Сборник лабораторных работ по курсу "Основы взаимодействия физических полей с веществом" (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Российский государственный университет нефти и газа

им.

Кафедра информационно-измерительных систем

Сборник лабораторных работ по курсу

"Основы взаимодействия физических полей с веществом"

Для студентов специальности

200106 "Информационно-измерительная техника и технологии"

Москва, 2009

УДК 621.317.39(075.8)

.

Сборник лабораторных работ по курсу «Основы взаимодействия физических полей с веществом». – М.: РГУ нефти и газа им. , 2009 г.

В сборнике представлены лабораторные работы, в которых рассмотрены вопросы общей теории работы измерительных преобразователей, методы расчеты основных характеристик преобразователей.

Методические указания предназначены для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»

Рецензент: к. т.н., доцент

В подготовке и оформлении сборника принимал участие студент группы АИ-06-7

Российский государственный университет нефти и газа

им. ,

2009

ВВЕДЕНИЕ

Любой измерительный процесс представляет собой последовательность измерительных преобразований от восприятия физической величины до формирования ее числового значения в той или иной форме. Указанные выше преобразования осуществляются с помощью измерительных преобразователей (ИП) различной физической природы.

Согласно определению ГОСТа измерительный преобразователь - это средство измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

При измерении физической величины важным является воспроизведение и селекция ее для дальнейшей обработки и окончательного представления числового значения величины. Элемент, воспринимающий физическую величину, называется чувствительным элементом (ЧЭ). Сигнал после ЧЭ преобразуется в промежуточный измерительный сигнал, который, как правило, невозможно непосредственно использовать для передачи и представления. ЧЭ входит составной частью (конструктивно или схемно) в ИП, где осуществляется формирование выходного сигнала с помощью мостовой схемы, дифференциального трансформатора, фазового детектора и других устройств, сигнал после которых уже может быть передан, преобразован и представлен в виде числового эквивалента.

Измерительный преобразователь - это устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, и имеющие определенную входную величину и соответствующую выходную величину, между которыми для каждого конкретного преобразователя, существует функциональная зависимость.

Функция преобразования измерительного преобразователя - это функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся иметь линейную характеристику преобразования, т. е. прямую пропорциональность между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины преобразователя.

Возможность получения и обработки измерительной информации в темпе технологического процесса является важным фактором. Большие объемы информации требуют немедленной систематизации и анализа для принятия соответствующих решений. В связи с этим изменились и требования, предъявляемые к измерительным преобразователям.

Измерительные преобразователи за последние годы претерпели существенные изменения. На смену механическим устройствам пришли твердотельные (полупроводниковые), сигнетоэлектрические, оптоволоконные и т. п. элементы. В настоящее время сенсорика (sensus (лат.) - ощущение, чувство) - это, фактически, целое системное направление, интегрирующее явления и эффекты, процессы и алгоритмы из таких областей знаний, как физика, химия, электроника, оптика, информатика и др.

Применение новых технологий для изготовления измерительных преобразователей позволило расширить сферы использования, а также повысить их точность, быстродействие, надежность, долговечность, значительно уменьшить габариты и массу, снизить цены.

С появлением микропроцессоров изменились требования к измерительным преобразователям. Сигнал датчика в большинстве случаев аналоговый, а для обработки в микропроцессоре должен быть представлен в цифровом виде. Такое преобразование обычно осуществляется интерфейсным устройством, включающим в себя АЦП (аналого-цифровой преобразователь).

В современных конструкторских разработках наблюдается тенденция к объединению чувствительных элементов с интерфейсными и микропроцессорными устройствами. Это позволяет предварительно обработать информацию еще до передачи ее в управляющий или контролируемый компьютер, т. е. реализовать операции высокого уровня, которые трудно осуществимы с помощью  аналоговых  устройств.  К  таким операциям относятся: подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка и др.

Использование новейших технологических достижений, в том числе и нанотехнологий, позволяет создавать измерительные преобразователи не только с высокими качественными характеристиками (чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость, отсутствие гистерезиса), но и с возможностью радикального улучшения технических характеристик: корректировка чувствительности и точки нуля, температурная компенсация, автоматическая диагностика собственного функционирования.

Таким образом, объединение в одном корпусе измерительного преобразователя чувствительного элемента, интерфейсных схем и средств цифровой обработки измерительных сигналов позволяет выполнять основные операции по преобразованию измерительной информации, в месте ее возникновения, т. е. произошла "интеллектуализация" датчиков.

Лабораторная работа № 1

Исследование виброчастотного датчика.

1.1. Цель работы.

Определение рабочей характеристики, чувствительности, гистерезиса и нелинейности виброчастотного датчика.

1.2. Теоретическая часть.

В датчиках частотного типа изменение величин измеряемого параметра приводит к изменению временных характеристик выходного электрического сигнала. В большинстве датчиков изменяется частота выходного импульсного сигнала, уровень которого непос­редственно согласуется с уровнями сигналов цифровых измерительных схем.

Передача сигнала от датчика в виде частотного сигнала позволят резко уменьшить влияние помех в линии связи датчик-измеритель на результаты достигнутых измерений. Цифровой счет частоты позволяет также легко осуществлять операции интегрирования и усреднения результатов по любому необходимому отрезку времени.

По характеру процессов в частотно-задающей части датчики могут быть резонаторные и нерезонаторные.

В резонирующих системах датчиков могут существовать как свободные, так и вынужденные колебания. Нерезонирующие системы работают в режиме вынужденных колебаний. Частотные датчики с механическими резонирующими системами, так называемые виброчастотные, обладают высокой стабильной характеристикой. Принцип действия струнных виброчастотных датчиков основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны от ее длины и силы натяжения. Если натяжение струны создает приложенная измеряемая сила, говорят, что струна работает в режиме преобразования силы. В этом случае частота собственных колебаний струны зависит от приложенной силы по закону:

где

- частота собственных колебаний струны;

Fx - приложенная сила.

Погрешности струнного датчика определяются его конструкцией, примененными материалами струны и упругого элемента, способом крепления струны, технологией из­готовления и сборки деталей датчика.

В качестве струн используют обычно материалы с хорошими упругими свойствами, обычно сталь или фосфористую бронзу. При этом при работе датчика в режиме заданной длины весь датчик выполняется из стали той же марки, из которой сделан упругий элемент, что уменьшает температурные погрешности.

Важным вопросом конструкции, влияющим на точность преобразования, является способ крепления струны. Крепление, в принципе, нарушает однородность струны, так как любое зажатие струны изменяет ее геометрические размеры и свойства материала. Это, в свою очередь, приводит к зависимости частоты колебаний от амплитуды и к дополнительной нелинейности характеристик преобразования, то есть к уменьшению стабильности и произвольному изменению характеристики.

Все вопросы крепления и температурных погрешностей согласования материалов снимаются при изготовлении струны упругого элемента и корпуса датчика из одного куска стали.

Существенным оказывается и наличие трения о воздух. Как известно, при наличии потерь за счет трения о воздух частота колебания струны отличается от собственной частоты. При изменении атмосферного давления или влажности изменяется плотность воздуха и изменяется трение. Это приводит к изменению частоты датчика. Для уменьшения этой погрешности датчики герметизируют.

Струнные датчики могут работать в режиме свободных колебаний, вынужденных колебаний и в автоколебательном режиме.

В режиме свободных колебаний осуществляется периодическое возбуждение струны коротким импульсом, и после его прекращения осуществляется измерение длительности одного или нескольких периодов свободных колебаний струны.

В режиме вынужденных колебаний на возбудитель колебаний струны подается от генератора переменный сигнал с изменяющейся медленно частотой (от так называемого свипгенератора). Поэтому амплитуда колебаний струны и сигнала приемника изменяется, достигая максимального значения при совпадении частоты возбуждающего сигнала с собственной частотой колебаний струны (при резонансе). Измерения периода колебаний струны производятся только при этой максимальной амплитуде.

В режиме автоколебаний струна включается в цепь обратной связи. Глубина положительной связи устанавливается такой, чтобы колебания всегда поддерживались на частоте резонанса.