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應用示例
在機床上必須保證加工工件持續(xù)不變的高表面質量。為此需要持續(xù)監(jiān)控冷卻潤滑劑輸送管道的系統(tǒng)壓力。利用壓力傳感器能可靠地檢測壓力，當偏離規(guī)定的壓力范圍時在幾毫秒內關閉機床。
在很多儲罐和鍋爐中必須連續(xù)測量液體的液位高度。因此將使用超聲波傳感器，它能夠無關介質的顏色、透明度和表面特性進行測量。它們能探測幾乎所有 (也包括隔音) 材料及液體、顆粒和粉末構成的對象。
傳感器技術
壓力傳感器可量應用于過程和工廠自動化中，也可以應用于儲罐以及分配器系統(tǒng)中的壓力控制。冷卻潤滑劑、液壓油和氣動系統(tǒng)等過程介質的監(jiān)控對生產工藝有重要影響。
采用不同工作原理的傳感器適合用于測量液位
■ 超聲波傳感器從上方進入儲罐，它們不接觸介質。
■ 電容式傳感器從上方進入儲罐，它們接觸介質。
■ 磁致伸縮式傳感器可以從上方或下方進入儲罐。它的位置傳感器 接觸介質干井校準器作為溫度標準，被許多校準實驗室和各種工業(yè)域廣泛使用。，干井校準器的軸向溫度均勻性一般不如(往往遠遠不如)液體恒溫槽。垂直溫度梯度對校準的影響到底有多?為什么應該考慮使用計量爐來替代干井和液槽?
1、軸向溫度均勻性及其對校準誤差的影響
干井部和底部的散熱速率不同于中間。這是因為與相比，底部隔熱更好，不受環(huán)境效應的影響。所以在干井內就存在垂直方向的溫度梯度。在干井的設計中，盡量在插塊的長度范圍內實現熱量分布，來補償這種梯度。然而，由于軸向溫度均勻性在不同溫度下有所變化，所需的熱量分布時刻在變化，所以實現以上目的非常困難。
干井中溫度計的讀數是干井插塊中傳感器范圍內檢測到的溫度平均值。PRT傳感器的具有不同的長度，并且在其護套中的位置也略有不同。將不同類型的傳感器(例如將較短的高靈敏度熱電偶或熱敏電阻與較長的PRT傳感器)進行比對，會發(fā)生明顯的軸向位置差異，使得比較結果受軸向梯度的影響比較。因此，干井式校準器的軸向溫度不均勻性對校準誤差具有顯著的影響。
▲ 圖2 660 °C下使用不同PRT時的軸向溫度均勻性
▲ 圖3 計量爐在不同溫度下的軸向溫度均勻性
▲ 圖4 PRT比對校準，元件長度*相同，660 °C，干井
▲ 圖5 PRT元件長度不同時在660 °C下的比對校準結果
2、計量爐有何不同?
為了降低校準誤差以及提高現場可用校準器的性能，福祿克計量校準部開發(fā)了一種具有雙區(qū)控制的校準器，稱為“計量爐”。計量爐采用了多種新技術，與干井相比，總體性能幅提高。的改進是每個計量爐的整個溫度量程內具有優(yōu)異的軸向溫度均勻性。這一改進得益于能夠自動調節(jié)部區(qū)域溫度的技術，在任何溫度設置下都能程度減小兩個溫區(qū)之間的溫差。
3、計量爐與干井式校準器的軸向均勻性比較
實驗表明，使用同一干井、在相同溫度下、使用兩支不同傳感器尺寸的PRT時，測量結果變化明顯。圖2所示為典型干井較差的軸向均勻性。從圖中可以看出，測量均勻性的溫度計的檢測元件短，均勻性表現差，因為每個元件都是對其長度范圍內檢測到的溫度進行平均。從圖2和圖3可以看出，計量爐的性能具有明顯不同在90年代，人們從事計量學工作的方式是，通過仔細的工作建立基本單位，如歐姆、伏特、法拉等，然后再用定標實驗來擴展其應用范圍。定標就是給量建立一個標尺，其內容是建立基本單位的精已知的倍數。在電學計量中，常用的定標技術是比率。比率就是從某一等的一個量，按比例求出同一個量另一個等的數值。
由于沒有國家的比率標準作為依據來校準其它的比率標準，所以對比率裝置的評定是一種獨立的實驗。比率實驗必須周密地設計和實施，以便考慮到實驗中所有重要的誤差來源。作為量的一個值和另一個值之間關系的表達式，比率是無量綱的。
人們一直有一種傾向，認為比率裝置不需要校準，對它沒有溯源性的要求。這是不對的，因為要能夠準地、精密地實現某一個量的某一給定的比率，需要適當的設備、環(huán)境和技術。所以，謹慎的計量學家會通過對比率裝置進行校準，或者與別的比率裝置校準過的其它設備進行比較，來校驗比率的準度。
非比率定標技術
用非比率實驗建立基本量的倍數的經典例子，是如圖9-1所示的用來得到標準千克的倍數和分數的比較實驗。
▲ 圖9-1 定標和比率
串聯電池
電學計量中的一個例子是，使用幾個標準電池串聯起來，以建立一個等于標準電池平均電壓n倍的電壓。然后，使用開爾文-瓦利分壓器(福祿克公司的720A)，用這個已知電壓來對另一個10V電平的電壓進行標定(stand-ardize)1827年，歐姆在研究電流的工作中發(fā)現了用他的名字命名的歐姆定律，為所有現代模擬電路理論和電學測量奠定了基礎。1863年，英國科學促進會(British Association)的一個委員會定歐姆的數值為一段規(guī)定的銅線的電阻，并稱為英制歐姆或B·A·歐姆(British Association Ohm)。1884年，在巴黎舉行的國際電氣技師會(International Congress 0f Electricians)采用所謂的法定歐姆(1egal Ohm)作為對B·A·歐姆的修正，并將其定義為在0℃的溫度下，截面積為1mm2、高106 cm的汞柱的電阻。這個定義后來修改為“質量為 g，高為106.3 cm、截面積恒定的汞柱對于不變的電流所產生的電阻”。
早期的電學實驗發(fā)現，不同金屬的導電率是不同的，并且注意到導體的電阻正比于其導電通路的長度，反比于導體橫截面的面積。由于易于獲得，所以早期電學實驗中使用的電阻器常常是用鐵絲作成的。隨著這些實驗工作變得更加精細，這種電阻器的缺點，如溫度系數高等就變得很明顯了。
在研究了其它各種可用的金屬材料的特性，并發(fā)現其不適于制作電阻器以后，人們的注意力轉向了各種合金材料。1884年，愛德華·惠斯登(Edward Weston)發(fā)現了兩種合金，現在稱為康銅和錳銅。它們具有低的電阻溫度系數和比較高的電阻值等很好的特性。然而，人們發(fā)現康銅這種含有55%的銅和45%的鎳的合金，由于在和銅相連接時具有比較高的熱電動勢，不適合用來制作在儀器中使用的電阻器。而相反，錳銅(含有84%的銅、12%的鎂、4%的鎳)對銅具有很低的熱電動勢，約2μV/℃。這種材料過去曾經、而且現在仍然廣泛用于制作儀器和標準電阻器。
此后，人們又開發(fā)了各種其它的臺金，進一步改善了其溫度系數的特性。其中之一，埃弗諾姆鎳鉻合金(Evahm)就用來制造今天的校準儀器中使用的多數精密線繞電阻器。依據制作工藝的不同，錳銅和埃弗諾姆鎳鉻合金在25℃到50℃的溫度范圍內的某一溫度下有個零溫度系數點，但是埃弗諾姆鎳鉻合金的溫度系數曲線要平坦得多。使用特殊的拉絲和退火工藝，可以進一步改善溫度系數，使得電阻絲的特性適合特定應用的要求。埃弗諾姆鎳鉻合金每密耳園-英尺(circular mil-foot)(CMF)的電阻值為800 ?，錳銅每密耳園-英尺的電阻值為280?。
NlST保存歐姆的方法
由于準地實現歐姆很困難，所以各個國家實驗室(如NIST)在歷都選擇了用實物(artifact)來定義法定的國家歐姆的方法。在美國，從1901年到1990年，電阻的法定單位都是由特定的一組錳銅絲的精密線繞電阻器的平均電阻值保存在1?的水平的。這組電阻中每個電阻器的標稱值均為1?。這組電阻中電阻器的數目曾經在5到17個之間變化，但是這組電阻器的平均電阻值則認為是保持恒定的。近進行的歐姆測定表明，該平均電阻值并不是恒定的，但卻一直是相當穩(wěn)定的。除去1948年進行的一次調整以外，NIST保存的歐姆的變化量一直小于10ppm。
當1901年美國的國家標準(NBS，現在的NIST)成立的時候，美國的電阻法定單位是基于汞歐姆的。在當時，汞歐姆的精密測量是在德國的物理技術研究院(PTR，現在的PTB)和英國的國家物理實驗室(NPL)進行的。因此，初的1?電阻標準是由柏林的奧托·沃夫(Otto Wolff)公司制造的一組Reichsanstalt型的電阻器。在NBS進行的測量表明，這些電阻器的阻值隨著氣的濕度而變化。1909年改為使用由Rosa開發(fā)的密封電阻器。
1909年到1930年，NBS保存的歐姆是由一組10個Rosa型電阻器的平均值構成的。多年來人們發(fā)現Rosa型電阻器也有漂移。托馬斯(Thomas)在他的研究工作中提出了一種新的電阻器設計方法，提高了穩(wěn)定性。該設計的主要革新之點在于，先對電阻絲進行充分的退火，然后再把電阻密封于兩個同軸的黃銅圓筒之間的干燥空氣里。剛剛制成的托馬斯型電阻器比經過老化之后的Rosa型電阻器還要穩(wěn)定。1930年，開始在一參考標準電阻組中引入托馬斯型電阻器。1932年Rosa型電阻器由電阻組中撤出，并由托馬斯型電阻器代替。1932年對初的托馬斯型電阻器的設計進行了改進，通過增加冷卻表面的面積和增加電阻絲的直徑減小了電阻器的功率系數。直到1990年1月之前，NIST一直用一組5個1933年制造的托馬斯型電阻器來保存歐姆。
在1901年，根據105號公法(pubic law)的規(guī)定，法定歐姆是以汞歐姆為基礎的。當時NBS的1?標準電阻器是汞歐姆的接近的實現，并且和PTR及NPL保存的標準進行比較。直到1911年，NBS的汞歐姆測定工作才完成。1914年在NPL及1920年在PTR所作的電阻實驗表明，該歐姆比國際歐姆小了約500ppm。在1936年到1939年期間，由NBS、NPL、PTR、LCE(法國的機構，即現在的LCIE)和ETL(日本的機構)所作的進一步的實驗證實了這個發(fā)現。一個國際委員會建議放棄汞歐姆，采用歐姆作為基本單位，并且從1940年1月1日起生效。由于第二次戰(zhàn)，這項變更一直拖延到1948年1月1日才實現。
為了和國際歐姆的約定值一致，1948年1月1日，NBS的電阻標準增加了495ppm。這是從1901年NBS成立以來對歐姆的次調整。在1990年的第二次調整中，對歐姆的數值和漂移率都進行了調整，使之和國際約定值一致。
早期按照歐姆進行的電阻測量是通過把電阻器的電阻值和一個互感器的阻抗相比較來進行的。電感器的阻抗可以通過實際測量電感器的尺寸及所加電流的頻率準地計算出來。使用這種方法，NBS能夠定歐姆的值，并達到5ppm的估計準度。導出歐姆的另一種方法—用與容抗相比較來代替與感抗相比較—應歸功于1956年計算電容器的發(fā)展和變壓器比較器電橋的發(fā)展。使用這種方法，能夠將很小的電容器和數值比它100 000 000倍的電容器進行比率比較，而察覺不到測量結果的不定度有所增加。
之前已經談到，自從1990年1月起，NIST的歐姆的實現已經以量子霍耳效應為基礎。
電阻標準表
現在已經有多種電阻標準可以用來保存和傳播歐姆。表8—1根據在溯源性鏈中的地位，按照一標準、二標準或工作標準的下降次序，列出并簡單地介紹了幾種直流電阻標準。雷尼紹ATOM™微型光柵現可配備全新的ACi PCB接口，該接口采用PCB封裝型式，易于安裝，因此為空間受限的應用提供了更高的設計靈活性。
ACi接口是2014年隨ATOM一起推出的，該接口是一系列開放的高性能微型細分子系統(tǒng)。與ATOM讀數頭配合使用時，ACi接口提供的數字信號經細分后分辨率可達10nm(20 µm柵距系統(tǒng))，工作速度可達13 m/s(40 MHz計數器頻率，40 µm柵距系統(tǒng))。
ACi PCB集成了雷尼紹現有的業(yè)細分技術，并采用易于安裝的PCB封裝形式。該接口具備與標準ACi接口一樣的細分性能，但配有板對板連接器，可直接連接或安裝到PCB上，因此無需再使用電纜連接器。這使得讀數頭可以遠離細分盒，從而提高設計靈活性。
例如，一個ATOM讀數頭可連接一個PCB，而該PCB又可與安裝有ACi接口的另一獨立PCB相連接。ACiPCB接口兼容所有ATOM光柵，適合空間受限的各種應用。適合使用這種新接口的潛在高應用包括運動控制、醫(yī)療和后半導體行業(yè)等。
關于ATOM
ATOM光柵系統(tǒng)擁有的計量性能，它具有的精度、超低的電子細分誤差 (SDE)、極低的抖動、*的信號穩(wěn)定性和長期可靠性等優(yōu)點。ATOM在與雷尼紹的細分電子元件結合使用時，可提供高達20m/s的模擬速度和1 nm的數字分辨率。ATOM提供一系列不銹鋼型和玻璃型直線柵尺和碼盤。ATOM超小型讀數頭適合多種應用，包括激光掃描、精密微型平臺、半導體、醫(yī)療應用、DDR電機、顯微鏡和科研域。此外，ATOM的柔性印刷電路型號的尺寸僅為 x 12.7 mm x 20.5 mm，是各種空間有限的運動控制、檢測和測量應用的理想選擇。ATOM具有CE認證，由雷尼紹嚴格按照ISO9001:2008質量控制認證體系制造。與所有雷尼紹光柵一樣，ATOM也由一個團隊支持，提供真正快捷的化服務。CAL是指系統(tǒng)校準程序，是完成讀數頭設定必須執(zhí)行的操作，可優(yōu)化增量和參考零位信號。校準設置存儲在本地內存中，因此在開啟設備之后可立即獲得性能。不同的接口有不同的校準程序。
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