ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ (МГУПБ)

Кафедра автоматизации биотехнических систем

А.С. Потапов

ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ ОТРАСЛИ

Лекции для студентов специальностей 220301, 230102

Отпечатать тиражом 100 (сто)

экземпляров

Проректор по учебной работе Н.И. Дунченко

МОСКВА 2005

УДК 681.2.002:664(075.8)

ББК 31.32

П 64

Рецензенты: М.В. Жиров, д–р техн. наук., проф. каф. «Системы управления» МГУ технологии и управления; Л. М. Андросова, канд. техн. наук, с. н. с. ГУ ВНИМИ.

Потапов, А. С. Технические измерения и приборы отрасли: лекции / А.С. Потапов. – М.: МГУПБ, 2005. – 127 с.

ISBN

Освещены методы и приборы автоматического контроля основных параметров, характеризующих ход технологических процессов в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса с учетом возможности их использования в процессорных измерительных системах.

Предназначены для студентов специальностей 220301, 230102. Могут быть использованы студентами технологических специальностей.

Автор выражает благодарность Костиной А. А., Дианову Н. А. за помощь в подготовке рукописи.

Утверждены советом по издательской деятельности МГУПБ.

© МГУПБ, 2005

© Потапов А.С., 2005

ВВЕДЕНИЕ

Управление технологическими процессами на современном предприятии перерабатывающей отрасли АТК не представляется возможным без объективной и оперативной информации о характеризующих их ход параметрах. Такую информацию получают с помощью измерительных преобразователей (датчиков) как общепромышленного назначения (для контроля температуры, давления, расхода, уровня), так и специальных (для контроля состава и качества сырья и готового продукта).

В первичных измерительных преобразователях широко применяются современные технические достижения в области приборостроения – микроминиатюризация, интегральные схемы. В основу действия специальных приборов положены методы фотометрии, инфракрасной спектроскопии; ультразвуковые волны, высокие и сверхвысокие частоты, ядерно-магнитный резонанс и т.д.

Характерная особенность пищевых продуктов заключается в том, что они являются химически активными и агрессивными средами. Кроме того, при ведении технологических процессов должна соблюдаться стерильность. При этом недопустимо внесение в продукт нежелательной микрофлоры или воздействие на развитие микробиальных процессов.

Все это накладывает определенные, специфические условия на средства измерения, применяемые в отрасли.

Все элементы первичных преобразователей, контактирующие с продуктом, должны быть коррозионно- и эрозионно-стойкими, исключающими возможность загрязнения продукта, появления постороннего запаха, ухудшения вкуса и цвета, снижения пищевой ценности.

Исключается применение токсичных материалов и сред. При использовании высокочастотных, сверхвысокочастотных, ультразвуковых и радиоактивных средств измерения должна учитываться возможность их нежелательного воздействия на контролируемый продукт.

В процессе конструирования приборов контроля, а также пробоотборников и других приспособлений необходимо предусматривать как возможность их безразборной автоматической мойки (при этом не допускается образование застойных зон, зазоров, щелей), так и быстрой их разборки и замены, что можно обеспечить блочностью их построения и агрегатированием.

Предметом рассмотрения настоящего курса являются первичные преобразователи, измерительные преобразователи и приборы контроля, предназначенные для получения информации о состоянии процессов.

Физическая величина, условно выбранная для передачи необходимых сведений, называется сигналом. Сигналы могут быть непрерывными и дискретными.

В настоящее время направление в развитии технического уровня отечественного приборостроения определяет Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), в основу создания которой положен блочно-модульный принцип. ГСП предусматривает преобразование различных измеряемых параметров в единую форму информации, удобную для передачи на расстояние. Это обеспечивает совместную работу первичных преобразователей с различными приборами и устройствами, входящими в данную ветвь ГСП. Пневматические датчики имеют выходной сигнал 0,02–0,1 МПа, электрические: постоянный ток 0 – 20 мА, 4 – 20 мА и 0 – 5 мА. Напряжение постоянного тока: 0–10 и 0–20 В. Класс точности унифицированных датчиков составляет, в основном, 0,6; 1, но некоторых 1,6 и 2,5.

В специальных преобразователях возможно сочетать приборы одной ветви с приборами другой. Так, преобразование электрических сигналов 0–5мА в нормированный пневматический осуществляется преобразователем типа ЭПП.

В настоящее время приборостроительной промышленностью освоено серийное производство агрегатированных комплексов средств вычислительной техники. Так, возможность построения простых и дешевых установок централизированного контроля относительно небольшого числа параметров позволяет выпускать комплекс агрегатных средств контроля и регулирования, выполненный на элементах микроэлектроники. Этот комплекс обладает большей, чем установки с циклическим каналом контроля, надежностью. Их достоинством является простота конструкции, обслуживания и ремонта, возможность наращивания и изменения структуры установки и ее характеристик в процессе проектирования и эксплуатации путем простого добавления блоков или замены в них типовых модулей. Применение таких установок экономически оправдано при автоматизации небольших объектов с относительно простым алгоритмом контроля и управления.

Прежде чем перейти к характеристике состояния разработки приборов для отрасли и перспективам развития специального приборостроения, необходимо привести основные положения из теории погрешности измерений.

Глава 1. Общие сведения об измерениях и погрешностях. Статические и динамические характеристики, надежность средств измерений

1.1. Общие сведения об измерениях

Метрология - наука об измерениях, а также методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Более узко – теория и практика обеспечения единства измерений, что возможно посредством создания единых методов оценки погрешностей измерений в различных условиях с вытекающей отсюда гарантией сопоставимости результатов измерений.

Измерение представляет собой процесс нахождения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Метод измерений – совокупность приемов использования средств измерений с целью получения измеряемой величины.

Результат измерения – численное значение величины, найденное путем сравнения ее с единицей измерения:

R=Q/q,

где R – результат; Q – измеряемая физическая величина;

q – единица физической величины или единица измерения.

Измерения могут быть разделены по ряду признаков:

По виду:	механические (масса, сила, скорость, давление, расход, уровень);
	тепловые (температура, grad t, тепловые потоки);
	линейно-угловые (углы, дуги);
	электрические (сила тока, напряжение, мощность, радиотехнические измерения);
	виброакустические (шум);
	физико-химические состава и свойств веществ и смесей веществ.
По способу:	прямые измерения – измеряемую величину находят непосредственно из опытных данных ;
	косвенные измерения – численное значение находят на основании измерения прямых величин, связанных с измеряемой величиной определенной зависимости ;
	совместные измерения – значения измеряемой величины определяют путем решения системы уравнений, в каждое из которых входит, наряду с другими, и измеряемая величина
По характеру:	измерение медленно- и быстроменяющихся величин

Техническое устройство, предназначенное для выполнения измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики, называется средством измерения.

Средства измерения по назначению подразделяются на рабочие – для практических измерений, технические и повышенной точности, в том числе образцовые для передачи размеров единиц от эталонов рабочим средствам.

Эталоны служат для воспроизведения и хранения единиц физических величин и передачи их размера через образцовые рабочим средствам.

Мера – средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

По применяемым методам средства измерения подразделяются на:

• непосредственной оценки – по отсчетному устройству;

• дифференциальные – по разности измеряемой и базовой величины меры;

• нулевые – сравнение с известной величиной (мерой), при этом разность сводится к 0 при изменении известной величины;

• замещения – поочередное измерение искомой величины и меры, воспроизводящей однородную с ней величину.

Последние три метода носят также название методов сравнения.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного наблюдения. Измерительные приборы, воспроизводящие преобразованную измеряемую величину, называются вторичными.

Различают измерительные приборы аналоговые и цифровые. Они могут быть показывающими, регистрирующими и комбинированными.

В паспорте на прибор приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной и реальной характеристиками рассматриваются как погрешности.

Измерительное преобразование – отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.

Измерительный преобразователь (ИП) – техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Измерительный преобразователь вырабатывает сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи преобразования, обработки или хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Один параметр из их множества является измеряемой величиной, остальные считаются помехами.

Устанавливают естественную входную величину измерительного преобразователя и естественную выходную величину. По виду естественного выходного сигнала преобразователи подразделяются на две большие группы: генераторные (с выходной величиной или и внутренним сопротивлением ) и параметрические (с и выходной величиной в виде изменения , или в функции ).

Функция преобразования ИП – функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Лучше – прямая пропорциональность

,

где – начальное значение выходной величины;

– чувствительность преобразователя.

Чувствительность измерительного прибора, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется произведением чувствительностей всех преобразователей, образующих канал передачи информации:

.

Порог чувствительности – наименьшее изменение входной величины, способное вызвать заметное изменение показаний прибора.

Первичным измерительным преобразователем называется измерительный преобразователь, на вход которого воздействует измеряемая величина. Часть первичного преобразователя, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой величины, называется чувствительным элементом.

Помимо первичных используются также промежуточные и передающие преобразователи, которые подразделяются на аналоговые, цифровые, аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП).

Отметки на шкале (с числами) называются числовыми отметками шкалы.

Разность значений величин, соответствующих соседним отметкам шкалы, называется ценой деления.

Имеются следующие разновидности шкал: односторонние, двусторонние, безнулевые.

Информационно-измерительные системы (ИИС) – совокупность средств измерений, вспомогательных устройств и каналов связи, предназначенных для автоматической выработки, передачи и обработки измерительной информации с многократным использованием одних и тех же преобразователей. ИИС позволяют осуществлять обработку результатов измерения по заданным алгоритмам. Особо важно обеспечить унификацию сигналов, поступающих на вход ИИС.

ИИС подразделяются на две группы:

• измерительные системы с представлением приоритетной информации в форме, удобной для наблюдения или регистрации;

• системы автоматического контроля для получения информации об отклонении значений контролируемых величин от номинальных.

Помимо ИИС также применяются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), а также измерительно-вычислительные системы (ИВС).