Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические измерения и приборы. Часть I. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Е.В. ШИНКОРЕНКО
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
И ПРИБОРЫ
Часть I
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2009
2
УДК 621.317.08.(075.8)
Ш 626
Рецензенты:
В.Я. Небольсин, канд. техн. наук, доц.;
В.И. Каплин, канд. техн. наук, доц.
Работа выполнена на кафедре автоматизации
производственных процессов в машиностроении
Шинкоренко Е.В.
Ш 626 Технические измерения и приборы. Часть I : учеб. пособие /
Е.В. Шинкоренко. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 68 с.
ISBN 978-5-7782-1171-1
Рассмотрены виды и методы измерения, статические и динамические погрешности из-
мерения. Приводятся типовые характеристики и параметры измерительных устройств.
Описываются физические эффекты и принципы преобразования физических величин в
выходные сигналы различного типа. Рассматриваются активные и пассивные преобразователи с электрическим выходным сигналом. Отмечаются достоинства, недостатки и область применения датчиков различного типа, применяемых в автоматизированном технологическом оборудовании.
Пособие предназначено для студентов МТФ, обучающихся по дисциплине «Техни-
ческие измерения и приборы» специальности 220301 и может быть полезно студентам
старших курсов других машиностроительных специальностей.
Подписано в печать 26.05.2009. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 150 экз.
Уч.-изд. л. 3,95. Печ. л. 4,25. Изд. № 27. Заказ № . Цена договорная
Новосибирского государственного технического университета
ISBN 978-5-7782-1171-1 Шинкоренко Е.В., 2009
Шинкоренко Евгений Васильевич
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
Учебное пособие
Редактор Т.П. Петроченко
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская
Компьютерная верстка В.Ф. Ноздрева
Отпечатано в типографии
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Часть I
Новосибирский государственный
технический университет, 2009
УДК 621.317.08.(075.8)
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эффективность технологического оборудования является основной
его характеристикой, ее повышение идет по пути совершенствования
как самих технологических процессов, так и процессов управления
ими. Структура производственных процессов изменилась настолько,
что непосредственное участие персонала в управлении и диспетчеризации процессов исчерпало себя и дальнейший подъем производства
возможен только с автоматизацией технологических процессов. Рост
автоматизации сложных технологических процессов потребовал создания таких компонентов, которые обеспечили бы автоматический
сбор информации о ходе процесса без непосредственного участия человека. При этом органы чувств человека должны быть заменены датчиками, которые способны определить состояние процесса.
Широкое внедрение цифровой вычислительной техники в автоматизированные системы управления объектами открывает практически
неограниченные возможности обработки информации об управляемом
объекте, которая необходима для построения оптимальных систем
управления. Однако практическая реализация этих возможностей существенно ограничивается номенклатурой и техническими параметрами источников первичной информации о состоянии объекта – измерительных преобразователей (датчиков) и более сложных измерительных
средств.
Проектировщики автоматизированных систем часто сталкиваются
с невозможностью измерить тот или иной важный параметр объекта
или недостаточной точностью либо быстродействием существующих
измерительных средств (ИС). Немаловажным фактором, затрудняющим построение систем управления, является то, что технологи, хорошо знающие, что следует измерять в объекте, как правило, мало знакомы с возможностью измерительной техники и вопросами
метрологии.
4
Измерительная техника – один из важных факторов технического
прогресса во всех отраслях промышленности (от бытовой техники до
космических летательных аппаратов). В настоящее время измерения
играют все более возрастающую роль в машиностроительной промышленности, насыщенной сложной автоматикой и робототехникой.
Без них невозможно эффективное производство и контроль качества
продукции. Таким образом, измерения становятся существенным фактором экономики, а ИС интенсивно развиваются и совершенствуются.
Измерительные средства применяются в системах управления рабочими органами, в системах автоматического регулирования и диагностики, в адаптивном управлении и автоматическом контроле.
Целью учебного пособия является объединение информации для
получения первичных знаний, которые требуются инженеру-механику
для решения задач рационального выбора, разработки и грамотной
эксплуатации измерительных средств, применяемых в машиностроении.
5
Г л а в а 1
ВВЕДЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
(ПО ГОСТ 16263–70)
Измерение – информационный процесс получения опытным путем
численного отношения между данной физической величиной (ФВ) и
некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Процесс
измерения характеризуется, с одной стороны, восприятием и отображением ФВ, а с другой – нормированием, т. е. присвоением ей определенного числового значения (размера).
Физической величиной называют свойство, общее в качественном
отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.
Для проведения измерительных операций должны быть удовлетво-
рены две основные предпосылки:
подлежащая измерению ФВ должна быть однозначно определена;
единицы измерения должны быть установлены соглашением.
Обе предпосылки не являются само собой разумеющимися. Длина,
вес, время воспринимаются всеми как вполне определенные из опыта,
КПД уже нуждается в конкретном определении, «уют», «интеллигентность» до сих пор не имеют общепринятого определения и по этому не
могут быть измерены. Аналогичное значение имеет соглашение об
эталонах. Эталоны, с одной стороны, тесно связаны с современным
состоянием техники, а с другой – обусловлены целесообразностью
реализации и удобством применения.
Физические величины и единицы их измерения, измеряемые независимо друг от друга, называются абсолютными или основными, они
представлены в таблице.
6
Физические величины и единицы их измерения
Величина
Единица
Наименование
Обозначение
международное
русское
ОСНОВНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ
Длина
Метр
m
м
Масса
Килограмм
kg
кг
Время
Секунда
s
с
Сила электрического тока
Ампер
А
А
Термодинамическая
температура
Кельвин
К
К
Количество вещества
Моль
mol
моль
Сила света
Кандела
cd
кд
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ
Плоский угол
Радиан
rad
рад
Телесный угол
Стерадиан
sr
ср
Все остальные единицы – производные. Они выражаются через основные из уравнений связи, характеризующих физический закон или
определение.
На практике широко применяются кратные и дольные единицы,
наименование которых приписывают к основной. Образуются они умножением 1 на 10п, при этом п принимает целое положительное значение для кратных единиц или отрицательное – для дольных (кило, мега, …, мили, санти, …).
Всякое измерение реализует операцию сравнения однородных физические величины по признаку «больше–меньше».
Результат измерения величины Х можно записать в виде формулы,
называемой основным уравнением измерения:
Х = А[X],
где A – числовое значение величины; [X] – единица ФВ.
Результат измерения в общем случае получают из многих измеренных значений по известным соотношениям. В простейшем случае результатом измерения является отдельное измеренное значение.
7
Характерные черты процесса измерения как информационного
процесса можно представить в виде идеализированной блок-схемы
(рис. 1.1).
Рис. 1.1 Процесс измерения:
х – измеряемая величина, хn – мера (эталон), ха – показание
Информация об измеряемой величине преобразуется измерительным устройством в показания. Присущий измерению процесс нормирования представлен вводимой в измерительное устройство информацией о мере ФВ. Идеализация схемы состоит в допущении, что на
процесс измерения влияют только измеряемая величина и мера, а помехи отсутствуют.
Измерительное устройство – совокупность средств, используемых
при измерении. Оно включает чувствительный элемент (измерительный преобразователь, сенсор), воспринимающий измеряемую величину, вычислительное устройство, усилитель, устройство представления
результата измерения.
Измерительным преобразователем называют средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме,
удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и
(или) хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию
наблюдателем (отсутствует система индикации).
Измерительная система включает в себя как измерительное устройство, так и области процесса (объекта), оказывающие влияние на
процесс измерения.
Измерительный прибор – конструктивно законченный узел, содержащий измерительное устройство, которое составляет весь прибор или
только его часть.
Принцип измерения – физическое явление, положенное в основу
измерения. Например, при измерении температуры принципом измерения может быть изменение длины, термоэлектрический эффект и т.д.
8
Метод измерения – способ действия измерительного устройства.
Например, прямое и косвенное измерение, аналоговое или цифровое
представление измерительной информации.
Измерительное преобразование – отражение размера физической
величины размером другой ФВ, функционально с ней связанной.
Погрешность (ошибка) измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Точность измерения – степень близости результата к истинному
значению измеряемой величины.
Мера – средство для воспроизведения ФВ в единицах измерения
либо в дольных и кратных единицах.
Контроль представляет собой процесс установления соответствия
между состояниями и свойствами объекта и заранее заданной нормой.
При контроле определяют, находится ли ФВ в заданных пределах. Результаты контроля используются для оценки пригодности изделия или
для управления технологическими процессами. В последнем случае
контроль называют активным, и он составляет основу функционирования автоматизированных систем управления технологическими процессами.
1.2. ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Методы измерения, понимаемые как совокупность приемов использования принципов и средств измерения, можно классифицировать и расценивать с самых разных точек зрения. Обсудим наиболее
важные их отличительные признаки.
1.2.1. Прямое и косвенное измерение
Прямое измерение характеризуется тем, что искомое измеряемое
значение ФВ находится непосредственно из опытных данных сравнением с образцовой мерой этой величины. К прямым методам относятся
все измерительные устройства с непосредственным отсчетом (шкалой). Измеренное значение считывается по шкале, проградуированной
по образцовой мере. Градуировка обеспечивает соответствие шкалы и
меры. Математически прямое измерение можно описать основным
уравнением измерения: Х = А[X]. Прямое измерение является одним из
основных видов измерения (измерение длины линейкой, массы – с помощью весов, температуры – стеклянным термометром и т. д.).
9
Косвенными называют измерения, при которых искомую величину
0
5 0
1 0 0
0 5 8 . 4 %
+ 5 . 2 3 Е - 3
+ 5 . 5 6 Е - 3
+ 5 . 7 3 Е - 3
находят на основе прямого измерения ряда параметров при известной
функциональной связи между ними. Уравнение измерения имеет вид:
y = f (x1, x2, …, xn). Например, плотность однородного тела – по его
массе и объему, электрическое сопротивление – по напряжению и силе
тока и т. д.
1.2.2. Аналоговые и цифровые способы вывода
измерительной информации
В процессе измерения информация о числовом значении измеря-
емой величины (измерительная информация) передается с помощью
сигналов на отсчетное или записывающее устройство.
При аналоговом способе (рис. 1.2, а) устанавливается прямая связь
между значением измеряемой величины и значением величины сигнала. Например, в ртутном термометре высота столбика соответствует
определенной температуре. Таким образом, используется не само числовое значение, а аналоговая величина.
а б
Рис. 1.2. Примеры вывода измерительной информации
Цифровой способ (рис. 1.2, б) характеризуется тем, что результат
измерения (размер) вырабатывается в измерительном устройстве или
выводится из него с числовой обработкой сигнала (как в числовых вычислительных машинах). Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки.
Точность цифрового показания выше (практически без ошибок), в
то время как при отсчете аналогового показания преобразование его в
число производится оператором и зависит от его способности к интерполяции. Преимущество аналогового вывода измеряемого значения
состоит в большей наглядности. Наблюдать за стрелочным прибором
проще, легче обнаруживается тенденция к изменению измеряемого
10
параметра. Поэтому иногда цифровую инфор-
3 4 5
6
х
х
п
х
а
1
2
1
0
2
3
4
х
х
а
Рис. 1.4. Пружинные
весы
мацию преобразуют в аналоговую, а в некоторых приборах измерительную информацию выводят в том и другом виде одновременно. При
аналоговых способах достаточно просто реализуются многие принципы измерения (физические эффекты).
При цифровом представлении измерительную информацию значительно легче передать
на расстояние с высокой точностью, качество
же передачи аналогового электрического сигнала зависит от дрейфа, шума и индуктивных
помех в электронных приборах и линиях передачи.
1.2.3. Методы прямых измерений
Методы прямых измерений можно разделить по признакам нали-
чия или отсутствия меры.
Метод непосредственной оценки (отсчета). В этом случае значе-
ние величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного средства прямого действия, в котором сигнал измерительной информации движется в одном направлении – с входа на
выход (рис. 1.3).
Данный метод можно рассмотреть на примере пружинных весов
(рис. 1.4). Градуировка в соответствии с жесткостью пружины является
как бы мерой. Точность метода невысокая, так как при больших отклонениях не обеспечиваются точность и линейность характеристики
Рис. 1.3. Блок-схема метода непосредственной оценки:
1 – измерение; 2 – градуировка; 3 – восприятие; 4 – преобразование;
5 – шкала; 6 – образование отсчета
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]