литература / Примеры построения схем автоматизации, в том числе, для колонн / 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП
.pdfристик для различных видов СИ и критерий рациональности основных составляющих погрешности. Положения ГОСТ 8.009-84 гармонизированы с международными рекомендациями.
Все метрологические свойства (характеристики) можно разделить на две группы:
1)свойства, определяющие область применения СИ;
2)свойства, определяющие качество измерения.
Основными метрологическими характеристиками, определяющими свойства первой группы, являются диапазон измерений и порог чувствительности.
Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значение величины, ограничивающее диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.
Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала.
К метрологическим свойствам второй группы относятся три главных свойства, определяющих качество измерений: точность, сходимость и воспроизводимость измерений.
В практике применения средств измерений широко используется такая характеристика, как класс точности.
Класс точности СИ — обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в нормативных документах. При этом для каждого класса точности определяют конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это необходимо знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности будущих измерений.
Требования к назначению, применению и обозначению классов точности регламентированы в ГОСТ 8.401-80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Основные положения» [1]. Этот стандарт гармонизирован с международными рекомендациями [25, 29, 30, 37, 65].
2.4.2. Градуировка и поверка средств измерений
Градуировкой называется процесс нанесения отметок на шкалы средств измерений, а также определение значений измеряемой величины, соответствующих уже нанесенным отметкам для составления градуировочных кривых или таблиц.
Различают следующие способы градуировки.
1.Использование типовых шкал. Для подавляющего большинства рабочих и многих образцовых приборов используют типовые шкалы, которые изготовляются заранее в ϲᴏᴏᴛветствии с уравнением статической характеристики идеального прибора. При регулировке параметрам элементов прибора экспериментально придают такие значения, при которых погрешность в точках регулировки становится равной нулю.
2.Индивидуальная градуировка шкал. Индивидуальную градуировку шкал осуществляют в тех случаях, когда статическая характеристика прибора нелинейная или близка к линейной, но характер изменения систематической погрешности в диапазоне измерения случайным образом меняется от прибора к прибору данного типа так, что регулировка не позволяет уменьшить основную погрешность до пределов ее допускаемых значений.
3.Градуировка условной шкалы. Условной называется шкала, снабженная некоторыми условными равномерно нанесенными делениями, например, через миллиметр или угловой градус. В результате определяют зависимость числа делений шкалы, пройденных указателем от значений измеряемой величины. Эту зависимость представляют в виде таблицы или графика [21].
Калибровка (поверка) средств измерений — это комплекс дей-
ствий и операций, определяющих и подтверждающих настоящие (действительные) значения метрологических характеристик и (или) пригодность средств измерений, не подвергающихся государственному метрологическому контролю.
Пригодность средства измерений — это характеристика, определяющаяся соответствием метрологических характеристик средства измерения утвержденным (в нормативных документах, либо заказчиком) техническим требованиям. Калибровочная лаборатория определяет пригодность средства измерений.
Калибровка сменила поверку и метрологическую аттестацию средств измерений, которые проводились только органами государственной метрологической службы. Калибровка в отличие от поверки
и метрологической аттестации средств измерений может осуществляться любой метрологической службой при условии, что у нее есть возможность обеспечить соответствующие условия для проведения калибровки. Калибровка осуществляется на добровольной основе и может быть проведена даже метрологической службой предприятия.
Но тем не менее метрологическая служба предприятия обязана выполнять определенные требования. Основное требование к метрологической службе — обеспечение соответствия рабочего средства измерений государственному эталону, т. е. калибровка входит в состав национальной системы обеспечения единства измерений.
Выделяют четыре метода поверки (калибровки) средств измере-
ний:
1)метод непосредственного сравнения с эталоном;
2)метод сличения при помощи компьютера;
3)метод прямых измерений величины;
4)метод косвенных измерений величины.
Метод непосредственного сличения с эталоном средства из-
мерений, подвергаемого калибровке, с соответствующим эталоном определенного разряда практикуется для различных средств измерений в таких сферах, как электрические измерения, магнитные измерения, определение напряжения, частоты и силы тока. Данный метод базируется на осуществлении измерений одной и той же физической величины калибруемым (поверяемым) прибором и эталонным прибором одновременно. Погрешность калибруемого (поверяемого) прибора вычисляется как разность показаний калибруемого прибора и эталонного прибора (т. е. показания эталонного прибора принимаются за настоящее значение измеряемой физической величины).
Преимущества метода непосредственного сличения с эталоном:
•простота;
•наглядность;
•возможность автоматической калибровки (поверки);
•возможность проведения калибровки с помощью ограниченного количества приборов и оборудования.
Метод сличения с помощью компьютера осуществляется с использованием компаратора — специального прибора, посредством которого проводится сравнение показаний калибруемого (поверяемого) средства измерений и показаний эталонного средства измерений. Необходимость использования компаратора обусловливается невозможностью провести непосредственное сравнение показаний средств
измерений, измеряющих одну и ту же физическую величину. Компаратором может быть средство измерения, одинаково воспринимающее сигналы эталонного средства измерения и калибруемого (поверяемого) прибора. Преимущество данного метода в последовательности во времени сравнения величин.
Метод прямых измерений величины используется в случаях,
когда есть возможность провести сравнение калибруемого средства измерения с эталонным в установленных пределах измерений. Метод прямых измерений базируется на том же принципе, что и метод непосредственного сличения. Различие между этими методами состоит в том, что при помощи метода прямых измерений осуществляется сравнение на всех числовых отметках каждого диапазона (поддиапазона).
Метод косвенных измерений используется в случаях, когда настоящие (действительные) значения измеряемых физических величин невозможно получить посредством прямых измерений или когда косвенные измерения выше по точности, чем прямые измерения. При использовании данного метода для получения искомого значения сначала ищут значения величин, связанных с искомой величиной известной функциональной зависимостью. А затем на основании этой зависимости находится расчетным путем искомое значение. Метод косвенных измерений, как правило, используется в установках автоматизированной калибровки (поверки).
Для того чтобы передача размеров единиц измерений рабочим приборам от эталонов единиц измерений осуществлялась без больших погрешностей, составляются и применяются поверочные схемы.
Поверочные схемы — это нормативный документ, в котором утверждается соподчинение средств измерений, принимающих участие в процессе передачи размера единицы измерений физической величины от эталона к рабочим средствам измерений посредством определенных методов и с указанием погрешности. Поверочные схемы утверждают метрологическое подчинение государственного эталона, разрядных эталонов и средств измерений.
Поверочные схемы разделяют на:
государственные;
ведомственные;
локальные.
Государственные поверочные схемы устанавливаются и дей-
ствуют для всех средств измерений определенного вида, использующихся в пределах страны.
Ведомственные поверочные схемы устанавливаются и дей-
ствуют на средства измерений данной физической величины, подлежащие ведомственной поверке. Ведомственные поверочные схемы не должны вступать в противоречие с государственными поверочными схемами, если они установлены для средств измерений одних и тех же физических величин. Ведомственные поверочные схемы могут быть установлены при отсутствии государственной поверочной схемы. В ведомственных поверочных схемах можно непосредственно указывать определенные типы средств измерений.
Локальные поверочные схемы используются метрологическими службами министерств и действуют также и для средств измерений предприятий, им подчиненных. Локальная поверочная схема может распространяться на средства измерений, использующиеся на определенном предприятии Локальные поверочные схемы в обязательном порядке должны отвечать требованиям соподчиненности, утвержденным государственной поверочной схемой. Составлением государственных поверочных схем занимаются научно-исследовательские институты Госстандарта Российской Федерации. Научно-исследова- тельские институты Госстандарта являются обладателями государственных эталонов.
Ведомственные поверочные схемы и локальные поверочные схемы представляются в виде чертежей.
Государственные поверочные схемы устанавливаются Госстандартом РФ, а локальные поверочные схемы — метрологическими службами либо руководителями предприятий.
В поверочной схеме утверждается порядок передачи размера единиц измерений одной или нескольких физических величин от государственных эталонов рабочим средствам измерений. Поверочная схема должна содержать, по меньшей мере, две ступени передачи размера единиц измерений.
На чертежах, представляющих поверочную схему, должны присутствовать:
1)наименования средств измерений;
2)наименования методов поверки;
3)номинальные значения физических величин;
4)диапазоны номинальных значений физических величин;
5)допустимые значения погрешностей средств измерений;
6)допустимые значения погрешностей методов поверки [16, 25, 29, 30, 37, 65].
Глава 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Известно [17, 26, 32, 39, 53], что автоматизация технологических процессов, эффективное управление агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому сенсоры, являются элементами многих систем автоматики — с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.
Датчик — это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т. д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или, проще, датчик — это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:
Взависимости от вида входной (измеряемой) величины разли-
чают:
• датчики механических перемещений (линейных и угловых),
• пневматические,
• электрические,
• расходомеры,
• датчики скорости,
• датчики ускорения,
• датчики усилия,
• датчики температуры,
• датчики давления и др.
Внастоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура — 50%, расход (массовый и объемный)
—15%, давление — 10%, уровень — 5%, количество (масса, объем)
—5%, время — 4%, электрические и магнитные величины — менее
4%.
По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают
•неэлектрические,
•электрические:
•датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения),
•датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения),
•датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения),
•датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.
Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:
— электрические величины удобно передавать с высокой скоростью на расстояние;
— электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические
инаоборот;
—они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса:
• генераторные,
• параметрические (датчики-модуляторы).
Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.
Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.
По классам различают датчики:
• аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;
• цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
• бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.
Требования, предъявляемые к датчикам:
—однозначная зависимость выходной величины от входной;
—стабильность характеристик во времени;
—высокая чувствительность;
—малые размеры и масса;
—отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;
—работа при различных условиях эксплуатации;
—различные варианты монтажа.
3.1. Датчики линейного и углового перемещения
Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам.
Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории:
•датчики линейного перемещения,
•датчики углового перемещения (энкодеры).
Датчики линейного перемещения. По принципу действия дат-
чики линейного перемещения могут быть:
емкостными,
оптическими,
индуктивными,
вихретоковыми,
ультразвуковыми,
магниторезистивными,
потенциометрическими,
магнитострикционными,
на основе эффекта Холла.
Емкостные датчики перемещения. В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь емкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идет об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия (рис. 3.1).
Рис. 3.1 — Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора
Поскольку емкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение емкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Изменение емкости можно зафиксировать различными способами (например, измеряя его импеданс), однако в любом случае конденсатор необходимо включить в электрическую цепь.
Другой схемой, где выходным параметром является электрическая емкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком (рис. 3.2). Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его емкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение емкости свидетельствует о перемещении объекта. Кроме того, если сам объект обладает свойствами диэлектрика и имеет подходящие габариты, он может быть использован непосредственно в качестве диэлектрической среды в конденсаторе.
Рис. 3.2 — Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком