162

Міністерство освіти і науки України

Національний університет харчових технологій

О.Й. РІШАН

МЕТРОЛОГІЯ, ТЕХНОЛОГІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ ТА ПРИЛАДИ

КУРС ЛЕКЦІЙ

для студентів спеціальностей

7.092501 “Автоматизоване управління технологічними процесами”

7.092502 “Комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси і виробництва”

денної та заочної форм навчання

СХВАЛЕНО

на засіданні кафедри автоматизації та

комп’ютерно - інтегрованих технологій

Протокол № 11

від 20 березня 2007 р.

Київ НУХТ 2007

Рішан О.Й. Метрологія, технологічні вимірювання та прилади: Курс

лекцій для студентів спеціальностей: 7.092501 “Автоматизоване управління

технологічними процесами” та 7.092502 “Комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси і виробництва” ден. та заочн. форм. навчан. – К.: НУХТ, 2007. –162 с.

Рецензент: І.В. Ельперін, канд. техн. наук

О.Й. Рішан, кандидат технічних наук

 О.Й. Рішан, 2007

 НУХТ, 20007

ЗМІСТ

Розділ 1. Поняття і визначення метрології – науки про вимірювання..5

1.1. Загальні відомості про вимірювання……………………………...5

1.2. Поняття системи фізичних одиниць та їхніх одиниць…………..7

1.3. Основні характеристики якості проведених вимірювань…….7

1.4. Класифікація вимірювань……………………………………….7

1.4. Принципи та методи вимірювань фізичних величин……………8.

1.5. Способи вимірювань………………………………………………10

Розділ 2. Засоби вимірювань (ЗВ)………………………………………….13

2.1. Загальні поняття……………………………………………………13

2.2. Основні метрологічні характеристики ЗВ………………………..14

2.3. Основні види засобів вимірювання……………………………….14

2.4. Структурні схеми засобів вимірювання………………………….17

2.5. Державна система приладів та засобів автоматизації…………...18

2.6. Агрегатні комплекси…………………………………………….....29

2.7. Метрологічне забезпечення та повірка ЗВ……………………….20

Розділ 3. Похибки результатів та засобів вимірювань………………….22

3.1. Розподіл та принципи оцінювання похибок …………….……...22

3.2. Класифікація складових похибки вимірювань………………….24

3.3. Похибки ЗВ та їхні нормовані значення. Клас точності ЗВ……27

3.4. Методи нормування похибок ЗВ та правила їхніх округлень… 28

3.5. Похибки прямих та непрямих вимірювань………………………32

3.6 Систематична складова похибки та методи її усунення………..35

3.7. Випадкова складова похибки та її визначення…………………..37

3.8. Додавання похибок та визначення сумарної похибки ЗВ і ІВС..51

3.9. Оптимальний вибір точності ЗВ………………………………….57

Розділ 4. Вимірювання температури……………………………………… 59

4.1. Загальні положення та температурні шкали……………………59

4.2. Класифікація методів та засобів вимірювання температури……61

4.3. Термометри опору………………………….……………………...61

4.4. Термометри розширення ………………..………………………..68

4.5. Манометричні термометри……………………………………….72

4.6. Термоелектричні термометри…………………………………….74

4.7. Пірометри………………………………………………………….79

Розділ 5. Вимірювання тиску……………………………………………… 80

5.1. Загальні положення. Види та одиниці вимірювання тиску…....80

5.2. Класифікація методів та засобів вимірювання тиску…………..82

5.3. Рідинні манометри………………………………………………..85

5.4. Деформаційні манометри………………………………………...90

5.5. Електричні манометри…………………………………………...90

Розділ 6. Вимірювання рівня рідин та сипких матеріалів………………99

6.1. Загальні положення. Класифікація рівнемірів………………….99

6.2. Поплавкові та буйкові рівнеміри………………………………..100

6.3. Гідростатичні та п’єзометричні рівнеміри……………………..101

6.4. Ємнісні рівнеміри……………………………………………… 103

6.5. Акустичні та ультразвукові рівнеміри…………………………105

6.6. Радарні (радіохвильові) рівнеміри……………………………..107

6.7. Радіоізотопні рівнеміри…………………………………………113

6.8. Кондуктометричні сигналізатори рівня………………………..114

6.9. Особливості використовування рівнемірів…………………….115

6.10. Визначення рівня сипких матеріалів………………………….115

Розділ 7. Вимірювання витрати та кількості речовин………………….117

7.1. Основні положення та класифікація витратомірів……………117

7.2. Методи вимірювання витрати та маси сипких матеріалів……117

7.3. Лічильники рідин і газів………………………………………...119

7.4. Витратоміри змінного та постійного перепаду тиску…………120

7.5. Індукційні витратоміри………………………………………….126

Розділ 8. Контроль фізичних властивостей речовини…………………...128

8.1. Методи вимірювання густини рідин……………………………..128

8.2. Методи вимірювання в'язкості речовин……..………………….132

8.3. Методи вимірювання вологості………………………………….133

Розділ 9. Аналізатори складу рідин та газів…….………………………./.139

9.1. Класифікація аналізаторів складу рідин …….………….139

9.2. Кондуктометричні аналізатори…………………………………..140

9.3. Потенціометричний метод аналізу………………………………143

9.4. Оптичні методи. Загальні положення……………………………147

9.5. Колориметричний метод аналізу………………………………...148

9.6. Нефелометричний метод аналізу………………………………...150

9.7. Рефрактометричні методи аналізу………………………………152

9.8. Поляриметричний метод аналізу………………………………..155

9.9. Титрометричний метод аналізу…………………………………156

9.10. Акустичні прилади контролю складу рідин…………………..157

9.11. Прилади контролю параметрів якості газів……………………157

9.12. Хімічні та об’ємопоглинальні газоаналізатори ………………158

9.13. Теплові газоаналізатори………………………………………..158

9.14. Магнітні газоаналізатори………………………………………160

Література…………………………………………………………………….162

РОЗДІЛ 1

ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ МЕТРОЛОГIЇ - НАУКИ ПРО

ВИМIРЮВАННЯ

1.1. ЗАГАЛЬНI ВIДОМОСТI ПРО ВИМIРЮВАННЯ

Автоматизація виробничих процесів у харчовій промисловості нерозривно зв'язана з вимірюванням різних фізичних величин та комплексних показників якості продукції. Для цієї мети використовуються різноманітні засоби вимірювань, правильність використовування яких грунтується на положеннях метрології та вимірювальної техніки.

Метрологія в її сучасному розумінні - це галузь науки про вимірювання, методи та способи забезпечення єдності вимірювань i способи досягнення необхідної точності вимірювань.

Вимірювання - це процес знаходження (відображення) значення (розміру) фізичної величини в певних одиницях за допомогою спеціальних засобів вимірювання дослідним шляхом. Вимірювання полягає у порівнянні значення вимірюваної ФВ з іншою однорідною ФВ, умовно прийнятою за одиницю.

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. Наприклад, усі об'єкти мають масу i температуру, але для кожного об'єкта вони різні.

Для встановлення кількісного вмісту властивості , яка відображає певну ФВ, у метрології введені поняття:

- розмір ФВ – це кількісний уміст у даному об'єкті властивості, яка відповідає поняттю ФВ;

- одиниця (U) ФВ – це ФВ фіксованого розміру , якій умовно присвоєне значення одиниці й розмір якої встановлюється законодавчо метрологічними службами держави;

- значення (Q) ФВ – це оцінка розміру ФВ у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць;

- числове значення (n) ФВ – це число, яке дорівнює відношенню значення ФВ до одиниці даної ФВ. Воно може бути цілим чи дробовим, але обов'язково абстрактним числом.

Значення ФВ отримують у результаті проведених вимірювань або обчислень у відповідності з основним рівнянням вимірювань:

Q = n * U, (1.1)

де Q - вимірювана величина, U - одиниця фізичної величини , n - числове значення вимірюваної величини.

Права частина - називається результатом вимірювань i завжди має розмірність одиниці фізичної величини U, а число n показує скільки разів одиниця вимірювання вміщується у вимірюваній величині. Н., I = 40 A.

У цьому випадку результати вимірювань називають іменованими. Неіменовані результати вимірювань надаються у відсотках.

Якщо при вимiрюваннi величини Q використати iншу одиницю, наприклад, U1, то рiвнян­ня (1.1) приймає вид: Q = n* U. Розв'язуючи обидва рівняння спільно одержимо: n * U = n * U, або n = n(U / U). Тобто, для переходу від результату вимірювання " n" в одиницях U до результату " n", вираженого в одиницях U, необхідно " n " помножити на співвідношення прийня­тих одиниць.

Необхідно чітко розрізняти два поняття: істинні значення ФВ та їхні емпіричні прояви - результати вимірювань.

Істинними Q - є значення фізичних величин, які ідеально відбивають (відображають) властивості об’єкта як у якісному, так i в кількісному відношеннях. Вони не залежать від способу нашого пізнання i являють собою абсолютну істину, до якої ми прагнемо, бажаючи виразити їхніми числовими значеннями.

На практиці це абстрактне поняття замінюють поняттям дійсного значення (Qдiйс) вимірюваної ФВ, пiд яким розумiється її значення, знайдене експериментально i настiльки близьке до iстинного, що для даної мети може використовуватися замiсть нього. За дійсні беруть значення які: розраховані за формулами, одержані за показами еталонів та більш точних засобів вимірювання.

Результати вимірювань (далі РВ) - це продукт нашого пізнання i вони становлять приб­лизну оцінку значення ФВ. РВ завжди залежать від використаного принципу чи методу вимірювань, а також від стану та класу точності засобу вимірювань, за допомогою якого їх здобувають, i від кваліфікації обслуговуючого персоналу.

Єдність вимірювань - це стан вимірювань, коли результати вимірювань виражені в законодавчо прийнятих одиницях, а похибки вимірювань прийняті із заданою ймовірністю. Єдність вимірювань необхідна для порівняння результатів вимірювань фізичної величини, проведених у різних місцях, у різний час та з використанням різних методів i засобів вимірювання. Тобто, результати вимірювань ФВ повинні бути однаковими скрізь i не залежати від методу та засобу, яким було проведене вимірювання. Так, наприклад, маса в 1 кг чи довжина в 1 м повинні бути адекватними в різних

Усі вимірювані ФВ можна розділити на дві групи:

Першу групу - утворюють ФВ, що вимірюються безпосередньо. Вимірювання таких ФВ відбуваються без перетворення їхнього роду і вони в процесі вимірювання порівнюються з однорідною мірою, що відтворює необхідний розмір. Наприклад, вимірювання довжини об'єкта метром.

Другу - утворюють ФВ, що перетворюються із заданою точністю в безпосередньо вимірювані. ФВ, що перетворюються, не можуть вимірюватись у відповідних їм одиницях безпосередньо. До таких ФВ відносяться, наприклад, температура та густина. У цьому випадку значення вимірюваної ФВ знаходять після перетворення її роду або за відомою залежністю між нею та ФВ, що вимірюється безпосередньо і яка однозначно зв'язана з першою величиною, але зручніша для вимірювання. Такі перетворення здійснюються за допомогою операції вимірювального перетворення. Наприклад, вимірювання температури за допомогою термо­метра опору шляхом визначення його електричного опору або використання у вимірювальній техніці перетворювачів, коли вимірюється значення сигналу, а не значення вимірюваної величини.

Засіб вимірювання ( далі ЗВ) - це сукупність спеціальних технічних засобів, яка використовується для визначення розміру ФВ при її вимірюванні і яка має нормовані метрологічні характеристики та проградуйована в одиницях вимірюваної величини.