Приборы для измерения неэлектрических величин

 

 

         Министерство образования и науки  Украины

Севастопольский национальный технический университете

 

 

 

 

Кафедра СПЭМС

 

 

 

                 РЕФЕРАТ

              на тему: «Приборы для измерения  неэлектрических величин»

 

 

 

                                                                                 

 

 

 

 

      

Выполнили:

 

 

                                                                                          Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

                                   

 

 

 

 

 

 

                                                       2005

 

                                         СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение ………………………………………………………………………… 3

1. Приборы для измерения длины …………………………………………….   4
2. Приборы для измерения массы ……………………………………………..   5
3. Приборы для измерения температуры ……………………………………..   7
1. Механические контактные термометры ………………………………..   8
1. Принцип работы и конструкция механических контактных

термометров ………………………………………………………...........   11

2. Электрические контактные термометры ……………………………….   12
1. Принцип работы и конструкция электрических контактных

термометров ……………………………………………………………...   13

3. Средства для измерения температуры по излучению ………………....  14
4. Вторичные приборы для измерения температуры …………………….   14
4. Приборы для измерения теплоемкости …………………………………….  16
5. Приборы для измерения интенсивности излучения ………………………  17
6. Приборы для измерения давления …………………………………………   19
7. Приборы для измерения влажности ……………………………………….   21

Заключение ……………………………………………………………………..   24

Библиографический список …………………………………………………...   25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            ВВЕДЕНИЕ

 

Перспективное планирование развития экономики в последние годы тесно связано с все ускоряющимся повышением требований к качеству.

Контроль многочисленных параметров качества являются в первую очередь задачей измерительной техники. Высокое качество продукции может быть достигнуто только там, где измерительная техника составляет неотъемлемую часть процесса производства.

Измерительная техника служит основой современных методов испытаний и контроля качества продукции. Кроме того, испытания и контроль качества являются основной целью и наиболее широкой областью применения изме-рительной техники.

Измерительный прибор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования измерительной информации в форму, доступную для непосредственного восприятия наблюдателем.

Аналоговый измерительный прибор характеризуется тем, что информативный параметр входного сигнала (измеряемая величина) преобразуется в информатив-

ный параметр выходного сигнала (измеренное значение), при этом информатив-ный параметр выходного сигнала в зависимости от значения измеряемой величины может принимать любое значение в пределах заданных границ.

Механические измерительные приборы обычно характеризуются довольно простым конструктивным исполнением и надежным функционированием. Поскольку все измерительные преобразователи и усиливающие блоки имеют некоторую массу, они оказывают обратное воздействие на объект измерения  и часто вызывают довольно значительные искажения результатов при проведении динамических измерений. Этот недостаток частично может быть исключен путем перехода к оптическим сигналам, поэтому в настоящее время при проведении точных линейных измерений широкое применение находят оптико-механические системы.

Электрические аналоговые приборы характеризуются высоким временным разрешением, простой реализуемостью математических операций, большим усилением и использованием в ряде случаев бесконтактных первичных измерительных преобразователей. Но довольно часто электрические измеритель-

ные приборы оказываются более дорогими по сравнению с механическими.

 

 

 

 

 

                         1. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ

 

   Основная мера длины - метр. Впервые эта величина появилась после Великой Французской революции. Французские ученые приняли за метр длину, равную одной сорокамиллионной части меридиана Земли, проходящей через Париж. Несколько лет географы и физики скрупулезно занимались измерением этой части меридиана, и, в конце концов, появился архивный метр - линейка, изготовленная из сплава платины и иридия. Однако вскоре оказалось, что архивный метр на самом деле короче сорокамиллионной доли меридиана. Кроме того, копии метра изменились со временем из-за перекристаллизации сплава.

Тогда на помощь пришел другой способ. Ученые открыли, что длина волн света, излучаемого атомами некоторых элементов, гораздо стабильнее, чем длина металлического эталона метра. С помощью специальных приборов можно измерить длину эталона, сравнивая его с длиной световой волны. Особенно пригодным для этой цели оказалась длина волны оранжевой линии спектра, испускаемая инертным газом криптоном-86 при пропускании через него электрического тока. Она наиболее постоянна и легко измерима. Длина этой волны принята за естественный эталон длины – метр. Метр теперь определяется так: метр есть длина, равная 1 650 763,73 длины волны оранжевого излучения криптона-86.

Самый простой прибор для измерения длины - это линейка. Линейка представляет собой деревянную, металлическую или пластиковую полоску, на которой нанесены деления (обычно миллиметры).

Рулетка. Рулетка-эта же линейка, но выполненная в виде гибкой ленты из тонкого металла или ткани. Они обычно сматываются в один моток и для удобства помещаются в специальный корпус. Кроме большей длины, у рулеток есть еще одно достоинство, обусловленное гибкостью.

Штангенциркуль. Штангенциркуль представляет собой линейку с миллиметровыми делениями (основная шкала) и перемещающуюся по ней подвижную рамку. На левом конце основной шкалы имеются выступы, которые называются неподвижной губкой, а выступы у рамки называются подвижной губкой. Между губками зажимают измеряемый предмет. Сначала по штрихам основной шкалы отсчитывают целое число миллиметров (обозначим l1). Затем по штрихам рамки (нониусу) определяют длину более точно, для чего считаем какой по счету штрих нониуса совпал со штрихом на основной шкале, и добавляем к l1 номер штриха, умноженный на число, указанное на штангенциркуле. Штангенциркуль позволяет измерять длину с точностью до 0,01 мм.

Кроме того, длинна может быть измерена с помощью световой волны. Для подобных измерений применяется прибор, который называется интерференционным компаратором. Интерференционный компаратор представляет собой следующее: на массивной оптической скамье устанавливают два зеркала, одно из которых может перемещаться при помощи винта. Плоскость перемещаемого зеркала точно совмещают с плоскостью неподвижного. На оба зеркала направляют по узкому лучу света от криптоновой лампы, отраженные от зеркал лучи сводят в одну точку и наблюдают за ее освещенностью. Когда плоскости обоих зеркал совмещены точно, разность хода между отраженными лучами равна нулю, а в точке мы увидим светлое пятно. Стоит сдвинуть верхнее зеркало (подвижное) вправо на четверть световой волны, как отраженный от него луч придет в точку с разностью хода на одну полуволну, и в точке- не будет видно света- он погасится вследствие интерференции. Если верхнее зеркало сдвинуть вправо еще на одну четверть волны - луч придет в точку с разностью хода в две полуволны и свет в этой точке усилится. Расстояние между поверхностями зеркал будет равно половине длины световой волны. Наблюдатель постепенно сдвигает верхнее зеркало и подсчитывает число усилений и ослаблений освещенности пятна. Когда он насчитает 3 301 527,46 таких изменений, расстояние между зеркалами можно считать равным 1 метр. На самом деле наблюдатель скорее состарится, пока посчитает 3 млн. изменений, поэтому применяют приборы, которые регистрируют каждое изменение и выдают его на соответствующих индикаторах.

 

                 

 

                        2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ

 

За единицу массы принят килограмм. Появился он одновременно с метром во Франции.  Определялся тогда килограмм, как масса одного литра воды при температуре 4 °С. Правда, это определение также оказалось неточным, однако, в отличие от эталона длины, эталон массы, сделанный в виде цилиндра из платиноиридиевого сплава, не изменял свою массу со временем и сравнить эталон с копиями можно с большой точностью - до нескольких миллиардных долей. Это и положило определение килограмма, килограмм- это масса международного прототипа килограмма.

Измеряют массу с помощью весов. Наиболее простые - рычажные - весы представляют собой две чаши, подвешенных на стержне или пластинке на одинаковом расстоянии от центра, который в свою очередь находится на устойчивой опоре. Для измерения массы, измеряемый предмет кладут на одну чашу весов, а на вторую кладут некоторое число гирь. Как только обе чаши весов будут находиться на одинаковом уровне, считаем общую массу гирь и делаем выводы о массе предмета. Рычажные весы позволяют измерять с точностью до 0,01 г.

Условие  равновесия  для  любого  рычажного  преобразователя имеет вид [1]

                                                                                                        

где Mt — момент, i = 1, 2, ..., n.

Для   простого,   неравноплечего   рычага

 

FA lA sin (γ -a) - FHh sin (β + α) = FL lL sin (λ + α),                                  (2)

где FA— уравновешивающая сила тяжести гирь;FH — собственная сила

тяжести рычага; FL — сила тяжести нагрузки, h — расстояние центра тяжести от точки вращения; lA— длина плеча рычага со стороны гирь; lL — длина плеча рычага со стороны груза; α – угол отклонения; β,γ,λ- углы приложения силы в нулевом положении.

Из уравнения (2.2) после простого преобразования получается уравнение для определения взвешиваемой массы [1]

 

где mA – масса гирь у равноплечих весов в нулевом положении.

 

Еще один тип весов – пружинные – представляет собой пластину, подпираемую пружиной. Как только на пластину помещаем предмет, пластина опускается и вместе с ней опускается стрелка на шкале. По этому же принципу сделаны ручные пружинные весы, которые представляют собой достаточно жесткую пружину, которая помещается в корпус со шкалой. К пружине прикрепляется стрелка. Пока к пружине не приложено усилие, т.е. не подвешен измеряемый груз, она находится в сжатом состоянии.

Пружинные могут оснащаться дополнительно системой вращающихся шестеренок, что позволяет измерять предметы еще точнее, а последние модели бытовых весов вообще делают электронными, что позволяет узнать массу предмета еще более точно.

Общая классификация приборов для измерения массы представлены на

рисунке 1.

 

 

 

 

 

                         Рисунок 1 − Классификация весов

 

 

                     3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

Что такое температура? С точки зрения термодинамики, температура характеризует энергию молекул данного тела. Чем больше энергия молекул, тем быстрее он движутся, а значит тем больше нагрето тело.

В Международной Системе единиц температура измеряется в Кельвинах. За 0 К принято такое состояние вещества, когда полностью останавливается движение молекул вещества. Однако для использования в повседневной жизни шкала по Кельвину неудобна, поэтому используют шкалу Цельсия. Один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина. За ноль в шкале Цельсия принята температура тающего льда, за 100 - температура кипящей воды при давлении в 1 атм.

В США и некоторых других странах используется шкала Фаренгейта, появившаяся в 1715 г. За ноль градусов Фаренгейт принял температуру смеси льда с хлористым аммонием, полагая, что это самая низкая температура на земле. За вторую точку шкалы Фаренгейт принял температуру тела здорового человека, присвоив ей значение 96 °F. Чтобы перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия используют формулу [2]:

 

Tc=5/9(TF-32)

 

           3.1. Механические контактные термометры

 

В механических контактных термометрах  реализуется термомеханический эффект. 

Процесс теплового расширения веществ происходит по закону Гей-Люссака и описывается уравнением [1]

 

А2 = А1 [1 + α (θ2-θ1)]                                                                                         (4)

или

ΔA = А2 – А1 = А1 α Δθ,       (5)                                                                            

 

 где А1 и А2 - размеры нагреваемого тела при температурах θ 1 и θ 2;  α – коэффициент теплового расширения.

 

Чувствительность термометра расширения

S= ΔA/ Δθ = А0 (α1- α2),                                           (6)

 

где А0 - протяженность двух тел, составляющих термометр, при некоторой начальной температуре θ; α1 и α2 - коэффициенты их расширения .

Подробное разделение контактных термометров показано на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                         

                          Рисунок  2 − Контактне термометры

 

   

 В таблице 1 представлены  механические контактные термометры.

 

Таблица 1 – Механические контактные термометры

Наименова    ние	Металлические термометры           расширения		Жидкостные термометры			Газовые   термометры
Тип	Дилатометрические термометры	Биметаллические термометры	Жидкост ные стеклян ные термометры	Жидкост ные маноме трические термометры	Конденсаци оные мано метричсес кие термометры	Термометры с гелиевым заполнением
Принципи-альная схема
Пределы измерений, С	0…100	0…500	-55…+600	-30…+600	0…400	-
Погреш-ность измерения, %	±5	±5	±1	±1	±1	-
Инерционность	Большая	Большая	Большая	Большая	Малая	-
Преимущества	Дешевые; надеж ные; малое время срабатывания очень большие перестановочные усилия и т.д.	Дешевые; надежные; большие пере- становочные усилия	Очень дешевые	Дешевые; надежные; не требуют внешних источников энергии; большие перестано- вочные усилия	Дешевые; надежные; не требуют внешних источников энергии; большие перестано- вочные усилия	Принцип измерения соответствует определению термодинамической температуры
Недостатки	Малая точность; высокая инерцион ность	Низкая точность	Малая механичес кая проч ность	Температу ра соедини тельного капилляра влияет на показания прибора	Нелинейная статическая характери стика	Малая механическая прочность; большая трудоемкость процесса
Область применения	Температурные выключатели	Оценочный контроль темпе- ратуры, темпера турные выключатели	Лаборатор ные термометры	Промыш ленные термометры термореле	Промыш ленные термометры термореле	Поверочные работы