- •Общие вопросы электрических измерений
- •2.3. Случайные погрешности
- •U — UbbtxdK.
- •3.7. Электромагнитные приборы
- •3.12. Приборы для регистрации величин, изменяющихся йо времени
- •4.8. Автоматический мост
- •Цифровые измерительные приборы
- •5.1. Общие сведения о цифровых приборах
- •6.3. Измерение температуры
- •6.6. Измерение сосредоточенных усилий
- •Автоматические системы контроля
- •7.1. Назначение и особенности систем контроля
- •7.3. Структурные схемы АСК
- •7.4. Функциональные устройства и блоки АСК
- •7.5. Примеры автоматических систем контроля
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
31.22 я 73 Н 59
У Д К 621.537.7(07)
Электрические измерения и автоматический конт роль. Нечаев Г. К.— К.: Вища школа. Головное изд-во, 1983.— 136 с.
Приведены основные понятия метрологии, классифи кация погрешностей измерений, и способы их.опреде ления.
Рассматриваются основные методы измерения элек трических и неэлектрических величин, общие ' характерис тики и конструкция измерительных приборов и преобра зователей для измерения неэлектрических величин, даны схемы их включения.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Автоматизация и комплексная механизация строитель ства».
Табл. Ш Ил. 144. Библиогр.: 7 назв.
Дпрдохн. наук П. П. Орнатский (Киевский дсшйУртииЧаиьцй институт), доц., канд. техн. наук А. А. Калмаков (Московский инженерностроительный институт)
Редакция литературы по кибернетике, электронике н энергетике
Зав. редакцией М. С. Хойнацкий
2302010000—053
170—83
" М211 (04)—83
© Издательское объединение сВйща школа», 1983
ПРЕДИСЛОВИЕ
В состав автоматических и автоматизированных систем управления технологическими процессами и автоматических систем контроля входят устройства для измерения регулируемых и контролируемых величин,- характеризующих состояние процессов. В основном эти величины явля ются неэлектрическими, но измеряются главным образом электрическими методами, поскольку большинство автоматических систем электрические. При наладке, исследованиях и эксплуатации таких систем приходится измерять различные электрические и неэлектрические величины. Поэто му специалисту-в области автоматизации технологических процессов не обходимо знать методы и приборы для измерения электрических и не электрических величин, а также информационно-измерительные системы, широко применяемые в настоящее время.
Пособие написано в соответствии с программой курса «Электрические измерения и автоматический контроль» и предназначено для студентов спе циальности «Автоматизация и комплексная механизация строительства».
Вкниге изложены вопросы электрических измерений, погрешности
иметоды обработки результатов измерений, описаны различные виды измерительной аппаратуры, а также методы измерения основных электри ческих величин. Показаны цифровые измерительные приборы, примене ние которых обусловлено повышением требований к точности и быстро действию измерительных устройств, а также применением управляющих вычислительных машин. Рассмотрены методы и средства для электри ческих измерений неэлектрических величин, наиболее распространенных в строительстве. Кратко изложены основные вопросы, связаннее с по строением автоматических систем контроля, входящих в информационно измерительные системы.
Книга написана с учетом специфики преподавания курса «Электри ческие измерения-и автоматический контроль» в Киевском ордена Трудо вого Красного Знамени инженерно-строительном институте.
Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 252054, Киев-54, Гоголевская, 7, Головное издательство издательского объединения «Вища школа»;
Общие вопросы электрических измерений
1.1. Электрические измерения в науке и технике
Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных, технических средств. Измерение обеспечи вает непосредственную связь между теорией и экспериментом, достовер ность научных исследований, высокое качество изделий современного производства. Без измерений невозможно было бы развитие науки и тех ники.
В развитии науки и производства значительное место занимают элект рические измерения, позволяющие получать численные значения элект рических и неэлектрических величин. В большинстве случаев в различ ных отраслях промышленности измерение и контроль параметров сырья, технологического режима и качества готовой продукций осуществля ется с помощью электрических измерительных приборов и систем. Авто матизированные системы управления технологическими процессами обыч но используют электрические измерения параметров, по которым ведет ся управление.
Электрические измерения имеют ряд преимуществ перед другими ви дами измерений: позволяют измерять электрические и неэлектрические величины; выполняются в любых местах и на любых расстояниях; произ водятся с высокой точностью; автоматически записываются в виде гра-‘ фиков или цифровых таблиц; результаты измерений можно получить в виде цифровых кодов и подать их на ЭВМ для вычисления по необхо димому алгоритму; результаты измерений' могут быть использованы в автоматических системах управления технологическими процессами.
Для того чтобы точно управлять, необходимо точно измерять все па раметры, по которым выполняется управление объектом или процессами.
В Советском Союзе развитию электрических измерений постоянно уделяется большое внимание. Первый приборостроительный завод был пущен в 1927 г. в Ленинграде (Электроприбор). В годы первой пятилет ки созданы приборостроительные заводы в Москве, Ленинграде, Киеве, Харькове, Краснодаре. После Великой Отечественной войны построен ряд предприятий, выпускающих приборы. В результате с 1948 по 1967 год продукция приборостроения возросла примерно в 200 раз. При этом произошел и качественный рост электроизмерительной техники. Разработаны и выпускаются различные автоматические и цифровые при боры, а также измерительные системы, отвечающие современным мировым стандартам.
Контроль за обеспечением единства измерений, а также за разработ кой и соблюдением стандартов в нашей стране осуществляется Государст венным Комитетом СССР по стандартам.
В современном производстве большое значение имеет контроль пара метров процесса, полуфабрикатов или готовых изделий. Контроль —-
это процедура установления соответствия между состояниями объекта или изделия и заранее заданной нормой путем восприятия контролируе мых величин, сопоставления их с уставками и формированием вывода. Результатом контроля является вывод о нахождении объекта или цзделия в норме или вне ее.
Операция контроля, выполняемая автоматически безучастия человека, называется автоматическим контролем. В большинстве случаев опе рации контроля связаны с измерениями,
1.2. Основные понятия метрологии
Величина и измерение являются • основными понятиями метрологии — науки об измерениях. Физическая величина — это свойство, общее в ка чественном отношении множеству объектов и индивидуальное в коли чественном отношении у каждого из них. Каждая физическая величина измеряется опытным путем с помощью технических средств, называе мых средствами измерений.
Под количеством физической величины понимается ее размер, т. е. количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физической величины.
Свойства физических объектов описываются уравнениями, связываю щими различные физические величины. Часть физических величин при нято считать основными, а все остальные — зависимыми производными от них.
Одним из основных понятий метрологии является единица физической величины (ЕФВ). Под этим понимается физическая величина, размеру которой по определению присвоено числовое значение 1. ЕФВ материа лизованы в форме технических средств, называемых эталонами и мерами, к которым предъявляются высокие требования стабильности во времени
иточности воспроизведения единицы.
ВСССР принята Международная система единиц. Эта система соглас но ГОСТ 8.417—81 «ГСП. Единицы физических величин» содержит семь
основных единиц: |
массы — килограмм |
(кг), |
длины — метр (м), време |
ни — секунда (с); |
силы тока — ампер |
(А), |
силы света — кандела (кд), |
термодинамической температуры Кельвина — кельвин (К), количества ве щества — моль, две дополнительные единицы — радиан и стерадиан.
На основе системы единиц каждая физическая величина может быть выражена ее числовым значением Nx, которое является отвлеченным чис лом, выражающим отношение значения физической величины к соответ ствующей единице данной физической величины. В выражении «сила то ка 5 ампер» Nx = 5 — числовое значение величины, ампер — единица величины.
Значение физической величины XN определяется сравнением с едини цей физической величины и выражается
X N = NxXe,r
где хе — единица физической величины.
Существует понятие — истинное значение физической величины X , т. е. значение физической величины, которое бы идеальным образом
4
индуктивностей. Обычно меры электрических величин применяются в мостовых или компенсационных измерительных установках. Они изготов ляются различных классов точности.
1.4. Классификация измерений'
Измерения можно классифицировать по ряду признаков, в том числе по видам и методам.' В зависимости от уровня измерения бывают прямые, косвенные и совокупные. При прямых — результат получается из дан ных одного измерения с помощью приборов, градуированных в опре деленных единицах. При этом уравнение измерения следующее:
Хм = Nx&Xk,
где Nx — числовое значение величины; Axk— цена деления шкалы или единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства.
При косвенных измерениях результат получается на основании не скольких прямых измерений величин, связанных с измеряемой опреде ленной зависимостью. Уравнение измерения -для этого вида:
xN = f{YN1 ZN, ... t a, b),
где YМу ZN — результаты прямых измерений аргументов; а, b — постоян- ■ ные коэффициенты. Так, мощность постоянного тока может быть уста новлена на основании измерения тока I и напряжения U на зажимах потребителя. Тогда значение измеряемой мощности определяется Р = ~ UI. При совокупных измерениях определяются значения нескольких величин решением системы уравнений, связывающих их:
fi{x; у\ ZN; WN;.a; b) = 0; f*(x; у; ZN; WN\ a; b) = 0,
где x, у .— измеряемые совокупно однородные или разнородные величи ны; ZN.. WN — величины, измеряемые прямо или косвенно; а, b — по стоянные величины.
Примером этого вида измерений является определение коэффициен тов в уравнении температурной зависимости сопротивления платины. Ре
шением двух линейных уравнений G двумя неизвестными
Rt, - RtA 1 + А & - g + В f t - g3];
я*. = Rt0[i + A(t2—g +в(t2- g2]
определяются величины An В.
Под методом измерения понимается совокупность приемов использо вания принципов и средств измерений (ГОСТ 16263—70).
Взависимости от способа использования в измерении меры различают:
1)метод непосредственной оценки, в котором по показаниям приборов оценивается вся измеряемая величина. В данном случае мера не посредственного участия в процессе измерения не принимает. Этот метод наиболее распространен, но точность его ограничена точностью приборов;
-2) метод сравнения, в котором измеряемая величина сравнивается с мерой, принимающей участие в процессе измерения.
Существует четыре разновидности метода сравнения:
разностный, или дифференциальный, метод, в котором измеряется разность эффектов от измеряемой величины и меры. Чем меньше разность, тем выше точность этого метода;
щихся условий эксперимента и параметров средств измерения. Такая классификация погрешностей справедлива тогда, когда измеряемая ве личина неизменна в процессе измерения. Если же эта величина перемен ная, то разграничить систематическую и случайную погрешности трудно. Поэтому иногда неопределенные систематические погрешности относятся к классу случайных и учитываются по правилам их оценки.
По природе возникновения погрешности измерений подразделяются на инструментальные, методические, погрешности установки и отсчитывания. Инструментальные погрешности обусловлены технологическими и конструктивными недостатками средств измерений. Так, погрешность от неправильной градуировки прибора является систематической, а от тре ния в опорах — случайной. Нестабильность средств измерения обычно дает случайную погрешность.
Методическая погрешность связана с несовершенством метода измере ния, использованием приближенных формул, неучетом воздействия при боров на измеряемую • величину.
В процессе измерения участвуют физические величины, которые не измеряются используемыми средствами, но оказывают влияние на результат измерения. К таким величинам относятся: температура окру жающей среды, ее влажность, атмосферное давление, напряжение и часто та питающей сети. При превышении влияющими величинами нормальных значений, установленных ГОСТ 22261—76, возможно появление погреш ности установки.
Погрешности отсчитывания зависят от характера отсчетного устрой ства и субъективных физиологических особенностей экспериментатора.
2.2. Систематические погрешности и методы их исключения
По характеру проявления систематические погрешности разделяются на постоянные и переменные. К постоянным относятся погрешности,, обус ловленные неточностью значения меры, неправильной градуировкой шкалы прибора или неправильной установкой прибора в пространстве. Переменные погрешности возникают от нестабильности напряжения источника питания и влияния различных внешних полей.
Составляющие систематической погрешности можно уменьшить или исключить, устранив причины их появления. Так, инструментальные погрешности исключаются проверкой средств измерения перед их при менением с целью определения поправок, которые представляются в виде таблиц или графиков.
Погрешности установки исключаются путем создания условий изме рений, при которых влияющие величины не превышают установленных нормальных значений (ГОСТ 22261—76).
Погрешности методического характера исключаются путем расчета их для применяемого метода измерений.
Систематические погрешности могут исключаться также специаль ными методами: замещением измеряемой величины равновеликой; ком пенсацией погрешности по знаку; симметричными наблюдениями.
Эти методы применяются главным образом в лабораторных условиях при точных измерениях;