1. Основные понятия и определения теории автоматического управле ния
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
Основные виды унифицированных входных сигналов ГСП. Вид сигнала Физическая величина Параметры сигнала Электрический Постоянный ток 0-5, 0-20, -5-0-5, 4-20 мА Постоянное напряжение 0-10, 0-20 –10-0-10 мВ; 0-10, 0-1 –1-0-1 В Переменное напряжение 0-2, -1-0-1 В Частота 2-8, 2-4 кГц Пневматический Давление 0,2-1 кгс/см*см Гидравлический » 0,1-6,4 МПа Связь электрических, пневматических и гидравлических устройств осуществляется с помощью соответствующих преобразователей сигналов. Этим обеспечивается создание комбинированных средств ГСП. Средства ГСП строятся из блоков и модулей. Блочно-модульный принцип построения средств ГСП обеспечивает возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более простых унифицированных блоков и модулей путем их наращивания и стыковки. Это позволяет создавать новые СИ и автоматизации из уже существующего набора узлов и блоков, что дает существенный экономический эффект. ИУ и системы составляют самую многочисленную группу изделий ГСП, составляющую более половины номенклатуры промышленных изделий ГСП. Они обеспечивают получение измерительной информации о физических величинах (параметрах), характеризующих технологические процессы, свойства и качество продукции. Классификация ИУ ГСП, учитывающая вид входных и выходных сигналов, приведена на рисунке. Под «естественным» входным сигналом в приведенной классификации понимают выходную физическую величину первичного ИП, полученную однократным простым («естественным») преобразованием измеряемой величины и не соответствующую по параметрам унифицированным сигналам. При этом под простым преобразованием понимают только преобразование, используемым для измерения физическим явлением. Несмотря на большое разнообразие величин, виды естественных выходных сигналов ГСП удается ограничить десятью, приведенными на рисунке. Техническая основа ГСП. Для преобразования естественного выходного сигнала в унифицированный в ГСП используются нормирующие преобразователи. В ГСП, несмотря на значительное разнообразие измеряемых величин и используемых для этого принципов измерений, применяются четыре структурные схемы измерительных устройств, а именно: схема прямого однократного преобразования, схема управляющего преобразования (часто называется компенсационной), схема последовательного прямого преобразования, схема прямого дифференциального преобразования. Нормирование метрологических характеристик СИ ГСП осуществляется по группам, выделенным в зависимости от функционального назначения. Средства ГСП, служащие для технологических измерений, в основном являются аналоговыми и имеют малую случайную составляющую погрешности. Поэтому из метрологические характеристики формируются комплексами, включающими обычно: номинальную функцию преобразования, предел допускаемой основной погрешности, предел допускаемой вариации, динамическую характеристику, номинальное значение входного импеданса, номинальное значение выходного импеданса (для измерительных преобразователей), предел допускаемой дополнительной погрешности (для некоторых измерительных приборов). В ГСП предусмотрено несколько видов конструктивного исполнения СИ: нормальное (обычное), пыле-, брызг о- и взрывозащитное. Измерительные устройства ГСП Измерительные приборы Измерительные преобразователи С естественным входным сигналом С унифицированным входным сигналом С унифицированным выходным сигналом С дискретным (контактным) выходным сигналом Естественные выходные сигналы Переме- щение Угол поворота Усилие Интерва- лы времени П ос то ян но е на пр яж ен ие П ер ем ен но е на пр яж ен ие А кт ив но е со пр от ив ле ни е Ко м пл ек сн ое со пр от ив ле ни е Э ле кт ри че ск ая ем ко ст ь Ч ас то та Нормирующие преобразователи Унифицированные сигналы Рисунок. Классификация СИ ГСП по входным и выходным сигналам. Структурные схемы СИ. Измерительные устройства состоят из некоторого числа элементов (составных частей), предназначенных для выполнения таких, функций, как: преобразование поступающего сигнала по форме или виду энергии, успокоение колебаний, защита от помехонесущих полей, коммутация цепей, представление информации и т.п. к элементам измерительных устройств относят: опоры, направляющие, пружины, магниты, контакты, множительно-передаточные механизмы и т.п. Основные составные части: Преобразовательный элемент – элемент СИ, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины; Измерительная цепь – совокупность преобразовательных элементов Си, обеспечивающая осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации; Чувствительный элемент – первый в измерительной цепи преобразовательный элемент, находящийся под непосредственны воздействием измеряемой величины; Измерительный механизм – часть конструкции Си, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает из взаимное перемещение Отсчетное устройство – часть конструкции Си, предназначенное для регистрации показаний. Регистрирующее устройство – часть регистрирующего измерительного прибора, предназначенная для регистрации показаний. На рисунке ниже приведены схемы измерительных устройств прямого действия (прямого преобразования) и сравнения (уравновешивающего или компенсационного преобразования). Структурные схемы СИ прямого действия. Структурные схемы СИ сравнения. Работа этих типов приборов. На первом рисунке измеряемая физическая величина Х поступает в чувствительный элемент 1, где преобразуется в другую величину, удобную для дальнейшего использования (ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и поступает на промежуточный преобразовательный элемент 2, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме. (Элемент 2 может отсутствовать). Выходной сигнал элемента 2 поступает к 1 4 3 2 X Y 1 1 7 2 X Y 1 4 3 2 5 6 Z+ X Y Zур - 1 2 5 6 7 Z+ X Y Zур - измерительному механизму 3, перемещение элементов которого определяется с помощью отсчетного устройства 4. Выходной сигнал Y (показание), формируемый измерительным прибором, может быть воспринят органами чувств человека. Показаниями называют значение величины, определяемое по счетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины. Отсчетное устройство представляет собой цифровое табло или, в подавляющем большинстве случаев, шкалу с указателем. Для шкальных от счетных устройств принято использовать ряд понятий, сущность большинства, из которых легко установить по рисунку ниже. Схема измерительного прибора, основанного на методе уравновешивающего преобразования, показана на 3-м рисунке выше. Отличительной особенностью таких приборов является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента, поступает на преобразовательный элемент 5, который способен осуществлять сравнение двух величин (элемент сравнения, ком парирующий элемент), поступающих на его вход. Кроме величины Z на выход элемента 5 подается величина с противоположным знаком Zур (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значения величин Z и Zур. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительный механизм 3 и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного преобразовательного элемента 2 при каждом значении измеряемого параметра и соответствующем ему значении Z разность Z-Zур, поступающая на вход элемента 5, может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине. На остальных рисунках приведены структурные схемы измерительных преобразователей, основанных соответственно на методах прямого и уравновешивающего преобразователя. В этих схемах отсутствует измерительный механизм и отсчетное устройство. Этим определяется тот факт, что сигнал измерительных преобразователей имеет форму, недоступную для восприятия человеком. В то же время в составе измерительных преобразователей, как правило, имеется оконченный преобразовательный элемент 7, который формирует выходной сигнал (усиливает его по мощности, преобразует в частоту колебаний и т.д.) таким образом, что его можно передавать на расстояние, хранить и обрабатывать. 100 120 140 160 180 200 Указатель Начальное значение шкалы Нижний предел измерения Отметка шкалы Деление шкалы Числовая отметка шкалы Верхний предел измерения Конечное значение шкалы Длтнна деления шкалы Диапазон измерений Диапазон показаний 6. Диагностика химико-технологического процесса: методы и средства диагностики. 6.1. Технические средства САР и их классификация по функциональному назначению. 6.1.1. Основные виды средств измерения. 6.1.2. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). 6.1.1. Основные виды средств измерения. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И ИХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики, называется средством измерений. Под нормированием понимается установление границ на допускаемые отклонения реальных метрологических характеристик средств измерений от их номинальных значений. Реальные метрологические характеристики определяются при изготовлении средств измерений. Средство измерений, служащее для поверки по нему других средств измерений и утвержденное в качестве образцового, называется образцовым средством измерений. Основными видами средств измерений являются мера, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы (ГОСТ 16263—70). Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гиря есть мера массы). К мерам относятся также стандартные образцы и образцовые вещества, которые представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества строго регламентированного содержания. Одно из свойств этих веществ при определенных условиях является известной величиной. Например, образцы твердости, образцовые вещества КС1, NaCl в др. Измерительный преобразователь — средство измерений, предназначенное для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающееся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи подразделяются следующим образом: первичный измерительный преобразователь — воспринимает непосредственно измеряемую величину, т. е. находится первым в измерительной цепи (например, термоэлектрический преобразователь температуры, термо- преобразователь сопротивления, сужающее устройство расходомера "и т.д.); промежуточный измерительный, преобразователь— занимает в измерительной цепи место после первичного (например, усилитель и выпрямитель); передающий измерительный преобразователь, который предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (оператором). Различают образцовые и рабочие измерительные приборы. Образцовые измерительные приборы служат для воспроизведения и хранения единиц измерения, а также для градуировки и поверки рабочих измерительных приборов. Рабочие измерительные приборы предназначены для прямого или косвенного измерения физических величин в производственных условиях. По форме представления результатов измерений приборы делятся на аналоговые, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины, и цифровые, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме. По способу представления результатов измерения приборы бывают показывающими или регистрирующими. Показывающие приборы обеспечивают визуальное отсчитывание показаний, регистрирующие осуществляют автоматическую регистрацию измеряемой величины. Приборы, в которых регистрация производится в форме графика или ряда символов на непрерывно движущейся ленточной или круговой диаграммной ленте, называются самопишущими. У большинства измерительных приборов отсчетные устройства выполнены в виде шкалы и указателя. Шкала представляет собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряДу последовательных значений величины. Промежуток между осями двух смежных отметок называется делением шкалы. Цена деления шкалы — это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Кроме названных выше средств измерений в настоящее время находят применение измерительные установки и измерительные системы. Измерительная установка представляет собой совокупность функционально объединенных и расположенных в одном месте средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназ- наченных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительная система —это совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. Она предназначена для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и(или) использования в автоматических системах управления. Все средства измерений имеют метрологические характери-^ стики, по которым определяют результаты измерений и осуществляют расчетную оценку инструментальной составляющей погрешности измерений. Кроме того, их используют в качестве контролируемых характеристик при поверке средств измерений на соответствие установленным нормам. Перечень метрологических характеристик приведен в ГОСТ 8.009—84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Важнейшей метрологической характеристикой средств измерений является погрешность. Абсолютная погрешность измерительного прибора — разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины, которое определяют с помощью образцового измерительного прибора: где Ах„ — абсолютная погрешность измерительного прибора; х П — показания прибора; х я — действительное значение измеряемой величины. Точность измерительных приборов оценивают относительной погрешностью (в %), используя следующую формулу: Относительная погрешность обращается в бесконечность в нулевой точке диапазона шкалы. Поэтому в этом случае пользуются понятием приведенной погрешности. Приведенная погрешность измерительного прибора—отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению, которое может быть равно верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др. Приведенную погрешность обычно выражают в процентах: где v — приведенная погрешность; Ах а — абсолютная погрешность измери- тельного прибора; Xn — нормирующее значение. В качестве нормирующего значения выбирают диапазон измерений, верхний предел измерений или длину шкалы прибора. Кроме вышеназванных погрешностей средства измерений характеризуются основными и дополнительными погрешностями. Так, основная погрешность — это погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях. Под нормальными условиями понимают условия, при которых влияющие величины (температура окружающего воздуха, относительная влажность и т. д.) имеют нормальные значения или находятся в допустимых пределах. Для средств измерений нормальными условиями применения считаются, например, температура окружающей среды 20±5°С; относительная влажность 80±5%; напряжение питания 220 В с частотой 50 Гц и т. д. Погрешность средства измерений, обусловленная отклонением одной из влияющих на измерение величин от нормального значения (например, отклонение от нормального значения температуры и влажности окружающей среды, колебаний напряжения и частоты электрического тока и т. д.), называется дополнительной погрешностью. Следовательно, дополнительная погрешность является функцией влияющих величин, которая для конкретного экземпляра средства измерений имеет определенные вид и значения параметров. В соответствии с ГОСТ 8.009—84 погрешности измерительных приборов классифицируют на статические, которые проявляются при измерении значений физических величин в установившемся режиме, и динамические, имеющие место при измерениях переменных величин. Статические погрешности измерительных приборов делятся на систематические и случайные, последние оцениваются через значения вариации*, среднего квадратического отклонения и пр. Динамические погрешности оценивают следующими параметрами: временем реакции средства измерений, постоянной времени средства измерений, максимальной скоростью измерений и др. Рассмотрим математические выражения для определения вариации, систематической составляющей погрешности и среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности. Вариацию показаний определяют по следующей зависимости: нли где Ь — вариация показаний прибора; Дм (Да)—среднее значение погрешности в точке диапазона измерения, полученное экспериментально при медленном многократном измерении информативного параметра входного или выходного сигнала средства измерений со стороны соответственно меньших или больших значений. * Вариация показаний прибора — это наибольшая экспериментально установленная разность между повторными показаниями измерительного прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины сначала при плавном увеличении, а затем уменьшении измеряемой величины. где п — число опытов при определении А м (Дб) при я>1; Дмг(Даг)—1-я реализация (отсчет) погрешности средства измерений при предварительном измерении информативного параметра входного или выходного сигнала со стороны соответственно меньших или больших значений до значения х. Причинами, вызывающими вариации в измерительных приборах, могут быть трение в подвижных деталях, гистерезис, люфты и т. д. Важными метрологическими характеристиками 'Средства измерений являются систематическая составляющая по- грешности и случайная составляющая погрешности где п — число опытов. Параметры точности измерительных приборов контролируют в процессе поверки. Поверка — это определение метрологическим органом (территориальные органы Госстандарта СССР) погрешностей средства измерений и установление его пригодности к дальнейшему использованию. Средства измерений характеризуются классом точности. Это обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющих на точность, значения которых установлены в стандартах на отдельные виды средств измерений. Способы нормирования метрологических характеристик и обозначение классов точности изложены в ГОСТ 8.401—80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования». Для средств измерений обозначения классов точности вводятся в зависимости от способов задания пределов допускаемой основной погрешности. Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливаются по формуле где —пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы; а — положительное число. Пределы допускаемой относительной основной погрешности нормируются выражением где б — пределы допускаемой относительной основной погрешности, %; х — значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитываемых по шкале; q — отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда Ы0 П ; 1,5-10"; (1,6-10"); 2-10"; 2,5-10"; (3-10"); 4-10 п ; 5-10"; 6-10" (я=1, 0, —1, —2 и т. д.). Значения, указанные в скобках, не устанавливают для вновь разрабатываемых средств измерений. Пределы допускаемой приведенной основной погрешности устанавливают по формуле Г д е — пределы допускаемой относительной основной погрешности, Ц . пределы допускаемой абсолютной основной погрешности; xn — нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и Д; р — отвлеченное поло- жительное число, выбираемое из ряда i g (п=1, 0, —1, —2 и т.д.). Значения, указанные в скобках, не устанавливают для вновь разрабатываемых средств измерений. На циферблаты или корпуса средств измерений, применяемых в отрасли, нанесены обозначения классов точности. Например, если предел допускаемой относительной основной погрешности то класс точности на средстве измерений обозначается 1,5 (в кружке), а если предел допускаемой приведенной основной погрешности то класс точности на средстве измерений обозначается 0,5 (без кружка). СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 1. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Измерения с помощью специальных средств являются основой оценки физических величин, характеризующих технологические параметры процесса, а также показатели состава и качества продукции. Наибольшую группу средств измерений, применяемых в отрасли, составляют измерительные приборы. Информация о технологических параметрах или показателях качества продукции воспринимается первичным измерительным преобразователем и по каналу связи передается на измерительный прибор (рис. 26). Данная структурная схема основывается на применении электроизмерительной аппаратуры для измерения неэлектрических величин, характеризующих технологические процессы отрасли (температура, давление, расход и др.). Широкое применение электрических измерений неэлектрических величин можно объяснить рядом преимуществ: возможностью непрерывного во времени измерения и 'записи измеряемой физической ве- личины; дистанционностью и высокой точностью измерения, а также широким диапазоном измерений. В основе работы рассматриваемой схемы лежат преобразование, сравнение и пе- редача на расстояние электрических сигналов. Величину электрических сигналов измеряют посредством унифицированных, стандартных измерительных приборов. Так, для измерения электрических сигналов в виде, например, электродвижущей силы (ЭДС) применяют автоматические потенциометры; параметров электрических цепей (активного сопротивления) — приборы с мостовыми схемами (автоматические мосты). Различают компенсационные и мостовые схемы приборов для измерения физических величин. Структурная схема прямого измерения |