно з мостовою має ряд переваг:

1) опори під'єднуючих проводів не впливають на резуль­тат вимірювань, тому можна використовувати низькоомні перетворювачі, виготовлені з товстого дроту, які мають значно вищі допустиму температуру перегріву і чутли­вість;

2) на результат вимірювань не впливає нестабільність опорів перетворювачів;

3) спостерігається менша дія зовнішніх впливаючих фак­торів (температури, зовнішніх електромагнітних полів тощо);

4) потрібна в два рази менша кількість перетворю­вачів.

Основна похибка газоаналізаторів, що базуються на теп­ловому методі, дорівнює ±1÷5%, інерційність — l÷5 хв. Чутливість схем при невисоких температурах підігріву можна підвищити, використовуючи напівпровідникові тер­мометри.

Для аналізу горючих газів (метану, окису вуглецю, етилену, парів бензину) застосовують термохімічний метод, що грунтується на вимірюванні підвищення температури і зміни опору перетворювачів за рахунок тепла, що виді­ляється при їх спалюванні (окисленні).

19.4. Особливості застосування цифрових приладів для вимірювання неелектричних величин

Різні фізичні величини характеризуються узагальненими ін­формативними ознаками, які свідчать про їх інтенсивність, харак­тер змін у часі та просторове розташування. Залежно від виду ознаки при аналого-цифровому перетворенні неелектричних вели­чин треба здійснювати певні операції над вихідними сигналами вимірювальних перетворювачів (дискретизацію в часі, кванту­вання за рівнем і кодування у вибраному цифровому коді).

При використанні просторових інформативних ознак, влас­тивих лінійним або кутовим переміщенням, здебільшого застосо­вують аналого-цифрове перетворення просторового кодування (розділ 9). Слід зазначити, що при цифрових вимірюваннях ліній­них та кутових переміщень переважно здійснюється пряме просто­рове перетворення вимірюваної величини засобами оптоелектро­ніки. При цьому можна повністю усунути вплив електромагнітних перешкод на канал оптичного зв'язку і дістати високу роздільну здатність.

Оскільки функції перетворення більшості вимірювальних перетворювачів нелінійні, то для забезпечення лінійної залежності показу приладу від вимірювальної величини треба здійснювати корекцію цієї нелінійності.

Відповідно до двох форм подання вимірювальної інформації (аналоговою та цифровою) існують аналогові й цифрові методи корекції нелінійності загальної функції перетворення.

В аналогових електровимірювальних приладах корекцію нелінійності здійснюють введенням в тракт перетворення додаткового аналогового функціонального перетворювача або використанням нелінійної шкали, яку встановлюють при градуюванні приладу.

Як в аналогових, так і в цифрових приладах вимірювання неелектричних величин корекцію похибки нелінійності можна здійснювати функціональним перетворенням вихідної величини вимірювального перетворювача Y (рис. 216) або зразкової (ком­пенсуючої) — Х_к. В першому випадку (рис. 216, а) функція пере­творення коригуючого перетворювача (КП) має бути оберненою до функції перетворення вимірювального перетворювача (ВП); при використанні схеми (рис. 216, б) нелінійні складові функцій перетворення ВП і КП мають бути однаковими і протилежними за знаками. У схеми з від'ємним зворотним зв'язком (рис. 216, в) функції перетворення зворотного (КП) і вимірювального пере­творювачів мають бути ідентичними. Застосування схем (рис. 216, а, в) обмежується тим, що похибки КП повністю входять в по­хибку перетворення сигналу X в сигнал Z. Крім цього, в схемі б треба використовувати як К.П додатковий ВП.



За схемами а і в реалізовані перетворювачі температури в уні­фікований сигнал типу ПТ-ТС, ПТ-ТП із зведеною похибкою пере­творення 0,5—1,5% залежно від їх типу. Одну з можливих реалі­зацій структурної схеми (рис. 216, б) для вимірювань температури подано на рис. 217.

Первинним вимірювальним перетворювачем є термоелектрич­ний термометр. Коригуючий перетворювач побудовано на основі мостової схеми, в одне з плечей якої ввімкнено терморезистор, що перебуває в однакових температурних умовах з ВП. Значення вихідної напруги £/_вих(0 = E(t) + U_Kn (t) і при однакових, але протилежних за знаком нелінійних складових залежностей E(t) і U_кп(t) дістанемо U_вих = kt (t — температура).

Вихідний сигнал схем (рис. 216, а, б, в) можна безпосередньо вимірювати аналоговим або цифровим приладом з лінійною харак­теристикою (переважно з прямим аналого-цифровим перетворен­ням).

У вторинних цифрових приладах із зважувальним аналого-цифровим перетворенням нелінійність коректують при квантуванні вихідного сигналу вимірювального перетворювача, порівнюючи його з нелінійними комбінаціями рівнів зразкового сигналу Х_к.

Проте побудова цифрових вимірювачів неелектричних вели­чин на базі зважувального перетворення не завжди виправдана, оскільки точність вимірювання обмежена нестабільністю й невідтворюваністю функцій перетворення вимірювальних перетворю­вачів. Тому слід застосовувати при побудові цифрових приладів час-імпульсне перетворення (в тому числі багатотактне), яке легше реалізувати порівняно з іншими аналого-цифровими перетворен­нями, що мають аналогічні метрологічні характеристики. Крім цього, метод час-імпульсного перетворення дозволяє реалізувати певні закони зміни зразкової величини Х_к в часі, що може бути достатньою умовою для забезпечення лінійної залежності між зна­ченням вимірюваної величини і часовим інтервалом. При цьому найбільш доцільно і перспективно використовувати час-імпульс­не перетворення двотактного інтегрування, оскільки переважна

більшість вимірювальних перетворювачів мають низькі рівні ви­хідних сигналів і працюють в умовах впливу електромагнітних перешкод.

Структурна схема цифрового приладу час-імпульсного пере­творення для вимірювання неелектричних величин, попередньо перетворених на напругу, практично не відрізняється від схеми цифрового вольтметра (рис. 106, о). Використовуючи вимірю­вальні перетворювачі з нелінійною функцією перетворення, за­мість ГЛН застосовують генератори, вихідна напруга яких змі­нюється в часі за законом, аналогічним функції перетворення ви­мірювального перетворювача.

Оскільки функції перетворення вимірювальних перетворюва­чів здебільшого описують степеневими поліномами другого або третього порядку, треба для корекції нелінійності будувати гене­ратори зразкової величини з вихідною напругою, що є такою ж поліномінальною функцією часу. Проте реалізація таких генера­торів є значно складнішою, ніж ГЛН.

Нагадаємо, що електронні ГЛН будують на основі перехідних процесів в активно-реактивних колах і вони є окремим випадком генераторів експоненціальної напруги. Тому раціонально номі­нальну функцію перетворення вимірювальних перетворювачів, що записана у вигляді степеневого полінома, апроксимувати ліній­ними або експоненціальними залежностями. В першому випадку розрахунок апроксимуючої функції виконується без ускладнень, проте не забезпечується потрібна точність (особливо при великих відхиленнях функції перетворення вимірювальних перетворюва­чів від лінійної), в другому — маємо суттєвий виграш за точністю при деякому ускладненні розрахунків.

Цифрові прилади час-імпульсного перетворення з двотактним інтегруванням для вимірювання неелектричних величин будують за структурною схемою, зображеною на рис. 107, а. Для цього використовують вимірювальний перетворювач з лінійною функ­цією перетворення і вихідним сигналом — напругою постійного струму. Якщо функція перетворення вимірювального перетво­рювача є нелінійна, то замість джерела сталої напруги Ug вмика­ють функціональний генератор, вихідна напруга якого змінюється в часі за законом, що визначається функцією перетворення вимі­рювального перетворювача. Корекцію нелінійності можна здійсню­вати також, розряджаючи в другому такті конденсатор інтегра­тора (табл. 11) за нелінійним законом, для чого паралельно йому вмикають розрядний резистор. Розрахунок параметрів другого такту інтегрування (рис. 107, б) спрощується, якщо записати функ­цію перетворення вимірювального перетворювача у вигляді експо­ненціальної залежності.

Розвиток інтегральної технології виготовлення цифрових (логічних) компонентів електронних пристроїв перетворення ви­мірювальної інформації зумовлює (з метою корекції нелінійності) все ширше використовувати цифрові функціональні перетворювачі (цифрова корекція). Нескладні функціональні залежності фор­мують з допомогою порівняно невеликої кількості лічильників і логічних схем.

Найпростішим прикладом цифрової корекції нелінійності може бути застосування в перетворювачах число-імпульсного кодування (зокрема, в АЦП послідовної лічби) додаткових логічних схем, що дають можливість збільшити або зменшити число, записане в лічильнику, при певних значеннях вхідної величини або відповідному йому числі імпульсів. Більш складні функції відтворюють у цифровому виді, використовуючи електронні циф­рові обчислювальні машини, мікропроцесори або функціональні перетворювачі кодів. Наявність цифрових запам'ятовуючих при­строїв великої місткості дозволяє звести до мінімуму похибку нелінійності, запам'ятовуючи необхідну кількість точок градуювальної характеристики.

Беручи до уваги переваги цифрової корекції, не слід забувати" недоліки й ускладнення, які виникають при її використанні. Зо­крема, в першу чергу до згаданих недоліків відносять складність реалізації цифрових функціональних перетворювачів із запам'я­товуючими пристроями, які можуть змінювати свою функціональну структуру залежно від вигляду функції перетворення В/7. Вико­ристовуючи різні вимірювальні перетворювачі кількох фізичних величин, треба застосовувати складні програмуючі пристрої.

Тому, будуючи цифрові прилади для вимірювання певної неелектричної величини з однотипними вимірювальними перетво­рювачами, доцільно використовувати цифрові методи корекції.

В універсальних автономних цифрових вимірювачах неелек­тричних величин та приладах, призначених для роботи в складі ІВС, найбільш раціонально використовувати гібридні методи зменшення похибки нелінійності, в яких поєднується як анало­гові, так і цифрові коректуючі пристрої.