Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor
.pdfВ. Г. Муратов
МЕТРОЛОГІЯ, ТЕХНОЛОГІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ ТА
ПРИЛАДИ
Навчальний посібник
Рекомендовано Міністерством освіти і науки, молоді та спорту
України як навчальний посібник для вищих навчальних закладів
Київ «Освіта України»
2012
УДК 006.91 (075.8) ББК 30.10я73
М 91
Рекомендовано Міністерством освіти і науки, молоді та спорту України як навчальний посібник для студентів вищих закладів за спеціальністю
«Автоматизоване управління технологічними процесами»
(Лист № 1/11-474 від 16.01.2012)
М 91 В. Г. Муратов.
Метрологія, технологічні вимірювання та прилади: Навчальний посібник для студентів спеціальності 7.092500 «Автоматизоване управління технологічними процесами». - К.: Освіта України, 2012. - 352 с.
ISBN 978-966-188-287-3
Навчальний посібник присвячений питанням сучасної метрології, що нерозривно пов’язана із стандартизацією і сертифікацією, управлінням якістю та безпечністю харчових продуктів, вимірюванням параметрів технологічних процесів харчових виробництв. Приведені традиційні та новітні методи і засоби вимірювання та контролю, підвищення їх точності.
Особлива увага приділена мікропроцесорним та іншим засобам сучасної вимірювальної техніки, що широко використовуються в технологічних процесах харчових виробництв України. Розглянуті принципи розробки і модернізації вимірювальноінформаційних систем в промисловості.
Для студентів ВУЗів і спеціалістів з автоматизації технологічних процесів. Навчальний посібник може бути корисним також для студентів і спеціалістів-технологів харчових та інших виробництв.
УДК 006.91 (075.8) |
ББК 30.10я73 |
ISBN 978-966-188-287-3 |
© Муратов В. Г. 2012 |
ЗМІСТ
ВСТУП.................................................................................................. |
9 |
Модуль 1. |
|
МЕТРОЛОГІЯ, СТАНДАРТИЗАЦІЯ, СЕРТИФІКАЦІЯ......... |
11 |
1. Основні поняття............................................................................ |
11 |
1.1. Стандартизація, сертифікація, метрологія........................... |
11 |
1.1.1. Стандартизація............................................................... |
11 |
1.1.2. Сертифікація.................................................................. |
13 |
1.1.3. Метрологія ..................................................................... |
14 |
1.2. Предмет метрології................................................................. |
16 |
1.3. Одиниці фізичних величин і їх системи ............................. |
17 |
1.3.1. Історичні відомості про міри і ваги............................. |
17 |
1.3.1.1. Російські міри.............................................................. |
17 |
1.3.1.2. Англійські міри............................................................ |
18 |
1.3.1.3. Метричні міри ............................................................ |
19 |
1.4. Принципи побудови систем одиниць фізичних |
|
величин..................................................................................... |
21 |
1.5. Сучасні системи одиниць фізичних величин....................... |
22 |
1.6. Міжнародні й національні організації з метрології............ |
27 |
1.7. Склад метрологічного забезпечення .................................... |
32 |
1.8. Повірка і калібрування ЗВТ. Методи повірки |
|
(калібрування) .......................................................................... |
33 |
1.9. Еталони і повірочні схеми .................................................... |
38 |
1.10. Вимірювання, контроль і випробування ............................ |
44 |
1.10.1. Засоби вимірювальної техніки та їхні елементи...... |
44 |
1.10.2. Пізнавальні операції вимірювання, контролю |
|
і випробування................................................................... |
47 |
1.11. Види і методи вимірювань................................................... |
52 |
4
2. Основи теорії похибок.................................................................. |
56 |
2.1. Похибки прямих вимірювань................................................ |
56 |
2.2. Ймовірнісна оцінка похибок вимірювань............................ |
61 |
2.3. Похибки непрямих вимірювань............................................ |
66 |
2.4. Методи зниження похибок .................................................... |
68 |
2.4.1. Класифікація.................................................................. |
68 |
2.4.2. Структурні методи зниження систематичних |
|
похибок .............................................................................. |
70 |
2.4.3. Алгоритмічні методи зниження систематичних |
|
похибок............................................................................... |
73 |
2.4.4. Програмні методи.......................................................... |
76 |
3. Характеристики і параметри ЗВТ............................................. |
77 |
3.1. Статичні характеристики ...................................................... |
77 |
3.2. Динамічні характеристики..................................................... |
83 |
3.3. Метрологічні характеристики ЗВТ ...................................... |
90 |
3.4. Нормування характеристик похибок.................................... |
91 |
3.5. Вимірювальний експеримент і методики виконання |
|
вимірювань............................................................................... |
93 |
3.5.1. Планування вимірювального експерименту............... |
93 |
3.5.2. Технічна й правова сутність методики виконання |
|
вимірювання....................................................................... |
95 |
3.5.3. Типові і часткові методики виконання вимірювань... |
96 |
4. Організація нагляду за вимірювальною технікою |
|
на підприємстві ................................................................................. |
97 |
4.1. Метрологічна атестація ЗВТ.................................................. |
97 |
4.2. Державні випробування ЗВТ................................................. |
98 |
4.3. Організація й завдання метрологічної служби |
|
підприємства.......................................................................... |
100 |
4.4. Приміщення для вимірювальної лабораторії..................... |
105 |
5. Системи якості та безпечності. Керування якістю |
|
і безпечністю продукції.................................................................. |
106 |
5.1. Характеристики і методи оцінки якості продукції............ |
106 |
5.2. Системи якості продукції..................................................... |
108 |
5.3. Системи управління безпечністю харчових продуктів..... |
110 |
5.4. Сертифікація продукції та систем якості й безпечності... |
116 |
5.5. Атестація виробництва......................................................... |
120 |
|
5 |
Модуль 2. |
|
ПРИЛАДИ ДСП. ВИМІРЮВАННЯ ПЕРЕМІЩЕНЬ, |
|
ЗУСИЛЬ, ШВИДКОСТІ, ТИСКУ Й ТЕМПЕРАТУРИ............ |
126 |
6. Державна система промислових приладів ............................ |
126 |
7. Вимірювання переміщень, зусиль і швидкості..................... |
134 |
7.1. Релейні ПП ........................................................................... |
134 |
7.2. Резистивні ПП....................................................................... |
138 |
7.3 Індуктивні ПП........................................................................ |
138 |
7.4. Тензометричні ПП................................................................ |
142 |
7.5. П’єзоелектричні ПП............................................................. |
143 |
7.6. ПП Холу................................................................................. |
144 |
7.7. Фотоелектричні ПП. Енкодери............................................ |
145 |
7.8. Пневматичні ПП ................................................................... |
150 |
8. Вимірювання тиску.................................................................... |
151 |
8.1. Рідинні прилади тиску з видимим рівнем.......................... |
152 |
8.2. Пружні чутливі елементи приладів тиску ......................... |
153 |
8.3. Манометри, що показують і сигналізують ........................ |
154 |
8.4. Безшкальні прилади тиску................................................... |
156 |
8.4.1. Датчики-реле тиску..................................................... |
156 |
8.4.2. Манометри дифтрансформаторної системи |
|
вимірювання..................................................................... |
157 |
8.4.3 Манометри з резистивним виходом ........................... |
160 |
8.4.4 Тензометричні прилади тиску..................................... |
161 |
9. Вимірювання температури....................................................... |
163 |
9.1. Вимірювальні прилади і ПП температури........................ |
163 |
9.1.1. Скляні рідинні термометри........................................ |
163 |
9.1.2. Біметалічні термометри.............................................. |
164 |
9.1.3. Дилатометричні термометри...................................... |
165 |
9.1.4. Манометричні термометри......................................... |
166 |
9.1.5. Термоелектричні термометри..................................... |
167 |
9.1.6. Термометри опору....................................................... |
170 |
9.1.7. Термометри з уніфікованим вихідним сигналом..... |
172 |
9.1.8. Фотоелектричні пірометри......................................... |
174 |
10. Вторинні прилади і системи вимірювання температури.... |
177 |
10.1. Пірометричні мілівольтметри............................................ |
177 |
10.2. Логометри............................................................................ |
179 |
6
10.3. Автоматичні компенсаційні потенціометри .................... |
181 |
10.4. Автоматичні компенсаційні мости.................................... |
184 |
10.5. Автоматичні реєструючі прилади серій РП160 |
|
і Диск-250 ............................................................................... |
186 |
10.6. Нормуючі перетворювачі................................................... |
191 |
10.7. Цифрові вимірювачі температури..................................... |
194 |
10.8 Мікропроцесорні реєстратори — логери.......................... |
201 |
Модуль 3. |
|
ВИМІРЮВАННЯ РІВНЯ, ВИТРАТИ, МАСИ І СКЛАДУ...... |
207 |
11. Вимірювання рівня................................................................... |
207 |
11.1. Гідростатичні ЗВТ рівня рідин.......................................... |
207 |
11.2. Механічні ЗВТ рівня сипучих матеріалів......................... |
209 |
11.3. Вагові ЗВТ рівня рідких і сипучих матеріалів................. |
210 |
11.4. Кондуктометричні ЗВТ рівня рідин ................................. |
210 |
11.5. Ємнісні ЗВТ рівня рідких і сипучих матеріалів.............. |
212 |
11.6. Вібраційні ЗВТ рівня рідких і сипучих матеріалів ........ |
213 |
11.7. Акустичні й ультразвукові ЗВТ рівня рідких |
|
і сипучих матеріалів.............................................................. |
214 |
12. Вимірювання витрат і кількості рідин та газів.................. |
215 |
12.1. Витратоміри змінного перепаду тиску............................. |
215 |
12.2. Витратоміри постійного перепаду тиску ........................ |
219 |
12.3. Тахометричні витратоміри................................................. |
221 |
12.4. Індукційні витратоміри...................................................... |
224 |
12.5. Ультразвукові витратоміри................................................. |
226 |
12.6. Вихрові витратоміри .......................................................... |
229 |
12.7. Масові коріолисові витратоміри....................................... |
231 |
13. Вимірювання маси і дозування.............................................. |
234 |
13.1. Важільні ваги ...................................................................... |
235 |
13.2. Циферблатні ваги................................................................ |
237 |
13.3. Пружинні ваги..................................................................... |
238 |
13.4. Автоматичні дозатори ........................................................ |
238 |
13.5. Масові витратоміри двофазних потоків........................... |
243 |
14. Вимірювання складу рідин..................................................... |
246 |
14.1. Кондуктометричні аналізатори складу рідини................ |
248 |
14.2. Потенциометричні аналізатори складу рідини................ |
254 |
|
7 |
14.3. Оптичні аналізатори складу рідини.................................. |
258 |
15. Вимірювання складу газів...................................................... |
264 |
15.1. Газоаналізатори хімічні й теплові..................................... |
265 |
15.2. Газоаналізатори магнітні і оптичні................................... |
267 |
15.3. Газоаналізатори хроматографічні...................................... |
271 |
Модуль 4. |
|
ВИМІРЮВАННЯ ВОЛОГОСТІ, ГУСТИНИ, В’ЯЗКОСТІ, |
|
СПОЖИВАННЯ. ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ |
|
СИСТЕМИ.КОНТРОЛЬ ПРОМИСЛОВИХ ВИКИДІВ І |
|
ЗАБРУДНЕННЯ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА....... |
276 |
16. Вимірювання вологості газів.................................................. |
276 |
16.1. Психрометричний метод.................................................... |
277 |
16.2. Метод «точки роси» ........................................................... |
279 |
16.3. Сорбційні методи................................................................ |
280 |
17. Вимірювання вологості твердих і сипучих матеріалів..... |
286 |
17.1. Лабораторні методи визначення вологості матеріалів.... |
288 |
17.2. Кондуктометричні й діелькометричні вологоміри.......... |
289 |
17.3. НВЧ-вологоміри.................................................................. |
290 |
17.4. Інфрачервоні вологоміри.................................................... |
293 |
18. Вимірювання густини й в’язкості рідини............................ |
296 |
18.1. Густиноміри ........................................................................ |
296 |
18.2. Віскозиметри....................................................................... |
301 |
19. Інформаційно-вимірювальні системи .................................. |
304 |
19.1. Призначення, архітектура, функції................................... |
304 |
19.2. Контроль споживання теплової енергії. Тепломіри........ |
306 |
19.3. Контроль споживання електричної енергії. |
|
Електролічильники................................................................ |
308 |
19.4. Контроль техніко-економічних показників ..................... |
312 |
19.5. Мікропроцесорні контролери у ІВС................................. |
314 |
20. Розробка інформаційно-вимірювальних систем |
|
промислових об’єктів ............................................................... |
326 |
20.1. Принципи побудови ІВС.................................................... |
326 |
20.2. Позначення ЗВТ на схемах автоматизації........................ |
328 |
20.3. Розробка ІВС і принципи вибору типових ЗВТ .............. |
330 |
8
21. Контроль промислових викидів і забруднення |
|
навколишнього середовища ......................................................... |
342 |
21.1. Забруднювачі навколишнього середовища ..................... |
342 |
21.2. Методи вимірювання концентрацій забруднювачів........ |
344 |
ДОДАТОК А |
|
Переводні множники одиниць вимірювання................................. |
349 |
ВСТУП
Курс«Метрологія, технологічнівимірюваннятаприлади(МТВП)» є одним з основних курсів підготовки фахівців для служб метрології, контрольно-вимірювальних приладів і автоматики (КВПіА) харчових підприємств. Даний курс входить у комплекс програм безперервної підготовки студентів і формує базу знань для освоєння дисциплін «Сучасні технології автоматизації», «Технічні засоби автоматизації», «Проектування систем автоматизації» та інші.
Особливістю матеріалу даного навчального посібника є новизна ряду розділів, пов’язана зі стрімкими змінами в області стандартизації, метрології й сертифікації, які спрямовані на гармонізацію міжнародних відносин України з розвиненими країнами Європейського й Світового співтовариства. У навчальному посібнику, крім того, розглянуті новітні досягнення в галузі мікропроцесорних та інших засобів вимірювальної техніки (ЗВТ) для харчових виробництв, що не були раніше описані в навчальній літературі.
У результаті вивчення курсу «МТВП» студент повинен знати:
yпредмет і завдання законодавчої, фундаментальної й практичної метрології;
yцілі й завдання міжнародних, регіональних і національних організацій по забезпеченню єдності й вірності вимірів; склад метрологічного забезпечення й еталонної бази України;
yосновні види й методи вимірювань, контролю й випробувань;
yвиди похибок вимірювань і ЗВТ, причини виникнення й методи їх усунення або зниження;
yметоди повірки й калібрування, організацію нагляду за ЗВТ на підприємстві, вимоги до вимірювальної лабораторії;
yорганізаціюсистемкеруванняякістю, безпечністютасертифікації продукції;
10 |
Вступ |
|
|
yпринципи й правила сертифікації систем якості і безпечності та атестації виробництва;
yкласифікації й порівняльні характеристики методів вимірювань основних параметрів технологічних процесів харчових виробництв і забруднювачів продуктів та навколишнього середовища;
yкласифікації, принципи дії, конструкції й характеристики ЗВТ, для вимірювання основних технологічних параметрів харчових виробництв;
yпринципи й техніку організації вимірювально-інформаційних систем різної складності в промисловості.
По закінченню курсу МТВП студент повинен вміти розробляти
багаторівневі та інші системи автоматизованого контролю (САК) різних технологічних процесів і раціонально вибирати типові ЗВТ для реалізації цих систем.
Матеріали навчального посібника за курсом МТВП викладені в чотирьох частинах по кількості змістовних модулів лекційного матеріалу:
Модуль 1. Метрологія, стандартизація, сертифікація.
Модуль 2. Прилади ДСП. Вимірювання переміщень, зусиль, швидкості, тиску та температури.
Модуль 3. Вимірювання рівня, витрат, маси і складу.
Модуль 4. Вимірювання вологості, густини, в’язкості та енергоспоживання. Вимірювально-інформаційні системи. Контроль промислових викидів і забруднення навколишнього середовища.
Навчальний посібник розрахований на студентів, що навчаються за фахом 7.092501, але може бути корисним і студентами інших спеціальностей ВУЗа всіх форм навчання.