страница - 25
Широко используемая группа приборов времени программно-временные задатчики, то есть приборы на базе часов, воспроизводящие требуемую временную программу управления. Программно-временные задатчики включают хронизаторы (тактовые генераторы, синхронизаторы, задатчики меток времени и т.д.), временные приводы (задатчики равномерного движения, часового угла и т.д.), реле времени (таймеры, устройства задержки и др.), программные реле времени (программаторы, программные часы и др.), временные коман-доаппараты (задатчики аналоговых программ, программно-временные контроллеры и др.). Их применяют для управления типовыми технологическими процессами, промышленным оборудованием, научными приборами, навигационной аппаратурой и т.д.
Автоматическая система временного программного управления состоит из объекта управления и системы, управляющей объектом по требуемой временной программе. Эта система содержит задатчик временной программы управления в виде программного сигнала для обеспечения требуемой программы поведения объекта управления, например обеспечения требуемого закона изменения обобщенных координат объекта управления.
Наиболее сложные и мощные по функциональным возможностям комплексные средства измерения времени - хронометрические системы (ХС). ХС - совокупность мер времени, хронометрических приборов и преобразователей и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. ХС предназначены для выработки хронометрической информации, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. Хронометрическая информация - многообразие сведений о количественных характеристиках моментов и интервалов времени. Классификация хронометрических систем представлена на рис. 1.8.6.
По характеру выполняемых функций различают информационно-распределительное (ИР) и информационно-измерительные (ИИ) ХС. ИР ХС - системы распределения хронометрической информации с целью обеспечения ее единства и унификации на обслуживаемых объектах. Наиболее распространенный тип ИР ХС - системы единого времени.
ИИ ХС - системы получения, сбора и обработки хронометрической информации с целью нахождения количественных временных характеристик объектов измерения. Информация систематизируется, анализируется и представляется на табло и других средствах в виде таблиц, графиков и т.д.
Комплексные системы представляют собой комбинацию ИР ХС и ИИ ХС. Назначе-
ние комплексных ХС определяется ИИ ХС, а единство измерений обеспечивается ИР ХС.
Точность приборов измерения времени характеризуется тремя параметрами:
1)установка - отклонение фактической индикации от времени ИТС;
2)ход - постоянное во времени отклонение частоты колебаний осциллятора от номинального значения (единица измерения -с/сут);
3)вариация хода - изменение частоты собственных колебаний осциллятора во времени под влиянием факторов окружающей среды (положение в пространстве, температура, вибрации и пр.) или внутренних изменений (износ, разрядка источников питания, питание пьезоэлемента и пр.) (Единица измерения -с/сут2).
Для различных типов приборов вариации хода приведены в табл. 1.8.1.
1.8.1. Вариации хода
Тип осциллятора | Величина погрешности, с/сут2 |
Камертон | 10"5 |
Кварцевый | Ю-5 10-Ю |
пьезоэлемент | |
Цезий, рубидий | 10-Ю . ю-11 |
Водород, аммиак | ю12 |
Глава 1.9 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 1.9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Температура - физическая величина, определяемая как параметр состояния термодинамического равновесия макроскопических систем. В соответствии со вторым началом термодинамики температура определяется как производная от энергии тела по его энтропии. Термодинамическая/ температура всегда положительна и измеряется с помощью термодинамической шкалы (ТШ), единицей которой служит Кельвин (К).
С общепринятой шкалой Цельсия ТШ связана соотношением
t = Т - 273,15 К,
где Т - термодинамическая температура. Единица температурного интервала - Кельвин с высокой точностью совпадает с градусом Цельсия (° С).
Температура - величина экстенсивная, то есть измеряемая косвенным образом за счет преобразования ее в какую-либо интенсивную
(непосредственно измеряемую) величину, например электрический ток, давление газа, тепловое расширение тел и т. д. на основе использования соответствующих термометрических свойств тел.
При построении практических температурных шкал, то есть конкретных зависимостей между температурой и реальным термометрическим свойством, приписывают значения температур t\ и t2 двум фиксированным точкам Х\ и х2> соответствующим основному интервалу шкалы. Если принять t\ = О, то уравнение шкалы, при линейной зависимости х — x(t) имеет вид
t = t2(x- XX) I (X2 - Xfj),
где х - текущие значения температуры и термометрического свойства.
Таким образом построенные шкалы, в отличие от термодинамической, зависят от термометрических свойств тел, но легче реализуются на практике.
Международная практическая температурная шкала (МПТШ), совпадает с термодинамической в нескольких реперных точках (точки фазовых переходов чистых веществ, например, плавления золота, тройной точки воды и т. д.), а в других точках приближается к ней в пределах точности измерений, воспроизводимости приборов и методов вычисления градуировочной кривой. Единица измерения в МПТШ - Кельвин.
В свою очередь термодинамическая шкала реализуется с помощью газовых термометров, основанных на законах идеального газа, законах теплового излучения, термонгумовых и магнитных термометров (последние применяют в криогенной области).
Единство температурных измерений обеспечивается Государственным эталоном температуры (Кельвин) в диапазоне 1,5 - 2800 К. Путем сравнения с эталоном значения температур передаются образцовым приборам. По образцовым приборам калибруются рабочие термометры.
Для сверхвысоких температур в качестве образцовых иногда используют плазменные источники (например, капилляры из диэлектрика в СВЧ-полях), реализующие температуру до Ю5 К.
Для Т > 105 К (ядерные реакции, лазерное излучение) образцовые источники находятся в стадии разработки.
Температуру разреженных газов (и вакуума) оценивают мощностью пронизывающих
их излучений, эквивалентной мощностью абсолютно черного тела (АЧТ) или идеального излучателя при соответствующей температуре.
1.9.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Методы принято делить на две большие группы - контактные и бесконтактные, которые, в свою очередь, подразделяются по физическим эффектам, положенным в основу принципа их действия.
1.9.2.1. КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ
Термометры расширения. К этой группе приборов относятся широко распространенные жидкостные (ртутные, спиртовые и др.) термометры, а также биметаллические и дилатометрические термометры.
Действие жидкостных термометров основано на измерении объема жидкости при нагреве и охлаждении. Они состоят из наполненного термометрической жидкостью стеклянного резервуара, соединенного с капиллярной трубкой, свободный конец которой запаян. Резервуар, капилляр и скрепленная с ними шкала заключены в корпус (обычно стеклянный). Диапазон измерения* от -80°С до +21°С спиртовых и от -35°С до +760°С для ртутных термометров. Верхний предел ограничен температурой размягчения стекла, равной 780°С. Постоянная времени составляет 1 + 10 с.
Изготовляют также "палочные" жидкостные термометры с толстостенными капиллярами, на внешней поверхности которых непосредственно нанесена шкала. Длина термометра до 600 мм. Форма корпуса прямая или изогнутая. Цена деления шкалы обычно 0,1°С, основная погрешность ±0,2°С (в диапазоне до + 100°С) и до ±5°С (в области до 750°С). Шкала жидкостных TP - линейная. Для уменьшения погрешностей капилляры изготовляют из стекол с малым коэффициентом объемного термического расширения.
Жидкостные термометры расширения применяют для измерения температур в непосредственной близости от объекта. "Область их применения - термометрия газов и жидкостей, расплавов и т. п., медицина. Выпускаются жидкостные TP различных конструкций, в том числе с запоминанием минимальной и максимальной температур, контактные для регулирования технических процессов и т. д.
Градуировка и проверка термометров расширения всех типов производится с помощью термостатов.
Дилатометрические термометры (ДЛТ) основаны на относительном удлинении при нагреве (охлаждении) двух тел (обычно металлических) с различными температурными ко-
эффициентами линейного расширения (ТКЛР). ДЛТ бывают стержневого и пластинчатого типов. Стержневые ДЛТ представляют собой металлическую трубку с закрытым дном, в которую вставлен стержень из материала с малым КЛР (кварц, фарфор). КЛР стержня значительно меньше КЛР трубки, поэтому при ее нагреве стержень перемещается и приводит в движение измерительный орган прибора (стрелка и т.п. указатель).
ДЛТ для пластинчатого типа состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок с различными КЛР. Изменение степени изгиба пластинки при нагреве (охлаждении) передается (обычно механически) указателю прибора.
Зависимость длины металлических тел в ДЛТ от температуры имеет вид
/, = /0 (1 + РО,
где /о - длина тела при t — 0°С, Р - ТКЛР, т.е. шкала ДЛТ линейки.
Основная область применения ДЛТ -датчики в системах автоматического регулирования, сигнализации и т.д. Диапазон рабочих температур от -30 до +Ю00°С. Погрешность порядка 1 + 3 %. ДЛТ особенно часто применяют для контроля температур газов и жидкостей, особенно в тяжелых условиях (в стволах скважин и т.д.).
В деформационных термометрах (ДТ) чувствительным элементом служит биметаллическая пластинка, выполненная, например, из инвара и стали. Если один конец пластинки закрепить, то перемещение Дх свободного конца при нагреве на величину At будет
Ах =-AAt,
где А - коэффициент пропорциональности.
Таким образом, шкала этих приборов -равномерная.
Биметаллические термометры используются в термографах для записи временного хода температуры, ряде других приборов для автоматической регистрации температуры, регулирования производственных процессов и т.д. Диапазон измерения обычно от -35°С до +45°С для пары инвар - сталь. Отличительная особенность ДТ - стабильность показаний. Погрешность измерений порядка 0,5°С.
Пироскопы (конусы Зеггера) - разновидность термометров расширения, принцип действия которых основан на изменении формы конусов из специальных материалов (обычно керамики) при достижении температуры размягчения (плавления). Применяется в стекольной, керамической, некоторых других областях индустрии в качестве термочувствительных индикаторов. Температурный диапа-
зон +600 + 2000°С (в зависимости от типа материала), чувствительность порядка 1 + 3°С.
Манометрическая термометрия. Принцип действия манометрических термометров (МТ) основан на зависимости давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутой системе постоянного объема от температуры. Эти приборы могут быть показывающими или регистрирующими. МТ состоят из термобаллона, трубчатой пружины и соединительной капиллярной трубки, выполняемой обычно из металла и имеющей длину до 60 м.
Эти приборы особенно эффективны при контроле температуры в сложных условиях, в агрессивных средах, взрывоопасных помещениях. При повышении давления в термочувствительном элементе трубчатая пружина приводит во вращение связанный с ней указатель.
Жидкостные МТ на основе ксилола, ртути, спирта имеют диапазон измерения от -60 до +300°С, их шкала - равномерная, класс точности 1 + 1,5. Газовые МТ (азотные, гелиевые) работают в диапазоне -100 + +600°С. Их шкала также равномерная, так как изменение давления в термосистеме пропорционально изменению температур и описывается уравнением
Р\-Р2 = <*P\(h - h),
где р\, p2, t\ и ti - начальные и конечные давления и температуры газа; а - температурный коэффициент объемного расширения газа, а •= 0,00366 К 1 = 1/273 К-1.
В конденсационных (парогазовых) МТ термодатчик частично заполнен низко кипящей жидкостью (ацетон, фреон, хлористый метил). Пары жидкости, давление которых изменяется с температурой, вызывают перемещение индикатора прибора. Область измеряемых температур от -180°С до +300°С. Их отличительная особенность - неравномерная шкала.
Инерционность МТ порядка 5 - 15 с.
Разновидностью МТ являются адсорбционные датчики, основанные на способности некоторых веществ концентрировать на своей поверхности другие вещества, например жидкости или газы. Интенсивность этого процесса зависит от температуры, что и позволяет использовать его в термометрии.
Термометрия на основе датчиков температуры с твердым наполнителем. Принцип действия этих датчиков, представляющих собой капсулы, заполненные твердым кристаллическим веществом, основан на изменении объема наполнителя при изменении агрегатного состояния (плавлении, кристаллизации) при нагреве или охлаждении. Используя смесь различных веществ, можно добиться определенного диапазона температур плавления, то
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]