6 Контрольно измерительное оборудование. Л-6 Контрольно измерительное оборудование. Л6 Контрольно измерительное оборудование
 Скачать 31.95 Kb.
|
|
Л-6 Контрольно измерительное оборудование Контрольно-измерительные приборы можно классифицировать по следующим основным признакам: по роду измеряемой величины, способу получения информации, метрологическому назначению, расположению. По роду измеряемой величины различают приборы для измерения температуры, давления, количества и расхода, уровня, состава, состояния вещества. По способу получения информации приборы подразделяются на показывающие, регистрирующие, сигнализирующие, компари-рующие, регулирующие. Показывающие приборы дают возможность наблюдателю получать значение измеряемой величины в момент измерения на отсчетном устройстве (шкале с цифровым указателем, пере с диаграммой). Значительное распространение получили шкаловые отсчетные устройства, основными элементами которых являются шкала и указатель. На шкалу наносятся вдоль прямой линии или по дуге окружности отметки с цифрами, соответствующими значениям измеряемой величины. Отметка наименьшего значения величины является началом шкалы, наибольшего - концом шкалы. Разность между началом и концом называется диапазоном шкалы. Расстояние между двумя отметками называется делением шкалы, а значение одного деления - ценой. Шкалы, у которых длина и цена деления не изменяются на всем диапазоне, называются равномерными, а шкалы с различными длиной и ценой делений - неравномерными. Шкалы делятся на одно- и двусторонние. В первых нулевая отметка совпадает с началом или концом шкалы, во вторых отметки расположены по обе стороны от нуля. Наряду со шкаловыми отсчетными устройствами применяются цифровые отсчетные устройства, позволяющие получать результат измерений в виде числового значения измеряемой величины. Они значительно снижают количество грубых ошибок при считывании и ускоряют отсчет показаний приборов. Показывающие приборы составляют наиболее многочисленную группу приборов, получивших широкое распространение в технологических измерениях параметров процессов пищевых производств. Регистрирующие приборы служат для автоматической записи результатов измерения на специальной бумажной ленте или диске (диаграммах). Запись на диаграмме производится пером в виде непрерывной линии или периодически печатающим механизмом и показывает изменение контролируемой величины во времени. По записи показаний можно провести последующий анализ результатов измерений за некоторый промежуток времени. Они позволяют контролировать работу персонала, управляющего технологическими процессами, помогают производить настройку регуляторов. Регистрирующие приборы имеют особо важное значение для таких измерений, где необходимо знать изменение контролируемого параметра в течение всего процесса, например температуру теплоносителя при дистилляции. Сигнализирующие приборы имеют специальные устройства для включения звуковой или световой сигнализации, когда измеряемая величина достигает значения, вызывающего нарушение заданных технологических параметров. Суммирующие приборы показывают суммарное значение величины за весь промежуток времени. В этих приборах счетчики встраиваются в один корпус с показывающим или самопишущим прибором и имеют с ним одну общую измерительную систему. Компарирующие приборы служат для сравнения измеряемой величины с соответствующими мерами. Примером могут служить рычажные весы с гирями. Регулирующие приборы снабжены устройствами для автоматического регулирования по значениям измеряемой величины. По метрологическому назначению приборы делятся на рабочие, образцовые и эталонные. Рабочие приборы подразделяются на технические и лабораторные. Первые предназначены для практических целей измерения, при этом определенная их точность гарантируется заводом-изготовителем. Поправки в их показания обычно не вносятся. Лабораторные отличаются большей точностью, так как в них учитываются ошибки измерения. Они более совершенны по конструкции. Лабораторные приборы используются для поверки технических приборов и контроля продукции. Образцовые приборы служат для поверки рабочих приборов. Эталонные приборы предназначены для воспроизведения единицы измерения с наивысшей достижимой точностью. По расположению различают приборы местные и дистанционные. Местные приборы устанавливаются непосредственно на объекте или вблизи него (например, стеклянные термометры, ареометры). Дистанционные приборы служат для передачи измеряемого параметра на расстояние. Они состоят из первичного и вторичного приборов. Основные характеристики контрольно-измерительных приборов Для оценки рационального использования приборов важно знать их характеристики и качественные показатели: погрешность (класс точности), вариацию, чувствительность, инерционность, надежность. Любое измерение неизбежно сопровождается некоторыми ошибками. Ошибки, возникающие при измерениях, называются погрешностью. Они обусловлены несовершенством методов и средств измерения. Различают абсолютную, относительную и относительную приведенную погрешности. Абсолютной погрешностью а измерительного прибора называется разность между показанием этого прибора и действительным значением, найденным по образцовым приборам: a = Q-Qo, где Q - отсчитанное значение измеряемой величины; Q0 - действительное значение измеряемой величины. Относительная погрешность Ъ - это отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины: b= (a: Q0) 100 %. Относительной приведенной погрешностью Ь' называется отношение абсолютной погрешности к разности верхнего QMaKc и нижнего QMHH пределов шкалы прибора, выраженное в %: Ь' = [а: (QMaKC-Qmhh)] 100 %. В зависимости от характера погрешности делятся на систематические, промахи и случайные. Систематическими называются такие погрешности, которые изменяются по определенному закону. Появление систематических погрешностей вызывают свойство и состояние применяемого прибора, способы его установки, условия работы измерительного устройства, метод измерения, индивидуальные особенности наблюдателя. Систематические погрешности выражаются в виде разности результатов измерения рабочим и образцовым прибором. Эти разности, взятые с обратным знаком, составляют таблицу поправок к показаниям прибора. Промахами называются погрешности, резко искажающие Результат измерения. Они возникают при неправильном отсчете по шкале, неправильном включении прибора, неправильной за- писи показаний. Промахи устраняются при сопоставлении ряда измерений. Случайными называются погрешности, которые не подчиняются известной закономерности. Они возникают в результате влияния на процесс измерения случайных причин. Влияние этих погрешностей на результат измерения можно оценить путем многократного измерения искомой величины. - Погрешность, соответствующая нормальным условиям работы прибора, называется основной. За нормальные условия принимают температуру 293 К (20 °С), давление 101325 Па, относительную влажность до 80 %, отсутствие вибрации, электрических и магнитных полей. При нарушении нормальных условий возникает дополнительная погрешность прибора. Обобщенной характеристикой прибора является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Раньше под классом точности приборов понималось отношение абсолютной погрешности к диапазону шкалы, выраженное в процентах. Например, манометр класса 2,5 с предельными значениями шкалы 100 кгс/см2 (10 МПа), имеет дополнительную погрешность 2,5 кгс/см2 (0,25 МПа). Наиболее распространенные технические приборы имеют классы точности 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5. Этими цифрами обозначают класс точности на шкалах. В настоящее время класс точности устанавливается по абсолютной погрешности (порядковые номера классов). Наряду с классом точности существуют и другие качественные характеристики приборов: вариация, чувствительность, инерционность и надежность. Вариацией показаний прибора называется наибольшая разность между повторными показаниями прибора и действительным значением измеряемой величины в одинаковых условиях. Вариацию обнаруживают при прямом и обратном ходе указателя шкалы до какого-либо определенного значения, когда указатель не доходит до этого значения с той или другой стороны. Это возникает вследствие трения в опорах подвижных частей, наличия зазоров, остаточной деформации измерительных пружин. Вариация е выражается в процентах от диапазона шкалы прибора: e = A,Q : (QMaKc-Qmhh) ЮО %, где AQ - наибольшая разность повторных показаний; QMaKc-Qmhh - пределы показаний прибора. Чувствительностью прибора называется отношение линейного или углового перемещения его указателя к изменению значения величины, вызвавшей это перемещение. Линейная чувствительность SN = AN:AQ, где AN - линейное перемещение; AQ - приращение измеряемой величины. Угловая чувствительность 5ф = Аср : AQ, где Аср - угловое перемещение. Величина, обратная чувствительности, является ценой деления шкалы прибора: C = AQ:AN или C = AQ:Acp. Практически чувствительность приборов часто определяют по цене деления шкалы. Наименьшее значение измеряемой величины, способное вызвать заметное изменение показания измерительного прибора, называется порогом чувствительности. Наибольшее изменение измеряемой величины, не вызывающее отклонения указателя прибора, называется зоной нечувствительности. Инерционностью прибора называется отставание во времени его показаний от изменения измеряемой величины. Так, при измерении температуры манометрическим термометром требуется определенное время для нагрева газа в термобаллоне и передачи повышения давления на чувствительный элемент, перемещающий стрелку прибора. Инерционность приборов особенно важно учитывать при контроле быстропротекающих процессов, где запаздывание показаний может привести к значительным погрешностям. Надежность прибора характеризует сохранение его качественных характеристик, обеспечивающих нормальную работу в течение заданного времени. Надежность прибора определяется его безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью. Свойство прибора непрерывно сохранять работоспособность в течение определенного времени называется безотказностью. Вероятность безотказной работы в течение заданного времени, частота отказов, наработка на отказ (среднее время между двумя неисправностями) служат основными показателями надежности прибора и автоматических устройств. Долговечностью называется свойство прибора длительно сохранять работоспособность в заданных режимах до значительного износа. Под ремонтопригодностью понимается свойство прибора восстанавливать работоспособность путем предупреждения, обнаружения и устранения неисправностей. Для повышения ремонтопригодности современные приборы конструируют с учетом максимального удобства замены элементов, часто выходящих из строя (электронные лампы, переключатели, электромеханические реле). Контроль измерительных приборов Для обеспечения единообразия, верности и правильного применения мер и измерительных приборов установлен определенный порядок их контроля. Для этой цели организована Государственная служба мер и измерительных приборов во главе с Государственным комитетом СССР по стандартам. Контроль- ные операции осуществляются при помощи образцовых и эталонных мер и приборов. Основными операциями контроля прлборов являются испытание, градуировка и поверка. При испытании вновь разработанные и предназначенные для производства меры и приборы проходят всестороннюю проверку для установления целесообразности их производства. Градуировкой называется операция, при помощи которой делениям шкалы прибора придают значения, выраженные в единицах измерения. Эта операция осуществляется приборами более высокой точности. По нескольким точкам значений измеряемой величины строят градуировочные кривые, на основании которых на шкалу наносят значения, соответствующие определенным отметкам шкалы. Градуировка производится при изготовлении приборов или при изменении условий их применения. Поверкой называется сравнение показаний поверяемых приборов с показаниями образцовых для определения их погрешности. При поверке, кроме определения погрешностей, проводят внешний осмотр и опробование приборов, определяют сопротивление электрической изоляции, качество записи показаний, скорость передвижения диаграммной ленты. Все рабочие приборы поверяют в лаборатории не реже одного раза в два года. Кроме того, приборы поверяются на месте установки: наиболее ответственные- один раз в смену или сутки, все другие - от одного раза в неделю до одного раза в три месяца. Поверка на месте часто сводится к определению погрешности показаний прибора на рабочей точке шкалы и правильности возврата стрелки к нулевой точке. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) Большая разнотипность измерительных приборов и средств автоматизации затрудняет их эксплуатацию и ремонт. В целях рационального использования средств измерения проводятся работы по объединению отдельных систем приборов в рамках Государственной системы приборов (ГСП). ГСП представляет собой совокупность приборов и средств автоматизации, предназначенных для получения, обработки и использования информации. ГСП включает ряд унифицированных блоков и устройств, имеющих единые параметры входных и выходных сигналов, нормализованные габаритные и присоединительные размеры. Переход к разработке систем приборов, объединенных одним принципом действия, позволяет получать большое число разнообразных измерительных устройств из небольшого количества типовых блоков. Кроме того, значительно повышаются надежность и стабильность измерительных приборов, упрощается их эксплуатация. По роду вспомогательной энергии сигналов, а также виду сигналов приборы и средства автоматизации делятся на 5 групп, которые называются ветвями: электрическую аналоговую, электрическую дискретную, пневматическую, гидравлическую, приборов и устройств без источников вспомогательной энергии. Электрическая аналоговая ветвь является системой, в которой энергетическим сигналом информации служит непрерывный электрический сигнал. Система состоит из устройств для получения информации (преобразователей), приборов и устройств для преобразования, хранения и обработки информации, называемых центральной частью ветви. В центральной части значительное место занимают вторичные приборы: индикаторные, показывающие и регистрирующие, интеграторы, приборы системы «по вызову». Пределы изменения токовых сигналов постоянного тока выбираются из ряда значений 0-10 мВ. При использовании переменного тока изменение сигнала выбирается в пределах 0-1 и 0-2 В. Электрическая дискретная (цифровая) ветвь является системой, в которой энергетическим носителем информации служит электрический дискретный сигнал в виде постоянного тока или направления. Дискретная ветвь состоит из различных приборов и средств автоматизации: преобразователей, блоков и устройств централизованного контроля; устройств представления информации; цифровых вычислительных устройств. Использование основных блоков этой ветви позволяет обрабатывать результаты измерений для непосредственного воздействия на объект управления. Устройства цифровой техники дают возможность решать ряд задач управления, которые не могут быть осуществлены в аналоговой ветви. Кроме того, цифровые устройства превосходят другие по надежности и простоте эксплуатации. Параметры сигналов унифицированы. Так, частотные диапазоны находятся в пределах 1500-2500 Гц. Пневматическая ветвь является системой, в которой энергетическим носителем информации служит пневматический сигнал (давление сжатого воздуха). Благодаря высокой надежности пневматической аппаратуры, простоте обслуживания, невысокой стоимости, пожаро- и взрывобезопасности приборы этой ветви получили широкое распространение в пищевой промышленности. Они строятся из унифицированных универсальных пневмоэлементов. Рабочий диапазон изменения входных и выходных пневматических сигналов находится в пределах 19,6-98 кПа. Номинальное давление питания 140 кПа. Гидравлическая ветвь представляет собой систему, в которой энергетическим носителем информации является гидравлический сигнал. В этой ветви мало приборов и устройств для приема и выдачи информации в каналы связи, а также для преобразования, хранения и обработки информации. Основным преобразователем и усилительным элементом служит струйный усилитель, преобразующий кинетическую энергию струи жидкости в потенциальную, которая используется в последующих усилителях. Применение гидравлических регуляторов ограничено спецификой вида энергоносителя сигналов (например, масло не применяется на пожаро- и взрывоопасных производствах). Устройства гидравлической ветви применяются там, где требуются значительные перестановочные усилия для перемещения регулирующих органов при плавности их хода и высокой чувствительности. Давление рабочей жидкости лежит в пределах 1 - 6,4 МПа. Ветвь приборов и устройств, работающих без источников вспомогательной энергии, является системой, использующей для работы энергию той среды, параметры которой она измеряет и регулирует. Например, для измерения давления часто применяют трубчатые манометры, которые устанавливаются непосредственно на аппаратах. При изменении давления в аппарате трубка в манометре начинает изгибаться, механически связанная с трубкой стрелка манометра отклоняется и показывает действительное давление в аппарате. Структура ветви охватывает регуляторы температуры, давления, расхода, уровня и др. По функциональным признакам каждая ветвь ГСП подразделяется на устройства, предназначенные для получения информации о состоянии процесса (преобразователи); для приема и выдачи информации в каналы связи; для преобразования, хранения и обработки информации; для использования информации в целях воздействия на процесс и связи с оператором; для одновременного выполнения нескольких из перечисленных функций. Основные понятия о единицах измерения, способах и средствах измерений Величины, характеризующие отдельные стадии технологического процесса, называются параметрами. Так, процесс расщепления жиров в автоклавах характеризуется двумя параметрами- температурой и давлением. Измеряя параметры, можно судить, в каком направлении протекает процесс. Параметры определяются и контролируются технологическими измерениями, сущность которых состоит в том, что измеряемую величину сравнивают с однородной, принятой за единицу. Единицы измерения делятся на основные, производные, когерентные, кратные и дольные. Основные единицы устанавливаются произвольно, независимо от других единиц. Главное условие выбора основных единиц - возможность точного их воспроизведения. К числу основных единиц относятся метр, килограмм и т. п. Производные единицы - единицы производных физических величин, образуемые по определяющим эти единицы уравнениям из других единиц данной системы. Например, 1 м2/с - единица кинематической вязкости в системе СИ. Когерентные единицы - производные единицы, связанные с другими единицами системы уравнениями, в которых числовой коэффициент принят равным единице. Например, единица скорости 1 м/с. Кратные и дольные единицы образуются путем умножения или деления основной или производной единицы на определенную степень числа 10. Наименование кратных и дольных единиц получается добавлением специальных приставок к названию основной единицы. Например, «кило» - для единицы в 103 больше исходной, «гекто» - для единицы в 102 больше исходной, «санти» - в 10 раз меньше исходной и т. п. Совокупность единиц измерения, охватывающих определенную область величин, называется системой единиц. Развитие науки и техники привело к появлению ряда систем единиц: СГС, МКС, МТС, МКГСС и др. Использование различных систем единиц затрудняет измерения и выполнение технических расчетов. Для унификации в области измерений разработана когерентная Международная система единиц (СИ), основными 12 единицами которой являются метр (м) -единица длины, килограмм (кг)-единица массы, секунда (с)-единица времени, ампер (А) -единица силы электрического тока, кельвин (К) - единица температуры, кандела (кд)-единица силы света и моль (моль) -единица количества вещества. Сравнение измеряемых величин с единицами измерения производится различными способами: прямыми, косвенными и совокупными. Прямыми измерениями называются такие, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение массы на циферблатных весах, длины с помощью линейки). Прямые измерения могут осуществляться различными методами: непосредственной оценки, дифференциальным, нулевым компенсационным. Первый заключается в определении величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (например, измерение давления пружинным манометром, массы на циферблатных весах). Такой метод отличается простотой и быстротой, поэтому широко используется в приборах промышленного контроля. Недостатком метода является невысокая точность измерения. Дифференциальный метод состоит в том, что на измеряемый прибор воздействует разность измеряемой величины и известной (образцовой), после чего искомая величина находится путем алгебраического сложения. Этот метод обеспечивает более высокую точность измерения и применяется в приборах автоматического анализа состава и свойств веществ. Нулевой компенсационный метод основан на уравновешивании искомой контролируемой величины известной. При этом результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Этот метод используется в приборах контроля технологических параметров сахарного, масло-жирового, хлебопекарного и других производств пищевой промышленности. Косвенными измерениями называются такие, при которых значение измеряемой величины определяют по результатам прямых измерений одной или нескольких величин, связанных с искомой величиной определенной зависимостью - формулой (например, измерение температуры при помощи измерения сопротивления металлического термометра, определение плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам). Косвенные измерения достаточно точны и широко применяются при контроле производственных процессов. Совокупными измерениями называются такие, при которых числовые значения измеряемой величины определяются путем решения ряда уравнений, получаемых в результате прямых измерений одной или нескольких однородных величин (например, определение температурного коэффициента линейного Расширения по результатам измерения длины при различных температурах). Совокупные измерения применяются в лабораторной и исследовательской практике. Средства измерения физических величин состоят из мер и измерительных приборов. Мерой называется физическое тело, вещество или устройство, предназначенное для конкретного воспроизведения единицы измерений, либо ее кратного или дольного значения (например, гири, измерительные колбы, калибры, измерительные линейки, образцовые сопротивления). В качестве мер могут быть использованы некоторые вещества, обладающие характерными физическими свойствами (например, постоянством температуры плавления, кипения). Однако с помощью мер можно измерять лишь незначительное число величин. Большинство же измерений выполняют измерительными приборами. Прибором называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Любой прибор при централизованном контроле состоит из первичного преобразователя, канала связи и вторичного прибора. Первичный преобразователь - первый в измерительной цепи - преобразует измерительную величину в выходной сигнал, удобный для передачи по каналу связи. Неотъемлемой частью преобразователя является чувствительный элемент, непосредственно воспринимающий контролируемый параметр и преобразующий его в первичный сигнал (например, чувствительным элементом манометрического термометра является упругая трубчатая пружина, заполненная газом. Давление этого газа, изменяющееся при изменении температуры, преобразуется упругим элементом в перемещение - естественный выходной сигнал). Величина, которую первичный преобразователь воспринимает и контролирует, называется входной, или входным сигналом (например, давление, подводимое к манометру и измеряемое им); величина, измеренная на выходе первичного преобразователя, называется выходной, или выходным сигналом (например, показание манометра, отсчитываемое по шкале). Прибор может иметь один или несколько измерительных преобразователей (ИП). Прибор с унифицированным выходным сигналом состоит из первичного ИП и вторичного ИП, преобразующего естественную выходную величину (перемещение, напряжение) первичного ИП в унифицированный сигнал. Обычно на выходе первичного ИП мощность выходного сигнала недостаточна для преобразования его в унифицированный сигнал, поэтому вторичный ИП комплектуется усилительными элементами. Канал связи, представляющий собой комплекс технических средств, предназначен для передачи сигнала от первичного преобразователя ко вторичному прибору и выполняется в виде трубки для передачи пневматического и гидравлического сигналов или провода для передачи электрического сигнала. Каналы связи оказывают существенное влияние на качество работы приборов: большая длина пневматических трубок увеличивает запаздывание показаний прибора; сопротивление проводов, соединяющих термометр сопротивления с прибором, влияет на результат измерения, занижая его. Вторичный прибор-устройство, воспринимающее сигнал от первичного преобразователя и преобразующее его в форму, удобную для установления результата измерения (показания стрелки на шкале, записи на диаграмме). |