Соловцов В.К., Контрольно-измерительные приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Цели, существуют такие показатели качества, как надежность,

долговечность и ремонтопригодность.

Под надежностью прибора или устройства понимают способ-

ность к безотказной работе в течение заданного времени в соот-

ветствующих условиях при сохранении всех первоначальных тех-

нических характеристик. Если прибор не обладает требуемой

надежностью, то все прочие его высокие технические данные теря-

ют свое практическое значение. Особенно важна надежность

тех приборов, от которых зависит безопасность обслуживающего

персонала или безаварийная работа производственного обору-

дования.

В настоящее время основными показателями надежности при-

боров и автоматических устройств служат: вероятность безотказ-

ной работы в течение заданного времени, частота отказов, нара-

ботка на отказ, определяемая средним временем нормальной ра-

боты прибора или устройства между двумя неисправностями

(отказами), и другие показатели.

Для современных мощных энергетических агрегатов с высокой

интенсивностью технологических процессов необходимы системы

управления, состоящие из приборов и устройств с показателем

надежности 3—5 тыс. суток наработки на отказ.

Чем больше приборов и устройств входит в систему управле-

ния и автоматического регулирования технологических процессов

тем выше показатели надежности должны быть для каждого от-

дельного прибора и устройства, чтобы обеспечить необходимый

уровень надежности системы.

Прямое улучшение показателей надежности систем контроля

и управления связано с определенными техническими трудностя-

ми, поэтому часто повышают надежность путем резервирования

малонадежных приборов и устройств. При этом приобретает

большое значение другая качественная характеристика приборов

называемая ремонтопригодностью.

Ремонтопригодность характеризует особенности схемы и кон-

струкции прибора, позволяющие с теми или иными затратами

времени, труда и средств обнаруживать и устранять причины от-

казов прибора, в том числе путем замены неисправных деталей и

узлов новыми.

Для оценки ремонтопригодности принимают время, необходи-

мое для восстановления работоспособности прибора после его от-

каза. Для большинства видов приборов это время составляет

0,5—8 ч в зависимости от конструкции прибора, характера по-

вреждения, доступности места установки прибора и квалифика-

ции обслуживающего персонала.

С целью повышения ремонтопригодности современные прибо-

ры конструируют с учетом максимального удобства замены тех

элементов, которые наиболее часто выходят из строя. К таким

элементам в первую очередь относятся электронные лампы, пе-

реключатели, электромеханические реле, электродвигатели и раз-

личные подвижные детали.

Общий срок службы прибора до его износа называют долго-

вечностью. Повышение долговечности достигается путем примене-

ния более качественных конструкционных материалов с большим

запасом прочности и устойчивости против коррозии. Это связано,

как правило, с увеличением затрат на изготовление прибора.

Большая долговечность относится к числу положительных ка-

честв прибора, однако излишняя долговечность может привести

к длительному применению устаревших приборов и техническому

застою.

Надежность, ремонтопригодность и долговечность приборов

составляют взаимно дополняющие друг друга качественные ха-

рактеристики приборов. Повышенные требования к той или иной

характеристике определяются в зависимости от конкретной цели

и условий применения прибора.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается процесс измерения физических величин?

2. Как построена Международная система единиц (СИ) и какие преиму-

щества она имеет перед другими системами единиц?

3. Какие технические средства применяются при измерениях?

4. По каким основным признакам классифицируются измерительные

приборы?

5. Назовите группы приборов, отличающихся между собой по признакам

выполняемых ими задач.

6. Что такое погрешность измерения?

7. Чему соответствует класс точности прибора?

8. Какие технические характеристики применяются для оценки возможно-

стей прибора?

9. Что означают понятия: надежность, ремонтопригодность и долговеч-

ность?

ГЛАВА II

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ПРИБОРОВ

§ 5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Всякий прибор можно рассматривать как преобразователь

входного сигнала, под которым подразумевают измеряемую

величину, в выходной сигнал, удобный для дальнейшего практиче-

ского использования. Путем преобразования создаются возмож-

ности для числовой оценки измеряемой величины, записи и пере-

дачи показаний на расстояние, сигнализации предельных значе-

ний, использования результатов измерений для автоматического

регулирования и управления. Каждую из этих функций выполня-

ют в приборах самостоятельными узлами и устройствами, кото-

рые характерны для многих видов приборов.

Рис. 1. Измерительный меха-

низм пружинного мано-

метра:

1 — трубчатая пружина, 2 —

стрелка, 3 — триб, 4 — зубчатый

сектор, 5 — тяга, 6 — шарнирное

соединение

Основной частью приборов непо-

средственной оценки является измери-

тельный механизм, предназначенный

для преобразования энергии измеряе-

мой величины в механическую энергию

перемещения подвижной части прибо-

ра. При конструировании измеритель-

ных механизмов используют достаточ-

но известные зависимости между фи-

зическими величинами, например рас-

ширение тел при нагревании, упругую

деформацию материалов под действи-

ем силы, механическое взаимодействие

электрического тока и магнитного по-

тока. Наиболее обширную группу со-

ставляют механические и электроме-

ханические измерительные механизмы,

в которых для преобразования входно-

го сигнала используются упругие чув-

ствительные элементы и измерительные

пружины.

На рис. 1 показан механизм пру-

жинного манометра с чувствительным

элементом в виде трубчатой пружины.

Открытый конец трубчатой пружи-

«ы закреплен на неподвижном основании, а закрытый ее конец

может свободно перемещаться. При повышении давления внутри

пружины она разгибается и через тягу и зубчатую передачу по-

ворачивает стрелку указателя манометра. Угол поворота стрелки

пропорционален деформации пружины и, следовательно, изме-

ряемому давлению. При снятии давления пружина приобретает

первоначальную форму под действием внутренних упругих сил.

В некоторых приборах осуществляется многократное преобра-

зование величин (рис. 2). Так, например, в манометрическом тер-

Рис. 2. Схемы измерительных устройств с двойным преобразова-

нием величин:

а — манометрический термометр, б — термоэлектрический пирометр

мометре (рис. 2, а) внутренняя полость трубчатой пружины со-

единена через капилляр с баллоном, заполненным жидким или

газообразным веществом. При повышении температуры веще-

ство расширяется, что приводит к увеличению давления в балло-

не, капилляре и трубчатой пружине. Изменение давления вызы-

вает деформацию пружины и перемещение стрелки указателя

прибора. Таким образом, измеряемая температура преобразуется

в механическое перемещение путем предварительного преобразо-

вания в давление.

На рис. 2, б изображена схема двойного преобразования вели-

чин в термоэлектрическом пирометре. Измеряемая температура

преобразуется с помощью термопары в электрический ток, кото-

рый проходит через обмотку рамки подвижной части магнито-

электрического измерительного механизма. При взаимодействии

этого тока и постоянного магнитного потока возникает механиче-

ский момент, воздействующий на рамку и закрепленную на ней

стрелку указателя.

Технические данные прибора непосредственно зависят от ос-

новных свойств упругих элементов, использованных в его измери

тельном механизме.

К таким свойствам относятся: упругая характеристика элемен-

та, жесткость, чувствительность и тяговое (перестановочное) уси-

лие. Свойства упругих элементов должны быть достаточно ста-

бильны во времени.

Упругой характеристикой называют зависимость между пере-

мещением определенной точки упругого элемента и приложенной

нагрузкой. В большинстве приборов используют элементы, упру-

гая характеристика которых близка к линейной.

Жесткостью упругого элемента

называют отношение нагрузки к пе-

ремещению. Величину, обратную

жесткости, называют чувствительно-

стью. Жесткость и чувствительность

зависят от формы, размеров сечения

и свойств материала, из которого из-

готовлен упругий элемент. На рис. 3

показаны линейные характеристики

упругих элементов с разной жест-

костью к

, к

и к

. Одна и та же

сила р

вызывает разное перемеще-

ние λ

; λ

у каждого элемента.

Наибольшей жесткостью и наймень- Рис. 3. Зависимость деформации

шей чувствительностью обладает пружины от коэффициента жестко-

упругий элемент, у которого прило-

женной нагрузке p

соответствует

наименьшее перемещение λ

Тяговым (перестановочным) усилием называют силу, с кото-

рой упругий элемент воздействует на препятствие, ограничиваю-

щее его перемещение. При прочих равных условиях тяговое уси-

лие пропорционально жесткости упругого элемента.

В зависимости от назначения прибора, требуемой чувстви-

тельности и точности подбирают упругие элементы с соответству-

ющими характеристиками. Например, для измерительных меха-

низмов самопишущих приборов необходимы упругие элементы

с достаточно большим перестановочным усилием, способные пре-

одолевать силу трения между пером и диаграммной бумагой.

В приборах, измеряющих малые значения величин, обычно

приходится применять упругие элементы с малой жесткостью для

обеспечения необходимой чувствительности. Такие упругие эле-

менты обладают соответственно незначительными перестанавли-

вающими усилиями. Чтобы избежать больших погрешностей от

вариации показаний, прибегают к максимальному исключению

вредных сил трения в опорах подвижной части измерительного

механизма.

На рис. 4 показаны основные виды осей и подшипников, а

также растяжки и подвески для подвижной части из упругих ни-

тей, применяемые в измерительных механизмах приборов.

Простейший подшипник в виде цапфы и цилиндрического

гнезда (рис. 4, а) используется только в тех механизмах, в кото-

рых действуют относительно большие перестановочные усилия.

Такой подшипник характерен для механизмов пружинных мано-

метров.

Значительное снижение сил трения достигается в подшипни-

ках, состоящих из конического керна и опорного подпятника

(рис. 4, б, в). Керн изготовляют из качественной стали и тщатель-

Рис. 4. Виды подшипников, осей, растяжек и подвесок, применя-

емых в приборах:

а — цапфа в цилиндрическом подшипнике, б — керн в сферическом подпят-

нике, в — керн в коническом подпятнике, г — ленточные растяжки, д —

ленточная подвеска

но полируют. Подпятники из корунда или агата также имеют

весьма гладкую внутреннюю поверхность. Площадь соприкосно-

вения керна и подпятника весьма мала, что способствует сниже-

нию трения.

В ряде электрических измерительных механизмов подвижную

часть крепят на упругих растяжках или подвесках (рис. 4, г, д),

которые выполняют роль измерительной пружины и одновремен-

но заменяют ось вращения, исключая силы трения.

В измерительный механизм прибора, кроме чувствительного

элемента и противодействующей пружины, могут входить некото-

рые вспомогательные узлы и детали: успокоитель (демпфер),

балансировочные грузы, вспомогательные натяжные пружины,

предназначенные для улучшения качества работы прибора.

Успокоитель служит для ускорения затухания колебаний под-

вижной части прибора. Подвижная часть механизма при измене-

нии измеряемой величины начинает двигаться и по инерции

переходит то положение, которое она должна занимать при но-

вом значении измеряемой величины. Возникающая избыточная

противодействующая сила заставляет подвижную часть переме-

щаться в обратном направлении, и здесь возможен переход через

нужную точку шкалы. Такие колебания с постепенным уменьше-

нием размаха продолжаются до тех пор, пока энергия движения

системы не будет израсходована на преодоление силы трения. Та-

ким образом, в результате инерции подвижная система переходит

в новое положение не сразу, а спустя некоторое время (рис. 5).

При отсутствии силы трения колебания носили бы незатухающий

характер и отсчет нового показания оказался бы невозможным.

Чтобы ускорить затухания колебаний, не прибегая к увеличению

вредных сил трения, применяют различного рода успокоители

(рис. 6). Наибольшее распространение получили воздушные

(пневматические) и индукционные успокоители. В жидкостных

приборах роль успокоителя выполняют дроссельные элементы.

Воздушные успокоители имеют большое разнообразие конст-

руктивных исполнений, но все они основаны на использовании

тормозящей силы, возникающей в результате взаимодействия

движущегося элемента с воздухом.

Обычно воздушный успокоитель состоит из поршня и воздуш-

ной камеры (рис. 6, а). Поршень закреплен на оси подвижной

части прибора и перемещается внутри неподвижной воздушной

камеры, закрытой с одного конца. Сечение поршня несколько

меньше внутреннего сечения камеры. При движении поршень ис-

пытывает противодействие от находящегося в камере воздуха,

который не успевает проходить сквозь небольшой зазор между

поршнем и стенками камеры. Тормозящее действие демпфера

уменьшается по мере затухания колебаний, так как тормозящие

силы проявляются только во время движения.

Успокоители индукционного типа (рис. 6, б) основаны на си-

ловом взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и

токов, возникающих в металлической пластине или рамке при

движении в этом магнитном поле. Пластина или рамка соеди-

нена с подвижной частью измерительного механизма, а постоян-

ный магнит закреплен на неподвижном основании прибора. Тор-

мозящее действие такого успокоителя, так же как и воздушного,

проявляется тем сильнее, чем больше скорость перемещения. Под-

вижная часть индукционного успокоителя в зависимости от конст-

рукции прибора может иметь форму лепестка, диска, цилиндра.

Как указывалось, в жидкостных приборах для ускорения за-

тухания колебаний используют дросселирование — сужение ка-

налов, по которым в процессе измерения перетекает рабочая

жидкость (рис. 6, в). Снижение скорости перетекания способству-

ет затуханию колебаний уровня жидкости в сосудах.

При конструировании и расчетах успокоителей обращают вни-

мание на выбор степени успокоения. При чрезмерном успокоении

подвижной части механизма прибор становится слишком инерт ·

ным и не успевает своевременно указывать действительное значе-

ние измеряемой величины в данный момент. Обычно степень

Рис. 5. График движения подвижной части прибора при переходе

на новое показание:

А — первоначальное положение, Б — новое показание; 1— периодические ко-

лебания, 2 — затухающие колебания, 3 — апериодическое движение при

большом успокоении

Рис. 6. Виды успокоителей:

α — воздушный, б — индукционный, в — дроссельный

Рис. 7. Варианты размещения балансировочных грузов

успокоения выбирают такой, чтобы переход на новое показание

происходил после нескольких быстро затухающих колебаний под-

вижной части.

В измерительных приборах большое значение имеет уравно-

вешивание (балансировка) подвижной части относительно оси

вращения. Прибор с неуравновешенной подвижной частью мо-

жет иметь большие погрешности, так как несбалансированный

вес создает дополнительный вращающий момент, направление и

величина которого зависят от расположения прибора по отноше-

нию к вертикали и горизонтали. При большом небалансе этот

момент может даже превышать полезный момент, создаваемый

измеряемой величиной, и показания прибора будут не соответст-

Рис. 8. Схема действия пружины

для устранения неплотностей в зуб-

чатой передаче

вовать действительному значе-

нию измеряемой величины.

Для балансировки исполь-

зуют специальные грузы

(рис. 7), которые можно пере-

мещать в направлении, перпен-

дикулярном оси вращения под-

вижной части механизма. Урав-

новешенная подвижная часть

находится в состоянии безраз-

личного равновесия независи-

мо от наклона оси вращения.

В некоторых измерительных

механизмах перемещение под-

вижной части передается к

стрелке с помощью рычагов или зубчатых зацеплений. Так, на-

пример, в рассмотренном выше мехнизме пружинного манометра

таким передаточным звеном служит тяга, зубчатый сектор и триб

на оси стрелки. С помощью передаточного механизма малые пе-

ремещения конца пружины (5—7 мм) превращаются в достаточ-

но большие углы поворота стрелки, чем достигается удобство от-

счета показаний. Однако в такой повышающей передаче малей-

шие неплотности в шарнирах и зубчатом зацеплении приводят

к большой вариации показаний прибора. С целью исключения

влияния неплотностей применяют различные натяжные пружины.

На рис. 8 показана схема действия спиральной натяжной пру-

жины в передаточном механизме манометра. Момент вращения

предварительно напряженной натяжной пружины направлен все-

гда в одну сторону, при этом поддерживается непрерывный кон-

такт между сочлененными деталями.

§ 6. ОТСЧЕТНЫЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ

Отсчетным приспособлением называют часть измерительного

прибора, с помощью которой определяют числовые значения из-

меряемой величины.

Для приборов с аналоговым (непрерывным) преобразованием

измеряемых величин характерны отсчетные приспособления, со-

стоящие из шкалы и указателя. Показания прибора отсчитывают

по взаимному расположению указателя и отметок шкалы. Непо-

движной частью отсчетного приспособления обычно является

шкала, однако существует много видов приборов, где применяют

вращающиеся шкалы при неподвижных указателях.

Шкалой называют совокупность последовательно нанесенных

отметок, соответствующих ряду значений измеряемой величины.

Расстояние между двумя соседними отметками называют деле-

нием шкалы.

Равномерные шкалы имеют одинаковый размер всех делений.

У неравномерных шкал размер каждого последующего деления

уменьшается или увеличивается с определенной закономерно-

стью, зависящей от принципа преобразования измеряемой вели-

чины.

Отметки на шкале могут обозначать размер измеряемой ве-

личины не только в конкретных единицах измерения, но также в

долевом или процентном исчислении. В последнем случае шкалы

называют относительными. Так, например, шкала газоанализато-

ра углекислого газа СО

градуируется не в абсолютном, а в про-

центном содержании СО

в газовой смеси.

Отметки, цифры и различные знаки на шкале располагают

таким образом, чтобы она была четкой, ясной и не требовала от

наблюдателя каких-либо дополнительных подсчетов при опреде-

лении показаний прибора.

Существуют специальные правила и рекомендации для по-

строения шкал и нанесения необходимых поясняющих знаков и

цифр. Так, например, для удобства отсчета показаний отметки

на шкалах делают разной длины. Каждая пятая и десятая от-

метки длиннее остальных. Такое построение шкалы очень удобно

для зрительного восприятия и позволяет быстро и безошибочно

отсчитывать показания прибора. Цифровые обозначения про-

ставляют только на основных отметках, соответствующих целым

или кратным десяти значениям измеряемой величины.

В зависимости от конструкции приборов подвижная часть

измерительного механизма перемещается поступательно или

вращательно, поэтому отметки на шкале могут располагаться

прямолинейно или по дуге (рис. 9).

Разновидностью дугообразной шкалы является профильная

шкала, у которой отметки расположены прямолинейно, но на

изогнутом основании.

Соответствие делений шкалы значениям измеряемой величины

достигается предварительной градуировкой по образцовым ме-

рам и приборам. Градуировка заключается в нанесении отметок

непосредственно по действительным значениям измеряемой ве-

личины.