Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими преобразователями (ЭС). Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала.
1. Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости , изменяемой входным измерительным сигналом.
Электростатический преобразователь
Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость , характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU ). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.
Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой:
,
где - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единице), - электрическая постоянная, численно равная Ф/м (эта формула справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин).
Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.
Конструкция емкостного датчика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электродов. Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов.
Основным недостатком емкостных преобразователей является малая их емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток - сложность вторичных преобразователей. Недостатком является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.
Пример применения: Ёмкостный сенсорный экран в общем случае представляет собой стеклянную панель, на которую нанесён слой прозрачного резистивного материала. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение. Поскольку тело человека способно проводить электрический ток и обладает некоторой ёмкостью, при касании экрана в системе появляется утечка. Место этой утечки, то есть точку касания, определяет простейший контроллер на основе данных с электродов по углам панели.
2. Резистивными называют преобразователи, в которых переносчиком измерительной информации является электрическое сопротивление. Резистивные преобразователи составляют две большие группы: электрические и механоэлектрические. В основу принципа преобразования электрических резистивных преобразователей (шунтов, добавочных резисторов, резистивных делителей и т. п.) положена зависимость между напряжением, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома, и зависимость электрического сопротивления проводника от его длины, удельного сопротивления.
Принцип работы механоэлектрических резистивных преобразователей (например, реостатных) основан на изменении электрического сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины. К резистивным преобразователям часто относят и тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления различных материалов под действием механической деформации. Тензорезисторы могут измерять и преобразовать разнообразные физические величины в электрические сигналы и широко применяются в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента. В качестве материалов таких преобразователей используются проводники с проволочными и фольговыми чувствительными элементами или полупроводники. В последнее время для построения тензопреобразователей стали применять эффекты изменения характеристик р-п переходов под давлением механического воздействия (тензодиоды и тензотранзисторы).
3. Электромагнитные преобразователи составляют очень большую и разнообразную по принципу действия и по назначению группу преобразователей, объединенных общностью теории, принципа преобразования, основанного на использовании электромагнитных явлений.
Это масштабные электромагнитные преобразователи (измерительные трансформаторы, индуктивные делители напряжения и тока), индуктивные трансформаторные и автотрансформаторные преобразователи неэлектрических величин, а также индуктивные и индукционные преобразователи.
4. Генераторные преобразователи (датчики) выдают на выход измеритель-ный сигнал за счет собственной внутренней энергии и не нужда-ются в каких-либо внешних источниках. Характерным примером такого рода датчика может служить датчик скорости вращения типа тахогенератора. Развиваемая тахогенератором ЭДС может быть пропорциональной скорости вращения его ротора.
К генераторным датчикам относятся:
Термоэлектрические;
Индукционные;
Пьезоэлектрические;
Фотоэлектрические.
Измерительные схемы
Измерительные цепи Измерительная цепь представляет собой функционально-структурную схему, отображающую методы и технические средства реализации требуемой функции преобразования прибора. Измерительная цепь включает все элементы прибора от входа до устройства воспроизведения (указатель, регистратор и др.). Измерительная схема прибора – понятие более узкое, она не включает первичного преобразователя, устройства воспроизведения и др. Измерительные цепи можно разделить на цепи прямого преобразования, когда преобразователи соединяются последовательно или параллельно согласно, и цепи уравновешивающего преобразования, когда все или основные преобразователи соединены параллельно встречно (цепи с обратной связью).
Основные разновидности применяемых измерительных схем???????
26. Измерение параметров элементов электрических цепей. Мостовые измерительные схемы. Уравновешенный мост. Неуравновешенный мост
Измерение параметров элементов электрических цепей?????
Мостовые измерительные схемы
1 . Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса: непосредственной оценки и сравнения.
При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется редко, так как ему свойственны значительные погрешности (особенно при изменении напряжения питания датчика).
Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения.
Мостовые измерительные схемы применяют постоянного и переменного тока. Существуют мостовые схемы уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты не требуют
Уравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, а), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R 1 R 2 , R 3 , R t . Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением R E и измерительный прибор с сопротивлением R np . В четырехугольнике также есть две диагонали, в одну из которых включен миллиамперметр, а в другую - источник тока. Для подстройки моста одно плечо (R 3) является переменным сопротивлением.
Закон уравновешенного моста: произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.
R 1 /R 2 =R 3 /R t . или R 1 ·R t =R 2 ·R 3
Если необходимо вычислить неизвестное сопротивление датчика, то можно включить его в одно из плеч моста, вместо резистора R 4 · и воспользоваться формулой:
R t =R 2 ·R 3 /R 1
Ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания:
I np =U(R 1 R t -R 2 R 3)/M
Основной характеристикой любой схемы является ее чувствительность. Она определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали ∆I np к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста:
S сх =∆I np /∆R
∆I np =U∆RR t /M
где ∆I np - результирующий ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, A; U - напряжение питания, В; М - входное напряжение, В.
Неуравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, б), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R 1 R 2 , R 3 , R 5 , R t . Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением R E и измерительный прибор с сопротивлением R np . Для подстройки моста одно плечо (R 5) является переменным сопротивлением.
В качестве измерительного прибора в неуравновешенных мостах используются амперметры (так как токи невелики, то обычно мили- и микроамперметры). Неуравновешенный мост подчиняется тем же законам, что и уравновешенный.
Уравновешенный мост
Уравновешенный мост
Уравновешенный мост, принципиальная схема которого приведена на (рис. 8а), используется для определения величины сопротивления при градуировке ТС и при измерениях температуры в лабораторных условиях.
Нулевой метод измерения характеризуется высокой точностью, так как исключается влияние окружающей температуры, магнитных полей и изменения напряжения батареи питания Б. Однако значительная погрешность может возникать при изменении сопротивления соединительных проводов Rл, что вызывается значительными сезонными и суточными колебаниями температуры в местах прохождения кабеля, соединяющего ТС и измерительный мост.
На (рис. 8б) представлена трехпроводная схема включения ТС, в которой одна вершина диагонали питания (В) перенесена непосредственно к термометру. Для равновесия можно записать
,
(2)
Сопротивление проводов Rл оказываются включенными в различные плечи моста, поэтому изменение их величины DRл практически взаимно компенсируются.
Неуравновешенный мост
Неуравновешенный мост
Неуравновешенный мост исключает необходимость выполнения ручных операций по изменению величины R3. В нем вместо нуль-прибора G в диагональ моста AC устанавливается миллиамперметр. При постоянном напряжении питания и постоянных сопротивлениях R1, R2, R3 через этот прибор протекает ток, величина которого зависит (нелинейно) от изменения RТ. Использование данных мостов для измерения температуры ограниченно. В основном они применяются для преобразования сопротивления термометра в напряжение. ботинки осенние царевич продам в разделе детская одежда.
27. Компенсационная измерительная схема. Потенциометр. Измерение
Принципиальная компенсационная схема измерения э. д. с. термопары приведена на фиг. 1-1 а.[ ...]
А Я/ - величина сопротивления реохорда, приходящаяся на единицу длины намотки реохорда.[ ...]
Таким образом, линейное перемещение движка реохорда при неизменной температуре свободных концов термопары прямо пропорционально измеряемой температуре, а следовательно, сопротивление реохорда может быть выражено непосредственно в градусах измеряемой температуры.[ ...]
Питание измерительной компенсационной схемы обычно осуществляется от сухого элемента, э. д. с. которого с течением времени уменьшается, а следовательно, меняется ток в цепи реохорда. Чтобы исключить погрешность вследствие изменения тока в цепи реохорда, величина тока должна периодически контролироваться.[ ...]
Контроль тока в компенсационной измерительной схеме обычно осуществляется с помощью нормального элемента. Схема, в которой возможен подобный контроль, показана на фиг. 1-16.[ ...]
При изменении температуры свободных концов термопары на Д э. д. с. термопары изменится на величину АЕ. Это изменение э. д. с. будет вносить погрешность в показания прибора, выполненного по схеме, показанной на фиг. 1-1а.[ ...]
В схеме, изображенной на фиг. 1-16, предусмотрена компенсация влияния изменения температуры свободных концов. Для этой цели в схеме имеется сопротивление Ям, выполненное из никелевой или медной проволоки. Сопротивление Дм располагается непосредственно вблизи зажимов, к которым подведены свободные концы термопары (таким образом, сопротивление Дм и свободные концы термопары имеют одинаковую температуру). При повышении температуры свободных концов термопары сопротивление Дм увеличивается пропорционально изменению температуры свободных концов. Величина сопротивления Вы подобрана так, что его изменение приводит к изменению компенсирующего напряжения на величину е -Д Е, и тем самым исключается погрешность от изменения температуры свободных концов.[ ...]
В рассматриваемой схеме сопротивления Дн и До предназначены для подгонки предела измерения, сопротивление Ег - для ограничения тока в цепи нормального элемента.[ ...]
Потенциометр
Потенцио́метр - регулируемый делитель электрического напряжения, представляющий собой, как правило, резистор с подвижным отводным контактом (движком). С развитием электронной промышленности помимо «классических» потенциометров появились также цифровые потенциометры (англ.)русск. (например, AD5220 от Analog Devices). Такие потенциометры, как правило, представляют собой ИС, не имеющие подвижных частей и позволяющие программно выставлять собственное сопротивление с заданным шагом.
Большинство разновидностей переменных резисторов могут использоваться как в качестве потенциометров, так и в качестве реостатов, разница в схемах подключения и в назначении (потенциометр - регулятор напряжения, реостат - силы тока).
Потенциометры используются в качестве регуляторов параметров (громкости звука, мощности, выходного напряжения и т. д.), для подстройки внутренних характеристик цепей аппаратуры (подстроечный резистор), на основе прецизионных потенциометров построены многие типы датчиковуглового или линейного перемещения.
Измерение
сопротивления компенсационным методом
Компенсационный метод измерений, метод измерений, основанный на компенсации (уравнивании) измеряемого напряжения или эдс напряжением, создаваемым на известном сопротивлении током от вспомогательного источника. К. м. и. применяют не только для измерений электрических величин (эдс, напряжений, токов, сопротивления); он широко применяется и для измерения др. физических величин (механических, световых, температуры и т.д.), которые обычно предварительно преобразуют в электрические величины.
К. м. и. является одним из вариантов метода сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (добиваются нулевого показания измерительного прибора). К. м. и. отличается высокой точностью. Она зависит от чувствительностинулевого прибора (нульиндикатора), контролирующего осуществление компенсации, и от точности определения величины, компенсирующей измеряемую величину.
К. м. и. электрического напряжения в цепи постоянного тока состоит в следующем. Измеряемое напряжение U x (см. рис. ) компенсируется падением напряжения, создаваемым на известном сопротивлении r током от вспомогательного источника U всп (рабочим током l p ). Гальванометр Г (нулевой прибор) включается в цепь сравниваемых напряжений перемещением переключателя (П на рис. ) в правое положение. Когда напряжения скомпенсированы, ток в гальванометре, а следовательно, и в цепи измеряемого напряжения U x отсутствует. Это является большим преимуществом К. м. и. перед другими методами, так как он позволяет измерять полную эдс источника U x и, кроме того, на результаты измерений этим методом не влияет сопротивление соединительных проводов и гальванометра. Рабочий ток устанавливают по нормальному элементу E N с известной эдс, компенсируя её падением напряжения на сопротивлении R (переключатель П - в левом положении). Значение напряжения U x находят по формулеU x = E N ·r/R, где r -сопротивление, падение напряжения на котором компенсирует U x .
При измерении компенсационным методом силы тока I x этот ток пропускают по известному сопротивлению R 0 и измеряют падение напряжения на нём l x R 0 . Сопротивление R 0 включают вместо показанного на рис. источника напряжения U x . Для измерения мощности необходимо поочередно измерить напряжение и силу тока. Для измерения сопротивления его включают во вспомогательную цепь последовательно с известным сопротивлением и сравнивают падения напряжения на них. Электроизмерительные приборы, основанные на К. м. и., называются потенциометрами или электроизмерительными компенсаторами. К. м. и. применим также для измерений величин переменного тока, хотя и с меньшей точностью. К. м. и. широко применяется в технике в целях автоматического контроля, регулирования, управления.
28. Испытания. Основные термины. Предварительные испытания. Приемочные испытания. Ведомственные испытания. Государственные испытания. периодические испытания. Параметрические испытания. Испытания на надежность. Ускоренные испытания. Исследовательские испытания. Климатические испытания. Электрические испытания. Механические испытания. Сравнительные испытания. Организация испытаний
Испытания
Испытания как основная форма контроля изделий электронной техники (ИЭТ) представляют собой экспериментальное определение количественных и качественных показателей свойств изделия как результата воздействия на него при его функционировании, а также при моделировании объекта. Цели испытаний различны на различных этапах проектирования и изготовления ИЭТ. К основным целям испытаний можно отнести:
а) выбор оптимальных конструктивно-технологических решений при создании новых изделий;
б) доводку изделий до необходимого уровня качества;
в) объективную оценку качества изделий при их постановке на производство и в процессе производства;
г) гарантирование качества изделий при международном товарообмене.
Испытания служат эффективным средством повышения качества, так как позволяют выявить:
а) недостатки конструкции и технологии изготовления ИЭТ, приводящие к срыву выполнения заданных функций в условиях эксплуатации;
б) отклонения от выбранной конструкции или принятой технологии;
в) скрытые дефекты материалов или элементов конструкции, не поддающиеся обнаружению существующими методами технического контроля;
г) резервы повышения качества и надежности разрабатываемого конструктивно-технологического варианта изделия.
По результатам испытаний изделий в производстве разработчик устанавливает причины снижения качества.
В данной работе рассматривается классификация основных видов испытаний ИЭТ и порядок их проведения.
Основные термины
Испытания – это разновидность контроля. В систему испытаний входят следующие основные элементы:
а) объект испытаний – изделие, подвергаемое испытаниям. Главным признаком объекта испытаний является то, что по результатам испытаний принимается решение именно по этому объекту: о его годности или браковке, о возможности предъявления на последующие испытания, о возможности серийного выпуска и т.п. Характеристики свойств объекта при испытаниях можно определить путем измерений, анализов или диагностирования;
б) условия испытаний – это совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях. Условия испытаний могут быть реальными или моделируемыми, предусматривать определение характеристик объекта при его функционировании и отсутствии функционирования, при наличии воздействий или после их приложения;
в) средства испытаний – это технические устройства, необходимые для проведения испытаний. Сюда входят средства измерений, испытательное оборудование и вспомогательные технические устройства;
г) исполнители испытаний – это персонал, участвующий в процессе испытаний. К нему предъявляются требования по квалификации, образованию, опыту работы и другим критериям;
д) нормативно-техническая документация (НТД) на испытания, которую составляют комплекс стандартов, регламентирующих организационно-методические и нормативно-технические основы испытаний; комплекс стандартов системы разработки и постановки продукции на производство; нормативно-технические и технические документы, регламентирующие требования к продукции и методам испытаний; Нормативно-технические документы, регламентирующие требования к средствам испытаний и порядок их использования /2/.
Условия проведения испытаний и перечень контролируемых параметров ИЭТ оговариваются в стандартах и общих технических условиях (ТУ) на изделие.
Все испытания классифицируют по методам проведения, назначению, этапам проектирования, изготовления и выпуска, виду готовой продукции, продолжительности, уровню проведения, виду воздействия, определяемым характеристикам объекта /3/.
Предварительные испытания
Приемочные испытания
Приемочные испытания также являются контрольными для опытных образцов, опытных партий продукции или единичных изделий. Приемочные испытания опытного образца проводят с целью определения соответствия продукции техническому заданию, требованиям стандартов и технической документации, оценки технического уровня, определения возможности постановки продукции на производство.
Представленный на испытания опытный образец (опытная партия) должен быть доработан, а техническая документация откорректирована по результатам предварительных испытаний. Приемочные испытания организует предприятие-разработчик и проводит их по заранее разработанной программе при участии предприятия-изготовителя под руководством приемочной (государственной, межведомственной, ведомственной) комиссии. Приемочные испытания (проверки) могут проводиться специализированной испытательной организацией (государственные испытательные центры).
Члены комиссии по проведению приемочных испытаний, подписывая документы приемочных испытаний, как правило, согласовывают технические условия, карту технического уровня и качества продукции, составляют акт приемки опытного образца (опытной партии). При соответствии опытного образца (опытной партии) требованиям технического задания, стандартов и технической документации комиссия в акте приемки рекомендует данное изделие к постановке на производство. Если в результате приемочных испытаний комиссия выявила возможность улучшения отдельных свойств изделий, не установленных количественными значениями в техническом задании, в акте приемки дается перечень конкретных рекомендаций по совершенствованию продукции, указывается на необходимость их выполнения до передачи технической документации предприятию-изготовителю. Акт приемки утверждает руководство организации, назначившей комиссию по проведению приемочных испытаний.
Для продукции, на которую технический уровень оказался ниже требований технического задания, приемочная комиссия определяет дальнейшее направление работ по совершенствованию конструкции изделия, улучшению их производственно-технических характеристик, а также принимает о проведении повторных приемочных испытаний или о прекращении дальнейших работ.
Испытания готовой продукции подразделяют на квалификационные, приемосдаточные, периодические, типовые, инспекционные, сертификационные.
Ведомственные испытания
Испытания, проводимые комиссией из представителей заинтересованного министерства или ведомства. ГОСТ 16504-81
Государственные испытания
Государственные испытания
летательного аппарата проводятся с целью определения соответствия характеристик и показателей летательного аппарата заданным требованиям и нормам в объёме, необходимом для принятия решения о запуске летательного аппарата в серийное производство и внедрении в эксплуатацию. В процессе Г. и. оценивается уровень унификации и стандартизации комплектующих агрегатов и изделий с учётом требуемой технологичности и ресурса, определяется достаточность средств наземного обслуживания и оборудования для нормальной эксплуатации летательного аппарата, готовятся материалы для отработки руководств по лётной и наземной эксплуатации. Г. и. проводятся представителями заказчика с участием представителей промышленности. При сложных испытаниях опытных летательных аппаратов (на прочность, сваливание, штопор и др.) используются воздушные и наземные средства (летающие лаборатории и летающие модели, лётно-моделирующие комплексы).
Г. и. и заводские испытания могут быть объединены в совместные Г. и., проводимые испытательной бригадой, в состав которой входят специалисты заказчика и исполнителя, под руководством государственной комиссии. Программа Г. и. (совместных Г. и.) предусматривает все виды испытаний, необходимых для определения и оценки соответствия характеристик и показателей летательного аппарата заданным требованиям и нормам с целью выдачи рекомендаций о пригодности летательного аппарата и его составных частей для принятия на снабжение и внедрения в серию. По результатам этих испытаний формируются технические условия на поставку серийных летательных аппаратов.
периодические испытания
Предварительные испытания – контрольные для опытных образцов и (или) опытных партий продукции. Их проводят с целью определения возможности предъявления опытного образца на приемочные испытания. Испытания проводят в соответствии со стандартом или организационно-методическим документом министерства, ведомства, предприятия. При отсутствии последних необходимость испытаний определяет разработчик. Программа предварительных испытаний максимально приближены к условиям эксплуатации изделия. Организация проведения испытаний такая же, как у доводочных испытаниях.
Предварительные испытания проводят аттестованные испытательные подразделения с использованием аттестованного испытательного оборудования.
По результатам испытаний оформляют акт, отчет и определяют возможность предъявления изделия на приемочные испытания.
Параметрические испытания????
Испытания на надежность
Методы испытания на надежность в зависимости от цели делят на определительные (исследовательские) и контрольные.
Цель определительных испытаний на надёжность - нахождение фактических значений показателей надежности и при необходимости параметров законов распределения таких случайных величин, как время безотказной работы, наработка между отказами, время восстановления и др.
Цель контрольных испытаний - проверка соответствия фактических значений показателей надежности требованиям стандартов, технических заданий и технических условий, т. е. принятие решения типа «да - нет» о соответствии или несоответствии надежности системы предъявляемым требованиям (не говоря более конкретно о том, чему равно значение показателя надежности).
Кроме оценки показателей надежности, целями испытаний обычно являются: изучение причин и закономерностей возникновения отказов; выявление конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на надежность; выявление наименее надежных элементов, узлов, блоков, технических средств; разработка мероприятий и рекомендаций по повышению надежности; уточнение продолжительности и объема технического обслуживания, количества запасных частей и др.
Испытания на надежность можно проводить в лабораторных (стендовых) и эксплуатационных условиях. Испытаниям в лабораторных условиях обычно подвергаются технические средства и некоторые локальные системы. Эти испытания выполняют на заводах-изготовителях или в организациях-разработчиках технических средств, они могут быть как определительными, так и контрольными. При лабораторных испытаниях можно имитировать воздействия внешней среды на систему, в первую очередь условия эксплуатации. Для этого служат специальные установки: термокамеры для изменения температуры, барокамеры для изменения давления, вибростенды для создания вибраций и т. д.
Лабораторные испытания на надёжность могут проходить при тех же воздействиях (температуре, влажности, вибрации и т. д.) и режимах работы, которые обычно имеют место при эксплуатации. Иногда с целью быстрейшего получения показателей надежности устанавливают более тяжелые, форсированные условия и режимы работы по сравнению с эксплуатационными. Такие испытания называют ускоренными.
Ускорение испытаний возможно, если при форсировании не искажается процесс естественного старения и износа, протекающий при нормальном режиме, если распределения изменений выходного параметра испытываемого изделия при нормальном и форсированном режимах аналогичны, а также близко разделение отказов по их причинам. Ускоряющими факторами могут быть механические воздействия, температура, электрическая нагрузка и др. Ускоренные испытания на надёжность обычно проводятся для серийных технических средств и их элементов, выпускаемых в течение длительного времени по стабильной технологии.
Испытания надежности в условиях эксплуатации заключаются в сборе и обработке информации о поведении АСУ ТП и их элементов и о воздействии внешней среды при опытной и (или) промышленной эксплуатации АСУ ТП совместно с действующим технологическим объектом управления. Эти испытания обычно являются определительными. Отметим, что для АСУ ТП в целом, ряда функций и для некоторых технических средств, например импульсных линий с арматурой и первичными отборными устройствами, соединительных линий с клеммными переходами, испытания в условиях эксплуатации являются практически единственным способом экспериментального определения показателей надежности.
Оба метода испытаний на надёжность - эксплуатационные и лабораторные - дополняют друг друга. Так, преимуществами эксплуатационных испытаний по сравнению с лабораторными являются: естественный учет влияния воздействий внешней среды, например температуры, вибрации, квалификации оперативного и ремонтного персонала и др.; низкая стоимость испытаний, так как их проведение не требует ни дополнительных затрат на оборудование, имитирующее условия эксплуатации, на обслуживание испытываемых изделий, ни расхода их ресурса; наличие большого числа однотипных образцов испытываемых локальных систем и средств, часто имеющихся на одном объекте, что позволяет в сравнительно короткие сроки получить статистически достоверную информацию.
Недостатками эксплуатационных испытаний на надёжность по сравнению с лабораторными являются: невозможность проводить активный эксперимент, изменяя по желанию экспериментатора параметры внешней среды АСУ ТП (вследствие чего эти испытания часто называют наблюдениями или подконтрольной эксплуатацией); ниже достоверность информации; меньше оперативность информации, так как начало ее получения может иметь место только после изготовления всех технических средств, монтажа и наладки АСУ ТП.
Исходной информацией для статистического исследования, на основании которого должны быть сделаны выводы о показателях надежности, служат результаты наблюдений. Однако эти результаты могут быть разными для одних и тех же систем в зависимости от того, каким образом они были получены. Например, можно поставить на исследование одну восстанавливаемую систему и испытывать ее до получения n-го отказа, регистрируя наработки между отказами. Результатами испытаний в этом случае будут наработки t 1 ,..., t n . Можно поставить d таких же систем, но испытывать их не восстанавливая, пока не откажут п Поскольку проведение испытаний на надежность (особенно лабораторных) связано со значительными затратами средств, то планирование испытаний включает в себя определение объема выборки и критериев завершения испытаний исходя из заданной точности и достоверности их результатов. Формируют выборку таким образом, чтобы результаты ее испытаний могли быть распространены на совокупность систем или средств. Например, при лабораторных испытаниях на заводе-изготовителе образцы для испытаний выбирают из числа принятых отделом технического контроля и прошедших приработку; для формирования выборки используют таблицу случайных чисел. Испытания на надёжность следует проводить для тех же условий эксплуатации, при которых в технической документации установлены показатели надежности. Во время испытаний проводятся техническое обслуживание, периодические проверки функционирования, измерение параметров, определяющих отказы. Отметим, что кроме расчетных и экспериментальных методов оценки показателей надежности имеют место и расчетно-экспериментальные методы. Такие методы применяют, если по техническим, экономическим и организационным причинам невозможно или нецелесообразно применять экспериментальные методы, например для систем, которые нельзя испытывать в полном объеме. Расчетно-экспериментальные методы рекомендуется применять тогда, когда это позволяет существенно сократить необходимый объем информации (например, при расчетной оценке показателей надежности функций АСУ ТП по экспериментальным данным о надежности технических средств, участвующих в реализации этой функции). Ускоренные испытания Ускоренные испытания на долговечность и сохраняемость проводят путем экспериментального определения зависимости срока L
от значений основных воздействующих факторов внешней среды: температуры, относительной влажности воздуха, концентрации агрессивной среды. По результатам определения этой зависимости с требуемой доверительной вероятностью могут быть установлены: Срок L
средний или гамма-процентный (ресурс или срок службы, или срок сохраняемости) при заданных значениях (постоянных или переменных) основных воздействующих факторов; Значения основных воздействующих факторов, при которых допустима эксплуатация изделий при заданном сроке L
; -
графики зависимости срока L
от основных воздействующих факторов, могущие служить аттестованными нормативно-справочными данными о свойствах материала, покрытия, системы материалов, изделия; Режим ускоренных контрольных испытаний при одном значении основных воздействующих факторов; Прогнозирование зависимости изменения значений параметра-критерия отказа от продолжительности действия заданных значений основных воздействующих факторов (с учетом установленных в настоящем стандарте ограничений). Для жидких сред требования, установленные в настоящем стандарте для относительной влажности, не учитывают. Исследовательские испытания Исследовательские испытания часто проводят как определительные и оценочные. Цель определительных испытаний – нахождение значений одной или нескольких величин с заданной точностью и достоверностью. Иногда при испытаниях надо лишь установить факт годности объекта, т.е. определить, удовлетворяет ли данное изделие установленным требованиям или нет. Такие испытания называют оценочными. Испытания, проводимые для контроля качества объекта, называются контрольными
. Назначение контрольных испытаний – проверка на соответствие техническим условиям при изготовлении. В результате испытаний полученные данные сопоставляют с установленными в технических условиях и делают заключение о соответствии испытываемого (контролируемого) объекта нормативно-технической документации. Контрольные испытания составляют наиболее многочисленную группу испытаний. Цели и задачи испытаний меняются в течение жизненного цикла изделия. В связи с этим понятно выделение испытаний по этапам. На указанных этапах проводят доводочные, предварительные и приемочные испытания Климатические испытания Под климатическими испытаниями обычно подразумевают испытания на устойчивость к повышенной (или пониженной температуре), устойчивость к повышенной влажности (испытание на влагостойкость) либо испытание на устойчивость к пониженному атмосферному давлению. Наша испытательная база позволяет провести необходимые испытания в соответствии с требованиями государственных стандартов или по техническому заданию заказчика. В качестве средств оснащения при проведении климатических испытаний используют соответствующие климатические камеры (как правила используются камеры производства ГДР - TBV и ILKA). Электрические испытания Все электроиспытания можно разделить на несколько групп: профилактические, периодические, приемо-сдаточные и сертификационные. Процесс испытания изоляции электрического оборудования происходит в несколько этапов: испытание с использованием повышенного напряжения, испытания при помощи особого трансформатора, испытания витковой изоляции, испытания низкими частотами с разной полярностью, высоковольтные испытания. Каждое из этих электроиспытаний должно проводиться в строгом соответствии с ГОСТом и иными российскими и международными стандартами. Механические испытания МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ определение механич. св-в материалов и изделий. По характеру изменения во времени действующей нагрузки различают М. и. статические (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамические, или ударные (на ударную вязкость, твёрдость), а усталостные (при многократном циклич. приложении нагрузки). Отд. группу методов образуют длительные высокотемпературные М. и. (на ползучесть, длит. прочность, релаксацию). М. и. проводят при высоких и низких темп-pax, в агрессивных средах, при наличии надрезов и исходных трещин; при нестационарных режимах, при облучении и акустич. воздействиях и др. Сравнительные испытания Основными элементами большинства применяемых средств измерений являются первичные измерительные преобразователи, назначение которых - преобразование измеряемой физической величины (входная величина) в сигнал измерительной информации (выходная величина), как правило, электрический, удобный для дальнейшей обработки. Первичные преобразователи подразделяются на параметрические и генераторные. В параметрических преобразователях выходная величина представляет собой изменение какого-либо параметра электрической цепи {сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.), в генераторных выходная величина - ЭДС, электрический ток или заряд, возникающие вследствие энергии измеряемой величины. Существует большой класс измерительных преобразователей, у которых входными величинами являются давление, сила или крутящий момент. Как правило, в этих преобразователях входная величина воздействует на упругий элемент и вызывает его деформацию, которая затем преобразуется или в сигнал, воспринимаемый наблюдателями (механические показывающие приборы), или в электрический сигнал. В значительной степени инерционные свойства преобразователя определяются частотой собственных колебаний упругого элемента: чем она выше, тем менее инерционным является преобразователь. Максимальное значение этих частот при использовании конструкционных сплавов составляет 50...100 кГц. Для изготовления упругих элементов особо точных преобразователей применяются кристаллические материалы (кварц, сапфир, кремний). Резистивные преобразователи - это параметрические преобразователи, выходной величиной которых является изменение электрического сопротивления, которое может вызываться воздействием разнообразных по физической природе величин - механических, тепловых, световых, магнитных и др. Потенциометрический преобразователь представляет собой реостат, движок которого перемешается под воздействием измеряемой величины (входная величина). Выходной величиной является сопротивление. Потенциометрические преобразователи применяются для измерения положения регулирующих органов (линейных и угловых), в уровнемерах, в датчиках (например, давления) для измерения деформации упругого чувствительного элемента. Достоинство потенциометрических преобразователей - большой выходной сигнал, стабильность метрологических характеристик, высокая точность, незначительная температурная погрешность. Основной недостаток - узкий частотный диапазон (несколько десятков герц). Работа тензорезисторов основана на изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации (тензоэффект). Проволочный (или фольговый) тензорезистор представляет собой зигзагообразную изогнутую тонкую проволоку диаметром 0,02...0,05 мм или ленту из фольги толщиной 4...12 мкм (решетка), которая наклеивается на подложку из электроизоляционного материала. К концам решетки присоединяются выводные медные проводники. Преобразователи, будучи приклеенными к детали, воспринимают деформацию ее поверхностного слоя. При измерениях деформаций и напряжений в деталях и конструкциях, как правило, отсутствует возможность градуировки измерительных каналов и погрешность измерений составляет 2...10 %. В случае применения тензорезисторов в первичных измерительных преобразователях погрешность может быть снижена до 0.5...1 % путем градуировки. Основной недостаток тензорезисторов данного типа - малый выходной сигнал. Для измерений малых деформаций упругих чувствительных элементов измерительных преобразователей используются полупроводниковые тензорезисторы, выращенные непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. При измерениях динамических деформаций с частотой до 5 кГц должны применяться проволочные или фольговые тензорезисторы с базой не более 10 мм, причем максимальная деформация для них не должна превышать 0,1 % (0,02 % для полупроводниковых). Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на возникновении электрических зарядов при деформации кристалла (прямой пьезоэффект). Пьезоэлектрические преобразователи обеспечивают возможность измерения быстропеременных величин (собственная частота преобразователей достигает 200 кГц), отличаются высокой надежностью и имеют малые габаритные размеры и массу. Основной недостаток - трудность при измерении медленно изменяющихся величин и при проведении статической градуировки из-за утечек электричества с поверхности кристалла. Электростатический преобразователь схематично можно представить в виде двух электродов (пластин) площадью F, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью е. Обычно эти преобразователи устроены таким образом, что их выходной величиной является изменение емкости (в этом случае они называются емкостными), а входными величинами могут быть механические перемещения, изменяющие зазор d или площадь F, или изменение диэлектрической проницаемости среды e вследствие изменения ее температуры, химического состава и т.п. Кроме емкости, в качестве выходной величины электростатических преобразователей используется ЭДС. генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическим поле (генераторный режим). Например, в генераторном режиме работают конденсаторные микрофоны, преобразующие энергию акустических колебаний в электрическую. Достоинством электростатических преобразователей является отсутствие шумов и самонагрева. Однако с целью защиты от наводок соединительные линии и сами преобразователи должны тщательно экранироваться. У индуктивных преобразователей выходной величиной является изменение индуктивности, а входными величинами могут быть перемещения отдельных частей преобразователя, приводящие к изменению сопротивления магнитной цепи, взаимоиндукции между контурами и т.д. Достоинствами преобразователей являются: линейность характеристики, малая зависимость выходного сигнала от внешних воздействий, ударов и вибраций; высокая чувствительность. Недостатки - малый выходной сигнал и необходимость в питающем напряжении повышенной частоты. Принцип действия вибрационно-частотных преобразователей основан на изменении частоты собственных колебаний струны или тонкой перемычки при изменении ее натяжения. Входной величиной преобразователя является механическое усилие (или величины, преобразуемые в усилие. - давление, крутящий момент и др.). которое воспринимается упругим элементом, связанным с перемычкой. Применение вибрационно-частотных преобразователей возможно при измерении постоянных или медленно изменяющихся во времени величин (частота не более 100...150 Гц). Они отличаются высокой точностью, а частотный сигнал - повышенной помехоустойчивостью. В оптоэлектрических преобразователях используются закономерности распространения и взаимодействия с веществом электромагнитных волн оптического диапазона. Основным элементом преобразователей являются приемники излучения. Простейшие из них - тепловые преобразователи - предназначены для преобразования всей падающей на них энергии излучения в температуру (интегральный преобразователь). В качестве приемников излучения используются также различные фотоэлектрические преобразователи, в которых используется явление фотоэффекта. Фотоэлектрические преобразователи являются селективными, т.е. они обладают высокой чувствительностью в сравнительно узком диапазоне длин волн. Например, внешний фотоэффект (испускание электронов под действием света) используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах и фотоумножителях. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, на внутренней поверхности которого нанесен слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из металлической проволоки. При освещении катода возникает ток фотоэмиссии. Выходные токи этих элементов не превышают нескольких микроампер. В газонаполненных фотоэлементах (для заполнения применяются инертные газы Ne, Аr, Кr, Хе) выходной ток увеличивается в 5...7 раз из-за ионизации газа фотоэлектронами. В фотоумножителях усиление первичного фототока происходит вследствие вторичной электронной эмиссии - "выбивания" электронов из вторичных катодов (эмиттеров), установленных между катодом и анодом. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях может достигать сотен тысяч, а выходной ток - 1 мА. Фотоумножители и вакуумные, элементы могут использоваться при измерениях быстро изменяющихся величин, так как явление фотоэмиссии практически безынерционно. Измерение давлений
Для измерения полного или статического давления в поток помешают специальные приемники с приемными отверстиями, которые трубками небольшого диаметра (пневмомагистралями) соединяются с соответствующими первичными преобразователями или измерительными приборами. Простейшим приемником полного давления является цилиндрическая трубка с перпендикулярно срезанным торцом, изогнутая под прямым углом и ориентированная навстречу потоку. Для уменьшения чувствительности приемника к направлению потока (например, при измерениях в потоках с небольшой закруткой) применяются специальные конструкции приемников. Например, приемники полного давления с протоком (рис. 3.3) характеризуются погрешностью измерения не более 1 % при углах скоса до 45° при числе М<0,8. При измерении статических давлений вблизи стенок каналов приемные отверстия диаметром 0,5...1 мм выполняются непосредственно в стенках (дренажные отверстия). В месте дренажа не должно быть неровностей, а кромки отверстий не должны иметь заусенцев. Этот вид измерений весьма распространен при исследовании течений в трубах и каналах в камерах сгорания, диффузорах и соплах. Рис. 3.3. Схема приемника полного давления: Рис. 3.4. Схема приемника статического давления: а - клиновидный; б - дисковый; в - Г-образный для измерений при М£1,5 Для измерений статических давлений в потоке применяются клиновидные и дисковые приемники, а также приемники в виде трубок Г-образной формы (рис. 3.4) с приемными отверстиями, расположенными на боковой поверхности. Указанные приемники хорошо работают при дозвуковых и небольших сверхзвуковых скоростях. Для исследования распределения давлений в поперечных сечениях каналов получили распространение гребенки полного и статического давлений, содержащие несколько приемников, или комбинированные гребенки, имеющие приемник как полного, так и статического давлений. При измерениях в потоках со сложной структурой течения (камеры сгорания, межлопаточные каналы турбомашин) применяются ориентируемые и неориентируемые приемники давления, позволяющие определить значения полного и статического давлений и направление вектора скорости. Первые из них предназначены для измерений в двумерных потоках, и их конструкция позволяет путем поворота устанавливать приемник в определенном положении относительно вектора местной скорости потока. Неориентируемые приемники снабжены несколькими приемными отверстиями (5...7), которые выполнены в стенках цилиндра или сферы небольшого диаметра (3...10 мм) или располагаются в концах срезанных под определенными углами трубок (диаметр 0,5...2 мм), объединенных в единый конструктивный узел (рис. 3.5). При обтекании приемника потоком вокруг него формируется определенное распределение давлений. Используя измеренные с помощью приемных отверстий значения давлений и результаты предварительной градуировки приемника в аэродинамической трубе, можно определить значения полного и статического давлений и местное направление скорости потока. При сверхзвуковых скоростях течений перед приемниками давлений возникают скачки уплотнения, и это необходимо учитывать при обработке результатов измерений. Например, по измеренным значениям статического давления в потоке р и полного за прямым скачком уплотнения р*" можно определить с помощью формулы Релея число М, а затем и значение полного давления в потоке: При испытаниях двигателей и их элементов для измерения давлений применяются различные приборы (стрелочные деформационные, жидкостные, групповые регистрирующие манометры), позволяющие оператору контролировать режимы работы экспериментальных объектов. В информационно-измерительных системах используются разнообразные первичные преобразователи. Как правило, давление, точнее разность давлений (например, между измеряемым и атмосферным, между полным и статическим и т.д.), воздействует на упругий чувствительный элемент (мембрану), деформация которого преобразуется в электрический сигнал. Наиболее часто для этого применяются индуктивные и тензочувствительные преобразователи при измерении постоянных и медленно изменяющихся давлений и пьезокристаллические и индуктивные преобразователи при измерении переменных давлений. С x , С y , С z - составляющие вектора скорости; р i - измеряемые значения давления В качестве примера на рис. 3.6 представлена схема преобразователя «Сапфир-22ДД». Преобразователи этого типа выпускаются в нескольких модификациях, предназначенных для измерения избыточного давления, разности давлений, вакуума, абсолютного давления, избыточного давления и вакуума в различных диапазонах. Упругий чувствительный элемент представляет собой металлическую мембрану 2, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми тензорезисторами. Измеряемая разность давлений воздействует на блок, состоящий из двух диафрагм 5. При смещении их центра усилие с помощью тяги 4 передается на рычаг 3, что приводит к деформации мембраны 2 с тензорезисторами. Электрический сигнал от тензорезисторов поступает в электронный блок 4, где преобразуется в унифицированный сигнал - постоянный ток 0...5 или 0...20 мА. Электрическое питание преобразователя осуществляется от источника постоянного тока напряжением 36 В. При измерениях переменных (например, пульсирующих) давлений целесообразно максимальное приближение первичного преобразователя к месту измерения, так как наличие пневмомагистрали вносит существенные изменения в амплитудно-частотную характеристику системы измерений. Предельным в этом смысле является бездренажный метод, при котором миниатюрные преобразователи давления крепятся заподлицо с поверхностью, обтекаемой потоком (стенкой канала, лопаткой компрессора и т.д.). Известны преобразователи, имеющие высоту 1,6 мм и диаметр мембраны 5 мм. Используются также системы с приемниками давления и волноводами (l~100 мм) (метод вынесенных приемников давления), в которых для улучшения динамических характеристик используются корректирующие акустические и электрические звенья. При большом числе точек измерения в измерительных системах могут применяться специальные быстродействующие пневмокоммутаторы, которые обеспечивают поочередное подключение к одному преобразователю нескольких десятков точек измерения. Для обеспечения высокой точности необходимо в рабочих условиях периодически контролировать средства измерения давления с помощью автоматических задатчиков. Измерение температур
В термоэлектрический контур можно включить разнородные проводники. При этом результирующая ЭДС не изменится, если все места соединений будут находиться при одинаковой температуре. На этом свойстве основано применение так называемых удлинительных проводов (рис. 3.7), которые присоединяются к термоэлектродам ограниченной длины, и таким Некоторые характеристики наиболее распространенных термопар даны в табл. 3.1. Таблица 3.1 Для правильного измерения температуры конструктивных элементов термопары должны заделываться таким образом, чтобы горячий спай и термоэлектроды вблизи него не выступали над поверхностью и чтобы условия теплоотдачи от термометрируемой поверхности не нарушались из-за установки термопары. Для уменьшения погрешности измерений вследствие оттока (или притока) тепла от горячего спая по термоэлектродам за счет теплопроводности термоэлектроды на некотором расстоянии вблизи спая (7...10 мм) должны прокладываться примерно по изотермам. Схема заделки термопары, удовлетворяющей указанным требованиям, приведена на рис. 3.9. В детали выполнена канавка глубиной 0,7 мм, в которую укладываются спай и прилегающие к нему термоэлектроды; спай приваривается к поверхности контактной сваркой; канавка закрывается фольгой толщиной 0,2...0,3 мм. Вывод термоэлектродов из внутренних полостей двигателя или его узлов осуществляется через штуцера. При этом необходимо следить за тем, чтобы термоэлектроды не слишком сильно нарушали структуру течения и не повреждалась их изоляция из-за трения друг о друга и об острые кромки конструкции. При измерении температур вращающихся элементов показания термопар выводятся с помощью щеточных или ртутных токосъемников. Разрабатываются также бесконтактные токосъемники. Схемы термопар, применяемых для измерения температуры потока газа, приведены на рис. 3.10. Горячий спай 1 представляет собой сферу диаметром d 0 (термоэлектроды могут также свариваться встык); термоэлектроды 2 вблизи спая закрепляются в изолирующей двухканальной керамической трубке 3, а затем выводятся из корпуса 4. На рисунке корпус 4 показан водоохлаждаемым (охлаждение необходимо при измерениях температур, превышающих 1300...1500 К), подвод и отвод охлаждающей воды осуществляются через штуцера 5. При высоких значениях температуры газа возникают методические погрешности, обусловленные отводом тепла от спая вследствие теплопроводности по термоэлектродам к корпусу термопары и излучением в окружающую среду. Потери тепла из-за теплопроводности практически полностью можно устранить, обеспечив вылет изолирующей трубки, равный 3...5 ее диаметрам. Для уменьшения отвода тепла излучением применяется экранирование термопар (рис. 3.10, б, в). Этим обеспечивается также защита спая от повреждений, а торможение потока внутри экрана способствует повышению коэффициента восстановления температуры при измерениях в высокоскоростных потоках. Разработан также метод определения температуры газа по показаниям двух термопар, имеющих термоэлектроды различного Рис. 3.9. Схема заделки термопары при измерении температуры элементов камер сгорания Рис. 3.10. Схемы термопар для измерения температуры газа: а - термопара с открытым спаем: б, в - экранированные термопары; г - двухспайная термопара; 1 - спай: 2 – термоэлектроды; 3 - керамическая трубка; 4 - корпус; 5 - штуцера для подвода и отвода воды диаметра (рис. 3.10, г), позволяющий учесть отвод тепла излучением. От конструктивного выполнения зависит инерционность термопар. Так, постоянная времени изменяется от 1...2 с для термопар с открытым спаем, до 3...5 с для экранированных термопар. При исследовании полей температур (например, за турбиной, камерой сгорания и т.д.) применяются гребенки термопар, причем в ряде случаев они устанавливаются во вращающихся турелях, что позволяет достаточно подробно определять распределение температур во всем поперечном сечении. Действие термометра сопротивления основано на изменении сопротивления проводника при изменении температуры. В качестве электросопротивления применяется проволока диаметром 0,05... 0,1 мм, выполненная из меди (t=-50...+150°С), никеля (t=-50...200°С) или платины (t=-200...500°С). Проволока наматывается на каркас и помещается в чехол. Термометры сопротивления обладают высокой точностью и надежностью, однако они характеризуются большой инерционностью и не пригодны для измерения локальных температур. Термометры сопротивления применяются для измерений температуры воздуха на входе в двигатель, температур топлив, масел и т.д. В жидкостных термометрах используется свойство теплового расширения жидкости. В качестве рабочих жидкостей применяются ртуть (t=-30...+700°C), спирт (t=-100...+75°C) и др. Жидкостные термометры используются при измерениях температуры жидких и газообразных сред в лабораторных условиях, а также при градуировке других приборов. Оптические методы измерения температуры основаны на закономерностях теплового излучения нагретых тел. На практике могут быть реализованы три типа пирометров: яркостные пирометры, работа которых основана на изменении теплового излучения тела с температурой при некоторой фиксированной длине волн; цветовые пирометры, использующие изменение с температурой распределения энергии в пределах некоторого участка спектра излучения; радиационные пирометры, основанные на зависимости от температуры общего количества излучаемой телом энергии. В настоящее время при испытаниях двигателей для измерений температур элементов конструкции нашли применение яркостные пирометры, созданные на базе фотоэлектрических приемников лучистой энергии. В качестве примера схема установки пирометра при термометрировании лопаток турбины на работающем двигателе представлена на рис. 32.11. С помощью линзы 2 «поле зрения» первичного преобразователя ограничено небольшим (5...6 мм) участком. Пирометр «осматривает» кромку и часть спинки каждой лопатки. Защитное стекло 1, выполненное из сапфира, предохраняет линзу от загрязнения и перегрева. Сигнал по световоду 3 передается к фотодетектору. Благодаря малой инерционности пирометр позволяет контролировать температуру каждой лопатки. Для измерения температур конструктивных элементов двигателя могут применяться цветовые индикаторы температуры (термокраски или термолаки) - сложные вещества, которые при достижении определенной температуры (температура перехода) резко изменяют свой цвет из-за химического взаимодействия компонентов или происходящих в них фазовых переходов. Рис. 3.11. Схема установки пирометра на двигателе: (а) (1 - подвод обдувочного воздуха; 2 - первичный преобразователь) и схема первичного преобразователя (б) (1 - защитное стекло; 2 - линза; 3 - световод) Термокраски и термолаки, будучи нанесенными на твердую поверхность, после высыхания затвердевают и образуют тонкую пленку, которая способна изменять свой цвет при температуре перехода. Например, термокраска ТП-560 белого цвета при достижении t=560 °С становится бесцветной. С помощью термоиндикаторов можно обнаружить зоны перегрева в элементах двигателя, в том числе и в труднодоступных местах. Трудоемкость измерений невелика. Однако их применение ограничено, так как не всегда можно установить, на каком режиме была достигнута максимальная температура. Кроме того, окраска термоиндикатора зависит от времени воздействия температуры. Поэтому термоиндикаторы, как правило, не могут заменить других методов измерений (например, с помощью термопар), но позволяют получить дополнительную информацию о тепловом состоянии исследуемого объекта. Выходной величиной в параметрических преобразователях является параметр электрической цепи – электрическое сопротивление или его составляющие (R, L, C). Для использования параметрического преобразователя необходим дополнительный источник питания, обеспечивающий образование выходного сигнала преобразователя. К наиболее часто применяемым параметрическим преобразователям относятся реостатные
, тензочувствительные
(тензорезисторы
), термочувствительные
(терморезисторы
или термометры сопротивления
), индуктивные
, емкостные, оптоэлектронные
(фоторезисторы, фотодиоды
и др.), ионизационные
и др. Принцип действия реостатных преобразователей
основан на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – механического перемещения. Реостатный преобразователь (рис.3.1) представляет собой реостат, подвижный контакт которого перемешается под действием измеряемой неэлектрической величины. Обмотку преобразователя изготавливают из сплавов (платина с иридием, константан, нихром, фехраль и др.). Подобные преобразователи обладают статической характеристикой преобразования со ступенчатым характером, поскольку сопротивление измеряется скачками, равными сопротивлению одного витка, что вызывает погрешность где DR – сопротивление одного витка; R – полное сопротивление преобразователя. Эта погрешность отсутствует в реохордных
преобразователях, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки. Для получения нелинейной функции преобразования применяют функциональные
реостатные преобразователи. Нужный характер преобразования часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис.3.1, в). Достоинства реостатного преобразователя: относительная простота конструкции, возможность получения высокой точности преобразования и значительных по уровню выходных сигналов. Основной недостаток – наличие скользящего контакта. Тензоэффект
, положенный в основу работы тензорезисторов
, заключается в измерении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации. Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например, растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки DR/R = S ∙
Dl/l ,
где S
– коэффициент тензочувствительности; Dl/l
– относительная деформация проволоки. Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала. Тензочувствительные проволочные преобразователи
представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к подложке проволоку. Преобразователь устанавливают таким образом, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки. В качестве материала для преобразователя обычно используют константановую проволоку (у константана – малый температурный коэффициент сопротивления) и для подложки – тонкую бумагу (0,03…0,05 мм) и плёнку лака либо клея (БФ-2, БФ-4, бакелитовый и др.). Распространение также получили фольговые преобразователи
, у которых вместо проволоки используется фольга, и пленочные тензорезисторы
, получаемые путем возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на подложку. Достоинства тензорезисторов: линейность статической характеристики преобразования, простота конструкции и малые габариты. Основной недостаток – низкая чувствительность. В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, находят применение полупроводниковые
тензочувствительные преобразователи (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензочувствительные преобразователи. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n-переходами – технология «кремний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для тензочувствительных преобразователей, особенно полупроводниковых, существенно влияние температуры на их упругие и электрические характеристики, что требует применения специальных схем температурной компенсации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста
используются компенсационные резисторы и терморезисторы). Особенно широкое применение в изготовлении измерительных преобразователей давления
в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС – «кремний на сапфире». Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых тензорезисторов создало возможность изготавливать тензорезисторы непосредственно на кристаллическом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Упругие элементы кристаллических материалов обладают упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцепление тензорезистора с мембраной за счет молекулярных сил позволяют отказаться от использования клеющих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей. На рис.3.2, а показана сапфировая мембрана 3
с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами p
-типа с положительной 1
и отрицательной 2
чувствительностями. Положительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которого отношение >0, если же <0 – чувствительность отрицательна. Структура однополоскового тензорезистора приведена на рис.3.2, б. Здесь: 1
– тензорезистор; 2
– защитное покрытие; 3
– металлизированные токоведущие дорожки; 4
– упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно располагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого включаются тензорезисторы с соответствующим значением и даже термокомпенсационные элементы. Тензорезисторы применяют для измерения деформаций и других неэлектрических величин – усилий, давлений, моментов и т.п. Распространение получили терморезисторы, выполненные из медной или платиновой проволоки. Стандартные платиновые терморезисторы
применяют для измерения температуры в диапазоне от –260 до +1100 °С, медные
– в диапазоне от –200 до +200 °С (ГОСТ 6651–78). Низкотемпературные платиновые терморезисторы (ГОСТ 12877–76) применяют для измерения температуры в пределах от –261 до –183°С. На рис.3.3, а
показано устройство платинового терморезистора. В каналах керамической трубки 2
расположены две (или четыре) секции спирали 3
из платиновой проволоки, соединенные между собой последовательно. Рисунок 3.3 − Устройство и внешний вид арматуры платинового термометра сопротивления К концам спирали припаивают выводы 4,
используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Крепление выводов и герметизацию керамической трубки производят глазурью 1
. Каналы трубки засыпают порошком безводного оксида алюминия, выполняющим роль изолятора и фиксатора спирали. Порошок безводного оксида алюминия, имеющий высокую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую передачу теплоты и малую инерционность терморезистора. Для защиты терморезистора от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру (рис.3.3, б)
из нержавеющей стали. Для медных терморезисторов зависимость сопротивления от температуры выражается уравнением R=R
0 ∙
(1+α t
) при –50 0 С ≤ t
≤ +180 0 С, где R
0 – сопротивление при t
=0 0 С; α
= 4,26∙10 –3 К –1 .Для платиновых – R=R
0 ∙
при 0 0 С ≤ t
≤ +650 0 С, где А=
3,968∙10 –3 К –1 ; В=
5,847∙10 –7 К –2 ; С
=–4,22∙10 –12 К –4 . Помимо платины и меди, для изготовления терморезисторов используют никель
(в странах дальнего зарубежья). Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы
и позисторы
) различных типов, которые характеризуются большой чувствительностью (температурный коэффициент сопротивления ТКС термисторов отрицательный и при 20°С в 10–15 раз превышает ТКС меди и платины, ТКС позисторов положительный и несколько хуже) и имеют более высокие сопротивления (до 1 МОм) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования. Термисторы используются в диапазоне температур от –60 до +120°C. где R и R 0 – сопротивления терморезистора при температурах соответственно t и t 0 ; t 0 – начальная температура рабочего диапазона; В – коэффициент преобразования. К термочувствительным преобразователям относят также термодиоды
и термотранзисторы
, у которых при изменении температуры изменяется величина сопротивления р-n перехода. Эти приборы обычно применяются в диапазоне от –80° до +150° С. Чаще всего термодиоды и терморезисторы включают в мостовые цепи и измерительные схемы в виде делителей напряжения. К достоинствам таких преобразователей относят высокие чувствительность и надежность, малые габариты, невысокую стоимость и малую инерционность. Основные недостатки: узкий диапазон рабочей температуры и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразователя. Принцип действия индуктивных преобразователей
основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи (рис.3.4). На рис.3.4 схематически показаны различные типы индуктивных преобразователей. Индуктивный преобразователь (рис.3.4, а) с переменной длиной воздушного зазора
δ характеризуется нелинейной зависимостью L = f (δ). Такой преобразователь обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01-5 мм. Рисунок 3.4 − Различные конструкции индуктивных преобразователей Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f (s)
отличаются преобразователи с переменным сечениемвоздушного зазора (рис.3.4, б).
Эти преобразователи используют при перемещениях до 10…15 мм. Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи
(рис.3.4, в),
в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей измерительной цепью (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные преобразователи. На рис.3.4,г
показана схема включения дифференциального индуктивного преобразователя
, у которого выходными величинами являются взаимные индуктивности. Такие преобразователи называют взаимно-индуктивными или трансформаторными. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря на выходных зажимах появляется ЭДС. Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50…100 мм) применяют трансформаторные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью
(рис.3.4, д).
В горной промышленности получили распространение магнитоупругие преобразователи
(рис.3.4, е
), действие которых основано на использовании эффекта зависимости магнитной проницаемости (магнитного сопротивления цепи) от величины механического воздействия (сжатия или растяжения) на ферромагнитный сердечник преобразователя. Различают магнитоупругие датчики дроссельного
и трансформаторного
типов. Последние могут контролировать только усилие сжатия, однако обладают большей чувствительностью. Достоинствами индуктивных и магнитоупругих преобразователей являются простота и надежность в работе, значительная мощность выходных сигналов. Основными недостатками – обратное воздействие преобразователя на исследуемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотные характеристики прибора. Принцип действия емкостных преобразователей
основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от значения диэлектрической проницаемости среды между ними. Они представляют собой конденсаторы различных конструкций, преобразующие механические линейные или угловые перемещения, а также давление, влажность или уровень среды в изменение электрической емкости. в
)
Рисунок 3.5 − Различные конструкции емкостных преобразователей Применяют также дифференциальные преобразователи
(рис.3.5, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х
у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С
1 и С
2 .
Такие преобразователи используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемую характеристику преобразования путем профилирования пластин. Преобразователи с использованием зависимости C = f
1 () применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. п. Для примера (рис.3.5, в)
приведем устройство емкостного уровнемера
. Емкость между электродами, опущенными в сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению средней диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости. Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяют мостовые цепи и цепи с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10 –7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции. Полупроводниковые фоточувствительные преобразователи
в качестве чувствительного элемента имеют светочувствительный слой, нанесенный на подложку (стеклянную пластинку). Сопротивление этого слоя обратно пропорционально интенсивности светового потока или мощности источника освещения. Фоторезисторы
, фотодиоды
и фототранзисторы
обладают сравнительно высокой стабильностью, хорошей чувствительностью, но их применение ограничивается при наличии пыли, например угольной, препятствующей нормальной работе. Действие ионизационных преобразователей
основано на явлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под действием ионизирующего излучения. В качестве ионизирующих агентов применяют a
–, b–
и g–
лучи радиоактивных веществ, иногда рентгеновские лучи
и нейтронное излучение
. Выбор типа ионизационного преобразователя зависит во многом от ионизирующего излучения. Гамма–лучи
(электромагнитные колебания малой длины волны – 10 –8 …10 –11 см)обладают большой проникающей способностью. Конструкции ионизационных камер и счетчиков разнообразны и зависят от вида излучения. В качестве источников ионизирующего излучения обычно используют кобальт-60, стронций-90, плутоний-239 и др. Преимущества ионизационных преобразователей – в возможности бесконтактных измерений в агрессивных или взрывоопасных средах, средах, имеющих высокою температуру или находящихся под большим давлением. Основной недостаток: необходимость применения биологической защиты при высокой активности источника излучения. Генераторные преобразователи
В генераторных преобразователях
выходной величиной является ЭДС или заряд, функционально связанный с измеряемой неэлектрической величиной. Рассмотрим наиболее распространенные виды генераторных преобразователей. Термоэлектрические преобразователи
работают на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары
: при разности температур в точках 1
и 2
(рис.3.6) соединения двух разнородных проводников в цепи термопары возникает термоЭДС
. Точку соединения проводников (электродов) 1
называют рабочим концом термопары, точки 2
и 2"
– свободными концами. Чтобы термоЭДС в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной. Градуировку термоэлектрических термометров производят обычно при температуре свободных концов 0°С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°С. При практическом применении термоэлектрических термометров температура свободных концов термопары обычно не равна 0°С и поэтому необходимо вводить поправку. Тахогенераторы
предназначены для измерения угловой скорости вращающихся объектов. Ротор тахогенераторов механически связывают с валом испытуемого электродвигателя или исполнительного механизма, а об угловой скорости w
судят по выходной ЭДС генератора. Из тахогенераторов наибольшее распространение получили тахогенераторы постоянного тока
, выпускаемые с постоянными магнитами либо с независимым возбуждением. Область их применения весьма разнообразна: прецизионные тахогенераторы постоянного тока используются в авиации, судостроении, станкостроении, металлургической и других отраслях промышленности. К преимуществам этих датчиков относят достаточно высокую точность и наличие выходного сигнала постоянного тока, удобного для последующей обработки. Основным недостатком этих тахогенераторов является наличие коллекторно-щеточного узла, снижающего надежность работы и долговечность преобразователя. Синхронные тахогенераторы
имеют малое внутреннее сопротивление, что позволяет получить от них достаточно большие мощности. При изменении частоты вращения ротора в синхронных машинах изменяется не только амплитуда выходного напряжения, но и его частота. Благодаря механической устойчивости синхронные тахогенераторы нашли применение в трамваях, локомотивах, крановом хозяйстве и др. Асинхронные тахогенераторы
по конструкции подобны двухфазным асинхронным двигателям. Их роторы обычно выполняют в виде тонкостенного металлического цилиндра. Две обмотки статора тахогенератора сдвинуты на 90° относительно друг друга. К одной обмотке подводят напряжение питания, а с измерительной обмотки снимают ЭДС. При подаче напряжения питания постоянной величины и частоты пульсирующий магнитный поток, пересекая ротор, индуктирует в измерительной обмотке ЭДС, пропорциональную угловой скорости w
ротора, приводимого в движение контролируемой машиной или механизмом. Основное достоинство асинхронных тахогенераторов состоит в том, что независимо от частоты вращения ротора ЭДС переменного тока на выходе такого тахогенератора имеет постоянную частоту. К основным недостаткам тахогенераторов относят ограниченный частотный диапазон измеряемых величин. В последние годы тахогенераторы постепенно вытесняются фотоимпульсными
и индукционными
датчиками, а также специальными интеллектуальными
преобразователями – шифраторами углового перемещения (положения)
. В фотоимпульсных датчиках
импульсы в оптоэлектронной паре источник излучения – приемник излучения (светодиод – фотопреобразователь) создаются при помощи дисков с прорезями или отверстиями, в некоторых приводах применяют вращающиеся детали машин. В подавляющем большинстве шифраторов положения
также используют в качестве чувствительного элемента оптоэлектронную пару. Импульсы индукционных датчиков
создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса либо вращающиеся ферромагнитные детали машин. В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.
Рисунок 3.7 Устройство пьезоэлектрического преобразователя
для измерения переменного давления газа показано на рис.3.7. Давление Р
через металлическую мембрану 1
передается на зажатые между металлическими прокладками 2
кварцевые пластинки 3
. Шарик 4
способствует равномерному распределению давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5
, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала. При воздействии давления Р
между выводом 5
и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов Практическая работа №4
Рис. 3.5. Схема пятиканального приемника давлений:
Для измерения температур применяются разнообразные средства измерений. Термоэлектрический термометр (термопара) представляет собой два проводника из различных материалов, соединенные (сваренные или спаянные) между собой концами (спаи). Если температуры спаев будут различны, то в цепи потечет ток под действием термоэлектродвижущей силы, значение которой зависит от материала проводников и от температур спаев. При измерениях, как правило, один из спаев термостатируется (для этого применяется тающий лед). Тогда ЭДС термопары будет однозначно связана с температурой «горячего» спая.
образом достигается экономия дорогостоящих материалов. При этом необходимо обеспечить равенство температур в местах присоединения удлинительных проводов (Т с) и термоэлектрическую идентичность их основной термопаре в диапазоне возможного изменения температур Т с и Т 0 (обычно не более 0...200°С). При практическом использовании термопар возможны случаи, когда температура Т 0 отлична от 0°С. Тогда для учета этого обстоятельства ЭДС термопары 
следует определить как E=Е изм +DE(T 0) и по градуировочной зависимости найти значение температуры. Здесь Е изм - измеренное значение ЭДС; DE(T 0) – значение ЭДС, соответствующее величине T 0 и определенное по градуировочной завиcимости. Градуировочные зависимости для термопар получают при температуре «холодных» спаев Т 0 , равной 0°С. Эти зависимости несколько отличаются от линейных. В качестве примера на рис. 3.8 приведена градуировочная зависимость для термопары платинородий-платина.
На практике наиболее распространены термопары с диаметром электродов 0,2...0,5 мм. Электроизоляция электродов достигается путем обмотки их асбестовой или кремнеземной нитью последующей пропиткой термостойким лаком, помещением термоэлектродов в керамические трубки или нанизыванием на них кусочков этих трубок («бусы»). Получили распространение термопары кабельного типа, представляющие собой два термоэлектрода, помещенные в тонкостенную оболочку, изготовленную из жаропрочной стали. Для изоляции термоэлектродов внутренняя полость оболочки набивается порошком MgO или Al 2 О 3 . Наружный диаметр оболочки - 0,5...6 мм.
Принцип действия терморезистора
основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры.По режиму работы терморезисторы различают перегревные
и без преднамеренного перегрева
. Перегревные используют для измерения скорости, плотности, состава среды и др. В перегревных преобразователях электрический ток вызывает перегрев, зависящий от свойств среды. Последние применяются для измерения температуры окружающей среды.
Обзор Samsung Galaxy A7 (2017): не боится воды и экономии Стоит ли покупать samsung a7
Делаем бэкап прошивки на андроиде
Как настроить файл подкачки?
Установка режима совместимости в Windows
Резервное копирование и восстановление драйверов Windows