6.7.8.9) Функциональная структура измерительной системы. Основные требования к измерительным приборам. Методы измерения. Понятие о точности измерительных приборов, основные виды погрешностей.

В связи с развитием систем автоматического управления технологическими процессами и предприятиями широко используются в промышленности измерительные системы.

Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи.

Автоматический контроль технологических процессов осуществляется с помощью измерительных приборов – устройств измерения, служащих для выработки сигнала о каком – либо параметре процесса в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком.

При централизованном контроле и управлении технологическим процессом необходимо значения измеряемых параметров от различных точек технологических объектов передать к единому пункту контроля и управления, либо к регулирующему устройству. При этом расстояния, на которые приходится передавать сигналы измеряемых параметров, могут достигать более десяти километров.

При централизованном контроле любой измерительный прибор включает три основных узла: первичный измерительный преобразователь, канал связи и вторичный прибор.

Первичный измерительный преобразователь, установленный на объекте, преобразует измеряемую величину в выходной сигнал, удобной для передачи по каналу связи. Канал связи служит для передачи сигнала от первичного преобразователя к вторичному прибору. Вторичный прибор – это устройство, воспринимающее сигнал от первичного преобразователя и выражающее его в удобном для восприятия виде.

Рассмотрим систему передачи измеряемой величины на расстояния.

С вх.1 х С вых.1 Свх.2 С вых.2

1

2

3

4

Канал связи

Рисунок 1 – Схема дистанционной передачи показаний

Она состоит из первичного измерительного преобразователя, передающего измерительного преобразователя, канала связи, приемника и вторичного прибора (рисунок 1). Первичный измерительный преобразователь 1 находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, воспринимает значение С вх. 1 измеряемого параметра и преобразует его в сигнал х, который подается на вход передающего преобразователя 2. Передающий преобразователь 2 преобразует измерительный сигнал в параметр С вых.1, удобный для телепередачи, и передает в канал связи. На приемной стороне сигнал С вх.2 поступает на вход приемника 3, где он преобразуется в сигнал С вых.2, воздействующий на вторичный прибор 4. Вторичный прибор 4 преобразуют измерительный сигнал в показания значения измеряемой величины в удобном для восприятия виде. Причем сигнал С вх.2 на приемной стороне канала связи может отличаются от сигнала С вых.1 на выходе передающего преобразователя 2 вследствие воздействия на канал связи разных помех.

Первичный измерительный преобразователь представляет собой чувствительный элемент, устанавливаемый непосредственно на объекте и находящийся под воздействием измеряемой среды.

Методы измерения.

Метод измерения – это совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Для прямых измерений выделяют несколько основных методов: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой, совпадения.

Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерения давления пружинным манометром. Точность измерений этим методом ограничена, но процесс измерения быстрый. К группе средств измерений этим методом относятся показывающие, в том числе стрелочные приборы (манометры, вольтметры, расходомеры).

В случае выполнения особо точных измерений применяют метод сравнения с мерой: измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями.

По дифференциальному (разностному) методу применяют разность между значениями измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величин. Например, сравнение измерений с образцовой мерой на компараторе при проверке мер длины. Дифференциальный (разностный) метод позволяет получать результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Но осуществлять этот метод можно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой.

Качество измерений.

Качество измерений характеризуются точностью, достоверностью, правильностью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.

Для определения точности измерений, т.е. их качества, отражающего близость результатов к истинному значению измеряемой величины, необходимо знать погрешность измерительного устройства при данном измерении.

Отклонение показаний измерительного устройства от истинного значения измеряемой величины характеризуется его погрешностью;

Погрешность средства измерения при нормальных условиях называют основной погрешностью; вследствие отклонения одной из влияющих величин от нормального значения или выхода ее за пределы области нормальных значений возникает дополнительная погрешность.

Погрешности выражаются в виде абсолютных и относительных величин.

Разность между показанием измерительного прибора и истинным значением измеряемой величины есть абсолютная погрешность.

Абсолютная погрешность γ:

γ =А_Н – А_g, (1)

где А_Н – показание измерительного прибора;

А_g – действительное значение измеряемой величины (измеренное образцовым прибором).

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины, то есть является именованным числом.

Измерительный прибор характеризуется относительной погрешностью β:

. (2)

Приведенная погрешность β_пр – отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению N, выраженное в %:

, (3)

где N – нормирующее значение, которое условно можно принять равным верхнему пределу измерений, диапозону измерений, длине шкалы и др.

Для определения погрешностей измерения и поправок к показаниям измерительных приборов их периодически подвергают проверке.

Для оценки точности работы средств измерений установлены классы точности измерительной аппаратуры.

Класс точности – средства измерения представляет собой его обобщенную характеристику, определяемую пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерений. Измерительные устройства делятся на классы точности по заранее заданной допускаемой основной приведенной погрешности (от 0,05 до 4,0)

К = 0,25; 0,5; 1,0; 1,5.

Измерительный прибор характеризуется схоимостью измерений и чувствительностью. Сходимость измерений характеризует близость одних результатов измерений другим, выполняемым в тех же условиях. Чувствительность измерительныного прибора S сбой отношение изменения сигнала на входе измерительного прибора Δх_вх:

, (4)

Порог чувствительности – это наименьшее иизменение измеряемой величины, способное вызвать минимально измеряемое изменение показаний измерительного устройства.

Точность получаемых результатов при использовании измерительных устройств зависит от статических и динамических свойств. Поведение измерительных устройств в динамическом режиме зависит от их внутренней структуры и входящих в них элементов и опреляется инерционностью, Инерционность характеризуется постоянной времени переходной характеристики, запаздыванием, которое определяется промежутком времени от момента изменения измеряемой технологической величины до начала изменения выходной величины измерительного устройства, а также минимальным временем изменения выходной величины в пределах диапазона ее изменения.

10.11.12.13.14.15.16) СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ.

Температуру измеряют двумя основными способами – контактными и бесконтактными. Контактный способ основан на прямом контакте измерительного преобразователя измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом. Бесконтактный способ – основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и воспринимаемой на растоянии от исследуемого объекта. Для измерения температуры бесконтактным способом применяют пирометры излучения. При контактном способе измерения температуры применяют термометры расширения, манометрические термометры, преобразователи термоэлектрические и термопреобразователи сопротивления.

Манометрические термометры. Основаны на изменении дав­ления газа, жидкости или парожидкостной смеси, находящихся в замкнутом объеме, при изменении температуры. Манометри­ческий термометр (рисунок 2) состоит из термобаллона 1, капил­лярной трубки 2 и манометра 3. Термобаллон 1 погружается в среду с измеряемой температурой. При изменении температуры изменяется давление рабочего вещества. По капилляру это дав­ление передается на трубчатую манометрическую пружину, от которой через передаточный механизм приводится в действие стрелка или перо прибора.

В зависимости от вида рабочего (термометрического) веще­ства, заполняющего термосистему, манометрические термомет­ры делятся на газовые, жидкостные и конденсационные.

Рисунок 2 - Манометрический термометр

В газовых манометрических термометрах ТГП-100 в качест­ве рабочего вещества используется обычно азот.

В жидкостных манометрических термометрах ТЖП-100 термосистема заполнена силиконовыми жидкостями.

В конденсационных манометрических термометрах ТКП-100 рабочим веществом являются низкокипящие органические жид­кости (ацетон, фреон, хлористый метил и др.) Термобаллон их на 2/3 заполнен рабочей жид­костью, над которой находится образующийся из нее насыщен­ный пар.

Достоинствами манометрических термометров: 1) взрыво- и пожаробезопасность; 2) простота конструкции и обслуживания;

3) надежность; 4) возможность дистанционного изме­рения и автоматической записи температуры. Недостатки 1) невысокая точность измерений вследствие несовершенства работы трубчатой пружины и отсчетного устройства; 2) большие размеры тер­мобаллона; 3) значительная инерционность.

Преобразователи термоэлектрические (ТЭП).

Принцип работы ТЭП состоит в следующем. Если составить замкнутую цепь из двух разнородных проводников А и В и нагреть один ее спай, то в цепи возникает электрический ток (рисунок 3,а)

Рисунок 3 - Схемы термоэлектрических цепей

а - цепь, состоящая из двух разнородных проводников;

б - схема включения третьего проводника в цепь ТЭП

Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим спаем ТЭП; второй спай носит название свободного.

Конструктивно ТЭП представляет собой две проволоки из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручива­ются, а затем свариваются или спаиваются (рисунок 4). ТЭП соединяют с вторичными приборами термоэлектродными проводами, изготовленными из таких же материалов, что и ТЭП, или из других сплавов, развивающих в пределах до 100 ⁰C ТЭДС, равную ТЭДС ТЭП.

Преобразователи термоэлектрические изготавливают сле­дующих типов: хромель-копелевые (ТХК) на пределы от -50 до 600⁰C; хромель-алюмелевые (TXA) на пределы от -50 до 1000⁰C; платинородий - платиновые (ТПП) на пределы от 0 до 1300⁰C; вольфрам-рениевые (TBP) на пределы от 100 до 1800⁰С; платинородий – радиевые (ТПР) на пределы от 300 до 1800⁰С.

В качестве вторичных приборов в комплекте с ТЭП применяют потенциометры.

Термопреобразователи сопротивления (TC). Измерение тем­пературы TC основано на изменении электрического сопротив­ления проводников или полупроводников с изменением темпе­ратуры. Зная эту зависимость, можно по значению сопротивле­ния определить температуру среды, в которую помещен TC. При увеличении температуры сопротивление ряда чистых ме­таллов возрастает, а полупроводников снижается.

Зависимость сопротивления металлов от температуры в не­большом интервале температур можно выражается уравнением:

(5)

Рисунок 4 - Технические ТЭП.

а – ТПП; б – ТХК и ТХА; 1 – рабочий спай; 2 - фарфоровый защитный чехол; 3 – фарфоровая трубка; 4 – металлическая трубка; 5 – термоэлектроды;

6 - фарфоровые бусы; 7 – неподвижный штуцер

где R_t — сопротивление металлического проводника при темпе­ратуре t⁰C;

R_t' — сопротивление того же проводника при тем­пературе t'⁰C;

(t - t') — интервал изменения температуры;

— коэффициент температурного сопро­тивления.

Зависимость между сопротивлением и температурой для TC различных типов дается в градуировочных таблицах.

Чувствительные элементы TC представляют собой тонкую медную или платиновую проволоку, намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас. Для предохранения от внешних воздействий чувствительные элементы TC заключают в металлическую трубку с литой го­ловкой, в которой cмонтированы выводы концов обмотки для их подключения к соединительным проводам (рисунок 5).

Термопреобразователи сопротивления изготавливают сле­дующих типов: TC медные (TCM) на пределы от - 50 до 200 ⁰C; TC платиновые (ТСП) на пределы от - 200 до 600⁰C; TC с унифицированным выходным сигналом 0 - 5, 4 - 20 мА; ТСМУ на пределы от - 50 до 200 ⁰C; ТСПУ на пределы от -200 до 500 ⁰C.

В качестве вторичных приборов в комплекте с TC применя­ют обычно уравновешенные мосты. Принципиальная схема уравновешенного моста показана на рисунке 6.

Рисунок 5 - Платиновый (а) и медный (б) TC:

1 - серебряная лента; 2 - платинная проволока; 3 - слюдяная пластика; 4 - подводящие серебряные провода: 5 - фарфоровые бусы: 6 - пластмассовая головка; 7 - тонко стенная защитная трубка; 8 - защитный чехол; 9 - медиан проволока; 10 - пластмассовый каркас; 11 - медные подводящие провода

Рисунок 6 - Принципиальная схема уравновешенного моста