Рис. 4
Рис. 5
тревоги для медицины 35...42 °С, температурного контроля в автомобилестроении, авиации и любой другой области, где требуется высокоточное определение и поддержание температуры в заданных пределах в диапазоне —50...+100 °С. Среди многих преимуществ этого класса температурных сенсоров в сравнении, например, с общеизвестными полупроводниковыми термис-торами типа ЫТС следует отметить:
• более высокую чувствительность;
• положительный коэффициент температурной зависимости (с увеличением температуры частота выходного сигнала растет);
• частотно-импульсный вид выходного сигнала с регулируемыми параметрами Лн и С диапазоном частот от десятков герц до десятков килогерц;
• большую амплитуду выходного сигнала (от единиц до десятков вольт в зависимости от типа Z-тepмиc-тора и температурного диапазона);
• на порядок меньшее токопотребление;
• функционально (физически) присущую ^-тсрмис-торам пороговую функцию.
Эти преимущества позволяют строить на основе Z-тepмиcтopoв более высокочувствительные и экономичные системы контроля и регулирования температу-
ры в значительно более простом схемотехническом и конструктивном исполнениях. То есть в данном случае не требуется применять мостовые схемы включения на входе, использовать усилители для повышения чувствительности и улучшения помехозащищенности на выходе термистора. Не требуется применять генераторы импульсов или АЦП для приведения выходного сигнала к виду, удобному для его дальнейшего использования в контрольно-измерительных системах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Zotov V.D. et al. Semiconductor Structures, Methode for Controlling Their Conductivity and Sensing Elements Based on These Semiconductor Structures // Patent of USA. #5.742.092. April. 1996.
2. Полупроводниковые многофункциональные сенсоры (Z-сенсоры) // Датчики и системы. 1999. N° 1.
3. Z-термисторы - новый класс температурных сенсоров // Chip news. 1999. Ne 1.
Владимир Дмитриевич Зотов — д-р техн наук, проф., зав. лабораторией Института проблем управления им. акад. В.А. Трапезникова РАН. 8 (095) 334-91-70
i (095) 954-47-60 □
УДК 681,586'33
РАСХОДОМЕР С НУЛЕВЫМ ПЕРЕПАДОМ ДАВЛЕНИЙ
А.М. Касимов, М.М. Беляев
Рассмотрен расходомер с нулевым перепадом давлений. Показано, что он построен по принципу, обеспечивающему точность на уровне метрологического измерения в исследовательских стендах. Описан механизм работы расходомера, дана схема его построения, приведены результаты экспериментального исследования его работы, выходная характеристика с ее количественной обработкой с помощью методологического показателя, а также оценка точности измерения и линейности выходной характеристики.
Для испытания различных расходомеров на исследовательских стендах необходимо максимально точно знать заданный расход. При этом точность метрологического измерения этого расхода должна превышать ожидаемую точность контролируемого расходомера. В настоящее время проблема измерения задаваемого расхода особенно ус-
ложнилась из-за повышения точностных требований к современной технике. Для полного решения этой проблемы оказалось недостаточным усовершенствование только конструктивных и технологических приемов изготовления измерителей. Необходимо изменять способы измерения и принципы построения счетчиков-расходомеров. Обычно
при стендовых исследованиях используют, как наиболее точный, весовой метод измерения путем периодического отбора проб переключением потока в мерник, установленный на весы. Однако, в большинстве случаев этого недостаточно. Необходимо измерять контролируемый поток точно и непрерывно. Особенно важно это при измерении
расхода и количества газообразных продуктов.
На наш взгляд, для решения данной проблемы заслуживает внимания давно предложенный оригинальный способ измерения по нулевому перепаду давлений на объемном счетчике-расходомере [1, 2]. Этот способ обладает большими точностными возможностями. Суть способа состоит в том, что при принудительном вращении измерительного ротора объемного счетчика-расходомера со скоростью, обеспечивающей нулевой перепад давлений на нем (до и после), контролируемый расход оценивают по величине установленной скорости вращения, а количество — суммой импульсов от измерителя оборотов. Перепад давлений на насосе Ар (рис. 1) устанавливается равным 0, когда рабочий элемент (например, лопатка ротора) счетчика-расходомера не испытывает силового воздействия (динамического давления) ни сзади, ни спереди (/?] = 0 и Р2 = 0 ). При этом нулевом равновесном силовом состоянии линейная скорость принудительно движущейся лопатки \>л отображает истинную скорость контролируемого потока \'п. Отсутствие сопротивления потоку и отсутствие паразитных перетечек вследствие равенства давлений с двух сторон лопатки обусловливает высокую потенциальную точность такого метода измерения. При этом влияние вязкости и плотности измеряемого продукта уменьшается до минимального значения (в пределе влияние их на точность исключается).
При отклонении от равновесного состояния на фоне давления напора р потока появляется динамическое давление на лопатку р\ или Р2 зависимости от уменьшения или увеличения скорости ее движения ул соответственно. При переходе скорости вращения через равновесное состояние перепад давлений на приборе Ар = р\ — Р2 меняет свой знак. Это позволяет с помощью нуль-органа управлять скоростью привода измерительного счетчика-расходомера для поддержания равновесного состояния и по нему отслеживать величину контролируемого расхода. Схема расходомера, построенная по такому принципу, показана на рис. 2, где 1 — измерительный счетчик-расходомер; 2 — управляемый привод к ротору счетчика-расходомера; 3 и 4 — измерительные преобразователи давления; 5 — нуль-орган и 6 — измеритель скорости вращения. Поскольку все звенья следящей системы являются
Рис. 1. Механизм работы расходомера с нулевым перепадом:
ул — линейная скорость лопатки (остальные обозначения — в тексте)
Рис. 2. Схема расходомера с нулевым перепадом
Рис. 3. Диаграмма давления до и после измерительного счетчика-расходомера при разомкнутой следящей системе
Рис. 4. Диаграмма поддержания нулевого перепада давлений при замкнутой следящей системе
дискретными и выполняют задачу двух- или трехпозиционного регулирования, точность их работы практически не влияет на точность измерения. Необходимо учитывать лишь их чувствительность для обеспечения динамических свойств расходомера.
Для эксперимента следящая система была выполнена на базе грубых электромеханических элементов с использованием в качестве измерительного счетчика-расходомера обычного шестеренчатого насоса. В качестве нуль-органа использовалось поляризованное реле, в качестве измерительных преобразователей давления — "Сапфиры", в качестве регулятора скорости привода — лабораторный автотрансформатор, а для измерителя скорости счетчика-расходомера — оптический датчик с перфорированным диском. Качество удерживания такой системой перепада давлений на нулевом уровне показано на сравнительных диаграммах — рис. 3 и рис. 4. На рис. 3 показано поведение давлений р\ и Р2 до и после счетчика-расходомера при разомкнутой следящей системе, а на рис. 4 — поведение Ар = р\ — Р2 при замкнутой следящей системе. Видно, что экспериментальная электромеханическая следящая система удерживала "нулевой" перепад давлений Ар в очень грубых пределах, порядка +25 мм вод. ст. Однако полученная выходная характеристика я = = ф (бт) — зависимость скорости вращения ротора счетчика-расхо до-мера я (выраженная частотой / пересечения оптического луча перфорированным диском) от величины контролируемого массового расхода ()т — оказалась вполне соответствующей как по линейности, так и по точности. На рис. 5 показана выходная характеристика, построенная по средним значениям многократно повторяемых замеров для каждой ее точки.
Результаты количественной обработки полученной выходной характеристики через методологический показатель ц = Qm// (единичный расход, отображающий расход на единицу скорости вращения) показали погрешность измерения ~ +0,3% и нелинейность характеристики ~ 0,8%.
Оценка точности была выполнена по разбросу +А] единичных расходов ц относительно средних единичных расходов <?ср, составившему показанную на рис. 6 зону разброса от ~~А]тах до +А1тах, которая и определила точность по всему диапазону измерения. Оценка
42
Зепэогэ & Зуэгетэ • № 7.2001
Рис. 5. Выходная характеристика расходомера с нулевым перепадом
Рис. 6. График единичного расхода:
±Д|— погрешность измерения; &2 ~ нелинейность выходной характеристики
линейности Л2 была выполнена по величине монотонного отклонения средних значений для каждой точки <?ср от горизонтали. В координатах графика <7ср = ср (0ср) горизонталь
характеризует постоянство тангенса угла наклона выходной характеристики /ср = ф (0Ср) расходомера.
При грубой электромеханической системе измерения подобный
результат является довольно высоким, подтверждающим большие точностные возможности этого метода измерения, тем более, что при ручном подборе скорости вращения ротора счетчика-расходомера под нулевой перепад давлений при неизменном расходе была получена погрешность измерения ~ 0,1%.
В заключение отметим, что при совмещении этого нетрадиционного метода с высокими современными технологиями построения системы можно решить задачу непрерывного измерения расхода на высоком метрологическом уровне.
ЛИТЕРАТУРА
1. Диденко К. И., Гусева Ж.А. Новая аппаратура контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1961. С. 219-220.
2. А. с. 185092. Счетчик-расходомер жидкости или газа // Изобретения. 1966. № 16.
Работа выполнена в Институте проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова, Москва.
Асим Мустафаевич Касимов — канд. техн. наук, зав. сектором;
Михаил Михайлович Беляев — ст. науч. сотрудник.
8 (095) 334-91-00
1 (095) 334-93-40 □
УДК 621.084.2
ДАТЧИК-ЩУП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В СУСТАВАХ
Л.А. Осипович, В.И. Гуткин
Дано описание разработанного авторами датчика для измерения давления в суставах детей и взрослых. Дана конструкция датчиков, их технические характеристики, область применения.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.