книги / Метрология, стандартизация и сертификация. Методы и средства измерения физических величин

-IOI -

12.1.Электронные тахеометры

Конструктивно электронный тахеометр состоит из светодальномера и угломера, что позволяет проводить линейные и угловые измерения при одной установке. Технические данные тахеометров приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2

12.2.Лазерные дальномеры

Влазерных дальномерах реализован фазовый метод определения времени распространения модулированного по интенсивности лазерного излучения. По структуре построения можно выделить дальномеры с ком­ пенсационным измерением разности фаз, с непосредственным измерением разности фаз, с двухчастотным фазовым измерением длины и интерферен­ ционные лазерные дальномеры для измерения больших длин.

Втабл. 12.3 представлены технические характеристики российских и зарубежных лазерных дальномеров.

Передатчик 1А излучает незатухающие колебания частоты соi, их

принимает приемник-смеситель 2В, на вход которого поступают колеба­ ния частоты ©2 от передатчика 1В. Выделенные приемником-смесителем

2В колебания разностной частоты Q = - со2 вспомогательным передат­ чиком ЗВ передаются на станцию А и принимаются приемником ЗА, кото­ рый передает их на индикатор разности фаз. На этот индикатор подаются и колебания с такой же частотой Q из приемника-смесителя 2А в результате смешения частот от передатчиков 1А и 1В. Разность фаз частот Q, посту­ пающих на индикатор, пропорциональна длине измеряемого расстояния.

Библиографический список

1.Мухтасимов Ф.Н. и др. Физические методы измерения. М, 1988.

2.Кондрашков А.В. Электролитические и радиогеодезические изме­ рения. М., 1972.

3.Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии. М.,

1987.

4.Лаурила С. Электронные измерения и навигация. М., 1981.

5.Пащенков В.З. Радио и светодальномеры. М., 1980.

6.Измерительная техника. 1994. №7.

13. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ

Сила - векторная величина, характеризующая механическое воздей­ ствие на материальное тело со стороны других тел. Сила полностью опре­ деляется, если известны ее значение, направление и точка приложения.

Силы необходимо измерять в широком диапазоне: от 10‘12 до 109 Н. С малыми силами имеют дело при научных исследованиях, при испытани­ ях точных датчиков силы в системах управления. Силы от 1 Н до 1 МН ха­ рактерны для испытательной техники и транспортных средств, прокатных станов, подъемной техники и др. В некоторых отраслях машиностроения, сталепрокатной и аэрокосмической технике необходимо измерять силы до 50 - 100 МН. Погрешности измерения силы составляют 1 - 2 % и более. При некоторых исследованиях допустимые погрешности не должны пре­ вышать 0,1 - 0,2 %. Так, при определении силы погрешность измерения таких физических величин, как давление, ускорение, масса и др., не долж­ на превышать 0,001 %.

При сжатии или растяжении упругого элемента измеряемое усилие F

преобразуется в механическое напряжение а и деформацию Д/. Известны соотношения

Решая их совместно, получим

и А/ =

где / - длина упругого элемента, см;

S - сечение упругого элемента, см2;

Е - модуль упругости материала упругого элемента, кг/см2

Действие усилия на консольную балку рассмотрено в разделе 6. Подавляющее большинство силоизмерительных устройств основано

на методе преобразования измеряемой силы в механические напряжения в теле упругого элемента и его деформацию, которые преобразуются в элек­ трический сигнал с помощью реостатных, тензорезистивных, емкостных, индуктивных, пьезоэлектрических, магнитоупругих, виброчастотных и др. преобразователей. В таких средствах измерений основным конструктив­ ным элементом, оказывающим решающее влияние на точность измерения силы, является упругий элемент.

Хорошими метрологическими характеристиками обладают частот­ ные датчики для измерения силы с вибростержневыми преобразователями. Частотно-зависимым элементом в таких датчиках является резонатор в ви­ де тонкой пластинки, изготовленной с упругим элементом из одного куска металла (сталь марок 35ХГСА, 20X13, 44НХТЮ). Собственная частота ре­ зонаторов

п_ IF

2/ у Sp ’

где п - номер гармоники (обычно равный единице);

/- длина резонатора;

р- плотность материала резонатора; S - сечение резонатора.

Режим автоколебаний осуществляется с помощью возбудителя и

приемника (адаптера) колебаний, соединенных с выходом и входом усили­ теля. Особенностями датчиков являются низкий уровень механических на­ пряжений в резонаторе и в упругом элементе, полная или частичная ком­ пенсация погрешностей, возникающих из-за несовершенства упругих свойств материала преобразователя, и хорошая помехоустойчивость вслед­ ствие высокого уровня выходного сигнала, достигающего нескольких вольт. Девиация (полезное изменение частоты) обычно составляет 15 - 30 % от начальной частоты. Нелинейность характеристики 3 - 4 %.

Для исключения погрешности от изгибающих усилий Вводится ша­ ровой силовводящий элемент, что локализует точку приложения силы и

повышает воспроизводимость результатов измерений. Погрешность изме­ рения сжимающих и растягивающих усилий составляет 0,1 %.

Вмногокомпонентных динамометрах применяется упругий элемент

ввиде параллелограмма, что позволяет уменьшить погрешность от неизмеряемых компонентов. В цифровых весах используются датчики с упру­

гой системой в виде углового рычага с опорой на двух упругих шарнирах. Такие датчики, применяемые в серийных торговых весах на нагрузки 50 - 500 Н (5 - 50 кг), имеют класс точности 0,04.

На основе пьезоэффекта удобно создавать многокомпонентные ди­ намометры для одновременного измерения усилий, действующих на объ­ ект вдоль трех взаимно перпендикулярных осей. Такой динамометр содер­ жит два элемента ^f-среза и две пары пьезоэлементов У-среза и позволяет определить три компонента вектора суммарной силы. Пьезокварцевые многокомпонентные датчики могут работать в диапазоне температур от -270 до +400°С. Особенно перспективно применение пьезорезонаторов для измерения сил, давлений, масс. При деформации пьезорезонатора, проис­ ходящей под влиянием внешних сил, пропорционально изменяются собст­ венная частота нагруженного резонатора и выходная частота генератора, в который включен пьезорезонатор.

Широко применяются для измерения растягивающих и сжимающих сил и масс магнитоупругие датчики. Они обладают высокой чувствитель­ ностью, простотой и надежностью конструкции. Качественно важным дос­ тоинством этих датчиков является возможность измерения бесконтактным методом механических напряжений в подвижных элементах конструкций без уменьшения их жесткости. Преимущества датчиков проявляются в наибольшей мере при измерении параметров объектов, работающих в тя­ желых условиях эксплуатации (прокатные станы, шахтные подъемные машины, буровые установки и т.п.). Сейчас создаются магнитоупругие датчики, которые могут работать в компенсационных схемах измерения на переменном токе. Такие схемы обеспечивают высокую точность измере­ ний, помехозащищенность, возможность дистанционной передачи показа­ ний, а также возможность получения мощного управляющего сигнала на выходе для устройств защиты, сигнализации и автоматического управле­ ния технологическими процессами.

Измеряемый механический параметр в магнитомодуляционных дат­ чиках воздействует на чувствительный элемент, создавая в нем механиче­ ское напряжение. Это напряжение изменяет магнитные характеристики материала чувствительного элемента. Далее с помощью электромагнитно­ го преобразователя изменение магнитных характеристик чувствительного элемента преобразуется в изменение,выходных электрических параметров датчика.

Измерительные системы с магнитоупругими датчиками могут быть разделены на схемы непосредственной оценки и нульбалансные. Схемы

непосредственной оценки могут включать в себя компенсационный и ак­ тивный датчики, цепь компенсации начального сигнала при равной нулю внешней силе, стабилизатор питающего напряжения, фазовращатель для формирования сигнала компенсации, фильтр высших гармоник, выпрями­ тель и другие устройства.

Нульбалансные схемы обладают большой чувствительностью, но относительно малым быстродействием, поэтому они применяются при динамометрировании медленно протекающих процессов. Особый интерес представляют схемы на переменном токе, в которых используются высо­ конадежные бесконтактные индукционные потенциометры. Питание дат­ чика и индукционного потенциометра осуществляется от одного источни­ ка. Вторичные обмотки датчика и индукционного потенциометра включе­ ны встречно, и разность напряжений подается на усилитель. При равнове­ сии схемы угол поворота потенциометра пропорционален выходному сиг­ налу датчика. Важным преимуществом такой схемы является возможность дистанционного расположения датчика и компенсационного измерителя.

Для контроля ряда параметров на шахтном подъеме, защиты скипо­ вых подъемов и конвейеров, весового дозирования угля при загрузке ски­ пов, измерения снимающих усилий при прокатке, измерения технологиче­ ских параметров процесса бурения применяются преимущественно магни­ тоупругие датчики.

В табл. 13.1 приведены основные характеристики силоизмеритель­ ных тензорезистивных и вибрационно-частотных современных и ранее выпускаемых нашей и зарубежной промышленностью датчиков.

Библиографический список

1. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. М ,

1987.

2.Промышленные приборы и средства автоматизации / Под общ. ред. В.В. Черенкова. Л., 1987.

3.Евтихеев Н.Н., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. М., 1990.

4.Гуманюк М.Н. Магнитоупругие датчики в автоматике. М., 1972.

5.Гинсбург В.Б. Магнитоупругие датчики. М., 1970.

6.Датчики силоизмерительные тензорезисторные 1909 ДСТ. Техни­ ческое описание и инструкция по эксплуатации 4У2. 320457ТО. 1989.

7.Преобразователи силы вибрационно-частотные СВК. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 4Т2.326.030ТО. 1985.

8.Гуманюк М.Н. Магнитоупругие силоизмерители. М., 1981.