- •Кафедра «Пищевые машины»
- •Ю.М. Березовский
- •Содержание
- •Тема 1. Метрология…………………………...…………………..……………...... 5
- •Тема 2. Измерения параметров технологических и вспомогательных процессов…………………………………………………………………………....26
- •2.3. Измерение влажности воздуха и газов…….…………………………………42
- •Тема 3. Взаимозаменяемость……………………………………………….……..44
- •Тема 4. Стандартизация и сертификация………………………..……………….66
- •Введение
- •Тема 1. Метрология.
- •1.1. Предмет метрологии. Основные определения.
- •1.2. История развития метрологии.
- •1.3. Измерения и средства измерений.
- •1.3.1. Классификация измерений.
- •1.3.4. Механические средства измерения длины.
- •1.3.6. Измерение шероховатости поверхности.
- •1.3.7. Электромеханические приборы.
- •1.4. Погрешность измерений. Обработка результатов измерений.
- •1.4.3. Измерительный контроль.
- •Вопросы для самоконтроля по теме:
- •Тема 2. Измерение параметров технологических и вспомогательных процессов.
- •2.1. Измерение температуры и давления
- •Погрешности термометров расширения
- •Погрешности манометрических термометров
- •Физические основы первичных преобразователей давления
- •Деформационные преобразователи
- •2.2. Измерение расходов и уровня жидкостей и сыпучих материалов.
- •2.3. Измерение влажности воздуха и газов.
- •Вопросы для самоконтроля по теме:
- •Тема 3. Взаимозаменяемость.
- •3.1. Определения. Виды взаимозаменяемости.
- •3.2. Расчет и выбор посадок.
- •3.2.1.Гладкие цилиндрические соединения.
- •Рекомендуемые поля допусков для посадок подшипников
- •Допускаемые интенсивности нагрузок на посадочные поверхности вала
- •3.2.2. Резьбовые соединения.
- •3.2.3. Шпоночные и шлицевые соединения.
- •3.2.4. Зубчатые передачи.
- •3.2.5. Размерные цепи.
- •Вопросы для самоконтроля по теме:
- •Тема 4. Стандартизация и сертификация.
- •4.1. Федеральный закон «о техническом регулировании в рф»
- •4.1.1. Определения стандарта, декларации, сертификата, технического регламента.
- •4.1.2. Цели, объекты, формы и принципы подтверждения соответствия.
- •4.1.3. Система сертификации.
- •4.2. Стандарты и стандартизация в технике.
- •4.2.1. Виды стандартов.
- •4.2.2. Принципы стандартизации.
- •4.2.3. Стандарты в приборо- и машиностроении.
- •Вопросы для самоконтроля по теме:
- •Перечень лабораторных работ
- •Тесты по дисциплине:
- •Список используемой литературы
- •Словарь основных понятий
- •Вступительные экзамены
- •Адрес университета
- •Метрология, стандартизация и сертификация
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Что изучает и какие задачи решает метрология?
2. Приведите основные вехи в развитии метрологии.
3. Дайте классификацию методов и средств измерения.
4. Приведите основные этапы обработки результатов измерения.
Тесты по теме:
1. Поставьте термин эталон в соответствующую формулировку.
1)… - 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.
2)… - средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утверждённое в качестве эталона в установленном порядке.
3)… - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуально для каждого из них.
4)… - отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
2. Каким термином называют значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта? 1) физическая величина; 2) истинное значение; 3) действительное значение.
3. К каким видам измерений относится измерение влажности объекта? 1) к механическим; 2) к физико-химическим; 3) к тепловым.
4. В каком году была подписана семнадцатью государствами и в том числе Россией конвенция по усовершенствованию метрической системы? 1) 1791; 2) 1960; 3) 1983; 4)1875.
5. Какому виду измерений дано следующее определение: одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними? 1) совместные; 2) косвенные; 3) прямые; 4) совокупные.
Тема 2. Измерение параметров технологических и вспомогательных процессов.
2.1. Измерение температуры и давления
Температура связана с кинетической энергией теплового движения частиц и характеризует степень нагретости тела. Единицами температуры являются градусы различных температурных шкал. В системе СИ температура выражается в кельвинах (К);
1оК равен 1/100 температурного интервала между точками кипения воды и таяния льда. Шкала Кельвина является абсолютной температурной шкалой.
Шкала Цельсия является условной температурной шкалой, в которой за нулевую точку принята температура таяния льда. Размер градуса Цельсия (С) равна одному Кельвину (1 С = 1 К).
В ряде зарубежных стран сохранились другие условные температурные шкалы, в частности шкала Фаренгейта. Связь между значениями температуры, выраженными единицами различных шкал, описываются формулами:
Наиболее широкое применение находит контактное измерение температуры тела (газообразного, жидкого или твёрдого), которое основано на теплообмене между ним и чувствительным элементом измерительного прибора и последующим преобразовании температуры чувствительного элемента в другие величины, удобные для восприятия. В практике чувствительный элемент может оказаться под воздействием посторонних тепловых потоков, которые приводят к отклонению его температуры от температуры измеряемого тела и, как следствие, к погрешностям измерений. Поэтому одно из основных требований к методам измерений температуры это обеспечение наименьшего термического сопротивления между чувствительным элементом прибора и измеряемым телом и изоляции чувствительного элемента от посторонних тепловых потоков.
Первичные преобразователи температуры.
Для контактного измерения температуры используют следующие типы первичных преобразователей:
- стеклянные жидкостные преобразователи, основанные на тепловом расширении жидкостей;
- манометрические преобразователи, в которых измерение температуры преобразуется в измерение давления жидкости, пара или газа;
- термоэлектрические преобразователи, в которых под воздействием температуры генерируется термо-ЭДС постоянного тока;
- термопреобразователи сопротивления, в которых используется зависимость удельного сопротивления проводника или полупроводника от температуры.
Преобразователи стеклянных жидкостных термометров.
Такие преобразователи служат для лабораторных и технических измерений в области температур от –90 до +2000С. Действие этих преобразователей основано на объёмном расширении жидкости при постоянном давлении. Выходной величиной является изменение длины столбика жидкости. Термометры различают по виду термометрической жидкости. В промышленности применяют следующие термометрические жидкости: ртуть в области температур –30 +2000С, спирт –50 +500С, толуол -80 +600С. Схема простейшего преобразователя приведена на рис.IY-1, стр.92 [3].
Рис. IV – 1.Схема преобразователей стеклянных жидкостных термометров:
а – обычный; б – с укороченным диапазоном температур; в – метастатический (Бекмана).
заполняет капилляр. Его размеры выбираются так, чтобы при температуре, равной верхнему пределу измерений, жидкость заполнила капилляр на длине L. Функция преобразования имеет вид х = At – B,
где х - длина заполненной части капилляра; t - измеряемая температура.
A = vo/S, B = tH(vo/S),
где tH - начальная температура (нижний предел измерений); vo - объём жидкости при начальной температуре; S - площадь поперечного сечения канала капилляра; - видимый коэффициент расширения термометрической жидкости:
= ж - ст,
где ж и ст - истинные коэффициенты расширения жидкости и стекла.
Функция преобразования линейна относительно температуры, что позволяет иметь равномерные шкалы.
Для особо точных измерений (порядка 0,001-0,010С) небольших диапазонов изменения температуры используются метастатический преобразователь (термометр Бекмана).
Манометрические термопреобразователи.
Манометрические преобразователи, в которых температура преобразуется в давление, а затем в механическое перемещение, применяется в технических приборах для измерений в диапазоне от –150 до +600 0С с основной допускаемой погрешностью от 1 до 2,5%.
Манометрический термометр представляет собой пружинный манометр, герметично соединённый с термосистемой. Последняя состоит из чувствительного элемента (термобаллона) и соединительной капиллярной трубки. Упругий элемент манометра может приводить в действие стрелку прибора либо элемент промежуточного (передающего) преобразователя для дистанционной передачи информации. В зависимости от используемого термометрического вещества (заполнителя) манометрические преобразователи подразделяются на газовые, жидкостные и парожидкостные, или конденсационные.
Термоэлектрические преобразователи. (Термопары).
Термоэлектрические преобразователи (ТП) преобразуют температуру в электродвижущую силу (термо-ЭДС). Действие ТП основано на явлении Зеебека, т.е. на генерации термо-ЭДС в месте соединения двух различных проводников. Величина термо-ЭДС зависит от материалов термоэлектродов и является функцией температуры. Распрстранение получили ТП медь-константановые (МК) и хромель-копелевые (ХК).
Медькостантаноые ТП не имеют стандартизованных градуировочных таблиц, однако в силу целого ряда достоинств находят применение в лабораторной практике для измерений в области от –200 до +300 0С. Основное достоинство - большое постоянство термоэлектрических свойств. При соответствующей градуировке МК ТП позволяют измерять температуру с погрешностью (0,1—0,2)0С.
Хромель-копелевые ТП в соответствии с ГОСТ 3044-77 могут использоваться в области температур от –50 до +6000С. Достоинство этих ТП— наивысшая чувствительность по сравнению с другими типами ТП. Недостатками хромель-копелевых ТП являются плохая воспроизводимость функции преобразования (градуировочной характеристики) различными париями термоэлектродных проводов, а также наличие неоднородностей материала, особенно хромеля, которые приводят к возникновению паразитных термо-ЭДС. Достижимая точность порядка (0,3—0,5)0С.
Схемы термоэлектрических преобразователей.
a b о И И о e о
А В A1 A2
eAC U eBC C K B1 B2
еАВ
t tИ eCB(tИ) ep(t) eCB
А еАВ В А В t to
t ер(t)
a ) б) в) t г)
В схеме а) два термоэлектродных проводника А и В соединены между собой (обычно сваркой или пайкой), и спай помещён в измеряемую среду с температурой t. В спае генерируется термо-ЭДС еАВ(t), которая полностью передаётся на концы а и b. Изменениям температуры соответствует однозначное изменение величины еАВ.
В схеме б) И(измеритель) подключен к точкам а и b проводом из материала С. В связи с этим в местах контакта материалов АС и ВС возникают дополнительные термо-ЭДС и в измерительной цепи действует сумма термо-ЭДС, подводимая к измерительному прибору:
Uи = eAB(t) + eAC(tи) + eBC(tи), (*)
где еАС(tи), еВС(tи) – термо-ЭДС, возникающие в точках присоединения а и b; tИ – температура в местах контакта АС и ВС.
Из теории известно (Сосновский,Столяров), что при включении в цепь термоэлектрических проводов третьего провода и при условии, что места соединения этого провода с проводами А и В имеют одинаковую температуру tи, имеет место равенство
eAС(tи) + eBC(tи) = eAB(tи). (**)
Подставляя (**) в (*) и принимая во внимание фактическое направление ЭДС, получим
Uи = eAB(t) – eBC(tи).
Спай, воспринимающий измеряемую температуру, называется рабочим, а концы, присоединяемые к измерительным приборам, - свободными.
Во избежание дополнительных погрешностей применяют измерительные приборы с корректирующим устройством К (схема в). Это устройство в зависимости от температуры tи генерирует напряжение UК таким образом, чтобы компенсировать изменение термо-ЭДС свободных концов.
Для точных измерений в области умеренных температур применяют ТП с двумя спаями: рабочим и свободным (схема г). Рабочий спай термоэлектродов А1 и В1 воспринимает измеряемую температуру t . Свободный спай А2 и В2 из таких же проводов помещают термостатируемый сосуд с постоянной температурой to. Чаще всего это сосуд Дюара с таящим льдом, в котором с достаточно высокой точностью поддерживается температура 0оС. Результирующая термо-ЭДС
e = ер(t)--eCB(0).
Т.к. еСВ(0) = const, величина результирующей термо-ЭДС (Е) однозначно зависит от t.
При помощи термопар возможно измерение температуры в нескольких точках путём подключения нескольких термоспаев к одному измерительному прибору через многоточечный переключатель.
Термопреобразователи сопротивления.
Термометры электрического сопротивления (ТС) применяются для измерений температуры в диапазоне от –100оС до +300 0С. По принципу действия они относятся к параметрическим преобразователям: измеряемая температура преобразуется в изменения электрического сопротивления. В зависимости от материала, из которого изготовлены чувствительные элементы, ТС делятся на металлические и полупроводниковые. Для измерений в области температур умеренного холода применяются почти исключительно металлические ТС.
Металлические ТС изготавливаются из платины (ТСП) и меди (ТСМ).
Функция преобразования для платиновых ТС имеет в области умеренных температур вид
Rt = Ro(1+At+Bt2),
где Rt - сопротивление при температуре t А = 3,96810-3 0С-1; В = -5,84710-7 0С-2; Ro - сопротивление ТС при 00С.
Функция преобразования для медных ТС принимается линейной в виде
Rt = Ro(1+t),
где - температурный коэффициент меди, равный 4,2610-3 0С-1. Конструктивно ТС представляют собой обмотку из проволоки диаметром 0,05-0,1 мм, нанесённую на изолирующий каркас и помещённый в защитный кожух. Обмотку обычно выполняют бифилярно (петлевым способом), что уменьшает внешние наводки.
Способы измерения температуры с помощью ТС.
1 - способ амперметра и вольтметра;
2 - способ неуравновешенного моста;
3 - способ уравновешенного моста.