Курсовая работа разработка измерительной информационной системы

Курсовая.doc

Пояснительная записка к курсовому проекту 29с. 2 рис. 7 табл. 7 источников.
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА УСЛОВНЫЙ ОБЪЕКТ РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ ТОЧЕЧНАЯ ОЦЕНКА ИНТЕРВАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
Объектом исследования данного курсового проекта является некоторый условный объект
Целью работы является проведение обработки результатов наблюдений основных физических величин характеризующих функционирование условного объекта; выбор средств измерений для создания ИИС; разработка измерительной информационной системы; определение и исследование характеристик отдельных средств измерений входящих в состав ИИС.
В итоге работы должны быть получены данные по обработке результатов наблюдения физических величин: температуры воды температуры продукта давления и расходы воды.
Нормативные ссылки 7
Обработка результатов наблюдений физических величин 8
1 Обработка результатов наблюдений температуры воды 8
2 Обработка результатов наблюдений температуры продукта 11
3 Обработка результатов наблюдений давления воды 15
4 Обработка результатов наблюдений расхода воды 18
Разработка измерительной информационной системы 19
1 Техническое задание на разработку ИИС 19
2 Выбор средств измерений 20
3 Разработка схемы автоматизации условного объекта 20
Определение и исследование характеристик средств измерений
входящих в состав ИИС 22
1 Расчет пределов систематической погрешности измерения
2 Построение статических характеристик средств измерений
3 Расчет надежности комплекта для измерения температуры
Список использованных источников 29
Основой целью курсового проектирования является разработка измерительной информационной системы на основе результатов наблюдений основных физических величин характеризующих функционирование условного объекта.
Необходимо провести анализ условного объекта контроля. Необходимо учесть в расчетах средства измерений использованных для проведения экспериментов и для полученных параметров объекта - температуры продукта; температуры давления и расхода воды - необходимо провести обработку результатов наблюдения представленных в виде таблиц и определить для них интервальную оценку результатов измерения физической величины с многократными наблюдениями.
На основе полученных характеристик условного объекта необходимо составить техническое задание на разработку измерительной информационной системы и провести выбор средств измерений. Все информационные каналы должны передавить информацию унифицированными электрическими выходными сигналами постоянного тока на микропроцессорный измерительный прибор который должен передавать информацию на персональный компьютер оператора. При выборе средств измерений следует в первую очередь проверить возможность применения аппаратуры производственного объединения «Овен». С полученными средствами измерений и параметрами объекта необходимо разработать схему автоматизации и показать на ней средства измерений размещаемые по месту на щите контроля и в операторском пункте.
Для средств измерений входящих в состав измерительной информационной системы необходимо провести определение и исследование характеристик – расчет пределов систематической погрешности построить статические характеристики средств измерений провести расчет надежности информационных каналов измерительной информационной системы.
В настоящем курсовом проекте по использованы ссылки на следующие нормативные документы:
ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ. Методики выполнения измерений.
ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования.
ГОСТ 6616-74 Преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие технические условия.
ГОСТ 8.207-76 ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.
ГОСТ 8.243-77 ГСИ Преобразователи измерительные разности давлений ГСП с унифицированными выходными параметрами взаимной индуктивности. Методы и средства поверки.
ГОСТ 13384-81 Преобразователи измерительные для термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей ГСП. Общие технические условия.
ГОСТ 21.404-85 СПДС. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.
ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы.
Обработка результатов наблюдений физических величин
1 Обработка результатов наблюдений температуры воды
Для измерения температуры воды используется термоэлектрический преобразователь ДТПL045 (номинальная статическая характеристика термопары типа L термоэлектродный соединительный кабель) потенциометр ПП-63. Результаты наблюдений при измерении
температуры воды представлены в виде показаний потенциометра ПП-63 в таблице 2.1. При этом для нахождения действительных значений в градусах Цельсия следует воспользоваться НСХ термопреобразователя ДТПL и учесть температуру зажимов датчика и температуру зажимов потенциометра а также материалы соединительных проводов.
Так как датчик подключен к потенциометру медными кабелями то при определении его термо-ЭДС необходимо ввести поправку связанную с температурой зажимов датчика. В этом случае выражение для термо-ЭДС датчика при температуре его свободных концов имеет вид:
где – значение термо-ЭДС при искомой температуре мВ;
– показания потенциометра ПП-63 для каждого значения результата наблюдения мВ;
– температурная поправка для мВ.
В соответствии со статической характеристикой термопреобразователя определяется поправка мВ.
где – полиномы для обратной статической характеристики термопары.
Полученные данные а также ряд распределения результатов наблюдений приведены в таблице 2.1.
Для исключения грубых погрешностей в выборке воспользуемся критерием Граббса:
Рассчитаем оценку результата наблюдения:
где – объем выборки равный 24.
Т а б л и ц а 2.1 - Значения наблюдений температуры воды
Номер результата наблюдений в выборке
Количество результатов наблюдения
Результат наблюдения температуры воды мВ
Результат наблюдения температуры воды
Отклонение результата наблюдения от среднего значения
Для величины проведем расчет среднего квадратического отклонения результата наблюдения по формуле:
Для крайних результатов наблюдений из ряда рассчитаем значение параметров и :
где – максимальное и минимальное значение температуры из выборки °C.
Так как найденные значения параметров и не превышают предельного значения параметра h равного 2856 при объеме выборки равном 24 и уровне значимости q равном 005 то результаты не содержат аномальных наблюдений.
Следовательно в дальнейших расчетах оценку результатов наблюдений принимаем равным ºС.
Для проверки гипотезы о принадлежности результатов наблюдений нормальному распределению случайной величины результата наблюдения используем составной критерий:
Гипотеза о нормальном распределении случайной величины по первому критерию не отвергается если выполняется неравенство:
где – уровень значимости первого критерия равный 002;
– квантиль равный 0695;
– квантиль равный 09.
Произведем расчет смещенной оценки СКО по формуле:
Затем вычислим параметр d по формуле:
Поскольку неравенство не выполняется то гипотеза о нормальном распределении случайной величины по первому критерию отвергается.
Примем уровень значимости второго критерия равным 002.
Гипотеза о нормальном распределении случайной величины по второму критерию не отвергается если неравенство (2.2) выполняется не более чем m раз m=2.
где – вероятность равная 098 при уровне значимости ;
– квантиль нормированной функции Лапласа соответствующий вероятности равный 217;
- номер результата в выборке.
Проведем расчет правой части неравенства (2.2):
Проведем расчет левой части неравенства (2.2) и занесем полученные данные в таблицу 2.1.
Неравенство (2.2) не выполняется ни в одном случае следовательно гипотеза о нормальном распределении по второму критерию не отвергается.
Таким образом можно определить уровень значимости критерия :
Определим границы доверительного интервала при доверительной вероятности q.
Для этого рассчитываем оценку СКО по формуле
Границы доверительного интервала определяются как
где – коэффициент распределения Стьюдента для числа степеней свободы .
Таким образом получаем границы доверительного интервала
Интервальная оценка записывается в виде
Таким образом результат наблюдений температуры воды
2 Обработка результатов наблюдения температуры продукта
Структурная схема измерительного комплекта для измерения температуры продукта приведена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Схема измерительного комплекта
Для измерения температуры продукта применяется следующий комплект: датчика – термопреобразователя сопротивления типа
ДТС 035-50П (НСХ 50 П); нормирующего преобразователя типа Ш79 (диапазоном измерений по температуре от минус 70 до 180 выходной сигнал от 0 до 5 мА) с линейной статической характеристикой; магазина сопротивлений Р33; потенциометр типа ПП-63.
Запишем аналитическую форму обратной статической характеристики измерительного комплекта:
Зависимость сопротивления термопреобразователя ДТС 035 находится по формуле:
где – температура продукта ;
– температура датчика при температуре равная 50 Ом;
Значения выходного токового сигнала нормирующего преобразователя Ш79 зависят от сопротивления термопреобразователя ДТС 035:
где – чувствительность преобразователя ;
– текущее значение сопротивления Ом;
– начальное значение сопротивления соответствующее нижнему пределу измерений Ом.
Определим чувствительность преобразователя по формуле:
где – диапазон изменения выходного сигнала Ш79;
– разность нижнего и верхнего значений сопротивления датчика .
В соответствии с формулой (2.4) получим значение выходного сигнала:
Для магазина сопротивлений Р33 математическая модель статики имеет вид
гдеR – значение образцового резистора равное 10 .
Для потенциометра ПП-63 имеем следующую статическую характеристику:
Используя формулы (2.3) (2.4) (2.5) и (2.6) получим квадратное уравнение:
Получим уравнение математической модели статики измерительного комплекта в общем виде:
Подставляя формулу (2.7) значения рассчитаем значение температуры продукта и занесем их в таблицу 2.2.
Т а б л и ц а 2.2 – Значения наблюдений температуры продукта
Рассчитаем среднее арифметическое значение для полученной выборки объемом :
Для расчета СКО результата измерения температуры продукта воспользуемся формулой
где – СКО значений результатов наблюдений мВ;
– СКО значений сопротивления образцового резистора Ом;
– среднее значение результатов наблюдений мВ;
– среднее значение сопротивления образцового резистора
Найдем математическое ожидание
где – число результатов наблюдений для аргумента (=5).
Произведем расчет относительной погрешности магазина сопротивлений Р33. Класс точности магазина сопротивлений Р33 равен поэтому
где – максимальное сопротивление магазина которое может быть установлено ;
Абсолютная погрешность магазина сопротивлений:
Тогда СКО значений сопротивления:
Используя ранее найденные значения и получим
Тогда искомое СКО результата измерения температуры продукта
Для определения границ доверительного интервала необходимо найти число степеней свободы для определения коэффициента Стьюдента.
где – число аргументов в формуле косвенного измерения равное 2;
– ранее полученные производные соответственно (2.9) и (2.10);
– СКО значений результатов наблюдения и значений сопротивления соответственно мВ и Ом;
– количество результатов наблюдений для аргументов ;
По таблице значений точек распределения Стьюдента для найденного значения числа степеней свободы найдем коэффициент Стьюдента .
Тогда границы доверительного интервала:
Интервальная оценка результатов наблюдения температуры:
Таким образом результат наблюдений температуры продукта:
3 Обработка результатов наблюдений давления воды
Для измерения давления воды используются поочередно подключаемые манометры: технический МП4-У (диапазон измерений
от 0 до 0.6 МПа класс точности 15) и образцовый МО (диапазон измерений от 0 до 0.6 МПа класс точности 04)
Результаты наблюдений давления воды приведены в таблице 2.3.
Проверим выполнение условия равноточности наблюдений для каждой выборки.
Рассчитаем точечные оценки результатов наблюдений:
где – номер выборки;
– значение результатов наблюдений в выборке кПа.
Рассчитаем значение СКО результата измерения давления воды:
Подставив известные значения получим
Т а б л и ц а 2.3 - Результаты наблюдений давления воды
Значение результатов наблюдений давления воды кПа
Для проверки равноточности двух выборок используем критерий Романовского и в соответствии с ним рассчитаем значение параметра R по формуле:
Параметр рассчитывается по формуле:
Подставив известные значения в (2.12) и (2.13) получим следующие результаты:
Тогда при подстановке полученных значений в (2.11) получим:
Так как наблюдения считаются неравноточными и результат измерения давления воды нужно рассчитывать как средневзвешенное результатов наблюдений для отдельных выборок:
где– весовые коэффициенты.
Определим весовые коэффициенты используя следующие формулы:
Решая данную систему уравнений получаем значения коэффициентов:
Отсюда получим значение точечной оценки:
СКО общего результата измерений давления определим по формуле:
Для нахождения границ доверительного интервала используем коэффициент распределения Стьюдента которое определим по следующей формуле:
где k – число аргументов в формуле средне взвешенного k=2;
– весовые коэффициенты;
– число результатов в выборке ;
– СКО результатов наблюдений воды.
Для найденного числа степеней свободы коэффициент распределения Стьюдента .
Интервальная оценка результатов наблюдения давления воды:
Таким образом результат наблюдений давления воды:
4 Обработка результатов наблюдений расхода воды
Результаты наблюдения расхода воды приведены в таблице 2.4
Определим точечную оценку расхода воды как среднее арифметическое результатов наблюдения:
где – объем выборки;
– значение результата наблюдения в выборке.
Определим СКО результата наблюдения расхода воды:
Т а б л и ц а 2.4 - Результаты наблюдений расхода воды
Значение результатов наблюдений в выборке
Определим границы доверительного интервала:
где – число степеней свободы
– коэффициент распределения Стьюдента табличное значение для числа степеней свободы .
Интервальная оценка результатов наблюдения расхода воды:
Разработка измерительной информационной системы
1 Техническое задание на разработку ИИС
Наименование системы – ИИС построенное на основе аппаратуры компании «ОВЕН».
1.2 Назначение и цели создания системы
Назначение ИИС – использование как локальной подсистемы автоматизированного контроля в интегрированной АСУ предприятия.
Цель разработки ИИС – оснащение условного объекта комплексом технических средств для измерений физических величин и передачи измерительной информации на вход измеряемого вычислительного комплекса для обработки.
1.3 Характеристики объекта автоматизации
Условный объект при нормальном режиме эксплуатации характеризуется следующими значениями физических величин в форме интервальных оценок результатов измерений:
- температуры воды ;
- температуры продукта ;
1.4 Характеристики объекта автоматизации
ИИС должна обеспечивать измерения щитовым прибором и передачу на вход ИВК информации о значении следующих физических величин в форме точечных оценок:
- температуры воды ;
- температуры продукта ;
2 Выбор средств измерений
Выбор средств измерений проводим с учетом следующей дополнительной информации о предельных значениях измеряемых величин:
- Максимальное значение температуры воды ;
- Максимальное значение температуры продукта ;
- Максимальное значение давления воды ;
- Максимальное значение расхода воды .
Для измерения температуры воды используем термоэлектрический преобразователь ДТПL045 с диапазоном измерений от минус 50 до 200 выходной сигнал от минус 3005 до 1456 мВ НСХ типа L класс точности 1; соединительный провод термоэлектродный; нормирующий преобразователь Ш78 диапазоном измерений от минус 3005 до 1456 мВ выходной сигнал
от 0 до 5 мА класс точности 025.
Для измерения температуры продукта используем термопреобразователь сопротивления ДТС-035-50М диапазон измерений по температуре от минус 50 до 500 НСХ типа 50М класс допуска А; преобразователь измерительный одноканальный Ш79 диапазон измеряемой температуры от минус 50 до 500 НСХ типа 50М класс точности 04.
Для измерения давления воды используем пневматический преобразователь давления 13ДИ13 диапазон измерения от 0 до 1 МПа выходной сигнал пневматический от 002 до 01 класс точности 06; преобразователь пневмоэлектрический аналоговый ППЭ-2 выходной сигнал выходной сигнал от 0 до 5 мА класс точности 05.
Для измерения расхода воды используем диафрагму для расходомеров ДКС 06-100 максимальное давление среды 06 МПа внутренний диаметр 100 мм; измерительный преобразователь избыточного давления Сапфир-22ДД диапазон измерений от 01 до 06 МПа выходной сигнал от 0 до 5 мА класс точности 025.
Для контроля и регистрации измеренных параметров на компьютер используем микропроцессорный восьмиканальный цифровой измерительный прибор УКТ38-Щ4.АТ входные сигналы от 0 до 5 мА диапазон показаний от 0 до 5 мА класс точности 05; адаптер интерфейсов АС2 обеспечивает взаимное преобразование сигналов в виде «токовой петли» и сигналов интерфейса RS-232 подключение к последовательному COM-порту компьютера прибора типа УКТ38.
3 Разработка схемы автоматизации условного объекта
Для измерения температуры воды используется термоэлектрический преобразователь типа ДТПL045 поз. 1а подключенный к нормирующему преобразователю Ш78 поз. 1б выходной сигнал которого поступает на прибор УКТ38-Щ4.АТ поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС2 поз. 1г передается на персональный компьютер.
Для измерения давления воды используется пневматический преобразователь давления 13ДИ13 поз. 2a выходной сигнал с которого поступает преобразователь пневмоэлектрический аналоговый ППЭ-2 поз. 2б выходной пневматический сигнал поступает на преобразователь пневмоэлектрический ППЭ-2 поз. 2б выходной сигнал с которого поступает на прибор УКТ-38-Щ4 поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС-2 поз. 1г поступает на персональный компьютер.
Для измерения расхода воды используется ДКС поз. 3а выходной сигнал которого поступает на датчик давления Сапфир-22ДД поз. 3б выходной сигнал с которого поступает на прибор УКТ-38-Щ4 поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС-2 поз. 1г поступает на персональный компьютер.
Для измерения температуры продукта используется термопреобразователь сопротивления ДТС-035-50М поз. 4а выходной сигнал с которого поступает на преобразователь измерительный одноканальный Ш79 поз. 4б выходной сигнал с которого поступает на прибор УКТ-Щ4.АТ поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС2 поз. 1г поступает на персональный компьютер.
Определение и исследование характеристик средств измерений входящих в состав ИИС
1 Расчет пределов систематической погрешности измерения температуры воды
Схема измерительного комплекта для измерения температуры воды приведена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Схема измерительного комплекта
Для данного комплекта пределы измеряемой температуры
от минус 50 до 200 ;
Пределы величины выходного напряжения
от минус 3005 до 1456 мВ;
Пределы выходного токового сигнала с преобразователя Ш78
Пределы выходного токового сигнала для УКТ 38 от 0 до 5 мА.
Для точечной оценки результата измерений выходной температуры воды табличное значение будет равно
Рассчитаем значение выходного тока преобразователя Ш78 по формуле:
где– чувствительность преобразователя Ш78.
Определим чувствительность преобразователя:
где – диапазон изменения выходного тока мА;
– диапазон измерения выходного напряжения мВ.
Результат измерения :
Доверительная граница результата измерения принимается равной не исключённой систематической погрешности которая может быть рассчитана по формуле:
где – относительная погрешность датчика;
– относительная погрешность нормирующего преобразователя;
– относительная погрешность вторичного прибора.
Для расчета относительной погрешности отдельных средств измерений следует учесть способы нормирования их погрешностей.
Для датчика ДТПL045 нормируются пределы абсолютной погрешности:
Тогда предел относительной погрешности датчика:
Для Ш78 нормируются пределы приведенной погрешности:
Тогда пределы относительной погрешности нормирующего преобразователя:
Для УКТ 38 нормируются пределы приведенной погрешности:
Тогда предел относительной погрешности вторичного прибора:
Таким образом доверительная граница результата измерения будет равна
Интервальная оценка результата измерения температуры воды будет иметь следующий вид:
2 Построение статических характеристик средств измерений температуры воды
Статические характеристики приведены на листе 2 иллюстративной части. Ниже приведены статические характеристики в аналитической и табличной формах.
)Статическая характеристика датчика ДТПL045
Статическая характеристика датчика ДТПL045 приведена в
Т а б л и ц а 4.1 – Статическая характеристика ДТПL045
)Статическая характеристика нормирующего преобразователя Ш78
Статическая характеристика нормирующего преобразователя Ш78 приведена в таблице 4.2.
Т а б л и ц а 4.2 – Статическая характеристика Ш78
)Статическая характеристика измерительного прибора УКТ
Статическая характеристика вторичного измерительного прибора УКТ приведена в таблице 4.3.
Т а б л и ц а 4.3 – Статическая характеристика УКТ
3 Расчет надежности комплекта для измерения температуры воды
С точки зрения теории надежности в состав измерительного комплекта последовательно включены четыре элемента. Выход из строя любого из них приведет к отказу всего комплекта в целом.
Для трех элементов входящих в комплекс известны интенсивности отказов:
Для соединительного термоэлектронного кабеля интенсивность отказов на 1 метр длины:
Длина кабеля для измерительного комплекса:
Закон распределения случайной величины времени безотказной работы принимается экспоненциальным то есть для каждого элемента справедливо выражение в общем виде:
где – вероятность безотказной работы за время t;
– интенсивность отказов .
Вероятность безотказной работы комплекса за тысячу часов рассчитаем по формуле:
где – вероятность отказа датчика ДТПL045 за тысячу часов;
– вероятность отказа нормирующего преобразователя Ш78 за тысячу часов;
– вероятность отказа вторичного измерительного прибора УКТ за тысячу часов;
– вероятность отказа соединительного термоэлектронного кабеля за тысячу часов.
Вероятность безотказной работы комплекса за тысячу часов:
Среднее время безотказной работы для экспоненциального закона:
Курсовой проект способствовал реализации практических задач по выполнению обработки результатов наблюдений связанных с обследованием условного объекта контроля разработке измерительной информационной системы (ИИС) на основе полученных результатов измерений определению и исследованию характеристик входящих в нее средств измерений.
Результатом курсового проектирования стала измерительная информационная система обеспечивающая условный объект комплексом технических средств измерений физических величин и передачи измерительной информации на вход измерительного вычислительного комплекса для последующей обработки.
Разработанная система в соответствии с заданием снабжена требуемым метрологическим обеспечением. Метрологическое обеспечение включает в себя методику измерений температуры воды и инструкцию по поверке преобразователя перепада давления входящего в канал измерения расхода воды.
Список использованных источников
Чистяков В. С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М. : Энергоатомиздат 1990. 320 с.
Осокин В.В. Метрология и измерения. Принципы и средства измерений теплотехнических величин: Учебное пособие; Кубанский государственный технологический университет. – Краснодар: Изд-во КубГТУ 1994. - 92 с.
Маркин Н. С. Основы теории обработки результатов измерений. М. : Изд. стандартов 1991. - 176 с.
Фарзане Л. В. Илясов А. Ю. Азим-Заде Н.Г.: Технологические измерения и приборы; под редакцией Фарзане Л. В. – М. : Высшая школа 1989. - 456 с.

Курсовая.docx

Пояснительная записка к курсовому проекту 29с. 2 рис. 7 табл. 7 источников.
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА УСЛОВНЫЙ ОБЪЕКТ РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ ТОЧЕЧНАЯ ОЦЕНКА ИНТЕРВАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
Объектом исследования данного курсового проекта является некоторый условный объект
Целью работы является проведение обработки результатов наблюдений основных физических величин характеризующих функционирование условного объекта; выбор средств измерений для создания ИИС; разработка измерительной информационной системы; определение и исследование характеристик отдельных средств измерений входящих в состав ИИС.
В итоге работы должны быть получены данные по обработке результатов наблюдения физических величин: температуры воды температуры продукта давления и расходы воды.
Нормативные ссылки 7
Обработка результатов наблюдений физических величин 8
1 Обработка результатов наблюдений температуры воды 8
2 Обработка результатов наблюдений температуры продукта 11
3 Обработка результатов наблюдений давления воды 15
4 Обработка результатов наблюдений расхода воды 18
Разработка измерительной информационной системы 19
1 Техническое задание на разработку ИИС 19
2 Выбор средств измерений 20
3 Разработка схемы автоматизации условного объекта 20
Определение и исследование характеристик средств измерений
входящих в состав ИИС 22
1 Расчет пределов систематической погрешности измерения
2 Построение статических характеристик средств измерений
3 Расчет надежности комплекта для измерения температуры
Список использованных источников 29
Основой целью курсового проектирования является разработка измерительной информационной системы на основе результатов наблюдений основных физических величин характеризующих функционирование условного объекта.
Необходимо провести анализ условного объекта контроля. Необходимо учесть в расчетах средства измерений использованных для проведения экспериментов и для полученных параметров объекта - температуры продукта; температуры давления и расхода воды - необходимо провести обработку результатов наблюдения представленных в виде таблиц и определить для них интервальную оценку результатов измерения физической величины с многократными наблюдениями.
На основе полученных характеристик условного объекта необходимо составить техническое задание на разработку измерительной информационной системы и провести выбор средств измерений. Все информационные каналы должны передавить информацию унифицированными электрическими выходными сигналами постоянного тока на микропроцессорный измерительный прибор который должен передавать информацию на персональный компьютер оператора. При выборе средств измерений следует в первую очередь проверить возможность применения аппаратуры производственного объединения «Овен». С полученными средствами измерений и параметрами объекта необходимо разработать схему автоматизации и показать на ней средства измерений размещаемые по месту на щите контроля и в операторском пункте.
Для средств измерений входящих в состав измерительной информационной системы необходимо провести определение и исследование характеристик – расчет пределов систематической погрешности построить статические характеристики средств измерений провести расчет надежности информационных каналов измерительной информационной системы.
В настоящем курсовом проекте по использованы ссылки на следующие нормативные документы:
ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ. Методики выполнения измерений.
ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования.
ГОСТ 6616-74 Преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие технические условия.
ГОСТ 8.207-76 ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.
ГОСТ 8.243-77 ГСИ Преобразователи измерительные разности давлений ГСП с унифицированными выходными параметрами взаимной индуктивности. Методы и средства поверки.
ГОСТ 13384-81 Преобразователи измерительные для термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей ГСП. Общие технические условия.
ГОСТ 21.404-85 СПДС. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.
ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы.
Обработка результатов наблюдений физических величин
1 Обработка результатов наблюдений температуры воды
Для измерения температуры воды используется термоэлектрический преобразователь ДТПL045 (номинальная статическая характеристика термопары типа L термоэлектродный соединительный кабель) потенциометр ПП-63. Результаты наблюдений при измерении
температуры воды представлены в виде показаний потенциометра ПП-63 в таблице 2.1. При этом для нахождения действительных значений в градусах Цельсия следует воспользоваться НСХ термопреобразователя ДТПL и учесть температуру зажимов датчика и температуру зажимов потенциометра а также материалы соединительных проводов.
Так как датчик подключен к потенциометру медными кабелями то при определении его термо-ЭДС необходимо ввести поправку связанную с температурой зажимов датчика. В этом случае выражение для термо-ЭДС датчика при температуре его свободных концов имеет вид:
где – значение термо-ЭДС при искомой температуре мВ;
– показания потенциометра ПП-63 для каждого значения результата наблюдения мВ;
– температурная поправка для мВ.
В соответствии со статической характеристикой термопреобразователя определяется поправка мВ.
где – полиномы для обратной статической характеристики термопары.
Полученные данные а также ряд распределения результатов наблюдений приведены в таблице 2.1.
Для исключения грубых погрешностей в выборке воспользуемся критерием Граббса:
Рассчитаем оценку результата наблюдения:
где – объем выборки равный 24.
Т а б л и ц а 2.1 - Значения наблюдений температуры воды
Номер результата наблюдений в выборке
Количество результатов наблюдения
Результат наблюдения температуры воды мВ
Результат наблюдения температуры воды
Отклонение результата наблюдения от среднего значения
Для величины проведем расчет среднего квадратического отклонения результата наблюдения по формуле:
Для крайних результатов наблюдений из ряда рассчитаем значение параметров и :
где – максимальное и минимальное значение температуры из выборки °C.
Так как найденные значения параметров и не превышают предельного значения параметра h равного 2856 при объеме выборки равном 24 и уровне значимости q равном 005 то результаты не содержат аномальных наблюдений.
Следовательно в дальнейших расчетах оценку результатов наблюдений принимаем равным ºС.
Для проверки гипотезы о принадлежности результатов наблюдений нормальному распределению случайной величины результата наблюдения используем составной критерий:
Гипотеза о нормальном распределении случайной величины по первому критерию не отвергается если выполняется неравенство:
где – уровень значимости первого критерия равный 002;
– квантиль равный 0695;
– квантиль равный 09.
Произведем расчет смещенной оценки СКО по формуле:
Затем вычислим параметр d по формуле:
Поскольку неравенство не выполняется то гипотеза о нормальном распределении случайной величины по первому критерию отвергается.
Примем уровень значимости второго критерия равным 002.
Гипотеза о нормальном распределении случайной величины по второму критерию не отвергается если неравенство (2.2) выполняется не более чем m раз m=2.
где – вероятность равная 098 при уровне значимости ;
– квантиль нормированной функции Лапласа соответствующий вероятности равный 217;
- номер результата в выборке.
Проведем расчет правой части неравенства (2.2):
Проведем расчет левой части неравенства (2.2) и занесем полученные данные в таблицу 2.1.
Неравенство (2.2) не выполняется ни в одном случае следовательно гипотеза о нормальном распределении по второму критерию не отвергается.
Таким образом можно определить уровень значимости критерия :
Определим границы доверительного интервала при доверительной вероятности q.
Для этого рассчитываем оценку СКО по формуле
Границы доверительного интервала определяются как
где – коэффициент распределения Стьюдента для числа степеней свободы .
Таким образом получаем границы доверительного интервала
Интервальная оценка записывается в виде
Таким образом результат наблюдений температуры воды
2 Обработка результатов наблюдения температуры продукта
Структурная схема измерительного комплекта для измерения температуры продукта приведена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Схема измерительного комплекта
Для измерения температуры продукта применяется следующий комплект: датчика – термопреобразователя сопротивления типа
ДТС 035-50П (НСХ 50 П); нормирующего преобразователя типа Ш79 (диапазоном измерений по температуре от минус 70 до 180 выходной сигнал от 0 до 5 мА) с линейной статической характеристикой; магазина сопротивлений Р33; потенциометр типа ПП-63.
Запишем аналитическую форму обратной статической характеристики измерительного комплекта:
Зависимость сопротивления термопреобразователя ДТС 035 находится по формуле:
где – температура продукта ;
– температура датчика при температуре равная 50 Ом;
Значения выходного токового сигнала нормирующего преобразователя Ш79 зависят от сопротивления термопреобразователя ДТС 035:
где – чувствительность преобразователя ;
– текущее значение сопротивления Ом;
– начальное значение сопротивления соответствующее нижнему пределу измерений Ом.
Определим чувствительность преобразователя по формуле:
где – диапазон изменения выходного сигнала Ш79;
– разность нижнего и верхнего значений сопротивления датчика .
В соответствии с формулой (2.4) получим значение выходного сигнала:
Для магазина сопротивлений Р33 математическая модель статики имеет вид
гдеR – значение образцового резистора равное 10 .
Для потенциометра ПП-63 имеем следующую статическую характеристику:
Используя формулы (2.3) (2.4) (2.5) и (2.6) получим квадратное уравнение:
Получим уравнение математической модели статики измерительного комплекта в общем виде:
Подставляя формулу (2.7) значения рассчитаем значение температуры продукта и занесем их в таблицу 2.2.
Т а б л и ц а 2.2 – Значения наблюдений температуры продукта
Рассчитаем среднее арифметическое значение для полученной выборки объемом :
Для расчета СКО результата измерения температуры продукта воспользуемся формулой
где – СКО значений результатов наблюдений мВ;
– СКО значений сопротивления образцового резистора Ом;
– среднее значение результатов наблюдений мВ;
– среднее значение сопротивления образцового резистора
Найдем математическое ожидание
где – число результатов наблюдений для аргумента (=5).
Произведем расчет относительной погрешности магазина сопротивлений Р33. Класс точности магазина сопротивлений Р33 равен поэтому
где – максимальное сопротивление магазина которое может быть установлено ;
Абсолютная погрешность магазина сопротивлений:
Тогда СКО значений сопротивления:
Используя ранее найденные значения и получим
Тогда искомое СКО результата измерения температуры продукта
Для определения границ доверительного интервала необходимо найти число степеней свободы для определения коэффициента Стьюдента.
где – число аргументов в формуле косвенного измерения равное 2;
– ранее полученные производные соответственно (2.9) и (2.10);
– СКО значений результатов наблюдения и значений сопротивления соответственно мВ и Ом;
– количество результатов наблюдений для аргументов ;
По таблице значений точек распределения Стьюдента для найденного значения числа степеней свободы найдем коэффициент Стьюдента .
Тогда границы доверительного интервала:
Интервальная оценка результатов наблюдения температуры:
Таким образом результат наблюдений температуры продукта:
3 Обработка результатов наблюдений давления воды
Для измерения давления воды используются поочередно подключаемые манометры: технический МП4-У (диапазон измерений
от 0 до 0.6 МПа класс точности 15) и образцовый МО (диапазон измерений от 0 до 0.6 МПа класс точности 04)
Результаты наблюдений давления воды приведены в таблице 2.3.
Проверим выполнение условия равноточности наблюдений для каждой выборки.
Рассчитаем точечные оценки результатов наблюдений:
где – номер выборки;
– значение результатов наблюдений в выборке кПа.
Рассчитаем значение СКО результата измерения давления воды:
Подставив известные значения получим
Т а б л и ц а 2.3 - Результаты наблюдений давления воды
Значение результатов наблюдений давления воды кПа
Для проверки равноточности двух выборок используем критерий Романовского и в соответствии с ним рассчитаем значение параметра R по формуле:
Параметр рассчитывается по формуле:
Подставив известные значения в (2.12) и (2.13) получим следующие результаты:
Тогда при подстановке полученных значений в (2.11) получим:
Так как наблюдения считаются неравноточными и результат измерения давления воды нужно рассчитывать как средневзвешенное результатов наблюдений для отдельных выборок:
где– весовые коэффициенты.
Определим весовые коэффициенты используя следующие формулы:
Решая данную систему уравнений получаем значения коэффициентов:
Отсюда получим значение точечной оценки:
СКО общего результата измерений давления определим по формуле:
Для нахождения границ доверительного интервала используем коэффициент распределения Стьюдента которое определим по следующей формуле:
где k – число аргументов в формуле средне взвешенного k=2;
– весовые коэффициенты;
– число результатов в выборке ;
– СКО результатов наблюдений воды.
Для найденного числа степеней свободы коэффициент распределения Стьюдента .
Интервальная оценка результатов наблюдения давления воды:
Таким образом результат наблюдений давления воды:
4 Обработка результатов наблюдений расхода воды
Результаты наблюдения расхода воды приведены в таблице 2.4
Определим точечную оценку расхода воды как среднее арифметическое результатов наблюдения:
где – объем выборки;
– значение результата наблюдения в выборке.
Определим СКО результата наблюдения расхода воды:
Т а б л и ц а 2.4 - Результаты наблюдений расхода воды
Значение результатов наблюдений в выборке
Определим границы доверительного интервала:
где – число степеней свободы
– коэффициент распределения Стьюдента табличное значение для числа степеней свободы .
Интервальная оценка результатов наблюдения расхода воды:
Разработка измерительной информационной системы
1 Техническое задание на разработку ИИС
Наименование системы – ИИС построенное на основе аппаратуры компании «ОВЕН».
1.2 Назначение и цели создания системы
Назначение ИИС – использование как локальной подсистемы автоматизированного контроля в интегрированной АСУ предприятия.
Цель разработки ИИС – оснащение условного объекта комплексом технических средств для измерений физических величин и передачи измерительной информации на вход измеряемого вычислительного комплекса для обработки.
1.3 Характеристики объекта автоматизации
Условный объект при нормальном режиме эксплуатации характеризуется следующими значениями физических величин в форме интервальных оценок результатов измерений:
- температуры воды ;
- температуры продукта ;
1.4 Характеристики объекта автоматизации
ИИС должна обеспечивать измерения щитовым прибором и передачу на вход ИВК информации о значении следующих физических величин в форме точечных оценок:
- температуры воды ;
- температуры продукта ;
2 Выбор средств измерений
Выбор средств измерений проводим с учетом следующей дополнительной информации о предельных значениях измеряемых величин:
- Максимальное значение температуры воды ;
- Максимальное значение температуры продукта ;
- Максимальное значение давления воды ;
- Максимальное значение расхода воды .
Для измерения температуры воды используем термоэлектрический преобразователь ДТПL045 с диапазоном измерений от минус 50 до 200 выходной сигнал от минус 3005 до 1456 мВ НСХ типа L класс точности 1; соединительный провод термоэлектродный; нормирующий преобразователь Ш78 диапазоном измерений от минус 3005 до 1456 мВ выходной сигнал
от 0 до 5 мА класс точности 025.
Для измерения температуры продукта используем термопреобразователь сопротивления ДТС-035-50М диапазон измерений по температуре от минус 50 до 500 НСХ типа 50М класс допуска А; преобразователь измерительный одноканальный Ш79 диапазон измеряемой температуры от минус 50 до 500 НСХ типа 50М класс точности 04.
Для измерения давления воды используем пневматический преобразователь давления 13ДИ13 диапазон измерения от 0 до 1 МПа выходной сигнал пневматический от 002 до 01 класс точности 06; преобразователь пневмоэлектрический аналоговый ППЭ-2 выходной сигнал выходной сигнал от 0 до 5 мА класс точности 05.
Для измерения расхода воды используем диафрагму для расходомеров ДКС 06-100 максимальное давление среды 06 МПа внутренний диаметр 100 мм; измерительный преобразователь избыточного давления Сапфир-22ДД диапазон измерений от 01 до 06 МПа выходной сигнал от 0 до 5 мА класс точности 025.
Для контроля и регистрации измеренных параметров на компьютер используем микропроцессорный восьмиканальный цифровой измерительный прибор УКТ38-Щ4.АТ входные сигналы от 0 до 5 мА диапазон показаний от 0 до 5 мА класс точности 05; адаптер интерфейсов АС2 обеспечивает взаимное преобразование сигналов в виде «токовой петли» и сигналов интерфейса RS-232 подключение к последовательному COM-порту компьютера прибора типа УКТ38.
3 Разработка схемы автоматизации условного объекта
Для измерения температуры воды используется термоэлектрический преобразователь типа ДТПL045 поз. 1а подключенный к нормирующему преобразователю Ш78 поз. 1б выходной сигнал которого поступает на прибор УКТ38-Щ4.АТ поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС2 поз. 1г передается на персональный компьютер.
Для измерения давления воды используется пневматический преобразователь давления 13ДИ13 поз. 2a выходной сигнал с которого поступает преобразователь пневмоэлектрический аналоговый ППЭ-2 поз. 2б выходной пневматический сигнал поступает на преобразователь пневмоэлектрический ППЭ-2 поз. 2б выходной сигнал с которого поступает на прибор УКТ-38-Щ4 поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС-2 поз. 1г поступает на персональный компьютер.
Для измерения расхода воды используется ДКС поз. 3а выходной сигнал которого поступает на датчик давления Сапфир-22ДД поз. 3б выходной сигнал с которого поступает на прибор УКТ-38-Щ4 поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС-2 поз. 1г поступает на персональный компьютер.
Для измерения температуры продукта используется термопреобразователь сопротивления ДТС-035-50М поз. 4а выходной сигнал с которого поступает на преобразователь измерительный одноканальный Ш79 поз. 4б выходной сигнал с которого поступает на прибор УКТ-Щ4.АТ поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС2 поз. 1г поступает на персональный компьютер.
Определение и исследование характеристик средств измерений входящих в состав ИИС
1 Расчет пределов систематической погрешности измерения температуры воды
Схема измерительного комплекта для измерения температуры воды приведена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Схема измерительного комплекта
Для данного комплекта пределы измеряемой температуры
от минус 50 до 200 ;
Пределы величины выходного напряжения
от минус 3005 до 1456 мВ;
Пределы выходного токового сигнала с преобразователя Ш78
Пределы выходного токового сигнала для УКТ 38 от 0 до 5 мА.
Для точечной оценки результата измерений выходной температуры воды табличное значение будет равно
Рассчитаем значение выходного тока преобразователя Ш78 по формуле:
где– чувствительность преобразователя Ш78.
Определим чувствительность преобразователя:
где – диапазон изменения выходного тока мА;
– диапазон измерения выходного напряжения мВ.
Результат измерения :
Доверительная граница результата измерения принимается равной не исключённой систематической погрешности которая может быть рассчитана по формуле:
где – относительная погрешность датчика;
– относительная погрешность нормирующего преобразователя;
– относительная погрешность вторичного прибора.
Для расчета относительной погрешности отдельных средств измерений следует учесть способы нормирования их погрешностей.
Для датчика ДТПL045 нормируются пределы абсолютной погрешности:
Тогда предел относительной погрешности датчика:
Для Ш78 нормируются пределы приведенной погрешности:
Тогда пределы относительной погрешности нормирующего преобразователя:
Для УКТ 38 нормируются пределы приведенной погрешности:
Тогда предел относительной погрешности вторичного прибора:
Таким образом доверительная граница результата измерения будет равна
Интервальная оценка результата измерения температуры воды будет иметь следующий вид:
2 Построение статических характеристик средств измерений температуры воды
Статические характеристики приведены на листе 2 иллюстративной части. Ниже приведены статические характеристики в аналитической и табличной формах.
)Статическая характеристика датчика ДТПL045
Статическая характеристика датчика ДТПL045 приведена в
Т а б л и ц а 4.1 – Статическая характеристика ДТПL045
)Статическая характеристика нормирующего преобразователя Ш78
Статическая характеристика нормирующего преобразователя Ш78 приведена в таблице 4.2.
Т а б л и ц а 4.2 – Статическая характеристика Ш78
)Статическая характеристика измерительного прибора УКТ
Статическая характеристика вторичного измерительного прибора УКТ приведена в таблице 4.3.
Т а б л и ц а 4.3 – Статическая характеристика УКТ
3 Расчет надежности комплекта для измерения температуры воды
С точки зрения теории надежности в состав измерительного комплекта последовательно включены четыре элемента. Выход из строя любого из них приведет к отказу всего комплекта в целом.
Для трех элементов входящих в комплекс известны интенсивности отказов:
Для соединительного термоэлектронного кабеля интенсивность отказов на 1 метр длины:
Длина кабеля для измерительного комплекса:
Закон распределения случайной величины времени безотказной работы принимается экспоненциальным то есть для каждого элемента справедливо выражение в общем виде:
где – вероятность безотказной работы за время t;
– интенсивность отказов .
Вероятность безотказной работы комплекса за тысячу часов рассчитаем по формуле:
где – вероятность отказа датчика ДТПL045 за тысячу часов;
– вероятность отказа нормирующего преобразователя Ш78 за тысячу часов;
– вероятность отказа вторичного измерительного прибора УКТ за тысячу часов;
– вероятность отказа соединительного термоэлектронного кабеля за тысячу часов.
Вероятность безотказной работы комплекса за тысячу часов:
Среднее время безотказной работы для экспоненциального закона:
Курсовой проект способствовал реализации практических задач по выполнению обработки результатов наблюдений связанных с обследованием условного объекта контроля разработке измерительной информационной системы (ИИС) на основе полученных результатов измерений определению и исследованию характеристик входящих в нее средств измерений.
Результатом курсового проектирования стала измерительная информационная система обеспечивающая условный объект комплексом технических средств измерений физических величин и передачи измерительной информации на вход измерительного вычислительного комплекса для последующей обработки.
Разработанная система в соответствии с заданием снабжена требуемым метрологическим обеспечением. Метрологическое обеспечение включает в себя методику измерений температуры воды и инструкцию по поверке преобразователя перепада давления входящего в канал измерения расхода воды.
Список использованных источников
Чистяков В. С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М. : Энергоатомиздат 1990. 320 с.
Осокин В.В. Метрология и измерения. Принципы и средства измерений теплотехнических величин: Учебное пособие; Кубанский государственный технологический университет. – Краснодар: Изд-во КубГТУ 1994. - 92 с.
Маркин Н. С. Основы теории обработки результатов измерений. М. : Изд. стандартов 1991. - 176 с.
Фарзане Л. В. Илясов А. Ю. Азим-Заде Н.Г.: Технологические измерения и приборы; под редакцией Фарзане Л. В. – М. : Высшая школа 1989. - 456 с.