книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

поверке и градуировке рабочих контрольно-измерительных прибо- • ров применяются образцовые приборы ограниченной точности, обычно именуемые просто образцовыми приборами. Они разделя­ ются на несколько разрядов. Приборы 1-го разряда менее точны, чем эталоны, по которым они градуируются и поверяются, но более точны, чем приборы 2-го разряда; в свою очередь, приборы 2-го разряда более точны, чем приборы 3-го разряда. Обычно на предприятиях имеются образцовые приборы 3-го, а иногда и 2-го разряда.

Для производственника образцовым прибором является тот, по которому следует контролировать показания рабочих приборов. Однако показания образцового прибора не считают за истинное значение измеряемой величины, так как он работает не без по­ грешностей. Показания образцового прибора условно считают дей­ ствительным значением измеряемой величины.

Образцовые приборы — это лабораторные приборы, применяе­ мые исключительно для лабораторной поверки и градуировки ра­ бочих приборов.

Погрешности. При измерении неизбежны погрешности. Несмотря на тщательность проведения измерения, высокую точность приме­ няемых измерительных приборов и надежность метода, результат измерения не может абсолютно соответствовать истинному значе­ нию измеряемой величины. При нескольких измерениях одной и той же величины одним и тем же прибором один и тот же наблю­ датель может получить различные значения измеряемой величины. Отклонения от действительной величины, получаемые при измере­ нии, носят название погрешностей. Погрешности делятся на абсо­ лютные и относительные.

А б с о л ю т н о й п о г р е ш н о с т ь ю контрольно-измерительного прибора называется разность между найденным значением изме­ ряемой величины и ее действительным значением

где А — погрешность в единицах измерения; А„— найденное значение измеряемой величины;

Ад — действительное значение измеряемой величины. Погрешность может иметь положительное или отрицательное

если прибор показывает меньше действительного значения измеряе­ мой величины.

Для уменьшения суммарной погрешности в показание лабора­ торного прибора вносят поправку, которую алгебраически прибав­ ляют к показанию прибора с тем, чтобы получить действительное значение измеряемой величины.

Поправкой к показанию прибора называется значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при изме­ рении значению величины с целью исключения систематической погрешности (составляющей погрешности измерения, остающейся

27

постоянной или закономерно изменяющейся при повторных изме­ рениях одной и той же величины).

Поправка к показанию прибора

с термопарой ХА показывает температуру ^Н=488°С. При измере­ нии температуры той же среды потенциометром с образцовой термопарой показание было равно ^Д= 491°С. Погрешность показа­ ния милливольтметра в комплекте с термопарой составляет

значения абсолютной погрешности к диапазону показаний прибора, выраженное в процентах, т. е. если шкала односторонняя, то в про­ центах ее конечного значения; если шкала двусторонняя, то в процентах суммы конечного и начального значений; если шкала безнулевая, то в процентах разности конечного и начального ее значений.

Размер погрешности измерительного прибора характеризует прибор с точки зрения правильности показаний, причем точность показаний прибора тем больше, чем меньше погрешность по абсо­ лютному размеру. Например, если погрешность измерений равна 10-2% = 10-4, то точность составляет ІО4.

В зависимости от конструкции приборов и качества изготовле­ ния их деталей точность приборов колеблется в значительных пределах. Размер погрешности измерения зависит от условий, в ко­ торых находится прибор, т. е. от того, каково влияние на резуль­ таты измерений температуры окружающей среды, ее давления, влажности и т. д.

В л и я ю щ е й ф и з и ч е с к о й в е л и ч и н о й называется физиче­ ская величина, не являющаяся измеряемой данным прибором, но оказывающая влияние на результаты измерений этим прибором (температура, давление и влажность окружающей среды, напряже­ ние источника питания и т. д.). В стандартах или технических условиях на данный прибор установлены нормальные значения или нормальные области значений влияющих величин, при которых или в пределах которых нормируются основные погрешности приборов.

Основной погрешностью называется погрешность контрольно­

28

величин от нормального значения или выхода их за пределы нормальной области значений появляются дополнительные погреш­ ности: от изменения температуры прибора, влияния внешних маг­ нитных полей, неуравновешенности его подвижной системы, изме­ нения напряжения источника питания и т. д.

Знание источников возникновения и изменения основных и до­ полнительных погрешностей и умение различать влияющие физиче­ ские величины, а также характер их влияния на результат измерения позволяют персоналу производственных цехов предприя­ тий правильно оценивать работу автоматических контрольно-изме­ рительных приборов и контрольно-измерительных систем.

Для оценки приборов с точки зрения точности, которую они могут обеспечить при измерениях, введено понятие д о п у с к а е м о й п о г р е шн о с т и . Пределом допускаемой погрешности контрольно­ измерительного прибора называется наибольшая (без учета знака) погрешность, при которой данный прибор может быть признан годным и допущен к применению. Пределы допускаемых погрешно­ стей для данного прибора устанавливаются в стандартах или тех­ нических условиях и находят свое выражение в виде класса точно­ сти прибора.

К л а с с о м т о ч н о с т и контрольно-измерительного прибора на­ зывается обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами прибора, влияющими на точность, устанавли­ ваемыми в стандартах и технических условиях на отдельные виды средств измерений.

Класс точности приборов характеризует их свойства в отноше­ нии точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых этими приборами. Например, класс точности логометров характеризует пределы допускаемой основной погрешности и допускаемых изменений показаний, вызы­ ваемых внешним магнитным полем и отклонениями от нормальных значений напряжения источника электрического питания, темпера­ туры прибора и некоторых других влияющих величин.

Для контрольно-измерительных приборов класс точности уста­ навливается в виде предела допускаемой приведенной погрешности. Показания прибора считаются правильными, если при этом погреш­ ность не превышает предел допускаемой классом точности погрешности. При изготовлении прибора или при выпуске его из ремонта нанесение шкалы на циферблат производится при условиях, соответствующих нормальным условиям работы при­ бора.

Точность измерительных преобразователей всех видов характе­ ризуется абсолютными и относительными, основными и дополни­ тельными погрешностями по входу и выходу преобразователей.

А б с о л ю т н о й п о г р е ш н о с т ь ю п р е о б р а з о в а т е л я (первичного, промежуточного, передающего) по в х о д у называ­ ется разность между действительным значением величины на входе преобразователя и истинным его значением, которое должно быть

29

на входе согласно градуировочной характеристике преобразователя в условиях равенства выходной величины соответствующему значе­ нию по градуировочной характеристике преобразователя.

А б с о л ю т н о й п о г р е ш н о с т ь ю п р е о б р а з о в а т е л я любого вида по в ы х о д у называется разность между действитель­ ным значением величины на выходе преобразователя и истинным его значением, которое должно быть на выходе согласно градуи­ ровочной характеристике преобразователя в условиях равенства входной величины соответствующему значению по градуировочной характеристике преобразователя.

О т н о с и т е л ь н о й п о г р е ш н о с т ь ю п р е о б р а з о в а т е л я любого вида по в х о д у называется выраженное в процентах отно­ шение абсолютной погрешности преобразователя по входу к значе­ нию величины на входе, принимаемому по градуировочной характе­ ристике преобразователя.

О т н о с и т е л ь н о й п о г р е ш н о с т ь ю п р е о б р а з о в а т е л я

к значению величины на выходе, принимаемому по градуировочной характеристике преобразователя.

Основная погрешность преобразователей определяется при нормальных значениях влияющих величин, а дополнительные по­ грешности — при отклонениях значений одной или нескольких влияющих величин от их нормальных размеров или выходом их за пределы нормальной области значений.

Для преобразователей так же, как и для контрольно-измери­ тельных приборов, техническими условиями или стандартами устанавливается предел допускаемой погрешности. Некоторые вспомогательные устройства, например уравнительные и раздели­ тельные устройства расходомеров переменного перепада, также обладают погрешностью, которую учитывают при выполнении со­ ответствующих измерений.

Поскольку контрольно-измерительная система включает в себя ряд устройств (преобразователи, приборы, вспомогательные устрой­ ства, каналы связи), каждое из которых обладает присущей ему погрешностью того или иного значения, то для оценки погрешности системы в целом в теории погрешностей имеются определенные понятия, например понятия средней квадратичной и вероятной погрешностей.

Средняя квадратичная погрешность контрольно-измерительной системы выражается уравнением

30

Вероятная погрешность контрольно-измерительной системы

Вариация. В зависимости от размера трения в опорах подвиж­ ной системы показания прибора при повторных измерениях одной и той же величины могут быть различными. Разброс показаний прибора будет тем меньше, чем меньше так называемая вариация..

В а р и а ц и е й п р и б о р а называется наибольшая (полученная экспериментально) разность между повторными показаниями прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины, при неизменны^ внешних усло­ виях. Вариация находится в прямой зависимости от сил трения в опорах подвижной системы; она обнаруживается как разность показаний при прямом и обратном ходах стрелки прибора. Допу­ стим, что действительное значение измеряемой температуры 200° С. При движении стрелки в направлении от начала к концу шкалы, т. е. при так называемом прямом ходе стрелки, подвижная система под влиянием сил трения в опорах успокоится раньше, чем следует, и стрелка, не дойдя до отметки 200° С, остановится, например, на­

началу, т. е. будет находиться в движении, именуемом обратным ходом, то под влиянием трения в" опорах подвижной системы стрелка не дойдет до отметки 200° С и остановится, например, напротив отметки 210° С. Таким образом, вместо действительной температуры 200° С при прямом ходе стрелки прибор покажет меньше, а при обратном ходе больше, чем следует. Разность этих показаний обычно считают величиной, определяющей вариацию.

В технических условиях на приборы предусматривается значе­ ние допускаемой вариации, которое обычно равно допускаемой основной погрешности прибора. Вариация, как и погрешность прибора, характеризует пригодность его к работе. Прибор, годный по значению вариации, может быть непригоден к работе по раз­ меру погрешности и наоборот.

Значения погрешности и вариации выявляются и пригодность средств измерений к применению устанавливается при его поверке, когда поверяемое средство измерения сличается (сравнивается) с образцовым средством измерений, например рабочий контрольно­ измерительный прибор сравнивается с образцовым.

Поверка бывает периодическая, производимая ведомственными органами метрологической службы при эксплуатации средств измерений и их хранении через определенные промежутки времени, и государственная, производимая органами государственной мет­ рологической службы в определенные сроки.

Международная система единиц. Развитие метрической системы мер в различных отраслях науки и техники происходило разоб­ щенно и привело к появлению многих систем единиц физических

31

величин и большого числа внесистемных единиц. Множественность единиц затрудняет их использование в связи с частой необходимо­ стью пересчета значений физических величии из одних единиц в другие. Возможность устранения многообразия применяемых единиц впервые появилась после разработки единой универсальной Международной системы единиц, обозначаемой СИ (система интернациональная). В эту систему входят шесть основных единиц:

М е т р — длина, равная 1 650 763,73 длины волн в вакууме излу­ чения, соответствующего переходу между уровнями 2рю и 5d5атома криптона-8 6 .

К и л о г р а м м — единица массы — равен массе международного прототипа килограмма.

С е к у н д а — 9 192 631 770 периодов излучения, соответствую­ щего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного со­ стояния атома цезия-133.

Амп е р — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2- ІО-7 Н на каждый метр длины.

воды.

К а н д е л а — сила света, испускаемого с площади 1/600000 м2 сечением полного излучателя, в перпендикулярном этому сечению направлении, при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101 325 Па.

В систему СИ входит также несколько десятков производных

1м/с2 в направлении действия силы.

Па с к а л ь — давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно рас­

пределенной по поверхности площадью 1 м2.

Д ж о у л ь — работа силы 1 Н при перемещении ею тела на рас­ стояние 1 м в направлении действия силы.

32

Ва т т — мощность, при которой работа в 1 Дж совершается за время 1 с, а также тепловой поток, эквивалентный механической мощности 1 Вт.

Во л ь т — электрическое напряжение, вызывающее в электриче­

ской цепи постоянный ток силой 1 А при мощности 1 Вт.

Ом — сопротивление проводника, между концами которого при силе тока 1 А возникает напряжение 1 В.

Следует прекратить применение единиц давления — килограммсилы на квадратный сантиметр, миллиметра ртутного столба, мил­ лиметра водяного столба, единицы энергии — ватт-час, единицы количества теплоты — калория и килокалория и др.

При создании метрической системы мер был введен принцип образования кратных и дольных единиц, находящихся в десятичных соотношениях, путем присоединения приставок (милли, микро, кило и т. п.) к наименованиям основных и производных единиц. Этот принцип сохранен и в системе СИ. Наименование кратной или дольной единицы всегда должно начинаться с приставки. Если в наименовании единицы имеется числитель и знаменатель, то присоединение приставок возможно только к числителю. Присоеди­ нение приставки к единицам, стоящим в знаменателе, нарушает единый принцип образования кратных и дольных единиц и услож­ няет их перевод.

Подставляя в расчетные уравнения (формулы) числовые значе­ ния величин, следует переводить их из кратных или дольных

и той же степени и поэтому может быть выражена в любых еди­ ницах) .

Для буквенных обозначений единиц применяется шрифт текста,

вкотором они используются: прямой при прямом шрифте текста

икурсивный при курсивном. Обозначаются единицы строчными буквами, за исключением единиц, наименования которых образо­ ваны по фамилиям ученых. Эти единицы пишутся с прописной буквы. Помещение обозначений единиц в строку с уравнениями

(формулами), выражающими зависимости между величинами, не допускается.

Элементы и звенья систем автоматического регулирования. Си­ стема автоматического регулирования (САР) представляет собой совокупность взаимодействующих друг с другом автоматического регулятора и регулируемого объекта.

А в т о м а т и ч е с к и й р е г у л я т о р — автоматическое устрой­ ство, которое реагирует на изменение физической величины, харак­ теризующей технологический процесс, и осуществляет управление процессом с целью поддержания этой величины на заданном значении.

Р е г у л и р у е м ы й о б ъ е к т — любая промышленная установка (машина, агрегат, аппарат), в которой автоматически поддержива­ ются на заданном значении определенные параметры производ­ ственного процесса.

В каждой системе автоматического регулирования различают элементы и звенья. Как те, так и другие характеризуются вход­ ными и выходными параметрами или величинами. Факторы, воз­ действующие на элемент или звено и являющиеся причиной изме­ нения их состояния, называются входными величинами и обознача­ ются через X. Параметры, характеризующие изменения состояния элемента или звена и являющиеся результатом воздействия на звено, называются его выходными величинами и обозначаются через у.

Различают замкнутые и разомкнутые системы автоматического регулирования. Система автоматического регулирования является замкнутой, если воздействия регулятора на объект через входную величину объекта приводят к обратному воздействию на регулятор через выходную величину объекта. Разомкнутой системой автома­ тического регулирования называется система, в которой автомати­ ческое изменение какой-либо из входных величин производится без учета характера изменения регулируемой величины.

Кроме воздействия регулятора, для объекта регулирования входными величинами также являются внешние возмущения, на­ пример изменение давления греющего пара, изменение нагрузки. Для автоматического регулятора входной величиной будет измеряе­ мое им отклонение регулируемого параметра, а выходной — воздей­ ствия регулятора на объект.

В большинстве случаев элементы и звенья системы обладают свойством направленности действия. Это значит, что передача энергии или вещества в элементе или звене осуществляется в на­ правлении от входа к выходу. Кроме этих общих свойств, элементы и звенья имеют существенные различия. Элементы характеризу­ ются их функциональным назначением: измерительный элемент, усилительный или преобразующий (управляющий) элемент, испол­ нительный элемент, регулирующий элемент. Звенья же характери­ зуются статическими и динамическими свойствами. Таких элемен­ тарных звеньев имеется немного — пропорциональное, интегрирую­ щее, апериодическое, колебательное, дифференцирующее и звено запаздывания. Например, электронный трехкаскадный усилитель в комплекте автоматического регулятора является, во-первых, усилительным элементом и, во-вторых, состоит из трех последова­ тельно включенных пропорциональных звеньев.

Статические и динамические свойства звена. Статические свой­ ства звена выражаются зависимостью выходной величины от вход­ ной в установившихся режимах (обозначается нулевым индексом):

т е р и с т и к о й з в е на .

На рис. 1 приведена статическая характеристика электрического термометра сопротивления в виде графика зависимости RT.c=f(t)- Для этого звена входной величиной является измеряемая темпера­ тура среды, в которую погружен термометр сопротивления, а выход­

34

ной величиной — электрическое сопротивление медной проволоки термометра.

По статической характеристике звена можно определить коэф­ фициент усиления или передачи Ку звена, который показывает, во сколько раз отклонение выходной величины в установившемся режиме превышает обусловившее его отклонение входной вели­ чины, т. е.

(6)

Динамические свойства звена выражаются зависимостью изме­ нения выходной величины во времени при неустановившемся ре­ жиме, возникшем в результате воздействия со стороны входной величины.

вают разгонными, импульсными и частотными в зависимости от вида возмущающего воздействия ц.

Возмущающим воздействием ц считается любое изменение входной величины х, приводящее к изменению выходной вели­ чины у.

Разгонная характеристика отражает изменение регулируемого параметра во времени в результате мгновенного однократного ступенчатого возмущающего воздействия на входе звена.

На рис. 2 приведена разгонная характеристика объекта регу­ лирования (звена системы) в виде графика зависимости ^=/(т).

На некоторых объектах экспериментальное определение разгон­ ной характеристики неосуществимо по производственным условиям. Длительное и значительное по значению возмущение может привести к недопустимому отклонению регулируемого параметра,

а сокращение размера возмущающего воздействия — к тому, что оно окажется соизмеримым со случайными возмущениями. В этих случаях динамические свойства объекта как звена системы авто­

зависимость колебаний регулируемого пара­ метра от заданного колебательного синусоидального или другой формы периодического возмущающего воздействия на входе в звено.

При экспериментальном определении частотных характеристик объекта регулирования входную величину изменяют по закону синусоидальных колебаний вначале с одной частотой, затем с дру­ гими частотами со. Каждый раз после установления вынужденных

36