Автоматизация технологических процессов и производств. Общие сведения о технических измерениях. Раздел 2

Август 12, 2022

Главная
Разное
Автоматизация технологических процессов и производств. Общие сведения о технических измерениях. Раздел 2

Содержание

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ Раздел 2
3. 1. Измеряемые величины Величина – это количественная оценка какого-либо свойства объекта. Величины могут быть реальные и
4. Физические величины (ФВ) могут быть разделены на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно
5. ФВ также делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные. В настоящее время в
6. 2. Виды измерений Измерение – совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной
7. Получившееся в результате измерения значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой
8. Основными понятиями теории измерений являются принцип измерений, вид измерений и метод измерений. Принцип измерений – физическое
9. Измерения могут быть сгруппированы по разным признакам. а) Например, по характеру изменения измеряемой величины они делятся
10. б) В зависимости от способа получения результата измерения можно выделить следующие группы. Прямые измерения, при которых
11. Совместные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких разнородных величин для нахождения зависимости между ними. Совокупные
12. 3. Методы измерений Методы измерения делятся на три группы: метод непосредственной оценки и два метода сравнения
15. На рисунке показаны примеры методов измерений.
16. 4. Средства измерений, их классификация В соответствии с Законом об обеспечении единства измерений, средство измерения –
17. Мера ФВ – СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ одного или нескольких заданных размеров,
18. Измерительный преобразователь – СИ, служащее для преобразования измеряемой величины в другую физическую величину или измерительный сигнал,
19. Основным отличием датчика от измерительного преобразователя является именно конструктивная обособленность, т.е. датчик имеет отдельный корпус, может
20. По выполняемым функциям приборы бывают четырех типов. Показывающий ИП допускает только отсчет показаний, регистрирующий обеспечивает запись
21. 5. Метрологические характеристики СИ Метрологическая характеристика (MX) средства измерения – это характеристика, влияющая на результат измерений
22. Статическая характеристика (СХ) – это функциональная зависимость выходной величины y от входной x в статическом режиме.
23. Важным параметром СИ является его чувствительность. Чувствительность СИ – это свойство, определяемое отношением изменения выходного сигнала
24. В любом средстве измерения существует некоторое наименьшее значение изменения измеряемой величины, начиная с которого может осуществляться
25. Динамическая характеристика СИ – это зависимость выходного сигнала от входного в динамическом режиме (в этом режиме
27. Динамические характеристики СИ
29. Цена деления шкалы C однозначно связана с числом делений n шкалы и чувствительностью S: Значение измеряемой
30. 6. Государственная система приборов и средств автоматизации На ранних этапах создания средств автоматики в различных организациях
31. По функциональным признакам средства ГСП можно разделить на следующие группы в соответствии с их назначением в
32. Группа 1 представляет устройства получения нормированной информации о состоянии технологического процесса (датчики) и включает в себя
33. Естественным сигналом называется сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения которого определяются его физическими свойствами
34. Вид носителя информации и диапазон изменения унифицированного сигнала не зависят от измеряемой величины и метода измерения.
35. В группу 2 входят средства передачи, ввода и (или) вывода информации, например: 1) преобразователи (шифраторы) информации
36. Группа З содержит средства преобразования, обработки и хранения информации. Она является наиболее сложной по выполняемым функциям
37. По роду энергии, используемой для передачи информации, изделия ГСП подразделяются на ветви: 1) электрическая – устройства
38. 7. Измерительные схемы Схемы включения датчиков, чаще называемые измерительными схемами, предназначены для преобразования выходной величины датчика
39. Наиболее часто используются мостовые схемы, уравновешенные и неуравновешенные. Они могут работать в комплекте со всеми датчиками,
40. Точки соединения сопротивлений (a, b, c, d) называются вершинами моста, а сами сопротивления – плечами. Противоположные
41. Измерение мостовой схемой основано на ее способности находиться в состоянии равновесия. Это такое состояние, при котором
42. При измерении вместо одного из постоянных резисторов, например, R4, включается датчик, например, терморезистор. Остальные резисторы рассчитываются
43. Вторым режимом работы мостовой схемы является уравновешенный режим. В уравновешенных мостах, кроме датчика, должен быть еще
44. Дифференциальная схема включения датчиков строится с использованием специального трансформатора, питаемого от сети переменного тока, вторичная обмотка
45. Компенсационная схема включения датчиков считается самой точной из всех рассмотренных. Работа ее основана на компенсации выходного
46. 7. Метрологическое обеспечение Никакие измерения невозможны без метрологического обеспечения (МО): это установление и применение научных и
47. СИ, применяемые в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений (ГРОЕИ), подвергаются обязательной периодической поверке. Поверка средства
49. Скачать презентацию

Слайд 2

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ
Раздел 2

Слайд 3

1. Измеряемые величины
Величина – это количественная оценка какого-либо свойства объекта. Величины

могут быть реальные и идеальные.
Идеальные величины – это математические понятия, они вычисляются тем или иным способом.
Реальные величины делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных и технических науках.
К нефизическим следует отнести величины, присущие в основном общественным наукам (социологические, экономические величины и т.п.), редко в технических (показатели надёжности и отказоустойчивости приборов, количество информации в битах и т.п.)

Слайд 4

Физические величины (ФВ) могут быть разделены на измеряемые и оцениваемые.
Измеряемые ФВ

могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Это является важным отличительным признаком измеряемых ФВ.
Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оцениванием в таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа некоторой условной шкалы, называемой шкалой порядка.

Слайд 5

ФВ также делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и

дополнительные.
В настоящее время в системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества.
К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы.
По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т.е. имеющие размерность, и безразмерные (например, число Рейнольдса).

Слайд 6

2. Виды измерений
Измерение – совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой)

величины к другой однородной величине, условно принятой всеми участниками за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений).
Измерение физической величины проводится опытным путём с помощью средств измерений. При этом на всех участников процесса измерения (объект измерения, средство измерения и человек) воздействуют влияющие физические величины – различные внешние факторы, поэтому результат измерения всегда будет отличаться от измеряемой величины на значение погрешности измерения.

Слайд 7

Получившееся в результате измерения значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое

значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины.

Слайд 8

Основными понятиями теории измерений являются принцип измерений, вид измерений и метод

измерений.
Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенный в основу измерений, например, изменение сопротивления металлов при нагревании.
Вид измерений – область измерений, выделяемая по какому-либо классифицирующему признаку.
Метод измерений – приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализуемым принципом измерений.

Слайд 9

Измерения могут быть сгруппированы по разным признакам.
а) Например, по характеру

изменения измеряемой величины они делятся на статические и динамические. Статическими называют измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной в процессе измерения.
Динамическими называют измерения, при которых измеряемая величина в процессе измерения изменяется.

Слайд 10

б) В зависимости от способа получения результата измерения можно выделить следующие

группы.
Прямые измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных, отсчитывая его по шкале СИ (самый распространенный способ).
Косвенные измерения, при которых измеряют не саму искомую величину, а другие, связанные с искомой известной функциональной зависимостью.

Слайд 11

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких разнородных величин для

нахождения зависимости между ними.
Совокупные измерения – это производимые одновременно прямые измерения нескольких одноименных величин в различных сочетаниях. Искомые значения этих величин находят решением полученной системы уравнений.

Слайд 12

3. Методы измерений
Методы измерения делятся на три группы: метод непосредственной оценки

и два метода сравнения с мерой – дифференциальный и нулевой.
Метод непосредственной оценки (МНО) – метод, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Этот метод наиболее прост, но точность измерения невысока из-за воздействия влияющих величин и погрешностей градуировки приборов. Наиболее многочисленной группой СИ, реализующих МНО, являются показывающие приборы.

Слайд 13

Слайд 14

Слайд 15

На рисунке показаны примеры методов измерений.

Слайд 16

4. Средства измерений, их классификация
В соответствии с Законом об обеспечении единства

измерений, средство измерения – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
По техническому назначению СИ делятся на несколько групп, базовыми из которых являются меры, измерительные преобразователи и измерительные приборы. Остальные группы собираются, как конструктор, из этих базовых элементов.

Слайд 17

Мера ФВ – СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ

одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.
Однозначная мера – это мера, воспроизводящая ФВ одного размера (например, гиря).
Многозначная мера воспроизводит ФВ разных размеров (например, штриховая мера длины).
Набор мер – это комплект мер разного размера одной и той же ФВ, предназначенный для применения как в отдельности, так и в различных сочетаниях.
Магазин мер конструктивно объединен в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях.

Слайд 18

Измерительный преобразователь – СИ, служащее для преобразования измеряемой величины в другую

физическую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Информация с выхода измерительного преобразователя недоступна для восприятия наблюдателем. Он используется совместно с каким-либо средством измерения.
Часто в качестве синонима используется термин датчик — это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы

Слайд 19

Основным отличием датчика от измерительного преобразователя является именно конструктивная обособленность, т.е.

датчик имеет отдельный корпус, может быть удален от измерительной аппаратуры, на которой отображаются результаты измерения, на некоторое расстояние, передавая при этом сигнал об измеряемом параметре по измерительной цепи.
Измерительный прибор – СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Таким образом, основное отличие прибора от измерительного преобразователя – это наличие шкалы.

Слайд 20

По выполняемым функциям приборы бывают четырех типов.
Показывающий ИП допускает только отсчет

показаний, регистрирующий обеспечивает запись показаний на диаграмму или печать значений в графической или цифровой форме. Сигнализирующий ИП подает световой или звуковой сигнал при достижении измеряемой величиной определенного значения, а интегрирующий суммирует показания за определенный промежуток времени.
По виду выходного сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. У аналогового ИП показания являются непрерывной функцией измеряемой величины, а у цифрового ИП выходной сигнал дискретный.

Слайд 21

5. Метрологические характеристики СИ
Метрологическая характеристика (MX) средства измерения – это характеристика,

влияющая на результат измерений и на его погрешность.
Для каждого типа СИ устанавливаются свои МХ, устанавливаемые в нормативно-технической документации (НТД) на данное СИ. Они называются нормируемыми MX, а определяемые экспериментально – действительными МХ.
В качестве нормируемых МХ обычно используется усредненная характеристика преобразования.
Действительные МХ СИ определяют при изготовлении СИ и периодически проверяют в процессе эксплуатации.

Слайд 22

Статическая характеристика (СХ) – это функциональная зависимость выходной величины y от

входной x в статическом режиме. При этом режиме входные и выходные величины СИ не изменяются во времени.
Для измерительных преобразователей и измерительных приборов с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц измеряемой величины, СХ называется также функцией преобразования, а для остальных измерительных приборов – характеристикой шкалы.

Слайд 23

Важным параметром СИ является его чувствительность. Чувствительность СИ – это свойство,

определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.
Характеристикой чувствительности является угол наклона статической характеристики к оси абсцисс (для линейных СХ) или касательной к этой характеристике в точке отсчёта (для нелинейных СХ), которые численно равны ей.
Если СХ линейна, то чувствительность СИ постоянна во всем диапазоне. Если же нет, то можно говорить о чувствительности в конкретной точке СХ.

Слайд 24

В любом средстве измерения существует некоторое наименьшее значение изменения измеряемой величины,

начиная с которого может осуществляться ее измерение. Оно называется порог чувствительности СИ и выражается в единицах измеряемой величины.

Слайд 25

Динамическая характеристика СИ – это зависимость выходного сигнала от входного в

динамическом режиме (в этом режиме входные и выходные величины изменяются во времени). Динамический (неустановившийся, или переходный) режим – переход СИ из одного установившегося режима в другой.
Так как практически все СИ имеют в своём составе инерционные элементы, то при мгновенном изменении входного сигнала выходной сигнал изменяется с запаздыванием по определённому закону (кривые разгона). Закон изменения этих характеристик различный.
Динамические характеристики описываются различными способами, чаще всего - переходной функцией. Так называется реакция устройства на ступенчатое изменение измеряемой величины.

Слайд 26

Слайд 27

Динамические характеристики СИ

Слайд 28

Слайд 29

Цена деления шкалы C однозначно связана с числом делений n шкалы

и чувствительностью S:
Значение измеряемой величины должно быть отсчитано по шкале с погрешностью в половину деления.

Слайд 30

6. Государственная система приборов и средств автоматизации
На ранних этапах создания средств

автоматики в различных организациях и на предприятиях разрабатывалось множество различных приборов измерения и контроля со сходными техническими характеристиками, однако при этом не учитывалась возможность совместной работы приборов различных производителей. Поэтому в 1960 г. было принято решение о создании Государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП).
В настоящее время все разрабатываемые средства измерения и технические средства автоматизации должны удовлетворять требованиям ГОСТ Р 52931-2008

Слайд 31

По функциональным признакам средства ГСП можно разделить на следующие группы в

соответствии с их назначением в автоматизированных системах:
устройства получения информации;
устройства передачи, ввода и (или) вывода информации;
устройства преобразования, обработки и хранения информации.

Слайд 32

Группа 1 представляет устройства получения нормированной информации о состоянии технологического процесса

(датчики) и включает в себя первичные измерительные преобразователи с естественным выходным сигналом и вторичные нормирующие преобразователи с унифицированным выходным сигналом.

Слайд 33

Естественным сигналом называется сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения

которого определяются его физическими свойствами и диапазоном изменения измеряемой величины.
Используется 10 естественных сигналов: линейное перемещение; угловое перемещение; усилие; интервал времени; частота; постоянное напряжение; переменное напряжение; электрическая емкость; активное сопротивление; комплексное сопротивление.

Слайд 34

Вид носителя информации и диапазон изменения унифицированного сигнала не зависят от

измеряемой величины и метода измерения. Просто в каждом конкретном случае меняется «стоимость», или вес единицы величины унифицированного сигнала. Обычно унифицированный сигнал получают из естественного с помощью встроенных или внешних нормирующих преобразователей (НП).
Основные виды унифицированных аналоговых сигналов: постоянный ток; постоянное напряжение; переменное напряжение; частота переменного напряжения; давление воздуха.

Слайд 35

В группу 2 входят средства передачи, ввода и (или) вывода информации,

например:
1) преобразователи (шифраторы) информации и команд управления, обеспечивающие высокую помехоустойчивость при передаче сигналов на большие расстояния;
2) каналы связи;
3) преобразователи (дешифраторы) информации и команд управления.

Слайд 36

Группа З содержит средства преобразования, обработки и хранения информации. Она является

наиболее сложной по выполняемым функциям и включает в себя:
1) анализаторы и распределители сигналов;
2) показывающие и регистрирующие приборы;
3) регуляторы;
4) устройства памяти, вычислительные, функциональные и логические блоки;
5) устройства вспомогательной информации (задатчики и т.д.);
6) контроллеры и другие устройства.

Слайд 37

По роду энергии, используемой для передачи информации, изделия ГСП подразделяются на

ветви:
1) электрическая – устройства обладают высокой точностью, быстродействием, обеспечивают большую дальность и емкость каналов передачи информации;
2) пневматическая – устройства характеризуются безопасностью работы в легковоспламеняющихся и взрывоопасных средах;
3) гидравлическая – устройства обеспечивают точные перемещения исполнительных органов и большие перестановочные усилия;
4) использующие другие виды энергии носителя сигналов;
5) комбинированные;
6) без дополнительного источника энергии (например, регуляторы прямого действия).

Слайд 38

7. Измерительные схемы
Схемы включения датчиков, чаще называемые измерительными схемами, предназначены для

преобразования выходной величины датчика в более удобную для её последующего использования величину. Это, как правило, электрический ток или изменение напряжения, которые можно либо непосредственно определить с помощью электроизмерительного прибора, либо, предварительно усилив, подать на соответствующее исполнительное или регистрирующее устройство.

Слайд 39

Наиболее часто используются мостовые схемы, уравновешенные и неуравновешенные.
Они могут работать в

комплекте со всеми датчиками, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение сопротивления. Мостовая схема, или мост Уитстона, представляет собой как минимум 4 сопротивления, соединенных в замкнутую структуру.

Слайд 40

Точки соединения сопротивлений (a, b, c, d) называются вершинами моста, а

сами сопротивления – плечами. Противоположные вершины образуют так называемые диагонали моста. Диагональ ab называется диагональю питания (к ней подключается источник питания), а диагональ cd – измерительной диагональю, в нее включается измерительный прибор, например, амперметр. Надо сказать, что это деление условное, источник питания и амперметр можно поменять местами.
Плечи моста, имеющие общую вершину, называются смежными, а не имеющие – противоположными.

Слайд 41

Измерение мостовой схемой основано на ее способности находиться в состоянии равновесия.

Это такое состояние, при котором напряжение на измерительной диагонали моста равно нулю при ненулевом значении напряжения питания.
Оно имеет место при определенном соотношении сопротивлений плеч моста, а именно R4*R3 = R1*R2, т.е. когда произведения сопротивлений противоположных плеч равны между собой.

Слайд 42

При измерении вместо одного из постоянных резисторов, например, R4, включается датчик,

например, терморезистор. Остальные резисторы рассчитываются таким образом, чтобы мост находился в равновесии при начальном сопротивлении датчика R0. При изменении температуры сопротивление терморезистора будет возрастать, в результате чего мост выйдет из равновесия и на измерительной диагонали появится напряжение, пропорциональное изменению Rt.
Такой режим работы мостовой схемы называется неуравновешенным. Равновесие в нем возможно при одном значении сопротивления датчика, как правило, начальном.

Слайд 43

Вторым режимом работы мостовой схемы является уравновешенный режим. В уравновешенных мостах,

кроме датчика, должен быть еще один переменный резистор, с помощью которого мост возвращается в равновесное состояние после выхода из равновесия. Обычно этот резистор выполняется в виде снабженного шкалой реохорда, включаемого в смежные плечи мостовой схемы. Мост настраивается таким образом, чтобы при начальном сопротивлении датчика движок реохорда находился в крайнем положении. При изменении сопротивления датчика и выходе мостовой схемы из равновесия это состояние может быть восстановлено за счет перемещения движка реохорда. Об этом будет свидетельствовать нулевое значение напряжения на измерительной диагонали. Отсчет измеряемого сопротивления производится по положению движка реохорда.

Слайд 44

Дифференциальная схема включения датчиков строится с использованием специального трансформатора, питаемого от

сети переменного тока, вторичная обмотка которого разделена на две одинаковые части. В этой схеме образуются два смежных контура электрической цепи, по каждому из которых протекает свой контурный ток I1 и I2. Значение тока в измерительном приборе определяется разностью этих токов, и при равенстве сопротивлений датчика Rx и сравнительного резистора R0 ток в измерительном приборе будет отсутствовать. При изменении сопротивления датчика по измерительному прибору потечет ток, пропорциональный этому изменению, а фаза этого тока будет зависеть от характера изменения этого сопротивления (увеличения или уменьшения).

Слайд 45

Компенсационная схема включения датчиков считается самой точной из всех рассмотренных. Работа

ее основана на компенсации выходного напряжения или э.д.с. датчика равным ему падением напряжения на измерительном реохорде. Под действием приложенного напряжения U по измерительному реохорду протекает ток, который вызывает падение напряжения U1 на левом участке реохорда. В случае равенства этого напряжения и э.д.с. термопары Ех ток через измерительный прибор будет отсутствовать. Если значение э.д.с. термопары изменяется, необходимо с помощью движка реохорда снова добиться отсутствия этого тока, т.е. компенсации. Здесь, как и в равновесной мостовой схеме, величина измеряемого параметра, в нашем случае – температуры (э.д.с. термопары) определяется по шкале реохорда, а перемещение его движка выполняется, чаще всего, также с помощью специального электродвигателя.

Слайд 46

7. Метрологическое обеспечение
Никакие измерения невозможны без метрологического обеспечения (МО): это установление

и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
Научной основой МО является метрология (μετρό (измерение, мера) + λόγόξ (учение, слово)) – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Организационной основой МО является метрологическая служба (МС), функцией которой является обеспечение условий, необходимых для соблюдения установленных метрологических правил, требований и норм.

Слайд 47

СИ, применяемые в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений (ГРОЕИ), подвергаются

обязательной периодической поверке.
Поверка средства измерений – это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям. При поверке подвергается исследованию вся совокупность метрологических характеристик СИ, проверяется ход подвижных элементов, проводится внешний осмотр и т.д.