Технические измерения и приборы

1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ

Нормальная работа и технический прогресс всех отраслей хозяйственной деятельности потребовали создания государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП) для обеспечения разработки и производства самых разнообразных технических средств (ТС) измерительной и регулирующей техники.

Совокупность ГСП составляют средства измерений (СИ), средства автоматизации (СА), средства управляющей вычислительной техники и программные средства.

Результатом создания ГСП явилась возможность построения на единой элементной базе автоматических и автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями

иагрегатами.

Всостав ГСП входят изделия, необходимые и достаточные как для построения систем контроля, регулирования и управления производственными процессами и объектами различных отраслей общественного хозяйства, так и для автономного применения при необходимости реализации отдельных функций этих систем.

ГСП в настоящее время охватывает разработку и изготовление главным образом СИ, используемых в системах автоматизации. Эти СИ объединяются в пять структурных групп измерения и регулирования: теплоэнергетических, электроэнергетических, механических величин, химического состава и физических свойств. В табл. 1.1 приведен состав величин, охватываемых каждой группой.

Впоследние годы наметилась тенденция расширения круга измеряемых величин ГСП. Это объясняется непрерывным усложнением задач управления объектами, вызванным повышением требований к качеству продукции, экономии расхода сырья и уменьшению вредного воздействия на окружающую среду,

11

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГСП

Измерительная техника – совокупность технических средств, служащих для выполнения измерений, методов и приемов проведения измерений и интерпретации их результатов.

Технологические (технические) измерения – область измери-

тельной техники, объединяющая измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах.

Измерительные устройства, установки, системы – специаль-

ные технические средства для проведения измерений, различаются по сложности и принципам действия.

Приборы и средства автоматизации (ПрСА) – совокупность технических средств (ТС) ГСП, включающих в себя средства измерения (СИ) и средства автоматизации (СА) отраслевого назначения,

12

предназначенные для восприятия, преобразования и использования информации для контроля, регулирования и управления.

Измерительный преобразователь – средство измерения,

предназначенное для получения сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки или хранения. Измерительный преобразователь, как правило, не имеет устройства индикации.

Естественный сигнал – сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения которого определяются физическими свойствами преобразователя и диапазоном изменения измеряемой величины.

Виды естественных сигналов ГСП: перемещение, угол поворо-

та, усилие, интервалы времени, постоянное напряжение, переменное напряжение, активное сопротивление, комплексное сопротивление, электрическая емкость, частота.

Унифицированный сигнал – сигнал, у которого вид носителя информации, диапазон его изменения не зависят от вида измеряемой величины, метода измерения и диапазона изменения измеряемых величин.

Совместимость ТС – возможность автоматического взаимодействия ТС в заранее предусмотренных их сочетаниях при построении более сложных комплексных устройств и систем без необходимости применения дополнительных или изменения используемых средств.

Нормирующий преобразователь – служит для преобразования естественного сигнала в унифицированный сигнал.

Интерфейс – совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств цифровой вычислительной системы и (или) программ (по ГОСТ 15971–84).

Работоспособность устройства – состояние устройства, при ко-

тором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значе-

ния своих заданных технических характеристик в определенных фиксированных пределах, называемых областью работоспособности.

Системы автоматизации – совокупность систем автоматического контроля, регулирования и управления (САКРиУ), подразделяются на следующие категории: локальные, централизованные,

13

автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Иерархический принцип управления в технике – принцип по-

строения многоступенчатых систем управления, при котором функции управления распределяются между соподчиненными частями системы.

Нормативно-техническая документация (НТД) – графические и текстовые конструкторские и технологические документы, устанавливающие обязательные и рекомендуемые требования, нормы, методы или конструкцию изделия, используемые при проектировании, изготовлении, испытаниях, эксплуатации или ремонте. К основным видам НТД относятся стандарты всех категорий, методические указания, руководящие технические материалы и методики институтов, общие технические требования, правила и руководства по применению, типовые технологические процессы, типовые методики испытаний, ограничительные перечни.

1.2.ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГСП

Воснове построения средств ГСП лежит блочно-модульный принцип.

Блочно-модульный принцип – это возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа более простых унифицированных блоков и модулей, что позволяет создавать новые средства измерений и автоматизации из уже существующего набора узлов и блоков, что дает существенный экономический эффект. В соответствии с этим принципом можно произвести следующую структуризацию:

1) модуль – техническое устройство, реализующее одну элементарную функцию;

2) блок – техническое устройство, реализующее строго определенный набор функций и состоящее из нескольких модулей;

3) прибор – техническое средство, состоящее из блоков и модулей и имеющее выходной сигнал, пригодный для восприятия человеком.

14

Структура системотехнических основ построения и развития ГСП базируется на следующих принципах и методах, регламентированных ГОСТ 26.207–83:

–агрегатирование;

–унификация;

–минимизация номенклатуры;

–формирование гибких, перестраиваемых компонентов системы;

–реализация в изделиях рациональных эстетических и эргономических требований.

Принцип агрегатирования – это наращивание и видоизменение функций отдельных ТС и создание на их основе систем автоматизации, что осуществляется за счет сочленения унифицированных блоков, модулей и комплектных изделий ГСП без внесения дополнительных конструктивных изменений.

Принцип агрегатирования применительно к изделиям ГСП определяет построение функционально более сложных устройств из ограниченного набора более простых унифицированных изделий методом их наращивания и стыковки.

Агрегатный комплекс (АК) – совокупность ТС, характеризующихся всеми составляющими совместимости и предназначенных для решения определенных задач автоматического контроля

ирегулирования.

Изделия АК создают на унифицированной конструктивной базе по блочно-модульному принципу построения с использованием базовых модулей. Различное сочетание устройств, входящих в АК, позволяет реализовать новые функции.

Принцип унификации – это различные виды совместимости изделий. Достигается однообразием сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков.

Виды совместимости изделий агрегатных комплексов: энергетическая, функциональная, метрологическая, конструктивная, эксплуатационная и информационная.

Энергетическая совместимость – использование одного вида энергии носителя сигналов в измерительных устройствах.

15

Функциональная совместимость требует, чтобы средства ГСП были четко определены, разграничены и взаимоувязаны для обеспечения совместной работы.

Метрологическая совместимость обеспечивается сопоставимо-

стью метрологических характеристик агрегатных средств, их сохранностью во времени и под действием влияющих величин, возможностью расчетного определения метрологических характеристик всего измерительного тракта по метрологическим характеристикам отдельных функциональных узлов, образующих измерительный тракт.

Метрологические характеристики агрегатных средств нормируются по единому методу, параметры входных и выходных цепей согласуются, чтобы сопряжение агрегатных средств не сопровождалось заметными дополнительными погрешностями.

Конструктивная совместимость обеспечивается согласованно-

стью конструктивных параметров, механическим сопряжением средств, согласованностью эстетических требований.

Эксплуатационная совместимость достигается согласованно-

стью характеристик, определяющих действие внешних влияющих величин на агрегатные средства в рабочих условиях, а также характеристик надежности и стабильности функционирования. С этой целью все средства делятся на группы по использованию в зависимости от климатических условий и механических воздействий.

Информационная совместимость средств обеспечивается согласованностью входных и выходных сигналов по виду, диапазону изменения и порядку обмена. Информационная совместимость определяется унификацией сигналов и применением стандартных интерфейсов.

Изделия агрегатных комплексов, обладающие указанными видами совместимости, позволяют строить измерительные системы (ИС) методами проектной компоновки. Такой способ построения ИС значительно упрощает и сокращает сроки создания систем.

Унифицированный комплекс (УК) – объединение в комплекс изделий нескольких типов, которые предназначены для измерения разных величин или выполнения различных функций. Изделия УК должны

16

быть одного принципа действия и иметь унифицированные конструктивные элементы. Как правило, их строят по блочно-модульному принципу на основе базовых конструкций, используемых в нескольких или во всех типах изделий комплекса. Примером УК являются преобразователи измерительные «Сапфир-22» абсолютного и избыточного давления, разрежения, давления-разрежения, разности давлений, которые имеют унифицированное электронное устройство и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.

Отличительной особенностью изделий УК является то, что соединение ТС комплекса между собой в любых сочетаниях не приводит к реализации новых функций этими средствами.

Принцип минимизации номенклатуры изделий ГСП предпола-

гает максимальное удовлетворение потребности в ТС на основе выпуска АК и унифицированных комплексов, с учетом того, что типоразмеры этих устройств вписываются в организованные определенным образом для них параметрические ряды.

Реализация этих принципов позволяет создавать комплексы технических средств, изменять, расширять функции на основе использования унифицированных базовых конструкций (УБК) и типовых модулей ГСП, путем изменения характера их соединения и структурного сочетания.

Применение принципа агрегатирования позволяет использовать рациональный минимум конструктивных элементов, обеспечивает взаимозаменяемость приборов в целом и отдельных их узлов, значительно упрощает и удешевляет процессы обслуживания и ремонта приборов, позволяет компоновать различные системы автоматизации с заданными техническими характеристиками, дает возможность совершенствования изделий ГСП, не прибегая при этом к их полному обновлению.

Принцип совместимости, реализуемый при построении АК, позволяет создавать техническое обеспечение систем автоматизации всех категорий для различных отраслей промышленности, использовать при этом изделия различных АК.

17

1.3.КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

ИАВТОМАТИЗАЦИИ ГСП

Технические средства ГСП классифицируют по следующим признакам:

по выполняемым функциям – изделия получения, передачи, ввода и вывода информации; изделия преобразования, обработки и хранения информации; изделия использования информации; вспомогательные изделия (например, источники питания);

по виду энергии носителя сигналов в канале связи – элек-

трические изделия, пневматические изделия, гидравлические изделия, комбинированные изделия, изделия, работающие без использования вспомогательной энергии;

по метрологическим свойствам: a) средства измерений; b) изделия, не являющиеся средствами измерений, которые подразделяются: 1) на изделия, имеющие нормируемые точностные характеристики (влияние на точность выдаваемых управляющих воздействий); и 2) изделия, не имеющие точностных характеристик;

по эксплуатационной законченности – изделия первого,

второго и третьего порядка;

по защищенности от воздействия окружающей среды –

подразделяются по исполнению изделий: обыкновенное; защищенное от попадания внутрь изделия твердых тел; защищенное от попадания воды внутрь изделия; защищенное от агрессивной среды; взрывозащищенное;

по устойчивости к механическим воздействиям – подразде-

ляются по исполнению изделий – виброустойчивое, вибропрочное, удароустойчивое;

по одновременной защищенности от воздействия окружаю-

щей среды и устойчивости к механическим воздействиям. Исполнение – совокупность изделий одного типа, обладаю-

щих конструктивными особенностями, которые влияют на эксплуатационные характеристики. Например, имеются тропические

18

исполнения многих изделий, которые отличаются повышенной влагостойкостью пропиточных и изоляционных материалов, устойчивостью к разрушающему воздействию тропических живых организмов.

1.3.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ ИЗДЕЛИЙ ГСП

По функциональному признаку технические средства ГСП разделяют на четыре группы устройств, предназначенных для выполнения определенных функций.

Первая функциональная группа – устройства получения ин-

формации о состоянии технологического процесса. В группу входят датчики и нормирующие преобразователи.

Вторая функциональная группа – устройства приема, пре-

образования и передачи информации. Группу составляют коммутаторы измерительных цепей, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согласующие устройства, телемеханические устройства измерения, сигнализации и управления. Устройства этой группы используются для преобразования сигналов, несущих измерительную информацию, и сигналов, несущих команды управления.

Третья функциональная группа – устройства обработки ин-

формации, формирования команд управления и предоставления информации операторам. В нее входят анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства, устройства памяти, регуляторы, задатчики, управляющие вычислительные устройства и комплексы.

Четвертая функциональная группа – устройства использова-

ния командной информации на объекте управления. Группу образуют исполнительные механизмы, усилители мощности, электрические преобразователи.

Классификация измерительных устройств ГСП по виду входных и выходных сигналов, приведена на рис. 1.1.

19