учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
Учебный план Предисловие ................................................................................. 3 ТЕМА 1. Системы автоматического контроля и основы метрологии § 1.1. Системы автоматического контроля. ................................ 6 § 1.2. Основы метрологии ............................................................. 9 ТЕМА 2. Измерительные преобразователи и средства измерений § 2.1. Классификация измерительных преобразователей ........ 17 § 2.2. Электрические измерительные преобразователи ........... 18 § 2.3. Пневматические измерительные преобразователи ........ 22 § 2.4. Электропневматические и пневмоэлектрические измерительные преобразователи .......................................................................... 28 § 2.5. Средства измерений .......................................................... 30 ТЕМА 3. Контроль давления § 3.1. Общие сведения ................................................................. 36 § 3.2. Жидкостные манометры ................................................... 39 § 3.3. Деформационные приборы ............................................... 44 § 3.4. Грузопоршневой манометр ............................................... 49 § 3.5. Электрические манометры ............................................... 51 § 3.6. Пневматические манометры ............................................. 55 § 3.7. Выбор, установка и защита от коррозии средств измерения давления ...................................................... 59 ТЕМА 4. Контроль количества и расхода материалов § 4.1. Основные понятия. Единицы измерения ........................ 63 § 4.2. Измерение количества жидкости и газа .......................... 64 § 4.3. Измерение количества твердых веществ......................... 73 § 4.4. Измерение расхода методом переменного перепада давления ....................................................................... 77 § 4.5. Расходомеры постоянного перепада давлений ............... 93 § 4.6. Прочие расходомеры ....................................................... 101 ТЕМА 5. Контроль уровня жидкостей и сыпучих материалов § 5.1. Измерение уровня жидкости .......................................... 109 § 5.2. Измерение уровня сыпучих тел ..................................... 126 ТЕМА 6. Контроль температуры § 6.1. Классификация приборов контроля температуры........ 130 § 6.2. Термометры расширения и манометрические термометры ........................................ 132 § 6.3. Электрические термометры сопротивления ................. 144 § 6.4. Термоэлектрические термометры .................................. 155 § 6.5. Пирометры излучения ..................................................... 172 ТЕМА 7 Контроль качества и состава материалов § 7.1. Основные понятия ........................................................... 180 § 7.2. Измерение концентрации растворов ............................. 182 § 7.3. Измерение концентрации водородных ионов в растворах (рН-метрия) ..................................................... 192 § 7.4. Измерение плотности жидкости .................................... 195 § 7.5. Измерение влажности газов и твердых материалов ..... 206 § 7.6. Измерение вязкости жидкости ....................................... 213 § 7.7. Газовый анализ ................................................................ 220 Лабораторные работы Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик пирометрического милливольтметра ....................................................................... 240 Лабораторная работа № 2. Исследование характеристик автоматического потенциометра. ................... 249 Лабораторная работа № 3. Исследование характеристик и поверка автоматического моста ............................................ 262 Лабораторная работа № 4. Исследование характеристик и режимов работы логометра ................................................... 270 Лабораторная работа № 5. Деформационные приборы измерения давления .................................................. 282 Лабораторная работа № 6. Исследование систем дистанционных передач ............................................................ 292 Тестовые вопросы по предмету «Основы метрологии и средства измерения» .................... 309 Ответы на тестовые задания ................................................. 326 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ Учебное пособие Москва 2019 3 Предисловие Наука начинается там, где начинаются измерения. Д. И. Менделеев В нашей жизни в связи с развитием науки, техники, раз- работкой новых технологий, эталонов и приборов измере- нию поддаются всё более современные физические вели- чины, а диапазоны измерений расширяются. Постоянно растут требования к точности измерений. В таких условиях, чтобы разобраться с вопросами и про- блемами измерений, метрологического обеспечения и обес- печения единства измерений, нужен единый научный и за- конодательный фундамент, обеспечивающий в практиче- ской деятельности высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они проводятся. Таким фундаментом является метрология. Измерения служат для познания природы: точность из- мерений — это путь к открытиям, хранению и примене- нию точных знаний. Измерять начали с давних пор. С каждым годом роль измерений становилась все более важной. Человечество далеко продвинулось в технике измерений. Пользуясь современными методами, ученые точно из- меряют свойства вещей и явлений. Эти измерения являют- ся одним из средств овладевания природой, подчинения ее нашим нуждам. Метрология — это наука об измерениях и методах обеспечения их единства. Метрология охватывает широкий круг вопросов, связан- ных как с теоретическими проблемами, так и с задачами практики. Содержание метрологии составляют: общая теория измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений, методы определения точно- сти измерений, основы обеспечения единства измерений 4 и единообразия средств измерений, эталоны и образцовые средства измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерения. Большое значение имеет изучение метрологических характеристик средств из- мерений, влияющих на результаты и погрешности измере- ний. Сегодня измерения пронизывают все сферы жизни. Толь- ко родившийся человек, еще не имея имени, сразу становится объектом измерений. В первые минуты жизни к нему приме- няют средства измерения длины, массы и температуры. В повседневной жизни мы также постоянно сталкиваемся с количественными оценками. Мы оцениваем температуру воздуха на улице, следим за временем, решаем, насколько выгодно и рационально практически любое наше действие. С измерениями связана деятельность человека на любом предприятии. Инженеры промышленных предприятий, осу- ществляющие метрологическое обеспечение производства, должны иметь полные сведения о возможностях измеритель- ной техники для оценки взаимозаменяемости узлов и дета- лей, контроля производства продукции на всех его жизнен- ных циклах. Метрология занимает особое место среди технических наук, поскольку она впитывает в себя последние научные достижения. Это выражается в совершенствовании ее эта- лонной базы и способов обработки результатов измерений. Во-первых, метрология обеспечивает другие отрасли зна- ния тем необходимым инструментарием, без которого не- возможна никакая постановка технического эксперимента, В частности его воспроизводимость. Во-вторых, именно это последнее свойство является ос- новой всякой, без исключений, технологии. И потому мет- рология выступает как один из гарантов технического про- гресса. И наконец, в-третьих, в обществе метрология играет роль одного из регуляторов социально-экономических 5 отношений, принадлежит сфере государственного регули- рования и в силу этого оказывает влияние на социальное развитие в целом. Развитие современных измерительных технологий и средств измерений, в первую очередь высокотехнологичных, способствует развитию как промышленности, так и науки и экономики в целом. Так происходит, потому что речь идет о высокотехнологичном производстве, дающем рабочие ме- ста для высококвалифицированных, высокообразованных специалистов технических отраслей. Метрология стала наукой, без знания которой не может обойтись ни один специалист любой отрасли. В настоящее время метрология развивается по нескольким направлениям. Если еще в начале XX века под словом «метрология» пони- малась наука, главной задачей которой было описание всяко- го рода мер, применяемых в разных странах, то теперь это понятие приобрело гораздо более широкий научный и прак- тический смысл. Расширилось содержание метрологической деятельности и появилось понятие метрологического обес- печения производства. Метрология состоит из трех основных разделов: Теоретическая, или фундаментальная, метрология рассматривает общие теоретические вопросы, свя- занные с разработкой теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измере- ний. Прикладная метрология — это сфера практического применения разработок теоретической метрологии. В ее ведении находятся все вопросы метрологиче- ского обеспечения. Законодательная метрология определяет обяза- тельные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений. 6 ТЕМА № 1 Системы автоматического контроля и основы метрологии § 1.1. Системы автоматического контроля Системой автоматического контроля называют систему, состоящую из объекта контроля и различных устройств, выполняющих функции измерения. Под объектом контроля понимают агрегат или процесс, в котором одну или не- сколько величин измеряют. В большинстве случаев система автоматического кон- троля одной величины включает четыре элемента: объект, чувствительный элемент, линию связи, измерительное устройство. Чувствительный элемент устанавливают непосредствен- но в объекте контроля, он воспринимает величину контро- лируемого (измеряемого) параметра и преобразует ее в со- ответствующий сигнал, поступающий по линии связи к из- мерительному устройству. Структурная схема такой систе- мы показана на рис. 1.1, где каждый из элементов пред- ставлен прямоугольником; стрелки между прямоугольни- ками показывают направление передачи сигналов с одного элемента на другой. Элементы характеризуются сигналами на входе и выходе, называемыми также входными и выход- ными сигналами. Здесь передача сигнала идет в одном направлении, т. е. от объекта к измерительному устройству. Такие системы автоматического контроля называют разо- мкнутыми. В некоторых системах контроля чувствитель- ный элемент является элементом измерительного устрой- ства. В этом случае линия связи между чувствительным и измерительным элементами отсутствует, а структурные схемы системы контроля соответствуют схемам, приведен- ным на рис. 1.2. 7 Если измерительный прибор, например термометр или манометр (прибор для измерения давления), устанавливают непосредственно на объекте, то системе контроля соответ- ствует схема на рис. 1.2, а. Если же измерительный прибор, например манометр, установлен на небольшом расстоянии от объекта и соединен с объектом линией связи (трубкой), то системе контроля соответствует схема на рис. 1.2, б. Системы автоматического контроля подразделяются на местные, дистанционные и телеизмерительные. Системы контроля, в которых измерительные устройства расположены вблизи объекта (вблизи места установки чув- ствительного элемента), называются местными. Автоматический контроль можно осуществлять и на рас- стоянии от контролируемого объекта, удлинив линию связи между чувствительным элементом и измерительным устрой- ством. В этих случаях система местного контроля усложняет- ся введением в измерительное устройство преобразователя для преобразования результата измерения в пропорциональ- ный пневматический или электрический сигнал. Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического контроля: 0 — объект; ЧЭ — чувствительный элемент; ЛС — линия связи; ИУ — измерительное устройство Рис. 1.2. Структурные схемы систем автоматического контроля без чувствительных элементов (обозначения те же, что и на рис. 1.1): а — прибор установлен на объекте; б — прибор установлен вне объекта Последний содержит информацию о величине измеряе- мого параметра и по соответствующей линии связи пере- дает ее другому измерительному устройству, располо- женному на расстоянии от объекта контроля. Во втором 8 измерительном приборе осуществляется обратное преобра- зование сигнала, переданного по линии связи, в результат измерения. Подобная система автоматического контроля называется дистанционной. Таким образом, дистанционная система контроля имеет два измерительных устройства: первичный и вторичный приборы. В зависимости от вида используемой энергии дистанци- онные системы подразделяются на пневматические, элек- трические и гидравлические. В пневматических системах используется энергия сжато- го воздуха. К первичному прибору подводится воздух под постоянным избыточным давлением 0,14 МПа (1,4 кгс/см 2 ), а на его выходе давление изменяется в зависимости от вели- чины измеряемого параметра в пределах от 0,02 до 0,1 МПа (от 0,2 до кгс/см 2 ). В электрических системах используется электроэнергия. В первичном приборе результат измерения преобразуется в силу или напряжение постоянного электрического тока или напряжение переменного электрического тока, величины которых пропорциональны результату измерения. В элек- трических системах дистанционной передачи используются также частотные преобразователи, которые преобразуют результат измерения в пропорциональную величину часто- ты переменного тока. В химической, нефтехимической и промышленности по производству минеральных удобрений в основном приме- няют пневматические дистанционные системы автоматиче- ского контроля. Электрические системы используют значи- тельно реже, а гидравлические не применяют вообще. Для передачи результатов измерения на расстояние десятков и сотен километров применяют телеизмеритель- ные системы контроля. В таких системах результат изме- рения при помощи преобразователя в первичном приборе преобразуется в кодированные, обычно дискретные сигна- лы, передаваемые по каналу (линии) связи. Во вторичном 9 приборе, установленном на другом конце канала связи, эти сигналы преобразуются в результат измерения и фиксиру- ются в цифровой или аналоговой форме. В сфере управления сложными производственными про- цессами находят применение системы централизованного контроля. В этом случае вторичные приборы устанавлива- ют на центральном щите. В крупных цехах с большим чис- лом точек контроля центральный щит может достигать де- сятков метров в длину и становиться недоступным для обо- зрения оператора. Для наилучшей организации централизо- ванного контроля применяют специальные машины — машины централизованного контроля (МЦК), которые со- бирают и автоматически обрабатывают информацию при контроле сложных производственных процессов. Выходная информация, которая используется для воз- действия на контролируемый процесс, называется опера- тивной. Чтобы сократить выходную информацию о боль- шинстве контролируемых величин, ее можно заменить сиг- нализацией, которая включается только тогда, когда какая- либо контролируемая величина достигает некоторого напе- ред заданного значения. Обычно при отклонении контро- лируемого параметра от заданного значения машина выдает световой (зажигание или мигание лампочки) или звуковой (звонок, гонг) сигнал. Значения контролируемых величин могут быть также получены оператором по вызову. Откло- нения контролируемых параметров от установленных пре- делов измерения по вызову регистрируются в непрерывной или цифровой форме. § 1.2. Основы метрологии Методы измерения. Под методом измерения понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Для прямых измерений можно выделить несколь- ко основных методов: непосредственная оценка, сравнение 10 с мерой, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадения. Метод непосредственной оценки дает значение изме- ряемой величины по отсчетному устройству измерительно- го прибора прямого действия. Например, измерение давле- ния пружинным манометром. Точность измерений этим ме- тодом бывает ограниченной, но быстрота процесса измере- ния делает его незаменимым для практического примене- ния. Наиболее многочисленной группой средств измерений, использующих этот метод, являются показывающие, в том числе и стрелочные, приборы (манометры, вольтметры, расходомеры). В случае выполнения особо точных измерений приме- няют метод сравнения с мерой: измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Напри- мер, измерение массы на рычажных весах с уравновешива- нием гирями. По дифференциальному (разностному) методу измеря- ют разность между значениями измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величин. Например, сравнение измерений с образцовой мерой на компараторе при повер- ке мер длины. Дифференциальный (разностный) метод позволяет получать результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Но реализовать этот метод можно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряе- мой. Это во многих случаях легче, чем изготовить средство измерений высокой точности. Нулевой (компенсационный) метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воз- действия измеряемой величины и меры на прибор сравне- ния доводят до нуля. Для воспроизведения физических ве- личин определенного размера, служащих для сравнения, в нулевом методе измерения применяют меры этих величин. 11 Примеры: измерение электрических величин (ЭДС, напря- жения, емкости, сопротивления и др.), а также неэлектриче- ских величин, преобразованных в электрические (темпера- туры, давления, деформаций и т. д.), с применением потен- циометров и измерительных мостов. Метод совпадения — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя сов- падение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т. е. с фик- сированной отметкой на шкале физической величины). Качество измерений. По ГОСТ качество измерений ха- рактеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей. Точность — это качество измерений, отражающее бли- зость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует ма- лым погрешностям всех видов. Достоверность измерений характеризует степень дове- рия к результатам измерений. Под правильностью измерений понимают качество из- мерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений. Сходимость — это качество измерений, отражающее близость результатов измерений, выполняемых в одинако- вых условиях. Воспроизводимость — это такое качество измерений, ко- торое отражает близость друг к другу результатов измере- ний, выполняемых в различных условиях (в различное вре- мя, в различных местах, разными методами и средствами). Погрешность измерения есть отклонение результатов из- мерения от истинного значения измеряемой величины. По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные. Абсолют- ной называется погрешность измерения, выраженная в еди- ницах измеряемой величины. Она определяется выражением 12 Δ =Х − Х 0 , (1.1) где X — результат измерений; Х 0 — истинное значение измеряемой величины. Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, на практике пользуются лишь при- ближенной оценкой абсолютной погрешности измерения, определяемой выражением Δ = Х − Х д , (1.2) где Х д — действительное значение измеряемой величины, которое с погрешностью ее определения принимают за истинное значение. Относительной погрешностью измерения σ называют отношение абсолютной погрешности измерения к действи- тельному значению измеряемой величины σ = Δ / Х д , (1.3) Систематической погрешностью называется состав- ляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяемая при повторных измерениях одной и той же величины. Случайной погрешностью называется составляющая по- грешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Слу- чайные погрешности можно обнаружить только при много- кратных измерениях. Они являются результатом случайных изменений многочисленных условий измерений, учет кото- рых практически неосуществим. Иногда в результатах наблюдений может появиться по- грешность, существенно превышающая ожидаемую при дан- ных условиях, — это так называемая грубая погрешность. Результаты наблюдений, содержащие грубые погрешности, при обработке исключают, используя различные критерии. Для оценки метрологических характеристик средств из- мерений используют классы точности. 13 Стандартом предусмотрено выражение предельно до- пускаемых погрешностей средств измерений в виде абсо- лютных, относительных и приведенных погрешностей. Абсолютная погрешность должна быть выражена как Δ = ±а, (1.4) где Δ — предел допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах величины на входе (выходе), либо условно в делениях шкалы; а — именованное положительное число, выраженное в тех же единицах. Относительная погрешность выражается формулой δ = Δ · 100 / Х = ±С, (1.5) где δ — предел допускаемой относительной погрешности, %; X — интервал измерений прибора. Приведенную погрешность определяют по формуле γ = Δ · 100 / Х N , (1.6) где γ — предел допускаемой приведенной погрешности, %; Х N — нормирующее значение, которое при установле- нии приведенной погрешности принимают равным: конечному значению шкалы прибора, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы; сумме конечных значений шкалы прибора (без учета знаков), если нулевая отметка находится внутри шкалы; номинальному значению измеряемой величины, если таковое установлено; длине шкалы, если шкала нерав- номерная (логарифмическая или гиперболическая). В этом случае погрешность и длина шкалы выражаются в одних и тех же единицах. Средствам измерения, пределы допускаемых погрешно- стей которых выражаются в единицах измеряемой величины или в делениях шкалы (абсолютная погрешность), должны 14 быть присвоены классы точности, обозначаемые порядко- выми номерами, причем средствам измерений с бо́льшим значением допускаемых погрешностей должны соответство- вать бо́льшие порядковые номера. Средствам измерения, пределы допускаемых погрешно- стей которых выражены как относительные или приведен- ные погрешности, должны быть присвоены классы точно- сти, выбираемые из ряда чисел: (1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6) 10 n , где n = 0,1 − 1. Класс точности устанавливают при выпуске прибора, градуируя его по образцовому прибору в нормальных усло- виях. Показание образцового прибора принимают за истин- ное значение измеряемой величины. Чтобы уменьшить относительную погрешность, нужно выбирать верхний предел шкалы измерительного прибора та- ким, чтобы ожидаемое значение измеряемой величины (пока- зание) находилось в последней трети (или половине) ее. Абсолютной погрешностью меры Δ называют разность между номинальным ее значением и истинным (действи- тельным) значением воспроизводимой ею величины Δ = Х н − Х д , (1.7) где Х н — номинальное значение меры; Х д — действительное значение меры. Пример. Погрешность гири 4-го класса с номинальным значением 2 кг и истинным значением 2,00010 кг рав- на −0,10 г (−100 мг), а отклонение от номинального значе- ния для этой меры равно 0,10 г (100 мг). Абсолютная погрешность измерительного прибора ΔХ п — это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины: ΔХ п = Х п − Хд, (1.8) где Х п — показания прибора; Х д — действительное значение измеряемой величины. 15 За действительное значение измеряемой величины при- нимают показания образцового прибора, если его погреш- ность в четыре-пять раз меньше погрешности поверяе- мого. Если же погрешность образцового прибора только в 2–3 раза меньше погрешности поверяемого, то за действитель- ное значение измеряемой величины принимают показания образцового прибора плюс поправка по свидетельству на данное значение. Относительная погрешность меры или измерительного прибора б п — это отношение абсолютной погрешности ме- ры или измерительного прибора к истинному (действитель- ному) значению воспроизводимой или измеряемой величи- ны. Относительная погрешность меры или измерительного прибора может быть в процентах выражена как б П = ±(ΔХп / Хп)·100. (1.9) Приведенная погрешность у измерительного прибора — это отношение погрешности измерительного прибора к нор- мирующему значению. Нормирующее значение Х n — это условно принятое значение, равное верхнему пределу изме- рений или находящееся в интервале измерений или в интер- вале длины шкалы. Приведенную погрешность обычно вы- ражают в процентах как γ = ΔХ п × Х Λ (1.10) Пример. Определить абсолютную, относительную и при- веденную погрешности потенциометра с верхним пределом измерений 150 °С при показании его Х п = 120 °С и действи- тельном значении измеряемой температуры Х д = 120,6 °С. За нормирующее значение принят верхний предел измерения Х n = 150 °С. Абсолютная погрешность по формуле (1.8) ΔХ п = −0,6 °С; относительная погрешность по формуле (1.9) б п = ±0,5 %; приведенная погрешность по формуле (1.10) γ = ±0,4 %. 16 Основная погрешность средства измерений — это по- грешность средства измерений, используемого в нормаль- ных условиях, которые обычно определены в нормативно- технических документах на данное средство измерений. Под дополнительными погрешностями понимают изме- нение погрешности средств измерений вследствие отклоне- ния влияющих величин от нормальных значений или выхо- да за пределы нормальной области значений. Погрешности средств измерений, являющиеся опреде- ленными неслучайными функциями каких-либо факторов, относят к систематическим погрешностям. Они остаются постоянными или закономерно изменяются. Например, причиной систематической погрешности измерительно- го прибора может служить неточное нанесение отметок шкалы. Случайная погрешность средства измерений — состав- ляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом. При определении модели основной погрешности следует учитывать и погрешности, вызываемые такими явлениями, как трение, люфт, гистерезис и т. п. Погрешность, порожда- емую этими явлениями, называют погрешностью средств измерения вследствие вариации. Вариация показаний измерительного прибора — раз- ность между значениями показаний измерительного прибо- ра, соответствующими данной точке интервала измерения при двух направлениях подхода к данной точке. 17 |