НАЛАДКА ПРИБОРОВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Основные понятия, определения

Основные определения и терминология, относящиеся к контроль­но-измерительным приборам и системам измерений, устанавливаются стандартом ГОСТ 16263—70 «Метрология. Термины и определения».

Совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, которые соединены между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления, называется системой изме­рения.

Например, температура, измеренная ртутным термометром, пре­образуется в высоту перемещения столбика ртути в термометре рас­ширения. Таких преобразований в системе может быть несколько. Так, в электрическом счетчике работа электрического тока преобра­зуется сначала в пропорциональное вращение диска, а затем в пока­зания цифрового указателя.

Элемент преобразователя, непосредственно соединенный с преобразуемой величиной и находящийся под ее воздействием, назы­вается чувствительным элементом. Измерительный преобразователь, к которому подводится измеряемая среда (величина) и который стоит первым в измерительной цепи, называется первичным измерительным преобразователем. Для дистанционной передачи сигнала измеритель­ной информации на измерительный прибор (вторичный), который вы­рабатывает сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (оператором), пред­назначены передающие измерительные преобразователи.

Для соединения первичных передающих измерительных преобразователей и вторичных приборов, устанавливаемых на центральном пункте управления, служат каналы (линии) связи.

Для обеспечения энергией средств измерения и их защиты от внеш­них воздействий, внутренних перегрузок и т. д. служат вспомогатель­ные устройства системы измерения.

В зависимости от назначения и поставленных задач измерительную систему выполняют в виде цепи последовательно или параллельно соединенных преобразователей, каналов связи и измерительных при­боров. Конструктивно элементы системы могут быть выполнены в виде отдельных устройств, объединены в блоке или скомпонованы в единое устройство.

На практике удобно, если измерительная информация независимо от вида измеряемых величин и их значений для дистанционной переда­чи и последующего воспроизведения преобразуется в единую форму (например, в пропорциональный сигнал постоянного тока). В этом случае конструкции передающих преобразователей, каналов связи и вторичных приборов могут быть унифицированы

Измерительная информация чаще всего воспроизводится в виде положении указателя (например, стрелки или светового луча) отно­сительно отметок шкалы прибора. Шкала представляет собой сово­купность отметок и проставленных около некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последователь­ных значений величины. Число отсчета соответствует некоторому значению измеряемой величины или указывает порядковый номер отметки. Для каждого измерительного прибора устанавливается диа­пазон показаний — область значений шкалы, ограниченная началь­ным и конечным ее значениями.

Если независимо от вида и области значений измеряемых величин начальному и конечному значениям шкалы прибора соответствует всегда один и тот же выходной сигнал передающего преобразователя, то такая система называется унифицированной.

В ряде случаев измерительная информация должна быть сохране­на, для этого применяют регистрирующие измерительные приборы, которые непрерывно регистрируют на движущейся с постоянной скоростью диаграммной ленте текущее значение величины. Приборы, которые одновременно регистрируют несколько измеряемых величин, называются многоточечными. Измерительная информация в регистри­рующих приборах представляется в виде непрерывных кривых (у са­мопишущих приборов) или в виде цифровых индексов, которые печа­таются на диаграммной ленте с заданным интервалом (печатающий прибор).

По исполнению измерительные преобразователи, приборы и уст­ройства подразделяют на следующие группы: обыкновенные, пылеза­щищенные, взрывозащищенные, герметические, водозащищенные, за­щищенные от агрессивной среды.

Средство измерения, предназначенное для выработки сигнала из­мерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования и обработки, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем, называется измерительным преобразова­телем.

По защите от воздействия температуры и влажности стандартами предусмотрено подразделение конструкций устройств на четыре груп­пы. Например, приборы и устройства первой группы могут работать в интервале температур от 223 (—50° С) до +323 К (50° С) и относи­тельной влажности не больше 25±3%, а третьей — в интервале темпе­ратур 278—323 К и пря относительной влажности не больше чем 80%.

По защите от механических воздействий различают обыкновенное и виброустойчивое исполнение.

В процессе исследований, производстве и в быту пользуются физи­ческими величинами (длина, масса, время и др.). Чтобы пользоваться этими физическими величинами, необходимо определить их количест­венные оценки. Физическая величина оценивается некоторым числом принятых для нее единиц. Например, 12 кг — значение массы тела. При наличии числовых значений физических величин имеется воз­можность для их сравнения и проведения различных математических операций. Получить же числовое значение величины можно только в процессе выполнения измерения. Измерение — это нахождение чис­лового значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Для сравнения числовых значений физические величины должны быть выражены в определенных единицах, принятых для данной величины, и, кроме того, должна быть известна точность, с которой получено значение величины. Действительно, достаточно трудно со­поставить скорости движения человека, выраженные в шагах в 1 мин, так как длина шага не является общепринятой единицей и индиви­дуальна для каждого человека.

Измерение всегда предусматривает проведение физического экс­перимента, для которого необходимо наличие средств измерений и метода или способа измерения. Процесс измерения охватывает следую­щие основные элементы: измеряемые величины, условия измерений, технические средства измерений, методы измерений, наблюдателя или регистрирующее устройство, результат измерений, единицы физиче­ских величин.

Измеряемые величины разделяют на непрерывные (аналоговые) и прерывистые (дискретные). Непрерывные физические величины характеризуются тем, что в заданном диапазоне изменения они могут иметь бесконечное множество числовых значений. Приме­ром непрерывной величины является сила тока, измеряемая стрелоч­ным прибором. Дискретные величины характеризуются конечным числом возможных принимаемых значений (уровней). Примером пре­рывистой величины может быть последовательность импульсов и пауз, которой определяется команда в устройствах телемеханики. Характер изменения величин во многом определяет выбор средств измерения и их характеристики. Для этого до начала измерения дол­жен быть известен, например, порядок числового значения измеряе­мой величины. Например, для измерения температуры тела человека выбирают ртутный термометр, а температуры расплавленной стали — термопару в комплекте с пирометрическим милливольтметром или потенциометром.

Условия измерений, т. е. состояние объекта (среды) (одно из свойств которого изучается), влияющее (искажающее) на ре­зультат измерений, имеют важное значение для правильного опреде­ления значения физической величины. Если измерить сопротивление медного провода, находящегося в различных температурных зонах, то результат измерения (сопротивление) будет различным, так как сопротивление медного провода зависит от его температуры. На ре­зультат измерения температуры с помощью термопары будут влиять электромагнитные поля, существующие в зоне ее установки. Резуль­таты измерения тока в цепи с помощью амперметра будут зависеть от внутреннего сопротивления последнего. Как правило, средства из­мерения выбирают с учетом того, чтобы при взаимодействии их с из­меряемой средой не изменялись ее свойства.

Условия измерения (в лаборатории, на производстве, в быту) резко различны и во многом определяют выбор технических средств и метода измерений.

Технические средства '(преобразователи, вторичные приборы), используемые для измерения, называются средствами из­мерений. Одни и те же средства измерений могут быть использованы для определения различных величин. Например, вольтметр в зависи­мости от типа преобразователя, в комплекте с которым его применяют, может измерять напряжение, температуру, состав газа и т. п.

Метод измерений — это совокупность приемов исполь­зования, принципов и средств измерений.

Н наблюдатель играет большую роль в процессе измерения. Информация об измеряемой величине, воздействующая на зрение и слух человека, может быть считана с показаний стрелочного прибо­ра, с диаграммной ленты регистратора или телетайпа Необходимо учитывать физические возможности наблюдателя и его состояние, так как эти факторы влияют на точность получаемых при измерении результатов.

Результат измерения физической величины — это числовое значение величины, найденное путем ее измерения. Отличие результата измерения от истинного значения определяется принци­пом действия и конструкцией аппаратуры, совершенством методов измерений и т. д. Точность отсчета по шкале прибора или диаграмме имеет конечную величину, определяемую их размерами.

В процессе развития науки и техники средства и методы измере­ний совершенствуются, и их быстродействие и точность повышаются. Примером может служить появление в последнее время приборов с цифровой индикацией значения измеряемой величины, в которых точность отсчета не зависит от положения или состояния наблюда­теля.

На практике результат измерения определяют как действительное значение измеряемой величины. Под действительным значением по­нимается значение физической величины, определенное эксперимен­тально, которое может быть принято за истинное для данной конкрет­ной цели. Так, например, при оценке результата измерения состава газа автоматическим газоанализатором за истинное значение прини­мается действительное значение концентрации, измеренное по лабо­раторному газоанализатору. Результат измерения может быть принят за действительное значение лишь в том случае, если известно, с какой точностью (или погрешностью) проведено измерение.

Единицы физических величин. К классу физиче­ских величин относят свойства физических объектов (механизмов, аппаратов), которые являются общими для этих объектов в каче­ственном отношении. К таким величинам относятся, например, мас­са объектов, их температура, скорость, давление, сила и т. п. Для того чтобы определить индивидуальные свойства объектов, необхо­димо дать количественную оценку этих общих свойств, т. е. опре­делить числовое значение физической величины.

Значение физической величины выражают числом, которое пока­зывает соотношение между измеренным значением и значением физи­ческой величины, принятым за единицу.

История развития единиц физических величин тесно связана с развитием науки и техники и общественных отношений. Первобытно­общинный строй, рабовладельческий и феодальный имели сравнитель­но низкий уровень развития производительных сил, хозяйство строи­лось на натуральном принципе. В этих условиях системы единиц создавались в каждом городе, селе и существовали независимо друг от друга. С приходом капитализма, характеризующегося развиты­ми производительными силами, общественным разделением труда, такое состояние с единицами физических величин стало непри­емлемым.

В течение XIX в. вопросы разработки систем единиц физических величин находились в центре внимания выдающихся ученых всего мира. Были созданы эталоны единиц массы и длины, метрическая система мер, разработана система единиц СГС, еще до сих пор приме­няемая при научных исследованиях. В 1875 г. на международной конференции 17 стран с участием России была подписана междуна­родная Метрическая конвенция, по которой утверждались междуна­родные прототипы метра и километра и были созданы международные метрологические органы, одной из основных задач которых было соз­дание и развитие системы единиц.

Созданные системы единиц строятся по единому принципу. Сначала выбирают несколько независимых физических величин и устанавлива­ют для них единицы. Эти единицы называют основными. Выбор их производят таким образом, чтобы с помощью математических зависи­мостей (уравнений) можно было бы образовать единицы других вели­чин. Единицы, выраженные через основные, называются производными, а совокупность основных и производных единиц — системой единиц.

К системам единиц предъявляется ряд требований, которым они должны удовлетворять:

охват возможно большего числа отраслей науки и техники; удобство практического применения и простота: отсутствие громоздких пересчетных коэффициентов.

Всем этим требованиям отвечает международная система единиц (СИ), которая была принята в 1960 г. на Генеральной конференции по мерам и весам. В СССР СИ была введена как предпочтительная с 1963 г.

За основные единицы в СИ приняты: метр (м) — длина, килограмм (кг) — масса, секунда (с) — время, ампер (А) — сила электрического тока, кельвин (К) — термодинамическая температура, канделла (кд)— сила света и моль (моль) — количество вещества.

В связи с тем что большинство основных единиц СИ базируется на атомно-молекулярных константах, их воспроизведение может быть выполнено с более высокой точностью, чем, например, в системах МКС, СГС и др.

Рассмотрим примеры образования производных единиц СИ для некоторых физических величин, наиболее употребительных в системах автоматизации технологических процессов. В качестве единиц площа­ди и объема на основании известных уравнений 5 = L2 и V — L3 получаем единицу площади — квадратный метр (м2) и единицу объе­ма — кубический метр (м3). Ускорение (а), связанное с расстоянием (L) и временем (Т), выражено соотношением а = ЬТ~г и в СИ будет иметь единицу измерения м/с2 (метр в секунду за секунду).

Единицу силы F получают из соотношения F — та = 1 кг* 1 мс-2. Эта единица называется ньютоном.

Для давления р в СИ получаем единицу из уравнения р — F/S = «=/г^М-Г-8 (кг■ с-2*м-1).

Эта единица, численно равная давлению, которое развивает сила в 1 Н на площади в 1 м2, называется паскалем (Па).

Для удобства Еычислекий в СИ предусматривается простое обра­зование кратных и дольных единиц. Кратные и дольные единицы об­разуются от основных и производных путем умножения их значений на целые степени числа 10. Именуются кратные и дольные единицы путем прибавления приставки к наименованию единицы. Стандартные приставки имеют следующие обозначения (табл. 1).

Таблица I. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

Например, вместо 5000 Ом удобно записать значение сопротивле­ния 5 кОм, вместо давления 980 G00 Па — 0,98 МПа и т. п.

Связь между производными и основными единицами СИ выража­ется с помощью размерности. Размерность производных величин записывается в виде дроби (кг/с2м) или с применением отрицательных степеней (кг-с'^м"1). При практических расчетах размерность полу­ченного результата вычисления значения физической величины поз­воляет проконтролировать правильность решения задачи.

Наряду с единицами СИ в технике допущены к применению вне­системные единицы, имеющие большое практическое распространение.

К таким единицам относятся: единица массы — тонна, единица пло­щади — гектар, единица температуры — градус Цельсия. Большое распространение имеет единица веса и силы — 1 килограмм-сила (кгс), давления — 1 кгс/см2, плотности — 1 г/л и т. п.

Наиболее распространенные внесистемные единицы и их связь с единицами системы СИ приведены в табл. 2.

Таблица 2. Соотношение между внесистемными единицами и единицами СИ

Пользуясь таблицей, легко перевести, например, давление, рав­ное 730 мм рт. ст., в единицы СИ: р = 730*133,3 = 97 309 Па « «0,097 МПа.

В дальнейшем в учебнике для характеристики температуры будут приняты внесистемные единицы С. Это вызвано тем обстоятельством* что образцовые средства измерения, находящиеся в обращении, имеют шкалы, отградуированные в этих единицах, и отечественная приборо­строительная промышленность пока не выпускает термометров, от­градуированных в кельвинах.

Погрешности измерений

Погрешностью измерительного прибора называют отклонение его показаний от действительного значения измеряемой величины, опре­деленного с известной более высокой точностью (ГОСТ 16263—70).

Для каждого средства измерения стандартами, техническими ус­ловиями и другими нормативными материалами устанавливаются нормальные условия применения, т. е. такие, при которых влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальных значений. К таким влияющим величинам относятся тем­пература и влажность окружающего воздуха, допустимые значения напряженности электрических и магнитных полей, колебания частоты и напряжения электропитания и т. п.

Погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях, называется основной. Дополнительная погрешность вызы­вается отклонением одной из влияющих величин от нормального зна­чения или выходом за пределы нормальной области значений.

Погрешности выражаются в виде абсолютных и относительных величин. Абсолютная погрешность средства измерения — разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины Абсолютная погрешность Дл: определяется по формуле

Дя = хп — х,

где хп — показания прибора; х — истинное (действительное) значение измеряемой величины.

Абсолютная погрешность выражается именованным числом и име­ет размерность измеряемой величины. Для практического применения в качестве меры точности прибора абсолютные погрешности неудобны. Действительно, если температура стали в мартеновской печи опреде­ляется с абсолютной погрешностью 5°С, то эта точность может счи­таться идеальной. Определение с этой же точностью температуры воз­духа в овощехранилище нельзя считать приемлемым.

Более сравнимые результаты при оценке погрешностей измере­ний дает использование относительной погрешности меры (измери­тельного прибора) 70ТН, которая, как правило, выражается в процен­тах и определяется по формуле

W=^- 100%.

Для оценки точности измерительных приборов широкое распро­странение получила приведенная погрешность у, которая опреде­ляется

где хк и хв — наибольшее и наименьшее значения измеряемой вели­чины, определяемые для прибора.

Требования к точности средств измерений обусловлены целями и задачами, для решения которых осуществляются измерения. Одно­временно повышение точности (уменьшение погрешности) средства измерения, как правило, связано с усложнением его конструкции и увеличением стоимости. Для оценки точности работы средств измере­ния, предназначенных для различных целей, в СССР установлены так называемые кЛассы точности измерительной аппаратуры.

Классом точности средства измерения называют его обобщенную характеристику, определяемую пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавлива­ются стандартами на отдельные виды средств измерений.

Для технических средств измерений установлен следующий ряд классов точности: 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Если температуру измеряют термометром с пределом измерений О-f - 100СС (*к-=- х„) и классом точности 2,5, то абсолютная погрешность измерений на любой точке не должна превышать 2,5°С. Эта величина называется пределом до­пускаемой погрешности. Если погрешность определяют при нормаль­ных условиях, то речь идет о пределе допускаемой основной погреш­ности.

Разность хк — хп называется нормирующим значением хнр. В тех случаях когда нулевое значение физической величины находится на краю диапазона измерения, как в рассмотренном примере, хнр = хИ, если нулевое значение измеряемой величины находится внутри диа­пазона измерений, то хнр будет равен сумме абсолютных значений верхнего и нижнего пределов измерений. Например, для термометра, измеряющего температуру наружного воздуха в пределах от минус 30 до плюс 50°С, хнр = |—30| + |50| = 80°С.

Класс точности устройства указывают в его аттестате и, как пра­вило, на корпусе или на шкале измерительного прибора. Изображе­ние класса точности |0,5| означает, что предел допускаемой основной погрешности выражен в процентах от измеряемой величины, в едини­цах которой отградуирована шкала, и равен =ь0,5%. Например, такое изображение характерно для амперметров, вольтметров и других электроизмерительных приборов. Изображение 0,5 показывает, что предел допускаемой основной погрешности выражен в процентах от нормирующего значения физической величины, на которую реагирует устройство. Такое обозначение может быть на шкале спидометра авто­мобиля, так как несмотря на то что его шкала отградуирована в ки­лометрах, на деле он представляет собой счетчик числа оборотов коле­са.

Возникновение погрешности измерения может быть обусловлено конструктивными недостатками измерительных приборов, несовер­шенством методов измерений, неправильной установкой прибора, а также ошибками отсчета, зависящими от вида отсчетного устройства и особенностей наблюдающего.

Погрешность измерения проявляется в двух видах — систематиче­ской и случайной. Для систематической погрешности характерна повторяемость при повторении экспериментов или известная ее зави­симость от значения измеряемой величины, условий измерений, наб­людателя. Для случайных погрешностей характерно отсутствие повто­ряемости и выявленных функциональных зависимостей. Как правило, по мере развития науки и техники подобных невыявленных зависи­мостей становится все меньше и все большая часть случайных погреш­ностей переводится в разряд систематических.

По характеру проявления систематические погрешности разделя­ются на постоянные и временные. К постоянным систематическим по­грешностям относятся погрешности, вызванные неточностью градуи­ровки прибора, дефектами отдельных его деталей, смещением указа­теля относительно шкалы прибора. Временные погрешности вызы­ваются колебаниями частоты и напряжения питания, изменением ус­ловий измерений и т. п.

Систематические погрешности уменьшают путем стабилизации ус­ловий измерений, например путем термостатирования или теплоизо­ляции аппаратуры, экранированием или заземлением. К систематиче­ским погрешностям относится также и вариация средств измерений, которая проявляется в разнице показаний прибора при повторных измерениях в одинаковых условиях действительного значения пос­тоянной величины, но при перемене направления подхода к действи­тельному значению. Например, показания пружинных весов для мас­сы 1 кг проверяют двумя способами: первый — весы нагружают мас­сой 1 кг (рис. 1, а), второй — нагруженные весы разгружают так, чтобы на них осталась гиря массой 1 кг (рис. 1, б). При нагрузке ве

сов пружина 1 сжимается и стрелочный указатель 3 перемещается к середине шкалы. При перемещении указателя в сочленениях 2 возни­кает сила трения FTр, направленная против воздействия массы, и указатель показывает массу, несколько меньшую установленной (за­нижение показаний). При разгрузке весов сила трения Frp приведет к завышению показаний. Вариацию пружинных весоь в точке шкалы, соответствующей массе 1 кг, определяют как разность показаний при первом и втором способах проверки. Вариаиию В определяют по фор­муле

В = . 100%,

Xff хн

где хп и хо — измеренные прибором действительные значения вели­чины при подходе к нему в прямом и обратном направлениях. Причи­ной вариации чаще всего является наличие сухого трения в движу­щихся частях кинематической схемы прибора.

Основным средством учета систематических погрешностей являет­ся периодическая проверка средств измерений и выявление поправок к результатам измерений.