книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

Первичные преобразователи весьма разнообразны как по принципу действия, так и по характеру выходных сигналов: их можно классифицировать по ряду признаков:

а) по виду контролируемой величины (параметру): преобразо­ ватели температуры, давления, расхода, уровня, плотности и т. п.; б) по принципу действия (электрические, пневматические

и т. п.);

в) по виду и характеру выходного сигнала.

Выходные сигналы преобразователя могут быть непрерывными и прерывными (дискретными), когда их длительность ограничена некоторым значением.

Важнейшей характеристикой первичного преобразователя является вид функциональной зависимости между изменениями контролируемой величины и выходным сигналом преобразова­ теля; предпочтительна линейная зависимость.

Канал связи служит для передачи сигнала от первичного преобразователя, ко вторичному прибору. Если сигнал электри­ ческий, то в качестве канала связи используются электрические провода или кабель.

Если сигнал пневматический или гидравлический — исполь­ зуются металлические и полиэтиленовые трубки.

Наибольшее распространение в современных системах центра­ лизованного контроля получили электрические и пневматические дистанционные передачи, причем пневматические системы при­ меняются главным образом во взрыво- и пожароопасных произ­ водствах, где применение электрических передач исключено.

Вторичный прибор — устройство, воспринимающее сигнал от первичного преобразователя и выражающее его в удобном виде при помощи отсчетного устройства.

Один и тот же вторичный прибор может быть использован для измерения различных параметров (разница будет лишь в гра­ дуировке шкалы).

Шкалы технических приборов обычно градуируются таким образом, чтобы показания их были численно равны отсчету; например, отсчету q = 50 по шкале ртутного термометра, градуи­ рованного в °С, соответствует показание Q = 50. Единица изме­ рения температуры (постоянная термометра) U = 1°С. Следова­

тельно, постоянная прибора имеет размерность единицы изме­ рения.

По способу отсчета измерительные приборы подразделяются

на показывающие, самопишущие, комбинированные и суммиру­ ющие.

Показывающие приборы — это такие, у которых значение

измеряемой величины в момент измерения указывается на отсчетном устройстве.

Наибольшее применение имеют шкаловые отсчетные устрой­ ства. Шкалы выполняются как неподвижными, так и подвижными (шкала перемещается относительно неподвижного указателя).

10

На рис. 2 схематически показаны шкаловые отсчетные устрой­

ства. • Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. Равно­

мерные шкалы имеют линейную характеристику вида

в нескольких точках измерения. На рис. 3 приведены схемы типич­ ных регистрирующих устройств.

Характеристикирегистрирующих устройств аналогичны ха­ рактеристикамшкаловыхбтсчетных устройств и выражаются уравнениями (4) и (5).

Для регистрирующих устройств (рис. 3, а и б) в этих уравне­ ниях ф и N обозначают угол поворота или смещение держателя пера от нулевой отметки линии сетки диаграммы, a q — отсчет по сетке. Для регистрирующих устройств с периодическим печа­ танием (рис. 3, в) характеристика имеет вид уравнения (4), в ко-

12

тором ср — угол поворота входного валика, a q — отпечатанное число (отсчет).

Дисковые диаграммы могут быть с равномерными и неравно­ мерными делениями. Ленточные диаграммы бывают двух типов; с прямолинейным движением пера прибора и с движением пера по дуге окружности. В приборах, перемещающих указатель с малым усилием (самопишущие милливольтметры, самопишущие логометры), запись производится с помощью вспомогательного устройства (падающей дужки).

Комбинированные приборы одновременно показывают и реги­ стрируют измеряемую величину.

ющим устройством

Суммирующие или интегрирующие приборы показывают сум­ марное значение измеряемой величины за определенный проме­ жуток времени. Эти приборы снабжаются счетчиками, которые часто встраиваются в один корпус с показывающим или самопи­ шущим прибором, имея с ним одну измерительную систему.

Измерительные приборы могут снабжаться также дополни­ тельными устройствами для сигнализации (сигнализирующие приборы), регулирования измеряемой величины (регулирующие приборы) и других целей.

По метрологическому назначению измерительные приборы делятся на рабочие, образцовые и эталонные.

Рабочие приборы делятся на технические и лабораторные. Определенную точность технических приборов гарантирует

завод-изготовитель. Какие-либо поправки в их показания обычно не вносятся (за исключением некоторых специальных случаев). Для повышения точности лабораторных приборов в их показания вносят поправки, учитывающие состояние прибора и влияние условий измерения.

13

Образцовые приборы предназначаются для' поверки по ним рабочих приборов.

Эталонные приборы служат для хранения и воспроизведения единиц измерения с наивысшей, достижимой при данном состоя­ нии измерительной техники точностью.

Поверкой называется операция сравнения показаний измери­ тельных приборов с образцовыми приборами для определения их погрешностей или поправок к их показаниям.

Градуировкой называется операция, при помощи которой делениям шкалы придаются значения, выраженные в установлен­ ных единицах измерения.

§ 3« Статические характеристики и чувствительность измерительных приборов

Зависимость выходной величины от входной, выраженная аналитически или графически, в статических (установившихся) условиях измерения называется статической характеристикой измерительного прибора. В общем виде статическая характери­ стика (уравнение шкалы) прибора имеет вид

Преобразование измеряемой величины Q в выходную (ф или N) очень редко осуществляется непосредственно. Обычно приходится пользоваться несколькими последовательными промежуточными

% = \ УПг*,

Ч "°LH

Рис. 4. Структурная схема измерительного прибора с незам­ кнутой цепью

преобразованиями. Так, при измерении температуры термопарой, подключенной к милливольтметру, получаются четыре последо­ вательных преобразования: температура среды —* термо- э. д. с. (т. э. д. с.) термопары —> ток электрической цепи —> вращающий момент на рамке милливольтметра —> поворот указательной стрелки. Такой измерительный прибор состоит из отдельных после­ довательно соединенных звеньев, каждому из которых присуща своя статическая характеристика.

На рис. 4 показана обобщенная структурная схема измери­ тельного прибора с незамкнутой цепью из п звеньев. Входные

14

величины обозначим через х 0, а выходные — через у 0 с индексами, соответствующими порядковому номеру звена. Индекс «нуль» обозначает установившееся значение величин.

Если в приборе шкаловое отсчетное устройство имеет враща­ тельное движение указателя’, то входная величина х 0п — ср (коор­

дината указателя), а выходная величина у 0 — q (отсчет по шкале). Статическую характеристику любого из звеньев можно пред­

ставить в общем виде:

у°1-1=Л-» О i-i).

Подставив это значение в уравнение (8)

У°{ = U [/i-i (^о,_2)]

и учитывая, что х 0. = у 0. о и т. д., получим

Уравнение (9) определяет зависимость выходной величины любого из звеньев от измеряемой величины. На основании урав­ нения (9) выходная величина предпоследнего (п— 1) звена

Уравнение (10) представляет собой характеристику прибора, выраженную через характеристики звеньев. •

Чувствительностью измерительного прибора называется отно­ шение линейного или углового перемещения указателя к прира­ щению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.

соответственно угловая чувствительность

dtp

или dQ-

В общем случае производная выходной величины по входной

5 — dx0’

характеризующая угол наклона касательной к равновесной ха­ рактеристике, называется еще крутизной статической характе­ ристики, коэффициентом передачи или коэффициентом усиления звена. При нелинейности равновесной характеристики чувстви-

15

тельность является величиной переменной. В этом случае поль­ зуются понятием средней чувствительности, равной тангенсу угла наклона спрямленной (линеаризованной) статической ха­ рактеристики.

Для прибора с дуговыми и круговыми шкалами чувствитель­

ность

5 = SyRU!,

где Яш— радиус шкалы (см. рис. 2).

Чем больше чувствительность прибора, тем меньшую долю измеряемой величины можно измерить. Величина чувствитель­ ности является мерой, при помощи которой сравниваются одно­ типные приборы.

Величина, обратная чувствительности, называется ценой деле­

При изменении измеряемой величины на цену деления шкалы указатель перемещается по шкале на одно деление. Следовательно,

ствующий одному делению шкалы.

Чувствительность измерительного прибора определяется чув­ ствительностью входящих в него звеньев. Дифференцируя уравне­ ние (10), получим выражение угловой чувствительности прибора:

Следовательно, угловая чувствительность измерительного при­ бора с незамкнутой цепью равна произведению чувствительностей всех звеньев, за исключением отсчетного устройства. Это поло­ жение относится и к средней чувствительности.

Если все звенья прибора линейные, то чувствительность прибора — величина постоянная, а шкала равномерная. Если в приборе хотя бы одно звено имеет нелинейную характеристику, то его шкала неравномерная. Для получения равномерной шкалы

16

в этом приборе применяют такой прием: за звеном с нелинейной характеристикой помещают звено также с нелинейной характе­ ристикой противоположной кривизны. В результате суммарная статическая характеристика прибора получается линейной.

Порогом чувствительности называется наименьшее изменение значения измеряемой величины, способное вызвать малейшее изменение показания измерительного прибора. Порог чувстви­ тельности обусловлен главным образом наличием трения в меха­ низмах прибора.

§ 4., Погрешности измерительных приборов

Абсолютной погрешностью измерительного прибора называется разность между его показанием и истинным значением измеряемой величины. Так как истинное значение измеряемой величины уста­ новить нельзя, в измерительной технике используется так назы­ ваемое действительное значение, полученное с помощью образ­ цового прибора.

т. е. при вычислении относительной погрешности абсолютную погрешность можно относить к показанию прибора.

Для определения действительного значения измеряемой вели­ чины в показания прибора вводится поправка, которая численно равна абсолютной погрешности, взятой с обратным знаком, т. е. поправка d = Q0— Х п.

В технике применяются приборы, с помощью которых произ­ водят измерения лишь с определенной заранее заданной точно­ стью — основной погрешностью, допускаемой нормами.

Если прибор работает в условиях, отличных от нормальных, то возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора. К дополнительным погрешностям относятся: температурная погрешность, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной; установочная погрешность, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения и т. п. За нормальную температуру окружа­ ющего воздуха принимают 20° С, а за нормальное атмосферное давление 101325 Н/м2 (760 мм рт. ст.). .

Обобщенной характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допу­ скаемых основных и дополнительных погрешностей, а также дру­ гими свойствами средств измерения, влияющими на точность, значение которых устанавливается в стандартах на отдельные виды средств измерений. Класс тсчности средств измерений характе­ ризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств. Например, класс точности вольтметра характеризует пределы допускаемой основной погрешности и допускаемых изме­ нений показаний, вызываемых внешним магнитным полем и откло­ нением от нормальных значений температуры, частоты перемен­ ного тока и некоторых других влияющих факторов.

До 1 января 1969 г. в СССР под классом точности приборов понималось отношение абсолютной погрешности А к диапазону N шкалы прибора, выраженное в процентах, т. е.

41о° % .

Внастоящее время в нашей стране используются два вида классов точности: 1) по абсолютным погрешностям (порядковые номера классов); 2) но относительным погрешностям. В последнем случае класс точности — это число, совпадающее с пределом допускаемых погрешностей, соответствующим конечному значе­

нию рабочей части шкалы.

Государственными стандартами для разных приборов уста­ новлены различные классы точности. Класс точности обозначается на циферблате прибора. Для определения погрешности прибора он через определенные сроки подвергается поверке. Как правило, поверка производится сначала при возрастании измеряемой ве­ личины (прямой ход), а затем при ее убывании (обратный ход). Если при поверке прибора в нормальных условиях погрешность показания оказывается больше основной погрешности, прибор признается негодным для применения.

Вариацией называется наибольшая полученная эксперимен­ тально разность между показаниями измерительного прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при одинаковых условиях измерения. Вариации вызываются трением в механизме прибора, зазорами (люфтами) в кинематических парах, гистерезисом, упругим после­ действием чувствительных элементов прибора и т. п.

Вариация технических измерительных приборов определяется как наибольшая разность показаний прибора при поверке, полу­ ченная при прямом и обратном ходе, при одном и том же действи­ тельном значении измеряемой величины.

Вариации выражаются в процентах от максимального значе­ ния шкалы прибора и должны быть меньше основной погрешности прибора:

18

Основная погрешность прибора связана с его чувствитель­

При малых изменениях отклонения <р и измеряемой вели­ чины Q, с которыми приходится иметь дело при расчете погреш­ ностей, можно с большой степенью приближения положить прира­ щения величины ф и Q равными их полным дифференциалам, т. е.

Аф dq> и AQ ^ dQ.

Дифференцируя уравнение (13), получим

С другой стороны, угловая чувствительность

•s,=H=r<e).

поэтому уравнение (14) примет вид dtp = SdQ, или

ность измерительного механизма, поскольку изменение углового перемещения стрелки механизма относится к углу полного откло­

ность измерительного прибора в целом, так как изменение dQ

измеряемой величины относится к его пределу измерения Q. Поэтому

5=-S= i" ^ = v

В уравнение измерительного прибора, кроме" измеряемой величины Q и величины перемещения указателя ф, входит еще