2. Технические средства автоматизации

2.1. Основные понятия об измерениях и измерительных устройствах

Важнейшая задача метрологии – обеспечение единства измерений. Данная задача решается при соблюдении двух условий: выражение результатов измерений в узаконенных единицах и установлении допускаемых погрешностей результатов измерений и границ, за которые они не должны выходить при заданной вероятности. Основная задача метрологического обеспечения производства – обеспечить достоверность получаемой измерительной информации о ходе протекания технологических операций и параметрах качества продукции.

Физическая величина – свойство физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Единица измерения физической величины – это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1 и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. Физическая величина характеризуется индивидуальным значением, которое находят умножением числового значения величины на ее единицу. Например, тело массой 20 кг= 20 (числовое значение) Х 1 кг (единица массы).

Совокупность физических величин, связанных между собой определенными зависимостями, основанными на законах физики, называется системой физических величин. Система физических величин состоит из основных, производных и дополнительных величин.

Международная система физических единиц (СИ), принятая в 1960 г. На Генеральной международной конференции по мерам и весам взамен действовавших одновременно нескольких систем единиц физических величин и большого количества внесистемных единиц, устранила неудобство, связанная с необходимостью перерасчетов. В системе СИ семь основных величин: единица длины –метр (м), единица массы – килограмм (кг), единица времени – секунда (с), единица силы электрического тока – ампер (А), единица термодинамической температуры – кельвин (К) /допускается измерение температуры в градусах Цельсия (°С) Т(К)= t (°С) + 273,16/, единица света кандела и единица вещества моль; две дополнительные (угловые) – радиан и стерадиан и ряд производных. Производные единицы СИ образуются из основных единиц с использованием установленных связей между физическими величинами. Например, единица плотности кг/м³ равна массе вещества в 1 кг, равномерно распределенного в объеме 1 м³ . Единицы, не входящие ни в одну из систем единиц, называются внесистемными, например, единицы давления миллиметр ртутного столба (1 мм. рт.ст. = 133,3 Па), бар (1 бар = 10⁵ Па). К внесистемным относятся также кратные и дольные единицы, например, единица длины 1 см.сновные единицы СИ выбраны таким образом, чтобы на их основе были охвачены все области науки и техники и создана база образования производных единиц, которые уже получили распространение. Основные единицы СИ воспроизводятся с помощью эталонов.

Единство измерений достигается путем точного хранения и воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров к применяемым средствам измерений. Размеры единиц физических величин воспроизводятся, хранятся и передаются с помощью эталонов и образцовых средств измерений.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение в стране единицы физической величины с наивысшей точностью. Вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии, эталоны-сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны. Рабочие эталоны подразделяются на разряды.

Поверка средств измерений состоит в установлении органом государственной метрологической службы пригодности средства измерений к применению на основе экспериментально определенных метрологических характеристик и подтверждении их соответствия установленным обязательным требованиям. Поверка представляет собой регламентированную техническую процедуру определения значений фактических погрешностей средств измерения и установления пригодности средств измерений к использованию. Поверке подвергаются средства измерений, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору (используемые в сфере обращения). Поверки средств измерений бывают: первичными – при выпуске средств измерений или после ремонта; периодическими – межповерочные интервалы устанавливаются нормативными документами по поверке; внеочередные – например, для средств измерений, полученных со склада.

Калибровка средств измерений – это совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона, с целью выяснения действительных метрологических характеристик этого средства измерений. Калибровке подвергаются средства измерений, не подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору (например, средства измерений параметров технологического процесса).

Поверочная схема для средств измерений представляет собой нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешностей при передаче). Государственные поверочные схемы служат основанием для составления локальных поверочных схем (например, действующих в отрасли, на отдельном предприятии).

Измерения и средства измерений

Измерение – совокупность операций по применению технического средства,го единицу физической величины с целью нахождения соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получения значения этой величины. Например, с помощью измерительного прибора со шкалой сравнивается размер измеряемой физической величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и производится отсчёт.

Если Q – значение физической величины, U- единица физической величины, n - размер физической величины, то Q=nU. Это уравнение является основным уровнением измерения.

Рассмотрим классификацию измерений по различным признакам.

Прямое измерение (прямой метод измерения) – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, например, измерение давления манометром, измерение длины штангенциркулем.

Косвенное измерение (косвенный метод измерения) – состоит в определении значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. (Например, психрометрический метод измерения относительной влажности воздуха по температуре сухого и мокрого термометров).

Совокупные измерения – измерения, проводимые для нескольких одноименных измеряемых величин, при которых искомые значения величин определяются путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. (Например, определение значений массы набора гирь по известным значениям нескольких из них).

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких неодноименных величин для определения функционально зависимости между ними. Они применяются, например, для анализа сложных, многокомпонентных смесей. Этот вид измерений применяют в современных приборах с применением средств вычислительной техники. Например, измеряют оптическую плотность и температуру вещества.

Статическое измерение представляет собой измерение физической величины, которая не изменяется на протяжении времени измерения в соответствии с конкретной измерительной задачей.

Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру физической величины.

Метод непосредственной оценки – определение значения измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Метод сравнения с мерой – сравнение измеряемой величины с величиной воспроизводимой мерой. Разновидности этого метода: дифференциальный метод – на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой и нулевой (компенсационный) метод – результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводится до нуля.

Измерительную информацию получают с помощью средств измерений. По конструктивному исполнению средства измерений разделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Меры физической величины – средства измерения, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины. Например, гиря, калибр, мерные линейки, стандартный образец.

Измерительные преобразователи – средства измерения, служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения и дальнейших преобразований. Измерительные преобразователи входят в состав измерительных приборов или применяются вместе со средствами измерений. По характеру преобразования различаются аналоговые, цифро-аналоговые и аналого-цифровые измерительные преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Первичный измерительный преобразователь – это измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Датчик представляет собой конструктивно обособленный измерительный преобразователь, от которого поступает измерительный сигнал. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, воспринимающего его информационные сигналы. Датчики подвергаются стандартизации по ряду параметров: по источникам питания, по форме и размерам монтажных плат, каркасов, панелей, конструкций корпусов, присоединительных узлов, по видам исполнений – пыле- и влагозащищенное, герметичное, виброустойчивое и т.д.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Прибор содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Измерительные приборы различаются типом выходной информации: приборы с аналоговой (непрерывной) выходной информацией, в которых часто применяются стрелочные индикаторы и приборы с цифровой выходной информацией, в которых используются, например, светодиодные индикаторы.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов для различных назначений.

По метрологическому назначению все средства измерения (СИ) подразделяются на рабочие и эталоны. Рабочие СИ предназначены для проведения технических измерений. Эталоны – это высокоточные средства измерений, используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Передача размера осуществляется в процессе поверки средств измерений. Целью поверки является установление их пригодности к применению.

Метрологические характеристики средств измерений – это характеристики средств измерений, которые влияют на результаты измерений и на их погрешности. Метрологические характеристики позволяют оценить применимость СИ для той или иной задачи и сравнить их между собой.

Одной из основных метрологических характеристик средств измерений является градуировочная характеристика, представляющая собой зависимость между значениями величин на входе и выходе, полученная экспериментально (в виде графика, формулы или таблицы).

Диапазон показаний средств измерений – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Диапазон измерений СИ – область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допустимые пределы погрешности СИ.

Следует отметить, что диапазон показаний относится к шкале СИ, а диапазон измерений – к измеряемой физической величине. Диапазон измерений обычно меньше диапазона показаний.

Чувствительность СИ – свойство, определяемое отношением изменения выходного сигнала это средства к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Для измерительного преобразователя с линейной функцией преобразования h(х) = a + bx чувствительность определяется коэффициентом b.

Чувствительность не следует путать с порогом чувствительности - наименьшим значением измеряемой величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Цена деления шкалы средства измерений – разность значений величины между соответствующими двумя соседними отметками шкалы СИ.

Важнейшей метрологической характеристикой средств измерений является погрешность СИ. Погрешность СИ (инструментальная погрешность) является частью общей погрешности измерений.

Погрешность средств измерений

От погрешностей, присущих средствам измерений, зависит погрешность результата измерений той или иной физической величины. Погрешность средства измерений есть разница между значением величины, полученной при помощи этого средства, и истинным значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение величины не известно, на практике вместо него пользуются действительным значением величины, полученным при помощи более точного средства измерений.

Погрешности средств измерений могут быть классифицированы следующим образом:

- по характеру появления и причинам – систематические и случайные;

- по отношению к условию применения – основные и дополнительные;

- по способу (форме) числового выражения – абсолютные, относительные и приведенные.

Систематической погрешностью средства измерения называется составляющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Происхождение и характер этих погрешностей известен и выявляется в результате многократных измерений одной и той же величины. Влияние этих погрешностей исключается путем введением поправок, определяемых расчетным или опытным путем.

Случайной погрешностью средства измерения называется составляющая погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Она возникает в результате влияния на средства измерений таких случайных факторов как вибрация, наличие электромагнитных полей, изменение органов чувств наблюдателя. Они не могут быть исключены опытным путем. Для учета случайных погрешностей одну и ту же величину измеряют много раз данным средством измерений. К полученному ряду значений применимы теории вероятности и математической статистики, на основании которых оценивается случайная составляющая погрешности средств измерений.

Основная погрешность – это погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях, которые обычно определены в нормативно-технической документации на данное средство измерения.

Под дополнительными погрешностями понимают изменение погрешности средств измерений вследствие отклонения влияющих величин от нормальных значений.

Абсолютная погрешность измерительного прибора – это разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины:

Х =

где Х_П – показания прибора;

Х_д – действительное значение измеряемой величины. За действительное значение измеряемой величины принимают показания образцового прибора.

Относительная погрешность прибора – это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к истинному (действительному) значению измеряемой величины, %:

Приведенная погрешность измерительного прибора - это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению. нормирующее значение – условно принятое значение Х_N, равное или верхнему пределу измерения, или диапазону измерений, или длине шкалы. Приведенную погрешность обычно выражают в %:

Точность СИ – характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю. Класс точности СИ – это обобщенная характеристика данного типа СИ, как правило, отражающая уровень их точности, выражается пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ данного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Класс точности средств измерений конкретного типа устанавливается в стандартах, технических условиях или других нормативных документах.