ebook Pomiary czujniki i metody pomiarowe wybranych wielkości fizycznych i składu chemicznego

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2017

Publikacja Wydawnictwa WNT, dodruk Wydawnictwo Naukowe PWN
Pomiary są obszerną dziedziną wiedzy wykorzystywaną w codziennej pracy niemal w każdym zawodzie inżynierskim. Od ich dokładności i wiarygodności zależy jakość materiałów oraz produkowanych z nich wyrobów, a także organizacja procesów produkcyjnych. Rozwój elektroniki, informatyki i telekomunikacji umożliwia ciągłe doskonalenie technik pomiarowych oraz aparatury, która jest już prawie niezawodna, łatwa w obsłudze, a co najważniejsze bardzo dokładna również w ekstremalnych warunkach. Równie ważna jak możliwości techniczne jest wiedza na temat technik pomiarowych różnych wielkości fizycznych.

Lektura tej książki przybliży Czytelnikowi zagadnienia związane z:

- metodami pomiarów: temperatury, ciśnienia, poziomu przepływu, drgań, wstrząsów, hałasu, składu chemicznego oraz wilgotności,
- podstawowymi błędami pomiarów i sposobami ich wyznaczania,
- niedokładnościami wyników pomiarów i sposobami ich oceniania,
- układami przetwarzania i przesyłania sygnałów pomiarowych,
- współczesną aparaturą pomiarową i jej właściwościami,
- czynnościami metrologicznymi,
- obowiązującymi przepisami prawnymi.

Spis treści ebooka Pomiary czujniki i metody pomiarowe wybranych wielkości fizycznych i składu chemicznego

Wstęp 13

1. Wprowadzenie 15
1.1. Definicja pomiaru i terminów z nim związanych 15
1.2. Podstawowe pojęcia 19
1.2.1. Aparatura pomiarowa 19
1.2.2. Przyrząd pomiarowy 19
1.2.3. Systemy pomiarowe 22
1.2.4. Definicje błędów 23
1.3. Przetwarzanie wielkości 28
1.3.1. Czujniki i przetworniki analogowe 28
1.3.2. Próbkowanie wielkości 29
1.3.3. Kwantowanie wielkości 31
1.3.4. Stopień zliczania, przetwornik A/C do pomiaru czasu lub częstotliwości 33
1.3.5. Przetworniki C/A napięcia 36
1.3.6. Przetworniki A/C kompensacyjne 38
1.3.7. Przetworniki A/C całkujące 41
1.3.8. Przetworniki A/C z pojedynczym całkowaniem 42
1.3.9. Przetworniki A/C z podwójnym całkowaniem 44
1.4. Modulacja i przesył sygnałów 46
1.4.1. Sygnał 46
1.4.2. Modulacja szerokości impulsów 48
1.4.3. Sieć pomiarowa 52
1.4.4. Pętla prądowa 54
1.4.5. Protokół HART 55
1.4.6. Inne magistrale obiektowe 57
1.4.7. Standard IEEE 1451 58
1.4.8. Interfejs IEC-625 61
1.4.9. Bezprzewodowa transmisja sygnałów pomiarowych 63
1.5. Właściwości metrologiczne aparatury pomiarowej 63
1.6. Czynności metrologiczne 69
Literatura 73

2. Pomiary temperatury 75
2.1. Skale temperatury 75
2.1.1. Wprowadzenie 75
2.1.2. Termodynamiczna skala temperatury 75
2.1.3. Międzynarodowa Skala Temperatury MST-90 78
2.2. Termometry nieelektryczne 81
2.2.1. Wprowadzenie 81
2.2.2. Termometry szklane 81
2.2.3. Termometry dylatacyjne i bimetalowe 85
2.2.4. Termometry ciśnieniowe 86
2.3. Termometry rezystancyjne 87
2.3.1. Ogólna charakterystyka 87
2.3.2. Czujniki rezystancyjne metalowe 88
2.3.3. Układy pomiarowe czujników rezystancyjnych metalowych 91
2.3.4. Termistory 97
2.3.5. Rezystancyjne czujniki krzemowe 100
2.4. Termometry termoelektryczne 102
2.4.1. Budowa termometru termoelektrycznego 102
2.4.2. Zasada działania termoelementów 102
2.4.3. Budowa termoelementów 104
2.4.4. Rodzaje termoelementów i ich właściwości 106
2.4.5. Termoelementy nieznormalizowane 108
2.4.6. Korekcja błędów od temperatury zimnych końców 109
2.4.7. Automatyczna korekcja błędu temperaturowego 111
2.5. Półprzewodnikowe czujniki temperatury 113
2.5.1. Czujniki diodowe 113
2.5.2. Czujniki scalone 114
2.6. Pirometry 115
2.6.1. Zasada działania pirometru 115
2.6.2. Obiekt pomiaru 117
2.6.3. Detektory promieniowania 120
2.6.4. Budowa pirometrów 122
2.6.5. Eliminacja błędu metody pirometrów 124
2.6.6. Termografia 129
2.7. Inne rodzaje termometrów 130
2.7.1. Termometry szumowe 130
2.7.2. Termometry luminescencyjne 131
2.7.3. Termometr światłowodowy typu ,,ciało czarne” 132
2.7.4. Termometry ultradźwiękowe 133
2.8. Technika pomiarów temperatury i źródła błędów 134
2.8.1. Ogólna charakterystyka technik 134
2.8.2. Odprowadzanie ciepła przez czujnik pomiarowy 134
2.8.3. Wpływ promieniowania na temperaturę czujnika 136
2.8.4. Pomiar temperatury ciał w ruchu 137
2.9. Błędy dynamiczne 138
2.9.1. Model matematyczny czujnika temperatury 138
2.9.2. Wyznaczanie właściwości dynamicznych termometrów 141
2.10. Wzorcowanie termometrów 144
2.10.1. Zasady wzorcowania termometrów 144
2.10.2. Podstawowe wyposażenie laboratorium wzorcowania termometrów 145
2.10.3. Układy pomiarowe stanowisk wzorcowania 149
2.10.4. Wzorcowanie pirometrów 151
2.10.5. Ocena niedokładności wzorcowania 151
Literatura 160

3. Pomiary ciśnienia 162
3.1. Zagadnienia ogólne 162
3.1.1. Wstęp 162
3.1.2. Definicje 163
3.1.3. Jednostki ciśnienia 164
3.1.4. Rodzaje mierzonego ciśnienia 165
3.1.5. Zakresy mierzonych ciśnień 167
3.1.6. Różne metody pomiaru ciśnienia – podział ciśnieniomierzy 168
3.2. Czujniki sprężyste 171
3.2.1. Elementy sprężyste ciśnieniomierzy 171
3.2.2. Czujniki piezorezystancyjne 174
3.2.3. Korekcja błędów piezorezystancyjnych czujników ciśnienia 181
3.2.4. Czujniki pojemnościowe 192
3.2.5. Czujniki indukcyjnościowe 194
3.3. Czujniki z przetwarzaniem ciśnienia na siłę 196
3.3.1. Czujniki piezoelektryczne 196
3.3.2. Czujniki rezonansowe 199
3.4. Czujniki optyczne 206
3.5. Procesowe przetworniki ciśnienia i instalacje pomiarowe 209
3.5.1. Funkcje i właściwości przetworników klasycznych i inteligentnych 209
3.5.2. Charakterystyki metrologiczne 214
3.5.3. Charakterystyki funkcjonalne i użytkowe ważne przy doborze przetworników 217
3.5.4. Przetworniki wieloparametrowe 221
3.6. Kalibratory ciśnienia i kalibracja 223
3.6.1. Wprowadzenie 223
3.6.2. Manometry hydrostatyczne 224
3.6.3. Manometry obciążnikowo–tłokowe 227
Literatura 235

4. Pomiary poziomu 237
4.1. Wprowadzenie 237
4.2. Podział metod pomiaru poziomu 237
4.3. Ręczne pomiary poziomu 238
4.3.1. Poziomomierz wziernikowy 238
4.3.2. Poziomomierz prętowy 239
4.3.3. Poziomomierz sondujący 240
4.4. Pomiary ciągłe poziomu 240
4.4.1. Poziomomierz pływakowy 240
4.4.2. Poziomomierz wyporowy 242
4.4.3. Poziomomierz hydrostatyczny 243
4.4.4. Poziomomierz piezometryczny 245
4.4.5. Poziomomierz wagowy 246
4.4.6. Poziomomierz oporowy 246
4.4.7. Poziomomierz pojemnościowy 247
4.4.8. Poziomomierz z tłumieniem promieniowania 249
4.4.9. Poziomomierze akustyczne i ultradźwiękowe 251
4.4.10. Poziomomierze radarowe 253
4.5. Sygnalizatory poziomu 254
4.5.1. Wprowadzenie 254
4.5.2. Sygnalizator wibracyjny 255
4.5.3. Sygnalizator z ruchomym elementem 255
4.5.4. Sygnalizator izotopowy 255
4.6. Dobór i eksploatacja poziomomierzy 256
Literatura 257

5. Pomiary prędkości i przepływu płynów 258
5.1. Wprowadzenie 258
5.2. Pomiary prędkości płynów 263
5.2.1. Rurki spiętrzające 263
5.2.2. Anemometry elektryczne 268
5.2.3. Prędkościomierze turbinowe 273
5.2.4. Pomiary prędkości na zasadzie Dopplera 274
5.3. Przepływomierze 279
5.3.1. Wprowadzenie 279
5.3.2. Przepływomierze zwężkowe 281
5.3.3. Rotametry 296
5.3.4. Przepływomierze turbinowe 298
5.3.5. Przepływomierze wirowe 303
5.3.6. Przepływomierze na zasadzie zjawiska Coriolisa 305
5.3.7. Przepływomierze elektromagnetyczne 308
5.3.8. Przepływomierze ultradźwiękowe 312
5.3.9. Inne przepływomierze 319
5.4. Liczniki objętości płynów 322
5.4.1. Licznik a przepływomierz 322
5.4.2. Liczniki gazów 322
5.4.3. Liczniki cieczy 324
5.5. Pomiary przepływu w kanałach otwartych 327
5.5.1. Rodzaje kanałów otwartych 327
5.5.2. Przelewy 328
5.5.3. Koryta pomiarowe 331
5.5.4. Inne metody 333
5.6. Wzorcowanie przepływomierzy 337
5.6.1. Wprowadzenie 337
5.6.2. Stanowiska wzorcownicze 338
5.6.3. Legalizacja przepływomierzy 342
Literatura 342

6. Pomiary drgań i wstrząsów 345
6.1. Wprowadzenie 345
6.2. Model dynamiczny akcelerometru 346
6.3. Akcelerometry z kompensacją siły 349
6.4. Czułości poprzeczna 351
6.5. Akcelerometry piezoelektryczne 352
6.5.1. Zjawisko piezoelektryczne 352
6.5.2. Model elektryczny czujnika piezoelektrycznego 354
6.5.3. Czujniki z wyjściem ładunkowym o dużej impedancji wyjściowej 355
6.5.4. Czujniki z wyjściem napięciowym o małej impedancji wyjściowej 357
6.5.5. Konstrukcja mechaniczna akcelerometrów piezoelektrycznych 358
6.6. Akcelerometry pojemnościowe 361
6.7. Akcelerometry piezorezystancyjne 363
6.8. Akcelerometry termiczne 364
6.9. Akcelerometry dwu- i trzyosiowe 366
6.10. Montaż akcelerometrów 366
6.11. Wzorcowanie czujników przyspieszenia 368
6.12. Sejsmometry 370
6.13. Wybrane dziedziny zastosowań czujników drgań 374
6.13.1. Diagnostyka wibroakustyczna maszyn 374
6.13.2. Analiza modalna konstrukcji 379
6.13.3. Motoryzacja 382
6.13.4. Sejsmologia górnicza 384
Literatura 386

7. Pomiary hałasu 387
7.1. Wprowadzenie 387
7.2. Drgania akustyczne i dźwięk 387
7.3. Równanie falowe 388
7.4. Pole akustyczne 389
7.4.1. Charakterystyka ogólna 389
7.4.2. Płaskie fale akustyczne 390
7.4.3. Kuliste fale akustyczne 391
7.5. Wielkości akustyczne 392
7.5.1. Natężenie dźwięku 392
7.5.2. Moc akustyczna 393
7.5.3. Poziom wielkości akustycznych 394
7.5.4. Głośności dźwięku 394
7.6. Mikrofony 395
7.6.1. Klasyfikacja 395
7.6.2. Mikrofony ciśnieniowe 396
7.6.3. Mikrofony gradientowe 397
7.6.4. Mikrofony ciśnieniowo-gradientowe 397
7.6.5. Charakterystyki mikrofonów 398
7.6.6. Membrany mikrofonów 399
7.6.7. Mikrofony stykowe 400
7.6.8. Mikrofony magnetoelektryczne 401
7.6.9. Mikrofony elektromagnetyczne 402
7.6.10. Mikrofony elektrostatyczne 402
7.6.11. Mikrofony elektretowe 404
7.6.12. Mikrofony piezoelektryczne 405
7.6.13. Mikrofony krzemowe 406
7.7. Kalibracja mikrofonów 407
7.7.1. Wprowadzenie 407
7.7.2. Kalibracja z wykorzystaniem pobudników tłokowych 408
7.7.3. Kalibracja metodą porównawczą 408
7.8. Pomiary wielkości akustycznych 409
7.8.1. Mikrofony pomiarowe 409
7.8.2. Pomiary poziomu ciśnienia akustycznego 410
7.8.3. Pomiary poziomu natężenia dźwięku 413
7.9. Wybrane dziedziny pomiarów hałasu 414
7.9.1. Wprowadzenie 414
7.9.2. Pomiary hałasu w środowisku 415
7.9.3. Pomiary hałasu w pomieszczeniach 416
7.9.4. Pomiary hałasu maszyn i urządzeń 417
Literatura 420

8. Pomiary składu chemicznego 422
8.1. Wprowadzenie 422
8.2. Pomiary składu chemicznego na podstawie przemiany materii 427
8.2.1. Chemiczne przemiany materii 427
8.2.2. Elektrochemiczne przemiany materii 437
8.3. Pomiary składu z zastosowaniem promieniowania 467
8.3.1. Wprowadzenie 467
8.3.2. Spektrometria atomowa: emisyjna i absorpcyjna 468
8.3.3. Spektrometria rentgenowska 489
8.3.4. Spektrometria molekularna (cząsteczkowa) 495
8.3.5. Spektrometria rezonansu paramagnetycznego EPR 506
8.3.6. Spektrometria rezonansu magnetycznego NMR 509
8.4. Chromatografia 515
8.4.1. Wprowadzenie 515
8.4.2. Chromatografia gazowa 515
8.4.3. Chromatografia cieczowa 528
8.5. Zagadnienia wybrane 531
8.5.1. Pobieranie próbek do analizatorów o działaniu dyskretnym 531
8.5.2. Analizatory wstrzykowe 536
8.5.3. Pobieranie próbek do analizatorów o działaniu ciągłym 537
8.5.4. Analizatory termokonduktometryczne 540
8.5.5. Przemysłowe analizatory tlenu w gazach 545
8.5.6. Analizatory gazu na zasadzie absorpcji w podczerwieni 548
8.5.7. Wzorcowanie analizatorów 551
Literatura 556

9. Pomiary wilgotności 558
9.1. Pomiary wilgotności powietrza 558
9.1.1. Podstawowe definicje i wzory 558
9.1.2. Higrometr włosowy 562
9.1.3. Psychrometr Assmana 563
9.1.4. Higrometr punktu rosy (z chłodzonym lustrem) 564
9.1.5. Higrometry elektrolityczne z chlorku litu 566
9.1.6. Impedancyjne czujniki (sensory) higrometryczne 568
9.1.7. Higrometry spektrometryczne 569
9.1.8. Higrometry kulometryczne 570
9.1.9. Wzorcowanie higrometrów i wzorce wilgotności 570
9.2. Pomiary wilgotności ciał stałych 576
9.2.1. Podstawowe definicje, pojęcia i wzory 576
9.2.2. Metoda grawimetryczna 579
9.2.3. Metoda oparta na zmianie pojemności cieplnej materiału 583
9.2.4. Metoda oparta na zmianie rezystancji materiału 584
9.2.5. Pomiar na podstawie właściwości dielektrycznych 586
9.2.6. Techniki oparte na zastosowaniu promieniowania podczerwonego 591
9.2.7. Mikrofalowy pomiar zawartości wilgoci 593
9.2.8. Rozpraszanie jądrowe 595
9.2.9. Podsumowanie 596
Literatura 598

Skorowidz 600