книги из ГПНТБ / Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов

Г Л А В А I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

§ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

По показаниям контрольно-измерительных приборов судят о пра­ вильности и экономичности ведения технологического процесса. Отклонение измеряемой величины от заданного значения, обнару­ женное по показанию прибора, свидетельствует о нарушении уста­ новленного режима.

Существующие приборы можно классифицировать по следующим признакам:

1) по характеру измеряемой величины — измерители давления, расхода, уровня, температуры, качественных показателей (цвет­ ности, прозрачности, плотности, концентрации), газоанализаторы;

2)по конструкции — показывающие, самопишущие, с передачей показаний на расстояние (дистанционные), суммирующие, сигнали­ зирующие;

3)по назначению — технические, или рабочие (эксплуатацион­ ные), устанавливаемые непосредственно на рабочих местах у агре­ гатов; контрольные, служащие для поверки технических приборов;

образцовые и эталонные, используемые для поверки конт­ рольных приборов и градуировки (нанесение шкалы приборов) при изготовлении;

4)по принципу действия — механические, электрические, элек­ тронные, акустические, оптические, радиоактивные, гидравлические;

5)по характеру использования — оперативные и хозрасчетные;

6)по условиям работы — стационарные и переносные. Измерительные приборы могут быть одновременно показываю­

щими, самопишущими и суммирующими. В некоторых приборах имеются устройства для подачи сигнала при достижении параметром определенных значений.

Все контрольно-измерительные приборы построены в основном по одной принципиальной схеме и состоят из аналогичных узлов. Основными частями контрольно-измерительных приборов являются следующие.

Воспринимающая, или чувствительная, часть прибора в большин­ стве случаев соприкасается с измеряемой средой. Воспринимающая часть преобразует измеряемый параметр в какую-либо физическую величину — линейное или угловое перемещение, сопротивление, электродвижущую силу (э. д. с.), величину тока и т. п., удобную

4

Для передачи на расстояние и получения отсчета. Эта преобразован­ ная величина (выходной измерительный сигнал) поступает в следую­ щий узел — измерительное устройство.

Измерительное устройство преобразует величину измерительного сигнала в числовой отсчет при помощи отсчетного устройства. Отсчетное устройство прибора может быть:

а) показывающим, т. е. состоящим из шкалы, деления которой выражают числовое значение измеряемого параметра, и указателястрелки. Показывающие приборы выполняют как с неподвижной шкалой, по которой перемещается указатель-стрелка, так и с по­ движной шкалой, которая перемещается относительно неподвижного указателя;

б) самопишущим — регистрирующим, когда значения измеряе­

вать отдельные значения измеряемой величины с нарастающим итогом; суммирующие устройства, как правило, являются дополне­ нием к указывающему или регистрирующему прибору;

г) сигнализирующим — посылающим импульс при отклонении измеряемой величины от заданных предельных значений.

Усилитель, необходимый для увеличения первоначального сиг­ нала, применяют в отдельных случаях. Его устанавливают либо меж­ ду преобразователем и измерительным устройством, либо между измерительным и отсчетным устройствами. Усилительное устройство использует какой-либо посторонний источник энергии (сжатый воз­ дух, электроэнергию, энергию жидкости, находящейся под давле­ нием, и т. п.).

Соединительные линии объединяют все предыдущие звенья в еди­ ную систему. Часто на месте измерения устанавливают измеритель­ ный прибор без шкалы, так называемый «бесшкальный», т. е. в нем отсутствует отсчетное устройство. Такие приборы называют первич­ ными. В этом случае измерительный сигнал от первичного прибора по соединительным линиям передается вторичному прибору, который устанавливают на некотором расстоянии от места измерения. Вто­ ричный прибор может быть снабжен отсчетным и регистрирующим устройствами.

§ 1.2. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Правильность работы контрольно-измерительного прибора зави­ сит от правильного выбора вида прибора для заданных условий ра­ боты и правильной его^установки, а также от выполнения правил ухода за прибором во время эксплуатации.

Различают абсолютную и относительную погрешность.

5

Абсолютной погрешностью называют разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины. Выра­ жают ее в единицах измеряемой величины:

А = Аг—Аг,

где Ах — действительное значение измеряемой величины: Л2— показание при­ бора.

При сравнении точности показаний нескольких приборов необ­ ходимо знать относительную погрешность прибора, т. е. отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, которую выражают в процентах:

6 = — 100.

А\

Вариация — это разность показаний при измерении одной и той же величины при неизменных внешних условиях. Вариацию выра­ жают в процентах максимального значения шкалы прибора

^м акс — •Дмин

где ДА — максимальная разница показаний прибора; Лмакс, Лмин — верх­ нее и нижнее предельные значения шкалы прибора.

Допустимой погрешностью называют наибольшую погрешность показания прибора. Основная погрешность — это допустимая по­ грешность при нормальных условиях работы, установленных для при­ бора. Дополнительная погрешность — это погрешность, вызванная воздействием внешней среды на прибор при отклонении условий измерения от условий, на которые рассчитан прибор. Для контрольно­ измерительных приборов допустимую погрешность выражают в виде приведенной относительной погрешности в процентах диапазона шкалы. В соответствии с этим приборы подразделяют на классы точ­ ности. Например, термометр класса 1 может иметь допустимую по­ грешность ±1% верхнего предела шкалы. Таким образом, для тер­ мометра со шкалой 0—200° С величина допустимой погрешности в этом классе будет составлять +2° С, а в классе 2,5—2,5%, что составит +5° С.

Важной характеристикой приборов является их чувстви­ тельность. Под чувствительностью прибора понимают отношение величины линейного или углового перемещения указателя или пера прибора к изменению значения измеряемой величины, которое вызвало это перемещение. В приборах со шкалой чувствительность выражают в делениях шкалы и вычисляют по формуле

М

АА

где А/ — величина перемещения пера или стрелки прибора; АЛ — изменение измеряемой величины, вызвавшей это перемещение.

6

При равномерной шкале чувствительность приборов постоянна. Приборы с неравномерной шкалой имеют переменную чувствитель­ ность для разных участков шкалы.

При изготовлении приборов шкалы градуируют (или поверяют) по образцовым приборам при нормальных условиях, т. е. при темпе­ ратуре 20° С и атмосферном давлении примерно 0,1 МПа (760 мм рт. ст). В паспорте или инструкции к прибору обычно указывают условия, в которых прибор можно нормально эксплуатировать с по­ грешностью, допускаемой его классом. Приборы периодически (в сроки, установленные правилами Комитета стандартов, мер и из­ мерительных приборов при Совете Министров СССР) подлежат поверке и клеймению.

В Советском Союзе введена в действие Международная система единиц'(СИ) (ГОСТ 9867—61) с основными единицами: метр (м), кило­ грамм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К). Отличительной осо­ бенностью этой системы является универсальность в отношении свя­ зи единиц измерения — тепловых, электрических, магнитных и т. п.

§ І.З. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для контроля и регулирования технологического процесса нуж­ но измерять параметры, характеризующие технологический процесс. Измеряемые параметры делят на две группы: электрические и не­ электрические. Измерение и передача на расстояние электрических параметров, как правило, не вызывают затруднений. Для измерения неэлектрических параметров приходится преобразовывать их при помощи специальных устройств в другие параметры (например, в электрические, пневматические или гидравлические), удобные для отсчета и передачи на расстояние. Примером такого преобразова­ теля может служить термопара. Рабочий спай термопары соприка­ сается с измеряемой средой. Изменение температуры вызывает изме­ нение термоэлектродвижущей силы (т. э. д. с.), которая передается на расстояние к вторичному прибору со шкалой, градуированной в единицах измерения температуры.

Измерительные преобразователи имеют статическую характерис­ тику, которая показывает зависимость изменения выходной вели­ чины у от изменений входной величины х в установившемся режиме:

У = f ( * ) •

Для измерений и автоматизации процессов удобнее использовать преобразователи с линейной зависимостью между входной и выход­ ной величиной.

Чувствительность измерительного преобразователя s — это ве­ личина, характеризующая отношение приращения выходной вели­ чины Ау к приращению его входной величины Ах:

Ä£_

Ах

7

Инерционность — это величина, которая характеризует дина­ мические свойства измерительного преобразователя и показывает, насколько быстро выходная величина у начинает соответствовать входной величине х.

§1.4. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электромеханические преобразователи преобразуют различные механические параметры (давление, перемещение, скорость, уско­ рение и т. д.) в электрический сигнал. В зависимости от того, какой

1—

жение

электрический параметр изменяется под воздействием механических величин, они могут быть активного сопротивления, индуктивными, емкостными или фотоэлектрическими.

Преобразователи активного сопротивления, или реостатные

(рис. 1.1), используют для измерения линейных и угловых переме­ щений. Они представляют собой реостат, движок которого жестко связан с мембраной, рычагом или другим движущимся измеритель­ ным элементом. При перемещении движка изменяется сопротивление реостатного преобразователя. Реостатные преобразователи обычно изготовляют из тонкой проволоки, намотанной на каркас. В зависи­ мости от профиля каркаса при перемещении движка может изме­ няться его сопротивление по любому закону. В измерительные уст­ ройства и приборы реостатные преобразователи включают главным образом по схеме потенциометра.

8

Статической характеристикой потенциометрического реостат4ного преобразователя является зависимость напряжения UBblx на нагрузке R H от расстояния между скользящим контактом 1 и непо­ движным контактом 2. Напряжение UBb!x зависит от сопротивления нагрузки Ян, сопротивления Rx между контактами / и 2, питающего напряжения U0 и сопротивления R:

U —и _____ Rl R

вых 0 R i(R -R i)+ R R H '

При расчете потенциометрических преобразователей предпола­ гается, что Rn г» оо. В этом случае

Чувствительность этих преобразователей зависит от конструк­ ции потенциометра и числа витков проволоки на единице длины. Достоинство реостатных датчиков в том, что их инерционность практически равна нулю.

Индуктивные параметрические преобразователи. Индуктив­ ный дифференциально-трансформаторный преобразователь питает­ ся напряжением переменного тока. При перемещении сердечника 1 (рис. 1.2) вверх или вниз меняется коэффициент взаимоиндукции в верхней 2 и нижней 3 обмотках, одна из наведенных э. д. с. уве­ личивается, а другая уменьшается. Так как фазы сдвинуты на 180°, возникает разность напряжений. Таким образом, в дифференциаль­ но-трансформаторном преобразователе выходная величина — это

9