1.Основи метрології. Похибки вимірювань. їх причини.Метрологія в сучасному розумінні - це галузь науки про вимірювання, методи та способи забезпечення єдності вимірювання i способи досягнення необхідної точності вимірювання. Вимірювання - це процес знаходження (відображення) значення (розміру) фізичної величини в певних одиницях за допомогою спеціальних засобів вимірювання дослідним шляхом. Фізична величина (далі ФВ) - це властивість, яка є спільною в якісному відношенні для багатьох матеріальних об'єктів, але є індивідуальною в кількісному відношенні для кожного з них. Для встановлення кількісного вмісту властивості , яка відображає певну ФВ, у метрології введені поняття:■ розмір ФВ – це кількісний вміст у даному об'єкті властивості, яка відповідає поняттю ФВ; ■ одиниця ФВ – це ФВ фіксованого розміру , якій умовно присвоєне значення одиниці й розмір якої встановлюється законодавчо метрологічними службами держави; ■ значення ФВ – це оцінка розміру ФВ у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць. Істинними Q_іст - є значення фізичних величин, які ідеально відбивають (відображають) властивості об’єкта як у якісному, так i в кількісному відношеннях. Якість результатів вимірювання (РВ) та засобів вимірювання (ЗВ) прийнято характеризувати показом їх похибок. У загальному, похибка вимірювання – це критерій якості проведеного вимірювання і, являє собою відхилення результату вимірювання ФВ від її істинного значення. Поняття похибки використовується для оцінки характеристик як ЗВ так і РВ. Потрібно відрізняти похибку засобу вимірювання та похибку результату вимірювання. Похибка результату вимірювання Δ_рв - це число, яке показує можливі межі невизначеності значення вимірюваної ФВ, тобто, Δ_рв оцінює відхилення результату Х_вим вимірювання ФВ певним ЗВ від її істинного Q_іст чи дійсного Q_дійс значення в об'єкті. Похибка засобу вимiрювання Δ_зв - це властивість ЗВ, вимірювати ФВ з наперед заданою межею невизначеності, і для визначення цієї властивості у ЗВ необхiдно попередньо провести його метрологічні дослідження, використовуючи вiдповiднi правила метрологічної повірки або атестації. За способом числового вираження розрізняють два види похибок: абсолютні та відносні, а також різновид відносних - приведені. Абсолютною похибкою вимірювання ΔХ називається рiзниця мiж результатом вимiрювання (показом приладу) Х_вим та iстинним (дійсним) значенням Q_іст вимірюваної величини («виміряне мінус істинне») i надається в одиницях вимірюваної величини: ΔX = Х_вим – Q_іст = Х_вим - Q_дійс. Відносною похибкою (γ_s) вимірювання називається похибка, яка визначається як відношення абсолютної похибки вимірювання до iстинного Q_іст чи дiйсного Q_дійс значення вимiрюваної величини i подається у вiдсотках (%) або в долях одиниці: γ_s = (Δ / Q_дійс) ּ 100% = [(Х_вим - Q_іст) / Q_іст] ּ 100% = [(Х_вим - Q_дійс) / Q_дійс] ּ 100%. для показу й нормування похибок ЗВ, використовується різновид відносної похибки – приведена похибка (γ_пр). Приведеною похибкою (вона відноситься тільки до ЗВ) γ_пр називається вiдношення абсолютної похибки до розмаху N шкали ЗВ (або до його діапазону D вимірювання), яке виражене у вiдсотках (може бути виражене і в долях одиниці): γ_пр = (Δ / N) ּ 100% = (Δ / D) ּ 100%. Основна похибка ЗВ (Δ₀) – це похибка ЗВ при нормальних умовах його використовування. Вона визначається внаслідок проведення метрологічних випробовувань ЗВ в нормальних умовах, під якими при експлуатації ЗВ розуміється наступні загально прийняті умови: ■ напруга мережі живлення - (220) В;■ температура навколишнього середовища – (202)С; ■ відносна вологість – від 30 до 80 відсотків; ■ тиск – (76025) мм рт. ст. (101325 Па);■ відсутність зовнішніх електричного та магнітного полів, крім земного. Основна похибка ЗВ може надаватись як абсолютною ∆_О, так і приведеною γ_пр.

2. Державна система приладів та засобів автоматизації (ДСП)Побудова ДСП базується на принципах уніфікації сигналів, конструкцій, блоків та модулів; можливості побудови складних систем з більш простих; обме­ження номенклатури технічних засобів з одночасним розширенням їх можливос­тей; формування гнучких перебудовуючих компонентів системи. Залежно від виду енергії, яку використовують для живлення пристроїв та передавання сигналу, в ДСП розрізняють електричну, пневматичну, гідравлічну та без використання допоміжної енергії гілки. У харчовій промисловості викорис­товують електричні та пневматичні засоби автоматизації. З електричних сигналів найчастіше використовують уніфіковані сигнали постійного струму та напруги (0...5 мА, 0...20 мА, 0...10 мВ, -10...0+10 В та ін.). Пневматичні системи зв'язку (0,02...0,1 МПа) використовують у пожежо- та вибухонебезпечних приміщеннях для автоматизації відносно інерційних об'єктів.За функціональною ознакою технічні засоби ДСП поділяються на такі гру­пи: засоби для отримання інформації про стан об'єкта управління (датчики та пе­рвинні перетворювачі); засоби контролю (показуючі та реєструючі прилади); за­соби обробки інформації та формування команд управління (регулятори та засоби обчислювальної управляючої техніки); засоби впливу на об'єкт управління (виконавчі механізми та регулюючі органи). Подальшим розвитком системи ДСП є агрегатні комплекси (АК), які створюються на основі технічних засобів, що входять в окремі функціональні групи ДСП і використовуються для самостійного застосування.

3.Методи вимірювання температури Температура — це один з найважливіших параметрів, який підлягає контролю в технологічних процесах харчових виробництв. Температура характеризує внутрішню енергію тіла, виміряти її безпосередньо неможливо. Тому визначення температури проводиться шляхом вимірювання зміни деяких величин, які функціонально пов'язані зі зміною температури. Залежно від принципу дії прилади для вимірювання температури класифікуються на групи:-термометри розширення (принцип роботи заснований на тепловому розширенні рідин та твердих тіл);-манометричні термометри (принцип роботи заснований на зміні тиску робочої речовини у постійному об'ємі від температури);-термометри опору (принцип дії заснований на властивості речовини змінювати свій електричний опір зі зміною температури);-термоелектричні термометри (принцип дії заснований на залежності термоелектрорушійної сили від температури);-пірометри випромінювання (принцип роботи заснований на тепловому випромінюванні або яскравості нагрітих тіл).Перші чотири групи приладів вимірюють температуру шляхом безпосереднього контакту термоперетворювача з вимірюваним середовищем. До безконтактних перетворювачів відносять тільки пірометри випромінювання, які вимірюють температури тіл на деякій відстані від них.

4. Термометри розширення : а) скляні; б) манометричні.Термометри розширення можуть бути двох видів: рідинно-скляні та механічні.Рідинно-скляні термометри застосовують для вимірювання температур в діапазоні від -200 до +750 °С. За своєю конструкцією скляні рідинні термометри бувають паличні та з вкладеною шкалою. Для заповнення рідинних термометрів використовують ртуть, органічні рідини, водно-спиртові суміші.Рідинно-скляні термометри одержали достатньо широке поширення в лабораторній та промисловій практиці завдяки досить високій точності вимірювання, низькій вартості та простоті поводження. До недоліків термометрів цієї групи відносяться низька механічна міцність приладів та токсичність робочого тіла. Тому ці термометри не можна використовувати у контакті з харчовими продуктами.З метою механізації та регулювання застосовують ртутні електроконтактні термометри, які мають контактний пристрій (з постійною або змінною установкою), який замикається з розширенням ртуті.Механічні термометри розширення поділяються на дилатометричні та біметалічні. Принцип дії механічних термометрів розширення грунтується на використанні властивостей твердого тіла змінювати свої лінійні розміри зі зміною температури.У дилатометричних термометрах (рис.7.1,а) використовується різниця лінійного подовження двох матеріалів (корпусу 1 із термоактивного матеріалу – має великий коефіцієнт лінійного розширення від температури та термапасивного стержня 2. Посування стержня 2 за кінематичною схемою передається на відліковий пристрій 5. Такі термометри, в основному, використовуються не для вимірювання температури, а як первинні вимірювальні перетворювачі в системах автоматичного регулювання температури.Чутливим елементом біметалічного термометра (рис. 7.1,б) є пружина, яка складається з двох металічних пластин з різним коефіцієнтом лінійного розширення. Внутрішня пластина має більший коефіцієнт лінійного розширення, ніж зовнішня, під час нагрівання така пластина буде розкручуватися, її посування передається на стрілку.Дилатометричними та біметалічними термометрами вимірюється температура в межах від -150 до +700 °С. Перевагами їх є простота, надійність; недоліками — інерційність та невисока точність.Манометричні термометри вимірюють температуру в діапазоні від -120 до +500 °С. Термосистема приладу (рис. 7.3) складається з термобалону 1, який занурюється у вимірюване середовище, капілярної трубки 2 і манометричної пружини 3. Герметична замкнена термосистема заповнена робочою речовиною. Під час нагрівання термобалона тиск робочої речовини термосистеми зростає. Це викликає деформацію манометричної пружини 3, яка через повідок 8 та передаючий механізм (зубчатий сектор 7 і шестерню 6) пов'язана з стрілкою 4 приладу, що рухається по шкалі 5.

Рис.7.1. Дилатометричний а) та Рис. 7.2. Манометричний б) біметалевий термометри термометр.Залежно від робочої речовини замкненої системи манометричні термометри підрозділяють на рідинні, газові та конденсаційні (парорідинні). Довжина капіляра термометра від 1,0 до 40 м. Вимірювальними елементами приладу можуть бути одновиткові та багатовиткові манометричні пружини, сильфони або мембрани.Манометричні термометри широко використовуються в харчових виробництвах. Вони прості, надійні в роботі. Недоліками цієї групи є інерційність, великі габарити термобалона, невисока точність вимірювань (клас точності 1,0...4,0)Для використання в системах автоматичної сигналізації та регулювання випускають електроконтактні манометричні термометри.

4. Термометри опору: а) металеві; б)напівпровідникові Термометри опору використовують для вимірювання температури в межах від -260 до 750 °С. Вимірювання температури термометрами опору відноситься до контактних методів і грунтується на властивості провідників (металів) та напівпровідників змінювати свій електричний опір R в залежності від зміни їхньої температури (t). Резистори, які виготовлені із металу або напівпровідників (термістори) і які змінюють свій опір в залежності від їхньої температури називаються терморезисторами. В якості перетворювачів температури може використовуватись будь-який терморезистор або термістор, але в якості засобів вимірювання температури, тобто, засобів з нормованими метрологічними характеристиками (НМХ), використовують термометри опору (ТО). Термометрами опору називають терморезистори з НМХ. Властивість терморезисторів змінювати свій опір від температури характеризується температурним коефіцієнтом  опору (ТКО), який визначається як відношення приросту опору dR терморезистора до приросту температури, що привела до цієї зміни при нагрівання, та до опору провідника R. В загальному вигляді ТКО при малих приростах температури dt визначається залежністю:  = (dR / dt)ּ(1/ R)

Для провідників (металів) - ТКО додатний і їхній опір зростає з зростанням температури, а перетворювачі, які виготовлені із металевого дроту називають (в загальному) терморезисторами. У напівпровідників навпаки – ТКО від’ємний і їхній опір електричному струму падає із ростом температури, а перетворювачі, що виготовлені із напівпровідникових матеріалів, називають термісторами.ТО виготовляють із чистих металів (міді, платини, нікелю, вольфраму або заліза) і вони відповідають наступним вимогам: ■ мають монотонну без гістерезису характеристику перетворення R = f(t); ■ мають високий питомий електричний опір, а метал ТО не вступає до взаємодії з вимірюваним середовищем; ■ мають достатньо великий і незмінний в часі ТКО α, який прийнято визначати для ТО в інтервалі температур від 0 до 100 °C по залежності: α=(R₁₀₀-R₀)/(R₀*100), де R₀ та R₁₀₀ - опір ТО при 0°C та при 100 °C відповідно, Ом. Для більшості чистих металів 4*10(1/С).Найбільше поширені провідникові ТО, які виготовляють із чистих мідного дроту (використовуються для вимірювання температури від –50 до +180С) або із платинового – для температур від -260 до +650С. ТО (рис. 7.4,а) являє собою дріт 1 певної довжини і діаметром 0,07мм, який намотується на стержень 2 із ізоляційного матеріалу (наприклад, слюди) безіндуктивним методом, тобто, біфілярно (в два проводи, одночасна подвійно-зустрічна намотка) і який є чутливим елементом. Чутливий елемент ТО розмі-щують (рис.7.1,в) в корпус 1 (кожух) із нержавіючої сталі (конструкція схожа з термопарами), який має різьбове з’єднання 2 для його кріплення до металевих стінок технологічного обладнання та головку 6, в якій розміщують клеми під’єднання зовнішніх проводів. Для вимірювання температури в системах вентиляції і в приміщеннях, виготовляють спеціальні ТО, кожух 1 яких перфорується, для швидкого доступу повітря до ТО.

6. Врівноважені мости: а) з ручною компенсацією; б) автоматичні; Автоматичні врівноважені мости широко застосовують у різних галузях промисловості для вимірювання, і записи температури в поєднанні з термометрами опору. Вони можна використовувати для виміру, запису і сигналізації чи регулювання температури. Автоматичні врівноважені мости є технічними приладами класу точності. Вони бувають що дають, що дають ісамопишущие із записом на дискової і стрічкової діаграмі. Прилади з дисковоїдиаграммной папером служать для вимірювання, і записи температурах одній точці і називаютьсяодноточечними. Урівноважені мости з стрічкової діаграмою виготовляються якодноточечние, і багатоточкові, т. е. для вимірювання, і записи температури лише у чи навіть кількох точках.Харчування вимірювальної схеми врівноважених мостів здійснюється напругою змінного струму 6,3 У, частотою 50 гц від вторинної обмотки силового трансформатора підсилювача. Харчування силовий ланцюга приладів виробляється від мережі змінного струму напругою 220 У, частотою 50 гц. Застосовувані підсилювачі в врівноважених мости зазвичай забезпечуються вхідним трансформатором.Автоматичні врівноважені мости, призначені до роботи на поєднанні з термометрами опору, випускаються зградуировкой шкали в градусах Цельсія. У цьому необхідно пам'ятати, що й температурна шкала діє лише термометра опору певноїградуировки і заданого значення опору зовнішньої сполучної лінії.Для автоматичних врівноважених мостів встановлено класи точності (за показниками), саме 0,25; 0,5; 1,0; 1,5.Межідопускаемой основний похибки показань автоматичних врівноважених мостів, виражені у відсоткахнормирующего значення вимірюваною величини, усім оцінках шкали нічого не винні перевищувати: ±0,25; ±0,5; ±1,0; 1,5% – для класів точності 0,25; 0,5; 1,0; 1,5 (відповідно). Занормирующее значення приймають різницю кінцевих значень діапазону виміру.Нормирующее значення і діапазон виміру виражаються у одиницях опору.Автоматичні урівноважені мости випускаються з часом проходження покажчиком приладу всієї довжини шкали 2,5 сек. і менш (швидкодіючі), і навіть більш 2,5 з (наприклад, 10 з).Автоматичні врівноважені мости типівКПМ,КВМ і КСМ задовольняють більшою мірою сучасним вимогам промисловості проти раніше що випускаються автоматичними врівноваженими мостами МП,ЭМВ,ЭМД, МС та інших.

7. Логометри Рассматриваемие нижче приладимагнитоелектрической системи, званілогометрами, широко використовують у практиці технологічного контролю для вимірювання, і записи температури в поєднанні з термометрами опору. З іншого боку,логометри можна використовувати для виміру, запису і регулювання чи сигналізації температури. І тут повинно бути обладнані додатковим регулюючим чи сигнальним пристроєм.Логометри випускаються звичайно зградуировкой шкали в градусах Цельсія. У цьому необхідно пам'ятати, що температурна їх шкала діє лише певноїградуировки термометра опору і заданого значення опору зовнішніх з'єднувальних ліній.Логометри знаходять також застосування виміру інших величин, зміна значення яких то, можливо перетворено на зміна активного електричного опору.

>Логометрические схеми широко використовуються при вимірах з невисокою точністю. Прилад і двохрамок-катушек,закрепляемих спільною для каркасі. Система з цих двох рамок вільно обертається в неоднорідному магнітному полі.Токоподводящие підвіски (зазвичайизготавливаемие з тонких золотих стрічок) мало перешкоджають обертанню рамок.Принципова електрична схема логометра з термоперетворювачем опору. Як очевидно одне з котушоклогометра харчується струмом джерела, які пройшли черезкалибровочное опір, друга – струмом, які пройшли через термометр.Катушки включені в такий спосіб, що обертають моменти їх направлені на супротивники. Шляхом зміни магнітного зазору складається неоднорідне магнітне полі якому рамки в усьому діапазоні вироблених вимірів врівноважують одне одного. Змінюючи неоднорідність поля, можна домогтися рівномірності розподілу шкали під стрілкою приладу. Оскільки моменттокоподводящих стрічок малий проти робітниками моментами, рівноважний становище рамки практично залежить від співвідношення опорів в плечах схеми. Отже, схема виявляється нечутливою до коливань напруги джерела харчування до того часу, поки сила струму в плечах не почне проводити співвідношення опорів.

При великій відстані між термометром і вимірювальним приладом точку розгалуження B доцільно розташовувати поблизутермометрического опору. Зміни опорів, можливі через коливань температури з'єднувального кабелю, відбуватимуться в обох контурах вимірювальної ланцюга, отже, ці коливання не позначаться результаті вимірів. Якщо що складає прилад перебуває при постійної температурі, власні опору котушок є джерелом похибок. Хоча такі умови звичайно дотримуються, похибкою,вносимой зміною опору котушок, за вона найчастіше знехтувати. Там, коли з цією зміною опору мушу вважатися, з його впливу можна позбутися, включивши схрещені котушкилогометра у різні діагоналі мосту, до одного з плечей якого включено опір термометра.

8. Термопари: а)металеві; б)напівпровідникові

Термоелектричні термометри складаються з термоелектричного перетворювача (термопари), електровимірювального приладу та підєднувальних дротів. Ці вимірювальні пристрої застосовуються для вимірювання температури від-200 до +2500 °С. Принцип дії термоелектричних термометрів ( термопар, рис.1) грунтується на ефекті виникнення електричного струму в замкнутому колі, який склада-ється із різнорідних провідників А і В (їх ще називають термоелектродами, рис.7.4,б), при умові, що місця їхніх з’єднань (вони називаються спаями) мають різну температуру. Ефект пояснюється тим, що виникнення струму пов’язане з вільними електронами в металах, які переміщуються з металу, де їх концентрація більша, в метал, у якого концентрація електронів менша, і з виникненням ЕРС Пельтьє (її ще називають контактною різницею потенціалів) у місці спаю. Відповідно до закону Кіргофа, в ізотермічному (з постійною температурою) замкненому колі, складеному із різних провідників, сума ЕРС Пельтьє дорівнює нулю. Висока точність вимірювання температури за допомогою ПВП у вигляді термопари буде забезпечена, тільки при достатньо точній фіксації температури t₀ холодного спаю (його розміщують в посудині Дьюара з льодом, де t₀=0С при градуюванні термопари), або розміщують в термостат з автоматично стабілізованою температурою. Характеристикою градуювання термопари називається статична характеристика перетворення, яка відтворює залежність ТЕРС термопари від температури робочого спаю при температурі холодного спаю, що дорівнює 0С. Якщо температура вільних кінців термопари t₀ = 0С, то вимірювана температура t_x визначається безпосередньо із характеристики градуювання, яка може задаватись графічно, загальний вигляд Е(t_x,0) показано

9. Потенціометри: а) з ручною компенсацією; б) автоматичні;

Автомати́чні потенціо́метри служать для контролю малих значень напруги (ерс) постійного струму. Як первинний датчик можуть застосовуватися термопари, п'єзоперетворювачі тощо. На рис. 1 подана схема підключення термопари до автоматичного потенціометра типу КСП.Вимірювальна схема складається з моста постійного струму зі стабілізованим джерелом живлення і послідовно з ним підімкненої термопари (ТП).Для забезпечення можливості використання підсилювача змінного струму постійна напруга (=U), що знімається з вимірювальної схеми, за допомогою перетворювача (П) формується в змінну.Зі схеми видно, що на вхід перетворювача подається напруга:ΔU = U_АБ — Ех, де U_АБ — напруга, що знімається з діагоналі моста;Ех — напруга, що виробляється термопарою.

Функціонування приладу пояснюється схемою. Принцип компенсації тут реалізований шляхом формування в діагоналі моста компенсувальної напруги (U_АБ), включеної назустріч термоерс (Ех).На схемі показані додатковий перетворювач (ДП), сигнал якого може використовуватися в системі регулювання, і контактна група (КГ) для сигналізації, блокування і релейного регулювання, які вбудовуються в деякі модифікації потенціометрів типу КСП.

Урозвитку аналогових вторинних приладів спостерігаються дві тенденції: створення простіших, малогабаритних, але надійних і дешевих приладів для АСУТП, де вони виконують роль зручних для оператора пристроїв надання інформації і зв'язувальних елементів між давачами і ЕОМ, та створення високоточних, швидкодіючих і багатограничних вторинних приладівдля дослідження об'єктів.

Рис. 7.6. Принципова схема Рис. 7.7. Автоматичний потенціометр потенціометра

Принцип дії потенціометра грунтується на компенсації вимірюваної ТЕРС відомою напругою, яку одержують від допоміжного джерела живлення. У принциповій схемі потенціометра (рис. 7.6) допоміжне джерело Е підключається в точках А і В до реохорда RАВ , ковзний контакт D якого підключений до термопари. Послідовно з термопарою включається нуль-прилад НП (чутливий мілівольтметр). Термопара включена так, що її ТЕРС спрямована назустріч ЕРС джерела Е. Для вимірювання ТЕРС Е(tt0) контакт D переміщують до тих пір, поки стрілка НП не стане на нульову позначку шкали. У цьому випадку падіння напруги на ділянці АD реохорда буде дорівнювати ТЕРС Е(tt0), що вимірюється. Реохорд RАВ може бути устаткований шкалою, по якій можна визначити величину Е(tt0) в мілівольтах або в градусах.