«Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

ГБОУ СПО СО «Екатеринбургский экономико-технологический колледж»

Э лектронно-методическое пособие по дисциплине: «ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ»

П М 01. Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации по специальности: «220703 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям, базовый уровень)»

Издание официальное

Издательство Екатеринбургский экономико-технологический колледж 2013г.

Содержание

Введение

Специалисты в области стандартизации, сертификации и управления качеством должны владеть необходимыми знаниями о методах и средствах контроля характеристик средств измерений, поскольку инструментальный контроль позволяет наиболее объективно подтвердить соответствие объекта предъявляемым требованиям. Данное учебное пособие поможет студентам понять место и значение измерений при контроле и испытаниях средств измерений. В настоящее время наиболее распространены измерения электрических величин: силы тока, напряжения, электрического сопротивления, частоты тока и др. Даже те физические величины, которые сам по себе являются неэлектрическими (например, температура, давление, виброускорение и т.д.), очень часто преобразуются в измеряемые электрические величины. Наравне с измерениями электрических величин очень часто возникает потребность в измерении линейных и угловых размеров, а также других технологических параметров. Поэтому в данном пособии особое внимание уделено методам и средствам измерения технических величин, а также технологических размеров, перемещений, контроля формы объектов, рассмотрены актуальные проблемы и перспективы развития методов и средств измерений и контроля. Предлагаемое читателям учебное пособие является частью методического комплекса по дисциплине «Контроль и метрологическое обеспечение средств и систем автоматизации, испытаний и контроля»¹ и предназначено для студентов, специализирующихся в области проектирования, разработки и практического применения приборов для измерения различного рода физических величин, контроля и управления качеством сырья, материалов, промежуточной и конечных измерений технологических процессов. В результате изучения профессионального модуля обучающийся должен: иметь практический опыт: проведения измерений различных видов произведения подключения приборов; уметь: выбирать метод и вид измерения; пользоваться измерительной техникой, раз личными приборами и типовыми элементами средств автоматизации; рассчитывать параметры типовых схем и устройств, осуществлять рациональный выбор средств измерений; производить поверку, настройку приборов; выбирать элементы автоматики для конкретной системы управления, исполнительные элементы и устройства мехатронных систем; снимать характеристики и производить подключение приборов; учитывать законы регулирования на объектах, рассчитывать и устанавливать параметры настройки регуляторов; проводить необходимые технические расчеты электрических схем включения датчиков и схем предобработки данных несложных мехатронных устройств и систем; рассчитывать и выбирать регулирующие органы; ориентироваться в программно-техническом обеспечении микропроцессорных систем; применять средства разработки и отладки специализированного программного обеспечения для управления объектами автоматизации; применять Общероссийский классификатор продукции (ОКП); знать: виды и методы измерений; основные метрологические понятия, нормируемые метрологические характеристики; типовые структуры измерительных устройств, методы и средства измерений технологических параметров; принцип действия, устройства и конструктивные особенности средств измерения; назначение, устройства и особенности программируемых микропроцессорных контроллеров, их функциональные возможности, органы настройки и контроля

1.1 Теоретические основы контроля.

1.1.1 Виды и методы измерений

Измерение - процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью средств измерения.

Результатом процесса является значение физической величины Q = qU , где q - числовое значение физической величины в принятых единицах; U - единица физической величины. Значение физической величины Q, найденное при измерении, называют действительным.

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Средствами измерений (СИ) являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Существует различные виды измерений. Классификацию видов измерения проводят, исходя из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения выделяют статические и динамические измерения.

Статические - это измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени. Такими измерениями являются, например, измерения размеров изделия, величины постоянного давления, температуры и др.

Динамические - это измерения, в процессе которых измеряемая величина изменяется во времени, например, измерение давления и температуры при сжатии газа в цилиндре двигателя.

По способу получения результатов, определяемому видом уравнения

измерений, выделяют прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q - искомое значение измеряемой величины, а  X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Примерами таких измерений являются: измерение длины линейкой или рулеткой, измерение диаметра штангенциркулем или микрометром, измерение угла угломером, измерение температуры термометром и т.п.

Косвенные - это измерения, при которых значение величины определяют на основании известной зависимости между искомой величиной и величинами, значения которых находят прямыми измерениями. Таким образом, значение измеряемой величины вычисляют по формуле Q = F(x1, x2 ... xN), где Q - искомое значение измеряемой величины; F - известная функциональная зависимость, x1, x2, … , xN - значения величин, полученные прямыми измерениями. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, измерение среднего диаметра резьбы методом трёх проволочек и т.д. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить прямым измерением. Встречаются случаи, когда величину можно измерить только косвенным путём, например размеры астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные - это такие измерения, при которых значения измеряемых величин определяют по результатам повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Значение искомой величины определяют решением системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений.

Пример1: совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора, т.е. проведение калибровки по известной массе одной из них и по результатам прямых измерений и сравнения масс различных сочетаний гирь. Рассмотрим пример совокупных измерений, который заключается в проведении калибровки разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг. Ряд гирь (кроме 2*) представляет собой образцовые массы разного размера. Звездочкой отмечена гиря, имеющая значение, отличное от точного значения 2 кг. Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Меняя комбинацию гирь, проведем измерения. Составим уравнения, где цифрами обозначим массу отдельных гирь, например 1обр обозначает массу образцовой гири в 1 кг, тогда: 1 = 1обр + a; 1 + 1обр = 2+ + b; 2* = 2 + c; 1 + 2 + 2* = 5 + d и т.д. Дополнительные грузы, которые необходимо прибавлять к массе гири указанной в правой части уравнения или отнимать от неё для уравновешивания весов, обозначены a, b, c, d . Решив эту систему уравнений, можно определить значение массы каждой гири.

Совместные - это измерения, производимые одновременно двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Примерами совместных измерений являются определение длины стержня в зависимости от его температуры или зависимости электрического сопротивления проводника от давления и температуры.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса.

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. В этот класс включены все высокоточные измерения и в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин. Сюда относятся также измерения физических констант, прежде всего универсальных,

например, измерение абсолютного значения ускорения свободного падения.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лабораториями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями. Эти измерения гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и др.

В зависимости от способа выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называют измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант. Примерами абсолютных измерений являются: определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.

Относительными называют измерения, при которых искомую величину сравнивают с одноименной величиной, играющей роль единицы или принятой за исходную. Примерами относительных измерений являются: измерение диаметра обечайки по числу оборотов мерного ролика, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 куб.м воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 куб.м воздуха при данной температуре.

В зависимости от способа определения значений искомых величин различают два основных метода измерений метод непосредственной оценки и метод сравнения мерой.

Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измеритель ного прибора прямого действия. Примерами таких измерений являются: измерение длины с помощью линейки, размеров деталей микрометром, угломером, давления манометром и т. д.

Метод сравнения с мерой - метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения диаметра калибра оптиметр устанавливают на нуль по блоку концевых мер длины, а результат измерения получают по показанию стрелки оптиметра, являющегося отклонением от нуля. Таким образом, измеряемая величина сравнивается с размером блока концевых мер.

Существуют несколько разновидностей метода сравнения:

а) метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, позволяющий установить соотношение между этими величинами, например измерение сопротивления по мостовой схеме с включением в диагональ моста показывающего прибора;

б) дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Этим методом, например, определяют отклонение контролируемого диаметра детали на оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;

в) нулевой метод - также разновидность метода сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Этим методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием;

г) при методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал.

В зависимости от способа получения измерительной информации, измерения могут бытьконтактными и бесконтактными.

В зависимости от типа, применяемых измерительных средств, различают инструментальный, экспертный, эвристический и органолептический методы измерений.

Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.

Экспертный метод оценки основан на использовании суждений группы специалистов.

Эвристические методы оценки основаны на интуиции.

Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека. Оценка состояния объекта может проводиться поэлементными и комплексными измерениями. 

Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности. Например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала. 

Комплексный метод характеризуется измерением суммарного показателя качества, на который оказывают влияние отдельные его составляющие. Например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.; контроль положения профиля по предельным контурам и т. п.

Нормируемые метрологические характеристики (ГОСТ 8.009-84).

      Под нормированием понимается установление границ на допустимые отклонения реальных метрологических характеристик средств измерений от их номинальных значений. Только посредством нормирования метрологических характеристик можно добиться их взаимозаменяемости и обеспечить единство измерений в государстве. Реальные значения метрологических характеристик определяют при изготовлении средств измерений и затем проверяют периодически во время эксплуатации. Если при этом хотя бы одна из метрологических харак теристик выходит за установленные границы, то такое средство измерений либо подвергают регулировке, либо изымают из обращения.

Нормы на значения метрологических характеристик устанавливаются стандартами на отдельные виды средств измерения. При этом делается различие между нормальными и рабочими условиями применения средств измерения.

Нормальными считаются такие условия применения средств измерений, при которых влияющие на процесс измерения величины (температура, влажность, частота, напряжение питания, внешние магнитные поля и т.д.), а также неинформативные параметры входных и выходных сигналов находятся в нормальной для данных средств измерений области значений, т.е. в такой области, где их влиянием на метрологические характеристики можно пренебречь. Нормальные области значений влияющих величин указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений данного вида в форме номиналов с нормированными отклонениями, например, температура должна составлять 20±2°С, напряжение питания– 220 В±10% или в форме интервалов значений (влажность 30 – 80 %).

     Рабочая область значений влияющих величин шире нормальной области значений. В ее пределах метрологические характеристики существенно зависят от влияющих величин, однако их изменения нормируются стандартами на средства измерений в форме функций влияния или наибольших допустимых изменений. За пределами рабочей области метрологические характеристики принимают неопределенные значения.

Для нормальных условий эксплуатации средств измерений должны нормироваться характеристики суммарной погрешности и ее систематической и случайной составляющих. Суммарная погрешность  средств измерений в нормальных условиях эксплуатации называется основной погрешностью и нормируется заданием предела допускаемого значения  , т.е. того наибольшего значения, при котором средство измерений еще может быть признано годным к применению.

Перечисленные выше метрологические характеристики следует нормировать не только для нормальной, но и для всей рабочей области эксплуатации средств из мерений, если их колебания, вызванные изменениями внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала в пределах рабочей области, существенно меньше номинальных значений. В противном случае эти характеристики нормируются только для нормальной области, а в рабочей области нормируются дополнительные погрешности путем задания функций влияния  или наибольших допустимых изменений  раздельно для каждого влияющего фактора; в случае необходимости – и для совместного изменения нескольких факторов. Функции влияния нормируются формулой, числом, таблицей или задаются в виде номинальной функции влияния и предела допускаемых отклонений от нее.

Для используемых по отдельности средств измерений, точность которых заведомо превышает требуемую точность измерений, нормируются только пределы  допускаемого значения суммарной погрешности и наибольшие допустимые изменения метрологических характеристик. Если же точность средств измерений соизмерима с требуемой точностью измерений, то необходимо нормировать раздельно характеристики систематической и случайной погрешности и функции влияния. Только с их помощью можно найти суммарную погрешность в рабочих условиях применения средств измерений.

Динамические характеристики нормируются путем задания номинального дифференциального уравнения или передаточной, переходной, импульсной весовой функции. Одновременно нормируются наибольшие допустимые отклонения динамических характеристик от номинальных.

В заключение данного раздела следует отметить, что никакое нормирование погрешностей средств измерений само по себе не может обеспечить единства измерений. Для достижения единства измерений необходима регламентация самих методик проведения измерений.

Типовые характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (нормируют как номинальные характеристики средств измерений данного типа.

Для конкретных экземпляров средств измерений, предназначенных для применения с одной или несколькими индивидуальными характеристиками (а не с номинальными, распространяющимися на все экземпляры средств измерений данного типа, соответствующие номинальные характеристики можно не нормировать. В этих случаях нормируют пределы (граничные характеристики), в которых должна находиться индивидуальная характеристика при предусмотренных условиях применения средств измерений.

Характеристики систематической составляющей погрешности средств измерений нормируют путем установления:

- пределов (положительного и отрицательного) sp допускаемой систематической составляющей погрешности средств измерений данного типа или

- пределов sp допускаемой систематической составляющей погрешности, математического ожидания M[sp]¹ и среднего квадратического отклонения  [s]¹ систематической составляющей погрешности средств измерений данного типа.

Характеристики случайной составляющей погрешности нормируют путем установления:предела _p[ ] допускаемого среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности средств измерений данного типа или

предела _p[ ] допускаемого среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности, номинальной нормализованной автокорреляционной функции r _sf(T) или номинальной функции спектральной плотности S _sf() случайной составляющей погрешности и пределов допускаемых отклонений этих функций от номинальных.

Характеристику случайной составляющей  H погрешности от гистерезиса нормируют путем установления предела (без учета знака) Н_р допускаемой вариации выходного сигнала (показания) средства измерений данного типа.

При нормировании характеристики погрешности средств измерений (устанавливают пределы (положительный и отрицательный) р допускаемой погрешности и предел Н_р допускаемой вариации выходного сигнала (показания) средства измерений.

Характеристику можно нормировать для средств измерений, случайная составляющая погрешности которых в каждой точке диапазона измерений пренебрежимо мала в соответствии с критериями существенности.

Для средств измерений, не предназначенных для совместного применения с другими средствами измерений (в том числе в составе измерительных систем или измерительно-вычислительных комплексов), в тех случаях, когда их погрешность в рабочих условиях применения практически полностью может быть определена нормированными верхней в и нижней н границами интервала, в котором лежит погрешность в нормальных условиях с заданной вероятностью Р, допускается указанные границы и вероятность нормировать и при существенной случайной составляющей основной погрешности средства измерений, в соответствии с критериями существенности.

Функции влияния нормируют путем установления:

- номинальной функции влияния _sf()и пределов допускаемых отклонений от нее или граничных функций влияния: верхней ^*() и нижней _*().

Граничные функции влияния нормируют для таких средств измерений, у которых велик разброс функций влияния по множеству экземпляров. В силу этого номинальную функцию влияния не нормируют. При применении таких средств измерений, в случае необходимости, определяют функции влияния, индивиду альные для каждого экземпляра средства измерений. Нормированные граничные функции влияния используют для контроля качества средств измерений.

Изменения значений MX, вызванные изменениями влияющих величин, нормируют путем установления пределов (положительного и отрицательного) допускаемых изменений характеристики при изменении влияющей величины в заданных пределах.

Пределы допускаемых изменений погрешности средства измерений допускается называть пределами допускаемой дополнительной погрешности средства измерений.

Функции влияния () и наибольшие допускаемые изменения _p() нормируют отдельно для каждой влияющей величины. Функции влияния и наибольшие допускаемые изменения допускается нормировать для совместных изменений нескольких влияющих величин как (₁, ₂, …) или _p(₁, ₂, …), если функция (_i) или _p(_i) какой-либо одной влияющей величины _iсущественно зависит от других влияющих величин _i.

Критерий существенности устанавливают в НТД на средства измерений конкретных типов (или видов).

(положительного и отрицательного) допускаемых отклонений от нее.

Частные динамические характеристики аналоговых средств измерений, которые можно рассматривать как линейные, нормируют путем установления номинальных частных динамических характеристик и пределов (положительного и отрицательного) допускаемых отклонений от них.

Допускается нормировать только частную динамическую характеристику в тех случаях, когда эта характеристика достаточна для учета динамических свойств средства измерений при его применении. Предпочтительной является такая частная динамическая характеристика, экспериментальное определение и (или) контроль которой могут быть осуществлены с необходимой точностью и наиболее простым методом.

Погрешность датирования отсчета нормируют путем установления предела допускаемого математического ожидания погрешности датирования и предела допускаемого среднего квадратического отклонения или предела допускаемого размаха случайной составляющей погрешности датирования.

Для средств измерений, у которых велик разброс динамических характеристик (полных или частных) по множеству экземпляров и, в силу этого, для которых в НТД установлена необходимость определения и дальнейшего использования индивидуальных динамических характеристик каждого экземпляра средств измерений, нормируют граничные динамические характеристики.

Характеристики средств измерений, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия средств измерений с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов, нормируют путем установления номинальных характеристик и пределов допускаемых отклонений от них или граничных характеристик.

Неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений нормируют путем установления номинальных параметров и пределов допускаемых отклонений от них.

MX допускается нормировать для рабочих и для нормальных условий применения средств измерений.

MX нормируют для нормальных условий² в тех случаях, когда дополнительные погрешности признаны существенными. В этих случаях характеристики погрешности и называются, соответственно, характеристиками систематической составляющей основной погрешности, характеристиками случайной составляющей основной погрешности, характеристиками основной погрешности. Кроме них нормируют характеристики.

Типовые структуры измерительных устройств

Измерительное устройство можно рассматривать как функциональный преоб-разователь измеряемой физической величины, принимаемой за входной сигнал, в другую физическую величину – выходной сигнал, пригодную для отсчета человеком-оператором или удобную для дальнейшего преобразования и обработки автоматизированной системой управления.

Схема прохождения сигналов через ИУ представлена на рис. 1.1

Рис.1.1. Схема прохождения сигналов через ИУ

X и Y - соответственно входной и выходной сигналы;

q1 ,q2 ,qn - внутренние параметры ИУ, определяющие его свойства;

z1 , z2 ,zn - внешние параметры, отображающие условия эксплуатации ИУ.

К внутренним параметрам относятся характеристики элементов, входящих в структуру ИУ, а также внутренние дестабилизирующие факторы. К характеристикам элементов относят физические параметры материалов, из которых они выполнены, массово-геометрические, упругие и другие их свойства.

Под дестабилизирующими факторами понимают факторы, которые являются источниками дополнительных погрешностей ИУ. К таким факторам относятся силы трения в опорах подвижных узлов ИУ; дисбаланс, т.е. смещение центра масс отдельных элементов ИУ от центра подвеса или пересечения осей симметрии; возникновение сил и моментов из-за натяжения проводников подвода питающих напряжений и т.д. например самолета, на которых установлено ИУ и т.д.

В большинстве случаев структура ИУ такова, что преобразование сигналов отвхода до выхода проходит несколько фаз, т.е. измеряемая величина X, прежде чем она преобразуется в выходной сигнал Y, претерпевает промежуточные преобразования. В данной структуре выходной сигнал Y представляет собой сумму выходных сигналов отдельных измерительных звеньев:

Замкнутые структурные схемы ИУ образуются при встречно-параллельном соединении звеньев с положительной или отрицательной обратной связью. Положительная обратная связь обычно применяется при создании ИУ, работающих в автогенераторном режиме. Выходной сигнал таких ИУ, например, может представлять высокочастотные незатухающие колебания различной формы, частота которых зависит от входного сигнала.

При создании датчиков первичной навигационной информации чаще всего используют отрицательную обратную связь. Введение отрицательной обратной связи (О.С.) встречно-параллельные соединения могут содержать не по одному, а по несколько последовательных звеньев компенионного типа одной чертой измерителей компенсационного типа является то, что при установившемся режиме измеряемая величина X полностью уравновешивается выходным сигналом X2 или сигналом X3 при помощи звеньев, включенных в цепь обратной отрицательной связи. (рис.1.2)

Рис.1.2 Схема датчиков первичной навигационной информации

Измерительные устройства компенсационного типа относятся к классу высо-коточных или так называемых, прецизионных. Высокая точность измерения достигается за счет компенсации изменений параметров звеньев, включенных в прямую цепь, изменением параметров звеньев, включенных в обратную связь. Так изменение выходного сигнала звена, включенного в обратную связь,

(например, звена будет происходить до тех пор, пока его величина ( X2 ) не станет равной величине входного сигнала ( X ). При достижении равенства X = X2 суммарное действие на звено 1 полностью сводиться к 0 что и обеспечивает компенсацию погрешности измерения, обусловленной изменением параметров звеньев, включенных в прямую цепь