Михайлов_Автоматика и автоматизация измерений

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Автоматизации производственных процессов и электротехники

Курс лекций по предмету: « АВТОМАТИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ

ИЗМЕРЕНИЙ».

Для студентов специальности: «Физико-химические методы и приборы сертификации качества продукции»

Автордоцент Михайлов Валерий Борисович,

2009г.

1. Функции, выполняемые автоматическими СИ.

Функция измеряемого анализируемого параметра является основной, но не единственной функцией. Все измеряемые физика – химические параметры: температура, давление, влажность, кислотность и другие подлежат превращению в электрический сигнал. Затем этот сигнал сравнивают с эталоном. Результат сравнения оценивается оператором или автоматическим прибором. По величине отклонения судят о качестве измерения.

Автоматические приборы выполняют следующие операции:

-создание эталонного сигнала сравнения;

-хранение информации в памяти прибора;

-передача измеренной информации во внешнее устройство прибора с преобразованием в цифровую форму;

-создание и гибкое изменение оператором программы измерительного устройства;

-обработка результатов измерений в зависимости от вида погрешности и величины неопределенности (однократные или многократные измерения);

-представление измерительной информации в графической или табличной форме;

-самоконтроль за работой и правильностью измерительных операций отдельными элементами СИ;

-контроль за работоспособностью всего автоматизированного комплекса (встроенная система технической диагностики);

-корелляция характеристик измерительного прибора по результатам предыдущего пункта.

2.Обобщенная структурная схема процесса измерений.

Структурной схемой называют изображение функциональных особенностей прибора с помощью условно выделенных элементов схемы, выполняющие однородные функции: элементы преобразования физико-химических параметров в электрический сигнал, усилители электрических сигналов (первичные преобразователи), вторичные приборы и устройства, в которые включаются устройства индикации измерительных сигналов, устройства питания всех частей прибора, автоматические устройства, обеспечивающие логику работы прибора.

ПИП (первичный измерительный преобразователь) – чувствительный элемент (датчик, детектор) измерительного прибора, превращающий изменение физико-химического параметра образца в электрический сигнал.

ИП (измерительный преобразователь) – величины электрического сигнала (I, U, P) недостаточно для нормальной работы вторичного преобразователя, поэтому используют электронные усилители для обеспечения требуемого значения электрического параметра.

ВП (вторичный преобразователь) – устройство, предназначенное для индикации и выдачи информации об измеряемой величине в виде цифровой формы сигнала или величины отсчитанных делений по шкале прибора, т. е. в форме, доступной оператору, а также для выдачи сигнала в форме, предназначенной для дальнейшей обработки сигнала, хранения ее в электронной памяти. Большинство современных вторичных преобразователей имеют встроенные преобразователи из аналоговой формы в непрерывную цифровую. Они называются аналоговые цифровые преобразователи.

МПУ (микропроцессорное устройство) – устройство, предназначенное для обработки сигналов измерительной информации

(сравнения), запоминания результата, выдачи команд для повторных измерений и т. д.

УС (устройство сравнения) – отдельный либо встроенный в микропроцессор элемент, позволяющий реализовать различные методы измерения в автоматических приборах.

ЗУ (запоминающее устройство) – устройство, позволяющее набирать статистику.

УПП (устройство подготовки пробы) – устройство, позволяющее изменять и поддерживать на нужном уровне физико-химические параметры измеряемого образца.

УОИ – устройство отображения информации. ОУ – отсчетное устройство.

3. Методы измерений, используемые в автоматизированных приборах.

Измерение – это процесс, заключающийся в сравнении измеренной физ-кой величины с эталонной вел-ной, принятой за единицу.

В большинстве случаев используют 2 метода:

1.непосредственной оценки,

2.сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – м-д измерений, в к-ром значение величины определяют непосредственно по отсчетному уст-ву измерного прибора прямого действия.

Прибор прямого действия – измер-ный прибор, в к-ром сигнал измерительной инф-ции движется в одном направлении, а именно с входа на выход.

Х У

М-д сравнения с мерой м-д измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Методы сравнения в зависимости от результата подразделяют на:

-нулевой;

-дифференциальный.

Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором подбирают такую меру, чтобы разность между измеряемой вел-ной и мерой была пренебрежимо мала.

Дифф-ный м-д – м-д сравнения с мерой, в к-ром на измер-ный прибор воздействует разность между измеряемой вел-ной и мерой.

Техническая реализация этих методов осуществляется 3-мя способами:

1.способ противопоставления,

2.способ замещения,

3.способ совпадения.

Способ противопоставления – способ сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, воздействуют на прибор сравнения одновременно.

Способ замещения – способ сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, воздействуют на прибор сравнения поочередно.

Способ совпадения – способ сравнения с мерой, при котором подбирают такое воздействие на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, чтобы достичь их точного совпадения по величине (для периодических величин).

4. Классификация измерений.

Как правило, классифицируются по 5 пунктам:

1.в зависимости от временных характеристик измеряемых величин:

-статистические;

-динамические измерения.

2.по совокупности физических характеристик измеряемой величины:

-механические измерения;

-электрические приборы;

-тепловые приборы;

-оптические измерения.

3.по условиям, определяющим точность измерения:

-измерения с максимальной точностью (прецизионные измерения);

-контрольно-поверочные измерения;

-технические измерения.

4.по числу измерений величины:

-однократные;

-многократные измерения.

5.в зависимости, каким образом получили результат измерения:

-прямые;

-косвенные;

-совокупные измерения.

5. Погрешность измерений.

Погрешность – степень отличия измеряемого значения от истиной величины.

Точность измерения – это понятие свидетельствует в какой степени удалось уменьшить влияние погрешности и определить истинное значение величины.

На сегодняшний день параметр точности измерения определяют с помощью неопределенности по разработанной методике. Однако в паспортных приборах указываются еще и погрешности определяемые отдельно. Это абсолютные, относительные и приведенные

истинного измеренного значения величины. Истинное значение стремится к действительному значению, которое определяется физико-химическими методами и приведены в справочниках.

2. относительные погрешности – это отношение %, которая показывает, какая доля, приходится на 1-цу измеряемой величины.

100%

Х пр

Это позволяет сравнить измерения, проведенные в разное время.

3. Приведенная погрешность – какая доля приведенной погрешности

ХN- это длины шкал, число делений шкалы измерений, разность между верхним и нижним диапазонам измерения.

4. Класс точности – отражает самую большую погрешность

max

X N max

5. Вариация показаний – это отношение разности прямого и обратного движения на нормирующую величину

Природа вариации показаний:

1.механические источники вариации. Если сущ. шестиренчато рычажная системы передач в приборах, наличие люфта между шестеренками приводит к появлению зазора.

2.электрическая природа:

6. Причины возникновения и методы устранения погрешности.

Причины возникновения погрешности в приборах:

1.погрешность метода измерений – это теоретическая погрешность, обусловленная несовершенством разрабатываемого метода, а также не достаточным изучением явления лежащие в основе изучения;

2.погрешность влияющих величин – могут влиять всевозможные факторы воздействующие на прибор (влажность, вибрация, температурные поля, электромагнитные излучения);

3.погрешность установки СИ;

4.измерение приборами имеющие искаженный класс точности.

Методы устранения погрешности:

1. Структурная схема любого прибора включает в себя следующие основные элементы:

Внешние помехи

Внешние помехи Нужно устранить влияние чувствительного элемента на

измеряемые параметры или учитывать его проведение измерений.

2.Между элементами СИ существует взаимное влияние (помехи), природа которого может быть тепловой, электромагнитной.

3.Внешние помехи – на каждый элемент могут воздействовать всевозможные поля (статистические, динамические), что приводит к изменению погрешности.

Для устранения явлений используются:

- СИ с улучшенными метрологическими характеристиками; - устранение влияния внешних факторов;

- более глубокое изучение физ. явлений лежащих в условиях измерения;

- проведение измерений при разных положительных СИ.

7. СИ, их классификация. Структурные схемы СИ.

СИ- техническое устройство, служащее для определения размера физ. вел-ны и имеющее нормируемые метрологические характеристики.

Все СИ по их сложности подразделяются на 4 класса:

1.меры

2.измерительные устройства

3.измерительные установки

4.измерительные системы

МераСИ предназначенное для восприятия физ.вел. заданного размера.

Измерительное устройство- вид СИ который в зависимости от формы представления сигналов измеренной информации делится на:

-измерительный преобразователь и

-измерительный прибор.

Измерительный преобразователь- СИ предназначенное для выработки сигнала измеренной информации, в форме удобной для передачи, хранения, обработки данных, но не непредназначенное для воспроизведения оператором.

Измерительный прибор- СИ предназначенное для выработки сигнала измеренной информации, в форме доступной для непосредственного восприятия оператора (положение стрелки, цифры на табло).

Измерительная установка- совокупность функциональнообъединенных СИ, а также вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигнала в форме доступной оператору.

Измерительная система- совокупность СИ вспомогательных устройств соединенных между собой каналами связи и вырабатывающих измер. информацию во всех формах, которые будут располагаться на значительном удалении друг от друга.

Структурные схемы СИ.

Для удобства анализа работы СИ их рассматривают в виде структурных схем.

В зависимости от метода преобразования СИ делят на 2 класса:

1.прямого преобразования

2.компенсационного преобразования Структурная схема прямого преобразования. ПИПпервичный измерительный преобразователь ИПизмерительный преобразователь ВПвторичный преобразователь ОУотчѐтное устройство

УОПустройство обратного преобразователя

Х Y

Входное воздействие Х, выходное- Y.

Схема называется так потому что входной сигнал измерения проходит всѐ СИ.

В отличии от 1-ой схемы во 2-ой появляется дополнительное звено.

О ПИП ИП ВП ОУ

УОП

УОП предназначено для выработки сигнала сравнения меры в измерительном устройстве, что значительно повышает точность измерений.