4.6.4 Ип на других физических эффектах

Всего в современной физике известно более 400 различных эффектов. Разработчики преобразователей применяют их в своих устройствах, обеспечивая оптимальные метрологические характеристики ИП конкретного назначения (диапазона преобразуемой физической величины, внешних условий, дополнительных требований к габаритам, массе и т.д.).

Понятно, например, что температуру звезд не измерить контактным методом с помощью терморезистора. Для этого применяют оптические преобразователи (пирометры). Для преобразования низких давлений в электрический сигнал используют эффекты прохождения тока через вакуум или взаимодействие в вакууме заряженных частиц с электрическим и магнитным полями.

Конструктивно обособленные преобразователи, воспринимающие действие измеряемой физической величины (датчики), содержат, как правило совокупность ИП. Например, датчики давления содержат мембрану, прогибающуюся пропорционально величине давления, на которую наклеены (или напылены в вакууме) тензорезисторы. В корпусе датчика оказываются: мембрана (уже измерительный преобразователь давления в линейное перемещение), тензорезисторы, усилитель, источник электрического питания.

Турбинный расходомер, преобразователь расхода жидкости в частоту электрического сигнала, состоит из трех основных узлов: отрезка трубы из прозрачного для магнитного поля материала (обычно это нержавеющая сталь) с точно известными размерами, установленной в ней вращающейся турбинки и магнитного узла (рисунок 4.16).

Ч астота вращения ротора турбинки 8 пропорциональна скорости течения жидкости, а произведение скорости потока на постоянное поперечное сечение трубы как раз и есть величина объемного расхода жидкости. Следующее преобразование связано с магнитным узлом 4. В нем установлен постоянный магнит, вокруг которого намотана катушка проволоки. Магнитное поле постоянного магнита проникает сквозь корпус трубы и периодически искажается вращающимися лопастями турбинки. А изменение магнитного поля (по эффекту электромагнитной индукции) вызывает появление на концах катушки проволоки переменное электрическое напряжение по форме, близкое к синусоидальному.

Многообразным типам датчиков, объяснениям принципов их работы и условиям применения посвящены толстые монографии и справочники. Мы укажем только на одно обстоятельство: из всех средств измерения датчики находятся в самых тяжелых условиях эксплуатации – их погружают в глубины океана и расплавленный металл; подымают в космос и запрессовывают в тело плотин и т.д. С другой стороны, датчики в наибольшей степени определяют общую погрешность измерительных устройств. Поэтому разработка датчика с малыми погрешностями, нечувствительным к внешним условиям и не измеряемым параметрам физического объекта всегда является большим достижением научных и конструкторских коллективов.

5 Измерительные системы

Под измерительными системами понимается совокупность функционально объединенных мер, 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 в различных целях [3].

Поясним данное определение. Большинство технологических процессов на предприятиях, режимы и состояние технических устройств (двигателей, самолетов, турбин) должны постоянно контролироваться в процессе работы. Для этого служат соответствующие средства измерений – давлений, температур, расходов, пульсаций давлений, вибраций, состава газов и т.д. Например, в котельной измеряют несколько десятков параметров на одном котле (температура и давление воды на входе в котел, те же параметры на выходе; расход воды; температура, давление, объемный расход природного газа; концентрация кислорода, окиси и двуокиси углерода в дымовом газе и т.д.). На турбогенераторе - больше ста; при испытании ракетного двигателя и на химических производствах - более тысячи.

Лет 40 тому назад каждый параметр измерялся отдельной совокупностью измерительных средств, называемой измерительным каналом. Измерительный канал включал в себя датчик, усилитель, линии связи и стрелочный показывающий (или самопишущий) прибор. По показаниям таких приборов оператор должен был поддерживать технологические процессы, оценивать эффективность работы турбогенераторов и целых энергосистем, определять технические параметры испытываемых двигателей, компрессоров, турбин и других сложных технических систем.

Совершенно очевидно, что человек по своим физиологическим данным не в состоянии несколько часов держать в голове текущие значения нескольких параметров, проводить их анализ и оптимизировать технологический процесс. В итоге экономическая эффективность производств была далека от оптимальной.

Самопишущие приборы писали аналоговую информацию на рулон бумажной ленты, расшифровка которой занимала сутки; вопрос оперативности в этом случае вообще не стоял.

Вторая проблема – парирование нештатных, аварийных ситуаций. Подобные процессы, как правило, развиваются очень быстро – прорыв трубы, задир подшипников, отрыв лопатки турбины и т.д. При этом оператор просто не успевает адекватно оценить ситуацию по результатам измерений (здесь действует еще один фактор – оператор по приборам видит последствия развития аварийной ситуации, а не ее первопричину – не прорыв трубы, а спад давления; не отсутствие смазки в подшипниках, а падение мощности; не отрыв лопатки, а рост вибрации турбины).

Бурное развитие цифровой электроники позволило создать системы измерений, которые выполняют с высокой скоростью вычислительные и логические операции, реализующие весьма сложные алгоритмы сбора, преобразования, передачи, хранения и представления результатов измерений. Подобные системы называются информационно – измерительными.

Системы, выполняющие процедуры установления соответствия между значениями измеряемых величин и заданными нормами (уставками) называются контрольно – измерительными.

Диагностические системы реализуют алгоритмы поиска и прогнозирования отказов объектов, на которых установлены датчики системы измерений.

Выходная информация измерительных систем служит источником данных для функционирования автоматизированных систем управления процессами, в частности, технологическими [12].

Внедрение измерительных систем, с одной стороны, позволило решить большое количество сложных измерительных задач (измерение большого количества физических величин и организация больших потоков измерительной информации, ее математическая обработка в реальном времени, хранение и представление пользователю в удобном виде и т.д.). С другой стороны, системы потребовали решение новых теоретических задач и разработки новой элементной базы и алгоритмов функционирования. В, частности, вопросов оптимальной организации больших потоков измерительной информации, квантования и дискретизации сигналов, оценки погрешности измерений, помехоустойчивости и метрологической надежности.

Мы не будем касаться указанных вопросов, а как пример, рассмотрим структурную схему и алгоритм функционирования простой информационно-измерительной системы учета теплопотребления многоквартирного дома (рисунок 5.1).

Система измеряет параметры воды в трубопроводах отопления водоснабжения холодной и горячей водой и трубе стока воды. В трубах установлены термометры сопротивления (обозначены как t/R), датчики давления с

выходным токовым сигналом (обозначены как P/I), расходомеры ПРЭМ, которые объемный расход преобразуют в частоту электрического сигнала (обозначены как V/f).

Все датчики проводными линиями связаны с измерительно – вычислительным комплексом (ИВК), который выполняет следующие основные операции:

- автоматическая коррекция функции преобразования цепи коммутатор – АЦП;

- последовательное подключение аналоговых сигналов с датчиков к входу в АЦП;

- аналого – цифровое преобразование последовательно подключаемых ко входу АЦП сигналов датчиков;

- формирование шкалы астрономического времени;

- преобразование кодов в значения физических величин;

- расчет вторичных параметров, называемых результатами косвенных измерений;

- хранение массивов значений измеренных величин и вторичных параметров с значениями моментов времени, когда они получены;

- вывод текущих значений параметров на цифровой дисплей;

- передача данных на персональный компьютер по стандартному интерфейсу.

Все указанные операции выполняются в небольшом блоке, обозначенном на рисунке 5.1 как ИВК. Это стало возможным благодаря появлению микросхем большой степени интеграции, включающих в себя коммутатор, АЦП, задающий тактовый генератор, часы (таймер), память и устройства формирования сигналов передачи цифровой информации в принятом стандарте (интерфейс).

Чтобы получить представление об алгоритмах, по которым функционирует ИВК, коротко рассмотрим часть алгоритма получения результатов прямых измерений температур и расходов и результатов косвенных измерений – количества тепловой энергии

5.1 ПОЛУЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1.1 Подключение к входу i - того канала образцового сигнала, равного условному нулю сигнала термометра сопротивления, например, R_0min =100 Ом.

5.1.2 Выполнение аналого-цифрового преобразования сигнала в цифровой код и занесение результата N_min в память вычислителя.

5.1.3 Подключение к входу i-того канала образцового сигнала, равного максимальному значению термометра сопротивления, например, R_0max=150 Ом.

5.1.4 Выполнение аналого-цифрового преобразования сигнала в цифровой код и занесение результата N_max в память вычислителя.

Полученные значения кодов N_min и N_max задают текущее значение величины диапазона измерений.

5.1.5 Подключение к входу i - того канала сигнала с термометра сопротивления. Выполнение аналого-цифрового преобразования сигнала в цифровой код и занесение результата N_д в память вычислителя.

5.1.6 Вычисление текущего значения выходного сигнала датчика Y(t) (в рассматриваемом случае это значение сопротивления терморезистора в момент времени измерения t) по выражению:

.

5.1.7 Определение интервала градуировочной характеристики датчика (Y_i-1; Y_i), в котором находится текущее значение сигнала датчика Y(t); Y_i-1; Y_i - две последовательных точки градуировочной таблицы: Y_i-1 ≤ Y(t ) ≤ Y_i.

5.1.8 Определение текущего значения x(t) величины измеряемого физического параметра X (в рассматриваемом случае это текущее значение температуры в момент времени t)

,

где X_i-1; X_i - значения измеряемой физической величины (температуры в градусах Цельсия), соответствующие градуировочным значениям Y_i-1; Y_i (сопротивление, Ом) соответственно. Исходно данные о зависимости между температурой термометра и значением его сопротивления при этом берутся из паспорта на термометр и заносятся в память ИВК до начала процесса измерений.

5.1.9 Алгоритм преобразования частоты сигнала расходомера в цифровой код:

,

где N –число импульсов измеряемой частоты в интервале опроса;

n1 – число импульсов эталонной частоты( Fэ) в интервале между последним импульсом измеряемой частоты и импульсом окончания опроса предыдущего периода опроса;

n2 – число периодов эталонной частоты в интервале между последним импульсом измеряемой частоты и импульсом окончания опроса текущего периода опроса;

Fэ – частота эталонного генератора; Fo – частота опроса.

5.1.10 Текущее значение объемного расхода определяется по формуле:

V = A·F_n + B,

где А и В – константы, указанные в паспорте на расходомер.

5.2 ПОЛУЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

5.2.1 Вычисление плотности жидкости в трубопроводах при измеренных значениях температур:

,

где - табличное значение плотности жидкости при температуре ;

- средний коэффициент объемного теплового расширения жидкости.

5.2.2 Вычисление массового расхода G по уравнению:

,

где D – внутренний диаметр трубопровода.

5.3.3 Вычисление количества Q_ПОТР поданной потребителю тепловой энергии:

,

где τ₀, τ_к - начальный и конечный моменты временного интервала измерения тепловой энергии;

G₁(τ), G₂(τ) - текущие значения массового расхода теплоносителя в подающем и возвратном трубопроводах соответственно;

t₁(τ), t₂(τ), t_ХВ(τ) - текущие значения температур теплоносителя в подающем, обратном и подпитывающем трубопроводах;

с₁, с₂, с_ХВ – теплоемкости воды при температурах соответственно t₁(τ), t₂(τ), t_ХВ(τ).

Приведенная часть алгоритма функционирования измерительной системы учета потребления тепла составляет малую долю всего алгоритма, но она дает некоторое представление о работе измерительных систем.

6 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

6.1. СОДЕРЖАНИЕ ТЕРМИНА «ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ»

Под термином «единство измерений» понимается состояние измерений, при которых результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью [13].

Вопросы, связанные с узаконенными единицами физических величин и, в частности, их реализацией в виде эталонов, были рассмотрены в п. 1.3. Как определяют нахождение погрешностей в установленных границах было описано в п. 3.4.3.

Открытым остался важный вопрос о передаче единицы величины рабочим средствам измерений, которые содержат в своем составе не эталоны, а меры. Понятно, что нельзя добиться меньшей погрешности измерений, чем погрешность реализации эквивалента единицы физической величины (меры) в измерительном приборе (или системе). Поэтому передача значения единицы величины от эталонов к мерам является существеннейшим вопросом.

Решение состоит из двух этапов. На первом этапе в результате проведения серии научно – исследовательских работ создают и исследуют метрологические характеристики государственного эталона и других средств измерения с малыми погрешностями. Далее разрабатывают методики сравнения одних средств измерения с другими: особо точных, называемых образцовыми, с эталоном; образцовых – с рабочими. Схема, по которой происходит сравнение более грубых средств измерения с более точными называется поверочной схемой.

На втором этапе полученные результаты закрепляются законодательно в государственном стандарте, обязательном для использования.

Проиллюстрируем сказанное на двух примерах: поверочной схеме для средств измерения массы [14] и средств измерения массового расхода жидкости [14].

6.2 ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ

6.2.1 Средства измерения массы

Средства измерения массы состоят из:

- государственного первичного эталона массы;

- эталонов – копий;

- рабочих эталонов;

- образцовых средств измерений;

- рабочих средств измерений.

6.2.2 Государственный первичный эталон

Государственный первичный эталон предназначен для воспроизведения и хранения единицы массы, размер которой получен в результате сличения с Международным прототипом килограмма, и передачи размера единицы массы с помощью вторичных эталонов и ОСИ рабочим средствам измере­ний с целью обеспечения единства измерений в стране.

6.2.2.1 Государственный первичный эталон включает в себя комплекс следующих средств измере­ний:

-национальный прототип килограмма — копия № 12 Международного прототипа килограм­ма — гиря из платиноиридиевого сплава;

• копия № 26 Международного прототипа килограмма — гиря из платиноиридиевого сплава, слу­жащая для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимой национальным прототи­пом килограмма, и для замены последнего в период его сличений в Международном бюро мер и весов;

• гиря R₁ и набор гирь, изготовленные из платиноиридиевого сплава;

• компараторы массы.

Номинальное значение массы, при котором воспроизводится единица, составляет 1 кг.

Среднее квадратическое отклонение (далее — СКО) суммарной погрешности результата измерений S при сличении государственного первичного эталона с Международным прототипом кило­грамма не превышает 2,3· 10^–3 мг. Нестабильность эталона за 1 году составляет 3· 10^–4 мг.

6.2.3 Передача единицы массы эталонам - копиям

Государственный первичный эталон используют для передачи размера единицы массы этало­нам-копиям сличением с помощью компаратора.

СКО результатов единичных измерений с помощью компараторов массы с наибольшими пределами измерений от 5· 10^-3 до 1 кг составляет от 5· 10^-4 до 2· 10^–3 мг. Дискретность компараторов массы составляет от 1· 10^–4 до 1· 10^–3 мг.

6.2.4 Вторичные эталоны

6.2.4.1 Эталоны-копии

В качестве эталонов-копий используют гири номинальным значением массы 1 кг, изготов­ленные из платиноиридиевого сплава или немагнитной нержавеющей стали, и компараторы массы.

СКО суммарной погрешности результатов сличений S_E эталонов-копий с государственным первичным эталоном и их нестабильность v за межповерочный интервал должны быть не более указан­ных в таблице 6.1.

Т а б л и ц а 6.1 — Пределы допускаемых значений характеристик погрешностей и нестабильность эталонов

Эталоны-копии используют для передачи размера единицы массы рабочим эталонам (далее — РЭ) сличением с помощью компаратора.

СКО результатов единичных измерений с помощью компараторов массы (далее — СКО компараторов), применяемых для передачи размера единицы массы РЭ, должно быть не более указан­ного в таблице 6.2.

Т а б л и ц а 6.2 — СКО компараторов, применяемых для передачи размера единицы массы РЭ

Дискретность компараторов, применяемых для передачи размера единицы массы РЭ, должна быть не более СКО компараторов.