Глава 2. основы метрологии и техники измерений

2 .1. Основные понятия и определения

Техники измерений

Первой функцией управления, подвергшейся авто­матизации, было измерение. Измерительный прибор с индикато­ром заменяет органы чувств человека, обеспечивает быстрые и достаточно точные измерения. К нему можно подключить реги­стрирующий прибор (РП), который записывает динамику изме­нения технологических параметров (рис. 8). Эти данные могут использоваться для анализа протекания технологического про­цесса (ТП), а диаграмма, записанная регистратором, служит от­четным документом. Функции оператора (О) при автоматической индикации сводятся к определению ошибки управления, а также реализации регулирующего воздействия.

Технические усовершенствования позволили перейти от авто­матической индикации к автоматическому контролю, при котором оператор получает информацию об отклонении технологических параметров от заданных значений. Система автоматического кон­троля кроме измерителя и индикатора содержит устройство срав­нения (УС) и задатчик (ЗД) — устройство, которое помнит значе­ние технологического параметра. Разделение функций между опе­ратором и системой контроля показано на рис. 9. Таким образом, задачей контроля является обнаружение событий, определяющих ход того или иного процесса. В случае когда эти события обнаружива­ются без участия человека, контроль называют автоматическим.

Важнейшей составной частью контроля является измерение фи­зических величин, характеризующих протекание процесса, кото­рые называют параметрами процесса.

Измерением называют нахождение значения физической ве­личины опытным путем с помощью специальных технических средств. Конечной целью любого измерения является получение количественной информации об измеряемой величине. В про­цессе измерения устанавливается, во сколько раз измеряемая фи­зическая величина больше или меньше однородной с нею в каче­ственном отношении физической величины, принятой за еди­ницу.

Если Q — измеряемая физическая величина, [Q] — некоторый размер физической величины, принятой за единицу измерения, q — числовое значение величины Q в принятой единице измере­ния, то результат измерения величины Q может быть представлен следующим равенством:

Q = q[Q]. (2.1)

Уравнение (2.1) называют основным уравнением измерения. Из него следует, что значение q зависит от [Q]. Чем меньше вы­бранная единица, тем больше для данной измеряемой величины будет числовое значение. Например, длина 1 м равна 10 дм, 100 см и т.д.

Результат всякого измерения является именованным числом. Поэтому для определенности написания результата измерения рядом с числовым значением измеряемой величины ставится со­кращенное обозначение принятой единицы измерения. В нашей стране в соответствии с ГОСТ 9867-61 с 1963 г. действует Между­народная система единиц измерения, которая сокращенно обо­значается СИ. Сведения о значениях измеряемых величин назы­вают измерительной информацией.

Сигналом измерительной информации называется сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной (например, сигнал от термометра сопротивления). Средством из­мерения называют устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Сигнал измерительной информации, поступающий на вход средства изме­рения, называют входным сигналом, получаемый на выходе — выходным сигналом средства измерений.

2.2. Измерительные преобразователи

И приборы

Измерительный преобразователь — это средство из­мерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего пре­образования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем (в практике автомати­зации СВВ часто применяется термин «датчик»). Преобразова­тель, к которому подведена измеряемая величина, т.е. первый элемент в измерительной цепи, называется первичным измери­тельным преобразователем (рис. 10). Например, электрод сигнализатора уровня, сужающее устройство (диафрагма) для измере­ния расхода и

т. п.

О — объект измерения; ПП — первичный преобразователь (датчик); ПрП — промежуточный преобразователь; ИП — измерительный прибор

В системах автоматического контроля применяют устройства для выдачи сигнала о выходе значения параметра за установленные пределы. Причем сигнал появляется при наличии самого факта выхода независимо от его размера. Такие устройства называют датчиками -реле или сигнализаторами.

Для удовлетворения возросших потребностей создана Госу­дарственная система промышленных приборов и средств автома­тизации (ГСП), представляющая собой организованную сово­купность средств измерений, автоматизации и управляющей вычислительной техники, а также программных средств, предна­значенных для построения автоматических систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления технологи­ческими процессами (ГОСТ 26.207-83 «ГСП. Основные положе­ния»). Номенклатура технических средств ГСП дает возможность создавать самые разнообразные, любой сложности системы автоматического регулирования и управления из стандартизованных средств измерения и средств автоматизации.

В зависимости от вида энергии питания, входных и выходных сигналов ГСП разделяют на электрическую, пневматическую и гидравлическую ветви. В СВВ применяют в основном средства первых двух ветвей ГСП, которыми предусмотрены общепро­мышленные унифицированные электрические и пневматические сигналы передачи информации.

Средство измерения, с помощью которого измерительная ин­формация выдается в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, называется измерительным прибором. В практике автоматизации для приборов, устанавливаемых на щитах, применяется термин «вторичный прибор», т. е. устройство, воспринимающее сигнал от первичного или передающего изме­рительного преобразователя и выражающее его в воспринима­емом виде с помощью отсчетного устройства (шкалы, диаграммы, интегратора и др.).

К первичным преобразователям также относят и отборные устройства. Отборным устройством (отбором) называют устрой­ство, устанавливаемое на трубопроводах и технологических агре­гатах и служащее для непрерывного или периодического отбора контролируемой среды и передачи значений ее параметров к из­мерительному преобразователю или измерительному прибору. В отличие от первичного измерительного преобразователя отбор­ное устройство передает к измерительному прибору или преобра­зователю измеряемую величину, не изменяя ее физической природы (например, отбор давления среды в аппарате и передача его по импульсной трубке для измерения к манометру). Импульсной трубкой называют трубопровод небольшого диаметра (обычно от 1/2 до 2"), связывающий объект с преобразователем или измери­тельным прибором.

Совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для обработки, передачи и (или) использования в АСР, называ­ется измерительной системой.

В показывающих приборах измерительная информация вос­производится положением стрелки или какого-либо другого указа­теля относительно отметок шкалы прибора. Шкала представляет собой совокупность отметок, расположенных вдоль какой-либо линии, и представленных около них чисел

отсчета, соответству­ющих ряду последовательных значений измеряемой величины.

Для каждого измерительного прибора устанавливается диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным ее значением.

Погрешности измерений

Любые теплотехнические измерения относительны, поскольку всегда существует положительная и отрицательная раз­ность между наблюдаемым или численным значением измеряемой величины и ее истинным значением, называемая погрешностью. Таким образом, погрешность — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешности измерения в зависимости от их происхождения разделяются на три группы: систематические, случайные и субъективные.

Систематические погрешности имеют постоянный характер и по причинам возникновения делятся: на инструментальные; от неправильной установки средств измерений; возникающие вслед­ствие внешних влияний; методические (теоретические).

Инструментальные погрешности являются следствием кон­структивных и технологических погрешностей, а также износа средств измерений.

Конструктивные погрешности вызваны несовершенством кон­струкции или неправильной технологией изготовления средств измерений. Плохая балансировка механизма, неточности при на­несении отметок шкалы, некачественная сборка прибора влияют на технологическую погрешность. Конструктивная погрешность приборов одного типа постоянна, технологическая — меняется от экземпляра к экземпляру. Длительная или неправильная эксплуа­тация прибора, а также длительное хранение приводят к погрешностям, которые называют погрешностями износа и старения.

Погрешности от неправильной установки могут быть вызваны: наклоном прибора, т.е. отклонением от нормального рабочего положения; установкой на ферромагнитный щит прибора, граду­ированного без щита; близким расположением приборов друг к другу. Погрешности, возникающие вследствие внешних влияний, зависят от вибрации, электромагнитных полей, конвекции воздуха и др.

Наиболее сильное воздействие на показания приборов оказы­вает изменение температуры окружающей среды. Даже незначи­тельные перепады температуры между отдельными элементами прибора приводят к заметным погрешностям вследствие, напри­мер, возникновения паразитных термоЭДС. Поэтому не рекомендуется устанавливать приборы вблизи источников тепла.

Методические погрешности возникают в результате несовер­шенства методов измерений и теоретических допущений (исполь­зование приближенной зависимости вместо точной). К таким погрешностям относятся, например, погрешности, обусловленные пренебрежением внутренним сопротивлением прибора, т.е. пренебрежением собственным потреблением электроэнергии.

Для исключения погрешности до начала измерений следует определить причину, вызывающую погрешность, и устранить ее. Например, если погрешность вызывается влиянием внешнего электромагнитного поля, то нужно либо экранировать прибор, либо удалить источник помехи. Для исключения температурной погрешности средство измерения термостатируют, вибрацию устраняют путем установки амортизаторов. В процессе измерения погрешность устраняют применением специальных методов изме­рения.

Случайные погрешности вызываются независящими друг от друга случайными факторами и изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Проявля­ются случайные погрешности в том, что при измерениях одной и той же неизменной величины одним и тем же средством измере­ния и с той же тщательностью получают различные показания. Следует отметить, что если при повторных измерениях одной и той же величины и тем же средством измерения получают совершенно одинаковые результаты, то это обычно указывает не на отсутствие случайной составляющей погрешности, а на недостаточную чувствительность средства измерения. Полностью совпадающие, как и сильно разнящиеся, результаты наблюдений при измерениях одинаково свидетельствуют об их неточности. Случайные по­грешности могут возникнуть, например, из-за трения в опорах, люфтов в сочленениях кинематической схемы прибора, непра­вильного режима работы электронных устройств и по многим другим, трудно объяснимым причинам. Знак случайных погреш­ностей выражается в виде ⁺_- .

Субъективные погрешности (промахи) — это погрешности, вы­званные ошибками лица, производящего измерение (например, неправильный отсчет по шкале прибора, неверное подключение проводов к датчику и др.).

Погрешности измерений устанавливаются при поверке — определении метрологическим органом погрешностей средств из­мерений и установления пригодности их к применению (приме­нять сочетание слов «поверка показаний» не рекомендуется, сле­дует говорить «поверка средств измерений»). Слово «проверка»

применяется для установления комплектности или оценки состо­яния взаимодействия элементов. Зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерения, составленная в виде таблицы, графика или формулы, называется градуировочной характеристикой, определение которой называется градуировкой средств измерения (термин «тарировка» устарел, и применять его не рекомендуется).

Различают абсолютные и относительные погрешности измере­ния. Абсолютная погрешность — это разность между измеренным X и истинным Хи значениями измерений, которая выражается в еди­ницах измеряемой величины:

=Х-Х_И. (2.2)

Поскольку истинное значение измеряемой величины определить невозможно, на практике используют действительное значение измеряемой величины Х_Д которое находят экспериментально по показаниям образцовых средств измерений. Таким образом, аб­солютную погрешность находят по формуле

= Х-Х_а. (2.3)

Относительная погрешность 8 — это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины, выраженное в процентах:

= ±( / X_И) 100 =±( /Х_Д) 100 (2.4)

Абсолютная погрешность измерительного прибора п — это раз­ность между показанием Хп прибора и истинным значением из­меряемой величины. Поскольку, как указывалось выше, истин­ное значение величины остается неизвестным, на практике вместо него пользуются действительным значением величины Х_Д отсчи­танным по образцовому прибору. Таким образом,

_П=Х_П-Х_Д (2.5)

Относительная погрешность измерительного прибора _П —это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой величины. Относитель­ную погрешность 8П выражают в процентах:

= ±( _п/ Х_Д)100 (2.6)

Приведенная погрешность измерительного прибора _n— это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению (обычно выражается в процентах):

_n = ±( _п/ Х_N)100 (2.7)

Нормирующее значение Х_N — условно принятое значение, которое может быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др. Как правило, за нормирующее значение принимаются: конечное значение диапазона измерений (для приборов, имеющих нулевую отметку на краю шкалы); арифметическая сумма конечных значений диапазона измерений (для приборов, имеющих двустороннюю шкалу, т.е. нулевую отметку в середине шкалы); например, для термометра со шкалой от -50 до +50 °С величина Х_N будет определяться суммой 50 + 50 = 100; разность конечного и начального значений I диапазона измерений для приборов со шкалами без нуля (так называемые шкалы с «подавленным нулем»); например, для прибора со шкалой 30—160 °С величина Х_N будет определяться разностью 160 - 30 = 130.

Абсолютная и относительная погрешности в соответствии с выражениями (2.5)—(2.7) связаны с приведенной следующими соотношениями:

На показания приборов оказывают значительное влияние внешние факторы, называемые влияющими величинами. Область значений влияющей величины, устанавливаемая в стандартах или технических условиях на средства измерения данного вида в качестве нормальной для этих средств измерений, называется нормальной областью значений. При нормальном значении влияющей величины погрешность средств измерений минимальна. Условия применения средств измерений, при которых влияющие величины (температура и влажность окружающей среды, характер вибрации, напряжение питания, величина внешнего магнитного и электрического поля и т.д.) находятся в пределах нормальной области значений, называются нормальными условиями применения средств измерений. Нормальные условия указываются в технических условиях заводов — изготовителей приборов.