Разработка измерительной информационной системы
Реферат
Пояснительная записка к курсовому проекту 41 с., 7 рис., 20 табл., 7
источников, 2 прил.
Иллюстративная часть на 2 листах формата А2.
УСЛОВНЫЙ ОБЪЕКТ, ТЕМПЕРАТУРА ВОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ, СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КАНАЛ,
СТАНДАРТИЗАЦИЯ, МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Объектом исследования данного курсового проекта является некоторый
условный объект.
Целью разработки является обеспечение условного объекта комплексом
технических средств для контроля физических величин, передачи измерительной
информации на вход ИВК для обработки.
В итоге работы были получены данные по обработке результатов наблюдения
физических величин: температуры воды, температуры продукта, давления воды,
расхода воды.
Данный условный объект предназначен для проведения лабораторных работ в
лабораториях ВУЗов по контролю физических величин, их обработке и анализу
полученных результатов.
Нормативные ссылки
В курсовом проекте использованы ссылки на следующие нормативные
документы:
ГОСТ Р 50431-92 Термопары. Часть 1. Номинальные статические
характеристики преобразования.
ГОСТ 8.207-76 ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы
обработки результатов наблюдений. Основные положения.
ГОСТ 6651-94 Термопреобразователи сопротивления. Общие технические
требования и методы испытаний.
ГОСТ 8.243-77 ГСИ. Преобразователи измерительные разности давлений ГСП с
унифицированными выходными сигналами взаимной индуктивности. Методы и средства
поверки.
ГОСТ 21.404-85 СПДС. Автоматизация технологических процессов. Обозначения
условные приборов и средств автоматизации в схемах.
МИ 2093-90 ГСИ. Рекомендация. Измерения косвенные. Определение
результатов измерений и оценивание их погрешностей.
ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Комплекс стандартов на
автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной
системы.
ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ. Методики выполнения измерений.
ГОСТ 6616-74 Преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие технические
условия.
ГОСТ 13384-81 Преобразователи измерительные для термоэлектрических
преобразователей и термопреобразователей сопротивления ГСП. Общие технические
условия.
Введение
В настоящее время остро стоит вопрос о комплексной автоматизации
производственных процессов, автоматизации рабочих мест, вычислительных
процессов. Это позволит увеличить темпы роста производства, уменьшить влияние
«человеческого фактора».
Автоматизация производственных процессов является одним из главных
направлений современного научно-технического прогресса. Это обусловлено
постоянным увеличением темпа роста объема выпускаемой продукции, расширением ее
номенклатуры и повышением потребительских качеств, что приводит к усложнению
технологических процессов, оборудования и условий их функционирования,
увеличению потоков технической, производственной, экономической информации,
которую необходимо оперативно переработать.
Автоматизация производства обеспечивает получение значительного
экономического эффекта, основными источниками которого являются: увеличение
производительности труда и оборудования, сокращение удельного расхода сырья,
энергетических затрат, численности обслуживающего персонала, потерь продукции и
повышение ее качества, повышение производительности труда операторов путем
улучшения условий их работы и оптимального представления информации в каждый
момент времени.
Эффективное использование автоматики в народном хозяйстве возможно лишь
при условии рационального решения задач на всех этапах ее разработки и
освоения. Наиболее ответственным этапом является проектирование систем
автоматизации, поскольку оно выступает связующим звеном науки с производством.
Разработка информационно-измерительных систем и создание
автоматизированных систем контроля утратили свою новизну, но по прежнему
являются актуальными, так как автоматизация производства в нашей стране
непрерывно развивается.
Основанием для расчетов курсового проектирования являются исходные данные
согласно варианту 9301814.
Целью данного курсового проекта является создание автоматизированной
системы сбора и передачи информации - одного из элементов комплексной
автоматизированной системы предприятия.
1
Обработка результатов наблюдений физических величин
1.1 Обработка
результатов наблюдений температуры воды
1.1.1
Исключение аномальных
результатов
Для измерения температуры воды используется комплект, состоящий из
датчика - термоэлектрический преобразователь дТПL045 с характеристикой ХК тип L, подключенного медными соединительными проводами к
переносному потенциометру ПП-63.
Результаты наблюдений при измерении θв,i представлены в виде показаний потенциометра в таблице 1.1.
При этом для нахождения действительных значений θв в градусах Цельсия следует
воспользоваться номинальной статической характеристикой термопреобразователя и
учесть температуру зажимов датчика θ¢o=30 °C и температуру зажимов потенциометра θ¢¢o=30 °C, а также материалы соединительных проводов.
Так как датчик подключен к потенциометру 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 θ=0 °С имеет вид:
ЕL(θ,30)=ЕL(θB,i, 0)+ЕL(30,0) (1.1)
где ЕL(θ,30) - значение термоЭДС при искомой
температуре, мВ;
ЕL(θB,i, 0) - показания потенциометра ПП-63 для каждого значения
результата наблюдения, мВ;
ЕL(30,0) - температурная поправка для θ¢¢o= 30 °C, мВ.
В соответствии со статической характеристикой термопреобразователя
определяется ЕL(30,0)=1,951 мВ и производится
перевод значений температуры θв,i в градусы Цельсия по формуле (1.1). Полученные данные, а
также ряд распределения результатов наблюдений приведены в таблице 1.1.
Среднее значение температуры воды:
где ni - количество результатов наблюдений
в выборке для определенного значения температуры.
n -
объем выборки, равный сумме ni, n=25.
θ*в = 55,244 °С.
Таблица 1.1 - Значения наблюдений температуры воды tв
|
Объем выборки
|
Номер результата наблюдения
в выборке
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
|
25
|
Количество результатов
наблюдения
|
|
1
|
1
|
2
|
4
|
5
|
5
|
4
|
2
|
1
|
-
|
|
Результаты наблюдения
температуры воды, мВ
|
|
1,50
|
1,55
|
1,60
|
1,65
|
1,70
|
1,75
|
1,80
|
1,85
|
1,90
|
1,95
|
|
Результаты наблюдения
температуры воды, °С
|
|
52,11
|
52,83
|
53,64
|
54,30
|
55,00
|
55,71
|
56,50
|
57,21
|
57,95
|
-
|
Расчет СКО результатов наблюдений температуры θв производится по формуле:
1,56 °С.
Расчет
выявления аномальных результатов наблюдений проводится для крайних значений θвmin, θвmax. Для них рассчитываются h1 и h2.
Где θвmin, θвmax - максимальное и минимальное значение температуры из
выборки, °C.
Так как найденные значения параметров h1 и h2 не
превышают предельного значения параметра h равного 2,870 при объеме выборки равном 25 и уровне
значимости q равном 0,05, то результаты не
содержат аномальных наблюдений.
Следовательно, в дальнейших расчетах среднее значение θ*в принимаем равным 55,244 ºС.
1.1.2 Проверка
гипотезы о нормальном распределении случайной величины
Критерий 1. Гипотеза о нормальном распределении не отвергается, если
выполняется неравенство:
(1.2)
где d1-q1/2 - квантиль распределения соответствующая вероятности
1-q1/2./2 - квантиль распределения соответствующая вероятности q1/2.- уровень
значимости критерия 1, q1= 0,02.
Рассчитывается смещённая оценка СКО результатов наблюдений:
=1,63 ºС.
Рассчитывается
значение параметра d по формуле
d=0,6.
По
ГОСТ 8.207 для объема выборки n = 25 определяются квантили dq1/2=0,8901 и
d1-q1/2=0,7040. Видно, что данные значения не удовлетворяют условию (1.2),
следовательно, гипотеза о нормальном распределении по критерию 1 отвергается.
Критерий
2. Гипотеза не отвергается, если число разностей 
,
превышающих по размеру произведение zv/2 
, окажется не более чем m:
zV/2 - квантиль
нормируемой функции Лапласа, соответствующая вероятности V/2.
Уровень
значимости критерия 2: q2 =0,02.
По
объему выборки n=25 определяем, что m=2, V=0,98.
Значение
нормируемой функции Лапласа V/2=0.49, а соответствующее значение её аргумента zV/2
=2,329.
Следовательно
zv/2 =3,8. Ни
одна из разностей не превышает это значение, поэтому гипотеза о нормальном
распределении случайной величины результата наблюдения принимается.
Уровень
значимости составного критерия: q=q1 +q2 =0,04
1.1.3 Построение
гистограммы и полигона накопления частот
Для построения гистограммы результатов записываем статистический ряд в
виде таблицы. Для этого сначала сгруппируем результаты наблюдений в S разрядах. Количество разрядов
определим с использованием эмпирической формулы:
Где n - объем выборки.
С учетом объема выборки n=25
получим S = 5, тогда значение длины интервала L:
Получим L=1,3 °С.
Таким образом, диапазон значений разбивается на пять равных интервалов.
Далее определяется количество результатов наблюдений mj, приходящееся на каждый интервал. Определяются частота
разряда Pj(t) и оценка плотности распределения f*j(t) по формулам:
Статистический ряд результатов наблюдений приведен в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Статистический ряд результатов наблюдений θв*
|
Границы разрядов, °С
|
52,1; 53,4
|
53,4; 54,7
|
54,7; 56,0
|
56,0;57,3
|
57,3; 58,6
|
|
Кол-во значений mj
|
2
|
6
|
10
|
6
|
1
|
|
Частота Pj(t)
|
0,08
|
0,24
|
0,4
|
0,24
|
0,04
|
|
Статистическая плотность, °С -1
|
0,06
|
0,18
|
0,31
|
0,18
|
0,03
|
Полигон накопления частот строится путем соединения прямыми линиями
середины верхних оснований каждого столбца гистограммы. Полигон и гистограмма и
изображены на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 - Гистограмма и полигон накопления частот
1.1.4 Построение
графика дифференциальной функции нормального распределения.
Для построения графика дифференциальной функции распределения результатов
θв* используется формула:
Где
- значения на границах и посередине разряда.
Значения
дифференциальной функции нормального распределения приведены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 - Значения дифференциальной функции распределения
|
Значения , ˚С52,153,454,755,3556,057,358,6
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значения  , ˚С-10,040,130,230,240,230,120,03
|
|
|
|
|
|
|
|
Кривая дифференциальной функции нормального распределения изображена на
рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 - Кривая дифференциальной функции нормального распределения
1.1.5 Построение
кумулятивной кривой.
Для построения кумулятивной кривой по горизонтальной оси откладываем
разряды, на каждом разряде строим прямоугольник, высота которого определяется
выражением
(1.3)
Найдя по формуле (1.3) все значения кривой, запишем их в таблицу 1.4 и по
ним построим кривую.
температура
вода преобразователь перепад давление
Таблица 1.4 - Статистический ряд распределения значений кумулятивной
кривой
|
Границы разрядов, С
|
52,1;53,4
|
53,4;54,7
|
54,7;56,0
|
56,0;57,3
|
57,3;58,6
|
|
|
|
|
|
|
|
Значения кумулятивной
кривой Fj*
|
0,08
|
0,32
|
0,72
|
0,96
|
1
|
Рисунок 1.3 - Кумулятивная
кривая
1.1.6 Построение
графика интегральной функции распределения
График интегральной функции распределения строим с использованием таблицы
нормированной функции Лапласа. Сначала задаемся значением на границе разряда θв. Затем рассчитываем соответствующие
значения новой переменной Zj по
формуле:
Интегральная функция распределения F(t) имеет вид:
F(t) = Ф(Z) + 0,5,
где Ф(Z) - нормированная функция распределения Лапласа.
Полученные результаты приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5 - Статистический ряд
|
t, °C
|
52,1
|
53,4
|
54,7
|
56
|
57,3
|
58,6
|
|
Z
|
-1,89
|
-1,11
|
-0,33
|
0,46
|
1,24
|
2,1
|
|
Ф(Z)
|
-0,47
|
-0,37
|
-0,13
|
0,14
|
0,39
|
0,48
|
|
F(t)
|
0,03
|
0,13
|
0,37
|
0,66
|
0,89
|
0,98
|
Интегральная функция распределения изображена на рисунке 1.3.
Рисунок 1.4 - Интегральная функция распределения
1.1.7 Определение
границ доверительного интервала и интервальной оценки
Необходимо определить границы доверительного интервала при доверительной
вероятности Р = 0,95.
Для этого рассчитывается оценка СКО по формуле
(θв)=0,332 °C.
Границы
доверительного интервала определяются как
=2,06.
Таким
образом, получаем границы доверительного интервала
°С ,
Интервальная
оценка записывается в виде
.
Таким
образом, результат наблюдений температуры воды
.
1.2 Обработка
результатов наблюдения температуры продукта
1.2.1 Математическая
модель статики
Схема измерительного комплекта для измерения температуры продукта
приведена на рисунке 1.5.
tп Rθ Iш U N
Рисунок 1.5 - Схема измерительного комплекта
Для измерения температуры продукта применяется комплект, состоящий из
датчика - термопреобразователя сопротивления типа ДТС 035, нормирующего
преобразователя типа Ш79 - с линейной статической характеристикой, диапазоном
измерения (-70...+180) °С и
выходным сигналом (0...5) мА, магазина сопротивления Р33, а также потенциометра
типа ПП-63.
Результаты наблюдений при измерении tп представлены в виде показаний потенциометра - значений
напряжения, выраженных в милливольтах. Сначала необходимо записать выражение
для математических моделей статики отдельных средств измерений входящих в
комплекс.
Для термопреобразователя сопротивления получим
Rθ = R0 ×(1+A
+B× 
),
где
A, В - коэффициенты, А = 3,969×10 - 1 °С-1 , B =
-5,841×10 - 7 °С-2.
R0 -
сопротивление датчика при температуре t = 0 °С, R0 = 50 Ом.
Выходной
токовый сигнал Ш79 найдем из следующего выражения
Iш=Sш(Rθ-Rθ,н),
где
Rθ - текущее значение сопротивления, Ом.
Rθ,н - начальное значение сопротивления, соответствующее нижнему пределу
измерений, Ом.
Sш -
чувствительность преобразователя, мА/Ом.
Чувствительность
преобразователя определяется по формуле
где
DIш -
диапазон изменения выходного сигнала Ш79, DIш = 5 мА.
DRθ- разность конечного Rθ,k и начального Rθ,н значений сопротивления датчика.
Из
ГОСТ Р 8.625 берем значения Rθ,k =84,775 Ом и Rθ,н =35,955 Ом. Тогда, получаем значение чувствительности равное
В
результате получаем
Iш=0,1024(Rθ -35,955),
Для
магазина сопротивлений Р33 значение выходного напряжения равно
U=RIш ,
Так
как значение сопротивления образцового резистора R=10 Ом, то
получаем
U=1,024(Rθ -35,94),
Для
переносного потенциометра ПП-63 имеем статическую характеристику следующего
вида N=U.
Рассмотрим
совместно математические модели статики отдельных элементов, исключая
промежуточные переменные Rθ и Iш, получаем квадратное уравнение
,
Получим
аналитическую зависимость
, (1.4)
Подставляем
в выражение (1.4) значения U результатов наблюдений температуры продукта,
выраженные в милливольтах (показания ПП-63). Находим соответствующие значения 
. Значения результатов приведены в таблице 1.6.
Таблица
1.6 - Результаты наблюдений температуры продукта tр
|
Ui, мВ
|
17,6
|
17,7
|
17,6
|
17,5
|
17,6
|
|
, C15,87216,36715,87215,37815,872
|
|
|
|
|
|
Для
полученной выборки объема n=5 рассчитаем среднее арифметическое значение и
получим результат измерения температуры продукта 
.
,
=15,872 °C.
1.2.2 Определение
границ доверительного интервала
Для расчета границ доверительного интервала определим значение СКО S(tп) и число степеней свободы fn.
, (1.5)
где SU - 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
, (1.6)
Где m1 - число результатов наблюдений для
аргумента.
Mu=17,6
мВ.
, (1.7)
SU=0,032
мВ.
Произведем
расчет относительной погрешности магазина сопротивлений Р33. Класс точности
магазина сопротивлений Р33 равен 
, поэтому
,
Где RР33 - максимальное сопротивление
магазина, RК=99999,9 Ом.
R = 10 Ом.
Тогда получим δ=±0,26 %.
Абсолютная погрешность магазина сопротивлений
,
Δ=0,026 Ом.
Тогда
СКО значений сопротивления
, (1.8)
SR=0,015
Ом.
Подставляя
значения, полученные в выражениях (1.6), (1.7) и (1.8) в (1.5) определяем СКО
значений результатов наблюдений 
S()=0,208 °С.
Определим
число степеней свободы fn
(1.9)
где
b1 и b2 - соответственно производные 
и 
.
1=SU, 2=SR.- число результатов наблюдений для аргументов, mi=5.
Получаем f=9,748, тогда
Кст=2,24, затем рассчитываем границы доверительного интервала
εn = ±0,47 °С.
Тогда
записываем интервальную оценку результатов наблюдений температуры tп
(15,872±0,47) °С, Р=0,95.
1.3
Обработка результатов наблюдений давления воды
1.3.1
Проверка выполнения условия равноточности наблюдений
Для проверки равноточности для каждой выборки нужно рассчитать среднее
выборочное и СКО. Среднее выборочное рассчитаем по формуле
где
j - номер выборки;
- объем j-выборки;
-
значение результатов наблюдений в выборке, кПа.
Таблица
1.7 - Результаты наблюдений давления воды
|
Тип
|
Объем
|
Значение результатов
наблюдений давления воды,
|
|
манометра
|
выборки
|
кПа
|
|
МП4-У
|
5
|
301
|
305
|
307
|
308
|
305
|
|
МО
|
5
|
300
|
302
|
301
|
303
|
300
|
Для технического манометра получили результат P1 = 305,2 кПа.
Для образцового - P2 =
301,2 кПа.
Среднее квадратичное отклонение находится в соответствии с формулой
, (1.10)
Подставляя в (1.10) полученные результаты Pi получим соответствующие СКО для результатов наблюдений
технического и образцового манометров.
S(Р1)=1,2 кПа,(Р2)=0,583 кПа.
Для проверки равноточности двух выборок рассчитаем значение параметра R по формуле
Параметр
θ рассчитываем из выражения
(1.11)
Подставив известные значения в (1.11), получим следующие результат
σ(q)=1,414.
Тогда
q =2,118.
R=0,79.
Наблюдения считаются равноточными, если R < 3. Результат измерений находим как среднее
арифметическое для всех результатов наблюдений. СКО рассчитывают так же для
всех результатов наблюдений.
Рв=303,2 кПа.
1.3.2 Определение
границ доверительного интервала.
Для определения границ доверительного интервала по формуле (1.9)
определяем число степеней свободы fд для выборки объемом m.
fд =9.
Зная число степеней свободы, определим по таблице коэффициент
распределения Стьюдента
Кст=2,26.
Определим границы доверительного интервала по формуле
, (1.12)
Тогда получаем границы доверительного интервала, подставив значения в
формулу (1.12)
.
Для
записи интервальной оценки результатов наблюдений давления воды воспользуемся
формулой
кПа; 
.
Запишем
интервальную оценку измерения давления с многократными наблюдениями
(303,2±2,07) кПа, Р=0,95.
1.4 Обработка
результатов наблюдения объемного расхода воды
1.4.1 Определение
СКО результата измерения расхода воды
Для того чтобы рассчитать значение СКО, воспользуемся формулой
, (1.13)
где
- объем выборки.
-
значение результатов наблюдения в выборке, м3/ч.
- среднее
выборочное значение, м3/ч.
Значение
параметров и определим
по таблице 1.8.
Таблица 1.8 - Результаты наблюдения расхода воды
|
Объем выборки
|
Значения результатов
наблюдений в выборке, м3/ч
|
|
5
|
35,8
|
35,9
|
35,7
|
35,6
|
35,8
|
Значение среднего выборочного определим по формуле
(1.14)
В соответствии с формулами (1.13) и (1.14) получим
Qo=35.76
м3/ч;
S(Q0)=0,05 м3/ч
1.4.2 Определение
границ доверительного интервала.
Определение границ доверительного интервала производится с учетом
требований стандарта ГОСТ 8.207.
где
- коэффициент Стьюдента.
Число степеней свободы
,
f=4.
Подставив
значения, получим
.
м3/ч.
Запишем
интервальную оценку измерения расхода воды
м3/ч, ,
Р=0,95.
м3/ч,
Р=0,95.
2
Разработка измерительной информационной системы
2.1
Техническое задание на
разработку ИИС
2.1.1
Общие сведения
Наименование системы - ИИС на основе аппаратуры производственного
объединения «ОВЕН».
2.1.2 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.
2.1.3 Характеристика
объекта автоматизации
Условный объект автоматизации при нормальном режиме эксплуатации
характеризуется следующими значениями основных физических величин:
температуры воды (55,24±0,68) °С, Р=0,95;
температуры продукта (15,87±0,47) °С,
Р=0,95;
давления воды (303,20±2,07) кПа, Р=0,95;
расхода воды (35,76±0,14)
м3/ч, Р=0,95;
2.1.4 Требования
к системе
ИИС должна обеспечивать измерения щитовым прибором и передачу на вход
измерительного вычислительного комплекса информацию о значениях следующих
физических величин:
температуры воды 55,24 °C
температуры продукта 15,87 °C
давления воды 303,2 кПа
расхода воды 35,76 м3/ч
уровня воды 2 м
кислотности воды 7 pH
плотности воды 986,5 кг/м3
относительной влажности воздуха 96%
ИИС должна обеспечивать возможность компьютерной обработки результатов
измерений и определения характеристик измерительной системы.
2.2 Выбор
средств измерений для схемы автоматизации
Для измерения температуры воды используем термоэлектрический
преобразователь ДТПL045, НСХ типа L, соединительный провод медный;
нормирующий преобразователь Ш78 с диапазоном измерений минус 50…150 °С.
Для измерения температуры продукта используем термоэлектрический
преобразователь ДТПL045, НСХ типа L, соединительный провод медный; нормирующий
преобразователь Ш78 с диапазоном измерений минус 50…150 °С, выходной сигнал 0…5 мА.
Для измерения давления воды используется пневматический преобразователь
МПЭ-МИ, диапазон измерений 0...200 кгс/м, класс точности 0.5.
.3 Разработка схемы автоматизации условного объекта
Для измерения температуры воды используется термоэлектрический
преобразователь типа ДТПL045-010.200
(«ОВЕН») поз. 1а, подключенный к нормирующему преобразователю Ш78 поз. 1б,
выходной сигнал которого поступает на прибор УКТ-Щ4.АТ поз. 1в. Информация от
прибора через адаптер типа АС2 поз. 1г передается на персональный компьютер Intel Pentium IV, 256 MB, VGA Video, 310GB HDD.
Для измерения температуры продукта используется термоэлектрический
преобразователь типа ДТПL045-010.200
поз. 2а, подключенный к нормирующему преобразователю Ш78 поз. 2б, 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 Intel Pentium IV, 256 MB, VGA Video, 310GB HDD.
Для измерения давления воды используется пневматический преобразователь
МПЭ-МИ поз. 3а, выходной сигнал с которого поступает в виде токового сигнала на
вход УКТ-Щ4.АТ поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС2 поз. 1г
поступает на персональный компьютер Intel Pentium
IV, 256 MB, VGA Video, 310GB HDD.
Для измерения расхода воды используется диафрагма камерная стандартная
ДКС поз. 4а, выходной сигнал с которой поступает на преобразователь перепада
давления 13ДД11 поз. 4б. Полученный сигнал поступает далее на
пневмоэлектрический преобразователь ППЭ-2 поз. 4б. Далее унифицированный
токовый сигнал поступает на прибор УКТ-Щ4.АТ поз. 1в. Информация от прибора
через адаптер типа АС2 поз. 1г поступает на персональный компьютер Intel Pentium IV, 256 MB, VGA Video, 310GB HDD.
Для измерения уровня воды используется уровнемер Сапфир-22 ДУ ВН поз. 5а,
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 Intel Pentium IV, 256 MB, VGA Video, 310GB HDD.
Для измерения кислотности воды используется датчик магистральный ДМ-5М
поз. 6а, выходной сигнал которого поступает на потенциометрический нормирующий
преобразователь П-201 поз. 6б. Информация от П-201 поступает на цифровой прибор
УКТ-Щ4.АТ поз. 1в.
Информация от прибора через адаптер типа АС-2 поз. 1г поступает на
персональный компьютер Intel Pentium
IV, 256 MB, VGA Video, 310GB HDD.
Для измерения плотности воды используется Блок детектирования БД-1 поз.
7а, пневматический выходной сигнал которого поступает на преобразователь ППЭ-2
поз. 7б. Полученный токовый сигнал поступает на прибор УКТ-Щ4.АТ поз. 1в.
Информация от прибора через адаптер типа АС2 поз. 1г поступает на персональный
компьютер Intel Pentium IV, 256 MB, VGA Video, 310GB HDD.
Для измерения относительной влажности воздуха используется измерительный
преобразователь ИПТВ-056 поз. 8а, токовый выходной сигнал которого поступает на
цифровой прибор УКТ-Щ4.АТ поз. 1в. Информация от прибора через адаптер типа АС2
поз. 1г поступает на персональный компьютер Intel Pentium IV, 256 MB, VGA Video, 310GB HDD.
3. Определение и исследование характеристик средств измерений, входящих в
состав ИИС
.1 Расчет
пределов систематической погрешности измерения температуры воды
Измерение температуры воды производится с помощью следующего комплекта
t Е I N
150 °C 10,624 мВ 5 мА 5 мА
-50 °C
-3.004 Мв 0
Рисунок 3.1 - Схема измерительного комплекта
Рассчитаем
значение 
по формуле
=1,381
мА.
Результат
однократного измерения должен быть представлен в виде
NВ мА;
±θп мА; Р=0,95,
Где NВ - результат измерения.
-
доверительная граница результата измерения.
Доверительная
граница результата измерения принимается равной неисключенной систематической
погрешности, которая может быть рассчитанапо формуле
, (3.1)
Где
- относительная погрешность термопреобразователя типа
дТПL045.
-
относительная погрешность нормирующего преобразователя Ш 78.
-
относительная погрешность измерительного прибора УКТ-38.
Укажем
для всех приборов способы нормирования погрешностей
°С.
%.
%.
Теперь
рассчитаем относительные погрешности по формулам (3.2), (3.3), (3.4)
, (3.2)
где
- максимальное значение выходного сигнала
измерительного прибора УКТ38, мА.
, (3.3)
где
- максимальное значение выходного сигнала
нормирующего преобразователя Ш78, мА.
-
сигнал, соответствующий и равный сигналу , мА.
, (3.4)
где
- действительное значение температуры, °С.
Чтобы
найти действительное значение температуры, рассчитаем значение ЭДС 
, соответствующее току , по
формуле
,
где
- чувствительность нормирующего преобразователя Ш78.
В свою очередь чувствительность преобразователя находится по следующей
формуле
,
мА/мВ.
EВ=
3,76 мВ.
= 56,7 °С.
Подставим
найденные значения в формулы (3.2), (3.3), (3.4) и получим относительные
погрешности
dУКТ=0,005.
dШ78=0,018.
dДТПL=0,045.
Подставим найденные значения в формулу (3.1)
θ (P)=0,093 мА.
Результат однократного измерения температуры воды
NВ мА;
±θп мА; Р=0,95.
1,381
мА; 
мА; Р=0,95.
3.2 Построение статических характеристик средств измерений температуры
воды
Статические характеристики приведены на листе 2 иллюстративной части.
Ниже приведены статические характеристики в аналитической и табличной формах.
1) Статическая характеристика форме для термопреобразователя дТПL045
Таблица
3.1 - Статическая характеристика дТПL045
|
t, C
|
Е, мВ
|
|
-50
|
-3,004
|
|
0
|
0
|
|
20
|
1,289
|
|
40
|
2,623
|
|
60
|
3,998
|
|
80
|
5,411
|
|
100
|
6,86
|
|
150
|
10,621
|
) Статическая характеристика для нормирующего преобразователя Ш78
Таблица
3.2 - Статическая характеристика Ш78
|
Е, мВ
|
I, мА
|
|
-3,004
|
0
|
|
10,621
|
5
|
) Статическая характеристика измерительного прибора УКТ
Таблица
3.3 - Статическая характеристика УКТ
.3 Расчет 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 дТПL045 lТПЛ =15×10-6 1/ч;
для Ш78 lШ78 =70×10-6 1/ч;
для УКТ-38 lУКТ38 =105×10-6 1/ч;
- для термоэлектродных проводов lкаб,1 =0,1×10-6 1/ч на 1м длины.
Длину проводов примем равной L = 90 м ,тогда lпр
= 9×10-6 1/ч.
Интенсивность отказов всего комплекта равна
lк = lТХК + lШ78 + lУКТ38 + lпр = 199×10-6 1/ч.
Вероятность безотказной работы комплекта за t = 1000 ч равна
,
Рк=
0,82.
Среднее
время безотказной работы комплекта найдем по формуле
= 5025 ч » 209 сут.
.4 Построение статических характеристик средств измерения расхода воды
Q0
P PB I N
Рисунок 3.2 - Структурная схема измерительного комплекта
Определим верхний предел измерений дифференциального манометра по
расходу.
м3/ч
м3/ч
м3/ч
Статические характеристики средств измерений расхода воды приведены на
листе 2 иллюстративной части. Ниже приведены статические характеристики в
аналитической и табличной формах.
). ф Статическая характеристика ДКС
(3.5)
где
∆P - перепад давления на выходе ДКС
Тогда
(3.6)
Пусть
∆PН = 63 кПа, Qo пр = 50 м3/ч, тогда
K = 6,1
Полученное
значение K подставим в формулу (3.14), получим
(3.7)
Будем
изменять значение ∆P в диапазоне от 0 до 63 кПа и подставлять его в
формулу (3.16). Полученные значения занесем в таблицу 3.4.
Таблица
3.4 - Статическая характеристика ДКС
|
Qo, м3/ч
|
DР, кПа
|
|
0
|
0
|
|
19,3
|
10
|
|
27,3
|
20
|
|
33,3
|
30
|
|
38,2
|
40
|
|
42,4
|
50
|
|
46,5
|
60
|
|
50
|
63
|
). Статическая характеристика 13ДД11
,
(3.8)
Таблица
3.5 - Статическая характеристика 13ДД11
|
DР, кПа
|
Рвых, кПа
|
|
0
|
20
|
|
10
|
32,7
|
|
20
|
45,4
|
|
30
|
58
|
|
40
|
70,8
|
|
50
|
83,5
|
|
60
|
96,2
|
|
63
|
100
|
3). ф Статическая характеристика ППЭ-2
I=0.0625
(Pвых-20) (3.9)
где
I - электрический ток, мА.
Таблица
3.6 - Статическая характеристика ППЭ-2
|
Рвых, кПа
|
I, мА
|
|
20
|
0
|
|
40
|
1,25
|
|
60
|
2,5
|
|
80
|
3,75
|
|
100
|
5
|
). ф Статическая характеристика УКТ-38-Щ4.АТ
(3.19)
где
I - электрический ток, мА;
N - показания
прибора, мА.
Таблица
3.7 - Статическая характеристика УКТ 38-Щ4.АТ
4. Стандартизация и метрологическое обеспечение функционирования ИИС
.1 Разработка методики выполнения измерений температуры воды
Методику выполнения измерений температуры воды разработаем согласно
стандарту ГОСТ Р 8.563-96.
.1.1 Вводная часть
Настоящая инструкция устанавливает методику выполнения измерения
температуры воды в условном объекте с помощью термоэлектрического термометра.
.1.2 Требования к погрешности измерений
Пределы допускаемой погрешности по данной методике составляют: нижний
предел 54,564 °С, верхний
предел 55,924 °С.
.1.3 Средства измерений
При выполнении измерений применяются средства измерений, указанные в
таблице 4.1.
Таблица 4.1 - Характеристики средств измерений
|
Порядковый номер и
наименование средства измерения
|
Обозначение стандарта и типа
средства измерений, его метрологические характеристики
|
Наименование измеряемой
величины
|
|
1 Термоэлектрический
преобразователь
|
ДТПЛ 045-0101.200 по ГОСТ
6616, НСХ типа L, диапазон измерений -50...200 °С, предел основной
погрешности ±2,5 %
|
Температура
|
|
2 Нормирующий
преобразователь
|
Ш78 по ГОСТ 13384, НСХ типа
L, диапазон измерений -50..150 °С, предел основной погрешности ±1 %
|
ТермоЭДС
|
|
3 Вторичный прибор
|
УКТ 38-Щ4.АТ, входные
сигналы 0…5 мА, диапазон показаний 0…5 мА, предел основной погрешности ±0,5 %
|
Постоянный ток
|
4.1.4
Метод измерений
Измерения температуры воды выполняются методом, основанным на
использовании термоэлектрического эффекта, заключающегося в зависимости
температуры тела от скорости движения молекул вещества этого тела. При
прохождении электрического тока по проводнику электроны сталкиваются с
двигающимися молекулами проводника и усиливают их движение, что приводит к
нагреву проводника. Повышение температуры проводника приводит к появлению
разности потенциалов.
.1.5 Требования безопасности, охраны окружающей среды
При выполнении измерений температуры воды соблюдают следующие требования:
перед началом работы необходимо проверить правильность подключения всех
приборов, во время работы не переключать пакетные выключатели, которые подают
питание, 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.
.1.6 Требования к квалификации оператора
К выполнению измерений и обработке результатов допускаются лица:
имеющие диплом о среднем специальном или высшем образовании и
специализирующихся в области технологических измерений с 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.
4.1.7 Условия измерений
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
|
|
Температура воды
|
Напряжение и частота тока
питания
|
220 В; 50 Гц
|
-15..+10 %
|
|
Температура окружающей
среды
|
|
5…50 С
|
|
Относительная влажность
воздуха (при температуре 35 С)
|
|
30…80 %
|
|
Барометрическое давление
|
|
86…107 кПа
|
.1.8 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.
.1.9 Выполнение измерений
При выполнении измерений температуры воды реализуют следующие операции:
- поместить термопреобразователь дТПЛ 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.
.1.10 Обработка результатов измерений
Обработку результатов измерений выполняют с помощью калькулятора либо
программы на ЭВМ. Данные результата измерений получаем в виде таблицы значений
температуры воды в милливольтах, а затем преобразуем их с помощью НСХ
преобразования типа L в значение
температуры в градусах Цельсия.
4.1.11 Оформление результатов измерения
Результаты измерений оформляют записью в журнал наблюдений и одновременно
заносят их в ЭВМ для сравнения с предыдущими и подсчета статистики.
Заключение
В данном курсовом проекте была проведена обработка результатов наблюдений
основных физических величин условного объекта и на основе этой обработки были
выбраны средства измерений для создания автоматизированной системы контроля. На
основе проведенного исследования была разработана информационно-измерительная
система, содержащая средства измерений и обработки всех контролируемых величин
с выводом их значений на экран ЭВМ. Были определены и исследованы
характеристики отдельных средств измерений, входящих в состав
информационно-измерительной системы.
Неотъемлемой частью курсовой работы стали разработка методики выполнения
измерений температуры воды, разработка инструкции по поверке преобразователя
перепада давления
Таким образом, поставленная задача была решена во всей полноте, однако в
настоящее время спроектированная система не является оптимальным решением
поставленной задачи, так как она выполнена с использованием устаревших
технических средств.
Данную автоматизированную систему можно использовать на производстве, а
так же в лабораториях для обработки результатов наблюдений основных физических
величин. Экономический эффект при использовании разработанной
информационно-измерительной системы может быть получен в результате
высвобождения части обслуживающего персонала и повышения производительности
труда операторов путем улучшения условий их работы и оптимального представления
информации в каждый момент времени.
Список использованных источников
1 Чистяков,
В. С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям./В. С. Чистяков.- М. :
Энергоатомиздат, 1990. - 320 с. [Текст]
Метрология и
измерения. Принципы и средства измерений теплотехнических величин: Учебное
пособие/Сост. В. В. Осокин; Кубанский государственный технологический
университет. - Краснодар: Изд-во КубГТУ, 1994. - 92 с. [Текст]
Фарзане Н.Г.
Технологические измерения и приборы/Н. Г. Фарзане, Л. В. Илясов, А. Ю. Азим-Заде.
- М. : Высшая школа, 1989. - 456 с. [Текст]
Контрольно
измерительные приборы (КИПиА) - ТД Автоматика. Режим доступа: http://www.tdautomatika.ru/ [Электронный ресурс]
aНормативная база ГСНТИ. Режим
доступа: http://gsnti-norms.ru/norms/ [Электронный ресурс]
Спецэлсервис
- электронные компоненты и микроэлектроника. Режим доступа:
http://www.specelservis.ru/ [Электронный ресурс]
ЭЛМИКОМ-ТВС:
Поставка радиоэлектронных компонентов. Режим доступа: http://www.elmicom.ru/
[Электронный ресурс]