Заключение. Рассмотренные в пособии примеры ИП составляют незначительную долю выпускаемых серийно средств измерения физических параметров промышленных производств и

Рассмотренные в пособии примеры ИП составляют незначительную долю выпускаемых серийно средств измерения физических параметров промышленных производств и процессов. Полные данные по преобразователям различного назначения можно найти в каталогах фирм – производителей. Кроме того, быстрое развитие науки и технологий приводят к непрерывному обновлению номенклатуры предлагаемых ИП и используемых для их функционирования физических эффектов.

Поэтому целью пособия является не описание работы всех типов выпускаемых ИП, а изложение физических законов и эффектов, на которых базируются разработка измерительных средств и методик их применения. Принципы построения ИП тоже, конечно, диалектически меняются – потенциометрические ИП меняются на тензометрические; контактные эффекты – на оптические и лазерные; в состав датчиков включают несколько первичных ИП и микропроцессорные средства преобразования измерительных сигналов и их коррекции.

Однако, во-первых, принципиально новые физические эффекты открываются достаточно редко, во-вторых, для понимания работы современных датчиков, при всех обновлениях их структурных схем, конструктивных усовершенствований, введения элементов цифровой техники, вполне достаточно знать основные физические эффекты; в-третьих, достигнуть необходимой точности измерений невозможно достичь, если не учитывать влияние неинформативных составляющих физических объектов, воздействующих на ИП. А для этого необходимо всегда стараться ясно понять измерительную задачу, условия проведения измерений и провести анализ пригодности и достаточности выбранных ИП.

Для иллюстрации сказанного, приведем несколько примеров.

12.1. Рассмотрим датчик влажности фирмы Sensirion типа SHT 15 (рис. 12.1). В корпусе микросхемы размером 7,5 × 4,9 мм размещены сенсор влажности, описанный в ч.1, п. 7.4 (на схеме обозначен как «%RH Sensor»), преобразователь температуры, описанный в ч.1, п. 5.5 (на схеме – «Temp. Sensor»), усилители («Amplification»), аналого-цифровой преобразователь, память с поправочными данными индивидуальной калибровки, узел передачи цифровых данных и т.д.

Понятно, что разработка датчика столь сложной структуры и организация его серийного производства является непростой научно – технической задачей и эти вопросы в пособии не обсуждаются (они будут освещены в других дисциплинах). Но для понимания принципов его работы, целесообразности введения ИП температуры и поправок по его показаниям – вполне достаточно усвоить физические процессы сорбции влаги в емкостных сенсорах (ч.1, п. 7.4).

Однако одним выбором ИП исчерпать решение конкретных измерительных задач не удается.

Разберем одну из подобных реальных задач. Природный газ сжигается в топках котлов на тепловой электростанции для получения пара. Поскольку пары воды отнимают тепло от горящего газа, т.е. снижают его теплотворную способность, нелогично платить деньги за весь объем поставленного газа. Поэтому необходимо, наряду с измерением расхода газа расходомером переменного перепада давления (см. п. 10.2), измерять влажность газа и снижать плату за газ в функции от снижения его калорийности.

Сразу появляются вопросы: где ставить датчик влажности – до диафрагмы или после диафрагмы; влияет ли изменение давления газа на показания влагомера (у SHT 15 выходной цифровой сигнал дает показания в % относительной влажности); характеризует ли величина относительной влажности теплотворные свойства газа или необходимо измерять другой параметр, например, парциальное давление пара? Ответы на поставленные вопросы может дать только газовая динамика и термодинамика; микропроцессорная техника поможет только автоматизировать вычисления, если будут заданы корректные уравнения для расчетов. И не более того.

12.2. Другой пример из области измерения расхода природного газа. В котельных, использующих природный газ, перепад давления на диафрагме расходомера переменного перепада давления измеряют двумя датчиками. Это связано с тем, что в сильные морозы котлы работают на полную мощность и расход газа большой, соответственно, и большой перепад давления на диафрагме; перепад измеряется датчиком разности давлений на 160 кПа. Летом расход значительно меньше и для его измерения параллельно первому датчику разности давлений установлен второй на 16 кПа.

Подобная схема вполне логична и корректна. Но при одном условии – если была проверена и подтверждена стабильность коэффициента расхода α, являющаяся функцией числа Рейнольдса (см. п. 10.2).

А если коэффициент расхода α оказался нестабильным в диапазоне изменения скоростей потока газа (и, соответственно, разности статических давлений)? Придется устанавливать диафрагму с меньшим диаметром отверстия или, при неизменной диафрагме, усложнять алгоритм измерения, вводя постоянное определение коэффициента α (задача не из простых).

12.3. Еще один пример. Обдувается макет самолета в газодинамической трубе. Поскольку вязкость воздуха и его плотность зависят от температуры, то необходимо ее измерять, например, термометром сопротивления. Вопрос – во что превращается кинетическая энергия потока газа, остановленная корпусом датчика температуры? Ответ был дан в п. 9.4.3 – она переходит в тепло. Но в таком случае показания термометра будут завышены относительно действительной температуры газа на величину температуры его торможения.

Это может быть не очень большая величина, находящаяся в пределах погрешности измерений. В любом случае ее сначала необходимо вычислить и оценить значимость результата. Подобные расчеты проводились и проверялись экспериментально. По данным центрального аэродинамического института (ЦАГИ), при скоростях газа, близких к скорости звука, температура торможения достигает 30 К.

Приведенные примеры показывают, что использование ИП без совокупного теоретического анализа метрологических характеристик устройства и условий измерительной задачи (неинформативных параметров объекта измерений, внешних влияющих факторов, скорости протекания процессов и т.д.) не дают оснований предполагать, что измерения будут выполнены с заданными допустимыми погрешностями.

В области измерений еще раз подтверждаются слова великого физика Л. Больцмана: «Нет ничего практичнее хорошей теории».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. РГМ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. МЕТРОЛОГИЯ. Основные термины и определения

2. Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. проф. П.В. Новицкого. - Л.: «Энергия», 1975. – 576 с.

3. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: Учебник для вузов – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 336 с.

4. Информационно – измерительная техника и электроника: учебник для студентов высших учебных заведений под ред. Г.Г. Раннева – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 512 с.

5. Гуревич А.Г. Физика твердого тела: учебное пособие для вузов – С-Пб.: «Невский диалект», 2004. – 320 с.

6. Романовский Б.В. Основы химической кинетики – М.: «Экзамен», 2006.- 416 с.

7. Мясников И. А., Сухарев B. Я., Куприянов Л. Ю., Завьялов C. А. Полупроводниковые сенсоры в физико – химических исследованиях. - М.: “Наука”, 1991.

8. Киселев В.Ф., Крылов О.В. Электронные явления в адсорбции и катализе на полупроводниках и диэлектриках. М.: Наука, 1979. - 390 с.

9. Роберте Ч., Макки Ч. Химия поверхности раздела металл - газ. М.: Мир; 1981. - 544с.

10. Киселев В.Ф., Крылов О.В. Адсорбционные процессы на поверхности полупроводников и диэлектриков. - М.: Наука, 1978. - 318с.

11. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике, тома 1-7. – М.: Издательство «Мир», 1965 – 1966.

12. Аш Ж., Андре П., Бофон Ж. и др. Датчики измерительных систем: в 2-х книгах. Пер. с франц. – М.: Мир, 1992.

13. Измерения в промышленности. Справочник в 3 т.; т. 2 «Способы измерения и аппаратура» – М.: «Металлургия», 1990. - 384с.

14. Гриневич Ф.Б., Новик А.И. Измерительные компенсационно–мостовые устройства с емкостными датчиками – Киев: Наукова думка, 1987. - 112 с.

15. Гутников В.С., Соловьев А.Л. и др. Измерительная система для емкостных датчиков – ж. «Приборы и системы управления», 1991, № 5.

16. Sensors and Actuators, 1984, v.4, N 5.

17. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник/ Под общ. ред. Григорьева В.А., Зорина В.М. – М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.

18. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло - массообмена – М.: Высшая школа, 1974. - 328 с.

19. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник – Л.: «Машиностроение», 1989. – 702 с.

20. Физический энциклопедический словарь – М.: «Советская энциклопедия», 1983.- 928 с.

21. Веников В.А. Теория подобия и моделирования – М., Высшая школа,1976. - 480 с

22. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник – М.: «Техносфера», 2005. - 588 с.

23. Российская метрологическая энциклопедия. – С-Пб.: «Лики России», 2001. – 840 с.

24. Technik der Magnetspeicher. Herausgegeben von Prof. Winkel F. – Berlin., “Springer – verlag”. 1960. – 514 p.

25. Готра З.Ю., Ильницкий Л.Я. и др. Датчики. Справочник – Львов: «Каменяр», 1995. – 312 с.

26. Геращенко О.А., Гордов А.Н. и др. Температурные измерения. Справочник – Киев: «Наукова думка», 1984.- 494 с.

27. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств – М.: Машиностроение, 1976. – 312 с.

28. Щепетов А.Г. Теория, расчет и проектирование измерительных устройств – М.: Стандартинформ, 2006. – 326 с.