Датчик мишенного типа: расчет, проектирование и применение

В мире, где точность и эффективность промышленных процессов определяют успех, измерение расхода жидкостей, газов и пара становится краеугольным камнем. Среди множества методов расходометрии датчики мишенного типа занимают особое место благодаря своей надежности, универсальности и способности работать в сложных условиях. Эти приборы способны регистрировать потоки с минимальной скоростью от 0,08 м/с и обеспечивают высокую точность измерения (до ±0,2%), что делает их незаменимыми во многих критически важных отраслях промышленности. В условиях постоянно растущих требований к автоматизации и контролю технологических процессов, глубокое понимание принципов работы, расчета и проектирования датчиков мишенного типа становится не просто желательным, но жизненно необходимым для будущих инженеров.

Актуальность данной курсовой работы обусловлена непреходящей важностью точного контроля расхода в таких областях, как нефтегазовая, химическая, пищевая и фармацевтическая промышленность. Датчики мишенного типа предлагают решение для измерения расхода даже в агрессивных и загрязненных средах, где другие типы расходомеров могут быть неэффективны или ненадежны. Их применение способствует оптимизации производства, снижению издержек, обеспечению безопасности и повышению качества продукции.

Для инженеров-приборист это знание является фундаментальным для разработки и внедрения современных измерительных систем. Целью данной курсовой работы является всестороннее исследование датчиков мишенного типа, охватывающее их теоретические основы, принципы действия, детальные методы расчета и проектирования как первичных, так и вторичных измерительных преобразователей, а также анализ метрологических характеристик, факторов, влияющих на точность, и областей применения. Работа стремится предоставить глубокий академический анализ, подкрепленный конкретными математическими моделями и схемотехническими решениями, в соответствии с высокими требованиями инженерно-технического вуза.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Раскрыть фундаментальные физические законы, лежащие в основе работы датчиков мишенного типа.
Детально проанализировать конструктивные особенности первичных измерительных преобразователей и их влияние на метрологические характеристики.
Представить методологию расчета основных параметров первичных элементов, включая силу воздействия потока и характеристики упругих элементов.
Описать принципы проектирования электронных схем для обработки сигнала от первичного преобразователя, обеспечивающих высокую точность и стабильность.
Провести детальный анализ метрологических свойств и факторов, определяющих точность работы датчиков, с опорой на государственные стандарты.
Осуществить всесторонний анализ эксплуатационных характеристик и сфер применения, а также сравнить их с другими типами расходомеров.
Обзорно рассмотреть текущие направления развития и перспективные технологии в области датчиков мишенного типа.

Структура работы: Курсовая работа состоит из введения, семи основных разделов, заключения и списка использованных источников. Каждый раздел посвящен углубленному изучению определенного аспекта датчиков мишенного типа, от фундаментальных принципов до современных тенденций и инноваций.

1. Теоретические основы и принцип действия датчиков мишенного типа

1.1. Определение и классификация расходомеров

В основе любого измерительного процесса лежит четкое определение его объектов и средств, поэтому в контексте нашей работы крайне важно разграничить такие понятия, как «расходомер», «датчик» и «преобразователь», поскольку они часто используются как взаимозаменяемые, но имеют различные технические оттенки.

Расходомер – это измерительный прибор, предназначенный для определения объемного или массового расхода жидкости, газа или пара, то есть количества вещества, протекающего через заданное сечение трубопровода в единицу времени. Он представляет собой комплексное устройство, включающее в себя первичный измерительный преобразователь и, как правило, вторичный преобразователь, а также средства индикации и вывода данных.

Датчик (или чувствительный элемент) – это компонент измерительной системы, который непосредственно контактирует с измеряемой средой и преобразует неэлектрическую физическую величину (например, давление, температуру, деформацию) в электрический сигнал или другой сигнал, удобный для дальнейшей обработки. В датчике мишенного типа таковым является система «мишень — упругий элемент — тензорезистор».

Преобразователь – это устройство, которое изменяет вид энергии или информации. В контексте измерительной техники различают:

Первичный измерительный преобразователь (ПИП), который преобразует измеряемую физическую величину (например, силу воздействия потока) в другую физическую величину (например, деформацию, а затем изменение электрического сопротивления), удобную для дальнейшей обработки. ПИП часто называют сенсором или датчиком.
Вторичный измерительный преобразователь, который обрабатывает сигнал от первичного преобразователя (например, усиливает, фильтрует, преобразует в цифровой вид) и формирует выходной сигнал, соответствующий стандартизированному формату (например, 4-20 мА, RS-485).

Общая классификация расходомеров по принципу действия демонстрирует разнообразие подходов к измерению расхода. Среди основных типов выделяют:

Переменного перепада давления: orifice plate (диафрагменные), Вентури, сопла. Измерение расхода происходит по перепаду давления, создаваемому сужением потока.
Переменного уровня: ротаметры. Основаны на зависимости положения поплавка от расхода.
Турбинные (крыльчатые): измерение скорости вращения турбины, пропорциональной расходу.
Электромагнитные: для токопроводящих жидкостей, основаны на законе Фарадея.
Ультразвуковые: используют изменение времени прохождения ультразвукового сигнала в движущейся среде.
Кориолисовы: измеряют массовый расход, основаны на эффекте Кориолиса.
Вихревые: регистрируют частоту вихрей, образующихся за телом обтекания.
Тепловые (термические): используют зависимость теплоотдачи от скорости потока.
Мишенные: как раз предмет нашего исследования, основанные на силе динамического давления потока.

Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки, определяющие область их оптимального применения.

1.2. Принцип работы датчика мишенного типа

Принцип действия датчика мишенного типа изящен в своей простоте и надежности, что делает его востребованным для измерения расхода жидкостей, газов и пара, в том числе в агрессивных и загрязненных средах. В основе лежит фундаментальное физическое явление — динамическое давление движущегося потока на препятствие.

Подробное описание принципа действия:

Представьте себе плоскую пластину, так называемую «мишень», расположенную перпендикулярно потоку среды внутри трубопровода. Когда жидкость или газ начинает двигаться, она с определенной силой воздействует на эту мишень. Эта сила, известная как сила лобового сопротивления (или динамического давления), пропорциональна плотности среды и квадрату скорости потока.

Мишень не находится в свободном полете; она жестко закреплена на упругом элементе (например, консольной балке). Под воздействием потока мишень стремится отклониться от своего исходного положения. Это отклонение, в свою очередь, вызывает деформацию упругого элемента. Чем сильнее поток, тем больше сила, тем больше деформация.

Ключевой шаг в преобразовании этой механической деформации в измеряемый электрический сигнал осуществляется с помощью тензорезисторов. Эти миниатюрные датчики, наклеенные на поверхность упругого элемента, меняют свое электрическое сопротивление в зависимости от испытываемой ими деформации. Растяжение или сжатие упругого элемента приводит к изменению геометрии тензорезистора (длины, площади поперечного сечения), что, согласно физическим законам, влечет за собой изменение его электрического сопротивления.

Таким образом, последовательность преобразований выглядит следующим образом:

Движение среды: поток жидкости, газа или пара.
Воздействие на мишень: динамическое давление порождает силу лобового сопротивления.
Деформация упругого элемента: сила вызывает механическое напряжение и деформацию.
Изменение сопротивления тензорезистора: деформация преобразуется в электрический сигнал.
Измерение и интерпретация: изменение сопротивления (или напряжения в мостовой схеме) измеряется и пересчитывается в значение расхода.

Физические законы, лежащие в основе:

Законы гидро- и аэродинамики: описывают движение сред и взаимодействие потока с препятствиями. Ключевым здесь является концепция силы лобового сопротивления.
Механика твердого тела и сопротивление материалов: описывают деформацию упругих элементов под нагрузкой (Закон Гука).
Электрофизика: объясняет изменение электрического сопротивления проводников при деформации.

Математическая модель силы воздействия потока:

Сила лобового сопротивления (F_D), действующая на мишень, может быть выражена классической формулой из аэродинамики:

F_D = 0.5 ⋅ C ⋅ ρ ⋅ v² ⋅ A

Где:

F_D — сила лобового сопротивления (в ньютонах, Н).
C — безразмерный коэффициент лобового сопротивления. Этот коэффициент зависит от формы мишени (квадратная, круглая, обтекаемая), числа Рейнольдса (Re) потока (характеризует режим течения — ламинарный или турбулентный) и шероховатости поверхности. Для плоских пластин, перпендикулярных потоку, C обычно находится в диапазоне от 1,0 до 2,0.
ρ — плотность измеряемой среды (в килограммах на кубический метр, кг/м³). Плотность зависит от типа среды, ее температуры и давления.
v — средняя скорость потока измеряемой среды (в метрах в секунду, м/с).
A — площадь мишени, перпендикулярная направлению потока (в квадратных метрах, м²).

Эта формула демонстрирует нелинейную зависимость силы от скорости потока (квадратичную), что требует соответствующей линеаризации в вторичном преобразователе для получения прямо пропорционального расхода. Однако именно эта зависимость позволяет датчикам мишенного типа быть высокочувствительными к изменениям скорости потока.

1.3. Тензорезисторные преобразователи: основы теории

Сердцем преобразования механической деформации в электрический сигнал в датчиках мишенного типа являются тензорезисторные преобразователи, или тензодатчики. Их работа основана на пьезорезистивном эффекте — изменении электрического сопротивления материала при его механической деформации.

Принцип работы тензорезистора: изменение сопротивления под действием деформации.

Тензорезистор представляет собой тонкую проволоку, фольгу или полупроводниковый элемент, приклеенный к поверхности объекта, деформацию которого необходимо измерить. Когда объект деформируется (растягивается или сжимается), вместе с ним деформируется и тензорезистор. Эти изменения геометрии оказывают прямое влияние на его электрическое сопротивление.

При растяжении тензорезистора:

Его длина (L) увеличивается.
Его поперечное сечение (S) уменьшается.
Удельное электрическое сопротивление (ρ_уд) материала также может изменяться (пьезорезистивный эффект).

Все эти факторы приводят к увеличению общего электрического сопротивления R = ρ_уд ⋅ L / S.

При сжатии тензорезистора:

Его длина (L) уменьшается.
Его поперечное сечение (S) увеличивается.
Удельное электрическое сопротивление (ρ_уд) изменяется в противоположном направлении.

Все это приводит к уменьшению общего электрического сопротивления.

Относительное изменение сопротивления тензорезистора ΔR/R связано с относительной деформацией ε (относительным изменением длины) через так называемый коэффициент тензочувствительности (K):

ΔR/R = K ⋅ ε

Где:

ΔR — изменение сопротивления.
R — исходное сопротивление тензорезистора.
K — коэффициент тензочувствительности, безразмерная величина, которая зависит от материала тензорезистора и его конструкции. Для металлов K обычно находится в диапазоне 2-5, для полупроводников может достигать сотен.
ε — относительная деформация, ε = ΔL/L, где ΔL — изменение длины, L — исходная длина.

Закон Гука и его применение для деформации упругого элемента.

Деформация упругого элемента, на котором установлен тензорезистор, подчиняется закону Гука. Этот закон устанавливает линейную зависимость между механическим напряжением (σ) и относительной деформацией (ε) в пределах упругости материала:

σ = E ⋅ ε

Где:

σ — механическое напряжение (в паскалях, Па, или Н/м²), то есть сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения материала.
E — модуль упругости (или модуль Юнга) материала (в паскалях, Па). Это характеристика жесткости материала, показывающая, насколько сильно он сопротивляется деформации. Чем выше E, тем меньше деформация при той же нагрузке.
ε — относительная деформация (безразмерная величина).

Таким образом, сила F_D, воздействующая на мишень, вызывает механическое напряжение в упругом элементе. Это напряжение приводит к деформации, которая, в свою очередь, измеряется тензорезистором. Эта цепочка преобразований формирует основу для точного и надежного измерения расхода.

Определение давления (P = F / A).

Хотя датчик мишенного типа напрямую измеряет силу, его принцип тесно связан с концепцией давления. Давление (P) определяется как отношение силы (F), действующей перпендикулярно поверхности, к площади (A), на которую эта сила распределена:

P = F / A

В контексте датчика мишенного типа, сила F_D, действующая на мишень, создает некоторое давление на ее поверхность. Более того, сам принцип динамического давления является ключевым. Фактически, формула силы лобового сопротивления F_D = 0.5 ⋅ C ⋅ ρ ⋅ v² ⋅ A может быть интерпретирована как произведение динамического давления (0.5 ⋅ ρ ⋅ v²) на площадь мишени и коэффициент C. Таким образом, измерение силы с помощью тензорезисторов сводится к косвенному измерению давления потока, которое, в свою очередь, пропорционально квадрату скорости потока и, следовательно, расходу среды.

2. Конструктивные особенности и классификация первичных измерительных преобразователей

2.1. Основные конструктивные элементы датчика мишенного типа

Понимание устройства датчика мишенного типа начинается с анализа его ключевых компонентов, каждый из которых играет свою роль в сложной цепи преобразования физической величины в измеряемый сигнал. В отличие от многих других расходомеров, конструкция мишенного типа отличается простотой и прочностью, что обусловлено отсутствием движущихся частей в проточной части, обеспечивая высокую надежность и долговечность.

Подробное описание состава расходомера мишенного типа:

Пластина мишени (подвергаемый силовому воздействию элемент): Это главный элемент, который непосредственно контактирует с потоком измеряемой среды. Обычно это плоская пластина, помещаемая в центр трубопровода перпендикулярно потоку. Форма и размер мишени являются критическими параметрами, влияющими на силу лобового сопротивления и, следовательно, на чувствительность и диапазон измерений. Мишень соединена с чувствительным элементом жестким стержнем или непосредственно упругим элементом.
Упругий элемент: Этот компонент служит для преобразования силы, действующей на мишень, в механическую деформацию. Он должен обладать высокой степенью упругости, чтобы точно и повторяемо деформироваться под нагрузкой и возвращаться в исходное состояние. Чаще всего используются балки на изгиб (например, консольные балки), мембраны или кольца. Выбор материала и геометрии упругого элемента является ключевым для обеспечения линейности и точности преобразования.
Чувствительный элемент (тензодатчики, датчики температуры и давления):
- Тензодатчики: Это основа измерительного тракта. Несколько тензорезисторов (проволочных или фольговых) наклеиваются на поверхность упругого элемента в местах максимальной деформации. Они преобразуют механическое напряжение в изменение электрического сопротивления. Для повышения точности и температурной компенсации тензорезисторы обычно объединяются в мостовые схемы.
- Датчики температуры и давления: В некоторых продвинутых моделях датчики температуры и давления интегрируются в конструкцию или устанавливаются рядом с расходомером. Это необходимо для компенсации изменений плотности среды (ρ), которая сильно зависит от температуры и давления, особенно для газов и пара. Точная информация о ρ позволяет корректировать показания расхода и повышать общую точность.
Корпус измерительной трубы (может отсутствовать во вставном типе): Во многих случаях датчик мишенного типа представляет собой отдельный блок, который врезается в существующий трубопровод. Этот блок включает в себя часть измерительной трубы с внутренним профилем, обеспечивающим нормализацию потока перед мишенью. Однако существуют и вставные типы, где мишень с упругим элементом и преобразователем вставляется непосредственно в трубу.
Переходники и суммирующий счетчик с дисплеем и выходами: Электронный блок, который принимает слабый аналоговый сигнал от тензодатчиков, усиливает его, фильтрует помехи, преобразует в цифровой формат и выполняет расчеты для определения расхода. Он может включать в себя локальный дисплей для отображения текущих показаний, а также различные выходные интерфейсы (например, 4-20 мА, RS-485, Modbus, HART) для интеграции в системы автоматизированного управления (АСУ).

Важность отсутствия подвижных частей в проточной части для надежности и долговечности:

Это одна из ключевых особенностей и главных преимуществ датчиков мишенного типа. В отличие от турбинных расходомеров с вращающимися лопастями или некоторых других типов с движущимися заслонками, в мишенном расходомере нет элементов, которые бы изнашивались из-за трения, коррозии или абразивного воздействия механических примесей в потоке.

Высокая безопасность: Отсутствие подвижных частей снижает риск механических отказов, которые могут привести к авариям или утечкам, особенно при работе с агрессивными или взрывоопасными средами.
Надежность: Меньше движущихся частей – меньше точек отказа. Это значительно повышает общую надежность прибора.
Долговечность: Снижение износа гарантирует длительный срок службы даже в тяжелых условиях эксплуатации, таких как измерение расхода загрязненных или высоковязких сред.
Снижение требований к обслуживанию: Отсутствие необходимости в смазке, очистке или замене изношенных подвижных элементов существенно упрощает эксплуатацию и сокращает расходы на обслуживание.
Устойчивость к загрязнениям: Возможность работы с средами, содержащими механические примеси или имеющими высокую вязкость, делает их универсальным решением для многих промышленных задач.

2.2. Типы мишеней и их влияние на коэффициент лобового сопротивления

Форма и размер мишени являются определяющими факторами для корректного и точного измерения расхода в датчиках мишенного типа. Эти параметры напрямую влияют на силу, воспринимаемую чувствительным элементом, и, следовательно, на коэффициент лобового сопротивления (C).

Обзор различных форм мишеней и их конструктивных особенностей:

Мишень – это, по сути, обтекаемое (или необтекаемое) тело, помещенное в поток. Несмотря на кажущуюся простоту, форма мишени может варьироваться для оптимизации характеристик расходомера:

Плоские дисковые или квадратные мишени: Это наиболее распространенный и простой в изготовлении тип. Они обеспечивают значительную силу лобового сопротивления даже при умеренных скоростях потока. Однако, их коэффициент лобового сопротивления может сильно зависеть от числа Рейнольдса, особенно в переходных режимах потока, что может приводить к нелинейности характеристики.
Мишени с профилированным краем: Для улучшения стабильности коэффициента лобового сопротивления и снижения влияния турбулентности, края плоских мишеней могут быть скошены или закруглены. Это помогает уменьшить образование вихрей и сделать обтекание более предсказуемым.
Конические или полусферические мишени: Эти формы обеспечивают более стабильный коэффициент лобового сопротивления в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Их обтекание более плавное, что может быть полезно для сред с высокой скоростью или для снижения пульсаций. Однако, при той же площади, они могут создавать меньшую силу лобового сопротивления по сравнению с плоскими мишенями.
Мишени со сквозными отверстиями (перфорированные): В некоторых случаях, для измерения очень высоких расходов или для уменьшения падения давления, мишень может быть перфорирована. Это снижает эффективную площадь взаимодействия с потоком и, соответственно, силу лобового сопротивления. Такой подход требует тщательного калибровки.
Мишени переменной площади: Существуют экспериментальные конструкции, где площадь мишени может изменяться (например, посредством подвижных сегментов) для расширения динамического диапазона измерений. Однако такие решения значительно усложняют конструкцию и противоречат принципу отсутствия подвижных частей в проточной части.

Факторы, влияющие на коэффициент лобового сопротивления (C):

Коэффициент лобового сопротивления C является эмпирической величиной и зависит от множества факторов:

Форма мишени: Как уже упоминалось, геометрический профиль мишени является ключевым. Острые кромки обычно увеличивают C, создавая более выраженное разделение потока и вихреобразование.
Число Рейнольдса (Re): Это безразмерное число, характеризующее режим течения (ламинарный, переходный, турбулентный).
Re = (ρ ⋅ v ⋅ d) / μ
Где ρ – плотность среды, v – скорость потока, d – характерный размер (например, диаметр трубы или размер мишени), μ – динамическая вязкость среды.
- Ламинарный режим (низкие Re): Коэффициент C может быть высоким и сильно зависеть от Re.
- Переходный режим: C нестабилен, что является сложным участком для измерения.
- Турбулентный режим (высокие Re): Для многих форм мишеней C становится относительно стабильным и менее зависимым от Re, что упрощает калибровку и обеспечивает большую линейность.
Отношение размера мишени к диаметру трубы (A_мишени / A_трубы): Если мишень занимает значительную часть поперечного сечения трубы, возникают эффекты блокировки потока, которые могут увеличивать C.
Шероховатость поверхности мишени: Более грубая поверхность может незначительно увеличить C за счет усиления турбулентности в пограничном слое.
Равномерность потока: Неравномерное распределение скорости перед мишенью (профили скорости, турбулентность, пульсации) может искажать значение C и вызывать дополнительные погрешности. Именно поэтому требуются прямые участки трубопровода до расходомера.

Выбор оптимальной формы и размера мишени – это компромисс между чувствительностью, линейностью, диапазоном измерений, падением давления и стоимостью изготовления. Для каждой конкретной задачи и измеряемой среды требуется тщательный анализ этих факторов.

2.3. Упругие элементы: виды и принцип действия

Упругие элементы в датчиках мишенного типа играют роль посредника между механической силой, создаваемой потоком, и электрическим сигналом, генерируемым тензодатчиками. Их основная задача – деформироваться под действием силы потока и передать эту деформацию на тензорезисторы, при этом сохраняя линейность и повторяемость характеристик.

Использование балок на изгиб (консольные датчики) как пример упругого элемента:

Одним из наиболее распространенных и эффективных типов упругих элементов являются балки на изгиб. Среди них особой популярностью пользуются консольные балки. Консольная балка представляет собой стержень, жестко закрепленный одним концом, а другой конец остается свободным. Мишень крепится к свободному концу или на некотором расстоянии от крепления. Под действием силы потока, приложенной к мишени, балка изгибается, создавая напряжения растяжения на одной стороне и сжатия на другой.

Принцип действия: Когда на свободный конец консольной балки действует сила, она деформируется, изгибаясь. В верхних слоях балки (в зависимости от направления силы) возникает растягивающее напряжение, а в нижних – сжимающее. По мере приближения к нейтральной оси балки (где напряжения равны нулю), величина напряжений уменьшается. Тензорезисторы наклеиваются на поверхность балки в тех местах, где деформация (а значит, и напряжение) максимальна и носит предсказуемый характер, обычно у основания балки, где она закреплена.
Преимущества консольных балок:
- Предсказуемая деформация: Механика изгиба балок хорошо изучена, что позволяет точно рассчитать напряжения и прогибы.
- Высокая чувствительность: Относительно небольшая сила может вызвать значительную деформацию в консольной балке, особенно при выборе оптимальной длины и толщины.
- Простота установки тензодатчиков: Поверхность балки легкодоступна для наклеивания тензорезисторов.
- Прочная конструкция: При правильном выборе материала и геометрии, консольные балки могут выдерживать значительные нагрузки без пластических деформаций.

Помимо консольных балок, могут использоваться и другие конфигурации упругих элементов, например:

Двухопорные балки: Закрепленные с двух сторон, они деформируются по центру.
Кольцевые элементы или мембраны: Используются для измерения давления, но могут быть адаптированы для сил, при этом тензорезисторы наклеиваются на их поверхности.
S-образные балки: Обеспечивают высокую чувствительность и линейность, часто используются в весоизмерительной технике.

Материалы для упругих элементов и их свойства (модуль упругости):

Выбор материала для упругого элемента является критически важным. Он должен обладать следующими свойствами:

Высокий модуль упругости (E): Чем выше модуль упругости, тем жестче материал. Это позволяет элементу выдерживать большие нагрузки без чрезмерного прогиба, сохраняя при этом чувствительность тензорезисторов. Типичные материалы:
- Стали: Высокопрочные нержавеющие стали (например, 17-4 PH, 15-5 PH) часто используются из-за их хорошей механической прочности, коррозионной стойкости и стабильных упругих свойств. Их модуль упругости составляет около 200 ГПа.
- Алюминиевые сплавы: Легкие и относительно недорогие, с модулем упругости около 70 ГПа. Используются там, где важен вес или требуется более высокая чувствительность к малым силам.
- Сплавы на основе никеля (например, Инконель): Применяются в условиях высоких температур и агрессивных сред, обладают хорошей коррозионной стойкостью и сохраняют упругие свойства в широком температурном диапазоне.
Хорошие упругие свойства: Материал должен полностью восстанавливать свою форму после снятия нагрузки, то есть не иметь пластических деформаций в рабочем диапазоне.
Стабильность к температурным изменениям: Модуль упругости и другие механические свойства материала не должны существенно изменяться с температурой, чтобы минимизировать температурную погрешность.
Коррозионная стойкость: Особенно важно для работы с агрессивными средами.

Модуль упругости (Модуль Юнга) — это фундаментальная характеристика материала, определяющая его способность сопротивляться упругой деформации. Как уже упоминалось, он связывает механическое напряжение и относительную деформацию (σ = E ⋅ ε). При проектировании упругого элемента инженер подбирает материал и его геометрические размеры таким образом, чтобы при максимальной ожидаемой силе потока деформация упругого элемента была достаточной для надежной регистрации тензодатчиками, но при этом не превышала предел упругости материала.

2.4. Тензодатчики: конструкция и схемы включения

Тензодатчики являются финальным звеном в цепи преобразования механической деформации в электрический сигнал в первичном измерительном преобразователе. Их конструкция и способ включения в измерительную схему напрямую влияют на точность, стабильность и температурную компенсацию всего датчика.

Виды тензорезисторов (проволочные, фольговые) и материалы (константан, нихром).

Различают два основных типа тензорезисторов по способу изготовления чувствительного элемента:

Проволочные тензорезисторы: Состоят из тонкой проволоки (диаметром 0,02-0,05 мм), уложенной в виде сетки на тонкой подложке (бумажной или полимерной) и покрытой защитным слоем.
- Преимущества: Простота изготовления, относительно низкая стоимость.
- Недостатки: Менее компактны, могут иметь большую инерционность, чувствительны к сдвиговым деформациям.
Фольговые тензорезисторы: Изготавливаются методом фотолитографии из тонкой фольги (толщиной несколько микрометров), наклеенной на подложку. Рисунок резистивной сетки формируется путем травления.
- Преимущества: Очень компактны, высокая точность, меньшая инерционность, лучшая теплоотдача, возможность создания сложных конфигураций для измерения многокомпонентных напряжений.
- Недостатки: Более высокая стоимость изготовления.

Материалы для тензорезисторов:

Для изготовления тензорезисторов используются сплавы с высоким омическим сопротивлением и стабильным коэффициентом тензочувствительности, мало зависящим от температуры:

Константан: Сплав меди (около 55%) и никеля (около 45%). Обладает высоким удельным сопротивлением и очень малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), что делает его идеальным для тензорезисторов, требующих температурной стабильности. Коэффициент тензочувствительности K ≈ 2.
Нихром: Сплав никеля (около 80%) и хрома (около 20%). Также имеет высокое удельное сопротивление и хорошую температурную стабильность. Используется в высокотемпературных применениях. Коэффициент тензочувствительности K ≈ 2.2.
Полупроводниковые тензорезисторы: Изготавливаются из кремния или германия. Обладают значительно более высоким коэффициентом тензочувствительности (K может достигать 100-200), что позволяет измерять очень малые деформации. Однако они более чувствительны к температурным изменениям и требуют более сложной температурной компенсации.

Классификация тензодатчиков (мембранные, колонные, S-образные, балочные):

Тензодатчики классифицируются не только по типу чувствительного элемента, но и по конструкции упругого элемента, на котором они расположены, и по характеру воспринимаемой нагрузки:

Мембранные: Используются для измерения давления. Тензорезисторы наклеиваются на тонкую мембрану, которая деформируется под действием разницы давлений.
Колонные (стержневые): Предназначены для измерения сил сжатия или растяжения. Тензорезисторы наклеиваются на стержень, который деформируется по оси.
S-образные: Высокоточные датчики для измерения сил растяжения и сжатия. Имеют S-образную форму, которая обеспечивает высокую чувствительность и линейность.
Балочные (консольные, двухопорные): Как было упомянуто ранее, используются для измерения изгибающих моментов или сил. Тензорезисторы наклеиваются на балку.
Универсальные: Способны измерять как сжатие, так и растяжение.

Мостовые схемы включения тензорезисторов (четвертьмостовая, полумостовая, полномостовая) и их преимущества.

Изменение сопротивления одиночного тензорезистора очень мало (обычно менее 10^-3 от номинального), что делает его измерение затруднительным. Для точного измерения таких малых изменений и для компенсации температурных погрешностей тензорезисторы включаются в мостовые схемы, чаще всего мост Уитстона.

Четвертьмостовая схема (один тензорезистор):
- В мост включается один активный тензорезистор (R₁), сопротивление которого изменяется под нагрузкой. Остальные три резистора (R₂, R₃, R₄) – постоянные, высокостабильные резисторы.
- Преимущества: Простота схемы.
- Недостатки: Не компенсирует температурные изменения, малочувствительна к малым деформациям, выходной сигнал зависит от напряжения питания.
Полумостовая схема (два тензорезистора):
- В мост включаются два активных тензорезистора. Идеальный вариант – когда один тензорезистор растягивается (R₁↑), а другой сжимается (R₂↓) под действием одной и той же силы. Эти тензорезисторы располагаются в смежных плечах моста или в противоположных (диагональных), но так, чтобы деформации были разнонаправленными. Два других резистора (R₃, R₄) – постоянные.
- Преимущества: Удвоенная чувствительность по сравнению с четвертьмостовой схемой, частичная температурная компенсация (если оба тензорезистора имеют одинаковый ТКС и находятся при одинаковой температуре).
- Недостатки: Требует более сложного расположения тензорезисторов.
Полномостовая схема (четыре тензорезистора):
- В мост включаются все четыре активных тензорезистора. Идеальная конфигурация – два растягивающихся и два сжимающихся тензорезистора, расположенные таким образом, чтобы в смежных плечах моста находились тензорезисторы с противоположными изменениями сопротивления (например, R₁↑, R₂↓, R₃↑, R₄↓).
- Преимущества:
  - Максимальная чувствительность: Выходной сигнал в четыре раза больше, чем у четвертьмостовой схемы, и в два раза больше, чем у полумостовой.
  - Высокая температурная компенсация: Если все четыре тензорезистора имеют одинаковый температурный коэффициент сопротивления и находятся при одинаковой температуре, температурные изменения сопротивления в плечах моста взаимно компенсируются, что значительно снижает температурную погрешность.
  - Ко��пенсация влияния продольных и поперечных деформаций: При правильном расположении можно компенсировать нежелательные деформации.
  - Меньшая зависимость от напряжения питания: В идеальном случае, выходное напряжение пропорционально коэффициенту тензочувствительности и деформации, а не абсолютному значению напряжения питания моста.

Полномостовая схема тензодатчика с 6-проводным подключением как способ термокомпенсации.

В полномостовой схеме для дальнейшего улучшения температурной стабильности и компенсации потерь напряжения в подводящих проводах используется 6-проводное подключение. Обычно для питания моста и снятия сигнала используются по два провода. При 6-проводном подключении добавляются еще два провода (по одному к каждому питающему контакту моста), которые идут к входу измерительного прибора. Эти дополнительные провода используются для измерения фактического напряжения питания непосредственно на мосте, компенсируя падение напряжения на основных питающих проводах из-за их сопротивления и температурных изменений. Таким образом, измерительный прибор всегда «знает» реальное напряжение питания моста, что повышает точность измерения.

Использование полномостовой схемы с 6-проводным подключением является стандартом для высокоточных тензодатчиков, обеспечивая максимальную температурную компенсацию и точность, при условии, что смежные пары тензорезисторов имеют одинаковый температурный коэффициент сопротивления и находятся при равной температуре. Это достигается тщательным выбором материалов и технологий изготовления тензорезисторов, а также их прецизионным монтажом на упругом элементе.

3. Расчет и проектирование первичных элементов датчика

3.1. Расчет силы воздействия потока на мишень

Расчет первичного измерительного преобразователя начинается с фундаментального шага – определения силы, с которой движущийся поток воздействует на мишень. Эта сила является исходной точкой для всех последующих расчетов, связанных с деформацией упругого элемента и генерацией электрического сигнала.

Детальное применение формулы F_D = 0.5 ⋅ C ⋅ ρ ⋅ v² ⋅ A.

Формула силы лобового сопротивления F_D = 0.5 ⋅ C ⋅ ρ ⋅ v² ⋅ A является краеугольным камнем для понимания и расчета работы датчика мишенного типа. Для ее эффективного применения необходимо точно определить каждый из входящих в нее параметров.

Сила лобового сопротивления (F_D): Это целевая величина, которую мы хотим измерить с помощью тензодатчиков. Ее значение будет служить основой для расчета деформации упругого элемента.
Коэффициент лобового сопротивления (C): Этот безразмерный коэффициент является одним из самых сложных для точного определения. Он сильно зависит от:
- Формы мишени: Плоские мишени имеют более высокий C по сравнению с обтекаемыми.
- Числа Рейнольдса (Re): Как обсуждалось ранее, в ламинарном и переходном режимах C может значительно изменяться. В турбулентном режиме (который чаще всего встречается в промышленных трубопроводах) для плоских мишеней C относительно стабилен и находится в диапазоне от 1.0 до 2.0. Точное значение C обычно определяется эмпирически в ходе калибровки или по справочным данным для конкретной геометрии мишени и диапазона чисел Рейнольдса.
- Отношения площади мишени к площади трубы: Если мишень занимает значительную часть сечения, C может увеличиваться из-за эффекта «блокировки».
Плотность среды (ρ): Это один из наиболее важных параметров, сильно зависящий от типа измеряемой среды, ее температуры и давления.
- Для жидкостей: Плотность жидкостей относительно мало меняется с давлением, но заметно с температурой. Необходимо использовать справочные данные для конкретной жидкости при рабочей температуре и, при необходимости, учитывать поправки на давление.
- Для газов и пара: Плотность газов и пара сильно зависит как от температуры, так и от давления (ρ = P / (R ⋅ T), где P – абсолютное давление, R – удельная газовая постоянная, T – абсолютная температура). Для точных измерений необходимо интегрировать в расходомер датчики температуры и давления для динамической компенсации.
Скорость потока (v): Это средняя скорость потока измеряемой среды. Важно понимать, что в реальных трубопроводах профиль скорости потока неоднороден (максимальная скорость в центре, минимальная у стенок). Мишень, как правило, измеряет скорость в центральной части. Однако, для расчета объемного расхода используется средняя скорость потока.
Площадь мишени (A): Это площадь поверхности мишени, перпендикулярная направлению потока. Для плоской мишени это просто ее геометрическая площадь. Для круглых мишеней A = π ⋅ r², для квадратных A = s².

Определение параметров: плотность среды (ρ), скорость потока (v), площадь мишени (A).

Плотность среды (ρ): Определяется на основе технических характеристик измеряемой среды, ее температуры и давления. Для инженерных расчетов часто используются средние или табличные значения. В реальных приборах используются встроенные датчики температуры и давления, сигнал которых корректирует значение ρ в реальном времени.
Скорость потока (v): Как правило, скорость потока не измеряется напрямую, а является искомой величиной или вычисляется из объемного расхода.
Площадь мишени (A): Выбирается на этапе проектирования, исходя из требуемого диапазона измерения расхода, ожидаемой силы и чувствительности упругого элемента. Большие мишени обеспечивают большую силу при том же расходе, но могут создавать большее падение давления и быть чувствительными к неоднородности потока.

Взаимосвязь между скоростью среды, диаметром трубы и расходом: V_ср = 4Q_мах ⋅ 10³ / (π ⋅ D²).

Для перехода от измеряемой силы к полезному значению расхода необходимо связать скорость потока с объемным расходом. Объемный расход (Q) – это объем среды, проходящей через поперечное сечение трубы в единицу времени. Средняя скорость потока (V_ср) связана с объемным расходом (Q) и площадью поперечного сечения трубы (A_трубы) следующим образом:
Q = V_ср ⋅ A_трубы
Поперечное сечение круглой трубы с диаметром D: A_трубы = π ⋅ D² / 4.
Отсюда, средняя скорость потока: V_ср = Q / (π ⋅ D² / 4) = 4Q / (π ⋅ D²).

Если мы хотим найти максимальную среднюю скорость (V_ср.мах) для заданного максимального объемного расхода (Q_мах), то формула примет вид:

V_ср.мах = (4 ⋅ Q_мах ⋅ 10³) / (π ⋅ D²)

Где:

V_ср.мах — максимальная средняя скорость потока (в метрах в секунду, м/с).
Q_мах — максимальный объемный расход (в кубических метрах в час, м³/ч). Коэффициент 10³ используется для перевода м³/ч в м³/с, так как 1 час = 3600 секунд (иногда используют Q в л/с, тогда 10³ не нужен).
D — внутренний диаметр измерительной трубы (в миллиметрах, мм).

Таким образом, зная максимальный расход, можно определить максимальную скорость потока, которая, в свою очередь, используется для расчета максимальной силы, воздействующей на мишень. Эта максимальная сила является ключевым параметром для проектирования упругого элемента и выбора тензодатчиков.

3.2. Проектирование упругого элемента (например, консольной балки)

После того как определена максимальная сила воздействия потока (F_D.max) на мишень, следующим критически важным этапом является проектирование упругого элемента. Его задача – преобразовать эту силу в измеримую деформацию, которая, в свою очередь, будет регистрироваться тензодатчиками. Мы рассмотрим пример проектирования консольной балки как наиболее распространенного решения.

Расчет нормальных напряжений и перемещений под действием силы.

Для консольной балки, жестко закрепленной одним концом и нагруженной сосредоточенной силой (равной F_D.max) на свободном конце, основные расчеты включают определение максимального прогиба (перемещения) и максимальных нормальных напряжений.

Максимальный прогиб (f_max): Прогиб балки в месте приложения силы является важным параметром. С одной стороны, он должен быть достаточно большим для надежного измерения тензодатчиками. С другой стороны, он не должен приводить к контакту мишени со стенками трубы или выходить за пределы упругости материала. Для консольной балки, нагруженной силой P на свободном конце, максимальный прогиб определяется по формуле:

f_max = (P ⋅ L³) / (3 ⋅ E ⋅ I)

Где:

f_max — максимальный прогиб свободного конца балки (в метрах, м).
P — сосредоточенная сила, действующая на свободный конец балки (равная F_D.max, в ньютонах, Н).
L — длина консольной балки от точки закрепления до точки приложения силы (в метрах, м).
E — модуль упругости (модуль Юнга) материала балки (в паскалях, Па).
I — момент инерции поперечного сечения балки относительно нейтральной оси (в метрах в четвертой степени, м⁴).

Максимальные нормальные напряжения (σ_max): Нормальные напряжения, возникающие в балке, являются ключевым параметром для оценки прочности и обеспечения работы в пределах упругости. Максимальные напряжения возникают в точке закрепления балки (у основания). Для прямоугольного поперечного сечения балки они определяются как:

σ_max = (M_max ⋅ y) / I

Где:

σ_max — максимальное нормальное напряжение (в паскалях, Па).
M_max — максимальный изгибающий момент, возникающий у основания балки. Для консольной балки с силой P на конце, M_max = P ⋅ L (в ньютон-метрах, Н⋅м).
y — расстояние от нейтральной оси до наиболее удаленного волокна поперечного сечения. Для прямоугольного сечения высотой h, y = h / 2.
I — момент инерции поперечного сечения балки.

Для прямоугольного поперечного сечения шириной b и высотой h, момент инерции I = (b ⋅ h³) / 12.

Подставляя эти значения, получим:
σ_max = ( (P ⋅ L) ⋅ (h / 2) ) / ( (b ⋅ h³) / 12 ) = (6 ⋅ P ⋅ L) / (b ⋅ h²)

Эти напряжения не должны превышать предел текучести материала, чтобы избежать пластической деформации и обеспечить долговечность датчика.

Выбор материала и геометрических параметров балки для обеспечения требуемой деформации.

Процесс проектирования – это итерационный процесс, где на основе требуемой чувствительности, диапазона измерения и прочности выбираются материал и геометрические размеры.

Выбор материала: Основывается на требуемой прочности, коррозионной стойкости, температурной стабильности и стоимости. Часто используются нержавеющие стали (например, 17-4 PH) или специальные сплавы. Модуль упругости E для выбранного материала является входным параметром.
Определение максимального прогиба (f_max) и напряжения (σ_max):
- Максимальный прогиб должен быть достаточным, чтобы тензодатчики могли надежно его зарегистрировать, но при этом не должен быть чрезмерным. Обычно это доли миллиметра.
- Максимальное напряжение σ_max должно быть значительно ниже предела текучести материала (как правило, с коэффициентом запаса 2-3) для обеспечения длительной и надежной работы.
Выбор геометрических параметров (L, b, h):
- Длина балки (L): Большая длина L увеличивает прогиб и напряжения, что повышает чувствительность, но может сделать конструкцию громоздкой и склонной к вибрациям.
- Ширина балки (b): Увеличение b уменьшает напряжения и прогиб.
- Высота балки (h): Наиболее сильно влияет на жесткость. Увеличение h значительно уменьшает прогиб и напряжения (в кубической и квадратичной зависимости соответственно).

Инженер начинает с предварительного выбора L, b, h, затем рассчитывает f_max и σ_max для F_D.max. Если полученные значения не соответствуют требованиям (например, слишком малый прогиб для регистрации, или слишком высокие напряжения), параметры корректируются и расчет повторяется. Цель — найти такую комбинацию L, b, h, которая при максимальной силе F_D.max обеспечит достаточный прогиб для тензодатчиков и при этом не вызовет пластических деформаций.

Пример (гипотетический):

Пусть F_D.max = 10 Н.
Материал: Нержавеющая сталь, E = 200 ГПа = 200 ⋅ 10⁹ Па. Предел текучести ≈ 700 МПа.
Предположим, мы хотим получить прогиб f_max ≈ 0.5 мм = 0.5 ⋅ 10^-3 м.
Изначально выбираем: L = 0.05 м (50 мм), b = 0.01 м (10 мм), h = 0.003 м (3 мм).
Момент инерции I = (0.01 ⋅ (0.003)³) / 12 = (0.01 ⋅ 27 ⋅ 10^-9) / 12 = 2.25 ⋅ 10^-11 м⁴.

Рассчитаем f_max:
f_max = (10 Н ⋅ (0.05 м)³) / (3 ⋅ 200 ⋅ 10⁹ Па ⋅ 2.25 ⋅ 10^-11 м⁴)
f_max = (10 ⋅ 125 ⋅ 10^-6) / (1350 ⋅ 10^-2) = (1.25 ⋅ 10^-3 ) / 13.5 = 9.26 ⋅ 10^-5 м ≈ 0.09 мм.
Это слишком мало для надежного измерения.

Корректируем параметры: Увеличим L до 0.1 м (100 мм), уменьшим h до 0.002 м (2 мм). b оставим 0.01 м.
Новый момент инерции I = (0.01 ⋅ (0.002)³) / 12 = (0.01 ⋅ 8 ⋅ 10^-9) / 12 = 6.67 ⋅ 10^-12 м⁴.

Новый f_max:
f_max = (10 Н ⋅ (0.1 м)³) / (3 ⋅ 200 ⋅ 10⁹ Па ⋅ 6.67 ⋅ 10^-12 м⁴)
f_max = (10 ⋅ 10^-3) / (4002 ⋅ 10^-3) = 10 / 4002 = 2.5 ⋅ 10^-3 м = 2.5 мм.
Это уже приемлемый прогиб.

Теперь проверим максимальное напряжение для новых параметров:
σ_max = (6 ⋅ P ⋅ L) / (b ⋅ h²)
σ_max = (6 ⋅ 10 Н ⋅ 0.1 м) / (0.01 м ⋅ (0.002 м)²)
σ_max = 0.6 / (0.01 ⋅ 4 ⋅ 10^-6) = 0.6 / (4 ⋅ 10^-8) = 1.5 ⋅ 10⁷ Па = 15 МПа.
Это значительно ниже предела текучести 700 МПа, что обеспечивает большой запас прочности.

Такой итерационный подход позволяет инженеру оптимизировать геометрию упругого элемента для конкретных требований.

3.3. Выбор и расчет параметров тензодатчиков

Выбор и расчет параметров тензодатчиков является завершающим этапом проектирования первичного измерительного преобразователя, напрямую влияющим на точность, стабильность и чувствительность всей измерительной системы.

Учет метрологических характеристик: коэффициент тензочувствительности, номинальное сопротивление.

При выборе тензодатчиков необходимо руководствоваться их ключевыми метрологическими характеристиками:

Коэффициент тензочувствительности (K): Как уже упоминалось, K показывает, насколько сильно изменяется относительное сопротивление тензорезистора при относительной деформации (ΔR/R = K ⋅ ε).
- Выбор тензорезисторов с более высоким K (например, полупроводниковых) позволяет регистрировать меньшие деформации, но требует более тщательной температурной компенсации. Для большинства промышленных применений используются металлические тензорезисторы с K ≈ 2-2.2.
- При проектировании необходимо убедиться, что ожидаемая деформация упругого элемента (ε = σ_max / E) будет достаточной для генерации измеримого изменения сопротивления ΔR = R ⋅ K ⋅ ε.
Номинальное сопротивление (R): Это исходное электрическое сопротивление тензорезистора без нагрузки. Стандартные значения: 120 Ом, 350 Ом, 1000 Ом.
- Выбор более высокого номинального сопротивления (например, 1000 Ом) позволяет уменьшить потребляемый ток от источника питания моста, что снижает самонагрев тензорезисторов и, следовательно, температурные погрешности. Однако это может потребовать более высокого входного импеданса у измерительного усилителя.
- При проектировании измерительного моста важно, чтобы все резисторы (активные и пассивные) имели согласованные номиналы для обеспечения баланса моста в ненагруженном состоянии.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС): Характеризует изменение сопротивления тензорезистора при изменении температуры без механической деформации. Для минимизации температурных погрешностей выбирают материалы с малым ТКС (константан) или используют схемы температурной компенсации.
Размер и форма тензорезистора: Должны соответствовать геометрии упругого элемента и области максимальной деформации. Длинные тензорезисторы усредняют деформацию на большей площади.

Применение мостовых схем для минимизации температурных погрешностей.

Как мы уже знаем, для минимизации температурных погрешностей и увеличения чувствительности тензорезисторы включаются в мостовые схемы:

Полномостовая схема является предпочтительной, так как она обеспечивает максимальную температурную компенсацию. Если все четыре тензорезистора (R₁, R₂, R₃, R₄) имеют одинаковый ТКС и находятся при одинаковой температуре, то любое изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивления во всех плечах моста, и мост останется сбалансированным (или изменится очень незначительно), исключая температурный дрейф нулевой точки.
Для достижения максимальной компенсации необходимо, чтобы тензорезисторы, расположенные в смежных плечах моста, имели разнонаправленные деформации или чтобы их температурные зависимости компенсировали друг друга. Например, два растягивающихся и два сжимающихся тензорезистора, или два активных и два компенсационных (недеформирующихся, но находящихся при той же температуре) тензорезистора.

Выходное напряжение (U_вых) измерительного моста (для полномостовой схемы) обычно пропорционально деформации и напряжению питания моста (U_пит):

U_вых = (1/4) ⋅ U_пит ⋅ K ⋅ ε

Где:

U_вых — выходное напряжение моста (в вольтах, В).
U_пит — напряжение питания моста (в вольтах, В).
K — коэффициент тензочувствительности.
ε — относительная деформация.

Требования к чувствительности и разрешению для регистрации малых изменений сопротивления.

Относитель��ые изменения сопротивления тензорезисторов (ΔR/R) под действием нагрузки, как правило, очень малы (порядка 10^-3 — 10^-6). Это означает, что выходной сигнал с тензомоста будет иметь очень низкое напряжение – обычно от нескольких милливольт до десятков милливольт при полном диапазоне измерений. Для надежной регистрации таких слабых сигналов требуются:

Высокочувствительные вольтметры: Способные измерять напряжения в диапазоне микровольт.
Прецизионные усилители: С высоким коэффициентом усиления, низким уровнем шума и малым дрейфом. Они являются первой ступенью вторичного измерительного преобразователя.
Высокоразрядные аналого-цифровые преобразователи (АЦП): Для перевода усиленного аналогового сигнала в цифровой формат с достаточным разрешением, чтобы не потерять информацию о малых изменениях.

Таким образом, выбор и расчет тензодатчиков – это не только подбор самих элементов, но и комплексное планирование всей измерительной цепи, чтобы обеспечить достаточную чувствительность, точность и стабильность в широком диапазоне условий эксплуатации.

4. Расчет и проектирование вторичных измерительных преобразователей

Вторичный измерительный преобразователь – это мозг датчика мишенного типа, который принимает слабый, аналоговый сигнал от первичного преобразователя (тензодатчика) и превращает его в стабильный, точный и пригодный для использования цифровой или аналоговый выходной сигнал. Это требует сложной электронной схемы, включающей усилители, фильтры помех и аналого-цифровые преобразователи. Какие же конкретные компоненты обеспечивают эту трансформацию?

4.1. Усилители для тензодатчиков

Сигнал с тензометрического моста, как было отмечено, чрезвычайно мал, часто составляя лишь несколько милливольт при полном диапазоне измерений. Для его эффективной обработки и преобразования в стандартные выходные сигналы требуется мощное и прецизионное усиление. Здесь на сцену выходят специализированные инструментальные усилители.

Применение инструментальных усилителей (INA125, AD8555) для усиления слабых сигналов тензомоста.

Инструментальные усилители (ИА) – это класс дифференциальных усилителей, разработанных специально для точного усиления малых дифференциальных сигналов в присутствии больших синфазных напряжений. Они идеально подходят для работы с тензодатчиками, подключенными по мостовой схеме. Такие микросхемы, как INA125 или AD8555, являются яркими представителями этого класса.

INA125: Это низкопотребляющий, высокоточный инструментальный усилитель со встроенным стабилизатором напряжения для питания тензомоста. Он может работать от униполярного питания, что упрощает схему. Его коэффициент усиления легко программируется одним внешним резистором.
AD8555: Еще один высокоточный инструментальный усилитель с нулевым дрейфом (zero-drift amplifier), что означает крайне низкое смещение нуля и его дрейф с температурой. Это критически важно для долговременной стабильности измерений.

Характеристики инструментальных усилителей: низкий шум, малый дрейф, высокий CMRR.

Инструментальные усилители обладают рядом ключевых характеристик, которые делают их незаменимыми для работы с тензодатчиками:

Низкий уровень шума: Слабые сигналы тензодатчиков легко могут быть заглушены шумами. ИА разработаны для минимизации собственного шума, обеспечивая чистоту усиленного сигнала.
Малый дрейф: Дрейф – это медленное изменение выходного напряжения без изменения входного сигнала, часто вызванное температурными колебаниями. ИА имеют очень низкий дрейф напряжения смещения и дрейф коэффициента усиления с температурой, что гарантирует стабильность показаний с течением времени. Усилители с нулевым дрейфом, такие как AD8555, активно компенсируют эти эффекты.
Высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR — Common-Mode Rejection Ratio): Это одна из важнейших характеристик. Тензометрический мост часто подвержен воздействию синфазных помех (шумов, которые действуют одинаково на оба входа усилителя – например, электромагнитные наводки). ИА способны эффективно подавлять эти помехи, усиливая только полезный дифференциальный сигнал. Высокий CMRR (обычно > 100 дБ) гарантирует, что помехи не будут искажать полезный сигнал.
Высокий входной импеданс: Это позволяет минимизировать нагрузку на тензометрический мост, предотвращая искажение сигнала.
Программируемый коэффициент усиления: Многие ИА (включая INA125) позволяют устанавливать коэффициент усиления с помощью одного внешнего резистора, что значительно упрощает настройку и калибровку системы.

Расчет коэффициента усиления и выбор компонентов для термостабильности и минимизации смещения.

Расчет коэффициента усиления (K_усил):

Коэффициент усиления определяется исходя из максимального выходного напряжения тензомоста (U_вых.max) и требуемого диапазона выходного напряжения усилителя (например, 0-5 В или 0-10 В), который будет подаваться на АЦП. Если U_вых.max тензомоста составляет 20 мВ, а нам нужен выходной сигнал 5 В, то требуемый K_усил = 5 В / 20 мВ = 250. Формула для расчета коэффициента усиления часто предоставляется в технической документации на конкретный инструментальный усилитель. Например, для INA125, K_усил = 4 + (60 кОм / R_G), где R_G – внешний резистор. Зная требуемый K_усил, можно рассчитать необходимое сопротивление R_G.

Выбор компонентов для термостабильности и минимизации смещения:

Прецизионные резисторы: Для установки коэффициента усиления и обеспечения термостабильности крайне важно использовать резисторы с низкой погрешностью (например, 1% или 0,1%) и низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Несогласованные ТКС резисторов могут привести к дрейфу коэффициента усиления с температурой.
Конденсаторы: В схемах, включающих фильтрацию, следует использовать конденсаторы с хорошей температурной стабильностью (например, керамические с диэлектриком NP0/C0G) для предотвращения дрейфа частоты среза.
Источники питания: Стабильное и малошумящее питание имеет решающее значение для всего вторичного преобразователя. Использование высококачественных стабилизаторов напряжения и развязывающих конденсаторов на платах крайне важно.

4.2. Фильтры помех

В любой электронной измерительной системе сигнал всегда сопровождается шумами и помехами. Эти нежелательные компоненты могут искажать полезную информацию, снижать точность и надежность измерений. Поэтому фильтрация сигнала является неотъемлемой частью проектирования вторичного измерительного преобразователя.

Необходимость фильтрации для подавления шумов (электронных, внешних).

Шумы и помехи могут иметь различное происхождение:

Электронные шумы: Генерируются самими компонентами схемы (тепловой шум резисторов, дробовой шум полупроводников).
Внешние помехи: Электромагнитные наводки от силовых кабелей, двигателей, радиочастотные помехи, импульсные помехи от коммутационных процессов.
Индустриальные помехи: Особенно распространены помехи с частотой сети (50/60 Гц) и ее гармоники.

Цель фильтрации — отделить полезный сигнал от помехи, увеличив соотношение «полезный сигнал»/«помеха» и, таким образом, повысив точность и достоверность измерений.

Типы фильтров: аналоговые (RC, LC, Баттерворта, Чебышева, Бесселя) и цифровые (медианное сглаживание, скользящее среднее, вейвлет-преобразования).

Выбор типа фильтра зависит от характера помех, требуемой частотной характеристики и доступных ресурсов (аппаратных или программных).

Аналоговые фильтры:

Они обрабатывают сигнал до его преобразования в цифровую форму.

RC-фильтры (резистор-конденсатор): Простые, дешевые, но имеют пологий спад АЧХ (амплитудно-частотной характеристики). Подходят для базовой фильтрации высокочастотных шумов.
LC-фильтры (индуктивность-конденсатор): Более эффективны, чем RC, могут обеспечивать более крутой спад, но индуктивности громоздки и могут быть дороги. Применяются для подавления импульсных и высокочастотных помех.
Активные фильтры (на операционных усилителях): Позволяют реализовать сложные частотные характеристики без использования индуктивностей.
- Фильтры Баттерворта: Обеспечивают максимально плоскую АЧХ в полосе пропускания, без пульсаций.
- Фильтры Чебышева: Имеют более крутой спад, чем Баттерворт, но с пульсациями в полосе пропускания или затухания.
- Фильтры Бесселя: Обладают линейной фазовой характеристикой, что важно для сохранения формы импульсного сигнала, но имеют более пологий спад.

Цифровые фильтры:

Применяются после аналого-цифрового преобразования. Они реализуются программно.

Медианное сглаживание: Эффективно подавляет импульсные (выбросы) помехи, не размывая фронты сигнала. Значение заменяется медианой из окна отсчетов.
Скользящее среднее: Простой и распространенный фильтр, усредняет N последних отсчетов. Хорошо подавляет случайный шум, но размывает резкие изменения сигнала.
Метод Савицкого-Голея: Сглаживание данных путем аппроксимации полиномами наименьших квадратов. Сохраняет форму сигнала лучше, чем скользящее среднее.
Вейвлет-преобразования: Мощный инструмент для анализа и фильтрации нестационарных сигналов. Позволяют разложить сигнал на различные частотные компоненты и избирательно подавить шум, сохраняя особенности полезного сигнала.

Расчет и реализация фильтров: выбор частоты среза, порядка фильтра.

Проектирование фильтра включает:

Определение спектра полезного сигнала: Оценка максимальной частоты изменения измеряемого расхода. Это определяет полосу пропускания фильтра.
Анализ спектра помех: Определение частот и амплитуд основных помех.
Выбор частоты среза (f_ср): Частота, на которой усиление фильтра падает до определенного уровня (обычно -3 дБ). Она должна быть выше максимальной частоты полезного сигнала, но ниже частот помех.
Выбор порядка фильтра: Определяет крутизну спада АЧХ. Более высокий порядок (больше элементов) обеспечивает более эффективное подавление помех, но увеличивает сложность схемы и задержку сигнала.
Выбор типа фильтра: Аналоговый или цифровой, а также конкретный вид (Баттерворта, Чебышева и т.д.) исходя из компромисса между крутизной спада, фазовыми искажениями, сложностью и стоимостью.

Для аналоговых фильтров расчет включает подбор номиналов резисторов и конденсаторов. Для цифровых – определение длины окна усреднения, порядка полинома или типа вейвлетов. Современные САПР (системы автоматизированного проектирования) значительно упрощают этот процесс.

4.3. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

После усиления и фильтрации аналоговый сигнал от тензометрического моста должен быть преобразован в цифровую форму для дальнейшей обработки микроконтроллером, компьютером или другим цифровым устройством. Эту задачу выполняют аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Применение высокоразрядных АЦП (например, 24-битных HX711) для точных измерений.

Для высокоточных измерений с тензодатчиками, где требуется уловить малейшие изменения напряжения, применяются высокоразрядные АЦП. Примером такого АЦП является HX711, который широко используется в весоизмерительной технике и системах с тензодатчиками.

24-битные АЦП: Разрядность АЦП определяет количество дискретных уровней, на которые разбивается диапазон входного напряжения. 24-битный АЦП может различать 2²⁴ = 16 777 216 уровней. Это обеспечивает чрезвычайно высокое разрешение и позволяет регистрировать очень малые изменения сигнала, поступающего от тензомоста. Например, при диапазоне входного напряжения 5 В, один шаг 24-битного АЦП составляет 5 В / 16 777 216 ≈ 0.3 мкВ. Это позволяет с высокой точностью оцифровывать даже милливольтные сигналы тензодатчиков.

Особенности АЦП для тензодатчиков: дифференциальные входы, встроенный малошумящий усилитель, стабилизатор питания.

Специализированные АЦП, такие как HX711, часто имеют дополнительные функции, оптимизированные для работы с тензодатчиками:

Два дифференциальных входных канала: Позволяют подключать тензомост напрямую. Дифференциальный вход измеряет разность напряжений между двумя точками, что позволяет эффективно подавлять синфазные помехи, уже прошедшие через инструментальный усилитель или оставшиеся на сигнале моста.
Встроенный малошумящий усилитель (МШУ) с выбираемым усилением (PGA — Programmable Gain Amplifier): Многие АЦП, предназначенные для тензодатчиков, имеют на борту собственный программируемый усилитель. Это позволяет дополнительно усилить сигнал непосредственно перед оцифровкой, оптимизируя его диапазон для АЦП и еще больше снижая влияние шумов. Усиление может быть выбрано, например, 32, 64 или 128, что позволяет адаптировать АЦП к различным тензодатчикам и обеспечить максимальное использование его динамического диапазона.
Встроенный стабилизатор питания для тензодатчиков: Наличие встроенного стабилизатора напряжения для питания тензомоста является большим преимуществом. Это обеспечивает стабильное и малошумящее опорное напряжение для моста, что критически важно для точности измерения. Нестабильность напряжения питания моста напрямую отражается на выходном сигнале.

Влияние разрядности АЦП на точность измерения.

Разрядность АЦП напрямую влияет на разрешающую способность измерительной системы.

Высокая разрядность (например, 24 бита): Обеспечивает возможность различать мельчайшие изменения в аналоговом сигнале. Это позволяет измерять расход с высокой точностью, особенно при малых значениях расхода, где сигнал тензодатчика наиболее слаб. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность квантования, то есть ошибка, возникающая при округлении аналогового значения до ближайшего цифрового уровня.
Низкая разрядность: Может привести к потере информации о малых изменениях расхода. Например, 10-битный АЦП имеет всего 1024 уровня, что может быть недостаточно для точных измерений с тензодатчиками.

Важно отметить, что высокая разрядность АЦП сама по себе не гарантирует высокую точность всей системы. Она лишь обеспечивает потенциал для нее. Общая точность зависит от качества первичного преобразователя, эффективности усилителей и фильтров, стабильности источников питания и корректности программной обработки. Однако, для высокоточных приложений, таких как измерение расхода, выбор АЦП с достаточной разрядностью является обязательным условием.

5. Метрологические характеристики и факторы, влияющие на точность измерений

Точность и надежность любого измерительного прибора определяются его метрологическими характеристиками. Для датчиков мишенного типа эти характеристики строго нормируются и контролируются в соответствии с государственными стандартами, что обеспечивает их предсказуемость и взаимозаменяемость в промышленных условиях.

5.1. Основные метрологические характеристики

Метрологические характеристики расходомеров, как и любых измерительных приборов, являются ключевыми показателями их качества. Они нормируются и контролируются на всех этапах жизненного цикла прибора – от разработки до эксплуатации, включая испытания и поверку.

Нормируемые характеристики:

Номинальная статическая характеристика преобразования (НСХ): Это функциональная зависимость выходного сигнала измерительного преобразователя от измеряемой величины в установившемся (статическом) режиме. Для датчика мишенного типа это зависимость выходного напряжения от расхода. Идеальная НСХ часто линейна, но в реальности может иметь небольшие нелинейности, требующие программной коррекции.
Диапазон измерений: Указывает минимальное и максимальное значения расхода, в пределах которых датчик способен проводить измерения с нормированной точностью. Для датчиков мишенного типа часто указывается широкий диапазон температур эксплуатации, что подчеркивает их универсальность.
Информативный параметр выходного сигнала: Тип сигнала, который выдает преобразователь. Это может быть аналоговый ток (например, 4-20 мА), аналоговое напряжение (0-5 В, 0-10 В) или цифровой сигнал (например, по интерфейсу RS-485 с протоколом Modbus).
Характеристики систематической и случайной составляющих погрешности:
- Систематическая погрешность: Постоянная или закономерно изменяющаяся погрешность, которая может быть предсказана и, в идеале, компенсирована. Например, смещение нуля или нелинейность НСХ.
- Случайная погрешность: Непредсказуемая погрешность, меняющаяся случайным образом. Возникает из-за шумов, нестабильности, внешних воздействий.
Основная погрешность: Погрешность измерительного прибора в нормальных условиях применения, то есть при отсутствии влияния мешающих величин (например, отклонений температуры среды, вибраций и т.д.). Обычно выражается в процентах от верхнего предела измерения (ВПИ) или от измеренного значения.
Динамическая характеристика: Описывает поведение датчика при изменении измеряемой величины во времени. Включает время установления, частотную характеристику. Важна для быстро изменяющихся процессов.
Функции влияния: Описывают изменение метрологических характеристик при и��менении влияющих величин (например, температуры окружающей среды, давления, влажности, напряжения питания).

Классы точности тензодатчиков согласно ГОСТ Р 8.726-2010 (классы А, В, С, D).

Для весоизмерительных тензодатчиков (которые являются первичными преобразователями в датчиках мишенного типа) существует строгая классификация по классам точности, установленная ГОСТ Р 8.726-2010 (который соответствует международной рекомендации OIML R 60:2000). Эти классы определяют максимально допустимые значения погрешностей и другие метрологические характеристики:

Класс D (наименее точный): Используется для приложений, не требующих высокой точности, например, в простых весах.
Класс C (коммерческий): Наиболее распространенный класс для коммерческих весов и промышленных измерений. Часто обозначается буквой C и числом, умноженным на 1000, которое указывает максимальное число поверочных интервалов. Например, тензодатчик класса C3 имеет 3000 поверочных интервалов. Это означает, что он может обеспечить комбинированную погрешность около 0,02% от полной шкалы (или 0,02% от верхнего предела измерения).
Класс B: Более точный, чем C.
Класс A (наиболее точный): Применяется в лабораторных и высокоточных промышленных весах.

Комбинированная погрешность: Это комплексная характеристика, объединяющая несколько составляющих погрешности:

Линейность: Отклонение реальной НСХ от идеальной прямой линии.
Гистерезис: Разница показаний при увеличении и уменьшении измеряемой величины при одном и том же значении.
Влияние температуры: Изменение выходного сигнала датчика при изменении температуры без изменения измеряемой величины.

Формула относительной погрешности измерения расхода: δ = ± (a + b ⋅ Q_max / Q) %.

Относительная погрешность измерения расхода (δ) часто выражается в виде комбинированной формулы, которая учитывает как постоянную составляющую погрешности, так и составляющую, зависящую от измеряемого расхода:

δ = ± (a + b ⋅ Q_max / Q) %

Где:

δ — относительная погрешность измерения расхода (в процентах, %).
a — постоянная составляющая погрешности, выраженная в процентах от верхнего предела измерения (Q_max). Эта составляющая обычно доминирует при малых расходах.
b — составляющая погрешности, выраженная в процентах от текущего значения расхода (Q). Эта составляющая доминирует при больших расходах.
Q_max — верхний предел измерения расхода (максимальный расход).
Q — измеренный (текущий) расход.

Эта формула показывает, что абсолютная погрешность прибора может быть постоянной, но относительная погрешность возрастает по мере уменьшения расхода. Например, если Q приближается к нулю, то Q_max / Q стремится к бесконечности, что приводит к значительному росту относительной погрешности. Поэтому важно выбирать расходомер таким образом, чтобы рабочий диапазон расхода находился в той части характеристики, где относительная погрешность минимальна.

5.2. Факторы, влияющие на точность измерений, и методы их компенсации

Точность измерений расходомеров мишенного типа, как и любых других приборов, подвержена влиянию множества факторов. Понимание этих факторов и разработка методов их компенсации являются ключевыми задачами при проектировании и эксплуатации.

Искажение кинематической структуры потока:
- Проблема: Поток в трубопроводе может быть неоднородным из-за изгибов, клапанов, насосов, переходников и других элементов. Это создает завихрения, пульсации и асимметричные профили скорости, что искажает силу воздействия на мишень.
- Решение: Требуются прямые участки трубы до (не менее 10 диаметров) и после (не менее 5 диаметров) расходомера. Эти прямые участки позволяют потоку стабилизироваться и сформировать относительно равномерный профиль скорости.
- Метод компенсации: В случаях, когда невозможно обеспечить достаточные длины прямых участков, используются устройства формирования потока (струевыпрямители, перфорированные пластины), которые помогают быстрее нормализовать поток.
Наличие механических примесей:
- Проблема: Частицы твердых веществ в измеряемой среде могут приводить к износу мишени и упругого элемента, накоплению отложений, засорению. Это может резко увеличить погрешность, вызвать нелинейность или даже вывести прибор из строя.
- Решение: Для исключения или минимизации влияния механических примесей применяют фильтры (сетчатые, грязеуловители) перед расходомером. Важно регулярно их чистить или заменять.
- Особенность мишенных датчиков: Благодаря отсутствию подвижных (трущихся или вращающихся) частей в проточной части, они более устойчивы к загрязнениям по сравнению, например, с турбинными расходомерами.
Наличие жидкости в измеряемом газе (многофазность среды):
- Проблема: Если в газе присутствуют капли жидкости (или в жидкости – пузырьки газа), это существенно влияет на плотность среды и, соответственно, на силу воздействия на мишень. Показания становятся непредсказуемыми и неточными.
- Решение: Необходимо обеспечить однофазность измеряемой среды. Это может потребовать установки сепараторов для отделения жидкости от газа или газа от жидкости.
Температура окружающей среды и измеряемой среды:
- Проблема: Изменение температуры может влиять на несколько аспектов:
  - Плотность среды (ρ): Особенно критично для газов и пара.
  - Модуль упругости (E) упругого элемента: Изменение E ведет к изменению деформации при той же силе.
  - Сопротивление тензорезисторов: Изменение сопротивления тензорезисторов из-за ТКС, даже без механической деформации, вызывает температурную погрешность.
- Метод компенсации:
  - Мостовые схемы: Полномостовая схема с правильно расположенными тензорезисторами (активные и компенсационные, или все активные с противофазной деформацией) обеспечивает высокую пассивную термокомпенсацию ТКС.
  - Датчики температуры: Встраивание датчиков температуры (например, терморезисторов или термопар) позволяет измерять температуру среды и упругого элемента. Эти данные используются для программной коррекции значений плотности (ρ) и/или модуля упругости (E), а также для активной электронной компенсации температурного дрейфа.
Вибрации:
- Проблема: Механические вибрации от насосов, компрессоров или другого оборудования могут передаваться на корпус расходомера и вызывать ложные деформации упругого элемента, снижая точность показаний.
- Решение: Установка расходомера на виброизолирующих опорах, использование гибких вставок в трубопроводе, а также применение цифровых фильтров (например, фильтров нижних частот) для подавления высокочастотных компонент, вызванных вибрациями.
Низкая скорость потока:
- Проблема: При очень низких скоростях потока (особенно для жидкостей с числом Рейнольдса (Re) ≤ 1500, что соответствует ламинарному или переходному режиму) зависимость силы лобового сопротивления от скорости может стать нелинейной, а сама сила – слишком малой для точной регистрации.
- Решение: Выбор расходомера с подходящим диапазоном измерений. Для очень низких расходов могут быть более эффективны другие типы расходомеров. В некоторых случаях возможно изменение геометрии мишени или увеличение чувствительности упругого элемента, но это может уменьшить максимальный измеряемый расход.
Шероховатость трубопровода и пульсации потока:
- Проблема: Шероховатость стенок трубы влияет на профиль скорости потока, а пульсации (колебания расхода) создают динамические нагрузки на мишень, что может приводить к ошибкам или нестабильности показаний.
- Решение: Для шероховатости – правильный выбор материала трубы. Для пульсаций – использование демпфирующих устройств в трубопроводе и применение цифровых фильтров (например, скользящего среднего) во вторичном преобразователе.
Ошибки подбора оборудования и установки:
- Проблема: Неправильный выбор расходомера для конкретных условий (среды, диапазона, давления, температуры), несоблюдение требований по монтажу (например, отсутствие прямых участков), неверная калибровка.
- Решение: Тщательный инженерный расчет, следование рекомендациям производителя, обязательная первичная и периодическая поверка прибора.

Государственные стандарты в области метрологии расходомеров:

ГОСТ Р 8.726-2010 (соответствует OIML R 60:2000): «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Датчики весоизмерительные. Общие технические требования. Методы испытаний». Этот стандарт определяет классы точности, основные метрологические статические характеристики и статические методики испытаний для весоизмерительных тензодатчиков, которые, как мы помним, являются ключевой частью первичного преобразователя датчика мишенного типа.
ГОСТ 8.407-80: «Государственная система обеспечения единства измерений. Расходомеры и счетчики жидкости и газа. Методы и средства поверки». Хотя он частично устарел и заменен более современными стандартами, он устанавливал номенклатуру, способы нормирования и форму представления метрологических характеристик расходомеров, в том числе и для несжимаемых жидкостей, и продолжает использоваться для определения общих подходов. Более современные стандарты, например, ГОСТ Р ЕН ИСО 5167, регламентируют вопросы измерения расхода с помощью сужающих устройств.

Соответствие этим стандартам является залогом того, что датчики мишенного типа будут работать с заявленной точностью и надежностью в промышленных условиях.

6. Преимущества, ограничения и области применения датчиков мишенного типа

Датчики мишенного типа занимают уникальное место в арсенале измерительных средств, предлагая ряд значительных преимуществ, но при этом имея и определенные ограничения. Понимание этих аспектов, а также сравнительный анализ с другими расходомерами, позволяет определить оптимальные области их применения.

6.1. Преимущества датчиков мишенного типа

Высокая чувствительность: Датчики мишенного типа способны регистрировать очень низкие скорости потока, минимальный регистрируемый поток составляет примерно 0,08 м/с. Это делает их подходящими для применения там, где требуется точное измерение малых расходов.
Высокая точность измерения: Они обеспечивают высокую точность измерения (до ±0,2%) потоков жидкостей (в том числе высоковязких), газов и пара. Эта точность достигается за счет стабильной конструкции, прецизионных тензодатчиков и сложных алгоритмов обработки сигнала.
Широкий диапазон температур эксплуатации: Конструкция из прочных материалов и отсутствие подвижных частей позволяют датчикам мишенного типа работать в экстремальных температурных условиях. Диапазон рабочих температур может варьироваться от низких до сверхвысоких (например, до +400°C и выше), в зависимости от конкретной серии прибора и используемых материалов (нержавеющая сталь, специальные сплавы).
Отсутствие подвижных (трущихся или вращающихся) частей в проточной части: Это одно из ключевых преимуществ, обеспечивающее:
- Высокую безопасность: Снижение риска механических отказов.
- Надежность и долговечность: Отсутствие износа от трения или абразива.
- Снижение требований к обслуживанию: Нет необходимости в смазке, чистке или замене изношенных элементов.
Малое падение давления на расходомере: По сравнению, например, с расходомерами переменного перепада давления (диафрагменными), датчики мишенного типа создают меньшее гидравлическое сопротивление (около 1/2 от падения давления на расходомере с тарированным отверстием). Это снижает энергопотребление насосов и компрессоров в системе.
Возможность «сухой калибровки»: В некоторых случаях калибровка датчика может быть выполнена без реального потока среды, что упрощает и удешевляет процесс.
При изменении потока через трубу достаточно сменить мишень без полного демонтажа прибора: Это значительно упрощает адаптацию датчика к новым условиям эксплуатации или расширение диапазона измерений без необходимости полной замены дорогостоящего оборудования.
Стойкость к воздействию кислот, щелочей и загрязнений: Достигается за счет использования химически устойчивых материалов для мишени и корпуса, таких как нержавеющая сталь (например, AISI 316L), PTFE (фторопласт-4), специальные сплавы (например, Hastelloy). Это позволяет применять их в агрессивных и абразивных средах.
Простота в монтаже и обслуживании: Относительно простая конструкция и отсутствие необходимости в регулярном сложном обслуживании упрощают их интеграцию в существующие системы.
Возможность использования для измерения вязких жидкостей: Нефть, мазут, битумы, сиропы, масла, косметические средства, клей — эти среды часто представляют проблему для других типов расходомеров, но успешно измеряются мишенными датчиками благодаря их конструкции.

6.2. Ограничения датчиков мишенного типа

Необходимость нормализации потока: Для обеспечения высокой точности требуются прямые участки трубы до (не менее 10 диаметров) и после (не менее 5 диаметров) расходомера. Это может быть проблемой в ограниченных пространствах или при реконструкции существующих трубопроводов.
Требования к установке: Обычно требуется горизонтальная установка, хотя по специальному запросу возможно исполнение для вертикального участка трубы. Это ограничивает гибкость при проектировании трубопроводных систем.
Зависимость точности измерения от диапазона расходов: Для жидкостей с числом Рейнольдса (Re) ≤ 1500 (ламинарный или переходный режим) существует прямая зависимость точности от диапазона расходов, что может приводить к нелинейности характеристики при низких скоростях.
Ограничение максимальной долговременной скорости среды: Хотя датчики надежны, существует предел по скорости потока, при которой они могут работать без риска повреждения. Обычно максимальная долговременная скорость среды в трубопроводе составляет:
- Для жидкостей: до 5 м/с.
- Для газов: до 30 м/с.
- Для пара: до 50 м/с.
Кратковременное превышение этих скоростей (не более чем в 1,2-1,5 раза) допустимо, но постоянная работа на более высоких скоростях может привести к повышенному износу или разрушению.

6.3. Сравнительный анализ с другими типами расходомеров

Чтобы по-настоящему оценить место датчиков мишенного типа, необходимо сравнить их с основными конкурентами по ключевым критериям.

Критерий	Датчик мишенного типа	Турбинный расходомер	Ультразвуковой расходомер	Электромагнитный расходомер	Кориолисовый расходомер	Вихревой расходомер
Принцип работы	Сила динамического давления на мишень	Скорость вращения турбины	Время прохождения ультразвука	Закон Фарадея (ЭДС индукции)	Эффект Кориолиса (инерционные силы)	Частота вихрей за телом обтекания
Точность	Высокая (до ±0,2%)	Очень высокая (до ±0,1-0,5%)	Средняя-высокая (±0,5-2%)	Очень высокая (±0,2-0,5%)	Очень высокая (±0,1-0,2% по массе)	Средняя-высокая (±0,5-1,5%)
Диапазон	Широкий, от низких скоростей (0,08 м/с)	Широкий, но с ограничениями при очень низких расходах	Широкий	Широкий	Широкий	Широкий
Стоимость	Средняя	Средняя	Средняя-высокая	Высокая	Очень высокая	Средняя-высокая
Надежность	Высокая (нет подвижных частей)	Средняя (подвижные части, износ)	Высокая (нет контакта с средой)	Высокая (нет подвижных частей)	Высокая (нет подвижных частей)	Высокая (нет подвижных частей)
Требования к среде	Любые жидкости, газы, пар (в т.ч. загрязненные, вязкие, агрессивные)	Чистые, невязкие жидкости, газы (чувствительны к примесям)	Любые, не сильно загрязненные (зависит от ультразвука)	Только токопроводящие жидкости	Любые жидкости, газы, пар (измеряет массовый расход)	Жидкости, газы, пар (но чувствительны к вязкости, пульсациям)
Падение давления	Малое	Среднее	Очень малое	Отсутствует	Среднее	Среднее
Длины прямых участков	Требуются (10D до, 5D после)	Требуются (10D до, 5D после)	Часто не требуются или минимальные	Часто не требуются или минимальные	Не требуются	Требуются (10D до, 5D после)
Обслуживание	Низкое	Среднее-высокое (износ, чистка)	Низкое	Низкое	Низкое	Низкое

Краткие выводы из сравнения:

Датчики мишенного типа выделяются своей универсальностью для сложных сред (загрязненные, вязкие, агрессивные) и надежностью благодаря отсутствию подвижных частей. Они предлагают хороший компромисс между точностью, стоимостью и требованиями к среде. Однако требуют прямых участков.
Турбинные расходомеры очень точны, но чувствительны к чистоте среды и имеют подвижные части.
Ультразвуковые и электромагнитные расходомеры имеют минимальное падение давления и не требуют прямых участков, но ультразвуковые могут быть чувствительны к загрязнениям, а электромагнитные — только для токопроводящих сред.
Кориолисовы расходомеры являются «золотым стандартом» для измерения массового расхода и плотности с высокой точностью, но очень дороги.
Вихревые расходомеры универсальны для разных сред, но чувствительны к вязкости и пульсациям.

6.4. Области применения

Благодаря своим уникальным характеристикам, датчики мишенного типа находят широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно там, где другие типы расходомеров сталкиваются с ограничениями.

Измерение расхода жидкостей, газов и пара, в том числе загрязненных, высоковязких и агрессивных сред. Это основное преимущество, открывающее двери во многие промышленные процессы.
Нефтегазовая промышленность:
- Измерение расхода нефти, мазута, битумов, а также буровых растворов – сред, которые часто бывают вязкими, абразивными и содержат примеси.
- Контроль расхода попутного нефтяного газа.
Химическая промышленность:
- Измерение расхода агрессивных химикатов (кислот, щелочей), где требуется высокая коррозионная стойкость материалов датчика.
- Контроль расхода различных реагентов и продуктов синтеза.
Пищевая промышленность:
- Измерение расхода сиропов, растительных масел, патоки, которые часто обладают высокой вязкостью.
- Контроль расхода воды, пара, моющих растворов.
Фармацевтическая промышленность:
- Измерение расхода чистых, но чувствительных к загрязнениям жидкостей и газов, где требуется высокая гигиеничность и отсутствие «мертвых зон».
Энергетика:
- Измерение расхода пара и горячей воды в системах теплоснабжения и на электростанциях.
Интеграция в системы автоматизированного управления (АСУ), мониторинга, тотализаторов: Современные датчики мишенного типа оснащены стандартными выходными сигналами и цифровыми интерфейсами (например, Modbus, HART), что позволяет легко интегрировать их в промышленные АСУ ТП для дистанционного контроля, автоматического регулирования и учета расхода. Они могут использоваться для коммерческого учета (тотализаторов), контроля технологических параметров и оптимизации производственных процессов.

Таким образом, датчики мишенного типа являются универсальным и надежным решением для широкого круга задач по измерению расхода, особенно в сложных условиях, где другие технологии могут быть менее эффективными или более дорогостоящими в эксплуатации.

7. Современные тенденции и инновации в разработке датчиков мишенного типа

Мир технологий не стоит на месте, и даже в таком, казалось бы, консервативном сегменте, как промышленные измерительные приборы, постоянно происходят инновации. Датчики мишенного типа активно развиваются, интегрируя в себя передовые цифровые решения и становясь частью более широких концепций автоматизации и мониторинга.

7.1. Цифровизация и удаленная передача данных

Одно из наиболее значимых направлений развития — это глубокая цифровизация, которая преобразует аналоговые датчики в интеллектуальные устройства, способные не только измерять, но и обрабатывать, хранить и передавать данные.

Использование цифровых технологий для вывода и передачи данных: Современные датчики мишенного типа все реже ограничиваются простым аналоговым выходом. Встроенные микроконтроллеры и DSP (цифровые сигнальные процессоры) позволяют выполнять более сложную обработку сигнала:
- Линеаризация НСХ: Компенсация нелинейной зависимости силы от скорости потока, что обеспечивает более точные показания в широком диапазоне.
- Температурная и давленинная компенсация: Использование данных от встроенных датчиков температуры и давления для динамической коррекции плотности среды и модуля упругости, что значительно повышает точность.
- Фильтрация шумов: Применение высокоэффективных цифровых фильтров (скользящее среднее, медианные, вейвлет-фильтры) для подавления помех.
- Самодиагностика: Мониторинг состояния самого датчика, определение неисправностей и предупреждение о них.
Вывод данных непосредственно на расходомер и удаленная передача данных:
- Локальные дисплеи: Современные расходомеры часто оснащены высококонтрастными ЖК-дисплеями, которые отображают текущий расход, суммарный объем, температуру, давление и другие параметры, делая информацию легкодоступной для оператора.
- Стандартные интерфейсы (RS-485) и протоколы (Modbus, HART): Для интеграции в системы АСУ ТП и удаленного мониторинга используются стандартизированные цифровые интерфейсы.
  - RS-485: Многоточечный последовательный интерфейс, позволяющий подключать несколько устройств к одной шине на большие расстояния.
  - Modbus: Широко распространенный промышленный протокол, используемый поверх RS-485 (или Ethernet), для обмена данными между контроллерами и датчиками. Позволяет считывать показания, управлять параметрами и получать диагностическую информацию.
  - HART (Highway Addressable Remote Transducer): Гибридный протокол, который позволяет передавать цифровую информацию по аналоговой токовой петле 4-20 мА. Это позволяет одновременно передавать аналоговый сигнал (основной параметр) и цифровую информацию (диагностика, калибровка, дополнительные параметры) по одной паре проводов.

7.2. Интеграция с интеллектуальными системами и IoT

Развитие концепций Индустрии 4.0 и Интернета вещей (IoT) открывает новые горизонты для датчиков мишенного типа, превращая их из простых измерительных приборов в интеллектуальные узлы распределенных систем.

Развитие интеллектуальных функций:
- Предиктивная аналитика: Датчики могут собирать и анализировать данные о своем состоянии (например, дрейф нуля, изменения калибровочных коэффициентов) и предсказывать возможные неисправности или необходимость обслуживания до того, как они приведут к отказу.
- Адаптивная калибровка: Некоторые системы могут использовать данные из внешних источников (например, от других датчиков в системе) для автоматической подстройки калибровочных параметров.
- Оптимизация производительности: Встроенные алгоритмы могут анализировать профили расхода и давать рекомендации по оптимизации работы системы (например, по изменению скорости насосов для снижения энергопотребления).
Интеграция с концепциями Интернета вещей (IoT):
- Беспроводные интерфейсы: Внедрение беспроводных технологий (например, LoRaWAN, Zigbee, Wi-Fi, 5G) позволяет датчикам передавать данные в облачные платформы или центральные системы управления без прокладки кабелей, что упрощает монтаж и расширяет возможности развертывания.
- Облачные платформы: Данные от датчиков могут агрегироваться в облаке, где с помощью продвинутой аналитики (машинное обучение, искусственный интеллект) можно выявлять скрытые закономерности, оптимизировать процессы, прогнозировать отказы и принимать более обоснованные управленческие решения.
- Геолокация и GPS-мониторинг: В мобильных или удаленных приложениях датчики могут быть интегрированы с GPS для отслеживания их местоположения и привязки измеряемых данных к конкретной географической точке. Это особенно актуально для контроля расхода в распределенных сетях или на подвижных объектах.

7.3. Повышение метрологической надежности и точности

Непрерывные исследования и разработки направлены на дальнейшее улучшение базовых характеристик датчиков мишенного типа, делая их еще более надежными и точными.

Обзор текущих исследований и разработок:
- Новые материалы: Поиск и внедрение новых материалов для мишеней и упругих элементов с улучшенными механическими свойствами, температурной стабильностью и коррозионной стойкостью. Например, композитные материалы или сплавы с памятью формы для адаптивных мишеней.
- Улучшенные конструкции мишеней: Разработка новых профилей мишеней, которые обеспечивают более стабильный коэффициент лобового сопротивления в широком диапазоне чисел Рейнольдса и снижают влияние неоднородности потока.
- Миниатюризация: Создание более компактных датчиков для применения в ограниченных пространствах или в медицинских приборах.
- Комбинированные принципы измерения: Интеграция мишенного принципа с другими методами (например, термическими или ультразвуковыми) для взаимной компенсации погрешностей и расширения функциональности.
- Усовершенствованные алгоритмы обработки сигнала: Разработка более сложных алгоритмов для компенсации нелинейности, температурного дрейфа, вибраций и других факторов, влияющих на точность.

Эти тенденции свидетельствуют о том, что датчики мишенного типа продолжат оставаться востребованными в промышленности, адаптируясь к новым вызовам и требованиям, предлагая более точные, интеллектуальные и интегрированные решения для измерения расхода.

Заключение

В рамках данной курсовой работы мы провели всесторонний анализ датчиков мишенного типа, охватив путь от их фундаментальных теоретических основ до современных тенденций развития. Мы выяснили, что в сердце этих устройств лежит изящный принцип преобразования динамического давления потока в измеримую деформацию, которая, благодаря тензорезисторным преобразователям, трансформируется в электрический сигнал. Математические модели, такие как формула силы лобового сопротивления F_D = 0.5 ⋅ C ⋅ ρ ⋅ v² ⋅ A и закон Гука, являются краеугольными камнями для понимания их работы и последующего проектирования.

Детальное рассмотрение конструктивных особенностей первичных измерительных преобразователей показало, что отсутствие подвижных частей в проточной части является ключевым преимуществом, обеспечивающим высокую надежность, долговечность и простоту обслуживания, что особенно ценно в условиях работы с агрессивными и загрязненными средами. Мы углубились в методологию расчета и проектирования первичных элементов, включая подбор формы мишени, определение ее площади, расчет геометрии упругого элемента (например, консольной балки) и выбор оптимальных параметров тензодатчиков для обеспечения требуемой чувствительности и прочности.

Не менее важным аспектом стало проектирование вторичных измерительных преобразователей. Было показано, как инструментальные усилители, такие как INA125 и AD8555, обеспечивают необходимое усиление слабого сигнала тензомоста, а различные типы аналоговых и цифровых фильтров эффективно подавляют помехи. Применение высокоразрядных аналого-цифровых преобразователей, таких как 24-битный HX711, является критически важным для точной оцифровки сигнала и достижения высокой разрешающей способности.

Мы подробно изучили метрологические характеристики датчиков мишенного типа, основываясь на государственных стандартах (ГОСТ Р 8.726-2010), и рассмотрели факторы, влияющие на точность измерений, такие как искажение кинематической структуры потока, наличие примесей, температурные колебания и вибрации, а также методы их компенсации.

Сравнительный анализ с другими типами расходомеров позволил четко определить нишу датчиков мишенного типа, подчеркнув их преимущества в работе с широким спектром сред, особенно вязких, загрязненных и агрессивных, при сохранении достойной точности и надежности. Области их применения простираются от нефтегазовой и химической до пищевой и фармацевтической промышленностей, где они эффективно интегрируются в АСУ ТП и системы мониторинга.

Наконец, обзор современных тенденций и инноваций показал, что цифровизация, интеграция с интеллектуальными системами и концепциями Интернета вещей (IoT) активно трансформируют эти датчики, делая их более функциональными, самодиагностирующимися и способными к удаленной передаче данных, что соответствует требованиям Индустрии 4.0.

Выводы о значимости датчиков мишенного типа и перспективах их развития:

Датчики мишенного типа остаются востребованным и перспективным классом измерительных приборов. Их значимость определяется сочетанием:

Универсальности: Способность измерять расход жидкостей, газов и пара, включая сложные среды.
Надежности: Отсутствие подвижных частей, что минимизирует износ и требования к обслуживанию.
Точности: Современные разработки позволяют достигать высокой точности, сопоставимой с более дорогими аналогами.
Экономической эффективности: Относительная простота конструкции и возможность «сухой калибровки» снижают затраты.

Перспективы развития связаны с дальнейшей интеграцией интеллектуальных функций, улучшением алгоритмов самодиагностики и адаптивной калибровки, а также с освоением новых материалов и технологий, которые позволят расширить температурные и агрессивные пределы эксплуатации. Дальнейшая миниатюризация и развитие беспроводных интерфейсов будут способствовать их более широкому применению в распределенных и мобильных системах мониторинга. Таким образом, данная курсовая работа не только подтвердила глубокие теоретические основы и практическую значимость датчиков мишенного типа, но и обозначила вектор их эволюции в контексте современных инженерных вызовов.

Список использованной литературы

Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. Ленинград: Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1988. 304 с.
Основы промышленной электроники / В. С. Руденко, В. И. Сенько, В. В. Трифонюк. Киев: Вища шк., Головное изд-во, 1985. 400 с.
Проектирование датчиков для измерения механических величин / под ред. Е. П. Осадчего. Москва: Машиностроение, 1979. 480 с.
Резисторы: справочник / В. В. Дубровский, Д. М. Иванов, Н. Я. Пратусевич и др. ; под общ. ред. И. И. Четвертков и В. М. Терехова. Москва: Радио и связь, 1987. 352 с.
Хоровиц, П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3 т. Т. 1–3. 4-е изд., перераб. и доп. Москва: Мир, 1993.
Расходомеры мишенного типа для любых грязных жидкостей. URL: http://pskgu.ru/ebooks/putilov1/putilov1_09_054.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомеры мишенного типа. Статьи Дарконт. URL: https://darkont.ru/articles/rasxodomery-mishennogo-tipa (дата обращения: 12.10.2025).
Фильтры синфазных помех для преобразователей частоты. URL: https://market.yandex.ru/product—filtry-sinfaznykh-pomekh-dlia-preobrazovatelei-chastoty/1769800746 (дата обращения: 12.10.2025).
INA125 усилитель для тензодатчиков с униполярным питанием. URL: https://avislab.com/ina125-usilitel-dlya-tenzodatchikov-s-unipolyarnym-pitaniem (дата обращения: 12.10.2025).
Инструментальный усилитель AD8555: Измерительные системы на мостовых тензодатчиках становятся проще и совершеннее. Компоненты и технологии. URL: https://www.kit-e.ru/articles/opto/2006_7_101.php (дата обращения: 12.10.2025).
Тензодатчики для весов. Все своими руками. URL: https://vse-svoimi-rukami.ru/articles/tenzodatchiki-dlya-vesov.html (дата обращения: 12.10.2025).
Усилитель тензодатчика. Схемотехника для начинающих. URL: https://cxem.net/beginner/beginner131.php (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомер мишенного типа Welkin. Продукция компании Börger. URL: https://www.boerger.ru/product/welkin-target-flowmeter/ (дата обращения: 12.10.2025).
Что такое тензодатчик? Схема, виды, принцип работы и применение. СмартВес. URL: https://smartves.ru/blog/chto-takoe-tenzodatchik/ (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомер вязких жидкостей: масла, косметики, пива, клея от Streamlux.ru. URL: https://streamlux.ru/catalog/rasxodomery-dlya-vyazkix-zhidkostej/ (дата обращения: 12.10.2025).
ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ. Coretech. URL: https://coretech.com.ua/stati/elementyi-dlya-podavleniya-elektromagnitnyix-pomex (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомеры для вязких жидкостей EPI. Вентар. URL: https://ventar.ru/rasxodomery-dlya-vyazkix-zhidkostej-epi/ (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомер. Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%85%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%80 (дата обращения: 12.10.2025).
11 типов расходомеров, их преимущества и недостатки. Sino-Inst. URL: https://www.sino-inst.com/ru/11-types-of-flowmeters-their-advantages-and-disadvantages/ (дата обращения: 12.10.2025).
Типы расходомеров, область их применения, преимущества и недостатки. Измеркон. URL: https://izmercon.ru/stati/tipy-rasxodomerov-oblast-ix-primeneniya-preimushhestva-i-nedostatki/ (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомеры: виды, описание, преимущества и недостатки. Эра Инжиниринг. URL: https://era-engineering.ru/articles/rasxodomery-vidy-opisanie-preimushchestva-i-nedostatki/ (дата обращения: 12.10.2025).
Типы существующих расходомеров: преимущества и недостатки. Интелприбор. URL: https://www.intelpribor.ru/blog/tipy-sushchestvuyushchikh-rasxodomerov-preimushchestva-i-nedostatki/ (дата обращения: 12.10.2025).
Что такое расходомер: типы и области применения. Itera. URL: https://itera.com.ru/articles/chto-takoe-rasxodomer-tipy-i-oblasti-primeneniya/ (дата обращения: 12.10.2025).
Просьба не мешать! Фильтрация помех DC/DC-преобразователей. URL: https://www.compel.ru/lib/47115 (дата обращения: 12.10.2025).
Как спроектировать фильтр электромагнитных помех для DC-DC преобразователя? URL: https://www.electron-ica.ru/articles/kak-sproektirovat-filtr-elektromagnitnyx-pomex-dlya-dc-dc-preobrazovatelya/ (дата обращения: 12.10.2025).
Фильтр электромагнитных помех, фильтр переменного тока, входной фильтр. m-union. URL: https://m-union.ru/filtr-elektromagnitnyh-pomeh/ (дата обращения: 12.10.2025).
Мишенный расходомер. Патент RU165796U1. URL: https://patents.google.com/patent/RU165796U1 (дата обращения: 12.10.2025).
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ДАТЧИКИ. URL: https://www.controleng.ru/catalog/izmeritelnaya-tehnika-i-datchiki/ (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомеры. URL: https://www.rusgeocom.ru/catalog/gidrologicheskoe-oborudovanie/rasxodomery/ (дата обращения: 12.10.2025).
Расчет химического расходомера. ТЭМ-сервис. URL: https://tem-service.ru/raschet-himicheskogo-rasxodomera/ (дата обращения: 12.10.2025).
Расчёт потерь давления при установке расходомера в трубопроводы с бо. URL: https://ntca2i.ru/raschet-poter-davleniya-pri-ustanovke-rasxodomera-v-truboprovody-s-bo/ (дата обращения: 12.10.2025).
Типы массовых расходомеров и различные методы измерения. Sino-Inst. URL: https://www.sino-inst.com/ru/mass-flowmeter-types-and-different-measurement-methods/ (дата обращения: 12.10.2025).
Как правильно подобрать расходомер для Вашего применения? URL: https://www.flowmeter.ru/articles/kak-pravilno-podobrat-rasxodomer-dlya-vashego-primeneniya (дата обращения: 12.10.2025).
О погрешностях измерений расходомеров и счетчиков. Дарконт. URL: https://darkont.ru/articles/o-pogreshnostyax-izmerenij-rasxodomerov-i-schetchikov (дата обращения: 12.10.2025).
Факторы, влияющие на точность вихревого расходомера. Манометр. URL: https://www.manometer.ru/stati/faktory-vliyayushchie-na-tochnost-vikhrevogo-raskhodomera (дата обращения: 12.10.2025).
Линейка танталовых кориолисовых расходомеров Micro Motion. Emerson. URL: https://www.emerson.com/ru-ru/catalog/automation-solutions/flow-measurement/coriolis-flowmeters/micro-motion-coriolis-flowmeters/micro-motion-coriolis-high-pressure (дата обращения: 12.10.2025).
В чем причина погрешности измерения электромагнитного расходомера. Henan Junyuan Automation Equipment Co., Ltd. URL: https://www.jyfluid.com/ru/news/what-is-the-reason-for-the-measurement-error-of-electromagnetic-flowmeter_1603.html (дата обращения: 12.10.2025).
Сертификат: Утверждение типа СИ № 14464; Счетчик-расходомер массовый Micro. URL: https://www.rusgeocom.ru/upload/iblock/c34/c3479a37e93b6e85566c5d6482f3c029.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомер газа: измерение, ГОСТы, методы – подробно от «ЭМИС». Emis-Kip.ru. URL: https://emis-kip.ru/stati/rasxodomer-gaza/ (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ Р МЭК 60688-2015 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ДЛЯ ПРЕОБ. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200115039 (дата обращения: 12.10.2025).
Эффективность использования вейвлет-преобразований при фильтрации шумов в сигналах измерительных преобразователей. Тараненко. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-ispolzovaniya-veyvlet-preobrazovaniy-pri-filtratsii-shumov-v-signalnah-izmeritelnyh-preobrazovateley (дата обращения: 12.10.2025).
Аналогово-цифровой преобразователь HX711. iArduino.ru. URL: https://iarduino.ru/lessons/analog-digital-converter-hx711-lesson.html (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ 13607-68. Приборы и преобразователи электроизмерительные цифровые. Основные термины и определения. URL: https://docs.cntd.ru/document/9002598 (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ Р 8.726-2010. Датчики весоизмерительные. Общие технические требования. Методы испытаний. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200085458 (дата обращения: 12.10.2025).
Аналогово-цифровой преобразователь KADL-10 (АЦП). ТОВ Келі Україна. URL: https://kelisensor.com.ua/adc/analogovo-tsifrovoj-preobrazovatel-kadl-10-atsp.html (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ 24855-81 Преобразователи измерительные тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления аналоговые. Общие технические условия. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200002167 (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ Р 57393-2017 Преобразователи линейного ускорения микроэлект. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200150935 (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ 8.401-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования. URL: https://docs.cntd.ru/document/9003886 (дата обращения: 12.10.2025).
Купить расходомер мишенного типа YOKE YK-LB. URL: https://td-yoke.ru/catalog/rasxodomery/rasxodomery-mishennogo-tipa/rasxodomer-mishennogo-tipa-yoke-yk-lb/ (дата обращения: 12.10.2025).
Факторы, влияющие на точность измерения расхода и количества газа (СТО Газпром 5.32-2009). Промышленное газовое оборудование — «Газовик». URL: https://www.gazovik.ru/info/articles/faktory-vliyayushchie-na-tochnost-izmereniya-raskhoda-i-kolichestva-gaza-sto-gazprom-532-2009/ (дата обращения: 12.10.2025).
Погрешность расходомера. ТЭМ-сервис. URL: https://tem-service.ru/pogreshnost-rasxodomera/ (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ 30129-96 Датчики весоизмерительные тензорезисторные. Общие. URL: https://docs.cntd.ru/document/gost-30129-96 (дата обращения: 12.10.2025).
Фильтрация шумов. Сравнительный анализ методов. Журнал «АНАЛИТИКА. URL: https://www.analitika.info/journal/articles/filtration-noise-comparative-analysis-methods (дата обращения: 12.10.2025).
Операционные усилители: 10 схем на (почти) все случаи жизни. Habr. URL: https://habr.com/ru/articles/718306/ (дата обращения: 12.10.2025).
Операционные усилители, схемы включения и расчёт параметров. URL: https://radio-hobby.org/uploads/datasheets/op_amp.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
Руководство по точности расходомеров. Sino-Inst. URL: https://www.sino-inst.com/ru/flow-meter-accuracy-guide/ (дата обращения: 12.10.2025).
РАЗРАБОТКА ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-Д. URL: https://brstu.ru/static/unit/nauka/sborniki/archive/sbornik_2020_02/163-169.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
Три фактора, влияющие на точность измерения расхода дизельного топлива. URL: https://www.yevgen.com/ru/three-factors-affecting-the-accuracy-of-diesel-flow-measurement/ (дата обращения: 12.10.2025).
РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ АНАЛИЗЕ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-oborudovaniya-dlya-tenzometricheskogo-izmereniya-deformatsii-pri-analize-bystroprotekayuschih-dinamicheskih-protsessov (дата обращения: 12.10.2025).
Тензометрический метод измерения деформаций. Мехеда В. А., Министерство образования и науки РФ, Самарский государственный аэрокосмический университет им. С. П. Королева (национальный исследовательский университет). URL: https://studfile.net/preview/17260061/page:4/ (дата обращения: 12.10.2025).
Книга Тензометрические мосты (Хорна О.) 1962 г. Артикул: 11154302 купить. URL: https://www.bookvoed.ru/book?id=11154302 (дата обращения: 12.10.2025).
Онлайн расчет параметров схемы на операционном усилителе. hardware. adminstuff. URL: https://adminstuff.ru/hardware/opamp-calc.html (дата обращения: 12.10.2025).
ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ. Elec.ru. URL: https://www.elec.ru/articles/filtraciya-izmeritelnyh-signalov/ (дата обращения: 12.10.2025).
Погрешности измерений расхода воды. LiveJournal. URL: https://aqua-remont.livejournal.com/4636.html (дата обращения: 12.10.2025).
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДВУХ СПОСОБОВ ФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ ШУМА В ИЗОБРАЖЕНИИ РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ЗАШУМЛЕННОСТИ. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sravnitelnyy-analiz-dvuh-sposobov-filtratsii-dlya-ustraneniya-shuma-v-izobrazhenii-raznoy-stepeni-zashumlennosti (дата обращения: 12.10.2025).
Руководство по выбору расходомера. Часть 2. РусАвтоматизация. URL: https://www.rusautomation.ru/articles/rukovodstvo-po-vyboru-rashodomera-chast-2.html (дата обращения: 12.10.2025).
Скачать ГОСТ 8.252-77 Государственная система обеспечения единства изме. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200002167 (дата обращения: 12.10.2025).
Методы повышения метрологической надежности ультразвуковых расходомеров в условиях воздействия дестабилизирующих факторов. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-povysheniya-metrologicheskoy-nadezhnosti-ultrazvukovyh-rashodomerov-v-usloviyah-vozdeystviya-destabiliziruyuschih (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ и ТУ к расходомерам. Rashodomer.su. URL: https://rashodomer.su/gost-i-tu-k-rasxodomeram/ (дата обращения: 12.10.2025).
Датчики на основе тензорезисторов и принципы их применения в измерениях. URL: https://electro-magazine.ru/datchiki-na-osnove-tenzorezistorov-i-printsipy-ih-primeneniya-v-izmereniyakh (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ 28723-90. Расходомеры скоростные, электромагнитные и вихревые. Общие технические требования и методы испытаний. URL: https://internet-law.ru/gosts/gost/12204 (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ 8.407-80 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Расходомеры несжимаемых жидкостей. Нормируемые метрологические характеристики. URL: https://docs.cntd.ru/document/9003893 (дата обращения: 12.10.2025).
Балка на изгиб. Промавтоматика. URL: https://promavtomatika.ru/term/balka-na-izgib (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ 28723-90 (СТ СЭВ 5981-87, СТ СЭВ 6273-88) «Расходомеры скоростные, электромагнитные и вихревые. Общие технические требования и методы испытаний. Параграф. URL: https://online.zakon.kz/Document/?doc_id=1000787 (дата обращения: 12.10.2025).
ГОСТ 28124-89 Расходомеры вихревые ГСП. Общие технические требов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200000676 (дата обращения: 12.10.2025).
Нормативно-технические документы по расходометрии и смежным вопросам. URL: https://www.metrology.ru/section/42 (дата обращения: 12.10.2025).
Лабораторные работы. Сопротивление материалов. URL: https://sopromat.ru/laboratory-works/ (дата обращения: 12.10.2025).
Конструктив и применение датчиков расхода. ООО Трейд Контрол. URL: https://trade-control.com/articles/konstruktiv-i-primenenie-datchikov-raskhoda/ (дата обращения: 12.10.2025).
27 фактов, которые необходимо знать о технологии усилителя тензодатчика для точного измерения веса. XJCSENSOR. URL: https://ru.xjcsensor.com/news/27-facts-you-need-to-know-about-load-cell-amplifier-technology-for-accurate-weight-measurement (дата обращения: 12.10.2025).
Методы расчета численных характеристик тензорезисторов для информационно-измерительных и управляющих систем. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-rascheta-chislennyh-harakteristik-tenzorezistorov-dlya-informatsionno-izmeritelnyh-i-upravlyayuschih-sistem (дата обращения: 12.10.2025).
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО (ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО) МОСТА. Белорусско-Российский университет. URL: https://www.bru.by/bru/sites/default/files/nauch_deyatelnost/conf/konf_2016/section1/1.1.2016-1-10.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
7.3.1. Упругие элементы и измерительные цепи силомоментных датчиков. URL: https://studfile.net/preview/17260061/page:4/ (дата обращения: 12.10.2025).
Инструментальный усилитель ad8555: измерительные системы на мостовых тензодатчиках становятся проще и совершеннее. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/instrumentalnyy-usilitel-ad8555-izmeritelnye-sistemy-na-mostovyh-tenzodatchikah-stanovyatsya-prosche-i-sovershennee (дата обращения: 12.10.2025).
Исследование тензометрических измерительных преобразователей (тензодатчиков). URL: https://studfile.net/preview/17260061/page:4/ (дата обращения: 12.10.2025).
Погрешности измерений расхода воды. РИА «Стандарты и Качество». URL: https://ria-stk.ru/metering/detail.php?ID=113063 (дата обращения: 12.10.2025).
Сила давления жидкости па плоскую поверхность. СтудИзба. URL: https://studizba.com/lectures/1131-gidravlika/2607-sila-davleniya-zhidkosti-pa-ploskuyu-poverhnost.html (дата обращения: 12.10.2025).
3.7. Прямолинейное равноускоренное движение сосуда с жидкостью. URL: https://elib.bntu.by/record/27233/ (дата обращения: 12.10.2025).
Сила давления жидкости на плоскую стенку. URL: https://studfile.net/preview/17260061/page:4/ (дата обращения: 12.10.2025).
Тензометрические датчики: виды, принцип работы. ЮУВЗ. URL: https://yuzhuralvesy.ru/blog/tenzometricheskie-datchiki-vidy-printsip-raboty/ (дата обращения: 12.10.2025).
Измерение характеристик ВЧ и НЧ фильтров с помощью линейки приборов Value Instruments компании Rohde & Schwarz. URL: https://www.rohde-schwarz.com/ru/solutions/test-and-measurement/measurement-fundamentals/high-frequency-and-low-frequency-filter-measurement-with-value-instruments_254203-88390.html (дата обращения: 12.10.2025).
Теория измерения давления. Метран. URL: https://www.metran.ru/presscenter/articles/teoriya-izmereniya-davleniya/ (дата обращения: 12.10.2025).
13.3 Фильтрация входных сигналов. URL: https://studfile.net/preview/17260061/page:4/ (дата обращения: 12.10.2025).
СВЧ компоненты. Принципы работы СВЧ фильтра. radiolab.ru. URL: https://radiolab.ru/stati/svch-komponenty-principy-raboty-svch-filtra (дата обращения: 12.10.2025).
Знакомство с частотными фильтрами. Часть 1: как спроектировать и немного схитрить. URL: https://habr.com/ru/articles/518600/ (дата обращения: 12.10.2025).
Расходомеры и плотномеры Micro Motion серии TA. Emerson. URL: https://www.emerson.com/ru-ru/catalog/automation-solutions/flow-measurement/coriolis-flowmeters/micro-motion-coriolis-flowmeters/micro-motion-coriolis-high-temperature-flowmeter (дата обращения: 12.10.2025).
Техническое руководство по вихревому расходомеру. Sino-Inst. URL: https://www.sino-inst.com/ru/vortex-flowmeter-technical-guide/ (дата обращения: 12.10.2025).
Самодельная приточка и мысли о микроклимате квартиры. Mysku.ru. URL: https://mysku.ru/blog/diy/82156.html (дата обращения: 12.10.2025).
Топовые электрический мотоцикл STARK VARG. URL: https://moto-sport.com.ua/stark-varg-electric-motocross-motorcycle.html (дата обращения: 12.10.2025).
Автомаршал.Весовая. Малленом Системс. URL: https://www.mallenen.ru/catalog/avtomarshal-vesovaya/ (дата обращения: 12.10.2025).

С этим материалом также изучают

Инжиниринг инновационной деятельности: Теоретические основы и практическое применение в разработке прибора для поверки средств измерения напряжения

Изучите инжиниринг инноваций и его применение в разработке прибора для поверки напряжения. От теоретических основ до HTML-синтеза.

Договор подряда для государственных или муниципальных нужд

... – URL: http://www.resheniya-sudov.ru/2010/191376/ (дата обращения: 12.06.2016). 32. Белов, В.В. Поставка товаров, выполнение работ, оказание услуг для государственных ... является открытый аукцион в электронной форме; или в том же законе законодателю не ...

Аналитическая деятельность в органах внутренних дел готовый раздел для реферата или контрольной работы

Детальный разбор аналитической деятельности в органах внутренних дел, полностью адаптированный под структуру студенческой научной работы. Рассматриваются ключевые понятия, цели, субъекты, методы и нормативное регулирование аналитической работы в системе МВД.

Анализ современных геодезических приборов для выполнения линейных измерений в геодезических сетях.

... 2.2.2. Электронные дальномеры……………………………………..27 3. Анализ современных геодезических приборов для выполнения линейных измерений в геодезических сетях………………………..32 Заключение……………………………………………………………….37 Список литературы………………………………………………………39 ...

Основания для отмены или изменения судебного решения в кассационном порядке

... законодательных актов (положений законодательных актов) Российской Федерации"// СПС Консультант Плюс (дата обращения 18.05.2015) Научная и методическая литература 1. Аширбекова, М.Т. Новая кассация ...

Как написать курсовую работу по бизнес-плану для кафе или ресторана — пошаговое руководство для студента

Пошаговая структура, практические советы и готовые примеры для написания курсовой работы по бизнес-плану предприятия общественного питания. Рассмотрены все разделы от введения и анализа рынка до финансовых расчетов с учетом требований вашего ВУЗа.

Уголовно-правовой анализ состава преступления, предусмотренного статьей 237 УК РФ: Сокрытие информации об обстоятельствах, создающих опасность для жизни или здоровья людей

Детальный уголовно-правовой анализ ст. 237 УК РФ (сокрытие информации об опасности): объект, субъект, форма вины и отграничение от халатности и ст. 285 УК РФ.

Авторское право на программу для эвм или базу данных

... и 70 лет после его смерти. Использование программ для ЭВМ или баз данных третьими лицами (пользователями) осуществляется на ... и 70 лет после его смерти. Использование программ для ЭВМ или баз данных третьими лицами (пользователями) осуществляется на ...

Сборник тестовых вопросов для самопроверки по курсу ‘Финансы, денежное обращение и кредит’

Готовые тестовые вопросы для экзамена по Финансам, денежному обращению и кредиту. Проверьте знания по ключевым разделам для уверенной сдачи экзамена.

Реконструкция горячего цеха Материал для курсовой или диплома

... предприятия 3. Расчет горячего цеха 3.1. Расчет рабочей силы для горячего цеха 3.2. Расчет механического оборудования горячего цеха ... к прилавкам с блюдами, вращающиеся витрины и автоматы для продажи блюд и напитков. Анализируя последние тенденции в ...

Датчик мишенного типа: Теоретические основы, расчет и проектирование измерительного преобразователя (Курсовая работа)

1. Теоретические основы и принцип действия датчиков мишенного типа

1.1. Определение и классификация расходомеров

1.2. Принцип работы датчика мишенного типа

1.3. Тензорезисторные преобразователи: основы теории

2. Конструктивные особенности и классификация первичных измерительных преобразователей

2.1. Основные конструктивные элементы датчика мишенного типа

2.2. Типы мишеней и их влияние на коэффициент лобового сопротивления

2.3. Упругие элементы: виды и принцип действия

2.4. Тензодатчики: конструкция и схемы включения

3. Расчет и проектирование первичных элементов датчика

3.1. Расчет силы воздействия потока на мишень

3.2. Проектирование упругого элемента (например, консольной балки)

3.3. Выбор и расчет параметров тензодатчиков

4. Расчет и проектирование вторичных измерительных преобразователей

4.1. Усилители для тензодатчиков

4.2. Фильтры помех

4.3. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

5. Метрологические характеристики и факторы, влияющие на точность измерений

5.1. Основные метрологические характеристики

5.2. Факторы, влияющие на точность измерений, и методы их компенсации

6. Преимущества, ограничения и области применения датчиков мишенного типа

6.1. Преимущества датчиков мишенного типа

6.2. Ограничения датчиков мишенного типа

6.3. Сравнительный анализ с другими типами расходомеров

6.4. Области применения

7. Современные тенденции и инновации в разработке датчиков мишенного типа

7.1. Цифровизация и удаленная передача данных

7.2. Интеграция с интеллектуальными системами и IoT

7.3. Повышение метрологической надежности и точности

Заключение

Список использованной литературы

Анализ технологии гостиничного хозяйства и организация труда гостиницы

Как написать курсовую работу по инновационному развитию региона — пошаговое руководство с примером

Госрегулирование оплаты труда в бюджетной сфере – готовая структура и план для написания курсовой

Валютные риски и способы их страхования во внешнеторговых контрактах

Особенности структуры и понятий в английском языке

«Условия успешного воспитания детей в семье»

1. Теоретические основы и принцип действия датчиков мишенного типа

1.1. Определение и классификация расходомеров

1.2. Принцип работы датчика мишенного типа

1.3. Тензорезисторные преобразователи: основы теории

2. Конструктивные особенности и классификация первичных измерительных преобразователей

2.1. Основные конструктивные элементы датчика мишенного типа

2.2. Типы мишеней и их влияние на коэффициент лобового сопротивления

2.3. Упругие элементы: виды и принцип действия

2.4. Тензодатчики: конструкция и схемы включения

3. Расчет и проектирование первичных элементов датчика

3.1. Расчет силы воздействия потока на мишень

3.2. Проектирование упругого элемента (например, консольной балки)

3.3. Выбор и расчет параметров тензодатчиков

4. Расчет и проектирование вторичных измерительных преобразователей

4.1. Усилители для тензодатчиков

4.2. Фильтры помех

4.3. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

5. Метрологические характеристики и факторы, влияющие на точность измерений

5.1. Основные метрологические характеристики

5.2. Факторы, влияющие на точность измерений, и методы их компенсации

6. Преимущества, ограничения и области применения датчиков мишенного типа

6.1. Преимущества датчиков мишенного типа

6.2. Ограничения датчиков мишенного типа

6.3. Сравнительный анализ с другими типами расходомеров

6.4. Области применения

7. Современные тенденции и инновации в разработке датчиков мишенного типа

7.1. Цифровизация и удаленная передача данных

7.2. Интеграция с интеллектуальными системами и IoT

7.3. Повышение метрологической надежности и точности

Заключение

Список использованной литературы

С этим материалом также изучают

Похожие записи