Метрология. Контрольные вопросы для самопроверки. Содержание предлагаемого учебного пособия основано на программе дисциплине Технические измерения и приборы
 Скачать 1.03 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования « Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» И.Г. Корнилова В.В. Гребенникова А.И. Сергеев ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ Лабораторный практикум. Часть 1 Утверждено Редакционно –издательским советом университета в качестве учебного пособия Магнитогорск 2010 УДК __________ Рецензенты: Директор Магнитогорского индустриального колледжа, кандидат педагогических наук И.Л. Никулина Директор ООО Научно-производственный центр «УРАЛ», канд. техн. наук У.Б. Ахметов Корнилова И.Г., Гребенникова В.В., Сергеев А.И. Технические измерения и приборы. Лабораторный практикум. Часть1: Учеб. пособие. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. – 141 с. ISBN 978-5-89514-823-5 В пособии представлены основные понятия об измерениях, метрологические характеристики средств измерений, классификация погрешностей измерений. Изложены основные физические принципы датчиков основные законы контактных и бесконтактных средств измерений температуры и вторичные приборы для работы в комплекте с различными датчиками температуры. Также в пособии представлен лабораторный практикум. В каждой лабораторной работе содержится: цель работы, описание лабораторной установки, порядок выполнения работы, оформление отчёта и контрольные вопросы для самопроверки. Содержание предлагаемого учебного пособия основано на программе дисциплине «Технические измерения и приборы» изучаемой студентами специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». УДК ________ ISBN 978-5-89514-823-5 © ГОУ ВПО «МГТУ», 2010 © Корнилова И.Г., Гребенникова В.В., Сергеев А.И. 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Содержание предлагаемого учебного пособия основано на программе дисциплине «Технические измерения и приборы» изу- чаемой студентами специальности 220301 «Автоматизация техно- логических процессов и производств». В главе 1 кратко представлены основные понятия метроло- гии, классификация методов, средств и погрешностей измерений. В главе 2 изложены основные физические принципы датчиков ос- новные законы контактных и бесконтактных средств измерений температуры. В главе 3 приведены основные законы контактных и бесконтактных средств измерений температуры, вторичные прибо- ры для работы в комплекте с различными датчиками температуры. В главе 4 представлен лабораторный практикум. В каждой лабораторной работе содержится: цель работы, описание лабора- торной установки, порядок выполнения работы, оформление отчё- та и контрольные вопросы для самопроверки. Также приведены градуировочные таблицы наиболее распространённых термомет- ров сопротивления и термопар, которые могут быть полезны при решении задач и выполнении лабораторных работ. 4 ВВЕДЕНИЕ Повышение эффективности промышленных объектов идет по пути совершенствования как самих технологических процессов, так и процессов управления ими. Немаловажным фактором, за- трудняющим построение систем управления, является то, что тех- нологи, хорошо знающие, что следует измерять в объекте, как правило, плохо осведомлены о возможностях современной изме- рительной техники. Весьма важно, чтобы с новыми приборами и методами были хорошо знакомы как производственники, так и лица, занимающие- ся исследовательской работой. При этом они должны совершенно отчетливо представлять себе, в каких областях эти новые приборы и методы наиболее целесообразно использовать, с какими это со- пряжено затратами времени (и средств) и какова точность полу- чаемых с их помощью результатов. Роль измерений при наблюдении за производственными процессами заметно отличается от роли измерений при проведе- нии лабораторных опытов (физико-химических экспериментов). В первом случае задачей измерений является лишь получение чис- ленного значения наблюдаемой характеристики объекта измере- ний для контроля за правильностью осуществления известных операций производства. При проведении же опытов результат из- мерений рассматривается как отклик на целенаправленное изме- нение условий эксперимента, проводимого с целью получения не- известных ранее сведений об исследуемом объекте. Одним из важнейших параметров как лабораторных экспе- риментов, так и технологических процессов многих отраслей про- мышленности является температура. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов технические измерения температуры составляют 40-50% общего числа всяких измерений. Поэтому ка- чество температурного контроля часто обуславливает успех про- цесса производства. 5 ГЛАВА 1. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 1.1. Основные понятия об измерениях В любом научном эксперименте, в технологиях и в технике оценка количественных (численных) значений свойств объектов или процессов производится с помощью измерений. Измерение есть операция, посредством которой определя- ется отношение одной (измеряемой) величины к другой однород- ной величине, принимаемой за единицу; число, выражающее такое отношение, называется численным значением измеряемой вели- чины. Законченное измерение включает следующие элементы: – объект измерения; – свойство объекта, которое характеризуется измеряемой величиной; – единицу измерения; – технические средства измерения, проградуированные в выбранных единицах измерения; – наблюдателя или регистрирующее (или преобразующее) устройство; – окончательный результат измерения. Существует насколько видов измерений. При их классифи- кации исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий определяющих точ- ность результата измерений и способа выражения этих результа- тов. Измерения бывают прямыми, косвенными, совокупными и со- вместными. К прямым измерениям относят те виды измерений, резуль- тат которых получается непосредственно из измеряемой величи- ны, например, измерение длины объекта с помощью линейки. Однако в большинстве случаев и, особенно, в связи с разви- тием автоматических технологий большое значение приобрели косвенные измерения, основанные на известной зависимости ме- жду искомой величиной и непосредственно измеряемыми величи- нами (например, измерение плотности тела по его массе и гео- метрическим размерам). Совокупными называются измерения нескольких одноимен- ных величин, значения которых находят решением системы урав- нений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин (например, калибровка набора гирь, когда 6 значения масс гирь находят на основании прямого измерения мас- сы одной из них и сравнения масс различных сочетаний гирь). Совместными называются измерения одновременно двух или нескольких разноименных величин с целью нахождения зави- симости между ними (например, нахождение зависимости удлине- ния тела от температуры). Различают также абсолютные и относительные измерения. К первым относят косвенные измерения, основанные на измерении одной или нескольких основных величин (например, длины, мас- сы, времени) и использовании значений фундаментальных физи- ческих постоянных, через которые измеряемая физическая вели- чина может быть вычислена. Под вторыми понимают измерения либо отношения величины к одноименной величине, играющей роль произвольной единицы, либо изменения величины относи- тельно другой, принимаемой за единицу. 1.2. Средства измерений Средство измерения – техническое средство, предназначен- ное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики воспроизводящее и (или) хранящее единицу физи- ческой величины, размер которой принимается неизменным в пре- делах установленной погрешности в течение известного интерва- ла времени. По конструктивному исполнению средства измерения под- разделяются на: - мера – средство измерений, предназначенной для воспро- изведения и (или) хранения физической величины одного или не- скольких заданных размеров, значения которых выражены в уста- новленных единицах и известны с необходимой точностью (на- пример, нормальный элемент – мера ЭДС); - измерительный прибор – средство измерений, предназна- ченное для получения значений измеряемой величины в установ- ленном диапазоне. В аналоговых измерительных приборах отсчёт производится по шкале, в цифровых – по цифровому отсчетному устройству. Показывающие измерительные приборы предназначе- ны для визуального отсчитывания показаний, регистрирующие снабжены устройством для их фиксации, чаще всего на бумаге. Это могут быть самопишущие, позволяющие получать запись в виде диаграммы, и печатающие, обеспечивающие печатание пока- заний в цифровой форме; - измерительное устройство – часть измерительного при- бора, связанная с измерительным сигналом (например, регистри- 7 рующее устройство измерительного прибора: лента для записи, пишущий элемент) предназначенное - измерительный преобразователь – техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации в форме, удоб- ной для передачи, преобразования и (или) использования в авто- матических системах управления. По месту в измерительной цепи различают: а) первичный измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Конструктивно обособленный первичный преобразователь, от ко- торого поступают измерительные сигналы называется датчиком; б) передающий измерительный преобразователь - измери- тельный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации; в) масштабный измерительный преобразователь - изме- рительный преобразователь, предназначенный для изменения размеры величины в заданное число раз; - измерительная установка – совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов. измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для изме- рения одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Например, измерительную установку с включённым в неё образцовым средством измерений и применяемую для по- верки называют поверочной установкой; - измерительная система – совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и др. технических средств, размещённых в разных точках контролируемого объекта с целью измерения од- ной или нескольких физических величин, свойственных этому объ- екту. Измерительное преобразование одного и того же вида, на- пример, температуры или механического перемещения, может осуществляться различными преобразователями, основанными на самых разных физических принципах: для температуры с помо- щью ртутного термометра, биметаллического элемента, термопа- рой и т.п., для механического перемещения с помощью тензомет- ра, потенциометра, индуктивных, емкостных, оптических и т.п. дат- чиков и т.д. Принцип действия измерительных преобразователей может быть основан на использовании практически любых физических явлений. Начиная с 40–70-х, господствующей тенденцией стало преобразование любых измеряемых величин в электрические сиг- 8 налы. По виду преобразуемых величин различают измерительные преобразователи электрических величин в электрические, неэлек- трических величин в электрические, электрических величин в не- электрические и неэлектрических величин в неэлектрические. Преобразователи электрических величин в электрические. Это – преобразователи размера электрической величины (измери- тельные трансформаторы, измерительные делители тока и напря- жения), а также преобразователи вида электрической величины ( шунты, добавочные сопротивления). Преобразователи неэлектрических величин в неэлектри- ческие. Это также могут быть преобразователи размера той или иной неэлектрический величины (рычаги, редукторы) или преобра- зователи вида входной величины, например, мембраны, пружины и другие упругие механические преобразователи. Преобразователи электрических величин в неэлектриче- ские. Основную группу этих преобразователей составляют изме- рительные механизмы электрических приборов непосредственно- го преобразования, в которых электрическая величина преобразу- ется в перемещение указателя. Вторую большую группу составля- ют, так называемые обратные ИП (преобразовательные элемен- ты), которые являются частью сложных ИП уравновешивающего преобразования и находятся в цепях обратной связи. Преобразователи неэлектрических величин в электриче- ские представляют собой наиболее многочисленную и разнооб- разную группу ИП. Это объясняется, с одной стороны, многочис- ленностью самих неэлектрических величин и, с другой стороны, преимуществами электрических методов измерений и, соответст- венно, целесообразностью преобразования неэлектрических вели- чин именно в электрические, например, термопары, термометры сопротивления и др. 1.3. Погрешности средств измерений Практически ни одна из физических величин за исключением дискретных не может быть измерена абсолютно точно, поэтому результаты измерений из-за погрешностей всегда несколько отли- чаются от истинного значения измеряемой величины. Погрешно- стью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измере- ния обусловлена многими характеристиками измерительного про- цесса, в том числе и погрешностью измерительного прибора. По- грешности приборов можно классифицировать по различным при- знакам: единице измерения величины; характеру связи между ве- личиной погрешности и измеряемой величиной; закономерности 9 появления погрешности при многократных испытаниях прибора; условиям и причинам появления погрешности. В зависимости от единицы измерения различают: - Абсолютную погрешность измеряют в единицах измере- ния измеряемой величины и определяют по формуле: д изм x x − = ∆ , (1.3.1) где ∆ - абсолютная погрешность, ед. измеряемой величины; изм x - измеренное значение измеряемой величины (напри- мер, показания поверяемого прибора); д x - действительное значение измеряемой величины (на- пример, показание образцового прибора или отсчёт по шкале). - Относительную погрешность определяют по следующей формуле: % 100 x д отн ⋅ ∆ = γ или % 100 x изм отн ⋅ ∆ = γ (1.3.2) - Приведённую погрешность определяют по формуле: % 100 x н прив ⋅ ∆ = γ , (1.3.3) где н x - нормированное значение, диапазон измерения из- меряемой величины. Выбор нормированного значения производится в соответст- вии с ГОСТ 8.009-84. Это может быть верхний предел измерений средства измерения, диапазон измерений, длина шкалы и т.д. Для многих средств измерений по приведённой погрешности устанав- ливают класс точности прибора. 1.4. Метрологические характеристики средств измерений Все средства измерений, независимо от их конкретного ис- полнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для вы- полнения ими их функционального назначения. Технические ха- рактеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метро- логическими характеристиками.Перечень важнейших из них 10 регламентируется ГОСТ “Нормируемые метрологические характе- ристики средств измерений”. Комплекс нормируемых метрологиче- ских характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществ- ляемых в известных рабочих условиях эксплуатации посредством отдельных средств измерений или совокупности средств измере- ний, например автоматических измерительных систем. К метрологическим характеристикам относятся функция пре- образования, погрешность средства измерений, чувствительность, цена деления шкалы, порог чувствительности, диапазон измере- ний и др. От того, насколько они точно будут выдержаны при изго- товлении и стабильны при эксплуатации, зависит точность резуль- татов, получаемая с помощью средства измерения. Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) - устанавливает зависимость информативного параметра у выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра х входного сигнала. Функцию пре- образования, принимаемую для средства измерения и устанавли- ваемую в научно-технической документации на данное средство, называют номинальной функцией преобразования средства. Но- минальная статическая характеристика позволяет рассчитать зна- чение входной величины по значению выходной. Она может зада- ваться аналитически, таблично или графически. Погрешность СИ – важнейшая метрологическая характери- стика, определяемая как разность между показанием СИ и истин- ным (действительным) значением измеряемой величины. Для ме- ры показанием является её номинальное значение. Чувствительность СИ – свойство СИ, определяемое отно- шением изменения выходного сигнала этого средства к вызываю- щему его изменению измеряемой величины. x y S ∆ ∆ = , где S - абсолютная чувствительность; y ∆ - изменение сигнала на выходе; х ∆ - изменение измеряемой величины. x / x y S отн ∆ ∆ = , где отн S - относительная чувствительность; 11 х – измеряемая величина. При нелинейной статической характеристике преобразова- ния чувствительность зависит от х , при линейной характеристике она постоянна. У измерительных приборов при постоянной чувствительно- сти шкала равномерная, т.е. расстояние между соседними деле- ниями шкалы одинаковое. Важной характеристикой шкальных измерительных приборов является цена деления шкалы(постоянная прибора) – разность значения величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы СИ. Если чувствительность постоянна в каждой точке диа- пазона измерения, то шкала называется равномерной. При нерав- номерной шкале нормируется наименьшая цена деления шкалы измерительных приборов. Цена деления шкалы равна числу еди- ниц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы приборы, и может быть определена через абсолютную чувстви- тельность: S 1 C = У цифровых приборов шкалы в явном виде нет, и на них вместо цены деления указывается цена единицы младшего разря- да числа в показании прибора. Порог чувствительности– наименьшее значение измене- ния физической величины, начиная с которого может осуществ- ляться её измерение данным средством. Порог чувствительности выражают в единицах входной величины. Диапазон измерений – область значений величины, в преде- лах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа) называют соответственно нижним и верх- ним пределом измерений. Вариация показаний – наибольшая вариация выходного сиг- нала прибора при неизменных внешних условиях. Она является следствием трения и люфтов в узлах приборов, механического и магнитного гистерезиса элементов и др. Вариация выходного сигнала – это разность между значе- ниями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при медленном подходе слева и справа к выбранному значению входной величи- ны. 12 Класс точности прибора – обобщённая характеристика, ха- рактеризующая точность. Это предел основной допустимой приве- дённой (относительной) погрешности выраженный в процентах. Комплекс операций с целью выявления класса точности называет- ся поверкой. Кроме метрологических характеристик при эксплуатации средств измерений важны и неметрологические характеристики: показатели надёжности, электрическая прочность, сопротивление изоляции, время установления рабочего режима и др. Надёжность средства измерения – это способность средст- ва измерения сохранять нормированные характеристики при опре- делённых условиях работы в течение заданного времени. Основ- ными критериями надёжности приборов являются вероятность и средняя продолжительность безотказной работы. Вероятность безотказной работыопределяется вероят- ностью отсутствия отказов прибора в течение определённого про- межутка времени. Средняя продолжительность – отношение времени работы прибора к числу отказов за это время. 13 |