Измерение больших линейных геометрических размеров

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
 
Кафедра «Метрология и измерительная техника»
РЕФЕРАТ
по дисциплине: «Средства измерения неэлектрических величин»
на тему: «Измерение больших линейных геометрических размеров»
Выполнила:                                                                                             Проверил:
ст. гр. МИТ-02-1                                                           ст. пр. Белокурский Ю.П.
Крючкова Л.Д.                                                   
                                                            
2005
СОДЕРЖАНИЕ
Переченьусловных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов..…...3
Введение….……………..………………………………………………………………..4
1Измерение уровней……………………………………………………………….……5
2Измерение расстояний………………………………………………………………...8
3Поверочнаясхема………………………………….....................................................10
Заключение……………………………………………………………………………...11
Переченьссылок………………………………………………………………………..12
ПЕРЕЧЕНЬ  УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙИ ТЕРМИНОВ
Гц– герц;
кг– килограмм;
кГц– килогерц;
км– километр;
м– метр;
МГц– мегагерц;
мкс– микросекунда;
мм– миллиметр;
ОКГ– оптический квантовый генератор;
с– секунда;
АМ– амплитудная модуляция;
GPS – Глобальная Позиционная Система.
ВВЕДЕНИЕ


Измерениелинейных размеров требуется выполнять в значительно большом диапазоне – отдолей микрометра, например, при измерении микрогеометрии шероховатостей впроцессе производственного контроля чистоты отделки поверхностей в точноммашиностроении до многих сотен и тысяч километров при измерении расстояний в геодезии,навигации, строительстве, тяжелом машиностроении или астрономии.
Диапазонразмеров, встречающихся при технических измерениях, можно подразделить на рядхарактерных групп. Это, во-первых, размеры, измеряемые в машиностроении илежащие в диапазоне от долей микрометра до нескольких метров. Ко второй группеможно отнести размеры от 100 мм до 100 м, которые требуется измерять приопределении уровней горючего в нефтехранилищах, баках самолетов и автомобилей,уровней зерна в элеваторах, разностей уровней верхнего и нижнего бьефовгидростанций и т.п. И, наконец, третья группа размеров – это расстояния междукакими-либо телами, когда измеряемые размеры превосходят несколько метров имогут достигать многих тысяч километров [1]. В данном реферате рассмотреныметоды измерения охватывающие вторую и третью группы размеров, а именно – от 1метра и до тысяч километров.
1 ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ
Наиболеепростым методом измерения уровней, т.е. расстояний порядка  долей метра или нескольких метров, являетсяприменение масштабных преобразователей в виде рычажных или ременных передач споследующим измерением относительно небольших выходных перемещений.
Примеромможет служить серийно выпускаемый прибор УДУ-5, показанный на рис. 1.1 [2].Металлический поплавок 8 переме­щается по направляющим тросам 6 и соединен состальной перфори­рованной лентой 7, которая проходит в защитной трубечерез на­правляющие ролики 5 и гидрозатвор 4 в виде колена, залитогонезамерзающей жидкостью. Стальная лента навивается на барабан 1 илисматывается с него. Постоянное натяжение ленты обеспечивается спиральнойпружиной, механически связанной с мерным зубчатым шкивом 2, зубцы котороговходят в отверстия ленты, обеспечивая тем самым надежное зацепление ленты сошкивом. Вращение шкива передается на механическийсчетчик, установлен­ный в блоке 3 и позволяющий отсчи­тывать уровень вмиллиметрах в виде пятизначного числа. В этом же блоке 3 установленсвязанный со шкивом рео­статный преобразователь или кодовый диск, позволяющиепроизводить дистан­ционную передачу результатов измере­ния уровня на расстояние1-5 км.

Рисунок 1.1 — прибор УДУ-5:
1 – барабан; 2 — мерный зубчатый шкив; 3 – блок; 4 – гидрозатвор;                             5 — на­правляющиеролики; 6 — направляющие тросы; 7 — стальная перфори­рованная лента;
8 — металлический поплавок
ПриборУДУ-5 при пределе измере­ния 12 м имеет погрешность ±3 мм при отсчете показанийпо механическому счетчику, ±15 мм при применении рео­статного преобразования и±1 мм при использовании кодового диска [3].
Широкоеприменение при измерении уровня находят емкостные преобразова­тели, так как вних может быть до­стигнуто линейное изменение емкости на протяжениисравнительно большой длины. В качестве иллюстрации на рис. 1.2 показаноустройство уровнемера, позволяющего исключить зависимость ре­зультатовизмерения от изменения диэлектрической проницаемости среды, уровень которойизмеряется [4]. Датчик уровнемера (рис. 1.2, а) содержит четыре коаксиальныхконденсатора, два из которых (верхние компенсационные) находятся в воздухе (С и С),один (нижний компенсационный) полностью погруженв исследуе­мую среду (С) иодин (рабочий) частично погружен в исследуемую среду (С).
Измерительнаяцепь уровнемера (рис. 1.2, б) содержит гене­ратор Г, усилитель Ус, вольтметр идва трансформатора Тр1 и Тр2 и работает в режиме статического уравновешивания.Если коэффициент усилителя достаточно велик, то можно считать, что напряжениена его входе, зашунтированном паразитной ем­костью кабеля С,практически равно нулю. Это означает, что равна нулю сумма токов, поступающихна вход усилителя через емкости С, С, С,С:
,
где  -  — количество витков соответствующих обмотоктранс­форматоров. Отсюда

.

Выразим величины емкостей датчика через длины lсоответст­вующих конденсаторов, измеряемый уровень h, емкость на единицу длины в воздухе  и относительную диэлектрическую постояннуюисследуемой среды . Тогда; ; ; .Соответственно выражение для  преобра­зуется следующим образом:

.

Рисунок 1.2 – Устройство уровнемера:
а) датчик уровнемера; б) измерительная цепь уровнемера
Если датчик и измерительную цепь выполнить так, чтобысоблю­дались равенства  и , тополучим .
Такимобразом, показания прибора пропорциональны изме­ряемому уровню hи не зависят от величины диэлектрической по­стоянной ε.   
Нарис. 1.2, б штриховыми линиями показаны экраны, которые позволяют практическиполностью исключить погрешности от емкостей кабелей, соединяющих датчик сизмерительной цепью [4]. Поскольку емкости воздушных конденсаторов С и Сзави­сятот диэлектрической проницаемости воздуха, которая достаточно стабильна, товместо верхних компенсационных конденсаторов С и С(рис.1.2, а) могут быть использованы обычные постоянные конденсаторы. 
2 ИЗМЕРЕНИЕ РАССТОЯНИЙ
Простейшим и наиболее распространенным методомизмерения расстояния, пройденного движущимся объектом, является подсчет числаоборотов колеса, сцепляющегося с полотном дороги. Таким методом измеряется путьавтомобиля с помощью механического счет­ного механизма барабанного типа,подключаемого к трансмиссии автомобиля через соответствующий понижающийредуктор. В более сложных устройствах, например в морских лагах, передача углапо­ворота крыльчатки лага к измерительному устройству осуществляет­сяэлектрическим путем с помощью синхронной сельсинной передачи. А в наиболеесовершенных современных приборах этого типа пре­образователь, воспринимающий скорость вращения колеса или крыльчатки,преобразует ее в частоту электрических импульсов. Пройденный путь определяетсякак интеграл от скорости по вре­мени путем подсчета полного числа электрическихимпульсов за время пути. Этот подсчет осуществляется электронными счет­чикамичисла импульсов с непрерывной выдачей результатов на светящееся табло цифровогоприбора и с их одновременным вводом в цифровые вычислительные или управляющиеустройства.
По существу, этим же методом производится точноеизмерение пути на начальном, наиболее ответственном участке при запускекосмических ракет. Однако из-за отсутствия в этом случае элемен­тов, «сцепляющихсяс полотном дороги», в качестве исходного явления используется эффект Доплера,состоящий в кажущемся для неподвижного наблюдателя изменении частотыпередатчика удаляющейся ракеты. Это изменение частоты пропорционально (как ипри использовании элементов, сцепляющихся с полотном дороги) скорости движения.Поэтому подсчет электронными счет­чиками интеграла от «доплеровской частоты»позволяет получить непосредственный цифровой отсчет мгновенных значений пройден­ногопути.
Другим широко используемым методом измерениярасстояний является метод радиолокации. Этот метод состоит в том, что мощнымпередатчиком в направлении объекта, расстояние до которого должно бытьизмерено, излучается короткий (например,  1 мкс) радиоим­пульс. Достигнув объекта, этотимпульс отражается от него, и через некоторое время отраженный импульсвозвращается обратно и воспринимается чувствительным приемником. Естественно,что вре­мя, прошедшее с момента излучения импульса до момента его воз­вращения,тем дольше, чем больше расстояние до отразившего его объекта, так как скоростьраспространения электромагнитных коле­баний есть величина постоянная. Этаскорость, как известно, равна с = 300000 км/с, и если расстояние до объекта равно, например, 30 км, то емусоответствует затрата времени     200мкс. Наблюдение таких малых отрезков времени обычно производится на экранеэлектроннолучевой трубки.
Насегодняшний день, вследствии развития радиолокации в геодезии создаютсяГлобальные Позиционные Системы (GlobalPositionSystem– GPS) – это спутниковые позиционные системы. Состоит изоперационных спутников, работающих круглосуточно на орбите Земли, предоставляяинформацию по всему миру, в любую погоду, 24 часа в сутки в любом положении.
Приемниквместе с контролирующим программным обеспечением – это передовая система длясбора географических данных. Эти системы GPSразработаны для точной картографии, создания исовременного составления баз данных Географической Информационной Системы.Вместе с высокооперационным контролирующим программным обеспечением и точнымприемником вы можете быстро определить точное месторасположение и записатьинформацию в цифровой форме, которая позже может быть оттранслирована впространственную базу данных по вашему выбору.
Комбинированнаяспутниковая дифференциальная антенна – активная антенна, разработанная, чтобыфильтровать и усиливать сигнал для передачи по кабелю антенны к приемнику, атакже для фильтрации сигнальных помех типа АМ (амплитудная модуляция)радиотрансляции и шумов от переключающихся источников питания.
Описанныйметод не пригоден для измерения малых расстояний (меньше несколькихкилометров), так как в этом случае затрачивае­мое время становится слишкоммалым. Поэтому для измерения расстояний в несколько сотен метров удобнееиспользовать для лока­ции не электромагнитные, а акустические колебания,скорость распространения которых много меньше. Для газового акустичес­когоканала частота колебаний выбирается в пределах 18-25 кГц, а для твердых тел ижидкостей частота ультразвука принимается равной 0,5-10 МГц [4].
Наиболеетипичным примером использования акустической локации может служить измерениеглубины моря с помощью ультра­звуковых эхолотов. Скорость распространениязвуковых и ультра­звуковых колебаний в морской воде составляет около 1,5 км/с,т.е. в 200 000 раз меньше скорости распространения электро­магнитных колебаний.Поэтому данным методом могут измеряться как достаточно большие (несколькокилометров) расстояния.
Споявлением и развитием оптических квантовых генераторов (ОКГ) для точногоизмерения расстояний стали применять локацию световыми волнами.
Вимпульсных светодальномерах выходной величиной является интервал времени,необходимый для прохождения световым сигна­лом (короткой вспышкой) расстоянияот источника до объекта и обратно. В другой разновидности светодальномеровприменяют непрерывное излучение, модулированное по интенсивности сину­соидальнымсигналом частоты f. Выходной величиной такого даль­номераслужит разность фаз между напряжением на выходе прием­ника оптическогоизлучения и модулирующим напряжением. При измерении расстояний порядка 15-20 кмчастоту модулирующего напряжения выбирают около 60 МГц, при этом разность фазφ не превышает 2π.В современных светодальномерах модуляция света осуществляется с помощьюпрактически безинерционных электро­оптических ячеек Керра или Поккельса [5],позволяющих с по- мощью электрического поля осуществлять амплитудную модуляциюсвета в полосе частот от 0 до 109-1010 Гц.
Длясоздания узконаправленного потокаэлектромагнитного излучения в радиолокации используются антенны, размерыкоторых должны быть значительно больше длины волны излучения. Ввиду того, чтодлины волн оптического диапазона составляют доли микрон, оптические «антенны»,роль которых выполняют зеркально-линзовые системы, получаются весьмакомпактными и позволяют формировать весьма острона­правленныесветовые потоки. Так, угол расходимости излу­чения лазеров может достигатьнескольких угловых секунд. По указанным причинам опти­ческие дальномерыобладают существенными преимущест­вами перед радиолокаторами: меньшимигабаритами, массой, стои­мостью и болеевысокой точностью. Выпускаемые промышленностью для геодезических работсветодальномеры [6] имеют массу по­рядка 10-20 кг и обеспечивают в любое времясуток измерение расстояний до 15-20 км с погрешностью ± 10 мм.
3 ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА
Вторичныйэталон предназначен для воспроизведения и хранения единицы длины в диапазоне 20-5000м и передачи размера единицы длины с помощью рабочих эталонов рабочим средствамизмерительной техники с целью обеспечения единства измерений в стране.
Вторичныйэталон обеспечивает воспроизведение единицы длины с суммарной погрешностьюизмерения L) мм при доверительнойвероятности 0,97 [7].
Среднеквадратическоеотклонение результата измерений не превышает 0,1 мм, при 11 независимыхнаблюдениях [7].
Вторичныйэталон применяют для передачи размера единицы длины: геодезическим базисам вдиапазоне от 20 до 100000 м, оптическим дальномерам в диапазоне от 20 до 15000м, светодальномерам в диапазоне от 20 до 50000 м, радиодальномерам в диапазонеот 500 до 100000 м, импульсным светодальномерам в диапазоне от 20 до 100000 м испутниковым навигационным системам в диапазоне от 20 до 100000 м.
Вкачестве рабочих эталонов 1-го разряда применяются интерференционные измерителидлины в диапазоне от 1 до 50 м.
Доверительнаяабсолютная погрешность δ рабочих эталонов 1-го розряда не должна превышатьзначения (0,35 + 0,5L) мкм при доверительнойвероятности 0,97 для интерференционных измерителей длины.
Рабочиеэталоны 1-го разряда применяют для поверки рабочих эталонов 2-го и 3-горазрядов и рабочих средств измерительной техники методом прямых измерений исличений с помощью компаратора.
Вкачестве рабочих эталонов применяют линейные базисы в диапазоне 20-    100000 м.
Доверительныеабсолютные погрешности δ рабочих эталонов не должны превышать (2×10L) мм [7].
Рабочиеэталоны применяют для поверки рабочих средств измерительной техники методомпрямых измерений.
Вкачестве рабочих средств измерительной техники применяют  оптические дальномеры в диапазоне от 20 до15000 м, светодальномеры в диапазоне от 20 до 50000 м, импульсныесветодальномеры в диапазоне от 20 до 100000 м, радиодальномеры в диапазоне от500 до 100000 м и спутниковые навигационные системы в диапазоне от 100 до100000 м.
Границыдопустимых абсолютных погрешностей δ рабочих средств измерительной техникисоставляют от (0,5+1×10L) мм до 2×10 мм для дальномеровразных типов и (10+5×10L) мм для спутниковыхнавигационных систем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вданном реферате рассмотрены различные методы измерения больших линейныхгеометрических размеров и их реализация. Это обусловлено тем, что каждый изметодов реализуется при измерениях в своем более узком диапазоне измерений, чтосвязано с нелинейной характеристикой преобразователя и ее линейностью вограниченном диапазоне длины для измерения уровней; а также удобством,сложностью либо помехозащищенностью для измерений расстояний. Например,измерение уровней: масштабный преобразователь (от 100 мм до нескольких метров),емкостные преобразователи (от 100 мм до 100 м); измерений расстояний: подсчетэлектронными счетчиками интеграла от «доплеровской частоты» (зависит отразрядности счетчика), радиолокационные (от нескольких километров до несколькихтысяч километров), светолокационные методы (от нескольких километров до 15-20км), акустическая локация (от сотней метров до нескольких километров). Радиолокаторыприменяют в диапазоне от 15-20 км до нескольких тысяч километров, а в диапазонеот нескольких километров до 15-20 км применяют светолокаторы, точность которыхв этом диапазоне выше, а габариты и масса существенно меньше, чем урадиолокаторов. На более значительных расстояниях оказывает существенноевлияние затухание оптических волн в пространстве, а также зависимость ихраспространение от времени суток и погоды, что исключается в случае срадиоволнами. Для небольших расстояний время прохождения волны, которое зависитот расстояния пройденного этой волной, мало, что вызывает сложности егоизмерения, поэтому применяют волны с более низкой скоростью распространения –акустические.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1.  Электрическиеизмерения неэлектрических величин / Под ред. П.В. Новицкого. – 5-е изд.,перераб. и доп. – Львов: Энергия, 1975. – 576 с.
2.  Макаров А.К., СвердлинВ.М. Автоматические устройства контроля уровня. – Львов: Энергия, 1966. – 181с.
3.  Агейкин Д.И.,Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. – М.:Машиностроение, 1965. – 928 с.
4.  Карандеев К.Б.,Гриневич Ф.Б., Новик А.И. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. – М.:Энергия, 1966. – 136 с.
5.  Модуляция иотклонение оптического излучения / Т.П. Катыс, Н.В. Кравцов, Л.Е. Чирков, С.М.Коновалов. – М.: Наука, 1967. – 167 с.
6.  Геодезия / А.В.Маслов, А.В. Гордеев, Н.Н. Александров и др. – М.: Недра, 1972. – 525 с.
7.  ДСТУ 3741-98. Преобразователи термоэлектрические. Общиетехнические условия. – К.: Держстандарт Украини, 1994. — 22 с.