лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
2.5. Принципы, методы и методики измерений Процесс измерения, способы проведения его и средства измерений, при помощи которых происходит измерение, зависят от измеряемой физической величины, существующих методов и условий измерений. При выполнении измерений технологических параметров применяются различные методы. Принцип измерений — физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Примеры: использование эффекта Доплера для измерения скорости, использование эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения, использование термоэлектрических явлений для измерения температуры. Термоэлектрические явления — совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в твердых проводниках. К термоэлектрическим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье, Томсона. Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Классификация методов измерения технологических параметров разнообразна, поэтому выделим лишь некоторые отличительные признаки методов. При контактном методе измерений чувствительный элемент средства измерений приводится в контакт с объектом измерений. Например, измерение температуры тела термометром расширения. Для бесконтактного метода измерений характерно отсутствие контакта чувствительного элемента средства измерений с объектом измерений. Например, измерение температуры в стекловаренной печи пирометром. Метод непосредственной оценки — метод измерений, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений, отградуированному в единицах измеряемой величины. Например, измерение температуры термометром, отградуированным в градусах Цельсия; измерение давления манометром, отградуированным в паскалях. Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением) или измерение ТЭДС термопары на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента. Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Примеры: измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием, измерение массы на равноплечих и неравноплечих весах (сравнение на рычаге силовых эффектов действия масс), измерение давления грузопоршневыми манометрами (сравнение на поршне силовых эффектов измеряемого давления и мер массы), измерение напряжения постоянного тока электрическим компенсатором (сравнение на сопротивлении падений напряжения от измеряемой ЭДС и ЭДС нормального элемента или другого образцового источника), измерение температуры радиационным пирометром (сравнение наблюдателем яркостей свечения объекта измерения и нити накаливания пирометрической лампы током образцового элемента). Сравнение осуществляется с помощью компенсационных или мостовых схем (цепей). Компенсационные цепи применяются для сравнения активных величин, т. е. несущих в себе некоторый запас энергии (сил, давлений и моментов сил, электрических напряжений и токов, яркости источников излучения). При сравнении (компенсации) воспроизводимая мера используется для компенсации измеряемой величины во всем диапазоне изменений, а также для показания значения. Поэтому для осуществления этого метода необходима изменяющаяся мера высокого качества. Структурная схема средства измерений сравнения представлена на рис. 5.2, б. Сравнение осуществляется в устройстве сравнения, в котором обычно одна величина вычитается из другой. Используя выходной сигнал устройства сравнения, с помощью преобразователя П можно управлять мерой. Поскольку в средствах измерений, основанных на методе сравнения, измеряемая величина уравновешивается (компенсируется) величиной, воспроизводимой мерой, их также называют средствами измерений с уравновешивающим (компенсационным) преобразованием. Для сравнения пассивных величин (электрических, гидравлических, пневматических и других сопротивлений) применяются мостовые цепи типа электрических уравновешенных или неуравновешенных мостов. Примечание Пассивные величины могут быть вначале преобразованы в активные или наоборот и сравниваться соответственно в компенсационных или мостовых цепях. Примеры средств измерений сравнения приведены на рис. 5. Особенности сравнения лучше всего показать, разобрав схему потенциометра (рис. 5, б). Измеряемое напряжение компенсируется (уравнивается) падением напряжения, создаваемым на известном сопротивлении рабочим током от стабилизированного источника питания (ИПС). Нуль-гальванометр (НГ) включается в цепь сравниваемых напряжений. Когда напряжения скомпенсированы, ток в гальванометре, а следовательно, в цепи измеряемого напряжения, отсутствует. На результаты измерений компенсационным методом не влияет ни сопротивление соединительных проводов, ни гальванометра. В соответствии с компенсационным методом измерений измеряемая величина х компенсируется величиной, воспроизводимой мерой. Разность этих величин поддерживается малой независимо от размера измеряемой величины. Точность измерения определяется точностью меры и порогом чувствительности средства сравнения (нуль-прибора, НП). Статическая характеристика НП может быть нелинейной: при большой разности между мерой и измеряемой величиной чувствительность НП мала, а в области нуля — чувствительность очень высока, а порог чувствительности мал. Благодаря этому, достигается высокая точность измерения. В уравновешенном состоянии НП не нагружен, благодаря чему исключается обратное воздействие на процесс.   Рис. 5.5. Примеры измерительных устройств, основанных на методе сравнения с мерой: о — рычажные весы; б — потенциометр Метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда). Метод измерений дополнением — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. Дифференциальный метод измерений — метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между двумя этими величинами. Методика выполнения измерений — установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. 2.6. Условия измерений Нормальные условия измерений — условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости. Примечание Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или по их поверке (калибровке). Нормальное значение влияющей величины — значение влияющей величины, установленное в качестве номинального. Примечание При измерении многих величин нормируется нормальное значение температуры 20 °С или 293 К. На нормальное значение, к которому приводятся результаты многих измерений, выполненные в разных условиях, обычно рассчитана основная погрешность средств измерений. Нормальная область значений влияющей величины — область значений влияющей величины, в пределах которой изменением результата измерений под ее воздействием можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности. Нормальная область значений температуры при поверке нормальных элементов класса точности 0,005 в термостате не должна изменяться более чем на ±0,05 °С от установленной температуры 20 °С, т. е. быть в диапазоне от 19,95 °С до 20,05. В качестве нормальных значений или нормальной области значений влияющих величин принимают, например, температуру окружающего воздуха (20 ± 5)или (20 ± 2) °С; барометрическое давление (760 ± 25) мм рт. ст. или (101,325 ± 3,3) кПа; напряжение питания 220 В с частотой 50 Гц и т. д. Рабочая область значений влияющей величины — область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений. Рабочие условия измерений — условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей. Для амперметра нормируют изменение показаний, вызванное отклонением частоты переменного тока от 50 Гц (принимают за нормальное значение частоты). Предельные условия измерений — условия измерения, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющей величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик. 2.7. Результаты измерений физических величин Результат измерения физической величины — значение величины, полученное путем ее измерения. Точность результата измерений — одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Примечание Считают, чем меньше погрешность измерения, тем больше его точность. Сходимость результатов измерений — близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Примечание Сходимость измерений двух групп многократных измерений может характеризоваться размахом, средней квадратической или средней арифметической погрешностью. Воспроизводимость результатов измерений — близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.). Примечание Воспроизводимость измерений может характеризоваться средними квад-ратическими погрешностями сравниваемых рядов измерений. 2.8. Погрешности измерений Погрешность результата измерения — отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Абсолютная погрешность измерения — погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Замечание Необходимо различать термины «абсолютная погрешность» и «абсолютное значение погрешности». Абсолютное значение погрешности — значение погрешности без учета ее знака (модуль погрешности).  Если истинное значение измеряемой величины неизвестно, вместо него используют действительное значение измеряемой величины:  Абсолютная погрешность СИ выражается в единицах измеряемой физической величины и имеет знак. Абсолютная погрешность средства измерений — разность между показаниями средства измерений А и истинным значением измеряемой физической величины:  Рис. 6. Статические характеристики измерительного преобразователя: действительная  и номинальная Абсолютная погрешность измерительного преобразователя может быть выражена в единицах входной и выходной величины и характеризует отличие действительной характеристики преобразования  от номинальной Абсолютная погрешность измерительного преобразователя в единицах входной величины (по входу) определяется как разность между значением входной величины, найденным по действительному значению выходной величины и номинальной статической характеристике, и действительным значением входной величины(рис. 5.6):  Абсолютная погрешность измерительного преобразователя в единицах выходной величины (по выходу) представляет собой разность между значением выходной величины, определяемой по действительному значению входной величиныпри помощи номинальной характеристики, и действительным значением величины на выходе преобразователя у. (см. рис. 5.6):  Относительная погрешность измерения выражается отношением абсолютной погрешности к результату измерений или к действительному значению измеренной физической величины:  Аналогично выражается относительная погрешность средств измерений и измерительных преобразователей. Приведенная погрешность средства измерений — относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона:  Приведенную погрешность обычно выражают в процентах. Класс точности средств измерений — обобщенная характеристика СИ, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами СИ, влияющими на их точность. Правила обозначения классов точности устанавливаются стандартами. Одним из распространенных вариантов является обозначение класса точности числом, совпадающим со значением допускаемой основной приведенной погрешности:  где КТ — число, обозначающее класс точности;  — допускаемая основная абсолютная погрешность.Замечание Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ одного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Это очень важно при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений. Класс точности СИ конкретного типа устанавливают в стандартах или других нормативных документах. Классификация погрешностей измерений может быть осуществлена по разным признакам. Причинами возникновения погрешностей являются несовершенство методов измерения, средств измерения и органов чувств наблюдателя (оператора). Инструментальная погрешность измерения — составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерений. Замечание Появление погрешностей СИ объясняется рядом причин: отличием параметров элементов и узлов от требуемых расчетных значений, старением элементов и узлов, внутренними шумами, изменениями влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала (например, при измерении амплитуды напряжения переменного электрического тока информативным параметром является амплитуда сигнала, неинформативным — его частота) и др. Шумы. Любой сигнал, не несущий полезной информации, называется шумом и является источником ошибок. Шумы могут быть механическими, электрическими, магнитными. Их уменьшают, защищая СИ от вибрации, электростатических, магнитных полей. Внутренние шумы — шумы, возникающие в самом СИ. Уровень внутренних шумов уменьшают, тщательно конструируя СИ. Погрешность метода измерения — составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений. Субъективная погрешность измерения — составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора. По статистическим характеристикам погрешности подразделяются на случайные, систематические и грубые. Систематическая погрешность измерения — составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Случайная погрешность измерения — составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же величины, проведенных с одинаковой тщательностью. Одной из составляющих случайной погрешности измерения является погрешность средства измерительной техники от гистерезиса, приводящая к вариации. Промах — погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Примечание Иногда вместо термина «промах» применяют термин «грубая погрешность измерений». В зависимости от характера изменения измеряемой величины во времени погрешности подразделяются на статические и динамические. Статическая погрешность измерений — погрешность результата измерений физической величины, принимаемой за неизменную на протяжении времени измерения. При этом предполагается, что все переходные процессы в СИ завершены. Динамическая погрешность измерений — погрешность, возникающая при измерении изменяющейся физической величины. В зависимости от условий измерения погрешности подразделяются на основные и дополнительные. Основная погрешность средства измерений — погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Дополнительная погрешность средства измерений — погрешность средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или из-за ее выхода за пределы нормальной области значений. 4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Измерительное преобразование играет крайне важную роль в процессах измерения и может осуществляться многочисленными способами. Хотя входные сигналы измерительных преобразователей весьма разнообразны, число физических величин, применимых в качестве выходных сигналов, ограничено. Преобразование основано на физических и физико-химических явлениях, определяющих зависимость между входными и выходными сигналами измерительных преобразователей. В настоящее время применяется большое число измерительных преобразователей различных принципов действия: емкостный, пьезоэлектрический, тензорезистивный, потенциометрический, термисторный, эффекты Холла, Кориолиса и др. Замечание Наиболее широко используется около тридцати традиционных физических явлений и эффектов, на основе которых сконструированы датчики. В результате разработки новых методов усиления сигналов расширяется выбор физических эффектов. Расширение номенклатуры материалов открывает новые возможности преобразования физических величин. Известно более 400 физических явлений, которые можно положить в основу создания новых средств измерений. Быстрое развитие полупроводниковой электроники часто изменяет подход к построению измерительных преобразователей. Измерительные преобразователи разделяются также по виду энергии (механическая 1, электрическая 2, магнитная 3, тепловая 4, энергия излучения 5, химическая 6). На рис. 11 представлены возможные комбинации входного (или измеряемого) сигнала, выходного сигнала и сигнала возбуждения для различных типов преобразователей. Классификация преобразователей может быть выполнена также и по их практическому применению (рис. 12). Измерительные преобразователи, используемые в каждой конкретной области, например для измерения давления, температуры, расхода и т. д., рассматриваются в соответствующих разделах этой главы.  Рис. 11. Схема к классификации измерительных преобразователей по виду преобразованной энергии Измерительные преобразователи — основные элементы, определяющие качество и стоимость информационно-измерительных и, следовательно, управляющих систем. Можно привести следующие ориентировочные данные: измерительные преобразователи (датчики) — 40 % общей стоимости; устройства обработки данных — 20 % общей стоимости; устройства регистрации, отображения — 40 % общей стоимости.  Рис. 12. Классификация первичных измерительных преобразователей (датчиков) по виду измеряемой величины Современный этап развития этой области техники характеризуется разработкой многофункциональных интеллектуальных датчиков, обеспечивающих высокую точность, надежность, длительный срок службы. Под интеллектуальным датчиком следует понимать датчик со встроенным микроконтроллером (своего рода — «интеллектом»). Интеллектуальный датчик имеет связь с системой управления, посылает ей не только измерительную информацию, но и результаты самодиагностики, информацию о сбоях, меняет свое метрологическое состояние по указанию «центра» и выполняет другие внешние и внутренние функции. Интеллектуальный датчик содержит следующие основные компоненты: прецизионный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, высокоточный АЦП и микроконтроллер. Естественно, что для подключения интеллектуального датчика к сети сбора информации, в датчике должно быть предусмотрено средство, поддерживающее протокол обмена данными согласно какому-либо сетевому стандарту. Для обеспечения малого энергопотребления, низкой стоимости, высокой надежности интеллектуального датчика все его компоненты должны быть интегрированы на одном кристалле. 4.1. Структура измерительного преобразователя Структурная схема измерительного преобразователя, включающая в себя элементы, общие для всех типов преобразователей, представлена на рис. 13, а. Элементы рисунка, обозначенные пунктирными линиями (входное сопротивление , необходимое для определения мощности внешнего источника питания в пассивных измерительных преобразователях), в активных (или автогенерирующих) измерительных преобразователях отсутствуют. В таком представлении измерительный преобразователь можно рассматривать как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующего элемента (ПЭ). Чувствительный элемент воспринимает измеряемую величину и преобразует ее в другую физическую величину. Далее промежуточный измерительный преобразователь (преобразующий элемент) преобразует физическую величину в электрический сигнал, который отражает значение измеряемой величины.   |