Измерения и измерительные средства

ВВЕДЕНИЕ 

    В системах автоматического управления технологическими процессами современных производств используются разнообразные приборы для получения информации о значениях управляемых технологических параметрах, а также для ее преобразования. Поэтому для специалистов в области автоматизации технологических процессов важно научиться ориентироваться в многообразии существующих измерительных и преобразовательных технических средств, чтобы осуществить при необходимости их правильный выбор и использование. 

1. ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
1. Общие сведения об измерениях и измерительных средствах.

    Примем, что буквенное обозначение x будет относиться к входным измеряемым, а обозначение у – к выходным измеренным величинам. Термин «измерение», в зависимости от контекста, будет трактоваться двояко: как измерительная процедура или, как численный результат из мерительной процедуры.

    Рассмотрим измерения с точки зрения метода получения результатов. Приведем необходимые определения и сведения, которые используются при решении задач анализа и обработки измерений.

    Многократные измерения физической величины х образуются на основе последовательности (серии) измерений, осуществленных, как, правило, в одинаковых условиях. Указанные измерения обозначаются, как у_i, i = 0,1,…, N, где i - номер измерения, N - число измерений.

    Однократные измерения, обозначаемые в виде у, для физической величины х являются частным случаем многократных измерений при N = 1 (у = у₀).

    Прямые  измерения физической величины х, также обозначаемые, как у, производятся непосредственно на основе показаний измерительных средств.

    Косвенные измерения реализуются в предположении, что физическая величина х, которая является ненаблюдаемой, и значение которой необходимо определить (измерить), связана с наблюдаемыми (измеряемыми) физическими величинами х_s, s = 1,…, n функциональной зависимостью известного вида:

    Пусть у_s, являются измерениями физических величин x_s, которые могут быть получены на основе процедур однократных или многократных измерений. Косвенное измерение у для величины x, достаточно часто представляется, как результат вычисления по исходной зависимости, путем замены x_s,на у_s:

            (1.1)

    Например, измерение количества выделенного тепла Q при остывании тела массой m, удельной теплоемкости с от температуры t₁, до температуры t₂ вычисляется на основе известной функциональной зависимости:

            (1.2)

    Для физических величин  производятся прямые измерения y₁, y₂, y₃, физическая величина определяется на основе ее табличного значения y₄. Величине ставиться в соответствие ее косвенное измерение у, вычисляемое по (1.2) в соответствии с (1.1).

    Многомерные измерения осуществляются для систем, состояние которых описывается совокупностью (набором) переменных физических величин. В таких системах многомерное состояние может быть представлено вектором и многомерное (векторное) измерение для состояния записывается в виде .

    Измерения могут быть классифицированы по виду измеряемых физических величин. Для системы автоматизации, холодильной техники, машин и оборудования пищевой промышленности и отраслей АПК, измерения удобно сгруппировать следующим образом:

• теплофизические измерения, состоящие из измерений температуры, тепловых потоков, количеств тепла, теплоемкостей, коэффициентов теплопроводности и теплопередачи, холодопроизводительности и т.д.;
• механические измерения, включающие измерения масс, плотностей веществ, расходов протекающих веществ, сил, давлений, механических напряжений, энергий, мощностей, перемещений, скоростей (линейных и угловых), ускорений, частот вращений, смещений уровней раздела сред и т.д.;
• линейно-угловые измерения, включающие измерения линейных размеров, дуг, углов, а также площадей, объемов и т.д.;
• электрические измерения, охватывающие измерения силы тока, напряжения, электрической мощности и энергии, фазовых сдвигов, измерения сопротивлений, емкостей и т.д.;
• физико-химические измерения, включающие измерения влажности, измерения составов газов, физических характеристик веществ, концентрации веществ и т.д.;
• виброакустические измерения, охватывающие измерения вибросмещений, виброскоростей, виброускорений, акустических давлений, акустической мощности как случайных сигналов, уровней вибрации и шумов, спектров вибрации и шумов и т.д.

    Измерения, реализуемые при исследованиях, испытаниях, наладке и эксплуатации систем автоматизации, холодильных систем, пищевых машин и оборудования, могут входить в одну или несколько указанных групп: теплофизическую, механическую, физико-химическую и др.

    Для рассматриваемых предметных областей существуют вполне сложившиеся наборы измерительных задач с относительно устоявшимися средствами и технологиями измерений. В частности, холодильная техника характеризуется, в значительной степени, типовым набором измерительных задач, таких, как измерение показателей качества оборудования - холодопроизводительности холодильных машин или компрессоров, тепловых потоков и коэффициентов теплопередачи для теплообменников, измерение параметров для элементов оборудования - температур, давлений, расходов, влажностей и т.д. Вполне отработаны, учитывая специфику рассматриваемой предметной области, общие методики измерений и технологии, касающиеся формирования конструкций измерительных (испытательных) теплотехнических стендов, выбора типов измерительных средств и определения требований к точности измерений.

    Современные измерительные задачи реализуются с применением микроэлектроники и компьютерной техники, обеспечивающих получение существенно эффективных измерений, и предполагающих:

1. наличие распределенных объектов измерения (например, холодильных камер, холодильных машин, теплообменных аппаратов, испытательных стендов и т.д.), состояние которых определяется совокупностью параметров и для которых производятся многоканальные измерения;
2. применение системы сбора многоканальной измерительной информации и ЭВМ;
3. возможность управления от ЭВМ процессам измерения;
4. реализацию в ЭВМ математической обработки больших объемов измерительной информации.

    Приведем  общепринятую классификацию для  измерительных средств.

    Измерительный преобразователь – это техническое устройство, вырабатывающее измерительную информацию в виде, необходимом для последующего использования в автоматических системах, в системах передачи и обработки данных и т.д. На вход измерительного преобразователя поступает измеряемая физическая величина х, выходом является физическая величина, обозначаемая как z, в которой содержится измерительная информация о величине х. Данное техническое устройство преобразует одну физическую величину х в другую физическую величину z. Измерительный преобразователь представляет собой достаточно общее понятие.

    Измерительное средство - техническое устройство, предназначенное для реализации измерений и имеющее определенные метрологические характеристики. Входом для измерительного средства служит измеряемая физическая величина х, выходом - ее измеренное значение, обозначаемое, как у.

    Мера  – это измерительное средство, предназначенное для воспроизведения (калибровки) измеряемой физической величины; например, к мерам относятся такие измерительные средства, как мерные массы, мерные линейки (меры длины) и т.д.

    Измерительный прибор - измерительное средство, предназначенное для выработки измерительной информации, доступной для непосредственного наблюдения. Измерительные приборы различаются типом выходной информации:

1. приборы с аналоговой (непрерывной) выходной информацией, в которых, чаще всего, для считывания показаний применяются стрелочные индикаторы;
2. приборы с цифровой выходной информацией, для которых показания, как правило, считываются в цифровой форме, например, со светодиодных индикаторов. Измерительные приборы бывают показывающими, регистрирующими или комбинированными.

    Датчики - это измерительные преобразователи с выходной информацией в виде аналогового электрического сигнала. Датчики, как правило, входят в состав контрольно-измерительных приборов и систем автоматики. Иногда датчики включаются в единый конструктивный узел – измерительный регулятор, на который возлагаются задачи регулирования.

    Датчики физических величин, которые выпускаются  специализированными фирмам и, как правило, подвергаются унификации по целом у ряду параметров: по источникам питания, по форме и размерам монтажных плат, каркасов, панелей, пультов, конструкции корпусов, оснований и присоединительных узлов, по видам исполнений (пыле- и влагозащитном, герметичном, виброустойчивом) и т.д.

    Рассмотрим  унифицированные требования к выходным электрическим сигналам датчиков в части диапазонов изменения потоку или напряжению. Предполагается, что для датчиков устанавливаются пределы изменения намеряемых физических величин : обозначения (мА или В) применяются для задания граничных значений диапазона изменения выходных сигналов. При этом выходной сигнал датчика у связывается с измеряемой величиной х линейной зависимостью с насыщением

           ; (1.3)

    причем для и для . По величине выходного сигнала у для на основе (2 1.3) определяется измеряемая величина х.

    Микропроцессорные датчики – это измерительные преобразователи с выходной информацией в виде цифрового кода. Микропроцессорные датчики состоят:

1. из аналоговой части, преобразующей измеряемую физическую величину в электрический сигнал;
2. из микропроцессорной части, состоящей из блока АЦП, микропроцессорного блока, блока памяти и блока управления. Микропроцессорная часть представляет собой, фактически, микроЭВМ, реализованную в виде микросхемы. Наличие микроЭВМ, даже с ограниченными арифметическими возможностями и памятью, позволяет реализовать функции интеллектуальных датчиков, осуществляющих предварительную обработку информации и управление процессом измерения,

    Для обеспечения удобств сопряжения микропроцессорных датчиков с ЭВМ или локальной вычислительной сетью выходные цифровые коды от указанных датчиков нормируются соответствующим образом. Взаимная передача цифровой информации между системой микропроцессорных датчиков и ЭВМ через локальную сеть реализуется на основе протоколов обмена. Цифровые сигналы, посылаемые от ЭВМ к датчикам или наоборот, формируются на основе определенных протоколом правил, которые позволяют декодировать (кодировать) принятую (посланную) информацию.

    Датчики (сенсоры) на интегральных схемах - это измерительные преобразователи, реализованные в виде специальных интегральных схем. Конструкции указанных датчиков обязательно содержат аналоговую часть; параметры электронных компонент аналоговой части оказываются зависящими от измеряемых физических величин, например, температуры, давления, влажности и т.д.

    Компьютерные измерительные системы – представляют собой системы, состоящие из ЭВМ, набора измерительных средств, электронных схем ввода аналоговых измерительных сигналов в ЭВМ и вывода цифровых сигналов из ЭВМ для передачи управляющих сигналов в измерительные средства. Применение ЭВМ позволяет эффективно решать задачи управления измерительным и средствами, задачи обработки результатов измерений, задачи отображения измерительной информации на мониторе, задачи вы бора информации, полученной от нескольких измерительных средств.

2. Метрологические характеристики приборов.

    Метрологические характеристики приборов позволяют производить их точностные сравнения, оценивать их технические свойства и возможности. Все эксплуатационные свойства измерительных приборов определяются их метрологическими характеристикам и, которые приводятся в паспортной документации к приборам. Указанные характеристики обеспечивают необходимое для инженерной практики единство и установление методов контроля. Приведем некоторые определения и обозначения.