Контрольная работа по «Физические основы измерений и контроля»

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –

УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

иНСТИТУТ ОТКРЫТОГО ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

                                                                 Контрольная работа

по дисциплине «Физические основы измерений и контроля»

 

Вариант № 2

 

Работу выполнил студент Медвёдков А.В группа 4-1 УК г. Орел

Работу проверил Марков В.В

 

 

Отметка о зачете                                  дата «____» _________20   г.

 

Подпись преподавателя  ________________

 

 

 

г. Орел, 2014 г.

 

Содержание

 

 

Введение

Развитие науки, управление технологическими процессами, создание и внедрение в производство новых объектов техники немыслимы без получения количественной и качественной информации о тех или иных свойствах физических объектов и процессов, протекающих в них. Измерение – единственный способ получения количественной информации о каком-либо физическом объекте. Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения и контроля нескольких сот различных неэлектрических (тепловых, механических, оптических и др.) и электрических (электрическое напряжение, электрическое сопротивление и др.) величин.

Измерение неэлектрических величин может осуществляться как электрическими устройствами с предварительным преобразованием неэлектрической величины в электрическую, так и неэлектрическими устройствами.

Электрические средства измерений имеют ряд преимуществ перед другими средствами измерений. Они характеризуются простотой изменения чувствительности в широком диапазоне измерений и малой инерционностью, что позволяет производить измерения как медленно меняющихся, так и быстроменяющихся во времени величин; возможностью создания комплексных измерительно-информационных систем, передачи результатов измерения на большие расстояния и др. Получение информации о том или ином физическом объекте связано с организацией взаимодействия между объектом и другим материальным объектом (первичным измерительным преобразователем), воспринимающем соответствующую физическую величину.

 

1. Общие сведения о преобразователях 

Ни одна система управления не может работать без информации о состоянии объекта управления и его реакции на управляющие воздействия. Элементами систем, обеспечивающими получение такой информации, являются измерительные преобразователи. Специалисты по автоматике также используют термины «первичный преобразователь» или «датчик». В дальнейшем термин «первичный преобразователь» будем использовать при описании принципа действия того или иного измерительного устройства, а термин «датчик» - при пояснении конструктивного исполнения.

Автоматизация производственных процессов, научных экспериментов и исследований требует все большего объема измерений различных физических величин. Об их числе можно судить по системе единиц СИ, которая включает в себя более 120 физических единиц. В настоящее время в промышленности существует примерно следующее распределение средств измерений: температуры - 50 %, расхода (объемного и массового) - 15 %, давления - 10 %, уровня - 5 %, количества (массы, объема) - 5 %, времени - 4 %, электрических и магнитных величин - 5 %. Объем выполняемых измерений может быть очень большим.

Число типов измерительных преобразователей значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.

Для большинства измерительных преобразователей (ИП) характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. При этом используется предварительное преобразование неэлектрической величины в электрическую. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений: электрические сигналы просто и быстро передаются на большие расстояния; легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код; позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность.

Необходимо отметить, что не всегда измерительный преобразователь выполняет непосредственно функции измерения. В ряде случаев ИП можно использовать в качестве преобразователя одной физической величины в другую, чаще всего из неэлектрической в электрическую. Например, при измерении уровня поплавок в емкости может быть рычажно связан с реостатным преобразователем, включенным в электрическую цепь. В этом случае изменение уровня, измеряемое перемещением поплавка, будет преобразовываться в изменение электрического сигнала (напряжения, тока).

Для эффективного функционирования ИП должны отвечать ряду требований, основными из которых являются: высокая статическая и динамическая точность работы, обеспечивающая формирование выходного сигнала с минимальными искажениями; высокая избирательность - датчик должен реагировать только на изменения той величины, для которой он предназначен; стабильность характеристик во времени; отсутствие влияния нагрузки в выходной цепи на режим входной цепи; высокая надежность при работе в неблагоприятных условиях внешней среды; повторяемость характеристик (взаимозаменяемость); простота и технологичность конструкции; удобство монтажа и обслуживания; низкая стоимость.

Необходимую для управления информацию о состоянии объекта и внешних воздействиях получают в виде значений отдельных физических величин с помощью соответствующих технических устройств, которые в автоматике называют измерительными преобразователями (ИП). В отличие от измерительных приборов, где такая информация представлена в виде, удобном для непосредственного восприятия оператором, информация от ИП поступает в виде определенной физической величины, удобной для передачи и дальнейшего преобразования в системе автоматики. Эту величину называютсигналом, и она однозначно связана с контролируемой физической величиной или параметром того или иного технологического процесса.

ГСП охватывает лишь часть контролируемых величин, которые наиболее часто используют в практике автоматизации. В ГСП все контролируемые величины разбиты на пять следующих групп: теплоэнергетические, электроэнергетические, механические величины, химический состав и физические свойства.

Теплоэнергетические величины: температура, давление, перепад давлений, уровень и расход.

Электроэнергетические величины: постоянные и переменные ток и напряжение, мощность (активная и реактивная), коэффициент мощности, частота и сопротивление изоляции.

Механические величины: линейные и угловые перемещения, угловая скорость, деформация усилия, вращающие моменты, число изделий, твердость материалов, вибрация, шум и масса.

Химический состав: концентрация, состав, химические свойства.

Физические свойства характеризуют следующие величины: влажность, электропроводность, плотность, вязкость, освещенность и др.

Устройства, в которых однократно (первично) преобразуется измеряемая физическая величина, принято называть первичными ИП.

ИП могут соединяться, образуя следующие структурные схемы: однократного прямого преобразования; последовательного прямого преобразования; дифференциальную; с обратной связью (компенсационную).

Простейшие ИП состоят из одного преобразователя. В случае последовательного соединения нескольких первичных преобразователей выходная величина предыдущего преобразователя является входной величиной последующего. Последовательное соединение ИП применяют в том случае, когда однократное преобразование не дает удобного для использования выходного сигнала. При дифференциальной схеме устраняется влияние на результат преобразования искажающих внешних факторов благодаря сопоставлению (сравнению) преобразованной и некоторой эталонной величин, одинаково подверженных действию этих факторов. Схема ИП с обратной связью характеризуется высокой точностью, универсальностью и малой зависимостью коэффициента преобразования от внешних возмущений.

ИП бывают с естественным и унифицированным выходными сигналами.

Естественный выходной сигнал формируется первичными ИП естественным путем и может представлять собой угол поворота, перемещение, усилие, напряжение (постоянное и переменное), сопротивление (активное и комплексное), электрическую емкость, частоту и др. ИП с естественным выходным сигналом (термопары, терморезисторы, тензодатчики и др.) широко применяют при автоматизации простых объектов.

Унифицированный сигнал - это сигнал определенной физической природы, изменяющийся в определенных фиксированных пределах независимо от вида измеряемой величины, метода и диапазона ее измерения.

Преобразователи, служащие для изменения масштаба сигнала, называют масштабными ИП.

Для получения унифицированных аналоговых сигналов применяют ИП, называемые нормирующими.

Специфика контролируемой величины существенно влияет на метод преобразования, используемый в первичном ИП.

Типы преобразователей, применяемых в ГСП, подразделяются на шесть групп: механические, электромеханические, тепловые, электрохимические, оптические и электронно-ионизационные.

Преобразователи, предназначенные для передачи сигнала измерительной информации на расстояние, называют передающими.

 

 

2. Вес и масса тел

В древние времена существовало понятие «вес», а понятия «масса» не существовало. Вес тела считался неизменным. Только в середине XYII века было установлено, что вес тела (сила тяжести) является переменной величиной.

В 1672 г. Жан Рише во время экспедиции проводил ряд работ в Кайяне и Южной Америке. Он обнаружил, что привезенные им из Парижа маятниковые часы идут неверно и ему пришлось укоротить маятник на несколько миллиметров. Вернувшись в Париж, он обнаружил, что эти же часы спешат. Это связано с тем, что период колебаний маятника прямо пропорционален корню квадратному из его длины и обратно пропорционален корню квадратному из ускорения свободного падения в месте наблюдения. Таким образом, Рише пришел к выводу, что сила тяжести зависит от широты местности в разных точках земной поверхности. Рассмотрим тело на поверхности Земли в северном полушарии (рис. 1).

 

Рис. 1

Вместе с Землей оно движется с угловой скоростью ω по окружности радиусом r. Известно, что в неинерциальных системах отсчета на тела дей ствуют силы инерции. В данном случае на тело, совершающее вра щательное движение действует центробежная сила инерции

Эта сила уменьшает вес тела.

Так как r = R * cos φ. (2)

где φ - географическая широта пункта нахождения тела.

Составляющая центробежной силы инерции вдоль радиуса оп- ределяется выражением

(3)

Формула (3) определяет величину, на которую уменьшается вес тела на данной широте ϕ. Уменьшение веса ΔP наибольшее на экваторе (φ = 0) и обраща ется в нуль на полюсах. Относительное уменьшение веса составляет

g R cos P P 2 2 ω ⋅ ϕ = Δ . (4)

Подставляя ω = 2π/(24*60*60), R = 6,37*106 м, φ = 0, g = 9,81 м/с 2 , находим, что на экваторе относительное уменьшение веса равно 0,003. На других широтах оно еще меньше и для большинства прак- тических задач эффект является пренебрежимо малым. На спутнике, вращающемся около Земли со значительно большей угловой скоростью, центробежная сила инерции полностью уравновешивает вес тел – тела становятся невесомыми. Действитель- но, спутник должен двигаться с первой космической скоростью.

Следовательно, возникающая центробежная сила инерции уравновешивает силу тяготения. В научном отношении значение зависимости веса от широты местности имеет большое значение и оказывает влияние на выбор основной единицы веса. Впервые понятие массы было дано Ньютоном. Он же установил различие между весом тел и их массой. Ньютон дал следующее определение массе: «Количество материи есть ее мера, возникающая совместно из ее плотности и объема». К этому определению Ньютон дает следующие пояснения: «Это же количество я обычно подразумеваю в дальнейшем под названием тело или масса». Из законов механики и тяготения, разработанных самим же Ньютоном, следует, что имеется два различных определения массы тел. В законах Ньютона масса выступает как мера инертных и гравитационных свойств.

Для измерения массы взвешиванием используют закон тяготения - притяжение тел к Земле, т.е. измеряют массу как меру гравитационного взаимодействия между телами. Поэтому измерять массу можно двумя методами, используя законы инерции и гравитационного взаимодействия. При измерении массы, с использованием закона инерции результаты оказываются менее точными. Однако, оба метода дают одинаковое значение массы. Еще Ньютон, Бессель и Этвеш опытным путем установили, что одинаковые (по инертности) массы притягиваются к Земле с одинаковой силой (в одинаковых условиях).

Например, при свободном падении тел в поле тяжести Земли, движение тела подчиняется второму закону Ньютона F m a = i G , (8) где F – сила тяжести; mi – инертная масса тела. В этом случае силу тяжести можно представить в виде F m g = g G , (9) где mg – гравитационная масса для того же тела. На основании второго закона Ньютона имеем m a m g i = g , (10) откуда следует