Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
РТ
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2009
Тип роботи:
Методичні вказівки
Предмет:
Метрологія
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ВИМІРЮВАННЯ НЕЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до виконання лабораторних робіт
з курсу “Методи та засоби вимірювання неелектричних величин” для студентів базового напрямку 6.051001 "Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології" стаціонарної та заочної форм навчання
Частина 2
Затверджено
на засіданні кафедри
“Інформаційно-вимірювальні
технології”
Протокол № 13 - 2008 / 2009
від 12 червня 2009 р.
Львів – 2009
Методи та засоби вимірювання неелектричних величин: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу “Методи та засоби вимірювання неелектричних величин” для студентів базового напрямку 6.051001 "Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології" стаціонарної та заочної форм навчання. Частина 2 / Укл. Є.С. Поліщук, П.І. Скоропад, П.Р. Гамула – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2009. – 70 c.
Укладачі Поліщук Є.С., канд. техн. наук, проф.,
Скоропад П.І., д-р. техн. наук, проф.,
Гамула П.Р., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск Стадник Б.І., д-р. техн. наук, проф.
Рецензент Яцук В.О., д-р. техн. наук, проф.
ЛАБОРАТОРНA РОБОТA № 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ПІРОМЕТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ЧАСТКОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Мета роботи – ознайомитись із принципом дії, основним и характерис ти ка ми і областю застосування пірометричних пере тво рювачів часткового випромінювання ,а також набути практичні навики з дослі джен ня їх функції перетворення
ЗМІСТ РОБОТИ
1. Вивчити принцип дії пірометричних перетворювачів частково го випромі ню ван ня.
2. Ознайомитись із основними характеристиками і областю за стосування піромет рич них перетворювачів часткового випромінювання.
3. Ознайомитись із завданням і виконати необхідні розрахунки.
4. Експериментально зняти характеристику пірометричного пере творю вача, апрок симувати її інтерполяційною формулою Лагранжа і оцінити похиб ку іденти фікації.
5. Оформити звіт.
ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
1. Пірометричні перетворювачі часткового випромінюван ня.
На сьогоднішній день поряд із традиційними контактними метода ми вимірю вання температури широко використовуються безконтактні, або мето ди вимі рювання температури тіл за їх випромінюванням (методи пірометрії).
Весь оптичний діапазон спектра випромінювання лежить між λ-ви проміню ван ням і радіохвилями, і знаходиться в межах від 1 нм до 1 мм. Всередині діапазону виділяють інфрачервону область ( λ = 0,78 мкм) , що дає теплове відчуття, видиму область (0,38 ≤ λ ≤0,78 мкм) , що забезпечує зорове відчуття (відчуття кольору) і невидиму ультрафіо летову область (λ > 0,38 мкм).
В залежності від спектральної чутливості пірометричні перетво рювачі бу вають часткового і повного випромінювання, а також спект рального відношення. Перетворювачі повного випромінювання сприйма ють теплову дію нагрітого тіла всього частотного спектра його випро мінювання, а пірометри часткового ви промінювання - теплову дію лише в певному діапазоні довжин хвиль. Перетворювачі спектрального від ношення базуються на залежності відношення яскравостей в двох або - декількох спектральних інтервалах від температури.
Серед безконтактних засобів вимірювання температури широкого розповсюдження набув агрегатний комплекс стаціонарних пірометричних перетворювачів і пірометрів випромінювання АПИР-С, що являє собою су куп ність первинних пірометричних перетворювачів, вторинних вимі рювальних при ладів і необхідних для забезпечення їх роботи допоміж них пристроїв, об'єднаних в уніфіковані параметричні ряди піромет ричних перетворювачів Державної сис те ми приладів (ДСП). Засоби ви мірювання АПИР-С призначені як для комп лектування АСУ ТП, так і для створення локальних систем вимірювання, контро лю і регулювання тем ператури методом пірометрії.
В перетворювачах часткового випромінювання як чутливий елемент ви ко рис товується кремнієвий або германієвий фотодіод, а позначають ся вони абревіатурою ПЧД. Робочий спектральний діапазон перетворю вачів ПЧД визначається типом світлофільтра і фотодіода і знаходить ся в межах 0,7...1,6 мкм, 0.8...1.8 мкм
Показник візування визначається як відношення діаметра об'єкта, темпе ра туру якого вимірюють, до віддалі від об'єкта до перетворювача.
Пірометричний перетворювач того чи іншого класу (повного чи часткового випромінювання), а також робочий спектральний діапазон вибираються на основі вивчення характеристик об'єкта випромінювання і проміжного середовища. Показання пірометрів повного випромінювання істотно залежать від випромінювальних властивостей поверхонь об'єк тів випромінювання і використовуються для об'єктів з високим ста більним коефіцієнтом випромінювальної здатності. Пірометри частко вого випромінювання застосовуються переважно при обробці металів.
2. Особливості роботи фотодіодних приймачів випромінювання
Фотодіод - найбільш поширений приймач, що застосовується в пі рометрії випромінювання. Здебільшого фотодіоди використовуються без модуляції потоку випромінювання, що дозволяє значно спростити конст рукцію перетворювача і підвищити його надійність.
Фотодіоди можуть працювати в двох режимах - фотогенераторному (вентильному) і фотодіодному .
Вольт-амперні характеристики фотодіода показані на рис. 1.
В фотогенераторному режимі відсутнє зовнішнє джерело живлення, а в фотодіодному до фотодіода прикла дена зовнішня запираюча напруга.
Для фотодіода, ек ранованого від падаючо го випромінювання, ха рактеристика мас вигляд нижньої кривої, а при попаданні на фотодіод випромінювання крива зміщується в залежності від інтенсивності ви промінювання.
Прямі 1, 2 і 3 відповідають навантажу вальним прямим відповід но в генера торному режимі при великому (1) чи малому (2) опорах на вантаження, а також в фотодіодному режимі (3).
Схеми включення фотодіодів фотодіодному і фотогенераторному режимах показані на рис. 2.
а) б)
Рис.2. Схеми ввімкнення фотодіодів
При використанні фотодіода в фотодіодному режимі (рис. 2, а) можна отри мати високу чутливість за рахунок високоомного резисто ра Rн але фотодіоду влас тиві значні шуми, а також вплив темпового струму Іт фотодіода, який зале жить від прикладеної напруги і значно - від зміни температури оточуючого сере довища ΔІ /ΔТ ≈ 10% / ˚С ).
Для вимірювання випромінювання низького рівня використовується фотоге не раторне включення фотодіода, при якому останній сам є дже релом енергії і не потребує зовнішнього живлення (рис. 2, б).
В схемі фотогенераторного включення фотодіода можливі два гра ничних ре жи ми ро боти:
а) неробочого ходу, коли R→∞ (пряма 1 на рис. 1 перетво рюється в горизон тальну лі нію);
б) короткого замикання., коли Rн→0 (пряма 2 на рис, 1 пе реходить в вертикальну лі нію).
Режим неробочого ходу порівняно з режимом короткого замикання має набагато вищу чутливість, але більш значну залежність струму фо тодіода від зміни температури оточую чого середовища (∆Ux/∆Т ≈ 0,3˚С ; ∆ІК3/∆Т ≈ 0,05%/°С).
На відміну від режиму неробочого ходу режим короткого замикан ня має кращі темпе ратурну і часову стабільність, а також більш лі нійну світлову характеристику (залежність струму від освітленості).
Однією з найважливіших характеристик фотодіодних перетворюва чів є відносна спек тральна характеристика ,де Sλ = ΔI \ ∆Pλ відношення прирос ту фото стру му до зміни густини монохроматичного потоку з довжиною хвилі λ; Sλmax – максимальне значення монохроматичної чутливості.
Область спектральної чутливості – це область довжин хвиль, в якій в фотодіоді генеру ється відчутний фото струм.
Типові відносні спектральні характеристики германієвого (кри ва 1) і кремніє вого (крива 2) фотодіодів показані на рис. 3.
Довгохвильова гра ниця зумовлена шириною забороненої зони напівпровід ника і для Gе становить приблизно 1,8 мкм, а для Si -1,1 мкм. Короткохвильо ва границя (приблизно 0,4 мкм) зумовлена тим, що в області коротких хвиль коефі цієнт поглинання фотонів дуже великий, випромінювання поглинається близько до поверхні, де час релаксації дуже малий. Внаслідок цього фотоносії струму ре ком бінують ра ніше , ніж виходять з поверхневого шару.
Фотодіоди є швидкодіючими приймачами і можуть працювати на частотах, більших за 109 Гц.
3. Основні технічні характеристики і опис конструкції досліджуваного пере творювача ПЧД
Основні технічні характеристики перетворювача ПЧД-131 градуювання ДГ-11
Діапазон вимірювання 700..1100 ˚С
Клас точності 0,6
Номінальна робоча віддаль 1000 ± 20 мм
Показник візування 1:100
Температура оточуючого середовища :
номінальна 20 ± 5 °С
робоча +5…+50 °С
Робочий спектральний діапазон 0,8...1,8 мкм
Фотодіод (германієвий фотодіод ФД-3А) працює в режимі коротко го за ми кання. Для зменшення впливу оточуючого середовища фотодіод термоста то ва ний при температурі (39±2)°С. При встановленні перетворювача від об'єкта на від далі, відмінній від номінальної (1000 мм), мінімальний розмір об'єкта не повинен бути меншим вказаного в табл. 1, в якій приведена залежність лінійних розмірів від віддалі до нього.
Таблиця 1
Віддаль до об'єкта, м
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
Діаметр об'єкта, мм
20
10
20
ЗО
40
50
70
Градуювальна характеристика перетворювача ПЧД-131 градуювання
ДГ-11 приведена в табл. 2.
Таблиця 2
Градуювальна характеристика перетворювача ПЧД-131 градуювання ДГ-11
№ п/п
Температура абсолютно чорного тіла, °С
Струм короткого замикання фото діода, мкА
Чутливість,
мкА/°С
1
700
2,965
0,042
2
800
7,634
0,069
3
900
16,886
0,124
4
1000
32,146
0,203
5
1100
57,671
0,273
Принципова електрична схема перетворювача пірометричного ПЧД-131 зображена на рис. 4.
Рис. 4 На схемі прийня тj такі по зна чення:
V1-транзистор
ГТ310А ; B1- фотодіод; R1 - опір нагрівача; Х1- вилка РС7; Х2 - ко лодка.
Опис конструкції перетворювача ПЧД-131
Рис.5. Загальний вигляд перетворювача ПЧД-131
Пірометричний перетворювач зібраний на двох кронштейнах 1 і 8, скріплених між собою гвинтами (рис. 5). На кронштейні 8 кріпиться об'єктив 10, апертурна діафрагма 9 і захисне скло 14, а на крон штейні 1 - польова діафрагма 7, конденсатор 6, приймач випроміню вання 3 і окуляр 2, які виставляються згідно оптичної схеми.
Об'єктив складається з лінзи 2, завальцьованої в металеву втулку, яка кріпиться на кронштейні і служить для одержання зобра ження об'єкта в площині польової діафрагми 7.
Польова діафрагма призначена для одержання заданого показника візування.
Конденсатор 6 складається із втулки і двох однакових лінз, роз ділених кіль цем, і призначений для передачі зображення із площини польової діафрагми в пло щину приймача. Захисне скло 14 служить для захисту оптичної системи від зовнішніх забруднень.
Приймач випромінювання призначений для перетворення світлового потоку в електричний сигнал і складається із фотодіода 4, світло фільтра 5 і діафрагми 14, які поміщені в термостат 13. Світлофільтр виділяє із потоку випромінювання ту спектральну область, в якій пра цює фотодіод як датчик світлового потоку. Для одержання стандартної номінальної статичної характеристики передбачена апер турна діафраг ма 10, пересуванням якої підганяється характеристика кожного кон кретного датчика до номінальної статичної градуювальної, характерис тики.
Термостат виготовлений у вигляді двостінного циліндра, між стінками якого по міщено пінопласт. Встановлювачем температури служить транзистор ГТ310А, сигнал якого використовується для нагрівання манга нінового нагрівника R1 (див. рис. 4).
4. Визначення дійсної характеристики перетворювача ПЧД-1З1 і похибки іден ти фікації, обумовленої похибками засобів вимірювань
Дійсну характеристику досліджуваного перетворювача можна визна чити по рів нянням із зразковим по температурній лампі або шляхом ви мірювання тем пе ратури чорного тіла, на яке скерований перетворювач, і вихідного струму перет во рювача.
В даній роботі використовується другий спосіб. Очевидно, що похибки вимі рю вання як температури, так і вихідного струму, перетво рювача спри чинять по хибку ідентифікації характеристики перетворюва ча. Оскільки до зразкових засо бів вимірювань ставиться вимога, щоб вони мали похибку в 3…5 раз меншу від по хибки досліджуваних, то нормована по хибка досліджуваного перетворювач не може бути меншою, ніж 3…5 похибок ідентифікації.
Схема дослідження перетворювача зображена на рис. 6.
Дійсну характеристику перетворювача визначають шляхом подання напруги жив лення з автотрансформатора на електричну піч і вимірю вання сил струму, що протікає через однозначну міру електричного опору, при заданих температурах, які контролюються термоелектричним перетворю вачем і потенціометром.
Похибка ідентифікації градуювалької характеристики пірометрич ного перетво рю вача має дві складові:
а) похибку вимірювання струму ;
б) похибку, обумовлену тим , що сама температура встановлюється (ви мірю єть ся) з певною похибкою (тобто струм вимірюється при деякій температурі Ti + ∆Тi а сила струму Іi присвоюється точці Ti ).
Похибку ідентифікації можна визначити аналогічно до знаходженняю похиб ки при непрямих вимірюваннях. Тобто, якщо
І = f( Іi ,Ti ,T ) (1)
де Іi , Ti - відповідно сила струму і температура в даній точці і =1 …n , то
∆IΣi = (2)
відповідно похибки вимірювання струму і температу ри чутливість перетворювача в ній.
Струм Iі визначається шляхом вимірювання цифровим мілівольт метром спад ку на пру ги Uна однозначній мірі електричного опору R
Тоді
, (3)
Де – границя допустимої відносної похибки вимірювання напру ги . мілі вольтметром; - клас точності зразкового опору R. Основні технічні харак терис тики засобів вимірювань подано нижче.
Температура вимірюється за допомогою комплекту, що складається з термо елек тричного перетворювача з індивідуальною статичною характерис тикою пе ретворення і по тенціометра, основні технічні характеристики яких приведені нижче.
Тоді
, (4)
де , ΔТіП – похибка вимірювання температури обумовле на похибкою від повідно ТП і потенціометра; – похибка потенці ометра при вимірюванні термо-ЕРС що відповідає температурі SіTП - чутливість градуювальної кривої ТП при температурі Ті.
Сумарна похибка ідентифікації градуювальної характеристики пі рометричного перетворювача ПЧД-131 в кожній із точок визначається за формулою
. (5)
ЗАВДАННЯ
1. Визначити похибку ідентифікації характеристики пірометрич ного перетворювача при температурі Tі , якщо задано технічні харак теристики використа них засобів вимірюван ня температури і струму. Зробити висновки про можливе значення нормованої похибки перетво рювача.
2. Провести експеримент для визначенняю дійсної характеристики піромет ричного пе ре творювача. Оцінити похибку ідентифікації. Зроби ти висновок про можливість присво єння класу точності перетворювачу. Апроксимувати характеристику інтерполяційною формулою Лагранжа.
ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ
1. Зняти характеристику пірометричного перетворювача при тем пературах 700, 800, 900, 1000 і 1100 °С спочатку при збільшенні температури до заданої а потім - при змен шен ні її до заданої . Дійсне значення вимірювальної напруги, що відповідає заданій темпера турі, визначається як . Експери ментальні дані внести в табл.3.
При вивченні характеристики слід звернути увагу на таке:
а) температура АЧТ збільшується поданням напруги живлення з автотрансформатора (U=220 В), а зменшується відключенням напру ги живлення і вмиканням охолоджуючого вентилятора;
б) пірометричний перетворювач повинен бути встановлений на віддалі 1000 мм, скерований на центр АЧТ і не міняти свого положен ня під час експерименту;
в) при дослідженні перетворювача ПЧД-131 необхідно вивести тер мо стат фотодіода на заданий режим, про що сигналізує мигання світло діо да на блоці живлення перетворювача;
г) встановлення необхідної температури АЧТ контролюється термо електричним перетворювачем і потенціометром. Для контролю, наприк лад, температури 700 °С, на потенціометрі необхідно виставити ЕРС , де е- номінальне значення ЕРС перетворювача при температурі гарячого злюту 700°С і температурі вільних кінців 0°С (взяти з індивідуальної статичної характеристики перетворення перетворювача);–термо-ЕРС, що відповідає температурі вільних кінців 0 °С перетворювача (взяти з градуювальної харак те рис тики для температури оточуючого середови ща ).
Коли термо-ЕРС термоелектричного перетворювача досягне значення встанов ле ного на потенціометрі, то температура АЧТ досягне заданої, наприклад 700 °С.
2. Обчислити похибку ідентифікації характеристики пірометрич ного пере творювача і заповнити табл. 3 експериментальних даних.
№
Ті, °С
ен, мВ
θв ,°С
ек, мВ
SіТП , мВ/°С
ΔТіТП , °С
ΔUiТП , мкВ
ΔТіП ,°С
ΔТі°С
,мВ
,мВ
δUi ,%
R Ом
δ R, %
Ii , мкА
ΔIi, мкА
ΔIΣi , мкА
2. Записати характеристики використаних засобів ви мірювання.
3. Апроксимувати градуювальну характеристику інтерполяційною формулою Лагранжа та роздрукувати характеристики згідно програми.
ЗМІСТ ЗВІТУ
Завдання.
Попередні розрахунки.
Схема дослідження.
Технічні характеристики використаних засобів вимірювання.
Таблиця результатів і формули, по яких визначались значення всіх величин, що подані в таблиці.
Роздрук градуювальної характеристики.
Висновок згідно поставленого завдання.
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
Пояснити принцип дії пірометричного перетворювача частково го випро мінювання.
Який робочий спектральний діапазон пірометричних перетворю вачів часткового випромінювання?
Чим задається спектральний діапазон пірометричних перетво рювачів часткового випромінювання?
Які приймачі використовуються в пірометричних перетворюва чах часткового випромінювання?
5. Назвати характеристики фотодіодів.
6. Охарактеризувати режими роботи фотодіодів і їх характерис тики.
7. Що таке похибка ідентифікації характеристики перетворювача і як вона оцінюється ?
ДОДАТКИ
Основні технічні характеристики засобів вимірювань
Цифровий мілівольтметр ВК 2-20
Межі вимірювання
2мВ, 20мВ
Межа основної допустимої похибки
на межі 2 мВ
на межі 20 мВ
де Ui вимірюване значення
Однозначна міра електричного опору
Номінальний опір R, Ом
100
Клас точності δR, %
0,01
Потенціометр ПП-63
Межі вимірювання
25мВ, 50мВ, 100мВ
Основна допустима похибка
де Umin=2,5·10-5B для діапазону 25мВ
Umin=5·10-5B для діапазону 50мВ
Umin=10·10-5B для діапазону 100мВ
Термоелектричний перетворювач ТХА з індивідуальною статичною характеристикою перетворення
T, °С
700
800
900
1000
1100
e, мВ
24,128
33,277
37,325
41,269
45,108
SТП, мВ/°С
0,042
0,041
0,040
0,039
0,038
ΔТТП, °С
2,8
3,2
3,5
3,8
4,2
Номінальна статична характеристика перетворення ТХА в діапазоні 15...30°С
T, °С
15
16
17
18
19
20
21
22
e, мВ
0,597
0,637
0,677
0,718
0,758
0,498
0,838
0,879
продовження
T, °С
23
24
25
26
27
28
29
30
e, мВ
0,919
0,960
1,000
1,041
1,081
1,122
1,162
1,203
Інтерполяційна формула Лагранжа
де х1,... хn – виміряні значення аргумента х в точках і=1...n;
у1,... уn виміряні значення функції у в точках і=1...n;
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8
ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВІБРАЦІЙ
Мета роботи – ознайомитись з принципом дії, будовою та застосуванням п'єзоелектричних перетворювачів й отримати прак тич ні навики з їх застосування для вимірювання параметрів коливаль ного руху.
ЗМІСТ РОБОТИ
1. Ознайомитись з основними поняттями віброметрії.
2. Вивчити принцип дії п'єзоелектричних перетворювачів і ознайомитись з їх основними технічними характеристиками (табл. 2.1).
3. Вивчити схеми ввімкнення акселерометрів та їх застосу вання для вимірювання параметрів коливального руху.
4. Виходячи з заданих викладачем частоти та амплітуди ви хідного сигналу акселерометра і його чутливості, визначити амплі туду прискорень і коливань механічної системи та оцінити похибку вимірювань для заданих засобів вимірювань.
5. Виконати експеримент і опрацювати дані.
6. Оформити звіт.
ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
1. Поняття віброметрії
Основними параметрами вібрацій (коливального руху), які найчастіше вимі рюються, є вібраційні переміщення, швидкість та прискорення. Прилади, що ви мірюють ці величини відповідно називаються віброметри, велосиметри та аксе лерометри. Вимірювальні перетворення вказаних параметрів здійснюються за допомогою механічної інерційної системи та перетворювача, що сприймає її коливання.
На рис. 1. зображено механічну інерційну систему, де 1 -об'єкт, що досліджу ється; 2 - інерційна маса; 3 – заспокоювач; 4 – протидіючий пружний елемент.
Диференційне рівняння руху маси т цієї системи під дією руху об'єкта 1 має вигляд
(1)
де y=y(t) - переміщення інерційної маси;
x=x(t) - досліджуване переміщення (вібрація) об'єкта;
р - коефіцієнт заспокоєння заспокоювача 3;
w – питомий протидіючий момент пружного елемента 4
Рис. 1. Механічна інерційна система
У залежності від співвідношення між частотою вібрації ω та власною частотою коливань інерційної маси переміщення інерційної маси є пропорційним або до переміщення, або до прискорення досліджуваного об'єкта.
Якщо η=ω/ω0>> 1, то розв'язком рівняння (1) є
(2)
тобто інерційна маса здійснює коливальний рух з амплітудою, що дорівнює амплітуді вібрації.
Якщо η<<1 , тоді маємо
(3)
звідки видно, що амплітуда коливань інерційної маси з множником є пропорційною до амплітуди прискорення об'єкта, вібрація яко¬го досліджується. Останнє стає зрозумілим, якщо пригадати, що прискорення
(4)
Таким чином, на основі описаного принципу можуть будувати ся як перетворювачі віброметрів, так і акселерометрів. У вібро метрах власна частота коливань у декілька разів нижча від найниж чої частоти вібрації, а в акселерометрах навпаки – власна часто та коливань в декілька разів вища від верхньої частоти вібрації. Тензорезистори, реостатні перетворювачі, п'езоперетворювачі та ін. використовуються як чутливі елементі переміщення рухомої ма си. Малі габарити, простота конструкції, надійність, висока точ ність зумовила широке застосування п'єзоелектричних перетворюва чі в.
2. П'єзоелектричні перетворювачі
Принципи дії п'єзоелектричного перетворювача базується на використанні прямого п'єзоелектричного ефекту, суть якого поля гає в електричній поляризації певного класу кристалічних ді електриків, по називаються п'єзоелектриками, при механічному на пруженні в їх кристалах. Найбільш уживаними п'єзоелектриками в кварц, титанат барію, титанат свинцю, цирконах свинцю та ін.
Якщо до пластини, певним чином вирізаної з кристала квар цу, прикласти механічну силу, то на її гранях виникає електрич ний заряд. Особливістю п'єзоефекту є його знакочутливість, тоб то зміна знаку заряду при переході від стиску кристала до його розтягу.
Спрощена конструкція п'єзоелектричного акселерометра зображена на рис. 2.
Рис. 2. П’єзоелектричний акселерометр
Між внутрішньою стороною основи корпуса 5 та інерційною масою 2 розміщено п’єзоелектричний перетворювач 3, що складається з двох п’єзо чут ли вих елементів з різними напрямами поляризації. Корпус є одночасно одним із електродів, іншим електродом є контактна пластина 6, що з’єднана електрично з вихідним роз’ємом 4. Вся конструкція скріплена натяжним гвинтом 7 з пружиною 1, що створюють попередній стиск п’єзоелемента
Дві пластини п'єзоелектрика розміщені так, що напрямки їх поляризації є протилежні і заряд на середній контактній шайбі по двоюється.
Під дією вібрації п'єзоелементи акселерометра деформуються (працюють на стиснення-розтягнення) за рахунок інерційної сили, пропор ційної до прискорення. При цьому на обкладинках п'єзоелемента з'являється знакозмінний заряд Q, а на виході акселерометра ви никає змінна напруга, значення якої є пропорційним до прискорення і дорівнює (- ємність акселерометра). Електрична схема під'єднання перетворювача зображена не рис. 2.3, для якої має місце рівність ,
де СК, СН.- ємність провідників і навантаження відповідно; RH – активний опір навантаження
Рис. 3. Схема під'єднання перетво рювача
Акселерометри характеризуються низкою параметрів, але їх ос новними екс плуа та ційними характеристиками є діапазон вимірюваль них прискорень, частот ний діапа зон та коефіцієнт перетворення , де - амплітуда вихідного сигналу, ам плітуда прискорень.
Технічні дані деяких серійних п'єзоелектричних акселеро метрів подано у табл. 1.
Таблиця 1
Технічні дані серійних п'єзоелектричних акселеро метрів
Тип аксе ле ро метра
Коефіцієнт перетворен ня,*мВ·сек/м
Верхня межа ви мі рю ваних при ско рень,м/сек2
Робочий діапазон частот, Гц
Маса, г
Ємність на вант. пФ
АВС 034
50000
20…30000
16,3
2500
АВС 016-04
0,8±0,3
3000
20…5000
30
2500
АВС 016-02
0,15±0,05
10000
20…20000
20
2500
АВС 004-01
7,0±2,0
400
8…125
30
2500
АВС 036-03
30000
20…20000
14,7
600
АВС 036-02
0,3±0,1
300
20…10000
19,2
600
*нормується при певному значенні СН.
Як видно з таблиці, окремі примірники перетворювачів у ме жах типу можуть мати значний розкид значень їх коефіцієнта пере творення. Тому в паспорті на конкретний акселерометр наводиться дійсне значення його чутливості.
Основною метрологічною характеристикою акселерометра є його основна похибка, яка вказує на можливі відхилення значення ко ефіцієнта перетворення у межах вимірюваних прискорень. Для даних в табл. 1 акселерометрів значення основної по хиб ки становить ±10%. При цьому додаткова температурна похибка становить ±0,15% на 1°С у діапазоні температур 50...200°С.
3. Вторинні прилади вимірювачів параметрів вібрації
Оскільки вихідною величиною п'єзоелектричних перетворювачів є змінна напруга, то вторинними приладами відповідних вимірювачів є вольтметри змінного струму. При цьому необ хідно погоджувати опори перетворювача і вторинного приладу. Ко ефіцієнт перетворення п'єзоелектричного перетворювача нормується для певного значення ємності навантаження, тому вхідний опір вольтметра шунтується конденсатором необхідної ємності. Це стає можливим у випадку застосування електронних вольтметрів, активна складова вхідного опору яких суттєво більша від ємності на найниж чій робочій частоті. Якщо ємність навантаження відрізняється від номінальної, то коефіцієнт перетворення слід перерахувати згідно із співвідношенням;
, (5)
де – номінальний коефіцієнт перетворення; – номінальне значення єм ності навантаження.
Рис. 4. Схема під'єднання акселерометра з погодженням опорів
Для погодження опорів іноді використовують проміжні підсилювачі, ввімкнення яких здійснюється згідно зі схемою рис. 4.
У цьому випадку застосування операційного підсилювача ОП дозволяє не тільки погоджувати опори, а й підвищувати чутливість перетворювача. Прості інтегральні співвідношення між прискоренням, швидкістю, переміщенням дозволяють будувати універсальні прилади, що вимірюють не тільки прискорення, а й швидкість вібрації та вібраційні переміщення. Структурна схема такого приладу зображена на рис. 5.
Рис. 5. Структурна схема універсального засобу ви мірювань параметрів вібрації: А - акселерометр; ПП - проміжний підсилювач з коефі цієнтом підсилення kп ; І - інтегратор; ВА, ВШ, ВП -вольтметри, покази яких пропорційні до прискорення а(t), швидкості V(t) і переміщення x(t) віб рацій відповідно
Вимірювання з допомогою вольтметра параметрів вібрацій можливі живе за умови їх гармонійності, тому що лише в цьому ви падку є однозначний зв'язок між інтегральними характеристиками сигналу та його миттєвими значеннями.
У більшості практичних випадків вібрації мають періодич ний несинусоїдальний характер і для вимірювання миттєвих значень їх параметрів слід використовувати вимірювальні осцилографи, а для визначення спектрального складу - спеціальні прилади для ви мірювання спектральних характеристик електричних сигналів.
ЗАВДАННЯ
1. Виходячи з заданих частоти f та амплітудного значення Uт вихідного сиг на лу акселерометра, а також його чутливості k , визначити амплітуду прискорень і амплітуду вібрації меха нічної системи, на якій прикріплено акселерометр. Оцінити похибки вимірювань прискорення та вібрації для за даних засобів вимірювань.
2. Виконати експеримент згідно з вказівками п. 4 і оці нити похибки вимірювань.
ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ
На рис. 6 спрощено зображено макет для вимірювання пара метрів вібрацій.
Рис. 6. Схематичне зображення макета
Як джерело вібраційного руху при виконанні лабораторної роботи використовується консольно закріплена пластина 1 з пружної сталі. Її геометричні роз міри вибрані такими, щоб власна частина коливань лежала в смузі використо вуваних робочих частот акселеромет ра . Для збудження коливань пластини вико ристана шпуля індуктивності 2 з стальним осердям, що живиться від генератора сигналів низької частоти.
Акселерометр кріпиться до пластини за допомогою спеціальної (призначеної для таких цілей) мастики.
Сигнал акселерометра через роз’єм під'єднано до входу підсилювача 5, який служить як для попереднього підсилення (kп=2), так і для погодження імпедансів. Харак теристики вихідно го сигналу акселерометра визначають за допомогою осцилографа 6 і частотоміра 7, що підімкнені до виходу підсилювача.
Дня проведення лабораторної роботи слід зібрати схему (під'єднати генератор, осцилограф, частотомір та живлення під силювача) і, плавно змінюючи частоту генератора в смузі 40...100 Гц, зафіксувати резонансну частоту коливання пластини. За допомогою осцилографа і частотоміра виміряти частоту і амплітуду коливань.
Змінити за вказівкою викладача власну частоту коливань пластини (змінюючи місцеположення самого акселерометра чи соленоїда) і повторити експеримент.
Експериментальні дані і результати їх опрацювання внести у таблицю
№ п/п
Тип перетворювача
Коефіцієнт перетво
рен ня k, мВ·сек2/м
Похибка коефіцієнта пе ретворення, δk,%
Частота коливань, f, Гц
Похибка вимірювання частоти, δf, %
Виміряна напруга,
Um, мВ
Похибка вимірювання напруги, δUm, %
Амплітуда прискорень,
Am
Похибка амплітуд при ско рень, δгрАm, %
Амплітуда вібрації Хm, мм
Похибка амплітуди вібра ції, δгрХm, %
Основні співвідношення для опрацювання даних такі:
Амплітуда прискорення вібрації Ат визначається за форму лою
(6)
де Um - амплітудне значення вихідної напруги підсилювача; kп – коефіцієнт підсилення попереднього підсилювача; k - чутливість п'єзоперетворювача. Враховуючи (4), вираз для амплітуди коливань xт має вигляд
, (7)
де ω, f, T- відповідно кругова і циклічна частота та період коливань пластини.
Відносна похибка вимірювання амплітуди прискорення за (5) становить
, (8)
а її граничне значення
, (9)
де , , δk – відносні похибки вимірювання напруги, коефіцієнта підси лення підсилювача і коефіцієнта чутливості акселерометра відповідно. Аналогічно за (6) маємо
, (10)
де δТ- відносна похибка вимірювання періоду (частоти).
При визначенні числових значень похибки за (8) – (10) слід користу ватися метрологічними характеристиками приладів, що використову ються. Значення похибки kп становить ±1%
ЗМІСТ ЗВІТУ
1. Мета роботи.
2. Зміст роботи.
3. Завдання.
4. Попередні розрахунки згідно з завданням.
5. Схема вимірювання.
6. Технічні характеристики засобів вимірювань.
7. Таблиця результатів вимірювань.
8. Формули, за якими визначають розрахункові величини
таблиці результатів вимірювань.
9. Висновки з роботи.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Які фізичні принципи покладені в основу роботи п'єзо електричних перетворювачів?
2. Пояснити принцип роботи п'єзоелектричного акселеромет ра.
3. Які основні експлуатаційні характеристики п'єзоелек тричних акселерометрів?
4. Як за допомогою акселерометрів можна вимірювати інші параметри руху?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФЕРЕНЦІЙНО-ТРАНСФОРМАТОРНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТА ПРИЛАДІВ НА ЇХ ОСНОВІ
Мета роботи - ознайомитися з принципом дії, будовою та застосу ванням дифе рен цій ного трансформаторних перетворювачів (ДТП) і вторинних приладів на їх основі й отримати практичні навики в їх дослід женні.
ЗМІСТ РОБОТИ .
1. Вивчити будову, принципи дії та області застосування ДТП і вторинних при ладів з ДТП.
2. Виходячи з заданих викладачем технічних характеристик мага зину взаємо індуктивності, перевірити його придатність для перевірки основної похибки і варіації приладу з ДТП. Визначити допустимі похиб ки приладу з ДТП в зада них точках шкали.
3. Виконати експериментальне визначення основної похибки та варіації при ла ду з ДТП, заповнити таблицю і зробити висновок про від повідність похибки та варіації допустимим значень.
4. Виконати експериментальне визначення функції перетворення ДТП, запов ни ти таблицю, подати функцію перетворення графічно, оціни ти похибки іден ти фікації, та нелінійності ДТП і подати їх графіки в функції переміщення. Зро би ти висновки про співвідношення похибок іден тифікації і не лінійності та про можливість присвоєння класу точно сті дай.
5. Оформити звіт згідно з вимогами.
ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ.
1. Диференційно–трансформаторні перетворювачі.
Диференційно–трансформаторні перетворювачі призначені, для пере творення лінійного переміщення у вихідний електричний параметр – комплексну взаємо ін дуктивність. ДТП працюють в комплекті з первинни ми перетворювачами неелектричних величин (тиску, витрат, рівня і т.д.). Чутливий елемент первин ного перетворювача механічно пов’язаний з ру хомим осердям ДТП, переміщен ня яко го викликає зміну комплексної взаємо індуктивності між його навоями. ДТП являє собою двосекційний соленоїд з навоєм збу джен ня (рис, 1,а), ви хід ним навоєм 2 та рухомим осердям 3, виго товленим з маг ні том’якого ма теріалу. Секції навоїв збудження W1 , W'2 ввімкнено узгіднено (рис, 1 б), а сек ції вихідного навою W1 , W'2 – зустрічно, тобто за диференцій ною схемою, звідки і походить назва пе ретворювача. Навій збудження жи вить ся напругою змін ного струму. Взаємоіндуктивність
М12 (М12' ) між од нойменними секціями вихідного навою W1 ,( W'2) і навою збудження W1 ,( W'1) ви значається поло жен ням осердя, Оскільки секції вихідного навою з’єднані зустрічно, то результую ча взаємоіндуктивність між навоєм збудження і вихідним навоєм
(1)
Як видно з рівняння (1), найбільшого значення модуль взаємо індук тив ності |M|=M н набуває в тому випадку, коли магнітний потік, що пронизує на вив ки однієї секції, стає максимальним, а іншої - мінімальним.
Рис.2. Статична характеристика диференційно-трансформаторного перетворювача
На рис, 2 показано характер зміни взаємоіндуктивності при переміщенні осер дя з одного положення в інше.
Дослідження співвідношень геометричних
07.05.2014 13:05-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора