Реферат
на тему:
Принципи та методи вимірювання
1. Основні поняття про вимірювання
Вимірювання є одним із важливих шляхів пізнання навколишнього середовища, зв'язків між подіями, закономірностей природи. Завдяки вимірюванням людство відкрило багато законів природи, що сприяло науково-технічному прогресу.
Вимірювання
— це процес експериментального відшукування значень фізичної величини за допомогою спеціальних засобів вимірювання.
Точні й вірогідні вимірювання фізичних величин, технологічних параметрів мають велике значення для науки, техніки та управління технологічними та тепловими процесами харчової промисловості.
Відповідно до стандарту ДСТУ 2681—94, вимірювання є відображенням вимірюваних величин, їх значень шляхом експерименту та обчислень за допомогою спеціальних технічних засобів.
Число, яке виражає відношення вимірюваної величини до одиниці вимірювання, називається числовим значенням вимірюваної величини.
Воно може бути цілим або дробовим, але обов'язково абстрактним числом. Значення величини, прийняте за одиницю вимірювання, називається розміром
цієї одиниці.
Якщо А
— вимірювана величина, U
— одиниця вимірювання, g
— числове значення вимірюваної величини, то результат вимірювання А можна записати у вигляді такого рівняння:
A
=
gU
.
(1)
Формула 1 називається основним рівнянням вимірювань.
Права частина рівняння називається результатом вимірювання
і завжди має розмірність одиниці фізичної величини, а число g
показує, скільки разів одиниця вимірювання U
вміщується у вимірюваній величині. Тому при написанні результату вимірювання поряд з числовим значенням вимірюваної величини слід ставити позначення відповідної одиниці.
Наприклад: тиск р =
10 МПа, температура Т
= 300 К, довжина L
=
100 м, струм І= 30 А. Цифрові значення відповідних вимірюваних величин є результатами вимірювань, а скорочені позначення при них — одиниці вимірюваних величин.
Якщо при вимірюванні величини А
замість одиниці U
взяти іншу одиницю — U
1
,
то формула 1 матиме такий вигляд:
A
=
g
1
U
1
.
(2)
Спільно розв'язуючи ці два рівняння, одержимо:
gU
=
g
1
U
1
,
g
1
=
g
(
U
/
U
1
).
(3)
Із формули 3 видно, що для переходу від результату вимірювання g, вираженого в одиницях U
,до результату g
1
,
вираженого в одиницях Ul
,необхідно g
помножити на співвідношення прийнятих одиниць.
У випадках, коли вимірювана величина не може вимірюватися у відповідних їй одиницях, використовується співвідношення між одиницями вимірюваної величини і одиницями іншої фізичної величини, яка однозначно пов'язана з першою величиною і зручніша для вимірювання. Наприклад, при вимірюванні 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.
2. Класифікація вимірювань
На результати вимірювань впливає досить багато чинників: зовнішні умови, методи, технічні засоби вимірювання, стан експериментатора та ін. Зважаючи на численність різних чинників та умов проведення експерименту, вимірювання можна класифікувати за характером зміни вимірюваної величини в часі, за способом одержання числового значення, точністю та ін.
За характером зміни вимірюваної величини в часі вимірювання можна розділити на статичні та динамічні.
Статичні вимірювання
— це вимірювання, при яких протягом певного проміжку часу вимірювана величина майже не змінюється або ж її значення змінюється поступово відповідно до процесу виробництва. Статичні вимірювання (рис. 1) використовуються, як правило, для встановлення взаємозв'язку між фізичними величинами одного і того самого об'єкта дослідження. Вони застосовуються у пасивних експериментах і забезпечують задовільний рівень наочності при зміні вимірюваних величин за певний проміжок часу (годину, зміну, добу). Таким, наприклад, є проведення пасивного експерименту на випарній установці для вимірювання основних її параметрів: температури, рівня, тиску, витрати пари тощо.
Рис.
1. Статичні характеристики вимірюваних величин — тиску, температури та рівня за проміжок часу т
Динамічні вимірювання
— вимірювання, які показують зміну вимірюваної величини в часі при різних збуреннях, що впливають на об'єкт дослідження або ж на засіб вимірювання. Динамічні вимірювання дають можливість вивчати динамічні властивості об'єкта і засобів вимірювальної техніки, особливо первинних перетворювачів (датчиків).
На рис. 2 показано перехідний процес вимірюваної величини Хд
у часі т при різкій зміні вимірюваної величини на вході приладу. Як видно з графіка, показання приладу Уд
досягають сталого значення У лише через певний час і наближаються до нього поступово відповідно до експоненціального закону. Різниця між показаннями приладу Уд
і дійсним значенням вимірюваної величини У називається динамічною похибкою:
Δд
= У-Уд
. На графіку (рис. 2) показані параметри, які характеризують динаміку процесу вимірювання.
Рис.
2. Динамічна характеристика вимірюваної величини
Час початку реагування
τп
— час від початку зміни вимірюваної величини на вході приладу до початку зміни показів приладу (значення вихідного сигналу).
Час перехідного процесу
T
пп
— час, протягом якого показання приладу після початку зміни вхідної вимірюваної величини досягнуть значення з 5-процентним відхиленням (Хд
=0,95).
Повний час встановлення значення вимірюваної величини Т
пп
— час, протягом якого значення вимірюваної величини досягає свого сталого значення від початку зміни вхідної величини на вході приладу.
Постійна часу Т
— час, протягом якого вихідна вимірювана величина досягає 0,632 свого сталого значення на виході приладу, тобто це час перехідного процесу, який описується рівнянням експоненти.
У загальному випадку для опису лінійних вимірювальних засобів використовуються лінійні диференціальні рівняння. Якщо ж вимірювальний засіб має нелінійні елементи, то їх характеристики можна лінеаризувати, тобто звести до лінійних диференціальних рівнянь з припустимою і достатньою точністю. Це дає змогу використати лінійні диференціальні рівняння виду
an
(
dn
y
/
dτn
) +
an
-1
(
dn
-1
y
/
dτn
-1
) + ... ...
+ a1
(dy/dτ) + a0
y = bm
(dm
x/dτm
) +
+ bm
-
1
(dm
-
1
x/dτm
-
1
) + ... + b1
(dx/dτ) + b0
x.
(4)
Поряд з диференціальними рівняннями для опису динаміки перехідних процесів вимірювальних систем доцільно використовувати передаточні функції. Динамічні характеристики засобів вимірювання, які характеризують їх реакцію на гармонійні коливання у широкому діапазоні частот, називають частотними характеристиками, які містять в собі амплітудно-частотні та фазочастотні характеристики. Частотні характеристики можна одержати як експериментально, так і розрахунковим шляхом.
За способом одержання числового значення
вимірюваної величини вимірювання поділяються на прямі, посередні, сукупні
та сумісні.
Прямими
називаються такі вимірювання, за яких значення вимірюваної величини визначається безпосередньо за експериментальними даними (вимірювання довжини метром, вимірювання температури термометром, тиску манометром та ін.). Прямі вимірювання найпростіші і найпоширеніші у промисловості.
Посередніми
називаються такі вимірювання, за яких значення вимірюваної величини визначається за допомогою відомих математичних залежностей між цією величиною і величиною, яка визначається прямими вимірюваннями. Наприклад: визначення об'єму рідини у циліндричній посудині за висотою рідини в ній та площею дна S
-
V
=
Sh
;
густини рідини за масою і її об'ємом — р =
m
/
V
та ін.
У загальному вигляді вимірювана величина визначається за формулою
X
=
f
(
y
1
,
y
2
,
y
3
...),
(5)
де y
1
y
2
,
у3
— значення величин, виміряних прямим способом;
f
— функціональна залежність.
При сукупних
вимірюваннях числове значення вимірюваної величини визначається розв'язком системи рівнянь, одержаних шляхом сукупних прямих вимірювань однієї або декількох однойменних величин (наприклад, визначення температурного коефіцієнта лінійного розширення).
При сумісних
вимірюваннях одночасно вимірюють дві або декілька різнойменних величин для виявлення залежностей між ними. Як правило, результати таких вимірювань використовуються у наукових дослідженнях.
За точністю вимірювання числових значень вимірюваної величини вимірювання поділяються на три групи.
1
. Вимірювання з максимально можливою точністю
відповідно до наявного технічного рівня. Це вимірювання за допомогою еталонів, спрямовані насамперед на відтворення встановлених одиниць фізичних величин або ж фізичних констант. Крім того, такі вимірювання необхідні при наукових дослідженнях високого рівня та розробках сучасних технологій в електроніці, атомній енергетиці тощо.
2. Контрольно-повірочні вимірювання,
похибки яких не перевищують деяких наперед заданих значень. До них відносять лабораторні вимірювання фізичних величин за допомогою зразкових і технічних засобів високих класів точності. Такі вимірювання проводяться у метрологічних лабораторіях Держстандарту України та науково-дослідних інститутах.
3. Технічні вимірювання
— вимірювання, які проводяться у промисловості і визначаються невисоким класом точності засобів вимірювання.
Залежно від одиниць вимірювання значення вимірюваних величин можна розділити на абсолютні, відносні
та приведені.
Абсолютними
називаються вимірювання, значення яких подані у абсолютних одиницях фізичних величин (наприклад, тиск у паскалях, довжина в метрах, час у секундах та ін.).
Відносними
називаються вимірювання, значення яких подані як відношення вимірюваної величини до однойменної, умовно прийнятої за одиницю, або ж у відсотках (наприклад, вологість повітря).
3. Принципи та методи вимірювання
Для точних вимірювань фізичних величин у метрології розроблені способи використання принципів і засобів вимірювальної техніки, застосування яких дозволяє вилучити із результатів вимірювань ряд систематичних і випадкових похибок і позбавити експериментатора необхідності вводити поправки для їх компенсації, а в деяких випадках взагалі одержувати вірогідні результати. Багато способів використання так і залишаються лише способами, їх застосовують лише в окремих, небагатьох випадках. Проте є й такі способи використання, які необхідні при численних вимірюваннях багатьох величин. Коли вони стають загальними, їх називають методами вимірювань.
Принцип вимірювання
— фізичне явище або сукупність фізичних явищ, які покладені в основу вимірювання певної величини. Наприклад, вимірювання темпера
Засіб вимірювальної техніки
— технічний засіб, який застосовується під час вимірювань і має нормовані метрологічні характеристики.
Метод вимірювання
— сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципів вимірювань для створення вимірювальної інформації.
Вимірювальна інформація
— інформація про вимірювані величини та залежності між ними у вигляді сукупності їх значень.
У метрології у процесі вимірювань найширше застосовуються прямі методи
вимірювання, що забезпечують визначення шуканої величини за експериментальними даними.
До прямих методів
вимірювання відносяться: метод безпосередньої оцінки, метод порівняння з мірою, метод протиставлення, нульовий (компенсаційний), диференційний та ін.
Метод
безпосередньої оцінки
полягає в тому, що вимірювана величина визначається безпосередньо за показниками шкали вимірювального приладу (наприклад, зважування на циферблатних вагах, вимірювання тиску пружинним манометром).
Вимірювання цим методом проводяться дуже швидко, просто і не вимагають високої кваліфікації, оскільки не потрібно ускладнювати вимірювальний прилад і виконувати складні обчислення. Проте точність таких вимірювань невисока через вплив зовнішнього середовища та розмірів шкали приладу.
При проведенні точніших вимірювань слід користуватися методом порівняння з мірою,
який полягає в тому, що вимірювана величина порівнюється з величиною, відтвореною мірою. Результат вимірювання визначається як сума значень порівняльної міри та показів вимірювального приладу або приймається рівним значенню міри (наприклад, аналітичні ваги).
Метод протиставлення
— це метод порівняння з мірою, коли вимірювана і відтворена мірою величини одночасно діють на прилад порівняння, за допомогою якого визначається співвідношення між цими величинами. Значення шуканої величини визначається після досягнення рівноваги за значенням зрівноважуючої величини. Наприклад, на важільних вагах маса зваженого вантажу визначається за масою поставлених ваг.
Нульовий
(компенсаційний) метод полягає у порівнянні вимірюваної величини з мірою, а результуючий ефект дії величин на прилад доводиться до нуля. Цей метод широко використовується в автоматичних вимірювальних приладах: автоматичних мостах, потенціометрах, аналізаторах рідин, газів та ін. На результати вимірювань, як правило, майже не впливають зовнішні чинники і джерело живлення вимірювальних електричних схем.
Диференціальний
(різницевий) метод полягає в тому, що вимірювальним приладом визначається різниця між вимірюваною величиною і величиною-мірою. Наприклад, вимірювання надмірного тиску в апаратах відносно атмосферного тиску за допомогою диференціального манометра типу ДМ.
Метод збіжності
є різновидом методу порівняння з мірою і полягає в тому, що різниця між шуканою і відтвореною мірою величинами вимірюється за збігом шкал або періодичних сигналів. Цей метод використовується при вимірюванні точних сигналів часу, частоти обертання тощо. Крім перелічених методів, у метрологічній практиці використовуються багато інших: інтерферентний — для точних вимірювань лінійних величин, фотоелектричний — у машинобудуванні та ін.
4. Електричні методи вимірювання неелектричних величин
При метрологічних роботах і технологічних вимірюваннях параметрів широко використовуються електричні методи вимірювань неелектричних величин: температури, рівня, тиску, витрат, різних показників якості готової продукції і сировини. Це пов'язано з тим, що у більшості випадків технологічні лінії виготовлення продукції мають досить велику протяжність, і здійснювати одночасний контроль основних параметрів просто неможливо. Тому вимірювані технологічні параметри перетворюють в електричні величини-сигнали, які можна передавати на значні відстані. Перетворення неелектричних величин в електричні дозволяє спростити сам процес вимірювання, підвищити його точність і навіть виміряти величини, які раніше ніколи не вимірювалися. Перетворення неелектричних величин в електричні сигнали проводиться за допомогою вимірювальних перетворювачів. Лінійні переміщення, деформації чутливих елементів, перетворені в електричні сигнали, передаються на значну відстань і за допомогою відтворюючих засобів перетворюються у вимірювану величину.
Для вимірювання неелектричних величин досить широко використовуються такі електричні методи, як тензоелектричні, індукційні, фотоелектричні, п'єзоелектричні та ін.
Тензометричний метод
ґрунтується на використанні тензорезисторів, які змінюють свій опір під дією деформацій механічних чутливих елементів (наприклад, мембран). Сучасні тензорезистори, які використовуються у засобах вимірювання тиску типу "Сапфір-22", виготовляються методом плазмового напилювання і забезпечують одержання результатів вимірювань тиску з досить високою точністю. Тензорезистори розміщуються на спеціальних сапфірній та металевій мембранах і під'єднуються до мостової схеми струмового перетворювача з уніфікованими сигналами 0-5; 0-20; 4-20 тА.
Вимірювальні перетворювачі "Сапфір-22" забезпечують вимірювання тисків до 100 МПа, розрідження — до 10-5
МПа, різниці тисків — від 2,5 Па до 16 МПа при класах точності ОД; 0,25; 0,5.
Основними перевагами перетворювачів "Сапфір-22" є використання незначних деформацій чутливих елементів, що підвищує їх надійність, стабільність лінійних характеристик, а також забезпечує вібростійкість.
П'єзоелектричний метод
ґрунтується на використанні властивостей деяких кристалічних матеріалів утворювати електричні заряди на їх поверхні під дією прикладеної сили. Це явище називається п'єзоефектом.
Найчастіше для первинного перетворювача використовується монокристал кварцу, що пояснюється такими його перевагами перед іншими матеріалами, як механічна міцність, високі ізоляційні якості, незалежність п'єзоелектричних властивостей від температури у широкому діапазоні (20 400 °С) та негігроскопічність. Кварцеві пластини вирізаються перпендикулярно до електричної осі монокристалу кварцу. Під дією тиску р
на електричних гранях пластини виникають електричні заряди Q
=
KSp
,
де К
— п'єзоелектрична стала (для кварцу К
=
2 • 10-2
Кл/Н); S
— ефективна площа грані, м2
. П'єзоелектричний перетворювач під'єднується до електронного підсилювача постійного струму. Величина сигналу: Uc
= Q
/
C
,
де С — загальна ємність вимірювальної ланки.
Завдяки "стіканню" заряду п'єзоелектричні перетворювачі використовуються для вимірювання динамічних навантажень, тисків, вібрацій. Вони надзвичайно жорсткі, мають високу частоту власних коливань та незначні деформації. Крім того, вони дуже малі за розмірами. Недоліком п'єзоелектричних перетворювачів є їх високий електричний опір і неможливість використання для статичних вимірювань через "стікання" електричного заряду пластин. Верхня межа вимірювання тиску таких приладів сягає 100МПа, а за рахунок збільшення площі пластин (при паралельному їх включенні) чутливість перетворювачів можна значно підвищити і заміряти тиски, нижчі за 1Па.
Ємнісний метод
ґрунтується на зміні ємності датчика за рахунок діелектричних властивостей самого середовища. Цей метод можна використовувати при вимірюванні рівня, густини, вологості та інших технологічних параметрів, використовуючи при цьому відому формулу площинного конденсатора: εS
/
l
,
де ε
— діелектрична проникливість; S— площа пластин; l
— відстань між пластинами.
При вимірюванні рівня або вологості між пластинами конденсатора використовується діелектрик, діелектрична проникливість якого значно вища за діелектричну проникливість повітря, це й зумовлює зміну ємності залежно від висоти заповнення діелектриком простору між обкладками конденсатора. Вологість речовини визначається за рахунок наявної вологи у матеріалі — чим більше вологи, тим вища ємність.
Крім того слід зауважити, що ємнісні засоби вимірювань успішно використовуються у вибухонебезпечних виробництвах.
Поряд з описаними методами широко застосовуються індукційні, омічні, термоелектричні та інші методи вимірювання неелектричних величин.
5. Контроль за технологічними параметрами у харчовій промисловості
Харчова промисловість є багатогалузевою, з досить складними технологічними процесами, що залежать як від самого процесу переробки сировини, так і від її якості. Незважаючи на певні якісні відхилення сировини, вихідна продукція харчових виробництв повинна відповідати стандартним показникам якості. Тому контролю технологічних параметрів протягом всього технологічного процесу приділяється значна увага, а отже, надається важливе значення автоматичному контролю.
Для автоматичного контролю за технологічними параметрами в основному використовуються засоби вимірювань загально-промислового призначення: термометри, манометри, рівнеміри, витратоміри та прилади контролю за якістю продуктів і напівпродуктів. Проте їх використання за прямим призначенням у харчовій промисловості не завжди припустиме і можливе.
У більшості харчових виробництв засоби вимірювань повинні бути стерильними, не допускається використання токсичних речовин, а також виникнення побічних ефектів та явищ, зумовлених контактуванням первинних перетворювачів з харчовим середовищем (наприклад сурма, ртуть, скло тощо).
У переважній більшості харчові технології є хімічно активними (дифузійні соки, продукти бродіння) і агресивними (миючі лужні розчини) середовищами, тому засоби вимірювань, котрі контактують з такими середовищами, повинні бути корозійно і ерозійно стійкими. Водночас необхідно виключити можливість впливу контактних із середовищем засобів вимірювань на якість продукції, що виробляється (невластиві запахи, зміна кольору, погіршення смакових властивостей, зниження харчових цінностей продукції).
Неприпустимим є використання у харчовій промисловості токсичних речовин і середовищ (наприклад сурми, ртуті, легованих виробів, талію та ін.), це категорично забороняється відповідними урядовими постановами.
При використанні радіоактивних, високочастотних, ультразвукових приладів повинен враховуватися шкідливий вплив їхнього випромінювання на якість харчових продуктів та на обслуговуючий персонал. Наприклад, вимірювання рівня завантаження вапняної печі контролюється за допомогою радіоактивного кобальту, але при цьому необхідно чітко дотримуватися вимог з техніки безпеки.
В усіх галузях харчової промисловості використовуються різні типи витратомірів: змінного і постійного перепаду тиску, індукційні та щілинні, ультразвукові тощо. Проте на результати вимірювань значно впливають специфічні характеристики рідинних середовищ: насиченість бульбашками повітря, вуглекислого та інших газів, низькі швидкості потоків та ін.
При вимірюванні тиску манометрами необхідно обов'язково використовувати роздільні мембрани, підігрівачі трубок, оскільки технологічні середовища при зниженні температури загусають і перешкоджають передачі тиску із середовища до манометра.
Впроваджуючи системи автоматичного контролю, необхідно враховувати підвищену вибухонебезпечність деяких технологічних виробництв: спиртозаводи, сушарки цукру та жому, молока та інших продуктів. Найкраще при цьому використовувати пневматичні засоби вимірювань.
Виходячи з цього, впровадження загальнотехнічних засобів технологічних вимірювань невіддільне від розробки спеціальних засобів відбирання проб, захисту первинних перетворювачів від корозії, безрозбірного миття та очищення у процесі вимірювань тощо. Останнім часом велику увагу приділяють розробці спеціальних первинних перетворювачів для вимірювання якості не тільки вихідних продуктів, а й напівпродуктів виділень технологічних процесів з метою прогнозування порушень режимів роботи.
Список використаної літератури
В.Д.Цюцюра, С.В.Цюцюра. Метрологія
та основи
вимірювань
. Навч. посібн., К., "Знання -Прес", 2003