Метрологічне забезпечення технологічних процесів

Вступ

Любий технологічний процес вимагає здійснення якихось операцій, зв’язаних з вимірюванням. Візьмемо для прикладу процес приготування їжі. В любому рецепті (описі техпроцесу) ви зустрінете такі вирази, для прикладу – взяти дві столові ложки (25 г) муки, одну чайну ложку (5 г) цукру, долити стакан молока (200 мл) і т.д. Тобто використовуються якісь робочі міри. Використння мір і є по суті метрологічним забезпеченням технологічного процесу. У виробництві, звичайно, також використовується методи контролю технологічних процесів. Відомо з історії, що, наприклад, процес контролю горіння в котельнях здійснювався по почорнінню скла – чим більше покрито скло кіптявою, тим менш ефективно здійснюється процес горіння (не вистачає кисню). Процес бродіння контролювали за допомогою свічки, що горить. Якщо свічка гасне в технологічній емності, то процес бродіння іде інтенсивно (виділяється велика кількість СО₂). Звичайно, на сучасному етапі використовуються більш складні технологічні процеси, які вимагають більш складних засобів вимірювальної техніки. Найбільш складні технологічні процеси використовуються в хімічній промисловості, в харчовій промисловості. В сучасному машинобудуванні і приладобудуванні теж використовуються складні технологічні процеси, які вимагають метрологічного контролю. Звичайно, всі технологічні процеси виробництва мають бути керовані, контрольовані і автоматизовані. Без цього не може бути сучасного виробництва, яке забезпечує відповідну якість продукції, низьку ціну при масовому виробництві і хорошу конкурентноздатність. Для контролю процесу використовують різні датчики, які контролюють певний параметр, наприклад температуру, тиск, рівень рідиниі, кількість виробленої продукції і т.д. (див. рис.1).

Рис. 1. Система керування рівня. Трубка огляду й око оператора формують датчик (пристрій, що перетворить інформацію в електричний сигнал).

Інформація з датчиків поступає на ком’ютер, який керує процесом відповідно до заданної програми, підтримує певну температуру, тиск, рівень рідини і т.д. за рахунок виконуючих і сигналізуючих пристроїв. Ясно, що всі ці пристрої, датчики мають певні неточності, похибки. Тому в процесі виробництва треба вибирати датчики і виконуючі пристрої з певними метрологічнини параметрами і підтимувати ці параметри в процесі їх експлуатації. Для цього на заводах і виробництвах створюється служба головного метролога, яка займається підбором обладнання з точки зору їх метрологічних параметрів і підтримкою цих параметрів: періодично проводять повірку засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), проводять перевірку відновідності параметрів реєструючих і виконуючих пристроїв. На підприємствах створюється також служба контрольно-вимірювальних приладів, яка займається монтажем і експлуатацією цих приладів і пристроїв. Ну і звичайно має бути служба головного технолога, яка і визначає, які саме технологічні процеси мають бути впроваджені для виробництва певної продукції. Тобто служба задає фактично програму, що керує технологічним процесом, і яка має бути встановлена на комп’ютер.

1. Приклади систем керування технологічними процесами.

Розглянемо як працює система керування технологічним процесом і яка складається з датчиків, виконуючих пристроїв і контролера або комп’ютера. Датчик не функціонує окремо; це завжди - частина більшої системи, що може включити багато інших датчиків, сигнальних формувачів, сигнальних процесорів, пристроїв пам'яті, реєстраторів даних, і виконуючих пристроїв. Датчик може бути розміщений у будь-якому пристрої усередині чи зовні. Він може бути розміщений на вході пристрою, щоб відчувати зовнішні ефекти й сповіщати систему про варіації в зовнішніх впливах. Крім того, це може бути внутрішня частина пристрою, що контролює сам пристрій щоб підтримувати його робочий стан. Датчик завжди частина деякої системи одержання і нагромадження даних. Часто, така система може бути частиною більшої системи керування, що включає різні механізми зворотного зв'язку.

Рис. 2. Положення датчиків у системі одержання і нагромадження даних. Датчик 1 є безконтактним, датчики 2 і 3 пасивні, датчик 4 є активним, і датчик 5 є внутрішнім у системі одержання і нагромадження даних.

Щоб проілюструвати місце датчиків у більшій системі, на рис. 2. наведена блок-схема одержання і нагромадження даних і керуючого пристрою. Об'єкт може бути всім чим завгодно: автомобілем, космічним кораблем, твариною чи людиною, рідиною чи газом. Любий матеріальний об'єкт може стати предметом деяких типів вимірів. Дані про об'єкт збираються багатьма датчиками. Деякі з них (2, 3, і 4) розміщені безпосередньо на об'єкті чи в ньому. Датчик 1 відчуває об'єкт без фізичного контакту і, тому, він є безконтактним датчиком. Приклади такого датчика - радіаційний датчик і телевізійна камера. Навіть якщо ми говоримо "безконтактний", ми пам'ятаємо, що енергетична передача завжди відбувається між будь-яким датчиком і об'єктом. Датчик 5 служить для різних цілей. Він контролює внутрішні умови самої системи збору даних. Деякі датчики (1 і 3) не можуть бути безпосередньо зв'язані з стандартними електронними колами через несумісність формату вихідних сигналів. Вони вимагають використання інтерфейсних пристроїв (формувачів сигналів). Датчики 1, 2, 3, і 5 пасивні. Вони виробляють електричні сигнали без споживання енергії від електронних ланцюгів. Датчик 4 є активним. Це вимагає операційного сигналу, що надається ланцюгом збудження. Цей сигнал модифікується датчиком відповідно до перетворення інформації. Приклад активного датчика - терморезистор, що є резистором чуттєвим до температури. Він може працювати з джерелом постійного струму, що і є ланцюгом збудження.

У залежності від складності системи, загальна кількість датчиків може змінюватися від одного (домашній холодильник) до багатьох тисяч (космічний шатл). Електричні сигнали від датчиків надходять у мультиплексор (MUX), що є перемикачем чи схемою. Його функція - з'єднувати по черзі датчики з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП), якщо датчик видає аналоговий сигнал; чи безпосередньо з комп'ютером, якщо датчик видає сигнали в цифровому форматі. Комп'ютер керує мультиплексом і АЦП для відповідного вибору часу. Крім того, він може послати керуючі сигнали у виконавчий пристрій, що діє на об'єкт. Приклади виконавчого пристрою - електродвигун, соленоїд, реле, і пневматичний клапан. Система містить деякі периферійні пристрої (наприклад, реєстратор даних, дисплей, сигналізатор тривоги, і т.д.). і багато інших компонентів не показаних на блок-схемі. Це можуть бути фільтри, схеми вибірки і збереження, підсилювачі, і т.д.

Щоб проілюструвати, як така система працює, розглянемо простий пристрій контролю дверей автомобіля. Кожні двері в автомобілі мають датчик, що контролює положення дверей (відкрита чи закрита). У більшості автомобілів датчик - простий електричний вимикач. Сигнали датчиків від усіх дверей йдуть у внутрішній мікропроцесор автомобіля (тут немає потреби в АЦП, тому що всі дверні сигнали приходять у цифровому форматі: 1 чи 0). Мікропроцесор ідентифікує, які двері відкриті і посилає сигнал керування в периферійний пристрій (індикація на панелі приладів й акустичний аварійний сигнал). Автомобільний драйвер (виконавчий пристрій) одержує повідомлення і впливає на об'єкт (закриває двері).

Ще одним прикладом може бути «чиста кімната» в якій можна виконувати багато високотехнологічних операцій, наприлад виготовлення напіпровідникових датчиків, чипів, відновлення даних на сучасних жорстких дисках. Чиста кімната – це споруда, в якій регулюється концентрація часток пилу та підтримується специфічний мікроклімат. Клас чистоти, скажімо, 100 означає, що в одному кубічному футі повітря може бути не більше 100 часток пилу розміром 0,5 мікрона. Розмір чистої кімнати залежить від виробничих потреб. Наприклад фірма «Intel» має «чисту кімнату» розміром в 3 футбольних поля. Використовіється спеціальний одяг, який захищає «чисту кімнату» від забруднення працівниками.

Рис.3. Відновлення даних на жорстких дисках.

Звичайно, для підтримання таких умов і мікроклімату, потрібна система фільтрів, приточно витяжна вентиляція, система опалення і охолодження, система підтримки певного рівня вологості і т.д. Для всього цього, потрібні датчики запилення фільтрів, рівня пилу в приміщенні, температури і вологості повітря, тиску, повітряного потоку і т.д. Всі ці датчики об’єднані в систему контролю, якою управляє комп’ютер.

Рис. 4. Різноманіття датчиків, виконавчих пристроїв і попереджуючих сигналів є частинами сучасної системи безпеки транспортних засобів. (Люб'язно надано компанією по виробництву автомобілів Ніссан).

Інший приклад складної комбінації різних датчиків, виконуючих пристроїв, і індикаторних сигналів ілюструє рис. 4. Це – Прогресивна система безпеки транспортних засобів (Advanced Safety Vehicle - ASV), що розробляє Ніссан. Система націлена на збільшення безпеки автомобіля. Серед багато чого іншого, вона включає систему попередження сонливості і систему звільнення від сонливості. Це може бути датчик руху очного яблука і датчик нахилу голови водія. Мікрохвильові, надзвукові й інфрачервоні вимірювальні датчики включені в сучасну систему екстреного гальмування для включення аварійного миготливого світіння перед тим як водій почне аварійне гальмування, у такий спосіб попереджаючи водія наступного транспортного засобу про необхідність почати відхилення від зіткнення. Система попередження перешкоди включає як радар так і інфрачервоні датчики (IR). Адаптивна система автоматичного регулювання швидкості (cruise control) включається якщо водій наближається занадто близько до попереднього автомобілю: швидкість автоматично скидається, щоб підтримати безпечну відстань. Система контролю пішохода виявляє і попереджає про небезпеку водія у випадку присутності пішоходів вночі й у мертвих зонах автомобіля. Система контролю траси допомагає, коли система виявляє і визначає відхилення від початкової траси наміченої водієм. Система попереджає й у разі потреби автоматично регулює транспортний засіб, перешкоджаючи тому, щоб він відхилилося від заданого маршруту.

2. Одиниці виміру

Тут ми будемо використовувати основні одиниці, що були встановлені 14-ої Загальною конференцією мір і ваг (1971). Основна система виміру відома як СІ, абревіатура французького “Le Systeme International d'Unіtеs” (Таблиця 1) [4].

Всі інші фізичні величини - похідні цих основних одиниць. Часто не зручно використовувати основні чи похідні одиниці; дійсно, значення можуть чи бути занадто великими чи занадто маленькими. Для зручності в інженерній роботі звичайно використовуються помножені чи поділені одиниці. Вони можуть бути отримані множенням одиниці на фактор. Наприклад, 1 ампер (A) може бути помножений на коефіцієнт 10^-3, щоб одержати меншу одиницю: 1 міліампер (мА), що є тисячною часткою ампера.

Іноді використовуються інші системи одиниць. Це - Гаусова система і Британська система (її модифікацію в Сполучених Штатах називають «U.S.Customary System»). Сполучені Штати - єдина розвинута країна в який СІ не використовується широко.

Однак, з кінцем комунізму і посиленням світової інтеграції, міжнародне співробітництво одержує додатковий імпульс. Отже, Сполучені Штати перейдуть на СІ у майбутньому, і це неминуче, хоча можливо не при нашому житті. Тут ми будемо в основному використовувати систему СІ; однак для зручності ми будемо користатися й американськими загальноприйнятими одиницями, якщо американські виробники використовують їх для специфікації датчиків. Для перетворення до СІ інших систем читач може використовувати Табл. 2. Для перетворення одиниць не із СІ необхідно їх помножити на коефіцієнт із таблиці.

Наприклад, перетворіть прискорення 55 фут/с² до СІ. Воно повинне бути помножене на 0.3048: 55ft/s² ·0.3048=16.764 m/s²

Таблиця 1.

Основні одиниці СІ

Величина	Назви	Символ	Визначена як (рік уведення)
Довжина Маса Час Електричний струм Термодинамічна температура Кількість речовини Інтенсивність світіння Плоский кут Тілесний кут	Метр Кілограм Секунда Ампер Градус Кельвіна Моль Свіча Радіан Стерадіан	м кг сек а 0К моль св рад стер	довжина шляху проходження світла у вакуумі за 1/299,792,458 секунди. (1983) Відповідає платино-іридієвому прототипу (1889) тривалість 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію 133 (1967) Сила, рівна 2·10-7 н·м, що виявляється в двох рівнобіжних провідниках у вакуумі, коли по них пропускають струм (1946) Температура потрійного точки води 273.160К (1967) Кількість речовини, що містить так багато часток речовини, як атомів у 0.012 кг вуглецю 12 (1971) Інтенсивність у перпендикулярному напрямку до поверхні 1/600,000 м2 абсолютно чорного тіла при температурі заморожування Pt під тиском 101 325 н·м2 (1967) Додаткова одиниця Додаткова одиниця

Таблиця 2.

Перетворення одиниць у СІ

Найменування одиниці	Скорочене позначення	Значення в од. СІ
Ярд (Брит.) Ярд (США) Ярд Фут Дюйм Миля Миля морська Галон (Брит.) Галон (США) Пінта (Брит..) Барель (США) для бензину Фунт (торговий) Фунт (Брит.) Фунт (США) Унція Торр Кінська сила (Брит.)	yd (UK) yd (US) yd ft in mile n. mile gal (UK) gal (US) pt (UK) - lb lb(UK) lb(US) oz - hp	0,9143984 м 0,9144018 м 0,9144 м (точно) 0.3048 м (точно) 0,0254 м (точно) 1609,344 м (точно) 1852 м (точно) 4.54609·10-3м3 3,78543·10-3м3 0,568261·10-3м3 158.988·10-3м3 0,453559237 кг 0,4535592338 кг 0,4535924277 кг 28,3495·10-3 кг 133,322 н/м2 745,700 Вт