Курсовой проект разработка измерительной информационной системы

Бланк задания на курсовой проект.doc

государственный технологический университет
Заведующий кафедрой АПП
на курсовое проектирование по дисциплине
Технологические измерения
студенту 3 курса очной формы обучения группы
факультета компьютерных технологий и автоматизированных систем
Тема проекта: "Разработка измерительной информационной системы
- Результаты наблюдений физических величин: температуры давления и расхода воды; температуры продукта.
- Сведения о типах применяемых средствах измерений: термопреобразователь ТХК1-2088 датчик кислотности ДМ-5М уровнемер Амур-600 плотномер ПАЖ-302 пневмоэлектрический преобразователь ППЭ-2 дифманометр с предельным номинальным перепадом давления ДМЭР-М.
Выполнить в пояснительной записке курсового проекта:
1 Определение результатов измерений физических величин.
2 Разработку измерительной информационной системы.
3 Определение характеристики средств измерений.
4 Разработку документации по стандартизации и метрологическому обеспечению.
Выполнить в графической части курсового проекта:
1 Схему автоматизации условного объекта.
2 Статические характеристики средств измерений.
3 Статистические характеристики величин и метрологические характеристики средств измерений.
- Пояснительная записка к проекту 35 40 с.
- Графическая часть - 3 листа формата А2.
Рекомендуемая литература:
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. - М.: Энергоатомиздат 1990.-320 с.
Руководитель проекта доцент
подпись студента дата

ГОУ ВПО .doc

ГОУ ВПО государственный технологический университет
на курсовое проектирование по дисциплине "Технологические измерения
Тема проекта: "Разработка измерительной информационной системы
Выбрать по варианту задания исходные данные:
- результаты наблюдений термоЭДС мВ при измерении температуры воды и их количества
- материал соединительного кабеля ХК ;
- результаты наблюдений термоЭДС мВ при измерении температуры продукта
- результаты наблюдений давления воды кПа
- результаты наблюдений расхода воды м3ч
- диапазон измерений нормирующего преобразователя температуры
- диапазон измерений дифманометра 63 кПа;
- предписанные к использованию средства измерений Ш79 ППЭ-ДУ ДКС.
Выполнить в пояснительной записке курсового проекта:
- обработку результатов наблюдений температуры воды температуры продукта давления воды расхода воды;
- разработку измерительной информационной системы;
- расчет погрешности измерения температуры воды;
- расчет надежности измерительного комплекта.
Выполнить в иллюстративной части курсового проекта:
- схему автоматизации условного объекта;
- статические характеристики средств измерений температуры и расхода воды.
Объем курсового проекта:
- пояснительная записка на 30 40 с;
- иллюстративная часть на 2 листах формата А2.
Рекомендуемая литература:
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям [Текст] В. С. Чистяков. – М. : Энергоатомиздат 1990. – 320 с.
Руководитель проекта доцент
подпись студентадата

Курсовая работа.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
государственный технологический университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по дисциплине “Технологические измерения”
на тему “Разработка измерительной информационной системы”
Руководитель проекта доц.
Члены комиссии: доц.
Пояснительная записка к курсовому проекту 53 с. 6 рис. 23 табл. 6 источников 1 прил.
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КАНАЛ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ СТАНДАРТИЗАЦИЯ СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА.
Данный курсовой проект имеет комплексный характер проявившийся в последовательной реализации поставленных заданием разноплановых задач.
Первоначально выполнена обработка результатов наблюдений физических величин: температуры давления и расхода воды; температуры продукта полученных при обследовании условного объекта контроля. После чего на основании полученных результатов разработано техническое задание на разработку измерительной информационной системы (ИИС) предназначенной для сбора информации о состоянии условного объекта с последующей обработкой её на измерительном вычислительном комплексе.
На основании задач поставленных в техническом задании на разработку ИИС выполнена разработка измерительной информационной системы.
Для разработанной ИИС выполнено исследование характеристик входящих в неё средств измерений а также разработано метрологическое обеспечение функционирования измерительной информационной системы.
Обработка результатов наблюдений физических величин9
1Обработка результатов наблюдений температуры воды9
1.1Исключение аномальных результатов9
1.2Проверка гипотезы о нормальном распределении случайной
1.3Построение гистограммы и полигона накопления частот11
1.4Построение графика дифференциальной функции нормального распределения12
1.5Построение кумулятивной кривой13
1.6Построение графика интегральной функции распределения15
1.7Определение границ доверительного интервала и интервальной оценки16
2Обработка результатов наблюдения температуры продукта17
2.1Математическая модель статики17
2.2Расчет границ доверительного интервала20
3Обработка результатов наблюдений давления воды22
3.1Проверка выполнения условия равноточности наблюдений22
3.2Определение границ доверительного интервала24
4Обработка результатов наблюдения объемного расхода воды25
4.1Определение границ доверительного интервала26
4.2Определение интервальной оценки измерения расхода воды26
Разработка измерительной информационной системы27
1Техническое задание на разработку ИИС27
2Выбор средств измерений для схемы автоматизации28
3Разработка схемы автоматизации условного объекта28
Определение и исследование характеристик средств измерений входящих в состав ИИС30
1Расчет пределов систематической погрешности измерения температуры воды30
2Построение статических характеристик средств измерений температуры воды33
3Расчет надежности комплекта для измерения температуры воды34
4Построение статических характеристик средств измерения расхода
5Определение метрологических характеристик каналов ИИС37
5.1АФХ канала измерения температуры воды37
5.2АЧХ канала измерения температуры воды38
5.3ФЧХ канала измерения температуры воды38
5.4Реакция измерительного канала на синусоидальный входной сигнал39
5.5Реакция измерительного канала на импульсный входной сигнал40
Стандартизация метрологического обеспечения функционирования
1Разработка методики выполнения измерений температуры воды41
2Инструкция по поверке преобразователя перепада давления44
2.1Условия поверки46
2.2Подготовка к поверке46
2.3Проведение поверки46
2.4Оформление результатов поверки.51
В настоящем курсовом проекте 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.
ГОСТ 6651-94 Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний.
Р 50-70-88 ЕСКД. Правила выполнения диаграмм.
МИ 2083-90 ГСИ. Рекомендация. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей.
Задачей курсового проекта по дисциплине «Технологические измерения» является разработка измерительной информационной системы на основе обработки результатов наблюдений основных физических величин характеризующих функционирование условного объекта. В настоящее время происходит повсеместное внедрение высокотехнологичных разработок во все сферы жизни и деятельности людей. Поэтому вследствие научно-технического прогресса остро стоит проблема по подготовке квалифицированных специалистов. И нетрудно догадаться что следующим звеном этой цепочки будет лабораторный практикум для студентов который имеет очень немаловажное значение так как техническая база молодого специалиста закладывается в стенах технологических ВУЗов а познать тонкости теоретической науки без практического приложения невозможно.
Трудно представить диагностику и обслуживание современного технологического процесса без применения средств измерений физических величин а также метрологического обеспечения процесса. Как современные так и технологические линии предыдущих поколений требуют высококвалифицированных специалистов в области контрольно-измерительных приборов и автоматики.
Данный курсовой проект предполагает использование государственных стандартов и нормативных документов что позволяет всесторонне подготовить студента к будущей профессиональной деятельности и облегчает создание современных систем на базе уже имеющихся знаний.
В данном курсовом проекте используются технические средства измерений которые актуальны в настоящее время тем самым подчеркивается актуальность и новизна темы проекта.
Обработка результатов наблюдений физических величин
1 Обработка результатов наблюдений температуры воды
1.1Исключение аномальных результатов
Для измерения температуры воды tв используется комплект состоящий из датчика – термоэлектрического преобразователя типа ТХК1 – 2088 с характеристикой ХК тип L подключенного медными соединительными проводами к переносному потенциометру ПП-63.
Следовательно результаты наблюдений при измерении tв представлены в виде показаний потенциометра в таблице 1.1. При этом для нахождения действительных значений tв в градусах Цельсия следует воспользоваться номинальной статической характеристикой термопреобразователя и учесть температуру зажимов датчика to = 30°C и температуру зажимов потенциометра to= 20°C а также материалы соединительных проводов.
Так как датчик подключен к потенциометру не медными проводами то при определении его термо-ЭДС необходимо учесть поправку связанную с температурой потенциометра. В этом случае выражение для термо-ЭДС датчика при температуре его свободных концов t = 0 °С имеет вид
ЕХК(t0) = ЕХК (t20)+ ЕХК (200)
где ЕХК(20t) – значения термо-ЭДС датчика при температуре потенциометра to= 20 °C (приведены в таблице 1.1).
ЕХК (200) – температурная поправка для to= 20 °C мВ.
В соответствии со статической характеристикой термопреобразователя определяется ЕХК(200) = 1289 мВ и производится перевод значений температуры tв в градусы Цельсия по формуле (1.1). Полученные данные а также ряд распределения результатов наблюдений приведены в таблице 1.5.
Среднее значение температуры воды:
где ni - количество результатов наблюдений в выборке для определенного значения температуры.
n – объем выборки равный сумме ni n=21.
Таблица 1.1 - Значения наблюдений температуры воды tв
Количество результатов наблюдений
Результаты наблюдения температуры воды °С
Расчет СКО результатов наблюдений температуры tгв производится по формуле
Расчет выявления аномальных результатов наблюдений проводится для крайних значений tвmin tвmax. Для них рассчитываются h1 и h2.
гдеtвmax tвmin – максимальное и минимальное значение температуры из выборки °C.
Значения h1 и h2 меньше предельного значения параметра h следовательно по этому критерию в имеющейся выборке аномальные результаты отсутствуют.
1.2Проверка гипотезы о нормальном распределении случайной величины
Критерий 1. Гипотеза о нормальном распределении не отвергается если выполняется неравенство
где d1-q12 – квантиль распределения соответствующая вероятности
dq12 – квантиль распределения соответствующая вероятности q12.
q1 – уровень значимости критерия 1 q1= 002.
Рассчитывается смещённая оценка СКО результатов наблюдений
Рассчитывается значение параметра d по формуле
По ГОСТ 8.207-76 4 для объема выборки n = 21 определяются квантили dq12=09001 и d1-q12=06950. Видно что данные значения удовлетворяют условию (1.6) следовательно гипотеза о нормальном распределении по критерию 1 не отвергается.
1.3Построение гистограммы и полигона накопления частот
Для построения гистограммы результатов записываем статистический ряд в виде таблицы. Для этого сначала сгруппируем результаты наблюдений в S разрядов по правилу Штюргеса
гдеn – объем выборки.
С учетом объема выборки n=21 выражение получим S = 5 тогда значение длины интервала d
Таким образом диапазон значений разбивается на пять равных интервалов. Далее определяется количество результатов наблюдений mj приходящееся на каждый интервал. Определяются частота Pi(t) и оценка плотности распределения f*j(t) по формулам
Статистический ряд результатов наблюдений приведем в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Статистический ряд результатов наблюдений tв*
Полигон накопления частот строится путем соединения прямыми линиями середины верхних оснований каждого столбца гистограммы. Полигон и гистограмма приведены на третьем листе графической части.
1.4Построение графика дифференциальной функции нормального распределения
Для построения графика дифференциальной функции распределения результатов tв* используется формула
Таблица 1.3 – Значения дифференциальной функции распределения
Значения температуры tj °С
Дифференциальная функция распределения f(t) °С
Графический вид дифференциальной функции распределения изображен на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Дифференциальная функция распределения
1.5Построение кумулятивной кривой
Для построения кумулятивной кривой по горизонтальной оси откладываем разряды на каждом разряде строим прямоугольник высота которого определяется выражением
Найдя по формуле (1.14) все значения кривой запишем их в таблицу 1.4 и по ним построим кривую.
Таблица 1.4 – Статистический ряд распределения значений кумулятивной кривой
Значения кумулятивной кривой Fj*
Рисунок 1.2 – Кумулятивная кривая
1.6Построение графика интегральной функции распределения
Для построения интегральной функции распределения нужно использовать таблицу значений нормированной функции распределения Лапласа. Интегральная функция распределения F(t) имеет вид
где Ф(Z) – нормированная функция распределения Лапласа.
Значения аргумента нормированной функции распределения Лапласа Ф(Z) вычисляются по формуле
где tj – значения результатов наблюдений температуры воды.
Полученные данные приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5 – Статистический ряд
Рисунок 1.3 – Интегральная функция распределения
1.7Определение границ доверительного интервала и интервальной оценки
Необходимо определить границы доверительного интервала при доверительной вероятности Р = 095.
Для этого рассчитывается оценка СКО по формуле
Границы доверительного интервала определяются как
где Кст.в – коэффициент Стьюдента для числа степеней свободы fв=n-1.
Таким образом получаем границы доверительного интервала
Интервальная оценка записывается в виде
Таким образом результат наблюдений температуры воды
2 Обработка результатов наблюдения температуры продукта
2.1Математическая модель статики
Схема измерительного комплекта для измерения температуры продукта приведена на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 – Схема измерительного комплекта
Для измерения температуры продукта применяется комплект состоящий из датчика – термопреобразователя сопротивления типа ТСП1-1088 (с характеристикой 50П) нормирующего преобразователя типа Ш79 – с линейной статической характеристикой диапазоном измерения (-70 +180)°С и выходным сигналом (0 5) мА образцового резистора типа Р33 имеющего класс точности 001 и сопротивление 10 Ом а также потенциометра типа ПП-63.
При протекании тока по образцовому резистору на нем создается падение напряжения которое измеряется потенциометром. Следовательно результаты наблюдений при измерении tп представлены в виде показаний потенциометра – значений напряжения выраженных в милливольтах. При этом для нахождения действительных значений tп в градусах Цельсия следует использовать ГОСТ 6651-94 8.
Получим расчетную формулу связывающую температуру продукта с измеряемым напряжением U и устанавливаемым сопротивлением R
Зависимость сопротивления датчика ТСП от температуры имеет вид
Rt = R0 ×(1+A×t+B×t2)
где A В – коэффициенты А = 396847×10 – 3 °С-1 B = –5847×10 – 7 °С–2.
R0 – сопротивление датчика при температуре t = 0 °С R0 = 50 Ом.
Значения выходного токового сигнала нормирующего преобразователя связаны со значением сопротивления датчика ТСП на входе выражением
где Sш – чувствительность преобразователя мАОм.
Rt – текущее значение сопротивления Ом.
Rtн – начальное значение сопротивления соответствующее нижнему пределу измерений Ом.
Выходной токовый сигнал Ш79 найдем из следующего выражения
Чувствительность преобразователя определяется по формуле
где DIш – диапазон изменения выходного сигнала Ш79 DIш = 5 мА.
DRt – разность конечного Rtk и начального Rtн значений сопротивления датчика.
Из ГОСТ 6651 берем значения Rtк=8477 Ом и Rtн=35.94 Ом. Тогда получаем значение чувствительности равное
В результате получаем
Для магазина сопротивлений Р33 значение выходного напряжения равно
Так как значение сопротивления образцового резистора R=10 Ом то получаем
Для переносного потенциометра ПП-63 имеем статическую характеристику следующего вида
Рассмотрим совместно математические модели статики отдельных элементов исключая промежуточные переменные Rt и Iш получаем квадратное уравнение
Получим аналитическую зависимость
Подставляем в выражение (1.33) значения U результатов наблюдений температуры продукта выраженные в милливольтах (показания ПП-63). Находим соответствующие значения tпi. Значения результатов приведены в таблице 1.6.
Таблица 1.6 – Результаты наблюдений температуры продукта tп
Результат измерений температуры продукта находим как среднее арифметическое результатов наблюдений tпi
гдеti – значения результатов наблюдений °С.
n – объем выборки n = 5.
2.2Расчет границ доверительного интервала
Для расчета границ доверительного интервала определим значение СКО [tп] и число степеней свободы fn.
где U – СКО значений результатов наблюдений выраженных в милливольтах.
sR – СКО значений сопротивления образцового резистора Ом.
MU – среднее значение результатов наблюдений в милливольтах.
MR – среднее значение сопротивления образцового резистора 10 Ом.
Найдем математическое ожидание
гдеm1 – число результатов наблюдений для аргумента.
Произведем расчет относительной погрешности магазина сопротивлений Р33. Класс точности магазина сопротивлений Р33 равен поэтому
гдеRК – максимальное сопротивление магазина RК=999999 Ом.
Тогда получим =±026 %.
Абсолютная погрешность магазина сопротивлений
Тогда СКО значений сопротивления
Подставляя значения полученные в выражениях (1.36) (1.37) и (1.40) в (1.35) определяем СКО значений результатов наблюдений tп
Определим число степеней свободы fn по МИ 2083 ГСИ 11
где b1 и b2 – соответственно производные и .
mi – число результатов наблюдений для аргументов mi=5.
Получаем f=9 тогда Кст.n=226 затем рассчитываем границы доверительного интервала
Тогда записываем интервальную оценку результатов наблюдений температуры tп
tп=(1911±023) °С Р=095.
3 Обработка результатов наблюдений давления воды
3.1Проверка выполнения условия равноточности наблюдений
Для проверки равноточности для каждой выборки нужно рассчитать среднее выборочное и СКО. Среднее выборочное рассчитаем по формуле
гдеj - номер выборки.
- значение результатов наблюдений в выборке кПа.
Результаты наблюдений давления воды приведены в таблице 1.7.
Таблица 1.7 - Результаты наблюдений давления воды
Значение результатов наблюдений давления воды
Для технического манометра получили
Для образцового манометра получили
Рассчитаем значение среднего квадратического отклонения результата измерения воды
Подставив известные значения получим
Для проверки равноточности двух выборок используем критерий Романовского и в соответствии с ним рассчитаем значение параметра R по формуле
В свою очередь параметр рассчитывается по формуле
где - дисперсия для каждой выборки.
Дисперсия вычисляется по формуле
Подставив известные значения в (1.48) получим следующие результат
Так как R>3 наблюдения считаются неравноточными.
Общий результат измерений находят как среднее взвешенное результатов измерений для отдельных выборок то есть
где g1 q2- весовые коэффициенты.
Тогда c=0184 отсюда находим значения весовых коэффициентов
Таким образом значение давления Рв=45562 кПа.
3.2Определение границ доверительного интервала
Для определения границ доверительного интервала по формуле (1.41) определяем число степеней свободы для выборки объемом m.
Зная число степеней свободы определим по таблице коэффициент распределения Стьюдента
Определим границы доверительного интервала по формуле
Тогда получаем границы доверительного интервала подставив значения в формулу (1.53)
Для записи интервальной оценки результатов наблюдений давления воды воспользуемся формулой
Запишем интервальную оценку измерения давления с многократными наблюдениями
Рв=(45562±11) кПа Р=095.
4Обработка результатов наблюдения объемного расхода воды
4.1 Определение СКО результата измерения расхода воды
Для того чтобы рассчитать значение СКО воспользуемся формулой
где - объем выборки.
- значение результатов наблюдения в выборке м3ч.
- среднее выборочное значение м3ч.
Значение параметров и определим по таблице 1.8.
Таблица 1.8 – Результаты наблюдения расхода воды
Значения результатов наблюдений в выборке м3ч
Значение среднего выборочного определим по формуле
В соответствии с формулами (1.57) и (1.58) получим
4.1Определение границ доверительного интервала
Определение границ доверительного интервала производится с учетом требований стандарта ГОСТ 8.207 4.
где - коэффициент Стьюдента.
Число степеней свободы
Подставив значения получим
4.2Определение интервальной оценки измерения расхода воды
Разработка измерительной информационной системы
1 Техническое задание на разработку ИИС
Техническое задание составим на основе требований стандарта ГОСТ 34.602 8.
Наименование системы – ИИС на основе аппаратуры производственного объединения «ОВЕН».
) Назначение и цели создания системы.
Назначение ИИС – использование в качестве локальной подсистемы автоматизированного контроля в интегрированной автоматизированной системе управления предприятия.
Целью разработки ИИС является обеспечение условного объекта комплексом технических средств для измерения физических величин и передачи измерительной информации на вход измерительного вычислительного комплекса для обработки.
) Характеристика объекта автоматизации.
Условный объект автоматизации при нормальном режиме эксплуатации характеризуется следующими значениями основных физических величин: температуры воды 54.67 0С температуры продукта 19.11 0С давления воды 45562 кПа расхода воды 31.42 м3ч.
) Требования к системе.
ИИС должна обеспечивать измерения щитовым прибором и передачу на вход измерительного вычислительного комплекса информацию о значениях следующих физических величин:
- температуры воды 54.67 °C
- температуры продукта 19.11 °C
- давления воды 45562 кПа
- расхода воды 31.42 м3ч
- кислотности воды 7pH
- плотности воды 9889 кгм3
- относительной влажности воздуха 96%
ИИС должна обеспечивать возможность компьютерной обработки результатов измерений и определения характеристик измерительной системы.
2 Выбор средств измерений для схемы автоматизации
Для измерения температуры воды используем термоэлектрический преобразователь ТХК1-2088 НСХ типа L соединительный провод хромель-копелевый; переносной потенциометр ПП-63.
Для измерения температуры продукта используем термопреобразователь сопротивления ТСП1-1088 НСХ 50П; нормирующий преобразователь Ш79 диапазон измерений –70 180 °С выходной сигнал 0 5 мА; магазин сопротивления Р33 с сопротивлением десять Ом; переносной потенциометр ПП-63.
Для измерения давления воды используем поочередно подключаемые манометры: технический МП4-У диапазон измерений 0 06 МПа класс точности 15; образцовый МО диапазон измерений 0 06 МПа класс точности 04.
3Разработка схемы автоматизации условного объекта
Для измерения температуры воды используется термоэлектрический преобразователь ТХА1-2088 поз. 1а выходной сигнал которого поступает на вход нормирующего преобразователя Ш78 поз. 1б 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 Celeron 400 128 MB 10 GB HDD 20 CD ROM.
Для измерения давления воды используется диафрагма выходной сигнал с которой поступает на преобразователь избыточного давления 13ДИ13 поз. 2а выходной пневматический сигнал поступает на преобразователь пневмоэлектрический ППЭ-2 поз. 2б. Стандартный токовый сигнал 0 5мА поступает на прибор УКТ-38-Щ4 поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС-2 поз. 1г поступает на персональный компьютер Celeron 400 128 MB 10 GB HDD 20 CD ROM.
Для измерения расхода воды используется ДКС поз. 3а выходной сигнал которого поступает на преобразователь разности давлений ДМЭР-М 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 Celeron 400 128 MB 10 GB HDD 20 CD ROM.
Для измерения кислотности воды используется датчик магистральный ДМ-5М поз. 4а выходной сигнал которого поступает на потенциометрический нормирующий преобразователь П-201 поз. 4б 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 Celeron 400 128 MB 10 GB HDD 20 CD ROM.
Для измерения уровня воды используется электромеханический уровнемер Амур-600 поз. 5а 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 Celeron 400 128 MB 10 GB HDD 20 CD ROM.
Для измерения плотности воды используется поплавковый анализатор жидкости ПАЖ-302 поз. 6а выходной сигнал которого поступает на преобразователь пневмоэлектрический ППЭ-2 поз. 6б 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 Celeron 400 128 MB 10 GB HDD 20 CD ROM.
Для измерения температуры продукта используется термопреобразователь сопротивления ТСП1-1088 поз. 7а выходной сигнал которого поступает на нормирующий преобразователь Ш79 поз. 7б 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 Celeron 400 128 MB 10 GB HDD 20 CD ROM.
Для измерений относительной влажности воздуха используется измерительный преобразователь температуры и влажности ИПТВ 056 поз. 8а 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 Celeron 400 128 MB 10 GB HDD 20 CD ROM.
Определение и исследование характеристик средств измерений входящих в состав ИИС
1Расчет пределов систематической погрешности измерения температуры воды
Измерение температуры воды производится с помощью следующего комплекта
0 °C 6860 мВ 5 мА 5 мА
Рисунок 3.1 – Схема измерительного комплекта
Пределы систематической абсолютной погрешности измерений температуры воды определим по формуле
где - инструментальная абсолютная погрешность.
- личная абсолютная погрешность.
- методическая абсолютная погрешность.
Рассчитаем значение по формуле
Инструментальную абсолютную погрешность рассчитаем по формуле
где - инструментальная относительная погрешность.
Инструментальную относительную погрешность рассчитаем по формуле
где - относительная погрешность термопреобразователя типа ТХК1-2088.
- относительная погрешность нормирующего преобразователя Ш78.
- относительная погрешность измерительного прибора УКТ-38.
Укажем для всех приборов способы нормирования погрешностей
Теперь рассчитаем относительные погрешности по формулам (3.5) (3.6) (3.7)
где - максимальное значение выходного сигнала измерительного прибора УКТ-38 мА.
где - максимальное значение выходного сигнала нормирующего преобразователя Ш-78 мА.
- сигнал соответствующий и равный сигналу мА.
где - действительное значение температуры °С.
Чтобы найти действительное значение температуры рассчитаем значение ЭДС соответствующее току по формуле
где - чувствительность нормирующего преобразователя Ш-78.
В свою очередь чувствительность преобразователя находится по следующей формуле
Обратимся к НСХП типа L и найдем .
Подставим найденные значения в формулы (3.5) (3.6) (3.7) и получим относительные погрешности
Найдем относительную и абсолютную инструментальные погрешности по формулам (3.3) и (3.4)
Рассчитаем методическую абсолютную погрешность по формуле
Переведем градусы Цельсия в миллиамперы и получим в результате
Личную абсолютную погрешность определяем как равную половине цены деления прибора.
Для цифрового прибора под ценой деления понимают значение младшего десятичного разряда отчетного устройства.
Подставим вычисленные значения инструментальной личной и методической абсолютных погрешностей в формулу (3.1) получим
Рассчитаем границы доверительного интервала
Полученные результаты равны:
=-003536 мА = -103 °С
2Построение статических характеристик средств измерений температуры воды
Построим статические характеристики на листе графической части формата А2. Предварительно приведем статические характеристики в табличной форме.
) Статическая характеристика в табличной форме для термопреобразователя ТХК1-2088
Таблица 3.1 – Статическая характеристика ТХК1-2088
) Статическая характеристика в табличной форме для нормирующего преобразователя Ш 78
Таблица 3.2 – Статическая характеристика Ш 78
) Статическая характеристика измерительного прибора УКТ-38
Таблица 3.3 – Статическая характеристика УКТ-38
3Расчет надежности комплекта для измерения температуры воды
Расчет надежности комплекта для измерения температуры сводится к определению вероятности безотказной работы комплекта за 1000 часов и его среднего времени безотказной работы при условии что закон распределения экспоненциальный а интенсивности отказов l равны
- для ТХК-2088 lТХК =15×10-6 1ч
- для Ш78 lШ78 =70×10-6 1ч
- для УКТ-38 lУКТ38 =105×10-6 1ч
- для термоэлектродных проводов lпр =01×10-6 1ч на 1м длины.
Длину проводов примем равной L = 110 м тогда lпр = 11×10-6× 1ч.
Интенсивность отказов всего комплекта равна
lк = lТХК + lШ78 + lУКТ38 + lпр = 201×10–4 1ч.
Вероятность безотказной работы комплекта за t = 1000 ч равна
Среднее время безотказной работы комплекта найдем по формуле
4Построение статических характеристик средств измерения расхода воды
Рисунок 3.2 – Схема измерительного комплекта
Определим верхний предел измерений дифференциального манометра по расходу.
Статические характеристики средств измерений расхода воды в аналитической и табличной формах отобразим здесь а в графической – на листе графической части формата А2.
Статические характеристики для ДКС
Из формулы (3.18) выразим и подставим его в формулу (3.17) получим:
В таблице 3.4 приведена статическая характеристика в табличной форме.
Таблица 3.4 – Статическая характеристика ДКС
) Статические характеристики для ДМЭР-М
Таблица 3.5 – Статическая характеристика для ДМЭР-М
) Статические характеристики для УКТ 38
Таблица 3.6 – Статическая характеристика УКТ 38
5 Определение метрологических характеристик каналов ИИС
Результатом предварительного исследования измерительного комплекта стала математическая модель динамики вида
5.1АФХ канала измерения температуры воды
Результаты расчета АФХ измерительного канала приведены в таблице 3.6. Графический вид полученной зависимости приведен на третьем листе графической части курсового проекта.
Аналитическая форма для АФХ имеет вид
Таблица 3.6 – АФХ измерительного канала
Вещественная часть АФХ Re мА
Мнимая часть АФХ Im мА
5.2АЧХ канала измерения температуры воды
Результаты расчёта АЧХ измерительного канала приведены в таблице 3.7. Графический вид полученной зависимости приведен на третьем листе графической части курсового проекта.
Аналитическая форма для АЧХ имеет вид
Таблица 3.7 – АЧХ измерительного канала
5.3ФЧХ канала измерения температуры воды
Результаты расчета ФЧХ измерительного канала приведены в таблице 3.8. Графический вид полученной зависимости приведен на третьем листе графической части курсового проекта.
Аналитическая форма для ФЧХ имеет вид
Таблица 3.8 – ФЧХ измерительного канала
5.4Реакция измерительного канала на синусоидальный входной сигнал
Результаты расчета реакции измерительного канала приведены в таблице 3.9. Графический вид полученной зависимости приведен на третьем листе графической части курсового проекта.
Таблица 3.9 – Реакция измерительного канала на синусоидальный входной сигнал
Входной сигнал tв °C
Выходной сигнал N мА
5.5Реакция измерительного канала на импульсный входной сигнал
Результаты расчёта реакции измерительного канала приведены в таблице 3.10. Графический вид полученной зависимости приведен на третьем листе графической части курсового проекта.
Таблица 3.10 – Реакция измерительного канала на импульсный входной сигнал
Стандартизация метрологического обеспечения функционирования ИИС
1Разработка методики выполнения измерений температуры воды
Методику выполнения измерений температуры воды разработаем согласно стандарту ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ.
Настоящая инструкция устанавливает методику выполнения измерения температуры воды в условном объекте с помощью термоэлектрического термометра.
) Требования к погрешности измерений.
Пределы допускаемой погрешности по данной методике составляют: верхний предел -103 °С нижний предел 608 °С.
)Средства измерений.
При выполнении измерений применяются средства измерений указанные в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Характеристики средств измерений
Порядковый номер и наименование средства измерений
Обозначение стандарта и типа средства измерений его метрологические характеристики
Наименований измеряемой величины
Термоэлектрический преобразователь
ТХК1-2088 по ГОСТ 6616-74
НСХП тип L диапазон измерений от минус 50 до 600 °С предел основной погрешности ±25 °С
Нормирующий преобразователь
Ш78 по ГОСТ 13384-81
НСХП тип L диапазон измерений от минус 50 до 150 °С предел основной погрешности ±1 %
УКТ38-Щ4 входные сигналы 0 5 мА диапазон показаний от 0 до 5 мА пределы основной погрешности ±05 %
Измерения температуры воды выполняются методом основанным на использовании термоэлектрического эффекта заключающегося в возникновении термоЭДС в цепи составленной из нескольких разнородных проводников в случае когда места спаев имеют различные температуры.
)Требования безопасности охраны окружающей среды
При выполнении измерений температуры воды соблюдают следующие требования:
- пакетные выключатели с помощью которых подается напряжение питания к нормирующему преобразователю к вторичному прибору и к термостату запрещается включать без необходимости;
- необходимо проявлять осторожность при переносе датчика из термостата в сосуд с холодной водой: нужно держать датчик за пластмассовую головку не разливать воду из сосуда;
- при проведении работы категорически запрещается прикасаться к токоведущим частям установки и клеммам;
- на лабораторном столе не должно быть лишних посторонних предметов (пакетов сумок одежды пищевых продуктов);
- категорически запрещается выполнять какие-либо переключения в схеме на лабораторной установке без соответствия этих операций методике выполнения измерений;
- после выполнения всех измерений необходимо отключить питание всех приборов.
) Требования к квалификации оператора:
К выполнению измерений и обработке результатов допускаются:
- лица имеющие диплом государственного образца об окончании ВУЗа и специализирующиеся в области управления технологическими процессами производства с практическим опытом работы не менее одного года;
- студенты или практиканты обучающиеся на специальностях связанных с проведением лабораторных опытов по измерению некоторых физических величин под обязательным руководством преподавателя или должностного лица контролирующего их работу.
При выполнении измерений соблюдают условия приведенные в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Влияющие величины
Наименование измеряемой величины
Наименование влияющей величины
Номинальное значение
Предельное отклонение
Напряжение и частота тока питания
Температура окружающей среды
Относительная влажность воздуха (при температуре 35 °С)
Барометрическое давление
Подготовка к выполнению измерений
При подготовке к выполнению измерений проводят следующие работы:
- предварительное определение значений влияющих величин;
- подготовка и проверка режимов работы средств измерений: внешний осмотр установка начального значения выходного сигнала преобразователя проверка герметичности системы выдержка во включенном состоянии при максимальном значении входной величины.
) Выполнение измерений
При выполнении измерений температуры воды реализуют следующие операции:
- поместить термопреобразователь ТХК1-2088 на условный объект;
- включить питание нормирующего преобразователя и вторичного прибора;
- через определенные интервалы времени отсчитать десять значений изменений температуры;
- выключить питание нормирующего преобразователя и вторичного прибора;
- полученные результаты представить в табличной форме.
) Обработка результатов измерений
Обработку результатов измерений выполняют с помощью калькулятора. Данные результата измерений получаем в виде таблицы значений температуры воды в милливольтах а затем преобразуем их с помощью НСХ типа L в значение температуры в градусах Цельсия.
) Оформление результатов измерения
Результаты измерений оформляют записью в журнал наблюдений и одновременно заносят их в ЭВМ для сравнения с предыдущими и подсчета статистики.
2Инструкция по поверке преобразователя перепада давления
Настоящая инструкция распространяется на измерительные преобразователи разности давлений ГСП (далее-преобразователи) по ГОСТ 14795-69 и ГОСТ 18140-77 с унифицированными токовыми сигналами 0-5; 0-20; 4-20 мА по ГОСТ 9895-69 и устанавливает методы и средства их первичной и периодической поверок.
При проведении поверки должны выполняться следующие операции:
- установка начального значения выходного параметра преобразователя;
- проверка герметичности между «плюсовой» и «минусовой» камерами измерительного блока;
- определение основной погрешности и вариации выходного параметра.
При проведении поверки должны применяться средства поверки перечисленные ниже.
Грузопоршневые манометры типа МП по ГОСТ 8291-69.
Образцовые пружинные манометры типа МО по ГОСТ 6521-72.
Манометры типа МО предназначенные для установки заданных номинальных перепадов давлений должны быть предварительно поверены при заданных номинальных значениях давления.
Грузопоршневые мановакуумметры типа МВП-25 класса точности 005 с пределами измерений - 10-0-25 кгссм2 (-01-0-025 МПа).
Автоматические задатчики давления типа АЗД-25 класса точности 005 с пределами измерений 01-10; 01-16; 02-25 кгссм2 (001-01; 001-016; 002-025 МПа).
Жидкостные компенсационные микроманометры с концевыми мерами длины по ГОСТ 11161-71.
Жидкостные микроманометры с вертикальной трубкой типа МТВ по ГОСТ 11161-71.
Жидкостные компенсационные микроманометры с микро метрическим винтом типа МКВ по ГОСТ 11161-71.
Весовые колокольные микроманометры типа МВК по ГОСТ 11161-71.
Магазины комплексной взаимной индуктивности типов Р-5017 и Р-50171 с пределом допускаемой основной приведенной погрешности не более 025%.
Вибрационный гальванометр типа М501 (постоянная по току при частоте 50 Гц не более 10-7 Амм шк.).
Нуль-индикатор типа Ф5046 (чувствительность не менее о мм шкмкВ).
Миллиамперметры переменного тока по ГОСТ 8711-60 класса точности не ниже 05 с пределами измерений 0-0.15; 0 - 05 А.
Однофазный регулятор напряжения типа РНО-250.
Разделительный трансформатор типа И-57 класса точности 1.5.
Ртутные стеклянные лабораторные термометры по ГОСТ 215-73 с пределами измерений 0-55°С аттестованные как образцовые с абсолютной погрешностью показаний не более 01°С.
Разделительный сосуд для дифференциальных манометров по ГОСТ 14320-73.
Стальной баллон малой и средней емкости по ГОСТ 949-73 с газообразным техническим азотом по ГОСТ 9293-74.
Газовый баллонный редуктор по ГОСТ 6268-68. Вентили запорные игольчатые по ГОСТ 3149-70.
Допускается применять вновь разрабатываемые или находящиеся в применении образцовые средства поверки прошедшие метрологическую аттестацию в органах государственной метрологической службы и удовлетворяющие по точности требованиям настоящей инструкции.
При проведении поверки должны соблюдаться условия указанные в ГОСТ 18140-77 и ГОСТ 14795-69.
Изменение давления должно быть плавным без перехода за поверяемое значение.
Среда передающая измеряемое давление - воздух или газ.
При использовании грузопоршневого манометра типа МП-6 или МП-60 между ним и поверяемым преобразователем должен быть установлен разделительный сосуд предохраняющий поверяемый преобразователь от попадания в пего масла. Уровень жидкости в разделительном сосуде должен находиться в плоскости торца поршня.
2.2Подготовка к поверке
Перед проведением поверки необходимо выполнить следующие подготовительные работы:
- преобразователь устанавливают в рабочее положение с соблюдением требований предъявляемых к монтажу и эксплуатации преобразователя;
- проверяют герметичность системы состоящей из соединительных линий и образцового прибора давлением равным предельному номинальному перепаду давлений поверяемого преобразователя. При определении герметичности систему отключают от устройства создающего давление. Систему считают герметичной если после трехминутной выдержки под давлением равным предельному поминальному перепаду давлений в течение двух минут в ней не наблюдается падение давления.
2.3Проведение поверки
При внешнем осмотре должно быть установлено соответствие поверяемого преобразователя следующим требованиям:
при периодической поверке преобразователь должен иметь паспорт или документ его заменяющий;
маркировка преобразователя должна соответствовать ГОСТ 18140-77;
преобразователь не должен иметь повреждений и дефектов ухудшающих внешний вид и препятствующих его применению.
Установка начального значения выходного сигнала преобразователя.
При отсутствии перепада давлений корректором нуля преобразователя по миллиамперметру постоянного тока устанавливают значение выходного сигнала I0 принятое за начальное для данного типа преобразователя. Это значение должно:
быть равно нуля или 4 мА в зависимости от диапазона выходного сигнала указанного в таблице 2 для преобразователей с линейной зависисмостью между выходным сигналом и измеряемым перепадом давлений;
Не превышать 15% диапазона выходного сигнала для преобразователей с квадратичной зависимостью между выходным сигналом и измеряемым перепадом давлений.
Погрешность установки начального значения выходного параметра по магазину комплексной взаимной индуктивности не должна превышать 025 абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности поверяемого преобразователя.
Начальное значение выходного параметра преобразователя устанавливают устройством позволяющим корректировать указанное значение по магазину комплексной взаимной индуктивности.
Проверка герметичности между «плюсовой» и «минусовой» камерами измерительного блока.
При проверке герметичности в «плюсовую» камеру измерительного блока преобразователя подают давление равное предельному номинальному перепаду давлений.
Допускается проводить проверку герметичности в процессе поверки при определении основной погрешности выдерживая преобразователь под предельным номинальным перепадом давлений в течение 5 мин.
Преобразователь должен быть отключен от устройства создающего давление.
В случае изменения выходного сигнала при изменении температуры окружающего воздуха на Δt°С преобразователь считают герметичным если в течение 15 мин изменение выходного сигнала не превышает значений определяемых по табл. 1.
Таблица 1 – Предельные значения выходного сигнала
Предельный номинальный перепад давлений
Допускаемое изменение температуры °С
Допускаемое изменение выходного сигнала %
Изменения температуры и выходного параметра должны иметь одинаковый знак.
Определение основной погрешности и вариации выходного сигнала
Основную погрешность определяют следующими способами:
а) по образцовому прибору на входе преобразователя устанавливают перепад давлений равный номинальному а по другому образцовому прибору измеряют выходной сигнал преобразователя.
б) по образцовому прибору на выходе преобразователя устанавливают расчетное значение выходного сигнала соответствующее номинальному значению измеряемого перепада давлений а но другому образцовому прибору измеряют действительное значение измеряемого перепада давлений.
При выборе образцового прибора для задания номинального перепада давлений для определения погрешности поверяемого преобразователя должно быть соблюдено следующее условие
где - верхнее предельное значение выходного сигнала;
γП - предел допускаемой основной погрешности поверяемого преобразователя выраженный о процентах от нормируемого значения.
Δ1 - предел допускаемой абсолютной погрешности образцового прибора для задания номинального перепада при давления равном предельному номинальному перепаду давлений поверяемого преобразователя.
Δ2 – предел допускаемой абсолютной погрешности образцового прибора на выходе преобразователя при входном сигнале ;
h mах - предельный номинальный перепад давлений поверяемого преобразователя; С - коэффициент запаса точности равный .
h mах и Δ1 должны быть выражены в единицах давления.
Основную погрешность преобразователя определяют сравнением действительных значений выходного сигнала с расчетными и действительных значений перепада давлений с номинальными.
Расчетные значения выходных сигналов Ip в миллиамперах для заданного номинального перепада давлений определяют:
Для преобразователей с линейной зависимостью между выходным сигналом и измеряемым перепадом давлений по формуле
где h – заданный номинальный перепад давлений;
Основную погрешность преобразователи определяют не менее чем при пяти значениях перепада давлений в том числе при предельном номинальном перепаде. Поверку преобразователя при этих значениях перепада давлений проводят вначале при плавном возрастающем перепаде а затем после выдержки под предельным номинальным перепадом давлений не менее 5 мин при плавно убывающем перепаде давлений.
Предел допускаемой основной погрешности преобразователя должен соответствовать значению указанному в ГОСТ 18140-77 и ГОСТ 14795-69.
Основная погрешность преобразователя не должна превышать при первичной поверке - 08 К при периодической поверке - К где К - класс точности преобразователя.
Вариация выходного сигнала определяемая при каждом значении перепада давлений кроме нулевого и предельного номинального не должна превышать значения указанного в ГОСТ 18140-77 и ГОСТ 14795-69.
Вариацию выходного сигнала определяют как разность между значениями выходного параметра соответствующими одному и тому же значению перепада давлений полученными при приближении к нему от меньших значений к большим и от больших к меньшим.
При снижении перепада давлений до нуля отклонение выходного сигнала от начального значения не должно превышать половины предела допускаемой основной погрешности.
Основная погрешность преобразователя в процентах вычисляется:
для преобразователей с линейной зависимостью между выходным сигналом и измеряемым перепадом давлений по формуле
2.4Оформление результатов поверки.
Преобразователи удовлетворяющие требованиям настоящего стандарта допускаются к применению.
По результатам поверки составляют протокол по форме указанной в обязательном приложении А.
Преобразователи не удовлетворяющие требованиям стандарта бракуют и не допускают к применению.
Данный курсовой проект носил комплексный характер. Были реализованы практические задачи 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.
Можно сделать вывод о том что курсовое проектирование является важной практической подготовкой к дипломному проектированию.
Список использованных источников
Чистяков В.С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. – М.: Энергоатомиздат 1990. – 320с.
Метрология и измерения: Принципы и средства измерений теплотехнических величин: Учебное пособие Сост.: В.В. Осокин; Кубанский гос. тех. ун-т. – Краснодар: Издательство КубГТУ 1994. – 92с.
Сергеев А.Г. Метрология: Учебное пособие для ВУЗов А.Г. Сергеев А.Г. Кузнецов В.В. Крохин. – М.: Издательство Логос 2001. – 408с.
Форма протокола поверки преобразователя
поверки преобразователя тип номер
пределы измерений класс точности
Образцовые средства измерений
на входе: тип номер
верхний предел измерений класс точности
на выходе: тип номер
диапазон измерений класс точности
Номинальное значение перепада давлений h кгссм2
Расчётное значение выходного сигнала Iр мА
Действительное значение выходного сигнала Iд мА или измеряемого перепада давления hд кгсм2
Погрешность поверяемого преобразователя %
Пределы допускаемой основнойНаибольшая погрешность %
Допускаемая вариация мА Наибольшая вариация мА
Преобразователь годен забракован
Подпись лица выполнившего поверку