АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ (САК)

Некоторые понятия метрологии (науки об измерениях) Технические средства контроля технологических параметров

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем.

Метод измерения — совокупность приемов использования принципов и средств измерений [40].

Принцип измерений - совокупность физических явлений, на которых основаны измерения (например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта).

Средство измерений — техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Точность измерений — качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Истинное значение измеряемой величины — значение физической величины, идеальным способом отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта [42].

Классификация измерений по способу получения результата

на прямые, косвенные и совокупные

1. Прямыми измерениями называются такие измерения, при которых значение измеряемой величины определяется непосредственным сравнением ее с мерами или показаниями измерительных приборов, градуированных в выбранных единицах измерения [19].

Основные методы прямых измерений: непосредственного определения (непосредственной оценки), метод замещения, компенсационный (нулевой) и дифференциальный (разностный).

Методом непосредственного определения значение измеряемой величины прямо преобразуется в выходную величину прибора, т.е. приборы непосредственно показывают (или записывают) измеряемую величину. Метод непосредственного определения широко используется в приборах промышленного контроля.

При использовании метода замещения воздействие измеряемой величины определяется измерительным прибором. Затем измеряемая величина заменяется известной величиной, дающей такое же воздействие.

Компенсационный {нулевой) метод состоит в уравновешивании неизвестной измеряемой величины известной. Значение измеряемой величины находится после достижения равновесия по значению уравновешивающей (известной) величины. Момент равновесия фиксируется устройством или прибором, называемым нуль-индикато- ром. К числу приборов, основанных на компенсационном методе, относятся потенциометры, уравновешенные мосты, дифманометры с силовой компенсацией и др. Компенсационный метод более точен, чем метод непосредственного определения [42].

Дифференциальный {разностный) метод заключается в том, что прибором определяется разность между измеряемой и некоторой известной (образцовой) величиной, после чего измеряемая величина находится путем алгебраического сложения. Существенный признак прямого измерения — то, что результат выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина [30].

• 2. Косвенными измерениями измеряемая величина определяется не непосредственно, а на основании данных прямых измерений величины, связанной с искомой величиной определенным соотношением, т.е. измеряемая величина находится расчетным путем. Примеры косвенных измерений — определение плотности по массе и объему или расхода по перепаду давления и т.д. [30]. Косвенные измерения широко применяются в практике контроля производственных процессов, когда прямые измерения невозможны.
• 3. При совокупных измерениях числовые значения измеряемой величины определяются путем решения ряда уравнений, полученных из совокупности прямых измерений одной или нескольких однородных величин, т.е. используются результаты прямых и косвенных измерений [30].

Классификация погрешностей измерений

Любое измерение не может быть выполнено абсолютно точно, его результат всегда содержит некоторую ошибку. В задачу измерений входит не только измерение контролируемой величины, но и оценка допущенной при измерении погрешности. Режим измерения определяется характером зависимости контролируемой величины от времени и может быть статическим или динамическим.

При статических измерениях измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения (по крайней мере неизменной в течение времени, достаточного для снятия показания) [42].

При динамических измерениях измеряемая величина изменяется в процессе измерения и является непостоянной во времени.

Статические погрешности измерения в зависимости от причин проявления принято подразделять на случайные, систематические и грубые.

Случайными называются погрешности, не подчиняющиеся какой- либо известной закономерности. Они возникают в результате влияния на процесс измерения случайных факторов (вибрация прибора, влияние посторонних электромагнитных полей, физиологические изменения органов чувств наблюдателя и т.п.). Случайные погрешности всегда присутствуют в эксперименте; они в равной степени могут быть как положительными, так и отрицательными. Случайные погрешности не могут быть исключены опытным или расчетным путем. Для учета влияния случайных погрешностей на результат измерения одну и ту же величину наблюдают многократно. К полученному ряду наблюдений применяют законы теории вероятностей и методы статистики, на основании которых учитывают влияние случайных погрешностей на результат измерения. Чем больше ряд наблюдений, тем точнее оценка случайной погрешности [30].

Систематическая погрешность — это составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Выявление и оценка систематических погрешностей являются наиболее трудным моментом любого измерения и часто связаны с необходимостью проведения исследований. Обнаруженная и оцененная систематическая погрешность исключается из результата введением поправки. В зависимости от причины возникновения различают следующие виды систематической погрешности:

• • погрешность метода (теоретическая погрешность) измерений — составляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством метода измерений. Здесь необходимо учитывать тот факт, что метод измерения по определению включает в себя и принцип измерения. Рассматриваемая погрешность определяется в основном несовершенством принципа измерения и, в частности, недостаточной изученностью явления, положенного в основу измерения;
• • инструментальная погрешность измерения — составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешности применяемых средств измерений. Данная погрешность имеет несколько составляющих, наиболее важные из которых определяются несовершенством конструкции (или схемы), технологии изготовления средств измерений, постепенным их износом и старением материалов, из которых эти средства измерения изготовлены. Средства измерений должны регулярно поверяться;
• • погрешность установки — является следствием неправильной установки средств измерений (не по уровню и не по отвесу) [30];
• • погрешность от влияющих величин — является следствием их воздействия на объект и процесс измерения (тепловые и воздушные потоки, магнитные, электрические, гравитационные и другие поля, атмосферное давление, влажность воздуха, ионизирующее излучение). Внешние влияющие причины должны быть устранены;
• • субъективная погрешность — обусловлена индивидуальными свойствами человека, выполняющего измерения. Причиной ее являются укоренившиеся неправильные навыки выполнения измерений. К этой систематической погрешности относятся, например, погрешность из-за неправильного отсчиты- вания десятых долей делений шкалы прибора, погрешности из-за различной скорости реакции людей и т.п. [30].

Грубая погрешность (промах) — это погрешность, которая явно

искажает результат измерения. Например, неправильная запись результатов измерения, неверная схема включения прибора и т.п. Измерения, содержащие грубые погрешности, исключаются из ряда измерений по соответствующему критерию.

Средства измерений. Классификация средств измерений по виду

Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин — электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т.д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, усиления, обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.

Основные виды средств измерений — это меры; измерительные преобразователи; измерительные приборы; измерительные устройства и информационно-измерительные системы [42].

Мера — средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря — мера массы, измерительный резистор — мера электрического сопротивления и т.д. Мера может принимать дискретный ряд значений (магазин мер), а также непрерывный ряд значений. Магазин мер - это набор мер, в котором меры объединены в единое конструктивное целое с устройством для соединения мер в различные сочетания. Значения меры могут быть нанесены на сами меры либо, в случае непрерывного ряда, могут быть представлены шкалой.

Измерительный преобразователь — средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи и дальнейшего его преобразования, но не поддающееся непосредственному восприятию сигнала наблюдателем [42].

Измерительный прибор — средство измерения, в котором сигнал измерительной информации вырабатывается в форме, доступной непосредственному восприятию сигнала наблюдателем. В состав измерительного прибора входят узлы и детали, позволяющие воспринимать действующую на прибор величину, а также преобразовывать ее в показания, которые могут быть восприняты наблюдателем.

Измерительное устройство — средство измерения, состоящее из измерительных преобразователей и измерительных приборов (датчик, канал связи, вторичный прибор) [42].

Информационно-измерительные системы — это измерительные устройства с автоматическим многоканальным измерением с последующей обработкой результатов измерений на ЭВМ по заданному алгоритму.

Классификация средств измерений по назначению

и по роли в процессе измерения

Средства измерения (СИ) делятся на три категории: рабочие, образцовые, эталоны.

Рабочие СИ — предназначены для повседневных измерений во всех отраслях народного хозяйства и подразделяются на технические СИ и средства повышенной точности — лабораторные.

Образцовые СИ — предназначены для поверки и градуировки рабочих СИ. Допустимая погрешность образцовых СИ в пять раз меньше погрешности рабочих СИ.

Эталоны — служат для воспроизведения и хранения единиц измерения с наивысшей метрологической точностью, достижимой при данном уровне развития науки и техники. Эталоны подразделяются на рабочие и первичные. По рабочим эталонам поверяются образцовые СИ [42].

Классификация измерительных преобразователей

1. Измерительные преобразователи в зависимости от их назначения и функций подразделяются на первичные, нормирующие, выходные, масштабные и т.д.

Первичный преобразователь — первый в измерительной цепи (термопара, термометр сопротивления, диафрагма). К нему подведена измеряемая величина. Первичные измерительные преобразователи, размещаемые непосредственно на объекте исследования и удаленные от места обработки, отображения и регистрации измерительной информации, называют датчиками.

Нормирующий преобразователь — преобразует и передает сигнал измерительной информации дальше по цепи.

Выходной преобразователь — согласует выходной сигнал нормирующего преобразователя с входом вторичного прибора, регулятора (контроллера).

Масштабный преобразователь — изменяет измеренную величину в заданное число раз (например, делитель напряжения).

Если в измерительной цепи кроме первичного преобразователя последовательно подключены и некоторые другие преобразователи из перечисленных выше, то совокупность всех преобразователей в данной цепи (вместе с первичным преобразователем) называют обобщенным преобразователем. Ясно, что в простейшем случае обобщенный датчик может включать только первичный преобразователь.

• 2. Измерительные преобразователи классифицируются по виду контролируемой величины: преобразователи температуры, давления, расхода, уровня и т.д.; по принципу действия: преобразователи пневмоэлектрические, электропневматические.
• 3. Измерительные преобразователи классифицируются по виду естественных входных (А) и выходных (У) сигналов.

На вход измерительного преобразователя (ИП) (рис. 1.1) кроме так называемой естественной входной величины Xдействуют и другие побочные входные величины. Например, измерительный преобразователь — электрическая лампочка. Здесь X — напряжение в сети, а побочные входные величины — температура и влажность воздуха.

Рис. 1.1. Измерительный преобразователь

На выходе ИП кроме так называемой естественной выходной величины Yмогут быть и другие побочные выходные величины. В частности, для лампочки Y — это освещенность помещения, а побочная выходная величина — тепло от лампочки. В этих условиях основная задача ИП — выделить из всего многообразия входных и выходных величин естественные величины X и Y.

По виду Хи YИП различаются:

X — электрическая величина, Y — электрическая величина (пример измерительного преобразователя — трансформатор);

X —неэлектрическая величина, Y — неэлектрическая величина (примеры измерительных преобразователей - рычаги, пружины, редукторы);

X — электрическая величина, Y — неэлектрическая величина (примеры измерительных преобразователей — электромагниты, лампы, электронагреватели);

X — неэлектрическая величина, Y — электрическая величина (примеры измерительных преобразователей: термопара, фотоэлемент).

Измерительные преобразователи в зависимости от вида (аналоговый, кодированный) входного и выходного сигналов относят к одной из следующих групп:

• 1) аналоговые измерительные преобразователи, у которых на входе и на выходе аналоговые сигналы;
• 2) аналого-цифровые измерительные преобразователи, имеющие на входе аналоговый сигнал, а на выходе кодированный сигнал;
• 3) цифро-аналоговые измерительные преобразователи, у которых на входе кодированный сигнал, а на выходе аналоговый сигнал.

Классификация измерительных приборов

по способу отсчета показаний

По способу отсчета показаний измерительные приборы подразделяются на следующие группы.

• 1. Приборы с ручной наводкой, у которых процесс измерения осуществляется сравнением измеряемой величины с мерами или образцами при непосредственном участии наблюдателя (весы с гирями) [19].
• 2. Показывающие приборы — указывают значение измеряемой величины в момент измерения на отсчетном устройстве. Наибольшее применение имеют шкаловые отсчетные устройства. Шкалы выполняются как неподвижными, так и подвижными. В последнем случае шкала перемещается относительно неподвижного указателя. Отметки на шкалах располагаются вдоль прямой линии или по дуге окружности, на плоской и цилиндрической поверхности циферблата. Зависимость между положением указателя и отсчетом называется характеристикой шкалы [19].
• 3. Самопишущие (регистрирующие) приборы снабжаются приспособлениями (рис. 1.2), автоматически записывающими на жесткий носитель текущее значение измеряемой величины во времени [19].

Рис. 1.2. Самопишущий (регистрирующий) прибор фирмы Honeywell

В памяти прибора сохраняется информация о ранее производимых измерениях. В прибор вставляется карта памяти. На ЖК-экране отображается информация об изменениях технологического параметра.

Комбинированные приборы осуществляют показания и регистрацию измеряемой величины. Измерительные приборы могут снабжаться также дополнительными устройствами для сигнализации (сигнализирующие приборы), регулирования измеряемой величины (регулирующие приборы) и для других целей [19].

Суммирующие (интегрирующие) приборы дают суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени. Эти приборы снабжаются счетчиками, которые часто встраиваются в один корпус с показывающим или самопишущим прибором, имея с ним одну измерительную систему [19].

Чувствительность измерительного прибора

и цена деления шкалы

Чувствительностью измерительного прибора S (Sy) называется отношение линейного АУУили углового Д<р перемещения указателя к изменению измеряемой величины AQ, вызвавшему это перемещение. Соответственно различают линейную чувствительность и угловую чувствительность:

где AjVh Дф — перемещение указателя; AQ — изменение измеряемой величины.

Чем больше чувствительность прибора, тем меньшую долю измеряемой величины можно измерить. Величина чувствительности является мерой, при помощи которой сравниваются однотипные приборы [19]. Величина С, обратная чувствительности, называется ценой деления шкалы прибора, т.е.

Градуировочная характеристика средств измерения.

Градуировка приборов

В ряде случаев шкалы измерительных приборов строятся в безразмерных или относительных единицах либо просто неизвестны значения делений шкалы прибора в единицах измеряемой величины. Такой прибор необходимо отградуировать. Градуировкой измерительного прибора называют операцию, посредством которой делениям шкалы прибора придают значения, выраженные в установленных единицах измерения. При градуировке экспериментально находят зависимость между значениями измеряемой величины и количеством делений по шкале прибора, или некоторой косвенной величины. Обычно эту зависимость выражают в виде градуировочных характеристик — таблиц или графически в системе прямоугольных координат: по оси абсцисс откладывают деления по шкале прибора или косвенную величину, а по оси ординат — действительные значения измеряемой величины в соответствующих единицах. Для градуировки технических измерительных приборов применяют образцовые приборы. Например, градуировочная характеристика ротаметра находится следующим образом. Измерения производят в 5—6 точках, расположенных равномерно по шкале вторичного прибора, и по полученным данным, которые вносят в таблицу, строят градуировочную кривую.

Погрешности средств измерений. Погрешность меры. Погрешность меры — это алгебраическая разность между номинальным и действительным значениями меры. Номинальное значение меры — это значение данной физической величины, обозначенное на мере или на ее футляре.

Погрешность измерительного прибора. Погрешностью измерительного прибора является разность между его показанием и истинным значением измеряемой величины. Так как величину истинного значения измеряемой величины установить нельзя, в измерительной технике используется так называемое действительное значение, полученное с помощью образцового прибора.

Абсолютная погрешность

Относительная погрешность

где Q — отсчитанное значение измеряемой величины со шкалы прибора;

Q₀ — действительное значение измеряемой величины [19].

В технике применяются приборы, с помощью которых проводят измерения лишь с определенной заранее заданной точностью — допустимой основной погрешностью. Величины допустимых основных погрешностей, соответствующие нормальным условиям работы приборов, устанавливаются стандартами. В зависимости от основной и дополнительной погрешности средствам измерения присваиваются соответствующие классы точности. Класс точности — обобщенная характеристика средства измерения, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средства измерения, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств измерений (под точностью средств измерений понимается качество измерений, отражающее близость к нулю его погрешностей). На циферблаты, щитки, корпусы средств измерений наносят условные обозначения класса точности, включающие числа и прописные буквы латинского алфавита. Пределом допускаемой погрешности средства измерений называется наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. По величине допустимой основной погрешности измерительные приборы подразделяются на классы точности [ 19].

В настоящее время в нашей стране используются три вида классов точности:

• 1) по абсолютным погрешностям (порядковые номера классов);
• 2) по приведенным погрешностям (отношение абсолютной погрешности А к диапазону шкалы прибора, выраженное в процентах);
• 3) по относительным погрешностям.

Государственными стандартами для разных приборов установлены различные классы точности. Класс точности обозначается на циферблате либо в паспорте прибора. Согласно ГОСТ 8.401—80 классы точности выбираются из ряда:

где п = 1,0, -1, -2,... .

Средства измерений с двумя и более шкалами могут иметь соответственно два и более класса точности.

Если прибор работает в условиях, отличных от нормальных, то кроме основной погрешности возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора. К дополнительным погрешностям относятся: температурная погрешность, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной; позиционная погрешность, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения, и т.п. За нормальную температуру окружающего воздуха принимают обычно 20°С, а за нормальное атмосферное давление 101 325 Н/м² (760 мм рт. ст.).

Для нахождения погрешности в различных точках шкалы прибор через определенные сроки подвергается поверке (табл. 1.1). Поверка производится в соответствии с ПР 50.2.006—94 «Порядок проведения поверки средств измерений» [7J.

Поверкой называется операция сравнения показаний рабочих измерительных приборов с показаниями образцовых приборов для определения их погрешностей или поправок к их показаниям.

Вариацией измерительных приборов (AN) называется полученная экспериментально наибольшая разность между показаниями прибора при поверке для прямого и обратного хода при одном и том же действительном значении измеряемой величины в одинаковых условиях измерения. Появление вариации вызывается трением в механизме прибора, зазорами (люфтами) в кинематических парах, гистерезисом, упругим последействием чувствительных элементов прибора и т.п. [19].

Приведенная вариация прибора ? выражается в процентах от максимального значения шкалы прибора и должна быть меньше основной допустимой погрешности прибора

где AN - абсолютное значение вариации прибора; N_max и 7V_min — соответственно верхнее и нижнее предельные значения шкалы прибора.

Номенклатурный перечень рабочих средств измерений, подлежащих обязательной государственной поверке

Окончание табл. 1.1

Погрешность измерительного устройства. Погрешность измерительного устройства, состоящего из п независимых элементов, определяется по формуле

где Де₍ V/ = 1, 2,..., п — допустимые погрешности элементов данного измерительного устройств. Например, погрешность измерительного устройства контроля температуры среды, состоящего из п — 3 независимых элементов (термопары, термоэлектродных проводов, потенциометра), определяется по формуле

где Де, V/ = 1, 2, 3 — допустимые погрешности элементов данного измерительного устройства (термопары, термоэлектродных проводов, потенциометра).