Приборы для измерения неэлектрических величин

 

 

     5. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО

         ИЗЛУЧЕНИЯ

Счетчик Гейгера. Счетчики Гейгера-Мюллера − самые распространенные

детекторы (датчики) ионизирующего излучения. В своей основе счетчик                         

Гейгера очень прост. Принципиальная схема счетчика показана на рисунке 9.

Счетчик Гейгера - это газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и других ионизирующих излучений: a- и b-частиц, g-квантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах и на ускорителях. Гамма-кванты регистрируются счетчиком по вторичным ионизирующим частицам — фотоэлектронам, комптоновским электронам, электронно-позитронным парам; нейтроны регистрируются по ядрам отдачи и продуктам ядерных реакций, возникающим в газе счётчика.

 В счетчике рабочий объём  — газоразрядный промежуток с  сильно неоднородным электрическим  полем. Чаще всего применяют счётчики  с коаксиально расположенными цилиндрическими электродами: внешний цилиндр — катод, тонкая нить, натянутая вдоль его оси, — анод. Схема включения счетчика Гейгера показана на рисунке 10. Электроды заключены в герметически замкнутый резервуар, наполненный каким-либо газом до давления 13—26 кн/м2 (100—200 мм pm. ст.). К электродам счётчика прикладывается напряжение в несколько сот вольт. На нить подаётся знак «+» через сопротивление R.

 

Если в рабочем объёме счётчика нет свободных электронов, электрический разряд в нём не возникает. При попадании в счётчик ионизирующей частицы в газе образуются свободные электроны, которые движутся к положительно заряженной нити. Вблизи нити напряжённость электрического поля велика и электроны ускоряются настолько, что начинают, в свою очередь, ионизовать газ. В результате по мере приближения к нити число электронов лавинообразно нарастает. Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток. При достаточно большом R (108—1010 Ом) на нити скапливается отрицательный заряд и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает, в результате чего разряд обрывается. После этого чувствительность счётчика восстанавливается через 10-1—10-3 сек (время разрядки ёмкости С через сопротивление R). Такое большое время нечувствительности неудобно для многих применений. Ввиду этого несамогасящиеся счётчики, в которых гашение разрядов обеспечивается сопротивлением R, были вытеснены самогасящимися счётчиками, которые к тому же более стабильны. В них благодаря специальному газовому наполнению (инертный газ с примесью сложных молекул, например паров спирта, и небольшой примесью галогенов — хлора, брома, йода) разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях R. Время нечувствительности самогасящегося счётчика ~10-4 сек.

 

Электрические импульсы во внешней цепи, возникающие при вспышках разряда в счетчике Гейгера, усиливаются и регистрируются электромагнитным счётчиком или пересчётной схемой. На рисунке 11 приведена счётная характеристика счетчика Гейгера-Мюллера — зависимость числа N регистрируемых в единицу времени импульсов от приложенного к счётчику напряжения V. Рабочий участок характеристики (плато) имеет протяжённость от нескольких десятков В до нескольких сот В. На плато число отсчётов практически равно числу ионизующих частиц, попадающих в счетчик.

Счетчик Гейгера используют во многих областях физики, в биологии и медицине, в археологии, геологии и технике.

 

               6. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

 
Системы измерения давления в зависимости от вида измеряемого давления (избыточное давление, разрежение и атмосферное давление) известны под названиями манометры, вакуумметры и барометры. Наряду с ними существуют дифференциальные манометры для измерения разности давлений и мановакуумметры для измерения избыточного давления и разрежения. В преобразователях   давления    используется   принцип   уравновешивания   силы.

Жидкостные манометры

1. U-образный двухтрубный манометр - это изогнутая в виде буквы U стеклянная трубка, наполненная манометрической жидкостью (водой, спиртом, ртутью).

Манометры этого типа показаны на рисунке 12. Измерительная система находится в равновесии, когда гидростатическое давление столба жидкости длиной Δl равно разности давлений Δр [1]

 

где A1,2 — площади поперечного сечения манометрических трубок 1, 2; V1,2 — объемы вытесненной жидкости в трубках 1, 2; g — ускорение свободного падения; h1,2 — отклонение столба жидкости от нулевого положения;  Δl = 2h2 — отсчитываемое значение; p1,2 — давление на трубки 1, 2;р — разность давлений; φ - угол  наклона  трубки  к горизонтали; ρ - плотность  манометрической  жидкости.

2. Колокольные манометры, представленные на рисунке 13, служат для измерения избыточных минимальных давлений. Если давления р1 и р2 одинаковы, то сила тяжести FG колокола компенсируется   выталкивающей   силой   FF   вытесненной   жидкости:

 

FF = VFρg =AGh0ρg=FG,                                                                       (9)

 

 где AG = πdΔd — площадь поперечного сечения колокола при  Δd<< d; Vf — объем вытесненной жидкости; d — внутренний диаметр колокола; Δd— толщина стенки колокола; g — ускорение свободного падения; h0 — глубина погружения колокола при p1 = p2; ρ— плотность затворной жидкости.

   При р1 > р2 погружаемый колокол всплывает на Δl благодаря силе давления Fp=AiΔр. Выражение для силы, создаваемой давлением, при площади сечения Ai жидкости в сосуде имеет вид [1]:

 

Fp = Ai (p1 - р2) = FG— AGhρg.                             (10)

 

Перемещение Δl колокола составляет [1]

 

Δl =h0- h - h,                                                                                                 (11)

 

где h0 — внешняя глубина погружения колокола при p1 = p2;  h — внешняя глубина погружения колокола при p1 > p2;  h — опускание (снаружи) уровня жидкости при  p1 > p2  благодаря   всплытию   колокола.

Объем жидкости VG = AG Δl, который не вытесняется, когда колокол поднят, равен   опустившемуся  объему   в  сосуде   VT = (Aa + Ai),   где Aa—внешняя площадь и Ai - внутренняя площадь затворной жидкости в сосуде. Таким образом, получаем формулу для определения Δl [1]:

 

и, наконец, разность давлений равно [1]:

 

  Поршневе манометром

1.Грузопоршневые манометры являются наиболее точными приборами для

измерения давления (рисунок 14). Они имеют большой диапазон измерений и используются для градуировки и поверки других приборов измерения давления. Измеряемая разность давлений Δр = р1 - р2 воздействует на площадь А поршня. Сила, создаваемая давлением Fр = ΔрА, компенсируется силой тяжести поршня и накладных грузов [1]

где g — ускорение свободного падения;  mG - масса грузов; mK— масса поршня с тарелкой.

Уравнение 14 справедливо только при пренебрежимо малых силах трения,

возникающих в паре поршень - цилиндр.

 

Деформационные манометры

1. Манометры с трубчатой пружиной являются наиболее распространенными приборами для измерения давления (рисунок 15). Пружина представляет                     

собой закрепленную на одном конце трубку, обычно эллиптического поперечного сечения, изогнутую по окружности. Под действием разности давлений Δр = р1 - р2 форма сечения трубки изменяется. Свободный конец трубки выгибается наружу витка (при P1 > P2) или сгибается внутрь (при р1 < р2, причем перемещение этого конца (Δl или α) пропорционально разности давлений Δр. Оно определяется экспериментально.

Линейные или угловые перемещения у всех преобразователей давления измеряются механическим, оптическим или электрическим способом.

 

               7. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ 

 

Существует электрических и других физических методов измерения влажности твердых материалов, жидкостей и газов. Среди множества приборов для измерения этих свойств, рассмотрим аспирационные психрометры.

Психрометры аспирационные типа МВ-4М и типа М-34 (с электромотором) предназначены для определения относительной влажности и температуры воздуха в наземных условиях (в помещении и на открытом воздухе). При определении влажности на открытом воздухе психрометр выносят из помещения за четверть часа до наблюдения и размещают на специальном столбе так, чтобы резервуары термометров были на высоте 2 м над почвой. 
Работа психрометров основана на зависимости разности температур сухого и смоченного термометров от влажности окружающего воздуха. Влажность воздуха определяется по показаниям сухого и смоченного термометров по специальным психрометрическим таблицам или психрометрическому графику, а температура воздуха – по показаниям сухого термометра.  
Психрометр состоит из двух одинаковых ртутных термометров, закрепленных в специальной оправе, и аспирационной головки. Оправа представляет собой трубку, раздваивающуюся книзу, и защитные планки. К нижней раздвоенной части трубки с помощью пластмассовых втулок прикреплены два патрубка, являющихся радиационной защитой резервуаров термометров. Верхний конец трубки соединен с аспиратором. Аспирационная головка состоит из заводного механизма и вентилятора, закрытых колпаком. Пружина заводного механизма психрометра МВ-4М заводится специальным ключом, психрометра М-34 запускается электродвигателем. При вращении вентилятора в прибор всасывается воздух, который обтекает резервуары термометров, проходит по воздухопроводной трубе к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези в аспирационной головке.  
Психрометр состоит из двух одинаковых ртутных термометров, закрепленных в специальной оправе, и аспирационной головки. Оправа представляет собой трубку, раздваивающуюся книзу, и защитные планки. К нижней раздвоенной части трубки с помощью пластмассовых втулок прикреплены два патрубка, являющихся радиационной защитой резервуаров термометров. Верхний конец трубки соединен с аспиратором. Аспирационная головка состоит из заводного механизма и вентилятора, закрытых колпаком. Пружина заводного механизма психрометра МВ-4М заводится специальным ключом, психрометра М-34 запускается электродвигателем. При вращении вентилятора в прибор всасывается воздух, который обтекает резервуары термометров, проходит по воздухопроводной трубе к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези в аспирационной головке.  
Сухой термометр будет показывать температуру воздуха, а показания смоченного термометра будут меньше из-за охлаждения, вызванного испарением воды с поверхности батиста, облегающего резервуар термометра. Психрометры применяются в гидрометеослужбе и других отраслях народного хозяйств.

Технические характеристики аспирационных психрометров представлены в таблице 3.

 

 

 

 

Таблица 3 - Технические характеристики аспирационных психрометров

 

Диапазон измерения относительной влажности воздуха при температуре от 5 до 40 С ° , % от 10 до 100 Диапазон измерения температуры воздуха, С° от –25 до +50 Питание психрометра М-34 должно осуществляться от сети переменного тока:   напряжением, В   частотой, Гц   220 (+22-33)   50±1 Мощность, потребляемая психрометром М-34, ВА, не более 30 Погрешность психрометров при измерении относительной влажности в зависимости от температуры воздуха, %, не более от ±2 до ±6 Скорость воздушного потока (аспирация) при работе вентилятора должна быть, м/с, не менее:  для МВ-4М на 4-й минуте на 6-й минуте для М-34 2,0   1,7   1,8 Время раскручивания пружины психрометра МВ-4М, мин не менее 6 Габаритные размеры, мм, не более:   МВ-4М   М-34 105х420   105х400 Масса, кг, не более:   МВ-4М   М-34 1,1  1,2

Средний срок службы психрометров должен быть не менее 6 лет

 

 

 

 

                                      

 

 

 

 

 

                                              ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многочисленные области применения измерительной техники, ее высокий уровень, достигнутый в отдельных областях измерений, все еще незначительное проникновение измерительной техники в ряд отраслей промышленности, недостаточно высокая квалификация специалистов в области измерительной техники и усиливающиеся процессы объединения лабораторных исследований, технологии и измерений в производстве требуют совместного рассмотрения основ техники измерений и обеспечения качества. Это дает возможность также обеспечить рационализацию самих процессов измерений.

Все выше перечисленные приборы и величины -  это небольшая часть того, что можно измерять. Без внимания остались такие величины, как скорость, освещенность, время и многое другое. Все они, так или иначе, находят широкое применение, как в отдельных областях науки, так и в широком кругу людей. К сожалению, нужно много времени, чтобы перечислить все приборы, которыми можно что-либо измерять. Но целью данного реферата было дать краткое описание приборов для измерения неэлектрических величин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                  БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Хофманн Д. Техника измерений и обеспечение качества: Справочная книга/Д. Хофманн; Пер. с нем. под ред. Л.М.Закса, С.С. Кивилиса. – М.:Энергоатом издат, 1983. – 427 с., ил.
2. Теплофизические измерения и приборы/ Е. С. Платунов, С. Е. Буравой, В.В. Курепин; Под общ. ред. Е. С. Платунова. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. – 256с.
3. Козодаев М. С. Принципы и методы регистрации элементарных частиц/ М.С. Козодаев;  Пер. с англ. Калашникова В. И.−М.: Энергоатом издат, 1966.− 288с.
4. Измерение влажности/ Берлинер М. А.− 2-е изд., перераб. и доп.− М.: Энергия, 1973. – 400с.