Давление: измеряемые типы, погрешность. Справочная информация.
Это устройство, преобразующее давление среды — то есть силу, с которой эта среда давит на мембрану датчика — в электрический выходной сигнал, который по соединительным проводам поступает на управляющий прибор ( ПЛК , регулятор типа ТРМ и т.п.). Обычно выходной сигнал таких преобразователей аналоговый непрерывный. Чаще всего это 4. 20 миллиАмпер (“токовая петля”) или 0. 10 Вольт (“3-х проводный”). Также рынок потихоньку начинают завоевывать преобразователи с цифровыми интерфейсами — например, с RS-485. Небольшой анонс: скоро у ОВЕН появится датчик давления ПД100И с таким интерфейсом “на борту”.
Типы измеряемых давлений
- Избыточное давление ДИ – это дополнительно созданное относительно атмосферного давление («наддув», «напор») в измеряемом процессе. Это самый распространенный вид давления — оно присутствует и в батареях отопления, и в кофемашинах, и в паровых котлах на ТЭЦ. И везде его требуется измерять 🙂
- Давление вакуумметрическое ДВ – это созданное относительно атмосферного давления разрежение («тяга») в измеряемом процессе. Например, в дымоходах котельных и коробах вентиляционных систем торговых центров.
- Давление избыточно-вакуумметрическое ДИВ – это когда давление в процессе может быть то ниже атмосферного, то выше (т.н. “тягонапорометрия”). Такое давление измеряется, например, непосредственно в котлах котельных.
- Дифференциальное давление ДД — разница между давлением в любых двух точках измеряемого процесса. Этот тип измерений не зависит и не привязан к атмосферному давлению. Часто в промышленности с помощью такого давления измеряют расход жидкости или ее уровень в ёмкостях с избыточным давлением.
- Абсолютное давление ДА — созданное относительно абсолютного (космического) вакуума давление («наддув») в измеряемом процессе. Абсолютное давление измеряется в “особых” случаях, когда требуется исключить влияние атмосферы на измерения — узлы учёта газа на границах государств, стенды испытания двигателей самолётов и т.п.
Конечно, у всех датчиков давления есть погрешность. То есть они измеряют давление с ошибкой, указанной производителем. Будьте внимательны: серьезные производители всегда указывают суммарную погрешность измерения своих датчиков. Если такой информации в паспорте изделия или на его бирке не найти, возможно, это подделка или датчик низкого качества с непредсказуемыми показаниями. Не дайте себя обмануть!
Рассмотрим виды погрешностей и факторы, влияющие на погрешность.
От измерительного преобразователя ( датчика ) давления в идеале необходимо получить линейную функцию преобразования давления в ток (наклонная пунктирная линия на рисунке).
Но сенсоры давления даже лучших производителей имеют весьма далёкий от идеала выходной сигнал (сплошные линии на рисунке). Существуют три основные составляющие погрешности:
1. Нелинейность – максимальное по модулю отклонение сигнала реального сенсора от идеальной линейной.
2. Повторяемость (воспроизводимость, вариация) – разный выходной сигнал сенсора при повторяющемся одинаковом входном воздействии. Повторяемость максимальна в точке ВПИ (верхнего предела измерения).
3. Гистерезис — разный выходной сигнал при прямом и обратном направлении изменения входного воздействия (давления среды на мембрану датчика).
Обычно повторяемость и гистерезис трудно компенсировать — это свойства качества сенсора, а нелинейность практически полностью убирается нормированием-калибровкой.
Теперь сложим эти три источника – три составные части погрешности – получится суммарная абсолютная погрешность . Но такая величина неудобна в использовании, поскольку для сравнения погрешностей разных датчиков придётся сравнивать различающиеся в сотни раз диапазоны и пересчитывать физические величины давлений МПа –кгс/см2 – атм – psi — м.в.с — …, в которых эта погрешность будет выражаться.
Поэтому принято эту суммарную абсолютную погрешность делить на величину верхнего предела измерения (ВПИ, диапазона) и умножать на 100% — получается суммарная относительная погрешность . Которой производители и «меряются», у кого преобразователи давления лучше: чем точнее преобразование (меньше погрешность преобразования), тем датчик считается лучше и продается дороже. Объединение ОВЕН прямо указывает суммарную основную погрешность в кодировке датчиков.
В данный момент на рынке в основном присутствуют датчики с основной погрешностью от 1,0% до 0,1% ВПИ.
Основная погрешность всеми производителями гарантируется только при так называемых нормальных условиях работы преобразователя давления: температура +23 (+/-5) °C, влажность 60%, атмосферное давление 760 мм.рт.ст, отсутствие вибраций и электромагнитных полей кроме гравитационного.
При любых изменениях условий всегда возникают дополнительные погрешности (самая заметная из которых — температурная), увеличивающие погрешность показаний преобразователя давления иногда в несколько раз. Отсутствие в заявляемых характеристиках дополнительных погрешностей должно настораживать покупателя.
ПО «ОВЕН» гарантирует, что дополнительная температурная погрешность у преобразователей давления ПД100 и ПД150 не превышает 0,2% на 10 °C , а у ПД200 не более 0,1% на 10 °C . Это обеспечивается дополнительным циклом калибровки преобразователей при +80 °C при их производстве, в процессе которого обеспечивается микропроцессорная термокомпенсация дополнительных погрешностей.
Чем преобразование в датчике «независимее» от внешних причин (температуры, времени работы, электромагнитных помех и т.п.) – тем датчик стабильнее и дороже. Сейчас на рынке присутствуют датчики с межповерочным интервалом и/или гарантией от 1 до 5 лет, что означает: в течение этого времени датчик останется в заявленных в документах границах погрешности.
Источник
Оценка погрешностей измерений
Погрешность измерений физической величины – это отклонение измеренного значения величины от ее истинного значения.
Погрешности измерения обусловлены как ограниченной точностью измерительных приборов, так и влиянием случайных факторов – трения, вибрации здания или лабораторного стола, движения воздуха и т.д. Различают абсолютную погрешность и относительную погрешности.
Абсолютная погрешность – это модуль отклонения измеренного значения физической величины от ее значения.
Абсолютную погрешность измерения величины А обозначают ΔА, а результат измерения записывают в виде:
Такая запись означает, что истинное значение измеряемой величины с большой вероятностью находится в интервале от
, 
.
Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения величины измеренному значению этой величины, выраженное в процентах.
Относительная погрешность измерения
.
Относительная погрешность характеризует точность измерения лучше, чем абсолютная.
В лабораторных работах относительная погрешность составляет 20-30%.
Оценка абсолютной погрешности прямых измерений
Прямым называется измерение, при котором значение измеряемой величины определяется непосредственно по шкале измерительных приборов.
Граница абсолютной погрешности прямого измерения равна сумме погрешности средств измерения (прибора, инструмента) Δпр и погрешности отсчета Δотсч:
Абсолютная погрешность средства измерения, т.е. прибора, зависит от качества изготовления прибора на заводе. В общем каждый электроизмерительный прибор имеет класс точности γ, по которому определяют погрешность этого прибора. В учебных целях применяются приборы, имеющие класс точности равным γ=4. Зная класс точности прибора и предел его измерения М, можно определить абсолютную погрешность прибора
.
Погрешность отсчета не превосходит половины цены деления прибора
Δотсч≤ 
,
где с – цена деления его шкалы.
Оценка абсолютной погрешности косвенных измерений
Косвенным называется измерение, при котором значение измеряемому величины определяют по формулам, в которые входят значения физических величин, полученные с помощью прямых измерений.
Например, для измерения плотности вещества можно измерить массу о объем тела и воспользоваться формулой 
.
Один из наиболее простых методов оценки погрешности косвенных измерений – это метод границ. Он состоит в том, что с помощью формулы, по которой вычисляется измеряемая величина В, находят два значения: Вmin и Вmax , между которыми находится истинное значение измеренной величины В.
Округление результатов
Если ошибка округления больше абсолютной погрешности, округление уменьшает фактически достигнутую точность измерения, а если ошибка округления меньше абсолютной погрешности, последние цифры записи результата будут непосредственными. Поэтому округлять результаты измерений и вычислений надо так, чтобы последняя значащая цифра находилась в том же десятичном разряде, что и абсолютная погрешность измеряемой величины.
В лабораторных работах можно обычно ограничится, двумя значащимися цифрами.
Перечень лабораторных работ
- Определение плотности вещества
- Проверка закона Бойля-Мариотта
- Определение влажности воздуха
- Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости
- Определение удельного сопротивления вещества проводника
- Определение эдс и внутреннего сопротивления источника электрической энергии
- Определение электрохимического эквивалента меди
- Изучение свойств полупроводникового диода
- Определение периода и ускорения математического маятника
- Определение оптической силы линзы и ее главного фокусного расстояния
- Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки
- Наблюдения спектров различных веществ
- Изучение звездного неба с помощью подвижной карты
- Астрономические наблюдения
Лабораторная работа №1
Тема: Определение плотности вещества
Цель работы: научиться определять плотность твердого тела.
Оборудование: весы с разновесами (рис.1), штангенциркуль (рис. 2), твердое тело.
Рис. 1. Рис. 2.
Описание работы
Опыт показывает, что массы тел, состоящих из одного и того же вещества, прямо пропорциональны объемам этих тел:
где m –масса, V – объем.
Коэффициент пропорциональности ρ называется плотностью вещества.
Плотность вещества характеризует зависимость массы тела от рода его вещества и измеряется массой вещества в единице объема:
Масса тела определяется взвешиванием. Объем тела правильной геометрической формы определяется обмером тела, объем жидкости – наполнение ею мензурки (градуированного сосуда). Последним приемом можно воспользоваться также и для определения твердого тела.
Порядок выполнения работы:
- Взвешиванием определить массу тела m правильной формы с точностью до 0,01 г .
- Измерить штангенциркулем длину а, ширину bи высота h.
- Вычислить объем тела по формуле:
- Вычислить плотность тела по формуле:
- Сравните полученный результат с табличным значением плотности и вычислите относительную погрешность по формуле:
.
- Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу:
| № | Наименование вещества | Длина | Ширина | Высота | Объем | Масса | Плотность | Погрешность |
| a, м | b, м | h, м | V, м 3 | m, кг | ρ, кг/м 3 | δ, % | ||
| 1. |
7. Запишите вывод, что вы измеряли и какой получен результат.
ВЫВОД:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Контрольные вопросы:
- Как можно найти плотность вещества?
- Какой буквой обозначается плотность?
- Какова единица плотности в СИ?
- Какие еще единицы плотности вам известны?
- По какой формуле можно определить объем тела?
Лабораторная работа №2
Тема: Проверка закона Бойля-Мариотта
Цель работы: экспериментальная проверка закона Бойля-Мариотта
Оборудование: сильфон, манометр (рис 3)
Рис. 3
Описание работы
Экспериментальная установка для проверки закона Бойля-Мариотта показана на рисунке 3. Она состоит из сильфона, позволяющего изменить объем газа (воздуха), и металлического манометра. Сначала открывают оба крана манометра и с помощью винта сильфона растягивают или сжимают цилиндр так, чтобы объем воздуха в нем был равен 7,5 у.е.. Затем закрывают правый кран манометра и приступают к проверке закона Бойля-Мариотта, который имеет следующую формулировку: для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная.
Несколько раз медленно изменяют объем воздуха в приборе и наблюдают за показаниями манометра.
Результаты измерений выражены:
давление – в атмосферах (1атм=1кг/см 2 =10 5 Па),
объем – в условных единицах.
Порядок выполнения работы:
- Соберите экспериментальную установку по рисунку 3.
2. Несколько раз медленно измените, объем воздуха в приборе и наблюдайте за показаниями манометра.
- Рассчитайте произведение объема на давление для каждого опыта.
- Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу:
| Объем газа | Давление газа | Произведение давления на объем |
| V, усл.ед | р, Па | p · V |
5. Постройте график зависимости давления от объема по результатам эксперимента.
- Запишите вывод: чтовы измеряли и какой получен результат.
ВЫВОД:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Контрольные вопросы:
- Может ли построенный вами график пересекать оси координат?
- Докажите, что закон Бойля-Мариотта можно рассматривать как частный случай уравнения Менделеева-Клапейрона.
3. Почему вы уверены, что в лабораторной работе наблюдали именно изотермический процесс, а не какой-нибудь другой? Почему температура не менялась? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Лабораторная работа №3
Тема: Определение влажности воздуха
Цель работы: научиться определять влажность воздуха
Оборудование: психрометр (рис. 4), стакан с водой, психрометрическая таблица
Рис. 4
Описание работы
Психрометр (рис. 4) состоит из двух одинаковых термометров, один из которых обмотан тканью. Если водяной пар в воздухе не насыщен, то вода из ткани будет испаряться и показания «влажного» термометра будут меньше, чем сухого.
Чем интенсивнее испаряется вода (т.е. чем менее насыщен воздух водяным паром), тем ниже показания «влажного» термометра. По разнице показаний двух термометров можно измерять влажность воздуха. С этой целью составляются так называемые психрометрические таблицы, с помощью которых находят конкретные значения относительной влажности воздуха.
Порядок выполнения работы:
- Налить воду в резервуар термометра, обернутого марлей.
- Выждав минут 20 (пока показания термометра перестанут изменяться), записывают показания сухого и влажного термометров в таблицу.
- С помощью психрометрической таблицы определите относительную влажность воздуха.
- Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу
| Показания термометров | Разность показаний термометров | Относительная влажность воздуха | |
| сухого | влажного | ||
| tсух, 0 С | tвлаж, 0 С | Δt, 0 С | φ,% |
5. Запишите вывод, что вы измеряли и какой получен результат.
ВЫВОД:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Контрольные вопросы:
- Могут ли в ходе опытов температуры «сухого» и «влажного» термометров оказаться одинаковыми?
- Может ли температура «влажного» термометра оказаться выше температуры «сухого»?______________________________________________________________________________________________________________________________________
- Каким может быть предельное значение относительной влажности воздуха?
- Какие существуют приборы для определения влажности воздуха?
Лабораторная работа №4
Тема: Определение коэффициента поверхностного
Цель работы: экспериментально определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель
Оборудование: весы учебные, разновес (можно мензурку), пипетка, штангенциркуль, стакан с водой, химический стакан (рис 5)
Рис.5
Описание работы
Расчеты показывают, что отрыв капли воды от пипетки происходит при выполнении равенства
где m – масса капли,
σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости,
d – внутренний диаметр пипетки,
g – ускорение свободного падения.
Отсюда 
.
Для повышения точности измеряют массу нескольких капель: М= m·n, где n – число капель. Тогда расчетная формула принимает вид:
.
Порядок выполнения работы:
- С помощью штангенциркуля измерьте внутренний диаметр пипетки d. Измерения необходимо производить осторожно, чтобы не расколоть конец стеклянной трубки.
- Накапайте в пустой стакан 100-200 капель воды, предварительно его взвесив.
- Определите массу накапанной воды:
- Вычислите коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ по формуле:
.
- Сравните полученный результат с табличным значением коэффициента поверхностного натяжения воды и вычислите относительную погрешность по формуле:
- Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу:
| Диаметр трубки | Масса стаканчика | Масса воды | Число капель | Коэффициент поверхностного натяжения | Погрешность | |
| Без воды | С водой | |||||
| d,м | mбез воды,кг | mс водой,кг | М, кг | n | σ ,  | δ ,% |
7. Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.
ВЫВОД:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Контрольные вопросы:
- Увеличив быстроту падения капель, выяснить, как повлияет это на массу капли.
- Какие причины влияют на величину коэффициента поверхностного натяжения жидкости?_____________________________________________________________________________________________________________________________________
- Какие еще существуют методы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости?_____________________________________________________
Лабораторная работа №5
Тема: Определение удельного сопротивления вещества проводника
Цель работы: научиться опытным путем вычислять удельное сопротивление вещества проводника (резистора)
Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, ключ, резистор, соединительные провода
Описание работы
Если резистор представляет собой длинный однородный проводник постоянного сечения, то его сопротивление R прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:
.
Коэффициент пропорциональности ρ (не путать с плотностью материала проводника!), характеризующий материал резистора называется удельным электрическим сопротивлением материала.
В цепях постоянного тока часто используется переменное сопротивление. Простейшим устройством такого типа является реостат, в котором перемещающийся ползунок позволяет пропускать ток по различному числу витков провода, намотанного на цилиндр.
Порядок выполнения работы:
1. Соберите электрическую цепь по схеме на рис.6.
Рис. 6.
2. Измерьте силу тока I и напряжение U.
3. Вычислите сопротивление R по формуле:
.
4. Вычислите площадь поперечного сечения провода по формуле:
где d — диаметр
5. Вычислите удельное сопротивление материала ρ по формуле:
6. Сравните полученный результат с табличным значением удельного сопротивления вещества проводника, и вычислите относительную погрешность по формуле:
.
- Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу:
| Наименование вещества | Сила тока | Напря-жение | Сопротив-ление | Длина | Диаметр | Площадьпопереч-ного сечения | Удельноесопротив-ление | Погрш-ность |
| I , А | U , В | R , Ом | l, м | d, м | S, м 2 | ρ , Ом·м | δ ,% |
- Запишите вывод, чтовы измеряли и какой получен результат.
ВЫВОД:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Контрольные вопросы:
1. Почему удельное сопротивление проводника зависит от рода материала его?
2. Удельное сопротивление фехраля 1,1·10 -6 Ом ·м. Что это значит? Где можно использовать такой материал?______________________________________________
3. Зависит ли удельное сопротивление от температуры? _________________________
Лабораторная работа №6
Тема: Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии
Цель работы: экспериментально определить основные характеристики источника постоянного тока: ЭДС и внутреннее сопротивление
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
Источник