Методы повышения точности измерений

• Введение
• 1. Основные сведения о методах и видах измерений
• 2. Описание теории и технологической схемы процесса искусственного охлаждения
• 3. Метрологическое обеспечение процесса
• 4. Выбор и обоснование СИ, схема передачи информации
• 5. Подбор метрологических характеристик применяемых в схеме СИ
• 6. Расчет погрешностей измерения выбранных СИ
• 7. Поверка выбранных СИ
• 8. Методы повышения точности измерений
• Заключение
• Список использованных источников

В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. Мир, окружающий нас, — это, прежде всего, мир физических величин, реально существующих в широчайшем диапазоне их значений от микромира до макромира в масштабе Вселенной. Физические величины являются характеристиками объектов материального мира и процессов, характеризующих различные взаимодействия этих объектов между собой или их изменения во времени.

Вся история человеческой цивилизации — это история становления и развития измерительной культуры, это процесс непрерывного совершенствования методов и средств измерения и систем обеспечения единства измерений на основе повышения их необходимой точности, единообразия мер, постоянного укрепления положения служб образцовых измерений как необходимого базиса не только экономики, но и государственной власти. Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.

Многочисленные работы в области измерений свидетельствует об их значительной роли в науке и технике, в жизни современного общества. По состоянию и возможности измерительной службы и ее метрологического обеспечения можно судить об общем уровне развития общества. Однако весь тот огромный массив измерительной информации, который мы получаем в результате измерений, будет общественно значимым и полезным только при обязательном условии обеспечения их единства и требуемой точности независимо от места, времени и условий, в которых они проведены.

Обеспечение единства измерений является одной из важнейших задач метрологии. Прогресс в развитии средств измерительной техники в последние годы был обеспечен в результате бурного развития теории измерений и разработки на ее основе новых методов измерения, широкого применения в конструкциях средств измерений последних достижений нанотехнологии, микроэлектроники, автоматики, вычислительной техники, а также успешного решения ряда технологических задач.

К основным целям и задачам метрологии относятся:

создание общей теории измерений;

образование единиц физических величин и систем единиц;

разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений;

создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений, методики выполнения измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических констант;

установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;

обеспечение единства измерений;

разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;

разработка методов передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

метод измерение точность погрешность

1. Основные сведения о методах и видах измерений

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16 263−70). Стандарт определяет методы измерений (метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой). Кроме того, можно предложить укрупненное деление измерений по различным основаниям классификации: виды измерений.

К видам измерений (если не разделять их по видам измеряемых физических величин на линейные, оптические, электрические и др.) можно отнести измерения:

· прямые и косвенные;

· совокупные и совместные;

· абсолютные и относительные;

· однократные и многократные;

· технические и метрологические;

· равноточные и неравноточные;

· равнорассеянные и неравнорассеянные;

· статические и динамические.

Прямые и косвенные измерения различают в зависимости от способа получения результата измерений.

При прямых измерениях искомое значение величины определяют непосредственно по устройству отображения измерительной информации применяемого средства измерений. Формально без учета погрешности измерения они могут быть описаны выражением Q = X, где Q — измеряемая величина, X — результат измерения.

Косвенные измерения — измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Формальная запись такого измерения Q = F (X, Y, Z,…), где X, Y, Z, … — результаты прямых измерений.

Примерами косвенных измерений можно считать нахождение значения угла треугольника по измеренным длинам сторон, определение площади треугольника или другой геометрической фигуры и т. п.

Измерение некоторого множества физических величин классифицируется в соответствии с однородностью (или неоднородностью) измеряемых величин.

При совокупных измерениях осуществляется измерение нескольких одноименных величин.

Совместные измерения подразумевают измерение нескольких неодноименных величин, например, для нахождения зависимости между ними.

При измерениях для отображения результатов могут быть использованы разные оценочные шкалы, в том числе градуированные либо в единицах измеряемой физической величины, либо в различных относительных единицах, включая и безразмерные. В соответствии с этим принято различать абсолютные и относительные измерения.

По числу повторных измерений одной и той же величины различают однократные и многократные измерения, причем многократные неявно подразумевают последующую математическую обработку результатов.

В зависимости от точности измерения делят на технические и метрологические, а также на равноточные и неравноточные, равнорассеянные и неравнорассеянные.

Технические измерения выполняют с заранее установленной точностью, иными словами, погрешность технических измерений не должна превышать заранее заданного значения.

Метрологические измерения выполняют с максимально достижимой точностью, добиваясь минимальной погрешности измерения.

Оценка равноточности и неравноточности, равнорассеянности и неравнорассеянности результатов нескольких серий измерений зависит от выбранной предельной меры различия погрешностей или их случайных составляющих, конкретное значение которой определяют в зависимости от задачи измерения.

Статические и динамические измерения правильнее характеризовать в зависимости от соизмеримости режима восприятия входного сигнала измерительной информации и его преобразования. При измерении в статическом (квазистатическом) режиме скорость изменения входного сигнала несоизмеримо ниже скорости его преобразования в измерительной цепи и все изменения фиксируются без дополнительных динамических искажений. При измерении в динамическом режиме появляются дополнительные (динамические) погрешности, связанные со слишком быстрым изменением самой измеряемой физической величины или входного сигнала измерительной информации от постоянной измеряемой величины.

Различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. При использовании метода непосредственной оценки значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству прибора прямого действия. Прибор осуществляет преобразование входного сигнала измерительной информации, соответствующего всей измеряемой величине, после чего и происходит оценка ее значения.

Метод сравнения с мерой характеризуется тем, что прибор (компаратор) сравнивает измеряемую величину с аналогичной известной величиной, воспроизводимой мерой. Овеществленную меру, воспроизводящую с выбранной точностью физическую величину определенного (близкого к измеряемой) размера используют в явном виде. Примерами используемых мер являются гири, концевые меры длины или угла и т. д.

Метод сравнения с мерой реализуется в нескольких разновидностях:

· дифференциальный и нулевой методы;

· метод совпадений;

· методы замещения и противопоставления.

Дифференциальный метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения (компаратор) доводят до нуля.

Метод совпадений — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя совпадение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т.е. с фиксированной отметкой на шкале физической величины). Для оценки совпадения используют прибор сравнения или органолептику, фиксируя появление определенного физического эффекта (стробоскопический эффект, совпадение резонансных частот и др.).

В зависимости от одновременности или неодновременности воздействия на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, различают методы замещения и противопоставления.

Метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, то есть эти величины воздействуют на прибор последовательно.

Метод противопоставления — метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами [10]

2. Описание теории и технологической схемы процесса искусственного охлаждения

Типовое решение автоматизации искусственного охлаждения рассмотрим на примере установки охлаждения, состоящей из поршневого компрессора, конденсатора, испарителя (с кипящим хладагентом в межтрубном пространстве) и дросселирующего элемента. В качестве показателя эффективности примем конечную температуру охлаждаемого продукта t_к (часто рассола). Поддержание ее на постоянном значении путем корректировки технологических режимов аппаратов, входящих в объект управления, и будет являться целью управления процессом искусственного охлаждения.

Конечная температура продукта определяется параметрами охлаждаемого продукта и хладагента, поступающих в испаритель. Параметры продукта зависят от хода технологического процесса, для проведения которого применяется данная установка охлаждения. С их изменением, а также с изменением параметров воды, подаваемой в конденсатор, в объект будут поступать внешние возмущения; температура t_к при этом будет отклоняться от заданного значения. С другой стороны, варьируя параметры хладагента (в частности, его расход), сравнительно легко управлять процессом искусственного охлаждения. Из сказанного следует, что основным узлом регулирования процесса искусственного охлаждения должен быть регулятор температуры t_к, а регулирующие воздействия целесообразно вносить изменением расхода хладагента, используя метод пуска и останова поршневого компрессора, вошедшего в типовой объект управления. При этом холодопроизводительность установки будет изменяться так, что возмущающие и регулирующие воздействия полностью компенсируются.

Одним из сильных возмущений, которые могут поступать в испаритель через дросселирующий элемент, является изменение давления в конденсаторе. Последнее может произойти, например, при колебаниях параметров прямой воды. Для ликвидации таких возмущений давление конденсации стабилизируют, изменяя расход воды, подаваемой в испаритель.

Работа испарителя в значительной мере определяется также степенью заполнения его жидким хладагентом. Для большинства испарителей существует оптимальная степень заполнения, при отклонении от которой эффективность процесса снижается вследствие неполного использования теплопередающей поверхности испарителя или из-за «влажного» хода компрессора. Определенная степень заполнения поддерживается стабилизацией уровня, который измеряется в выносной камере. Регулятор уровня воздействует на регулирующий орган, помещенный между конденсатором и испарителем. Причем в случае непрерывного дросселирования хладагента, что обеспечивают все регуляторы, кроме позиционных, регулирующий орган будет одновременно служить и дросселирующим элементом, изменяющим давление хладагента с величины, соответствующей давлению конденсации, до значения, соответствующего давлению кипения.

Для безаварийной работы установки следует сигнализировать о повышении уровня хладагента выше предельного значения для предотвращения «влажного» хода компрессора, а также о понижении давления паров хладагента после испарителя ввиду возможности замерзания продукта. В случае достижения этими параметрами предельно допустимых значений срабатывают устройства защиты, отключающие компрессор.

При искусственном охлаждении контролю подлежат расходы продукта и охлаждающей воды, а также их начальный и конечные температуры. Сигнализации и контролю, кроме того, подлежат все параметры компримирования газов.

Регулирование компрессоров установок искусственного охлаждения. В зависимости от типа компрессора регулирование его работы может производиться различными способами. В наиболее мощных холодильных установках используют винтовые компрессоры, снабженные специальным золотником (ползуном). Перемещаясь параллельно осям винтов под действием исполнительного механизма регулятора, золотник изменяет их ход сжатия и тем самым — производительность компрессора.

Регулирование перегрева паров после испарителя. При использовании хладагентов с низкой теплотой парообразования, например фреонов, нельзя принимать уровень хладагента в качестве параметра, характеризующего степень заполнения испарителя (ввиду бурного вспенивания). Кроме того, точность работы уровнемера с выносной камерой часто недостаточно высока, так как уровень жидкости в этой камере может отличаться от уровня в самом испарителе. Это обусловливается различной степенью насыщения кипящей жидкости паром и, следовательно, различным значением плотности кипящей жидкости.

Косвенным параметром, по значению которого судят о степени заполнения испарителя, служит перегрев паров на выходе из испарителя: чем больше перегрев, тем меньше заполнение, т. е. больше теплопередающая поверхность, и наоборот. В зависимости от разности температур кипящего хладагента и перегретых паров позиционный регулятор открывает или закрывает клапан на линии жидкого хладагента.

Для плавного регулирования перегрева разработан специальный терморегулирующий вентиль, основным элементом которого является мембрана. Ее положение соответствует разности давлений в термобаллоне и паровой линии, а эти давления в свою очередь определяются температурами перегретого пара и кипения хладагента.

3. Метрологическое обеспечение процесса

Средство измерений — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Основным признаком в данном определении являются нормированные метрологические характеристики, что подразумевает и возможность воспроизведения единицы физической величины с требуемой точностью, и ее сохранение на протяжении всего периода метрологической пригодности средства измерений.

В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений, как меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, индикаторы, измерительные установки, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы.

Простейшим средством измерений является мера. Главная отличительная особенность меры — отсутствие каких-либо преобразований измерительной информации самим средством измерений. Мера физической величины (мера величины; мера) — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Меры, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера, называют однозначными, а воспроизводящие физические величины ряда размеров — многозначными. В качестве примеров однозначных мер можно назвать гирю (мера массы), угольник (мера прямого угла), плоскопараллельную концевую меру длины. К многозначным мерам следует отнести измерительную линейку, транспортир, измерительный сосуд, а также ступенчатый шаблон, угловую концевую меру с несколькими рабочими углами. Меры могут комплектоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называемые «магазины» .

Набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, наборы концевых мер длины, угловых концевых мер, наборы разновесов). Магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

При оценивании величин по условным (неметрическим) шкалам, имеющим реперные точки, в качестве «меры» нередко выступают вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, для шкалы твердости Мооса мерами являются минералы различной твердости. Приписанные им значения твердости образуют ряд реперных точек условной шкалы.

Измерительный преобразователь — техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Примеры измерительных преобразователей — термопара, пружина динамометра, микрометрическая пара винт-гайка.

Отличительной особенностью измерительного преобразователя является выдача им измерительной информации в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором. По характеру входного и выходного сигналов различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту, занимаемому в измерительной цепи различают преобразователи первичные и промежуточные. Преобразователи с пропорциональным преобразованием сигнала измерительной информации называют масштабными.

Первичный измерительный преобразователь (первичный преобразователь) — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей, например, ряд термопар измерительной установки, предназначенной для контроля температуры в разных точках холодильной емкости.

Датчик — конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию). Датчики метеорологического зонда или стационарной метеостанции передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы, причем они могут находиться на значительном расстоянии от принимающего его сигналы средства измерений. Термин «датчик» в ГОСТ 16 263 был помечен как не рекомендуемый, поскольку он отражает только одну из функций первичного измерительного преобразователя — «выдачу информации».

Измерительный прибор (прибор) — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации типа шкала-указатель, указатель-диаграммная бумага, числовое табло. В зависимости от системы представления информации различают показывающие или регистрирующие приборы, причем регистрирующие могут быть записывающими либо печатающими, а в зависимости от формы выходного сигнала различают приборы е аналоговым либо с дискретным выходом («дискретные» приборы часто называют «цифровыми»). Следует обратить внимание, что вид устройства отображения измерительной информации не определяет форму выходного сигнала: система шкала-указатель электронно-механических часов принадлежат «дискретным» приборам, а изменение выходного сигнала бытового счетчика электроэнергии на правом барабане цифрового табло имеет непрерывный характер.

Принято различать также приборы прямого действия и приборы сравнения. Под прибором сравнения, по-видимому, подразумевается компаратор. Компаратор — средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Примерами являются рычажные весы, компаратор для сличения нормальных элементов. Средство сравнения определено в РМГ 29 — 99 несколько неудачно.

Средство сравнения — техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.

4. Выбор и обоснование СИ, схема передачи информации

Качество измерений зависит от правильности выбора средств измерений. При этом учитывается ряд факторов:

1. измеряемая физическая величина;

2. метод измерения, реализуемый в среде измерений;

3. диапазон и погрешность СИ;

4. условия проведения измерений;

5. допускаемая погрешность измерений;

6. стоимость средства измерений;

7. простота их эксплуатации;

8. ресурсы средств измерений;

9. потери из-за погрешностей измерений (брак I и II рода).

Основными характеристиками средств измерений являются их погрешности. Их рассматривают в первую очередь.

Три основные принципа выбора точности средств измерений:

Экономический подход — учитывает почти все показатели. При этом необходимо иметь в виду:

· повышение точности измерений позволяет точнее регулировать производственный процесс;

· более точные измерения позволяют сократить допуск на изделия;

· повышение точности измерений приводит к уменьшению доли необнаруженного и ложного брака.

С ростом погрешности измерений потери растут, в то время как затраты на измерения снижаются.

Экономически оптимальная точность измерений технологического параметра соответствует минимуму суммы потерь из-за погрешности измерений и затрат на измерения, включая затраты на метрологическое обслуживание средств измерений. Оптимальная точность измерений соответствует среднеквадратической оценке (СКО) погрешности.

Зависимость потерь от погрешности измерений и зависимость затрат на измерения определяются на практике не точно, что вызывает неопределенность соответствующей характеристики оптимальной погрешности измерений.

Работы по оптимизации точности измерений завершаются разработкой мероприятий по приближению точности измерений к оптимальной и оценке экономического эффекта от их реализации. Мероприятия состоят в основном из совершенствования методик измерений и из совершенствования метрологического обслуживания и приборного парка. На завершающей стадии работ по оптимизации точности измерений основные вопросы должны решаться квалифицированным экспертом.

Вероятностный подход заключается в выборе точности средств измерений по заданному допуску на контролируемый параметр изделия и заданным значением брака контроля I и II рода (необнаруженный и ложный брак).

Если контроль осуществляется абсолютно точными средствами измерений, все изделия, находящиеся в поле допуска, были бы признаны годными, а изделия, у которых измеряемый параметр превышает допуск, были признаны непригодными. Из-за существования погрешности измерений при контроле часть негодных изделий будет признана годными (брак контроля II рода), а часть годных изделий — негодными (брак контроля I рода). На брак контроля влияет рассеивание действительных значений контролируемого параметра, установленный допуск на контролируемый параметр, закон распределения погрешностей измерений и рассечения действительного значения контролируемого параметра. Директивный подход позволяет установить соотношение между допуском на контролируемый параметр и предельно допускаемой погрешностью измерений.

В настоящем курсовом проекте выбраны следующие средства измерения:

Для измерения расхода — ДМ3583М и КСД3;

Для измерения давления — МЕТРАН-150 и ДИСК-250;

Для измерения температуры — ТСМ и КСМ4;

Для измерения уровня — ДМ3583М и КСД3;

Дифманометры ДМ-3583М (рисунок 1) работают в комплекте со вторичными взаимозаменяемыми приборами дифтрансформаторной системы типа КСД2, КСДЗ, КВД1 и др.

Взаимозаменяемость дифманометров обеспечивает возможность совместной работы одного вторичного прибора с несколькими дифманометрами при периодическом их подключении, а также замену вышедшего из строя дифманометра без тарировки комплекта.

Принцип действия дифманометра обеих моделей основан на деформации чувствительного элемента при воздействии на него перепада давления, вследствие чего перемещается плунжер дифтрансформаторного преобразователя, жестко связанный с чувствительным элементом.

Рисунок 1 - Дифманометр мембранный ДМ-3583М

Перемещение плунжера, в свою очередь, преобразуется в пропорциональное значение взаимной индуктивности между первичной обмоткой возбуждения и двумя секциями вторичной обмотки, включенных встречно.

Чувствительным элементом дифманометра является мембранный блок, состоящий из мембранных коробок, ввернутых с обеих сторон в перегородку. Перегородка зажата между двумя крышками с помощью стяжной муфты образует две рабочих камеры дифманометра — плюсовую (нижняя) н минусовую (верхняя).

Каждая из мембранных коробок спарена из двух или четырех мембран, профили которых совпадают. Внутренние полости мембранных коробок сообщаются между собой. Через ниппель обе полости заполняются водным раствором этиленгликоля, после чего ниппель заваривается.

В плюсовую камеру дифманометра, через штуцер подается давление р₁, в минусовую, через штуцер — давление р₂, причем р₁>р₂, вследствие чего в камерах дифманометра создается перепад давления.

Под воздействием перепада давления в камерах, нижняя мембранная коробка сжимается, и жидкость из нее перетекает в верхнюю коробку, раздувая ее, что вызывает перемещение плунжера дифтрансформаторного преобразователя и приводит, в свою очередь, к изменению взаимной индуктивности между его первичной и вторичной цепями.

Деформация чувствительного элемента происходит до тех пор, пока силы, вызванные перепадом давления, уравновесятся — упругими силами мембранных коробок. В зависимости от предельного номинального перепада давления в приборе устанавливаются мембранные коробки определенной жесткости.

При, воздействии односторонней перегрузки коробка не повредится, так как обе мембраны сложатся по профилю, вытеснив всю жидкость во вторую коробку. При этом деформация мембраны останется в пределах упругости.

С ниппелем верхней мембранной коробки связан плунжер дифтрансформаторного преобразователя. Плунжер находится внутри разделительной трубки, т. е. полости минусовой камеры.

На разделительную трубку насажена катушка дифтрансформаторного преобразователя, который резьбовым переходником сопрягается с траверсой и стопорится контргайкой.

Для защиты траверсы от случайных механических ударов, изменяющих показания прибора, служат щитки.

Катушка закрыта колпаком, на котором крепится штепсельный разъем.

На дифманометре ДМ-3583М применяется дифтрансформатор, состоящий из первичной, компенсационной и вторичной обмоток, размещенных на общем каркасе и закрытых экраном. Экран состоит из неподвижного корпуса и подвижного колпачка.

Данная конструкция экрана позволяет обеспечить настройку дифманометра с минимальной нелинейностью выходной характеристики, что достигается плавным перемещением колпачка вдоль оси катушки.

При положении колпачка, обеспечивающем минимальную нелинейность выходной характеристики дифманометра, он фиксируется винтами.

Для настройки пределов измерения выходных сигналов, служит переменное сопротивление R1 — потенциометр.

Для крепления дифманометра на месте монтажа предусмотрено основание с отверстиями под болты.

Автоматические показывающие регистрирующие одноканальные приборы КСД1, КСД2, КСД3 (рисунок 2) с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой предназначены для измерения, регистрации и регулирования (при наличии регулирующего устройства) давления, расхода, уровня жидкости и других величин, при измерении которых используются дифференциально-трансформаторные индуктивные датчики, которые преобразовывают измеряемые неэлектрические величины в электрический параметр — комплексную взаимную индуктивность 0−10 mH, 10−0-10 mH.

Рисунок 2 - Автоматический показывающий регистрирующий одноканальный прибор КСД3

Климатическое исполнение приборов УХЛ 4.1 (температура: от +5 до +50°С при влажности не более 80%).

Приборы могут иметь: линейную шкалу для уровня, давления и т. п.; квадратичную шкалу для расхода.

Ш Время оборота диска: 24 часа

Ш Быстродействие, с: 5; 16

Ш Питание, потребляемая мощность: 220 В, 50Гц, не более 35ВА

Ш Габаритные размеры, мм: 320×320×395

Датчики давления МЕТРАН-150 (рисунок 3) предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин давления избыточного, абсолютного, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи и цифровой сигнал на базе HART-протокола.

Датчики МЕТРАН-150 предназначены для преобразования давления рабочих сред: жидкости, пара, газа в унифицированный токовый выходной сигнал и цифровой сигнал на базе HART-протокола.

Датчики разности давлений могут использоваться в устройствах, предназначенных для преобразования значения уровня жидкости, расхода жидкости, пара или газа в унифицированный токовый выходной сигнал и цифровой сигнал на базе HART-протокола. Датчики предназначены для работы во взрывобезопасных и взрывоопасных условиях. Взрывозащищенные датчики имеют вид взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» и вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» .

Рисунок 3 - Датчики давления МЕТРАН-150

Взрывозащищенные датчики предназначены для установки и работы во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно НД, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных условиях.

Средний срок службы преобразователя — 8 лет. Средняя наработка на отказ — 50 000 ч.

Приборы регистрирующие ДИСК-250 (рисунок 4) применяются для снятия показаний от термопар, термопреобразователей сопротивления (напряжения, тока), от тензорезисторов, от пирометров радиационных с целью измерения, регистрации, сигнализации и регулирования параметров технических процессов (температуры, давления, уровня, расхода и прочее) на различных этапах производства во многих отраслях промышленности, таких, например, как металлургия, энергетика, химическая и нефтехимическая промышленность, нефтеперерабатывающая, пищевая и многие другие виды промышленности, где необходимы надежные и точные показывающе-регистрирующие аналоговые приборы.

Приборы серии ДИСК-250 имеют отлично видимую шкалу кругового типа и светодиодную индикацию состояний — включения прибора, обрыва датчика, выхода отслеживаемого параметра за пределы установки. Линия регистрации процесса непрерывна на диаграммном диске. ДИСК-250 используется как универсальный прибор для измерения, регистрации, сигнализации и регулирования нужного параметра техпроцесса. Также приборы серии ДИСК-20 отличаются простотой эксплуатации и ремонтопригодностью в российских условиях.

Рисунок 4 — Прибор регистрирующий ДИСК-250

Питание: переменный ток частотой (50±1) или (60±1,2) Гц, напряжение (220 ⁺²²/_-33) В или (240 ⁺²⁴/_-36) В.

Потребляемая мощность: не более 25 В*А.

Хорошо видимая издалека круговая шкала.

Светодиодная индикация:

включения прибора;

обрыва датчика;

выхода контролируемого параметра за пределы уставок.

Непрерывная линия регистрации на диаграммном диске.

Универсальность — измерение, регистрация, сигнализация и регулирование.

Простота эксплуатации и ремонта.

Габаритные размеры — 320×320×195 мм.

Монтаж — щитовой (вырез 304^+1,5 х 304^+1,5 мм).

Термопреобразователи сопротивления (рисунок 5) (термометры сопротивления: ТСМ, ТСП, ТСН, Pt100 и др.). Термопреобразователи предназначены для непрерывного измерения температуры различных рабочих сред (пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т. п.), не агрессивных к материалу корпуса датчика.

Модели датчиков с резьбовым креплением выпускаются в стандартном исполнении с метрической резьбой.

Основные критерии правильного выбора термопреобразователей:

· Соответствие измеряемых температур рабочим диапазонам измерений датчиков температуры;

Рисунок 5 - Термопреобразователь сопротивления ТСМ

· Соответствие прочности корпуса датчика условиям эксплуатации;

· Правильный выбор длины погружаемой части датчика и длины соединительного кабеля;

· Необходимость взрывозащищенного исполнения для работы на взрывопожароопасных участках;

Принцип работы термопреобразователей сопротивления (ТСМ, ТСП, ТСН, Pt100 и др.) основан на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Чувствительный элемент термопреобразователя - катушка из тонкой медной или платиновой проволоки на каркасе из изоляционного материала, заключенная в защитную гильзу (арматуру).

Термопреобразователи сопротивления характеризуются двумя параметрами: R — сопротивление датчика при 0 °C и W100 — отношение сопротивления датчика при 100 °C к его сопротивлению при 0 °C. (По новому ГОСТ-у на термопреобразователи сопротивления (ГОСТ Р 8.625−2006), в документации вместо W100 теперь используется параметр «а» (альфа) — отношение разницы сопротивлений датчика, измеренных при температуре 100 и 0 °C, к его сопротивлению, измеренному при 0 °C ®, деленное на 100°С).

Подключения термопреобразователей (термометров) сопротивления к вторичным приборам (измерителям-регуляторам температуры) обычно осуществляется медным проводом по трехпроводной схеме, которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую при изменении сопротивления проводов (например, при изменении их температуры). К одному из выводов терморезистора подсоединяются два провода, а третий подключается к другому выводу.

При этом необходимо соблюдать условие равенства сопротивлений всех трех проводов.

Термопреобразователи сопротивления могут подключаться к прибору с использованием двухпроводной линии, но при этом отсутствует компенсация сопротивления соединительных проводов и поэтому будет наблюдаться некоторая зависимость показаний прибора от колебаний температуры проводов.

Уравновешенные мосты КСМ4 (рисунок 6) предназначены для измерения, записи и регулирования (при наличии регулирующего устройства) температуры и других величин, изменение которых может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока или активного сопротивления.

Приборы автоматические следящего уравновешивания КСМ4, КСМ4И, КСП4, КСП4И, КСУ4 Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), предназначены для измерения силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные выше электрические сигналы и активное сопротивление.

Рисунок 6 - Уравновешенный мост КСМ4

Выбирая тот или иной прибор по функциональному признаку, необходимо простоту и дешевизну аппаратуры сочетать с требованиями контроля и регулирования данного параметра. Наиболее важные параметры следует контролировать самопишущими приборами, более сложными и дорогими, чем показывающие приборы. Регулируемые параметры технологического процесса необходимо, как правило также контролировать самопишущими приборами, что имеет значение для корректировки настройки регуляторов.

При выборе вторичных приборов для совместной работы с однотипными датчиками одной градуировки и с одинаковыми пределами измерения следует учитывать, приборы КСП, КСМ, КСД выпускаются с числом точек 3,6,12. В многоточечных приборах имеется переключатель, автоматически и поочередно подключающий датчик к измерительной схеме. Печатающее устройство, расположенное на каретке, отпечатывает на диаграмме точки с порядковым номером датчика. Запись производится многоцветная.

При выборе вида унифицированного сигнала канала связи от датчика до вторичного прибора принимается во внимание длина канала связи. При длине 300 м можно применять любой унифицированный сигнал, если автоматизируемый технологический процесс не является пожаро — и взрывоопасным. При пожарои взрывоопасности и расстоянии не более 300 м целесообразно использовать пневматические средства автоматизации, например регуляторы и приборы системы «Старт», применение которых к тому же обходится примерно на 30% дешевле, чем электрических. При расстоянии, превышающем 300 м, целесообразнее использовать электрические средства автоматизации в соответствующем исполнении. Они характеризуются гораздо меньшим запаздыванием и превосходят пневматические средства по точности измерения (класс точности большинства пневматических приборов — 1,0, электрических — 0,5). Кроме того, применение электрических средств упрощает внедрение вычислительных машин.

Выбирая датчики и вторичные приборы для совместной работы, следует обращать внимание на согласование выходного сигнала датчика и входного сигнала вторичного прибора.

5. Подбор метрологических характеристик применяемых в схеме СИ

Метрологическая характеристика средства измерений (МХ СИ) — характеристика одного из свойств измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Различают нормированные метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, и действительные метрологические характеристики, определяемые экспериментально. Метрологические характеристики весьма разнообразны, они существенно различаются по значимости и информативности и существенно зависят от типа средств измерений.

Для средств измерений, осуществляющих измерительное преобразование измеряемой физической величины, широко применяют интегральную метрологическую характеристику, которая отражает действительную функцию преобразования (так называемая градуировочная характеристика).

Наряду с интегральными метрологическими характеристиками для средств измерений предусмотрены возможности назначения и контроля множества различных частных характеристик. Часть из них представляет интерес для пользователя, другие принципиально важны только для разработчиков средств измерений. К последним можно отнести такие как:

· длина деления шкалы — расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы;

· длина шкалы — длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками. Линия может быть прямой или кривой, реально выполненной на приборе или воображаемой, и длина шкалы есть расстояние вдоль этой линии между нижним и верхним пределами шкалы;

· чувствительность средства измерений (чувствительность) — свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины;

· диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний) — область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы;

· диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) — область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений;

· вариация показаний измерительного прибора (вариация показаний) — разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины;

· порог чувствительности средства измерений (порог чувствительности) — характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством;

· зона нечувствительности средства измерений (зона нечувствительности) — диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда эту зону называют мертвой;

· дрейф показаний средства измерений (дрейф показаний) — изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Для выбора номенклатуры и назначения метрологических характеристик важно определить вид конкретного средства измерений, поскольку для разных СИ используют различные МХ и комплексы МХ. Метрологические характеристики средств измерений различных видов существенно отличаются по номенклатуре. Так для однозначной меры набор метрологических характеристик включает значение меры и характеристики ее погрешностей, а для многозначной штриховой меры, измерительного преобразователя или прибора состав комплекса МХ значительно расширен, а сами комплексы могут существенно различаться между собой.

Метрологические характеристики средств измерений по ГОСТ 8.009−84 делят на следующие группы:

· характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). Такие МХ можно назвать номинальными;

· характеристики погрешностей СИ;

· характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам, которые тоже можно отнести к характеристикам погрешностей;

· динамические характеристики СИ;

· неинформативные параметры выходного сигнала СИ.

Номинальные метрологические характеристики мер однозначной и многозначной включают значения мер, представляемые именованными числами. Для однозначной меры это одно номинальное значение Y, а для многозначной меры — множество значений Yi. Для штриховых многозначных мер обязательны также характеристики, связанные со шкалой (рассматриваются ниже вместе с другими МХ аналоговых СИ). Для любых мер кроме номинальных значений обязательно нормируются характеристики погрешностей.

В качестве интегральной метрологической характеристики как измерительного преобразователя, так и измерительного прибора может использоваться функция преобразования, представленная в табличной или графической форме. Такая функция может быть номинальной характеристикой группы однородных СИ, либо реальной градуировочной характеристикой конкретного СИ. Градуировочная характеристика конкретного экземпляра преобразующего СИ может быть получена в виде единичной реализации, пучка реализаций или оценки, полученной в результате комплексирования пучка единичных реализаций.

Под градуировкой понимают определение градуировочной характеристики средства измерений. Определение градуировочной характеристики нестандартизованного СИ и оформление ее на шкале прибора соответствует понятию градуировки как метрологического мероприятия, поскольку в этом случае используют полученные в ходе исследований конкретные реализации зависимостей между величинами на входе и на выходе средства измерений.

Градуировкой в узком смысле называют также нанесение отметок на шкалу прибора, например осуществляемую типографским методом, что соответствует воспроизведению на приборе номинальной функции преобразования СИ. Такое понятие градуировки отражает технологическую сторону нанесения отметок шкалы прибора.

Набор частных МХ измерительного преобразователя может включать такие номинальные характеристики, как диапазон и пределы преобразования, чувствительность СИ, вид выходного кода и число разрядов выходного кода, цена единицы наименьшего разряда кода, номинальная ступень квантования. Остальные МХ выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительных приборов.

Основные метрологические характеристики средства измерений - ДМ3583М:

Ш Дифманометры выпускаются с верхними пределами измерений соответствующими ряду: 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25 кПа (160, 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; кгс/м²) 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630 кПа (0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3 кгс/см²).

Ш Дифманометры с верхними пределами измерений 1,6 и 2,5 кПа (160 и 250 кгс/м²) предназначены только для преобразования в выходной сигнал измеряемых параметров газа из-за смещения «нуля» вызванного разностью столба жидкости между мембранными коробками.

Ш Предельно допускаемое рабочее избыточное давление дифманометров — 16 МПа (160 кгс/см²).

Ш Пределы изменения взаимной индуктивности:

для ДМ-3583М — 0 — 10 мГ;

для ДМ-3583МФ — 10 — 0 — 10 мГ.

Ш Питание первичной обмотки дифтрансформаторного преобразователя дифманометров осуществляется от вторичного прибора переменным током частотой 50±1 Гц величиной 0,125 А для ДМ-3583М и 0.32 А для ДМ-3583ФМ.

Ш Дифманометры испытываются на герметичность гидравлическим давлением равным 16 МПа (160 кгс/см²) и на прочность — 24 МПa (240 кгс/см²).

Ш Класс точности дифманометров — 1,0 и 1,5.

Ш Пределы допускаемой основной погрешности дифманометра, в процентах от предельного номинального перепада давления:

для дифманометров-перепадомеров и уровнемеров — ±1,0; ±1,5;

Ш Вариация значения выходного сигнала не должна превышать абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности.

Основные метрологические характеристики средства измерений - КСД3:

Ш Индикация: круговая шкала d250 мм; длина 560 мм.

Ш Сигнализация: 2-позиционное или 3-позиционное сигнальное устройство с независимыми установками и контактным выходом, позволяющем коммутировать нагрузку при силе переменного или постоянного тока до 0,13 А и напряжении до 127 В.

Ш Регистрация: дисковая диаграмма d250 мм.

Ш Регулирование: 100% реостатный задатчик (сопротивление не менее 150 Ом), электрическое позиционное с двумя независимыми уставками нижнего и верхнего пределов зоны регулирования («много», «мало») и контактным выходом (два реле РЭК28−1), контакты позволяют коммутировать нагрузку при силе переменного или постоянного тока до 1 А и напряжении до 220 В.

Ш Преобразование входного сигнала:

в выходной унифицированный непрерывный токовый сигнал 0−5 мА;

в выходной переменный электрический сигнал прямоугольной формы частоты 4−8 кГц;

в выходной унифицированный пневматический сигнал 0,2−1,0 кгс/кв. см (20−100 кПа).

Ш Основная погрешность, %:

показаний: 1,0

по токовому преобразованию: 1.5

по частотному преобразованию: 1,5; 2,5

регистрации: 1,5

регулирования: 2,5.

Основные метрологические характеристики средства измерений - МЕТРАН:

Ш Выходные сигналы

импульсный пассивный типа «замкнуто» /" разомкнуто" - оптопара (ОП);

токовый 4−20 (20−4) мА;

цифровой протокол HART;

цифровой протокол ModBus RTU/RS485;

3-х строчный ЖКИ;

Ш Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении объема по импульсным сигналам и интерфейсу RS485 при расходах:

±1,0% - при расходах от Q₂ до Q_max;

±1,5% - при расходах от Q₁ до Q₂;

±3,0% - при расходах от Q_min до Q₁

Ш Питание: от внешнего источника постоянного тока напряжением 16…36 В с амплитудой пульсации напряжения источника не более 200 мВ.

Ш Потребляемая мощность преобразователя не превышает 3,6 Вт.

Основные метрологические характеристики средства измерений - ДИСК-250:

Ш Входные сигналы:

от термопар ПР (В), ПП (8), ХА (К), ХК (L), ВР (А-1, А-2, А-3), HH (N);

от термопреобразователей сопротивления 50П, 100П, 50 М, 100 М;

напряжения: (0−50), (0−100) мВ и (0−10), (0−5) В;

тока (0−5) и (4−20) мА;

от тензорезисторов;

от пирометров радиационных.

Ш Погрешность основная:

±0,5% от нормирующего значения по показаниям и преобразованию;

±1% от нормирующего значения по регистрации, регулированию и сигнализации.