 |
Классификация методов и средств измерения
|
|
|
|
МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ
КУРС ЛЕКЦИЙ
для бакалавров 22.03.02 по направлению «Металлургия»
всех форм обучения
Новотроицк 2017
Содержание
Лекция 1. Основы метрологии и измерительной техники. 5
1.1 Основные понятия метрологии и измерительной техники. 5
1.2 Классификация методов и средств измерения. 8
1.3 Измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи показаний. 11
Лекция 2. Контактные методы измерения температуры.. 18
2.1 Понятие о температуре и температурных шкалах. Классификация методов и приборов для измерения температуры 18
2.2 Термометры расширения. 22
2.3 Манометрические термометры.. 28
2.4 Электрические термометры сопротивления. 30
2.5 Мостовые схемы измерения сопротивления термометров. 36
2.6 Термоэлектрические термометры.. 41
2.6 Милливольтметры.. 50
2.7 Компенсационный метод измерения т.э.д.с. 54
Лекция 3. Бесконтактная пирометрия. 59
3.1 Основные понятия и законы излучения. 59
3.2 Принцип действия и устройство пирометров излучения. 62
Лекция 4. Измерение давления и перепада давления. 71
4.1 Общие сведения. Единицы измерения давления. 71
4.2 Жидкостные приборы.. 72
4.3 Манометры с упругими чувствительными элементами. 75
4.4 Электрические манометры и вакуумметры.. 78
4.5 Дифференциальные манометры.. 81
Лекция 5. Измерение расхода и количества газов, жидкостей и пара. 86
5.1 Классификация методов измерения расхода и количества. 86
5.2 Тахометрические, скоростные и объемные устройства для измерения расхода и количества 87
5.3 Измерение расхода методом постоянного перепада давлений. 99
5.4 Расходомеры с сужающим устройством.. 106
Лекция 6. Измерение уровня, плотности тепловых потоков и теплоты сгорания топлива 112
|
|
|
6.1 Уровнемеры для жидких и сыпучих тел. 112
6.2 Плотномеры жидкостей и газов. 119
6.3 Тепломеры и термозонды.. 121
Введение
Теплотехнические измерения и приборы образуют обширную совокупность методов и средств измерений и представления информации о параметрах тепловых агрегатов в процессе металлургического производства, обеспечивающие их высокопроизводительную, экономичную и безопасную работу. Информативные системы автоматического контроля необходимы для создания эффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), а также для проведения пуско-наладочных и научно-исследовательских работ на указанных агрегатах.
Металлургические производства имеют высокую оснащенность контрольно-измерительной аппаратурой. Например, в условиях комбината с полным металлургическим циклом на каждый 1 млн. т выплавляемой стали приходится примерно 1600 датчиков температуры, 1500 манометров и дифманометров, 600 измерительных диафрагм, 2500 вторичных показывающих и регистрирующих приборов, множество различных приборов для контроля механических, электрических и других величин. Значительную часть функций по производственному контролю выполняет электронно-вычислительная техника.
К основным теплотехническим параметрам можно отнести температуры различных конструктивных элементов агрегатов, выплавляемого или нагреваемого в них металла, газов, жидкостей, сыпучих материалов; расход, давление, плотность и состав газов и жидкостей, состав металла, тепловые потоки и т.д., т.е. все те параметры, которые определяют теплотехнические режимы металлургических печей.
Лекция 1. Основы метрологии и измерительной техники
Основные понятия метрологии и измерительной техники
Измерения и метрология. Важнейшей стороной существования современного общества является информация, значительную часть которой составляет измерительная. Измерению подвергаются более 2000 физических величин, общее число измерений насчитывает сотни миллиардов в год. На измерения в разных отраслях производства расходуется от 10 до 70 % затрат общественно полезного труда, в том числе около 15 % в машиностроении и 15-25 % в химии и металлургии. Брак продукции вследствие неправильно назначенных для измерения средств достигает 49 %, неумелое использование приборов и отсутствие квалифицированного персонала приводят к выпуску некачественной продукции в 51 случае из 100 случаев брака.
|
|
|
В последнее время происходит все больший рост требований к точности измерений, их оперативности, усложнению самих измерительных систем. Автоматизация производства и расширение использования гибких производств предопределили необходимость полной автоматизации измерений, интеллектуализации и роботизации этого процесса.
Д.И. Менделеев считал, что "наука начинается с тех пор, как начинают измерять, а точная наука немыслима без меры". Именно наличие меры позволяет получить количественный результат, объективность которого гарантирует весь комплекс специальных средств измерения, условий и процедур осуществления измерения.
Измерение следует рассматривать с технической, метрологической и гносеологической точек зрения. С технической стороны измерение представляется как совокупность операций по применению технического средства для измерения, с метрологической - сравнение измеряемой физической величины с ее единицей. Гносеологический аспект сводится к получению значения и погрешности измеряемой величины в удобной для дальнейшего использования форме.
Измерение является наиболее полным способом объективного количественного выражения физических величин. Суть измерения заключается в проведении эксперимента, который позволяет установить однозначное соответствие между единицей измеряемой физической величины [Q] и самой величиной Q= n[Q], где n - число единиц. Метрология рассматривается как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности при измерениях. Метрология изучает измерения физических величин и образующие измерение элементы: физические величины и их единицы, методы и методики измерений, погрешности средств и результатов измерений.
|
|
|
Метрология решает вопросы обеспечения единства измерений при требуемой их точности. Это достигается единой системой физических единиц, разработкой унифицированных измерительных устройств в стандарте Государственной системы приборов (ГСП) и эталонной базы для передачи размера физических величин.
В стране насчитывается 150 государственных и несколько сот вторичных эталонов, парк образцовых приборов. Метрологические правила и нормы изложены Государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ). Передача размера единиц измерения средствам измерения осуществляется по поверочным схемам, представляющим пирамиды с государственными эталонами в вершине и рабочими средствами измерений в основании. Иерархическая схема передачи размера единицы измерения представляется в виде: государственный эталон 
вторичные эталоны образцовые средства измерений рабочие средства измерений.
Метрология связана с разработкой унифицированных методик измерения, включающих единые требования к методу и условиям измерений, а также к квалификации персонала, нормированию пределов погрешностей измерения, установлению границ их достоверности.
Метрология, как и любая наука, состоит из фактов, образующих науку; представлений, их вызывающих, и слов, их выражающих. Фактами в метрологии считаются физические величины, их единицы, средства измерений; измерения, методы и методики, результаты, погрешности измерений и средств измерений. Представление является отражением в сознании ранее воспринятых фактов. Представление, отражающее существенные стороны, называют понятием.
В технике понятия и представления стараются унифицировать в виде терминов. Метрологические понятия закреплены ГОСТ 16263-70 "ГСИ. Метрология. Термины и определения".
Вопросами метрологии занимаются специальные учреждения, возглавляемые Государственной метрологической службой при Госстандарте СССР. Эти службы, помимо обеспечения единства измерений, призваны обеспечивать метрологическую подготовку производства, создание и метрологическую аттестацию несерийных средств измерений, метрологическую экспертизу конструкторской и технологической документации.
|
|
|
Таким образом, метрология призвана обеспечить качество измерений. Под качеством измерений понимают совокупность параметров измерений, обеспечивающих своевременное получение необходимых результатов с требуемыми точностными характеристиками. В качестве параметров измерений рассматриваются:
а) точность результатов измерений, определяемая в соответствии с погрешностями средств и методов измерений. Точностью называют характеристику, отражающую близость к нулю погрешности результата. Более точный результат имеет меньшую погрешность;
б) сходимость, определяющая близость друг к другу повторных результатов, выполненных в одинаковых условиях измерения одним и тем же методом; Количественно эта характеристика оценивается разностями полученных значений или отсчетов показаний измеряемой величины, а также размахом, средней квадратической или средней арифметической погрешностью. Воспроизводимость отражает близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах разными методами и средствами, разными субъектами измерения, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерения. Она характеризуется средней квадратической погрешностью сравниваемых групп измерений;
в) оперативность получения измерительной информации, определяемая методикой и уровнем автоматизации процесса измерений и обработки результатов;
г) единство измерений, обусловленное применением узаконенных единиц, сохранением их размера в пределах установленной погрешности, использованием стандартизованных и аттестованных средств и методик измерения;
д) эргономические и экологические показатели системы "измеритель - объект измерения - средство измерения", характеризуемые уровнем вредных воздействий на персонал и окружающую среду.
Физические величины и единицы физических величин.
Физической величиной называют определенное свойство материального объекта, качественно общее множеству объектов, но количественно индивидуальное для каждого из них. Они подразделяются на величины материального мира и величины идеальных моделей, которые делятся на измеряемые, оцениваемые и вычисляемые.
Количественную определенность присущую конкретному явлению, называют размером или значением физической величины. Различают истинное и действительное значение физической величины. Истинное значение является идеальным представлением измеряемой величины, оно остается неизвестным в силу погрешности применяемых средств, колебаний условий измерений и т.п. Получаемый при измерении результат является действительной величиной. Эта величина получается экспериментально при измерении и настолько близка истинному значению, что при практическом применении может его заменить. В качестве действительной величины при поверке принимается результат, показанный образцовым прибором; при однократном измерении результат, полученный при измерении более точным прибором; при многократных измерениях среднее арифметическое значение.
|
|
|
При измерениях оперируют понятиями, влияющей физической величины и физического параметра Влияющая величина не измеряется при измерении, но оказывает влияние на средство и объект измерения, искажая результат. Измеряемая величина может иметь частные особенности, которые и являются ее параметрами. Например, при измерении напряжения переменного тока его частота и несинусоидальность являются параметрами.
Единицей физической величины является физическая величина условно принятого фиксированного размера, равного 1, используемая для сравнения с однородными ей величинами. Совокупность единиц физических величии, образованных в Соответствии с заранее оговоренными принципами, называют системой единиц.
Единицы физических величин являются исторически изменяющимися категориями, претерпевшими в ходе технического развития переход от субъективных (например, единицы длины -ладонь, фут -длина ступни; площади - колодец - площадь, которую можно получить из одного колодца и т.п.) к объективным метрическим.
В настоящее время принята Международная система единиц (СИ), включающая 7 основных единиц, 2 дополнительные единицы, 27 производных единиц и 12 приставок для образования кратных и дольных единиц. В нашей стране единицы, обязательные для применения, установлены ГОСТ 8.427–81, который соответствует стандарту СЭВ СТ 1052-78 «Единицы физических величин».
Основными единицами СИ являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела; дополнительными единицами служат радиан и стерадиан. Производные единицы образуются в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными и другими производными единицами. Например, скорость определяется уравнением 
/ 
, м/с, где l - расстояние, м; t - время, с. Выражение, определяющее эту связь, называют уравнением размерности физической величины, для приведенного примера формула размерности 
/ 
.
Теплофизические единицы, применяемые на практике, в большинстве являются производными или внесистемными единицами: силы - ньютон; давления - паскаль или миллиметр водяного или ртутного столба; теплоты и анергии - джоуль или калория; мощности - ватт или лошадиная сила и др.
Кратные единицы величины в целое число раз больше, а дольная - меньше системной или внесистемной единицы физической величины; например, 1 м = 102 см - кратная единица длины, а 1 м = 10-3 км - дольная единица длины.
Классификация методов и средств измерения
Измерение - процесс получения информации, заключающийся в сравнении опытным путем измеряемых и известных величин или сигналов, выполнения необходимых логических операций и представления информации в удобной для восприятия и передачи форме.
Измерение физической величины сводится к совокупности целесообразных операций по использованию технического средства, хранящего единицу физической величины, для сравнения размера этой величины с ее единицей с целью получения значения в форме, удобной для использования. Объектом измерения является физическая величина.
Измерение подразумевает акт взаимодействия компонентов измерительной системы, включая и субъект измерения. Схема и структура операций измерения представлена на рисунке 1.1.
По системообразующим признакам измерения можно классифицировать следующим образом: по точности - равноточные и неравноточные; по числу измерений - однократные и многократные; по изменению измеряемой величины времени - статические и динамические; по назначению - технические и метрологические; по выражению результата - абсолютные и относительные; по методам получения результата - прямые, косвенные, совместные, совокупные.
К равноточным измерениям относят измерения, выполненные при одних и тех же условиях одинаковыми по точности средствами измерений, а к неравноточным те, когда хотя бы одно из вышеперечисленных условий не выполняется. К многократным измерениям обычно относят измерения, производимые n 
4 раз.
Динамические измерения в отличие от статических характеризуются тем, что значение измеряемой величины в процессе его получения изменяет свой размер и требует точной фиксации времени в момент измерения.
Рисунок 1.1 - Операции измерения
К техническим измерениям относят измерения, производимые при помощи рабочих средств с целью контроля параметров, управления процессами, получения фактографического материала, диагностики и т.п. Метрологические измерения преследуют цель воспроизведения единиц физических величин или передачи их размера рабочим средствам измерения.
При прямых измерениях значение считывают непосредственно с отсчетного устройства средства измерения, а при косвенном методе искомое значение вычисляется с помощью функционального соотношения, связывающего находимую физическую величину с результатами прямых, косвенных, совокупных, совместных измерений независимых аргументов определяемой величины X1,X2,…..,Xn, f = F(X1,…,Xn). Прямые измерения называют абсолютными.
Совокупные измерения предполагают измерения нескольких однородных величии в различных сочетаниях, значения которых определяют путем решения системы уравнений.
К совместным измерениям относят одновременные измерения нескольких неоднородных величин для установления зависимости между ними. Искомые величины при совокупных и совместных измерениях определяются из систем уравнений, связывающих значения определяемых величин со значениями величин, полученных при прямых или косвенных измерениях. Примером метода совместного измерения является определение значения параметров R0, а 
зависимости сопротивления термопреобразователя от температуры
.
При этом осуществляются прямые измерения трех значений температуры Т1, Т2, Т3. Затем из решения системы уравнений получают значения 
и .
;
;
.
Средствами измерений называют устройства или комплексы технических устройств, предназначенные для измерений, имеющие нормированные технические характеристики, хранящие одну или несколько воспроизводимых в течение определенного времени единиц физических величин. Они включают: меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительно-вычислительные комплексы, измерительные преобразователи, измерительные устройства, измерительные принадлежности и средства сравнения.
Меры - это средство измерений, воспроизводящее и хранящее физическую величину одного или нескольких размеров. Однозначные меры воспроизводят единицы измерения или их кратные или дольные залоги: гири, плоскопараллельная концевая мера длины. Многозначные меры образуются из наборов однозначных мер: магазины резисторов, наборы гирь, калибров.
Измерительные преобразователи - средства, предназначенные для Выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не воспринимаемой непосредственно наблюдателем. Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования - выходной величиной; соотношение между ними задают функцией преобразования. Преобразователи по выполняемым функциям и месту в измерительной цепи делятся на первичные (преобразуют измеряемую величину в информативный сигнал в соответствии с заложенным в I принципе действия свойством; термоэлектрические, индукционные, пьезоэлектрические в т.п.); передающие (преобразуют измеряемую в сигнал, удобный для передачи и приема) и промежуточные (преобразование сигналов в форму и вид, удобный для организации работы измерительных приборов, систем, комплексов и устройств).
Преобразователи широко применяются в измерительных цепях.
 |
Рисунок 1.2 – Блок-схема системы измерения температуры
Источник информации о температуре 1 воздействует на первичный преобразователь - термоэлектрический преобразователь 2, в котором неэлектрическая величина (температура Т) преобразуется в электрический сигнал (т.э.д.с. Е). Электрический сигнал поступает на нормирующий промежуточный преобразователь 3 для преобразования информации о температуре в токовый сигнал Iн. Ток подается на кодирование сигнала в аналого-цифровой преобразователь 4, дискретные сигналы которого поступают в передатчик 5 и на канал связи 7. При передаче возможно наложение помехи 8. Дискретные сигналы поступают на интерфейс приемника 9 и декодирование сигнала в преобразователь 10 с последующим преобразованием сообщения в преобразователе-дешифраторе 11 из двоичного кода в десятичный. Декодированное сообщение индуцируется оператору на средстве отображения информации 12. Результат может регистрироваться на аналоговом измерительном приборе 14 после промежуточного преобразования кодовой записи в аналоговый сигнал в цифро-аналоговом преобразователе 13. Модули 6 и 15 выполнены в виде интегральных микросхем.
Измерительные приборы представляют собой средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измеряемой информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (потенциометр, мост и т.п.).
Задачей измерительной техники является создание систем, включающих измерительные приборы и обеспечивающих измерение без участия человека, т.е. систем автоматического контроля. Измерительные приборы классифицируются по ряду признаков:
- по роду измеряемой величины для измерения: температуры (термометры, пирометры); давления и разрежения (манометры, вакуумметры, тягонапоромеры, барометры и т.п.); количества и расхода вещества, энергии (расходомеры, счетчики); уровня (уровнемеры и сигнализаторы); состава (газоанализаторы, концентратомеры);
- по назначению: технические (рабочие) - измерение технологических и технических параметров; контрольные - поверка технических средств измерения; лабораторные - для применения в экспериментальной технике; образцовые - поверка контрольных измерительных приборов; эталонные - поверка образцовых приборов;
- по характеру представления информации и промышленному назначению: показывающие - имеющие только визуальный отсчет результата измерения; регистрирующие -имеющие устройства для регистрации (записи) результата измерения; индикаторные – показывающие только наличие или отсутствие сигнала; обработки информации;
- по дистанционному признаку: местного контроля; дистанционного контроля; телеметрического контроля;
- по характеру регистрации и контроля измеряемого сигнала во времени: непрерывного (аналогового) действия; дискретного действия;
- по принципу действия: механические; электрические; гидравлические; пневматические; радиоактивные и т.п.
- по условиям измерения: стационарные; переносные;
- по габаритам: нормальные (полногабаритные); малогабаритные; миниатюрные;
- по числу контролируемых величин: одноточечные; многоточечные; многоканальные.
|
|
|
