Интегральный датчик измерения ускорения

Тело, двигаясь в пространстве, совершает 3 вращательных, 3 поступательных движения. Поступательное движение может происходить с разной скоростью, ускорением, перемещением, резкостью. Аналогично, вращательные движения могут происходить с угловой скоростью, перемещением, ускорением. Параметры движения- векторные величины, характеризуются модулем у углом. Линейные и угловые параметры связаны между собой прямо пропорциональной зависимостью l- линейное перемещение, (φ-угловое), ν-скорость (w -угловая),а, g-ускорение(η-угловое),ε-резкость (λ-угловая)

L=v*t±a*t²/2, φ= w*t ± η* t²/2 Все виды методов измерения параметров движения делятся на:

1. непосредственной оценки;

2. косвенные методы;

3. абсолютные инерциальные методы;

4. относительные.

	1-балка(проводник Al),2-опоры (на основе SiO2),3-наподвижные пластины.4-подвиж-ый электрод. На поверхности полупроводника при изготовлении	Ёмкостный датчик перемещения
1-верх-яя крышка датчика с металлизированной поверхностью; 2-подвижная балка из проводника;3-основание датчика с металлизированной поверхностью; 4–кремниевые пружины,5–окна, протравленные в кремние. В состав входит инерционная масса, движение которой отстает от движения корпуса. Назначение датчика заключается в детектировании перемещения этой массы относительно корпуса устройства и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Основной частью датчика является детектор перемещений, измеряющий микронные амплитуды колебаний или линейных ускорений. Метод является проверенным и надежным. Максимальное перемещение до 20мкм.

1 – поверхность;

2 – объект;

3 – упругая балка;

4 – инерциальная масса;

5 – датчик перемещения;

х – перемещение объекта;

y – перемещение инерциальной массы.

, Py – коэффициент демпфирования, ω – удельный противодействующий момент.

, η – относительная частота, , ω – частота воздействия (2),

ω₀ – частота собственных колебаний (4).

- если η >> 1 – воздействие на объект с частотой ω значительно превышающей частоту собственных колебаний Y= -Xm*sin(ωt)

- если η << 1 – воздействие на объект много меньше, чем частота колебаний: Y = 1/w₀²*Xm*sin(ωt).

34.

Расходомеры необходимы для управления производством с целью учета и контроля потребления воды, газа, кислот, щелочей и т.д. Для снижения себестоимости продукции и повышения качества. Эти расходомеры применяются в хим. промышленности, металлургии, энергетике и т.д.

Основные методы измерения расхода жидкости и газа:

- с подвижным элементом (крыльчатые, турбинные, шариковые, поршневые, кольцевые, лопастные, вибрационные и др.)

- без подвижного элемента (диафрагменные, вихревые; ультразвуковые, электромагнитные)

Крыльчатый

Расход - физическая величина, определяемая количеством жидкости и газа, проходящих через трубу или русло в единицу времени.

1 – корпус; 2 – фланцы; 3 – входной патрубок; 4-выходной патрубок; 5-крыльчатка; 6-ось; 7-магнитные вставки.

При подаче жидкости во входной фланец 2' крыльчатка начинает вращаться со скоростью равной скорости движения жидкости. С осью крыльчатки связан счетный механизм, регистрирующий кол-во оборотов крыльчатки. Объемный расход жидкости

Qv = Vx*S, Vx – скорость вращения, S – площадь условного проходного сечения.

Турбинный

Расход-фв, определяемая количеством жидкости и газа, проход-щих через трубу или русло в единицу времени.

1 – корпус (алюминий, пластмасса, с низкой магнитной проницаемостью)

2 – фланцы; 3 – турбина; 4 – ось турбины; 5 – подшипники; 6 – опора турбины; 7 – магнитные вставки;8- датчик холла

Поток жидкости вращает турбину, на кот-ом магнитные ставки, при вращении вставки вызывают U(t). число импульсов в единицу времене

и пропорционально скорости вращения турбины и и скорости движения жидкости. Объемный расход равен Qv=V*S. Применяется для измерения расхода чистых жидкостей. Твердые примеси ухудшают качество подшипника, увеличивают трение и погрешность измерения. Расходомер требует индивидуальной градуировки. ПГ около 0,3% -1,5%. Применяется для измерения расход переменных и импульсных потоков жидкостей.

Шариковый датчик

Расход-фв, определяемая количеством жидкости и газа, проход-щих через трубу или русло в единицу времени.

1 – корпус; 2 – винтовая направляющая вставка, с проточками для протекания жидкости. 3– шарик; 4– опора

Поток жидкости ч/з фланец в винтовой вставке создает закручивающиеся струи жидкости, которые вращают шарик, который содержит магнитные вставки, которые вызывают импульсы напряжения на выходе дат холла. Vвращ=Vдвиж жидк.

Дат менее чувствительны к наличию мех примесей в жидкости, менее подверж коррозии.

Перепада давления

Расход-фв, определяемая количеством жидкости и газа, проходящих через трубу или русло в единицу времени.

1 – корпус;2-подвижное вращающееся тело,3-магнитные вставки,4-датчик холла,5-вх патрубок, 6-вых патрубок.

При подачи жидкости, вращающиеся тело поднимается под действием давления. За счет спиралевидных канавок и движения жидкости по ним, подвижное тело начинает вращаться вокруг своей оси. Скорость вращения определяется давлением падающем в патрубке. При равенстве силы, обусловленной напором жидкости или газа и весом тела, дальнейший подъем прекращается, образуется постоянная разность давления в верхних и нижних патрубках.

«-» - используется только вертикально

«+» - отсутствие трения подвижного элемента поплавка о стенки корпуса, стоимость изготовления.

Объемный датчик расхода

1 корпус; 2-впускная камера датчика, 3-выпускная камера датчика, 4-поршень, 5-шток поршня, 6-счетчик, 7-клапан, 8-мерный цилиндр. При подаче жидкости в камеру 2 открываются клапаны 7^// и 7^/// и жидкость заполняет левую часть мерного цилиндра, вытесняя жидкость из правой части мерного цилиндра. Поршень движется вправо, дойдя до крайней правой ступени мерного цилиндра движения поршня реверсируется при этом закрываются 7^// и 7^/// ,7^/ и 7^////-открываются, с того момента жидкость из входного патрубка поступает ч/з 7^//// в выпускную камеру. За каждый ход поршня жидкость из впускной камеры перемещается в выпускную. Vжид=Vмерного цилиндра Qv=πd²*n/4, n – число ходов в час.

Используется в проливных установках.

«+» - мала ПГР, меньше 0,1%, малая чувствительность к вязкости жидкости и к примесям.

«-» - сложная конструкция, температурная чувствительность, стоимость высокая

35.

Расходомеры необходимы для управления производством с целью учета и контроля потребления воды, газа, кислот, щелочей и т.д. Для снижения себестоимости продукции и повышения качества. Эти расходомеры применяются в хим. промышленности, металлургии, энергетики и т.д.

Диафрагменный

1 – входной патрубок; 2 – выходной патрубок; 3 – шайба; 4 – диафрагма; 5 – отсчетное устройство; 6 – камеры.

при подачи жидкости во входной патрубок она проходит в выходной патрубок. Из-за наличия шайбы образуется разность давлений. Эта разность давления измеряется диафрагменным манометром (4,5,6). Давление в измерительных камерах (6' и 6'') вызывают деформацию диафрагмы и отклонение стрелки 5.

, n – коэффициент расхода, зависящий от условного сечения, dР – разность давлений.

«+» - большой срок службы (нет подвижных частей)

«-» - большая погрешность.

Вихревой датчик

1 –труба, 2-цилиндр, расположенный в трубе,3-датчик(термосопротивление),4-вихри, турбулентный поток, 5-ламинарный поток). При подаче жидкости ее поток представляет сбой ламинарный поток, встречая на пути преграду, в виде цилиндра, ламинарный поток превращается в турбулентный, с периодическим образованием вихрей

, частота образования зависит от скорости движения жидкости и диаметра препятствия. Вихри, соприкасаясь с термосопротивлением, периодически изменяют его сопротивление, за счет изменения его температуры, в результате преобразования изменений сопротивление в импульсное сопротивление и подсчета числа импульсов судят о скорости движения жидкости и тем самым о расходе жидкости: f=k*v/d

«+»- простота, долговечность; «-» - большая погрешность.

Электромагнитный датчик

1 – труба с жидкостью (непроводящий материал); 2 – электроды на трубе; 3 – поток жидкости (эл. поводящая # водя, эл.лит); B – магнитное поле.

Основаны на электромагнитной индукции Фарадея и Генри. Когда проводящая жидкость пересекает линии магнитного потока, в проводящем материале индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости ее движения, определяется по формуле Е=2aBv, a-радиус трубки. Плотность магнитного потока поддерживается постоянной и индуцируемое напряжение тоже является либо постоянным, либо слабо меняющимся сигналом. Недостатком метода является, поляризация электродов из-за протекания по их поверхности слабого однонаправленного тока. Низкочастотный шум.

Объемный расход определяют по формуле: Q=Eπd/4B, где B-вектор магнитной индукции, v-скорость потока.

Ультразвуковой расходомер

Ультразвуковые датчики реализуются на основе либо эффекта Доплера, либо определения изменений эффективной скорости ультразвука в среде. Эффективная скорость звука в подвижной среде равно скорости звука в этой среде плюс скорость среды относительно звука. Распространение звуковой волны против потока среды приведет к уменьшению эффективной скорости звука, а вдоль потока к увеличению. Разность между этими двумя эффективными скоростями звука равна удвоенной скорости потока среды.

ГУЗ – генератор ультразвуковой; М – модулятор; ГИ – генератор импульсов; 1-труба, 2^/,2^//-пьезопреобразователи (излучатели), 3^/,3^//-пьезопреобразователи (приемники),4^/,4^//-усилители, 5^/,5^//-детекторы (амплитудные детекторы), ИВИ- измеритель временных интервалов.

Генератор ГУЗ колебаний создает на своем выходе гармоническое напряжение (sin-й формы) в УЗ частоте (от 20кГц до 150 кГц). В модуляторе с помощью генератора преобразуется в радиоимпульсы. Эти колебания поступают на пьезоизлучатели, в них электрические колебания преобразуются в механические с той же частотой. Механические ультразвук колебания распространяются в потоке жидкости от преобразователя 2/ по направлению жидкости, 2//-против направления. Преобразователи имеют узкую диаграмму направленности. Ультразвуковые колебания воспринимаются приемниками, при этом время задержки с момента излучения до момента приема разное. Зависимость времени задержки Δt от Q: Δt=8*m*Q*ctgα/πd,Q – расход жидкости, m –коэффициент, зависит от вида жидкости, а – угол между направлением излучения и осью трубы, d – диаметр трубы, с – скорость распространения УЗВ (300м/с).

36. Методы и средства измерений времени, частоты, периода, и сдвига фаз.

Методы и СИ временных и частотных параметров электрических сигналов и колебаний применяются в спектрометрических методах измерения расстояния, в УЗ расходомерах. Большое значение имеет измерение в электроэнергетике cos угла сдвига фаз м/у напряжением и током в электрической сети. cos угла является очень важным параметром для оценки качества потребления электрической энергии.

37 Частота -важнейшая из характеристик периодического процесса, определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Диапазон используемых в технике частот: от долей герц до десятков гигагерц. Виды измерений: прямое- основано на применении электромеханических (от 20-2500 Гц),

электронных (от 10Гц до нескольких мегагерц)

цифровых частотомеров (0,01Гц до 17ГГц).

Мостовой метод измерения частоты- основан на использовании частотозависимых мостов переменного тока, например, емкостных мостов (20Гц-20кГц).

Косвенные измерения- основаны на использовании осциллографов: метод круговой развертки и фигурам Лиссажу (10Гц до 20МГц).

37/1 Электромеханический м-д

RCL образует колебательный контур, который имеет резонансный характер. Работа частотомера выбирается на скате АЧХ. Любое изменение частоты приводит к изменению сопротивления контура, следовательно, и к изменению тока в обмотках, Токи, протекающие через емкость и индуктивность, создают вращающие моменты, противоположного направления, которые уравновешивают друг друга при повороте подвижной катушки на определенный угол, который зависит от частоты протекания тока. Стрелка связана механически с подвижными катушками указывает на значение частоты частотомера.

37/3 Счетные методы

Метод является самым точным из всех, основан на сравнении частоты и периода, в единицу времени-секунду, измерение которой в наст момент является более точным. И практически се средства частоты и периода основаны на счет методах.

ФИ-формирователь импульсов, Кл-ключ, ГТИ-генератор тактовых интервалов, Сч-счетчик, ЦИ- цифровой индикатор. Принцип действия прибора основан на подсчете импульсов fx за интервал времени tин. Генератор тактовых интервалов открывает ключ на время tин (при помощи триггера). За это время импульсы с час-той fx, сформированные формирователем Ф, пройдут на вход счётчика в кол-ве N=tин*fx.

Пг: погрешность квантования, зависящая от Tx/tин; несинхронность начала момента формирования тактового интервала с моментом начала импульсов с ФИ, который приводит к появлению ПГ±1 младшего разряда счётчика. Для уменьшения этой погрешности увеличивают длительность временного интервала T или осуществляют синхронизацию начала временного интервала от входных импульсов.

Измерение разности фаз осциллографическим методом.

метод осциллограмм (сдвиг фаз)

период Т = 360⁰

Погрешность: толщина луча, операторская погрешность. Простота

измерение времени

ГЭЧ – генератор эталонной частоты.

Измерение частоты

Частота определяет одну из основных величин СИ, которая известна с наивысшей точностью. Измерение многих ФВ осуществляется путем их преобразования их в частоту. Данное преобразование осуществляется простыми устройствами (генераторами). Гос.эталон ГЭЧ – 1 – 1998. от 1 до 10¹⁴Гц,погрешность 5*10^-14

Выделяют следующие методы измерения частоты: эл.механическсий, резонансный, цифровой.

Цифровой частотомер

ФИ – формирователь импульсов (компаратор)

Кл – ключ (лог.схема #и-не)

ФВИ – формирователь временных интервалов (Т=0,01;0,1;1;10)

Счетчик

Регистр – для промежуточного хранения рез-тов измерения

ЦИ – цифровой индикатор.

Аналитические измерения

Задача аналитических измерений является измерение состава и концентрации веществ, при контроле технологических процессов в химической промышленности, в металлургии, в промышленности полупроводниковых материалов, медицине и т.д.

Аналитические измерения важны при измерениях параметров окружающей среды, безопасности труда, при этом объектами измерения являются химические материалы, вещества, находящиеся в различном агрегатном состоянии.

Диапазон измеряемых концентраций находится в пределах от 10^-18 до 100%

Различают методы измерения состава и концентрации веществ.

1) Селективные – строго определенное вещество,

2) Интегральные – группа веществ,

3) Много параметрические.

Измерение концентрации веществ и химических элементов производят в молях и др.

Моль равен количеству вещества, в составе которого содержится столько же структурных элементов, сколько атомов в изотопе углерода-12 массой 0,012 кг.

Электрохимические методы

Кулонометрический м-д.

1 – сосуд; 2 – исследуемая жидкость; 3 – стандартный электрод; 4 – ионселективный электрод, настроенный на выделение ионов определённого вещества.

А – стандартный электрод. (1 – корпус с ионпроницаемой нижней частью; 2 – серебряный электрод; 3-гель хлорида серебра).

Б – ионселективный элетрод (1 – корпус; 2 – внутренний сосуд; 3-ртуть; 4-ионпроницаемая пробка; 5 - пробка).

Принцип действия.

При помещении электродов 3 и 4 в исследуемый раствор, в результате разности степени проникновения ионов вещества в эти электроды, образуется разность потенциалов. Эта разность потенциалов усиливается усилителем и образует ток через измерительный механизм показывающего прибора. Этот ток, вызывающий отклонение стрелки прибора, пропорционален концентрации ионов того вещества на который настроен ионселективный электрод 4. Этот ток не зависит от концентрации ионов других веществ. Для их измерения необходимо поменять электрод 4.

Спектрометрический метод

Спектр – это разложение сигнала на простейшие составляющие.

Спектрометрические методы – это методы измерения и идентификации электромагнитного излучения, которое поглощается, рассеивается или генерируется атомами вещества. Все вещества и химические элементы в возбужденном состоянии излучают электромагнитные колебания, частота которых находится в широких пределах. Однако каждому химическому элементу или соединению соответствует своя, строго определённая частота излучения. Составлены каталоги спектров излучения, в которых содержатся спектры подавляющего большинство хим. веществ и соединений и соответствующие им частоты или длины волн.

При аналитических измерениях используются возбужденное состояние атома, в диапазоне от СВЧ до УВ частоты.

Особенности. Вещество при исследовании переводится в атомарное состояние. Это осуществляется, как правило, путем нагрева вещества в пламени горелки или СВЧ поле.

Атомноэмиссионный спектрометр.

1 – атомизатор (атоматор); 2 – диафрагма; 3-монохроматор;4-фотоэлемент;5-усилитель фототока; 6-отсчетное устройство измерительного прибора.

При проведении спектрометрического анализа в атомизатор 1 помещают исследуемое вещество, нагревают его и переводят в атомарное состояние. Температура в атомизаторе поддерживается неизменной, она стабилизируется. Излучение из ч/з щель в диафрагме 2 поступает на монохроматор, в котором оно разлагается на отдельные спектральные составляющие, которые воздействуя на фотоэлемент 4 вызывают в нем ток, значение которого пропорционально интенсивности излучения, поступающего на него в данный момент. Этот ток усиливается усилителем 5 и индицируется отсчетным устройством 6. в результате при синхронизации перемещения монохроматора 3 с устройством записи тока можно построить спектр излучения. Перед проведением измерения атомноэмиссионный спектрометр калибруют по стандартному образцу.

Ионизирующее излучение – это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов.

Радиоактивные излучения – отличаются тем, что не всегда образуются электрические заряды.

Виды излучений: α, β, γ, нейтронное, световое, гравитационное, электромагнитное.

Различают естественное (световое, космическое и т.д.) и искусственное излучение (рентгеновский аппарат, ускорители заряженных частиц).

Основные единицы, характеризующие радиоактивное излучение.

1)Активность нуклида – показывает скорость распада нейтральных атомов с данным числом протонов и нейтронов (кол-во распадов в единицу времени) измеряется в t =1 [Беккерель].

2) Плотность потока ионизирующих частиц – это плотность потока, равномерно распределенных частиц, который проходит площадь сечения 1м² за 1 сек.

3) Интенсивность излучения – показывает энергию, при которой на поверхности площадью 1м² падает 1 Вт мощности.

4) Энергия ионизирующего излучения (Дж).

Параметры, характеризующие поглощение излучения веществом:

1) поглощённая доза – отношение энергии на 1 кг массы вещества [Грей];

2) мощность поглощенной дозы – отношение поглощенной дозы ко времени [Грей/сек];

3) воздействие на биологические объекты – эквивалентная доза- это сумма произведений поглощенных доз (1) различных видов излучений на коэффициент влияния [Зиверт];

4) мощность эквивалентности дозы – отношение [Зиверт/сек].

Ионизационный метод

ИК - ионизационная камера.

1-корпус (верхняя часть выполнена из проводящего материала (кварц, стекло));

2-газ (нейтральный (аргон, ксенон));

3-электрод (проводящее покрытие);

4-метал. электрод.

При воздействии ионизирующего излучения на газ, газ ионизируется. Под действием разности потенциалов Е между электродами ИК начинается движение заряженных частиц и во внешней цепи возникает переменный электрический ток ~ кол-ву электрических зарядов, и следовательно интенсивности излучения. Этот ток, протекая по резистору, создает на нем падение напряжения, которое измеряется вольтметром. При постоянной интенсивности этот ток мало зависит от напряжения.

ВАХ ИК

1-при увеличении напряжения прямо пропорционально увеличивается ток, т.к. при этом не все электрические заряды достигают электродов камеры. При увеличении напряжения их кол-во растет.

2-значение тока пропорционально интенсивности излучения. Все заряженные частицы, возникающие при излучении, достигают электродов, поэтому ток не зависит от напряжения (рабочий участок).

3-происходит вторичная ионизация газа, которая возникает при движении заряженных частиц (электронов и ионов). Электроны, ускоряясь, двигаются к аноду 4 и ионизируют атомы газа, выбивая из них вторичные электроны, которые в свою очередь снова ускоряются и вновь ионизируют атомы газа. Число электронов возрастает.

4-возникает несамостоятельный разряд в газе, именно за счет усиливающейся вторичной ионизации.

5-возникает разряд в газе, который может поддерживаться без внешнего ионизирующего воздействия.

При положении ключа 2, емкость заряжается постоянным током пропорциональным интенсивности и напряжение на емкости увеличивается по линейному закону, прямо пропорционально времени.

, U cо – начальное напряжение на емкости.

С помощью данного прибора можно измерять плотность потока и мощность поглощенной дозы.

Дата добавления: 2014-01-03