ТЕМА № 1
Системы автоматического контроля и основы метрологии
Системы автоматического контроля
Системой автоматического контроля называют систему, состоящую из объекта контроля и различных устройств, выполняющих функции измерения. Под объектом контроля понимают агрегат или процесс, в котором одну или несколько величин измеряют.
В большинстве случаев система автоматического контроля одной величины включает четыре элемента:
· объект,
· чувствительный элемент,
· линию связи,
· измерительное устройство.
Чувствительный элемент устанавливают непосредственно в объекте контроля, он воспринимает величину контролируемого (измеряемого) параметра и преобразует ее в соответствующий сигнал, поступающий по линии связи к измерительному устройству. Структурная схема такой системы показана на рис. 1.1, где каждый из элементов представлен прямоугольником; стрелки между прямоугольниками показывают направление передачи сигналов с одного элемента на другой. Элементы характеризуются сигналами на входе и выходе, называемыми также входными и выходными сигналами. Здесь передача сигнала идет в одном направлении, т. е. от объекта к измерительному устройству. Такие системы автоматического контроля называют разомкнутыми. В некоторых системах контроля чувствительный элемент является элементом измерительного устройства. В этом случае линия связи между чувствительным и измерительным элементами отсутствует, а структурные схемы системы контроля соответствуют схемам, приведенным на рис. 1.2.
Если измерительный прибор, например термометр или манометр (прибор для измерения давления), устанавливают непосредственно на объекте, то системе контроля соответствует схема на рис. 1.2, а. Если же измерительный прибор, например манометр, установлен на небольшом расстоянии от объекта и соединен с объектом линией связи (трубкой), то системе контроля соответствует схема на рис. 1.2, б.
Системы автоматического контроля подразделяются на местные, дистанционные и телеизмерительные.
Системы контроля, в которых измерительные устройства расположены вблизи объекта (вблизи места установки чувствительного элемента), называются местными.
Автоматический контроль можно осуществлять и на расстоянии от контролируемого объекта, удлинив линию связи между чувствительным элементом и измерительным устройством. В этих случаях система местного контроля усложняется введением в измерительное устройство преобразователя для преобразования результата измерения в пропорциональный пневматический или электрический сигнал.
Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического контроля:
0 — объект; ЧЭ — чувствительный элемент; ЛС — линия связи; ИУ — измерительное устройство
Рис. 1.2. Структурные схемы систем автоматического контроля без чувствительных элементов (обозначения те же, что и на рис. 1.1): а — прибор установлен на объекте; б — прибор установлен вне объекта
Последний содержит информацию о величине измеряемого параметра и по соответствующей линии связи передает ее другому измерительному устройству, расположенному на расстоянии от объекта контроля. Во втором измерительном приборе осуществляется обратное преобразование сигнала, переданного по линии связи, в результат измерения. Подобная система автоматического контроля называется дистанционной. Таким образом, дистанционная система контроля имеет два измерительных устройства: первичный и вторичный приборы.
В зависимости от вида используемой энергии дистанционные системы подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические.
В пневматических системах используется энергия сжатого воздуха. К первичному прибору подводится воздух под постоянным избыточным давлением 0,14 МПа (1,4 кгс/см2), а на его выходе давление изменяется в зависимости от величины измеряемого параметра в пределах от 0,02 до 0,1 МПа (от 0,2 до кгс/см2).
В электрических системах используется электроэнергия. В первичном приборе результат измерения преобразуется в силу или напряжение постоянного электрического тока или напряжение переменного электрического тока, величины которых пропорциональны результату измерения. В электрических системах дистанционной передачи используются также частотные преобразователи, которые преобразуют результат измерения в пропорциональную величину частоты переменного тока.
В химической, нефтехимической и промышленности по производству минеральных удобрений в основном применяют пневматические дистанционные системы автоматического контроля. Электрические системы используют значительно реже, а гидравлические не применяют вообще.
Для передачи результатов измерения на расстояние десятков и сотен километров применяют телеизмерительные системы контроля. В таких системах результат измерения при помощи преобразователя в первичном приборе преобразуется в кодированные, обычно дискретные сигналы, передаваемые по каналу (линии) связи. Во вторичном приборе, установленном на другом конце канала связи, эти сигналы преобразуются в результат измерения и фиксируются в цифровой или аналоговой форме.
В сфере управления сложными производственными процессами находят применение системы централизованного контроля. В этом случае вторичные приборы устанавливают на центральном щите. В крупных цехах с большим числом точек контроля центральный щит может достигать десятков метров в длину и становиться недоступным для обозрения оператора. Для наилучшей организации централизованного контроля применяют специальные машины — машины централизованного контроля (МЦК), которые собирают и автоматически обрабатывают информацию при контроле сложных производственных процессов.
Выходная информация, которая используется для воздействия на контролируемый процесс, называется оперативной. Чтобы сократить выходную информацию о большинстве контролируемых величин, ее можно заменить сигнализацией, которая включается только тогда, когда какая- либо контролируемая величина достигает некоторого наперед заданного значения. Обычно при отклонении контролируемого параметра от заданного значения машина выдает световой (зажигание или мигание лампочки) или звуковой (звонок, гонг) сигнал. Значения контролируемых величин могут быть также получены оператором по вызову. Отклонения контролируемых параметров от установленных пределов измерения по вызову регистрируются в непрерывной или цифровой форме.
Основы метрологии
Методы измерения. Под методом измерения понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: непосредственная оценка, сравнение с мерой, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадения.
Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например, измерение давления пружинным манометром. Точность измерений этим методом бывает ограниченной, но быстрота процесса измерения делает его незаменимым для практического применения. Наиболее многочисленной группой средств измерений, использующих этот метод, являются показывающие, в том числе и стрелочные, приборы (манометры, вольтметры, расходомеры).
В случае выполнения особо точных измерений применяют метод сравнения с мерой: измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями.
По дифференциальному (разностному) методу измеряют разность между значениями измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величин. Например, сравнение измерений с образцовой мерой на компараторе при поверке мер длины. Дифференциальный (разностный) метод позволяет получать результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Но реализовать этот метод можно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой. Это во многих случаях легче, чем изготовить средство измерений высокой точности.
Нулевой (компенсационный) метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Для воспроизведения физических величин определенного размера, служащих для сравнения, в нулевом методе измерения применяют меры этих величин.
Примеры: измерение электрических величин (ЭДС, напряжения, емкости, сопротивления и др.), а также неэлектрических величин, преобразованных в электрические (температуры, давления, деформаций и т. д.), с применением потенциометров и измерительных мостов.
Метод совпадения — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя совпадение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т. е. с фиксированной отметкой на шкале физической величины).
Качество измерений. По ГОСТ качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.
Точность — это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов.
Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений.
Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.
Сходимость — это качество измерений, отражающее близость результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях.
Воспроизводимость — это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).
Погрешность измерения есть отклонение результатов измерения от истинного значения измеряемой величины. По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные. Абсолютной называется погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Она определяется выражением
Δ =Х − Х0, (1.1)
где X — результат измерений;
Х 0 — истинное значение измеряемой величины.
Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, на практике пользуются лишь приближенной оценкой абсолютной погрешности измерения, определяемой выражением
Δ = Х − Хд, (1.2)
где Хд — действительное значение измеряемой величины, которое с погрешностью ее определения принимают за истинное значение.
Относительной погрешностью измерения σ называют отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины
σ = Δ / Хд, (1.3)
Систематической погрешностью называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяемая при повторных измерениях одной и той же величины.
Случайной погрешностью называется составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности можно обнаружить только при многократных измерениях. Они являются результатом случайных изменений многочисленных условий измерений, учет которых практически неосуществим.
Иногда в результатах наблюдений может появиться погрешность, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях, — это так называемая грубая погрешность. Результаты наблюдений, содержащие грубые погрешности, при обработке исключают, используя различные критерии.
Для оценки метрологических характеристик средств измерений используют классы точности.
Стандартом предусмотрено выражение предельно допускаемых погрешностей средств измерений в виде абсолютных, относительных и приведенных погрешностей.
Абсолютная погрешность должна быть выражена как
Δ = ±а, (1.4)
где Δ — предел допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах величины на входе (выходе), либо условно в делениях шкалы; а — именованное положительное число, выраженное в тех же единицах.
Относительная погрешность выражается формулой
δ = Δ · 100 / Х = ±С, (1.5)
где δ — предел допускаемой относительной погрешности, %; X — интервал измерений прибора.
Приведенную погрешность определяют по формуле
γ = Δ · 100 / ХN, (1.6)
где γ — предел допускаемой приведенной погрешности, %; Х N — нормирующее значение, которое при установлении приведенной погрешности принимают равным:
- конечному значению шкалы прибора, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы;
- сумме конечных значений шкалы прибора (без учета знаков), если нулевая отметка находится внутри шкалы;
- номинальному значению измеряемой величины, если таковое установлено; длине шкалы, если шкала неравномерная (логарифмическая или гиперболическая). В этом случае погрешность и длина шкалы выражаются в одних и тех же единицах.
Средствам измерения, пределы допускаемых погрешностей которых выражаются в единицах измеряемой величины или в делениях шкалы (абсолютная погрешность), должны
быть присвоены классы точности, обозначаемые порядковыми номерами, причем средствам измерений с бо́льшим значением допускаемых погрешностей должны соответствовать бо́льшие порядковые номера.
Средствам измерения, пределы допускаемых погрешностей которых выражены как относительные или приведенные погрешности, должны быть присвоены классы точности, выбираемые из ряда чисел:
(1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6) 10 n, где n = 0,1 − 1.
Класс точности устанавливают при выпуске прибора, градуируя его по образцовому прибору в нормальных условиях. Показание образцового прибора принимают за истинное значение измеряемой величины.
Чтобы уменьшить относительную погрешность, нужно выбирать верхний предел шкалы измерительного прибора таким, чтобы ожидаемое значение измеряемой величины (показание) находилось в последней трети (или половине) ее.
Абсолютной погрешностью меры Δ называют разность между номинальным ее значением и истинным (действительным) значением воспроизводимой ею величины
Δ = Хн − Хд, (1.7)
где Хн — номинальное значение меры;
Хд — действительное значение меры.
Пример. Погрешность гири 4-го класса с номинальным значением 2 кг и истинным значением 2,00010 кг равна −0,10 г (−100 мг), а отклонение от номинального значения для этой меры равно 0,10 г (100 мг).
Абсолютная погрешность измерительного прибора Δ Х п — это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины:
ΔХп= Хп − Хд, (1.8)
где Х п — показания прибора;
Хд — действительное значение измеряемой величины.
За действительное значение измеряемой величины принимают показания образцового прибора, если его погрешность в четыре-пять раз меньше погрешности поверяемого.
Если же погрешность образцового прибора только в 2–3 раза меньше погрешности поверяемого, то за действительное значение измеряемой величины принимают показания образцового прибора плюс поправка по свидетельству на данное значение.
Относительная погрешность меры или измерительного прибора б п — это отношение абсолютной погрешности меры или измерительного прибора к истинному (действительному) значению воспроизводимой или измеряемой величины. Относительная погрешность меры или измерительного прибора может быть в процентах выражена как
бП = ±( Δ Хп / Хп)· 100. (1.9)
Приведенная погрешность у измерительного прибора — это отношение погрешности измерительного прибора к нормирующему значению. Нормирующее значение Хn — это условно принятое значение, равное верхнему пределу измерений или находящееся в интервале измерений или в интервале длины шкалы. Приведенную погрешность обычно выражают в процентах как
γ = ΔХп × ХΛ. (1.10)
Пример. Определить абсолютную, относительную и приведенную погрешности потенциометра с верхним пределом измерений 150 °С при показании его Х п = 120 °С и действительном значении измеряемой температуры Хд = 120,6 °С.
За нормирующее значение принят верхний предел измерения Хn = 150 °С.
Абсолютная погрешность по формуле (1.8) ΔХ п = −0,6 °С; относительная погрешность по формуле (1.9) б п = ±0,5 %; приведенная погрешность по формуле (1.10) γ = ±0,4 %.
Основная погрешность средства измерений — это по грешность средства измерений, используемого в нормальных условиях, которые обычно определены в нормативнотехнических документах на данное средство измерений.
Под дополнительными погрешностями понимают изменение погрешности средств измерений вследствие отклонения влияющих величин от нормальных значений или выхода за пределы нормальной области значений.
Погрешности средств измерений, являющиеся определенными неслучайными функциями каких-либо факторов, относят к систематическим погрешностям. Они остаются постоянными или закономерно изменяются. Например, причиной систематической погрешности измерительного прибора может служить неточное нанесение отметок шкалы.
Случайная погрешность средства измерений — составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом.
При определении модели основной погрешности следует учитывать и погрешности, вызываемые такими явлениями, как трение, люфт, гистерезис и т. п. Погрешность, порождаемую этими явлениями, называют погрешностью средств измерения вследствие вариации.
Вариация показаний измерительного прибора — разность между значениями показаний измерительного прибора, соответствующими данной точке интервала измерения при двух направлениях подхода к данной точке.